산화분해와 초음파 조사를 이용한 알지네이트의 저분자화

Abstract

최근 전 세계적으로 환경오염으로 인한 탄소중립 정책의 시행과 석유자원의 고갈로 인한 대체 에너지 개발에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 이러한 관점에서 석유자원을 대체할 수 있고 환경을 보존할 수 있는 에너지원 및 플랫폼 화학물질의 원료로 바이오매스의 사용이 대두되고 있다. 육지에서 생산되는 1, 2세대 바이오매스는 식량자원으로의 이용과 느린 성장속도 등의 단점을 가지고 있으나, 해양에서 생산되는 제 3세대 바이오매스인 해조류는 빠른 생산속도와 높은 단위면적 당 생산량 등의 장점이 있으며 앞서 제시된 바이오매스들의 문제점을 극복할 수 있는 자원이다. 알지네이트는 우리나라에서 생산되는 해조류인 미역과 다시마 등에서 주로 추출되는 천연 바이오물질로 분자량에 따라 물리·화학적 성질이 서로 상이하며 의약, 공업용 제품 및 유용한 화학물질의 원료에 이르기까지 매우 폭 넓은 사용 범위를 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 산화분해와 초음파 조사를 이용하여 알지네이트로부터 올리고-알지네이트(oligo-alginate)를 제조한 후 반응 후의 분자량과 화학적 구조에 대해 살펴보았다. 올리고-알지네이트를 제조하기 위한 실험 과정으로 산화분해 반응(1단계) 후 초음파 조사(2단계)를 진행하였다. 산화분해 반응에서는 반응온도(70~130°C) 및 산화철 촉매의 사용 여부(1단계)에 따른 차이를 살펴보았으며, 2단계로 초음파 조사 시간(3~10시간)에 대한 효과를 관찰하였다. 산화분해 반응에서는 분자량이 약 99% 이상 감소하였으며, 반응온도가 높아짐에 따라 분자량이 작아지는 경향을 보였다. 또한, FT-IR 및 1H-NMR 분석을 통해 촉매를 사용하지 않았을 때 반응온도 90°C 이하에서 알지네이트의 단위체를 유지하며 글리코시드 결합이 해리되는 선택적 저분자화가 일어남을 확인하였고, 이외의 반응조건에 대한 생성물에서는 단당의 고리 열림 반응이 일어나며, 고분자 사슬의 무작위 끊어짐(random scission)이 관찰되었다. 초음파 반응의 결과로부터 고리 열림 반응이 일어난 원료는 해당 반응이, 알지네이트의 단위체를 유지한 시료에서는 글리코시드 결합이 해리되는 선택적 저분자화가 우세하게 진행됨을 확인하였다. 또한, 90°C 이상의 산화분해 반응에서 생성된 시료에 대해서는 초음파 조사에 대한 영향은 거의 없는 것으로 관찰되었다. 이러한 결과들을 비추어 볼 때 본 연구에서 제조된 올리고-알지네이트의 작은 분자량과 낮은 분산도의 장점을 바탕으로 고부가가치를 지니는 의료용품 또는 플랫폼 화학물질로의 원료 등으로의 활용 가능성을 시사하였다. | Recently, the implementation of carbon neutral policies due to environmental pollution and the research on development of alternative energy due to the depletion of petroleum resources has been continuously conducted worldwide. From this point of view, use of biomass resources as a raw material for energy and platform chemicals that can replace petroleum and preserve the environment from pollution is an important issue. The 1st and 2nd generation biomass produced on land have disadvantages such as use for food supply and low growth rate, but seaweed, a 3rd generation biomass produced in the ocean, has advantages such as fast production rate and high yield per unit area, and is a resource that can overcome the problems of biomass presented above. Alginate, mainly extracted from seaweed, is a natural bio-material which are mainly produced in Korea, and has different physical and chemical properties depending on the molecular weight. Therefore, in this study, oligo-alginate was prepared from alginate using oxidative decomposition followed by ultrasonic irradiation, then the molecular weight and chemical structure of the products were investigated. As an experimental process for producing oligo-alginate, oxidative decomposition reaction (step 1) was followed by ultrasonic irradiation (step 2). In the oxidative decomposition reaction(step 1), the differences depending on the reaction temperature (70-130 °C) and whether or not the iron oxide catalyst was used was examined, and in the second step, the effect of ultrasonic irradiation time(3-10 h) was observed. In the oxidative decomposition reaction, the molecular weight decreased by about 99% or more, and the molecular weight tended to decrease as the reaction temperature increased. Through FT-IR and 1H-NMR spectroscopy, when the reaction temperature of 90 °C or lower and no catalyst used, the glycosidic bond is dissociated while maintaining the alginate unit(selective depolymerization). And products from the other reaction conditions, ring-opening of monosaccharides occurred and random scission of polymer chains was observed. From the results of the ultrasonic reaction, the sample that alginate unit was maintained depolymerized selectively, but the random scission of the alginate polymer chain occurs predominantly from the ring-opened raw material. In addition, it was observed that there were almost no effect of ultrasonic irradiation on products generated at a reaction temperature of 90 °C or higher in the first step. From these results above, based on the advantages of low molecular weight and polydispersity of the oligo-alginate prepared in this study, it is suggested that it can be used as a raw material for high value-added medical supplies or platform chemicals.