NaNo₂ 분해 저분자화 chitosan의 제조 및 특성 연구

Abstract

chitosan은 갑각으로부터 추출되어진 chitin을 강알칼리로 처리하여 얻어지는 polyglucosamine이다. chitosan의 특정한 기능성은 chitosan 고유의 특성에서 기인되고 있기에 chitosan을 사용 용도에 적합하도록 분자량, 탈아세틸화도, 순도 등을 조절하기 위한 연구가 이루어져왔다. chitosan을 저분자화 시키기 위해서 화학적, 생물학적, 물리적 방법이 도입되어지고 있다. 이 중 화학적인 저분자화 방법은 비교적 분자량 조절이 용이한 편이고, 재현성이 우수하며, 저분자화 된 chitosan의 회수가 용이하다는 장점이 제시되고 있다. 반면 탈아세틸화도(DA)의 저하가 필연적으로 수반되고 있다는 점과 안정성이 저하될 수 있다는 점이 단점으로 지적되고 있다. 산화제인 NaNO_(2)가 저분자화 반응에 사용되는 경우 분자쇄의 절단이 극히 정량적으로 이루어지기 때문에 NaNO_(2)의 첨가량을 조절함으로써 저분자화 chitosan의 정밀하고도 재현성 있는 분자량 조절이 가능해진다. 반면에 분자쇄의 절단과 -NH_(2)기의 산화가 정량적으로 1:1의 비율로 진행되어 결과적으로 분자량이 현저히 낮아지게 되는 것이 일반적인 현상이다. 그러나 NaNO_(2)로 chitosan을 저분자화 시키는 경우 DA 저하를 최소화시킬 수 있는 방법에 관한 연구는 아직까지 미비한 실정이다. 본 연구에서는 고분자량의 출발 chitosan을 NaNO_(2)로 저분자화 시켰다. NaNO_(2)/chitosan의 비율, 반응온도, 반응시간 등이 저분자화에 미치는 영향을 조사하였으며 저분자화 과정에서 chitosan의 -NH_(2)기가 NaNO_(2)에 의하여 변성되는 현상을 반응조건에 따라서 검토하였다. 뿐만 아니라 분자량 저하에 따른 용해성의 변화, -NH_(2)기의 변성에서 유발되는 탈아세틸화도의 저하와 이에 따른 용해성의 변화 등을 고찰하였다. 본 연구에서는 기존의 연구 결과와 달리 저분자화 chitosan의 분자량이 10,000 이하로 저하되어도 DA가 95% 이상으로 유지되어 DA의 저하가 심각하게 유발되지 않았다. NaNO_(2)의 첨가량과 반응온도가 DA 저하에 동시에 관여하고 있음이 밝혀졌으며 반응온도가 일정하게 유지되는 경우 DA의 저하율은 NaNO_(2)의 첨가량에 비례하였다. 저분자화 반응시간이 연장될수록 DA의 저하율이 증가되기 때문에 반응시간은 2시간 이내로 설정하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 반응조건에 따라 수득되어지는 저분자화 chitosan의 분자량 범위가 달라지고 있으며, 분자량이 서로 동일한 저분자화 chitosan이라 할지라도 DA와 용해성은 광범위하게 변화되고 있다. 따라서 적절한 분자량 범위를 갖음과 동시에 -NH_(2)기 변성에 의한 DA의 저하가 최소화되고 용해성이 우수한 저분자화 chitosan을 얻기 위한 적절한 저분자화 조건의 선택이 요구된다. chitosan에 대한 Mark-Houwink 식의 a값은 분자량이 동일하다 할지라도 달라지고 있으며 chitosan의 DA가 커질수록 a값은 상승되는 경향을 보여주고 있었다. chitosan의 고유한 특성을 정확히 평가하기 위해서는 1차적으로 Mw, Pd, DA가 서로 비교되어야 하며, 2차적으로 chitosan의 분자량 분포를 근거로 하여 누적빈도를 분할하고 각각의 분할된 누적빈도 구획범위 내에 존재하는 분획물들의 분자량 크기와 각각의 a값이 서로 비교되어야만 한다. 10% 범위로 분할된 분자량 누적빈도 구획범위 내에 존재하는 분획물들의 분자량과 a값을 검토한 결과 분자량이 과다히 낮아지게 되면 DA가 저하되고 이로 인하여 a값이 저하되고 있다는 사실이 발견되었다. NaNO_(2)로 고분자량 chitosan의 분자쇄를 절단시켜서 저분자화 chitosan을 얻을 때 분자량이 5,000∼6,000 범위로 저하되는 경우는 DA가 크게 저하되지만 a값은 크게 변화되지 않은 반면 분자량이 20,000 정도로 크게 유지되는 경우는 DA가 조금만 저하되어도 a값이 1이하로 크게 저하되었다. ;Chitosan is a polyglucosamine prepared by treating chitin in strong alkali medium. Specific functions of chitosan come from tailoring molecular weight (MW), degree of deacetylation (DA), and purity of chitosan. Therefore, many studies have focused on controlling these properties of chiotsan. There are three different methods to prepare low MW chitosan; chemical, biological, and physical methods. In this study, the low MW chitosan was prepared by the chemical method using NaNO_(2). The proportion of NaNO_(2) to chitosan, reaction temperature, and reaction time were varied to investigate the effect of reaction conditions on the characteristics of resulting low MW chitosan. Mw, Mn, Mp, Pd, and a were measured by GPC. Additionally, the distribution of Mw was divided in 10 sections, and the MW of chitosan at each section was compared to the value, a. DA of the prepared low MW chitosan (MW < 10,000) was maintained over 95%, which is not possible in conventional method of the low MW chitosan preparation. The decrease in DA was proportional to the amount of NaNO_(2) under the consistent reaction temperature. To get a specific low MW chitosan, it is essential to control the specific reaction condition. DA and solubility were different among the same MW chitosans with different reaction conditions. Therefore, reaction condition must be set and controlled to get a highly pure and soluble low MW chitosan. In addition, the value, a, increased with an increase in DA. It was found that the value, a, decreased with a decrease in DA by the analysis of Mw divided in 10 sections. The low MW chitiosan with MW 5,000∼6,000 showed a consistent'a' value due to the extremely low MW and the high solubility. However, the low MW chitosan with MW 20,000 showed a sharp decrease of the value, a, with a decrease in DA due to the relatively high MW and the low solubility.