1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.2 실험방법
3. 결과 및 고찰
3.1 효소 전처리에 따른 멍게 피낭 섬유의 물성 변화
3.2 후처리 조건에 따른 멍게 피낭 섬유 유래 셀룰로오스 나노섬유의 물성 평가
4. 결 론
1. 서 론
최근 전 세계적으로 화석 연료 기반 소재를 대체하기 위해 지속 가능한 바이오매스 자원을 활용한 고부가가치 소재 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 그중 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber, CNF)는 높은 기계적 강도, 넓은 비표면적, 우수한 열적 안정성 등의 강점을 지니고 있어 보강재, 코팅제, 의료용 소모품 등 다양한 산업 분야에서 차세대 친환경 신소재로 각광받고 있다[1,2,3,4,5]. 일반적으로 CNF는 목재나 초본류 등 목질계 자원을 주로 이용하여 제조되나, 최근에는 목질계 자원의 한계를 극복하고 소재의 기능성을 극대화하기 위해 비목질계 자원에 대한 탐색이 활발히 이루어지고 있다[6,7,8,9,10].
대한민국은 삼면이 바다로 둘러싸인 지형적 특성상 수산 자원이 매우 풍부하며, 그중 멍게(우렁쉥이, sea squirt)는 남해안의 대표적인 양식 수산물이다. 통계청 자료에 따르면 국내 멍게 생산량은 연간 약 3만 톤 내외를 상회하고 있으나, 가공 과정에서 버려지는 멍게 피낭은 전체 중량의 30% 이상에 달한다. 이러한 수산 부산물은 수거 및 처리 시스템의 부재로 인해 대부분 연안에 방치되거나 해양 환경에 유입되어 심각한 환경 오염과 악취 문제를 야기하고 있으며, 처리 비용 또한 큰 부담이 되고 있다.
그러나 해양 부산물인 멍게 피낭은 공학적 관점에서 매우 가치 있는 자원이다. 멍게 피낭은 동물성 자원임에도 불구하고 식물성 셀룰로오스와 유사한 화학적 구조를 가진 고순도의 동물성 셀룰로오스 섬유인 ‘튜니신(tunicin)’으로 구성되어 있다[11,12,13]. 멍게 피낭 유래 셀룰로오스는 식물계 셀룰로오스가 일반적으로 50–70%의 결정화도를 가지는 것에 비해 결정화도가 약 80% 이상 수준으로 매우 높고, 섬유의 종횡비가 커서 CNF로 제조하였을 때 활용도가 높다는 장점이 있다[14,15,16]. 이러한 특성을 가지는 멍게 피낭을 활용하여 CNF를 제조하게 되면 수산 폐기물을 줄이는 동시에 기존 식물성 소재보다 물리적 성능이 우수한 CNF를 생산할 수 있다. 이는 자원 재활용이라는 친환경적 이점은 물론, 고순도 동물성 셀룰로오스만이 가질 수 있는 차별화된 물성 특성을 확보할 수 있게 될 것이다.
본 연구에서는 고순도의 셀룰로오스 섬유를 가진 멍게 피낭을 이용하여 셀룰로오스 나노섬유 제조 가능성을 평가하고자 하였다. 멍게 피낭 분쇄 슬러리에 셀룰라아제 효소를 투입량을 달리하여 전처리하였으며, 효소 투입량에 따른 멍게 피낭 섬유의 물리적 특성 변화를 광학현미경 이미지와 섬유장 및 미세분 함량 측정을 통해 분석하였다. 이후 최적의 효소 투입량을 선정하고 고압 호모게나이저를 이용하여 멍게 피낭 유래 효소 전처리 CNF를 제조하였다. 이후 4차 아민화(quaternization) 처리를 통한 양이온성 CNF와 카르복시메틸화(carboxymethylation) 처리를 통한 음이온성 CNF를 제조하였고, 정전기적 특성 분석과 FE-SEM 이미지를 이용한 CNF 섬유폭 분석을 통하여 멍게 피낭 유래 셀룰로오스 나노섬유의 제조 가능성을 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 처리 방법을 달리한 멍게 피낭 유래 CNF를 제조하기 위하여 경상국립대학교 해양식품공학과 기능성식품학연구실에서 분양받은 멍게 피낭을 사용하였다. 멍게 피낭은 아염소산나트륨 공정을 통한 표백 및 1차 분쇄 처리가 완료된 상태였으며 슬러리 형태로 제공받았다[17]. 사용한 멍게 피낭 슬러리 샘플의 이미지를 Fig. 1에 도시하였다. 효소 전처리를 위해 Novozymes사의 셀룰라아제(cellulase) 효소 제품인 Fiber Care U 제품을 사용하였으며 효소의 주요 특성은 Table 1에 나타냈다. CNF 제조와 주요 물성 측정에 사용된 약품의 종류와 정보는 Table 2에 정리하였다.
Table 1.
Enzyme specifications used in this study
| Enzyme |
* Activity according to manufacture data (CNU-R/g) | * Optimal reaction conditions | |
| Temperature (°C) | pH | ||
| Fiber Care U | 4,500 | 30–70 | 5–8 |
Table 2.
Information of chemicals used in this study
2.2 실험방법
2.2.1 멍게 피낭 유래 셀룰로오스 나노섬유 제조를 위한 효소 전처리 및 물성 측정
본 연구에서는 멍게 피낭을 이용하여 CNF를 제조할 수 있는 가능성을 평가하기 위하여 효소 전처리 셀룰로오스 나노섬유(EN-CNF), 4차 아민화 셀룰로오스 나노섬유(Q-CNF) 및 카르복시메틸화 셀룰로오스 나노섬유(CM-CNF)를 제조하였는데 효소 전처리 과정은 다음과 같다. 분쇄한 멍게 피낭 슬러리의 농도를 1.0%로 조절하였다. 효소 투입량은 전건 섬유 대비 0.5, 1.0, 1.5, 3.0, 5.0%로 선정하였고, 효소 투입 후 600 rpm으로 교반을 진행하면서 50°C, pH 6 조건에서 6시간 동안 효소 반응하였다. 이후 95°C에서 30분간 효소 사멸 과정을 진행하였다.
조건별 효소 전처리 효과를 분석하기 위해 섬유장 측정기(FQA-360, OpTest Equipment Inc., Canada)를 이용하여 전처리 멍게 피낭 섬유의 섬유장(length weighted average fiber length) 및 미세분 함량(fines content)을 측정하였다. 또한 전처리에 따른 멍게 피낭 섬유의 형태 변화를 분석하기 위해 광학 현미경(BX-51, Olympus, Japan)을 이용하여 멍게 피낭의 섬유 이미지를 촬영하였다.
2.2.2 멍게 피낭 유래 효소 전처리 셀룰로오스 나노섬유(EN-CNF) 제조
효소 전처리 멍게 피낭 슬러리를 고압 호모게나이저(MN400BF, Micronox, Gwangju, Republic of Korea)를 이용한 분쇄를 통하여 CNF로 만들고자 하였다. 효소 투입량 3.0% 이하의 조건에서 전처리된 슬러리는 고압 호모게나이저를 통과시켰을 때 높은 압력과 반복적인 처리에도 불구하고 육안상으로 섬유가 일정 크기 이하 수준으로 줄어들지 않아 CNF 제조가 어렵다고 판단하였다. 따라서 효소 투입량 5.0% 조건의 전처리를 진행한 멍게 피낭 슬러리로 실험을 진행하였다. 투입량 5.0% 조건의 전처리를 진행한 멍게 피낭 슬러리를 0.7% 농도로 희석하여 고압 호모게나이저로 처리하였다. 고압 호모게나이저의 압력은 30,000 psi로 조정하였으며 멍게 피낭 슬러리를 50회 통과시켜 나노섬유화를 수행하였다.
2.2.3 멍게 피낭 유래 4차 아민화 셀룰로오스 나노섬유(Q-CNF) 제조
2.2.2에서 제조된 EN-CNF를 이용하여 4차 아민화 반응을 통해 멍게 피낭 유래 양이온성 Q-CNF를 선행 연구에 따라[18] 제조하였다. 우선 원심분리기(LaboGene 1248, Gyrozen Co., Ltd., Korea)를 이용하여 EN-CNF의 물을 제거하였고, DMAC를 용매로 하여 2회 용매치환하였다. 상온에서 20시간 동안 대기한 후 CNF 1 g당 GMA를 0.8 g 투입하였고 촉매로 1 M KOH 용액 10 g을 사용하였다. 이후 항온수조에서 70°C, 6시간 조건으로 반응하였고, 마지막으로 잔류하고 있는 DMAC를 완전히 제거하기 위해 원심분리기를 이용하여 증류수로 5회 세척하여 멍게 피낭 유래 양이온성 Q-CNF를 제조하였다.
2.2.4 멍게 피낭 유래 카르복시메틸화 셀룰로오스 나노섬유(CM-CNF) 제조
2.2.2에서 제조된 EN-CNF를 이용하여 멍게 피낭 유래 CM-CNF를 선행 연구에 따라[19] 제조하였다. EN-CNF로부터 전건 섬유 1 g를 채취하여 에탄올로 용매를 치환시킨 후 0.1 g의 클로로아세트산과 메탄올 10 mL에 투입하여 30분간 침지시켰다. 그 후 NaOH 0.16 g, 메탄올 5 mL, 이소프로판올 20 mL가 혼합된 용액에 투입하여 65°C 항온수조에서 1시간 동안 반응을 실시하였다. 반응 후 펄프를 증류수로 감압 여과를 실시한 후 초산을 이용하여 pH를 7로 조절한 뒤 증류수로 세척하였다. 그 후 나트륨염 형태로 전환하기 위해 4%의 탄산수소나트륨 용액에 1시간 동안 침지시킨 후 증류수로 감압 여과를 실시해 실험을 종료하였다.
2.2.5 후처리 조건별 멍게 피낭 유래 셀룰로오스 나노섬유의 물성 평가
후처리에 따른 CNF의 물리적 특성 변화를 파악하기 위하여 전계방사 주사현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM; JSM- 7610F, JEOL, Japan)을 이용하여 이미지를 촬영하였다. 촬영한 이미지 분석을 통해 섬유의 나노화 및 섬유형태 등의 변화를 먼저 파악한 후, CNF의 섬유폭 변화를 분석하였는데 각 이미지별로 100개의 섬유를 선택하여 평균값과 표준편차를 계산하였다. 이때 FE-SEM 측정용 시트는 에틸알코올과 n-헥산으로 용매 치환하여 전처리하였다.
멍게 피낭으로 제조된 EN-CNF, CM-CNF 및 Q-CNF의 정전기적 특성은 제타전위 측정기(Zetasizer Nano ZS, Malvern, UK)를 이용하여 측정하였다. 측정을 위해 각 CNF를 0.1%로 희석하고 1 mL를 접이식 모세관 셀(folded capillary zeta cell, DTS 1070, Malvern, UK)에 주입하여 25°C에서 제타전위를 측정하였다. 물에 대한 영향을 최소화하기 위해 CNF를 증류수에 희석하여 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 효소 전처리에 따른 멍게 피낭 섬유의 물성 변화
효소 전처리에 따른 멍게 피낭 섬유의 물성 변화를 Table 3에 나타냈다. 효소 전처리 없이 분쇄 처리만 진행한 멍게 피낭의 섬유장은 약 0.454 mm로 나타났다. 효소의 투입량이 증가함에 따라 섬유장이 전체적으로 증가하는 경향을 보였다. 미세분 함량은 효소 투입량이 증가할수록 점차 감소하는 경향을 보였는데 셀룰라아제가 미세분을 효과적으로 분해하면서 함량이 감소하였고, 이로 인하여 평균 섬유장이 증가하였다고 판단된다.
Table 3.
Effect of enzymatic pretreatment on the characteristics of sea squirt
| Measurements | Control | 0.5% | 1.0% | 1.5% | 3.0% | 5.0% |
| Average fiber length (mm) | 0.454 | 0.479 | 0.533 | 0.535 | 0.552 | 0.562 |
| Fines (%) | 25.0 | 22.0 | 19.7 | 18.5 | 18.6 | 18.4 |
Figs. 2, 3, 4, 5, 6, 7에 효소 전처리 조건별 멍게 피낭 섬유의 광학현미경 이미지를 나타냈다. 일반적인 목질계 섬유가 일정한 방향성을 가진 개별적인 선형 구조를 나타내는 것과 달리, 멍게 피낭에서 추출한 셀룰로오스 섬유는 미세섬유들이 뒤엉킨 망상 구조를 형성하고 있다. 효소 투입량이 증가할수록 섬유의 엉킴이 느슨해지고, 섬유의 해섬으로 인해 섬유 다발의 규모가 작아지는 것을 관찰할 수 있다.
3.2 후처리 조건에 따른 멍게 피낭 섬유 유래 셀룰로오스 나노섬유의 물성 평가
FE-SEM 이미지를 이용하여 처리 조건별 CNF의 섬유폭을 측정하였다. 처리 조건별 CNF의 FE-SEM 이미지를 Fig. 8에 도시하였다. 측정 결과 모든 조건에서 CNF의 기준인 100 nm 이하 수준의 섬유폭이 측정되어 멍게 피낭을 이용하여 셀룰로오스 나노섬유를 제조할 수 있는 가능성을 확인하였다. EN-CNF의 섬유폭은 18.21 nm, Q-CNF의 섬유폭은 17.36 nm, 그리고 CM-CNF의 섬유폭은 15.61 nm로 측정되어, 효소 전처리만 적용한 CNF에 비해 4차 아민화 및 카르복시메틸화 후처리를 진행한 CNF의 경우가 더 작은 섬유폭을 가지는 것을 알 수 있었다. 이러한 표면 개질 처리를 진행할 경우 처리 과정에서 셀룰로오스의 비결정영역 다수와 일부 결정영역이 분해되는데[20,21] 이런 이유로 후처리를 진행한 CNF의 섬유폭이 EN-CNF의 섬유폭보다 낮은 값을 나타낸 것으로 사료된다. 또한 표면 개질 처리를 진행할 경우 섬유 표면에 음전하를 띠는 카르복실기나 양전하를 띠는 4차 아민기가 도입된다. 이로 인하여 강한 정전기적 반발력이 발생하여 뭉친 섬유 다발이 해섬되며 나타난 결과로 보인다. 정전기적 반발력에 인한 결과임을 판단하기 위하여 후처리 조건에 따른 멍게 피낭 셀룰로오스 나노섬유의 제타전위를 분석하였다.
효소 처리된 멍게 피낭 유래 셀룰로오스 나노섬유의 후처리 조건에 따른 제타전위 분석 결과를 Fig. 9에 나타냈다. 후처리를 진행하지 않은 EN-CNF를 대조군으로 하여, 4차 암모늄화(Q-CNF) 및 카르복시메틸화(CM-CNF)를 통해 표면 개질된 CNF의 제타전위를 분석하였다.
EN-CNF는 -10.6 mV의 제타전위 값을 나타내었으며, 식물계 셀룰로오스와 유사하게 일부 존재하는 카르복실기로 인해 정전기적으로 음이온성을 띠는 것이라고 판단된다. Q-CNF는 +41.1 mV의 값을 나타내었는데, -10.6 mV의 제타전위 값을 가지는 EN-CNF와 비교하면 전하 역전이 효과적으로 일어난 것을 알 수 있다.
CM-CNF의 경우 -22.0 mV의 제타전위 값을 나타내어 EN-CNF 대비 강한 음이온성을 나타냈다. 일반적인 식물성 셀룰로오스에 카르복시메틸화 처리를 진행할 경우와 비교하였을 때[22], 멍게 피낭 CM-CNF의 전하 변화 폭이 상대적으로 작게 나타났는데, 이는 멍게 피낭 셀룰로오스의 특성 때문일 것이라고 판단된다. 멍게 피낭에서 추출한 셀룰로오스는 결정화도가 매우 높고 구조가 치밀하여 화학물질이 섬유 내부까지 침투하기 어렵다[23]. 또한 높은 함량의 단백질 성분이 셀룰로오스 섬유의 표면을 물리적으로 덮으면서 카르복시메틸화 반응을 방해하는 역할을 했을 가능성이 있다고 판단된다[12]. 따라서 멍게 피낭을 사용하여 표면 개질 CNF를 제조할 경우 전처리 과정에서 단백질을 충분히 제거하게 된다면 더 우수한 CNF를 제조할 수 있을 것이라 예상된다.
4. 결 론
본 연구에서는 수산 폐기물인 멍게 피낭을 고부가가치 친환경 나노 소재로 활용하기 위해 멍게 피낭 유래 나노셀룰로오스 제조 가능성을 평가하였다. 효율적인 CNF 제조 공정을 확립하기 위해 셀룰라아제 효소 전처리와 고압 호모게나이저 공정을 적용하였으며, 효소 투입량에 따른 멍게 피낭 섬유의 물리적 특성 변화를 분석하였다. 그 결과, 효소 투입량이 증가할수록 망상 구조를 이루는 섬유 다발의 규모가 감소하고 미세분 함량은 감소하는 경향을 나타냈으며, 섬유의 해섬이 촉진되는 것을 확인하였다. 또한 효소 전처리를 통해 고압 호모게나이저 처리 효율이 향상되었으며, 5.0% 효소 투입량 조건에서 섬유폭 100 nm 이하의 균일한 효소 전처리 셀룰로오스 나노섬유(EN-CNF)를 안정적으로 제조할 수 있음을 확인하였다.
제조된 EN-CNF를 기반으로 4차 아민화 및 카르복시메틸화를 수행한 결과, EN-CNF는 -10.6 mV의 음전하를 나타내었으며 Q-CNF는 +41.1 mV의 높은 양전하를, CM-CNF는 -22.0 mV의 음전하를 나타냈다. 또한 FE-SEM 분석 결과 모든 처리 조건에서 섬유폭 100 nm 이하의 균일한 나노섬유 구조가 형성되어 멍게 피낭으로부터 CNF 제조가 가능함을 확인하였다. 반면 멍게 피낭 유래 CM-CNF는 목질계 셀룰로오스에 비해 상대적으로 낮은 카르복시메틸화 효율을 나타냈는데, 이는 멍게 피낭 셀룰로오스의 높은 결정화도와 잔류 단백질 성분이 화학 반응을 제한했기 때문으로 판단된다. 따라서 향후 전처리 단계에서 단백질 제거 공정을 추가적으로 적용한다면 보다 효율적인 표면 개질과 고품질 CNF 제조가 가능할 것으로 기대된다.
결론적으로 본 연구를 통해 수산 폐기물인 멍게 피낭으로부터 EN-CNF, Q-CNF 및 CM-CNF를 제조할 수 있는 가능성을 확인하였으며, 멍게 피낭이 지속 가능한 해양 바이오매스 기반 나노셀룰로오스 소재로 활용될 수 있음을 확인하였다. 또한 본 연구 결과는 수산 폐기물의 자원화와 친환경 고부가가치 소재 개발을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
