2000년도 2학기 생물기기분석학 수업노트-3: 생물고분자중합체-2

생물기기분석학 수업노트-6: 생물고분자중합체

- 차 례 -

I. 셀루로오스 (cellulose, 섬유소)

1. 개요

2. 셀룰로오스 자원

3. 미생물 셀룰로오스의 이용

5. 미생물 셀루로오스의 생산

II. 키틴과 키토산 (chitin & chitosan)

1. 키틴과 키토산

2. 키틴과 키토산의 구조

3. 키틴과 키토산의 특징

4. 이용분야

III. 셀루로오스와 키틴 및 키토산의 구조 분석

1. 구조 비교

2. 기기적 분석

(1) IR spectrum

(2) ¹³C NMR

- 강 의 내 용 -

I. 셀루로오스 (cellulose, 섬유소)

1. 개요

(1) 셀룰로오스는 지구상의 최대 생물자원

1) 면화 (94% 이상)와 나무 (50% 이상)의 주성분

2) 면화와 나무는 셀룰로오스를 이용하여 만든 제품의 주요 자원

3) 2001년의 세계 면화생산량은 19.2 백만톤 (북반구에서 89% 생산)

4) 2008년의 세계 면화생산량은 26.2 백만톤

a. 중국: 8.1 백만톤

b. 인디아: 5.4 백만톤

c. 미국: 4.2 백만톤

d. 파키스탄: 1.9 백만톤

e. 브라질: 1.6 백만톤

f. 터어키: 0.7 백만톤

g. 기타: 3.2 백만톤

(2) 경제적으로 중요한 자원

(3) 셀룰로오스 자원의 무분별한 사용에 따른 환경파괴

2. 셀룰로오스 자원

(1) 식물자원: 광합성

1) 산림

2) 면화

3) 조류 (algae) 및 단세포 플랑크톤

(2) 미생물 및 하등동물 자원

1) 몇몇 하등동물

2) fungi

3) bacteria: 광합성 또는 생합성

(3) Acetobacter xyllinum: 순수한 섬유소의 생산 자원

1) 초산발효세균인 Acetobacter 종

2) 비광합성 세균으로 포도당, 설탕, 글리세롤 및 기타 유기산을 생합성한 후,

이를 셀룰로오스로 변환시킴

3) 자연에서 가장 유용한 셀룰로오스 생합성 세균

4) 시간당 108 mol의 포도당을 셀룰로오스로 변환시킴

5) 미생물 셀룰로오스는 흡수성과 강한 강도가 특성

3. 미생물 셀룰로오스의 이용

(1) 기능성 건강식품

1) Nata de coco: 코코넷 쥬스를 기질로 섬유소를 생산하는 미생물을 발효시킨 제품

2) Kombucha Elixir 또는 Manchurian Tea

(2) 음향기기의 공명판

(3) 의약용품

1) 상처 응급처치용 키트

2) 일시적인 피부 대처제

(4) 특수 기능의 종이 및 종이를 이용한 제품

4. 미생물 셀루로오스의 생산

(1) 필리핀의 생산공장

http://www.rensselaer.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/CELLULOSE/outside.htm

(2) 미생물 셀룰로오스 생산용 반응기

http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/CELLULOSE/rbcol.htm

II. 키틴과 키토산 (chitin & chitosan)

1. 키틴과 키토산

http://www.chinju.ac.kr/~hschun/data/chitosan/chitosan.html

(1) 키틴

1) 게, 새우의 껍데기에 존재하는 물질이며,

2) 갑각류 외에도 연체동물의 연골,

3) 곤충류의 외골격

(2) 키토산

1) 키틴 생성 과정에서 알칼리로 고열처리 할 때 추출되는 물질

2) 키틴과 키토산은 분자구조가 거의 같음 (아세틸기의 유무에 의한 차이)

2. 키틴과 키토산의 특징

(1) 무미, 무취의 고분자 다당체 (polysaccharide)

(2) 천연 식품 첨가제로 이용되는 천연 동물성 식이 섬유

(3) 키토산은 섭취하면 40%는 흡수되고 나머지 60%는 배설 전까지 체내에 머물러, 생체

조절기능에 도움을 줌

3. 이용분야

(1) 혈압상승억제효과

1) 고혈압의 원인 물질이 NaCl에서 Na+ 라고 알려져 있으나, 현재는 Cl^- 임이 밝혀짐

2) 키토산은 혈중 염소 상승률을 저하하는 효과를 지님.

(2) 콜레스테롤 조절

1) 콜레스테롤은 생명유지에 필수 불가결한 요소로 세포막을 구성하며, 호르몬의

생성원료.

2) 과잉되면 동맥경화증 유발 가능성.

3) 콜레스테롤에는 유익한 HDL과 유해한 LDL이 있는데,

4) 키토산은 HDL을 증가시키고, LDL을 감소시키는 역할을 해 동맥경화를 예방.

(3) 혈당조절 작용

1) 노화 세포의 활성화로 노화 억제기능을 가지고,

2) 면역 세포를 강화해 면역력을 증강시키며,

3) 약해진 체세포의 강화로 병을 예방할 뿐만 아니라,

4) 자연 치유력을 높여 병 회복에 도움.

5) 자율 신경조절, 체액의 pH 조절, 혈액농도의 조절 등 생체리듬을 조절하는 역할.

(4) 키토산의 향균

1) 대장균의 세포를 둘러싸서 Stocking effect에 의하여 균이 분열하지 못하여 증식이

억제됨

2) 체외 세포의 구성 성분인 단백질중 카르복실기의 음이온과 키토산의 양이온이

정전기적으로 결합하여 Stocking effect를 나타냄.

3) 대장균에 대하여서는 가장 유력한 기전으로 이스트의 경우에는 이스트 세포벽이

파괴되어 죽음.

4) 미생물인 박테리아, 균 등이 키토산을 영양분으로 이용하기 위하여 Enzyme을

체외로 분비

5) 분비되는 효소에 의하여 자기 세포벽이 파괴되어 사멸되는 원리

6) 키토산이 올리고머화 되어 박테리아의 세포내로 Endocytosis되며, 박테리아의

DNA transcription 을 저해하여 증식을 억제시킴

(5) 기타

1) 식욕증진, 체내 유해성분의 선택적 배출,

2) 마이크로 캡슐로 의약효과 조정,

3) 생체기능 조절로 간 기능 강화,

4) 변비 제거 효과,

5) 암 억제, 암의 전이 방지 등의 기능이 있어 기능성 식품 및 의료, 제약분야로

발전하고 있음.

III. 셀루로오스와 키틴 및 키토산의 구조 분석

1. 구조 비교

2. IR 및 C¹³-NMR에 의한 구조 분석

3. 기기 분석의 원리

(1) 전자기복사파의 종류

1) 우주선과 γ선

2) x-rays

3) 자외선 (UV: ultra-violet)

4) 가시광선 (visible light)

5) 적외선 (IR: infra-red)

6) 마이크로파 및 라디오파

(2) 전자복사파의 이용

1) 전자전이

a. 전자를 낮은 에너지인 바닥-상태 궤도함수에서 높은 에너지의 들뜬 상태로 전이

b. 40 -300 kcal/mol

c. 자외선 및 가시광선

d. UV-visible spectrometer

2) 분자전이 (5-15 kcal/mol)

a. 분자의 운동 유발 (진동, 회전, 병진)

b. 적외선의 흡수는 공유 결합을 이루는 분자의 진동을 증가

c. Infrared spectrometer (IR)

3) 기타

a. 높은 자기장내의 유기물은 마이크로파 및 라디오파 (에너지) 흡수

b. 흡수하는 에너지는 양성자의 성질에 따라 차이가 있음

c. 흡수한 에너지를 검출계로 검출

d. nuclear magnetic resonanse (MNR)

(3) 적외선분광법 (Infrared spectrometer, IR)

1) 적외선분광법

a. 분자의 작용기에 의한 특성적 스펙트럼

b. 분자의 구조를 확인하는 정보를 제공

2) 원리

a. 분자의 진동운동 (vibration)

- 신축진동 (stretching vibration): 원자의 결합길이의 변화

- 굽힘진동 (bending vibration): 원자의 결합각의 변화

b. 분자의 진동운동에 필요한 에너지

- 결합각의 종류 및 세기에 따라 다름

- 고유한 진동 주파수에 해당하는 빛에너지가 필요

3) 기기장치

a. 광원

- Nernst lamp: 400 - 1000 cm^-1

- He-Ne laser

b. 시료주입부

- 수용성시료: AgBr 또는 KRS-5

- 비수용성: KBr 및 Nacl의 plate

c. 단색화장치

- 적외선 영역의 빛을 파장별로 분리

- 분산형 단색광기: 프리즘, 회절발

d. 검출기

- 열전기쌍 (thermocouple): IR을 받으면 두 접촉점 사이에 온도차가

발생하여 전위 발생

- 볼로미터 (bolometer): 일종의 저항온도계

e. 기록기

4) 적외선 스펙트럼

a. 탄화수소-탄화수소

- sp² C=C : 1600 - 1700 cm^-1 (5.8 -6.2 μm)

- sp³ C-C : 1450 - 1600 cm^-1

- sp C=C : 2100 - 2250 cm^-1

b. 할로젠화 알킬

c. 알코올과 아민

d. 이터 (ether)

e. 카르보닐 화합물: ketone, aldehyde

(4) 핵자기 공명법 (neclear magrnetic resonance spectroscophy, NMR)

1) 원리

a. 핵이 에너지 준위를 전이할 때 흡수 또는 발산하는 에너지를 검출

b. ¹H, ¹³C, ¹⁴N, ¹⁹F, ³¹P 등의 자기 모멘트를 가진 원자핵을 이용

c. 원자핵을 강한 자기장에 놓으면 핵이 스핀하여 자기장이 형성

d. 외부자기장의 세기와 라디오진동수의 특별한 조합이 양성자를 평행에서

안티평형으로 튀어 오르게 함

2) 구조

a. 시료관: pyrex, 18cm x 0.5cm의 관

b. 자석: 강한 자기장을 발생시킬 수 있는 영구자석

c. 자기장 유도코일

d. 라디오 발진기

e. 검출기

3) 응용

a. ¹H NMR: 수소 양성자의 위치 등을 알 수 있음

b. ¹³C NMR: 탄소의 유무 및 위치를 알 수 있음

4) ¹H NMR 스펰트럼

5) ¹³C NMR 스펙트럼