KR20210023061A

KR20210023061A - 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법 및 키틴 나노결정 분말

Info

Publication number: KR20210023061A
Application number: KR1020190102697A
Authority: KR
Inventors: 신지훈; 이현호; 김영운
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-03-04
Also published as: US20210054107A1; KR102267706B1; US11649300B2

Abstract

본 발명은 (i) 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하는 단계; (ii) 전자빔 조사 처리된 키틴계 물질을 세척하는 단계; (iii) 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하는 단계; 및 (iv) 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조하는 단계;를 포함하는 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 관한 것이다.

Description

전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법 및 키틴 나노결정 분말{EXTRACTION METHOD OF CHITIN NANOCRYSTALS USING ELECTRON BEAM IRRADIATION AND CHITIN NANOCRYSTALS POWDER}

본 발명은 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법 및 이에 따른 키틴 나노결정 분말에 관한 것이다.

최근 나노 크기 재료의 우수한 물리적 성질 때문에 강화복합소재(나노 복합소재)를 만들려는 관심이 전 세계적으로 크게 증가하고 있다. 현재 대부분의 연구들은 나노 복합재료를 만들기 위해 강화재료로써 나노 점토(nono clay), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube)와 같은 무기물질과 나노셀룰로오스, 키틴과 같은 유기물질을 이용하고 있다.

키틴은 지구생물자원중에서 셀룰로오스 다음으로 풍부한 물질로써, 1970년대부터 시작된 새로운 생리활성 물질을 찾는 과정에서 키틴의 다양한 용도가 밝혀지면서, 외과용 인공피부, 생분해성 필름, 수처리용 응집제 및 화장품 원료등에 사용되기 위한 실용화 연구가 이루어져 왔다. 최근에는 고부가가치의 의학, 약학, 생물산업 및 화장품 재료로써 이용되어 왔다.

특히, 키틴은 불용성 물질이나 셀룰로오스보다 우수한 기계적 물성을 가지고 있으며, 생분해성이 뛰어나다. 그리고 세포 독성이 매우 낮고, 항균 및 항염 효과를 지니고 있어 생체친화성이 우수하여 의료용 봉합사로 많이 이용되고 있다.

또한, 키틴은 준결정 나노섬유를 제조하는 데에 이용되고 있으며, 높은 종횡비 및 다관능기(polyfunctional)를 가지므로 고분자 나노복합소재의 강화재로 연구 개발되고 있다. 이러한 응용성에도 불구하고 키틴은 구조적 특성에 따라 많은 물성의 변화를 가져오므로 실제의 적용에는 많은 한계가 있다.

한편 키틴이 산에 의해 가수분해될 때, 비 결정영역은 결정영역에 비해 가수분해되는 속도가 매우 빠르기 때문에 적절한 조건으로 키틴을 가수분해하면 주로 결정영역으로 이루어진 키틴 나노결정체를 얻을 수 있다.

키틴 나노결정을 얻기 위한 전형적인 방법은 황산, 염산 또는 질산과 같은 강산으로 가수분해하고, 물로 희석하고, 반복하여 세척한 이후에 연속적인 원심분리 과정과 투석, 초음파를 이용한 기계적 처리 이후 물에 분산된 현탁액 상태로 보관하는 것이다.

종래 기술은 공정 시간이 오래 소요되고 낮은 수율 및 환경에 악영향을 미치기 때문에 키틴 나노결정의 상업적 이용을 크게 제한하고 있다.

또한, 키틴 나노결정이 물에 분산된 현탁액 상태로 보관되기 때문에 이를 보관 및 운송하기 위해 많은 비용이 들었다.

세척과정에서 긴 공정 소요시간, 생산된 나노결정의 낮은 온도 저항성과 같은 단점을 극복하기 위해 효율적이고 환경친화적이며 경제적인 키틴 나노결정을 생산하는 방법의 개발이 필요한 실정이다.

특히 다양한 복합재로 사용하기 위하여는 키틴의 열적 안정성 및 수용액에 분산 시 입자안정성이 요구되나, 강산을 사용한 가수분해는 키틴 나노결정의 표면에 황산이온이 잔류하여 열정 안정성을 심각하게 감소시키는 문제가 있으며, 분산 시 키틴 나노결정의 안정성을 유지할 수 없기 때문에 이를 활용하기에는 많은 제한이 따른다.

따라서 환경친화적이고, 경제성이 높으며, 효율성이 높고, 열적 안정성과 입자의 분산 안정성이 높아서 다양한 복합재에 활용될 수 있는 키틴 나노결정의 추출방법의 개발이 시급한 실정이다.

J. Jiang et al. Chitin nanocrystals prepared by oxidation of α-chitin using the O2/laccase/TEMPO system. Carbohydrate Polymers 189 (2018) 178-183

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 산 처리 또는 독성화학물질 처리에 의한 가수분해를 대체하여 전자빔과 고압균질화를 통하여 높은 수율로 키틴 나노결정을 수득하는데 있다.

또한 키틴계 물질을 전자빔 처리를 통하여 환경친화적이며 높은 효율로 키틴 나노결정을 추출하여 키틴 나노결정의 산업적 지속가능성을 제공하는데 있다.

또한 보다 간편한 공정으로 재분산성이 향상된 키틴 나노결정 분말을 제조하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (i) 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하는 단계; (ii) 전자빔 조사 처리된 키틴계 물질을 세척하는 단계; (iii) 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하는 단계; 및 (iv) 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조하는 단계;를 포함하는 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 (a) 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하는 단계; (b) 전자빔이 조사 처리된 키틴계 고체물질을 세척하는 단계; (c) 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하는 단계; (d) 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조하는 단계; (e) 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 중화시키는 단계; 및 (f) 중화된 현탁액을 건조하여 키틴 나노결정 분말을 수득하는 단계;를 포함하는 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법을 제공한다.

상기 전자빔 조사량은 1000 내지 3000 KGy인 것일 수 있다.

상기 단계 (i) 또는 (a)는, 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하여 키틴계 고체물질의 하이드록시기(-OH)를 카르복실레이트(-COO^-)기로 산화시키는 것일 수 있다.

상기 단계 (ii) 또는 (b)는, 전자빔 조사 처리된 키틴계 물질을 물로 여과시켜 세척하는 단계인 것일 수 있다.

상기 단계 (iii) 또는 (b)는, 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하여 pH 9 내지 11로 조절하는 것일 수 있다.

상기 단계 (iii) 또는 (b)는, 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하여 키틴계 고체물질의 하이드록시기(-OH)를 카르복실레이트(-COO^-)기로 산화시키고, 염기성 용액을 첨가하여 상기 카르복실레이트(-COO^-)기 전하에 대해 반대부호의 전하를 갖는 반대이온(counter ion)인 Na⁺또는 K⁺를 도입시키기 위한 것일 수 있다.

상기 키틴 나노결정의 평균 폭이 10 내지 20 nm 이고, 평균 길이가 261 내지 757 nm인 것일 수 있다.

상기 고압균질은 20 내지 25 ℃에서 20,000 내지 25,000 psi 압력으로 1 내지 5회 미만으로 수행되는 것일 수 있다.

상기 단계 (e)는, 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액에 이산화탄소를 포함하는 공기를 주입하여 현탁액을 중화시키는 단계인 것일 수 있다.

또한, 본 발명은 카르복실레이트(-COO^-)기; 및 상기 카르복실레이트(-COO^-)기 전하에 대해 반대부호의 전하를 갖는 반대이온(counter ion)을 포함하는 키틴 나노결정 분말을 제공한다.

상기 반대이온은 Na⁺또는 K⁺인 것일 수 있다.

본 발명의 키틴 나노결정 추출방법은 산 또는 독성화학물질을 사용하지 않고 상온 대기압 하에서 전자빔을 조사하여 키틴 나노결정을 수득할 수 있으므로 매우 환경친화적이다.

또한 전자빔 조사 및 고압 분산의 공정으로 종래 산 처리 또는 독성화학물질 처리에 의한 가수분해 공정과 비교하여 공정 단위를 크게 감소시켜 전체 공정의 효율성이 매우 높다.

또한 키틴계 물질에 전자빔을 조사함으로써 키틴계 물질이 산화됨으로 인해 안정한 현탁액 상태로 존재할 수 있다.

또한 전자빔 조사량을 조절하여 생성된 키틴 나노결정의 형태, 종횡비, 폭 및 길이를 조절할 수 있으므로 다양한 복합재에 응용이 가능하다.

또한 전자빔이 조사된 키틴에 알칼리 처리 및 중화 과정을 통하여 제조된 키틴 나노결정 분말은 재분산성이 매우 우수하다.

또한 본 발명에 따른 키틴 나노결정은 재분산성이 우수하여, 분말 상태로 보관 및 운송되어 경제적으로 우수한 효과가 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법의 공정순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법의 공정순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴 분말에0, 1000, 2000, 3000 kGy의 조사량에 따른 주사 전자 현미경 사진이다.
도 4 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴 분말에 0, 1000, 2000 및 3000 kGy의 조사량에 따른 FTIR 분광스펙트럼 및 Solid ¹³C-NMR스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴 분말에 0, 1000, 2000 및 3000 kGy의 조사량에 따른 카복실레이트 함량 및 탈아세틸화도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 0, 1000, 2000 및 3000 kGy의 조사량에 따라 제조된 키틴 나노결정 분말 및 강산 처리에 의해 제조된 키틴 나노결정 분말의 투과 전자 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 1000 kGy의 조사량에 따라 제조된 키틴 나노결정 분말 및 이를 재분산시켜 스프레이 건조된 키틴 나노결정 분말의 투과 전자 현미경 사진이다.
도 8(a)는 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴 분말에 전자빔 조사 후 고압균질하기 전과 종래 산의 가수분해에 의한 시료를 포함한 키틴 나노결정의 열중량분석 그래프이고, 도 8(b)는 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴 분말에 전자빔 조사 후 고압균질한 후와 종래 산의 가수분해에 의한 시료를 포함한 키틴 나노결정의 열중량분석 그래프이다.
도 9(a)는 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴 분말에 전자빔 조사 후 고압균질하기 전과 종래 산의 가수분해에 의한 시료를 포함한 키틴 나노결정의 X-선 회절 분석 그래프이고, 도 9(b)는 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴 분말에 전자빔 조사 후 고압균질한 후와 종래 산의 가수분해에 의한 시료를 포함한 키틴 나노결정의 X-선 회절 분석 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, (a)는 키틴 나노결정 현탁액의 제타포텐셜을 나타낸 그래프이고, (b)는 키틴 나노결정 현탁액(0.1 % w/w)의 자외선-가시광선 투과 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴계 고체물질의 전자빔 조사량에 따른 길이와 폭을 나타낸 분산 히스토그램이다.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

본 발명자들은 키틴계 고체물질(예컨대, 키틴 분말 또는 키틴 섬유)로부터 키틴 나노결정을 수득하기 위하여 노력하던 중 고체 상태에서 전자빔 해리를 통한 짧은 전처리 과정에서 키틴 섬유의 중합도 및 분자량이 낮아져 키틴계 고체물질을 해리할 수 있는 것을 확인하고, 전자빔이 조사되어 산화된 키틴계 고체물질에 반대이온을 도입하여 분무건조시 발생하는 수소결합을 방지하고, 재분산 시 분산 안정성을 유지하여 다양한 복합재에 응용이 가능한 것을 확인하였다.

이하에서는 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법을 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면,

(i) 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하는 단계;

(ii) 전자빔 조사 처리된 키틴계 물질을 세척하는 단계;

(iii); 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하는 단계; 및

(iv) 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조하는 단계;를 포함하는 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법의 공정순서도이다.

도 1을 참조하면, 우선 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사한다(S10).

상기 S10은 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하여 키틴계 고체물질의 사슬길이를 줄이고, 키틴계 고체물질을 산화시키는 단계일 수 있다.

상기 키틴계 고체물질은 결정영역과 비 결정영역이 혼재하는 키틴 섬유를 의미한다.

상기 키틴계 고체물질은 게껍질이나 오징어 연골 등과 같은 천연자원으로부터 얻을 수 있는 분말상의 키틴일 수 있으며, 상기 키틴을 탈아세틸화하여 제조되는 키토산일 수도 있다.

상기 전자빔은 전자총에서 발사되는 균일한 전자의 연속적 흐름이며, 가속전압으로 파장이 X-선의 파장과 유사할 수 있다.

상기 전자빔이 X-선의 파장과 유사한 경우에는 분자 또는 결정격자에 전자가 조사되어 오염이나, 부산물 없이 조사 대상 물질의 물리적 화학적 변화를 촉진할 수 있다.

특히 상기 전자빔은 키틴 섬유의 비결정질 부분을 공격하여 키틴 섬유의 해리를 촉진한다.

키틴은 분자들이 사슬로 연결되어 있으며, 이와 같은 키틴 섬유에 전자빔을 조사함으로써 사슬과 사슬 사이의 글로코시드 결합(glucoside bond) 분쇄로 인한 자유전자의 형성을 촉진한다.

상기 자유전자는 키틴 섬유 표면의 하전량을 변화시키거나, 음의 하전을 갖도록 할 수 있다.

키틴 섬유의 표면이 음의 하전을 나타내는 경우 수계 분산 시 키틴 섬유끼리의 이온 반발력으로 인해 분산 안정성을 증가시킬 수 있다.

상기 S10에서 상기 전자빔 조사량은 1000 내지 3000 KGy일 수 있다.

상기 범위에서 전자빔 조사량에 따른 자유전자는 키틴 섬유의 사슬 절단 및 산화를 촉진하여 키틴 섬유를 해리시킬 수 있다.

상기 전자빔 조사량이 1000 KGy 미만인 경우 키틴 섬유에서 사슬 연결 반응을 촉진하여 키틴 나노결정 유리 과정에 효과가 없으며, 상기 전자빔 조사량이 3000 KGy 초과인 경우 시료인 키틴 섬유의 형태를 유지하지 못할 수 있다.

구체적으로, 상기 전자빔 조사량 범위내에서 전자빔 조사량이 증가할수록 키틴계 고체물질의 사슬이 절단을 촉진하여 키틴계 고체물질을 해리시킬 수 있다.

즉, 상기 전자빔 조사량에 따라 키틴의 중합도를 조절할 수 있으며, 상기 전자빔 조사량 범위내에서 전자빔 조사량이 증가할수록 키틴계 고체물질의 중합도(degree of polymerization, DP)를 현저하게 감소시킬 수 있다.

상기 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질의 중합도는 100 내지 500, 구체적으로 190 내지 400일 수 있다.

또한 상기 전자빔 조사량 범위로 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하여 키틴계 고체물질의 하이드록시(-OH)를 카르복실레이트기(-COO^-)로 산화를 촉진하여 키틴계 고체물질을 해리시킬 수 있으며, 키틴계 고체물질이 하이드록시기(-OH)에서 카르복실레이트기(-COO^-)로 산화됨으로 인해 전자빔 조사처리된 키틴계 고체물질을 수계에 분산 시 안정한 현탁액 상태로 존재할 수 있다.

다음, 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 세척한다(S20).

상기 S20은 상기 S10에서 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사시킨 후 저중합체(oligomer)된 키틴계 고체물질 또는 불순물 등을 제거하기 위해 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 세척하는 단계일 수 있다.

구체적으로, 상기 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 여과기에 물과 함께 투입시켜 저중합체(oligomer)된 키틴계 고체물질은 물에 용해되고 불술물과 함께 제거되어 물에 용해되지 않은 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 수득할 수 있다.

다음, 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가한다(S30).

상기 S30은 세척된 키틴계 고체물질의 고압균질이 용이하고, 최종적으로 수득되는 키틴 나노결정의 재분산성을 향상시키기 위해 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하는 단계일 수 있다.

구체적으로, 상기 S30 은 세척된 키틴계 고체물질의 고압균질이 용이하고, 최종적으로 수득되는 키틴 나노결정의 재분산성을 향상시키기 위해, 상기 S20에서 물로 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 세척하여, 저중합체(oligomer)가 용해된 물을 제거하고, 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 수득 후, 이를 다시 물에 분산 시켜 슬러리 상태를 만들고, 여기에 염기성 용액을 첨가하는 단계일 수 있다.

즉, 수계에 분산된 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하는 것일 수 있다.

상기 S30은 전자빔 조사 처리된 키틴계 물질을 세척한 후, 수계에 분산된 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하여 pH 9 내지 11, 구체적으로 pH 11로 조절한다.

수계에 분산된 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하여 pH 9 내지 11로 조절하는 경우, 키틴계 고체물질이 염기성 용액에 의해 팽윤되어 고압균질 시 나노화가 용이할 수 있다.

또한, 수계에 분산된 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하여 pH 9 내지 11로 조절하는 경우, 키틴계 고체물질이 염기성 용액에 의해 반대이온이 도입되며, 분무 건조 시 발생하는 강한 수소결합을 방지하고, 최종적으로 수득되는 키틴 나노결정 분말의 재분산성을 용이하게 할 수 있다.

구체적으로, 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하여 키틴계 고체물질의 하이드록시기(-OH)가 카르복실레이트기(-COO^-)로 산화된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하여 상기 카르복실레이트기(-COO^-)전하에 대해 반대부호의 전하를 갖는 반대이온(counter ion)인 Na⁺또는 K⁺를 도입시키기 위한 것일 수 있다.

이때 상기 염기성 용액은 수산화나트륨 용액 또는 수산화칼륨 용액일 수 있다.

상기 S30은 전자빔 조사 처리된 키틴계 물질을 세척한 후, 저중합체(oligomer)가 용해된 물을 제거하고, 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 수득 후, 이를 다시 물에 분산 시켜 슬러리 상태를 만들고, 수계에 분산된 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하여 pH 9 내지 11로 조절시킨 후, 1시간 내지 2 시간 동안 교반시킨다.

상기 범위의 시간 동안 교반하는 경우, 세척된 키틴계 고체물질이 고르게 팽윤되어 고압균질 시 나노화가 용이할 수 있다.

다음, 상기 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조한다(S40).상기 S40은 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질 시킴으로써, 키틴계 고체물질을 나노화시킬 수 있고 키틴계 고체물질에 강한 전단력을 전달하여 키틴계 고체물질, 구체적으로 키틴 섬유 조각을 분리시켜 키틴 나노결정을 생성시키는 단계일 수 있다.

상기 고압균질은 기계적 처리의 일종이며, 고압균질기, 연마기, 분쇄기, 및 초음파처리기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 장치에서 수행될 수 있으며, 고압균질기(High pressure homogenizer)를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 고압균질은 20 내지 25 ℃에서 20,000 내지 25,000 psi 압력으로 1 내지 5회 미만으로 수행될 수 있다.

또한 상기 고압균질을 1회 이상 반복할 경우 높은 수득률의 키틴 나노결정을 생성할 수 있다.

상기 고압균질이 2회 이상 수행되는 경우, 상기 고압균질은 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 20 내지 25 ℃에서 20,000 내지 25,000 psi 압력으로 2회 수행한 후, 원심분리를 통해 가라앉은 불순물을 제거하여 키틴 나노결정을 얻을 수 있고, 이를 5회 미만으로 반복하여 수행할 수 있다.

상기 고압균질을 통해 생성된 상기 키틴 나노결정은 평균 폭이 10 내지 20 nm 이고, 평균 길이가 261 내지 757 nm일 수 있다.

상기 고압균질을 통하여 수득한 키틴 나노결정은 열적 안정성과 투과도가 매우 증가되며, 수계에 재 분산 시 높은 분산 안정성을 유지할 수 있다.

상기 S40 이후, 상기 고압균질을 통하여 생성된 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 건조하여 키틴 나노결정 분말을 수득할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법은 상기 S40 이후, 수득되는 키틴 나노결정 분말의 안정성 향상 및 재분산성 향상을 위해 상기 S40 이후 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 중화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따르면,

(a) 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하는 단계;

(b) 전자빔이 조사 처리된 키틴계 고체물질을 세척하는 단계;

(c) 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하는 단계;

(d) 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조하는 단계;

(e) 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 중화시키는 단계; 및

(f) 중화된 현탁액을 건조하여 키틴 나노결정 분말을 수득하는 단계;를 포함하는 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법을 제공한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법의 공정순서도이다.

도 2를 참조하면, 우선 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사한다(S100).

상기 S100은 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하여 키틴계 고체물질의 사슬길이를 줄이고, 키틴계 고체물질을 산화시키는 단계일 수 있다.

상기 자유전자는 키틴 섬유표면의 하전량을 변화시키거나, 음의 하전을 갖도록 할 수 있다.

상기 S100에서 상기 전자빔 조사량은 1000 내지 3000 KGy일 수 있다.

다음, 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 세척한다(S200).

상기 S200은 상기 S100에서 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사시킨 후 단분산화(oligomer)된 키틴계 고체물질 또는 불순물 등을 제거하기 위해 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 세척하는 단계일 수 있다.

다음, 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가한다(S300).

상기 S300은 세척된 키틴계 고체물질의 고압균질이 용이하고, 최종적으로 수득되는 키틴 나노결정의 재분산성을 향상시키기 위해 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하는 단계일 수 있다.

구체적으로, 상기 S300 은 세척된 키틴계 고체물질의 고압균질이 용이하고, 최종적으로 수득되는 키틴 나노결정의 재분산성을 향상시키기 위해, 상기 S200에서 물로 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 세척하여, 저중합체(oligomer)가 용해된 물을 제거하고, 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 수득 후, 이를 다시 물에 분산 시켜 슬러리 상태를 만들고, 여기에 염기성 용액을 첨가하는 단계일 수 있다.

즉, 수계에 분산된 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하는 것일 수 있다.상기 S300은 전자빔 조사 처리된 키틴계 물질을 세척한 후, 수계에 분산된 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하여 pH 9 내지 11, 구체적으로 pH 11로 조절한다.

또한, 수계에 분산된 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하여 pH 9 내지 11로 조절하는 경우, 키틴계 고체물질이 염기성 용액에 의해 반대이온이 도입되며, 분무 건조 시 발생하는 수소결합을 방지하고, 최종적으로 수득되는 키틴 나노결정 분말의 재분산성을 용이하게 할 수 있다.

상기 S300은 전자빔 조사 처리된 키틴계 물질을 세척한 후, 저중합체(oligomer)가 용해된 물을 제거하고, 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 수득 후, 이를 다시 물에 분산 시켜 슬러리 상태를 만들고, 수계에 분산된 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하여 pH 9 내지 11로 조절시킨 후, 1시간 내지 2 시간 동안 교반시킨다.

다음, 상기 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조한다(S400).

상기 S400은 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질 시킴으로써, 키틴계 고체물질을 나노화시킬 수 있고 키틴계 고체물질에 강한 전단력을 전달하여 키틴계 고체물질, 구체적으로 키틴 펄프 조각을 분리시켜 키틴 나노결정을 생성시키는 단계일 수 있다.

다음, 상기 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 중화시킨다(S500).

상기 S500은 상기 현탁액을 중화하여 제품성을 높이고, 중성의 키틴 나노결정 분말을 제조하는 단계일 수 있다.

상기 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액은 pH 9 내지 11, 구체적으로 pH 11일 수 있다.

상기 범위의 pH를 갖는 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액 내에 공기를 주입하여 공기 내에 포함된 이산화탄소에 의해 pH 9 내지 11의 현탁액을 중화시키는 것일 수 있다.

다음, 상기 중화된 현탁액을 건조하여 키틴 나노결정 분말을 수득한다(S600).

상기 S600은 상기 S400 에서 제조된 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액의 저장 및 이송을 용이하게 하기 위해 상기 중화된 현탁액을 건조하여 키틴 나노결정 분말을 수득하는 단계일 수 있다.

구체적으로, 상기 중화된 현탁액은 분무 건조를 하여 키틴 나노결정 분말을 수득할 수 있다.

상기 분무 건조는 90 내지 120 ℃, 구체적으로 100 내지 110 ℃의 온도 하에서 수행될 수 있다.

상기 온도 범위 내에서 분무 건조를 할 경우 완전히 건조된(수분함량이 4 % 미만) 분말형태의 키틴 나노결정을 제조할 수 있다. 상기 분무 건조는 100 °C이하의 온도에서는 충분히 건조되지 않을 수 있고, 170 °C이상의 온도에서는 열에 의한 분해가 발생할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명에 따른 키틴 나노결정 분말은 키틴계 고체물질에 조사빔이 조사되어 카르복실레이트(-COO^-)기; 및 상기 카르복실레이트(-COO^-)기 전하에 대해 반대부호의 전하를 갖는 반대이온(counter ion)을 포함한다.

상기 반대이온은 염기성 용액으로부터 유래된 것일 수 있으며, 상기 반대이온은 Na⁺또는 K⁺일 수 있다.

상기 키틴계 고체물질은 전자빔으로 해리되어 봉상 몸체를 형성한다.

상술한 전자빔 조사범위에서 키틴계 고체물질이 해리되어 봉상 몸체를 가질 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현예를 이용하여 설명한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

실시예

실시예 1

(i) 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사한다.

시료인 키틴계 고체물질로 키틴 분말(Sigma-Aldrich, chitin from shrimp shells (practical grade, powder))을 사용하였다.

전자빔 조사 처리는 ELV-8 가속기(EBTECH Co., Ltd. Daejeon)를 사용하였다. 상기 가속기는 일반적으로 에너지 범위에 따라 분류되며, 이 때 가속기의 가장 특징은 일반적으로 에너지 범위에 따라 분류되며, 80-300 keV 저 에너지, 300 KeV - 5 MeV 중 에너지 및 5 MeV이상 고 에너지 범위로 분류된다.

전자빔 처리 두께는 0.13 cm미만, 부피 밀도는 0.68 g cm^-3인 60 cm Х 60 cm의 정사각형 섬유 시트에, 전자빔 에너지를 1.14 MeV로 고정하고 전자빔 파라미터를 통하여 1000, 2000 및 3000 kGy로 조절된 조사량으로 시료를 관통하는 전자빔 흐름을 생성하였다.

모든 전자빔 조사 처리된 시료는 E1000, E2000 및 E3000과 같이 전자빔(electron beam)을 의미하는 E에 조사량 1000, 2000 및 3000을 같이 기재하여 나타내었다.

(ii) 전자빔 조사 처리된 키틴계 물질을 세척한다.

전자빔 조사 처리된 시료 중 저중합체(oligomer)된 키틴 및 불순물을 제거하기 위하여 필터 방법을 이용하였다. 물로 전자빔 조사 처리된 시료를 세척하여 물에 용해된 저중합체(oligomer)된 키틴 및 불순물을 여과시키고, 물에 용해되지 않은 전자빔 조사처리된 세척된 키틴게 고체물질을 수득하였다.

(iii) 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가한다.

세척된 시료에 물을 첨가하여 물에 세척된 시료가 분산된 슬러리 상태로 제조한 후, pH가 11이 되도록 0.5M 수산화나트륨(NaOH) 용액을 첨가하고, 1시간 동안 교반시켰다.

(iv) 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조한다.

염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 시료는 다이아몬드 노즐 D5(130 마이크론)이 구비된 고압분산기(HPH, Mini DeBEE, BEE international, MA) 를 사용하여 25,000 psi 로 균질화시켜 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조하였다.

상기 현탁액 내에 결정화가 되지 않은 키틴 제거하기 위해 10,000rpm에서 15분 동안 원심분리하여 가라앉은 물질을 제거하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조하였다.

상기 현탁액을 다시 25,000 psi로 균질화시켜 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조하였다.

이후, 일정량의 현탁액을 진공 냉각 건조기(SFDSM-24L, Samwon Freezing Engineering Co., Korea)를 사용하여 열적 특성과 결정화도를 확인하기 위하여 동결 건조 하였다.

전자빔 조사 처리 후 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 건조하여 수득된 키틴 나노결정 분말은 E1000 ChNC, E2000 ChNC 및 E3000 ChNC와 같이 전자빔(electron beam)을 의미하는 E에 조사량 1000, 2000 및 3000과 키틴 나노결정(chitin nano crystal, ChNC)을 의미하는 ChNC를 같이 기재하여 나타내었다.

실시예 2

(a) 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사한다.

상기 실시예 1의 (i)와 동일한 조건 및 방법으로 수행하였다.

(b) 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 세척한다.

상기 실시예 1의 (ii)와 동일한 조건 및 방법으로 수행하였다.

(c) 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가한다.

상기 실시예 1의 (iii)와 동일한 조건 및 방법으로 수행하였다.

(d) 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조한다.

(e) 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 중화시킨다.

제조된 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액 내에 공기(Air)를 주입하여 pH 11의 현탁액 pH를 pH 8로 중화시켰다.

(f) 중화된 현탁액을 건조하여 키틴 나노결정 분말을 수득한다.

중화된 현탁액을 스프레이 건조하여 키틴 나노결정 분말을 수득하였다.

조절 가능한 스프레이 건조 공정의 변수로 공기 액적의 흐름을 600 L h^-1,현탁액 공급량을 15 mL min^-1,현탁액 농도를 0.1 % w/w, 및 배출 온도는 107 ℃ 로 조절하였다.

스프레이 건조된 키틴 나노결정 분말의 재분산성을 확인하기 위해, 2가지 방법으로 재분산성을 확인하였다.

먼저, 건조된 키틴 나노결정 분말 0.015 g을 15 g의 탈이온수에 24 시간 동안 교반시킨 후, 진공 냉각 건조기(SFDSM-24L, Samwon Freezing Engineering Co., Korea)를 사용하여 열적 특성과 결정화도를 확인하기 위하여 동결 건조 하였다. 이를 R-E1000 ChNC-S, R-E2000 ChNC-S 및 R-E3000 ChNC-S와 같이 재분산(redispersibility)을 의미하는 R, 전자빔(electron beam)을 의미하는 E, 조사량 1000, 2000 및 3000, 키틴 나노결정(chitin nano crystal, ChNC)을 의미하는 ChNC 및 교반(stirring)을 의미하는 S를 같이 기재하여 나타내었다.

또한, 건조된 키틴 나노결정 분말 0.015 g을 15 g 의 탈이온수에 첨가하고 2 분 동안 울트라 소닉케이션을 이용하여 분산시킨 후, 진공 냉각 건조기(SFDSM-24L, Samwon Freezing Engineering Co., Korea)를 사용하여 열적 특성과 결정화도를 확인하기 위하여 동결 건조 하였다. 이를 R-E1000 ChNC-U, R-E2000 ChNC-U 및 R-E3000 ChNC-U와 같이 재분산(redispersibility)을 의미하는 R, 전자빔(electron beam)을 의미하는 E, 조사량 1000, 2000 및 3000, 키틴 나노결정(chitin nano crystal, ChNC)을 의미하는 ChNC 및 울트라 소닉케이션(ultrasonication)을 의미하는 U를 같이 기재하여 나타내었다.

비교예

산(HCl) 처리를 통한 가수분해 방법으로 해리된 키틴 섬유를 수득하였다.

500 mL 둥근 플라스크에 키틴 분말 10 g과 탈이온수 100 g을 넣고, 10분간 300 rpm의 속도로 교반하여 해리하였다.

전동 피펫을 이용하여 염산 용액(3 M 농도)을 10회에 걸쳐 첨가하고, 90 °의 온도에서 90 분간 산 가수분해하였다.

산 가수분해 반응이 종료되면 얼음 욕조에 냉각하여 반응을 종료하고, 침전물을 회수하여 리트머스 시험지로 pH 4-5가 될 때까지 탈이온수로 세척하고 원심분리하였다.

섬유 슬러리에서 배출되어 여과된 것을 표 1에서 HC로 명명하였다.

강산(HCl)으로 가수분해된(HC시료) 해리된 키틴 고체는 탈이온수에 0.5 wt% 고형분이 되도록 현탁하였다.

제조된 현탁액을 다이아몬드 노즐 D5(130 마이크론)이 구비된 고압분산기(HPH, Mini DeBEE, BEE international, MA) 를 사용하여 25,000 psi로 균질화시켜 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조하였다.

강산 처리 후 고압균질화 하였고, 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 건조하여 수득된 키틴 나노결정 분말은 HChNC와 같이 나타내었다.

실험예

실험예 1: 전자빔 조사 처리된 키틴 분말의 물성

상기 1000, 2000, 및 3000 kGy으로 전자빔 조사 처리된 키틴 분말 시료(E1000, E2000 및 E3000), 전자빔 조사 처리되지 않은 키틴 분말 시료(E0000) 및 대조군으로 강산으로 가수분해한 키틴 섬유(HC)의 탈아세틸화도(Degree of N-acetylation), 중량평균 분자량(M_w),다분산 지수(Ð중합도(DP), 결정화지수(crystallinity index, CrI), 열안정성 및 수율을 하기 표 1에 나타내었다.

sample	Degree of N-acetylation(%)	M_w (Kg/mol) (Ð)	DP	Carboxylate content(mmol/g)	CrI (%)	T_{d onset} (°C)	T_{d max} (°C)	Yield (%)
E0000	93.5	4921.2 (4.2)	24580	0.45 ± 0.04	89	281	354	95
E1000	99.5	78.3 (1.7)	385	0.19 ± 0.01	89	262	346	82
E2000	99.5	47.3 (1.4)	232	0.27 ± 0.02	87	252	335	62
E3000	99.5	39.4 (1.4)	192	0.24 ± 0.01	83	239	326	45
HC	96.5	694.8 (1.8)	3449	0.12 ± 0.02	94	279	352	37

실험예 2: 키틴 나노결정 분말의 물성

전자빔 조사 처리 후 고압균질화 처리된 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 건조하여 수득된 키틴 나노결정 분말(E1000 ChNC, E2000 ChNC 및 E3000 ChNC), 건조된 키틴 나노결정 교반에 의해 재 분산시킨 후 다시 건조하여 수득된 키틴 나노결정 분말(R-E1000 ChNC-S, R-E2000 ChNC-S 및 R-E3000 ChNC-S), 건조된 키틴 나노결정 울트라 소닉케이션에 의해 재 분산시킨 후 다시 건조하여 수득된 키틴 나노결정 분말(R-E1000 ChNC-U, R-E2000 ChNC-U 및 R-E3000 ChNC-U) 및 대조군으로 강산 처리 후 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 건조하여 수득된 키틴 나노결정 분말(HChNC)의 수율, 키틴 나노결정의 길이(Length) 및 폭(Width), 투과율(Transmittance), 표면전하(charge), 결정화지수(crystallinity index, CrI) 및 열안정성을 하기 표 2에 나타내었다.

sample	Yield (%)	Length (nm)	Width (nm)	Transmittance (%)	Charge (mV)	CrI (%)	T_{d onset} (°C)	T_{d max} (°C)
E1000 ChNC	99.0	606 ± 104	16 ± 5	92.2	-32.1 ± 0.4	92	223	343
E2000 ChNC	99.0	471 ± 89	13 ± 5	93.5	-34.1 ± 0.3	89	222	340
E3000 ChNC	99.0	261 ± 73	11 ± 4	95.7	(-33.8 ± 1.2)	84	222	340
HChNC	98.0	586 ± 146	19 ± 5	95.8	39.8 ± 1.0	94	280	362
R-E1000 ChNC-S	96.8	583 ± 83	12 ± 4	96.4	-37.0 ± 0.4	89	223	330
R-E1000 ChNC-U	96.0	521 ± 71	12 ± 3	96.5	-37.7 ± 1.9	87	230	338

실험예 3: 구조분석

1) 전계 방사 주사 전자 현미경 측정

키틴 분말에 전자빔 조사 처리 후, 구조 변화를 확인하기 위해 전계 방사 주사 전자 현미경(field emission scanning electron microscope,FE-SEM, Tescan, Czech Republic)을 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타냈었으며, 도 3(a)는 전자빔 조사 처리하지 않은 키틴 분말의 전계 방사 주사 전자 현미경 사진이며, 도 3(b)는 1000 KGy로 전자빔 조사 처리된 키틴 분말의 전계 방사 주사 전자 현미경 사진이고, 도 3(c)는 2000 KGy로 전자빔 조사 처리된 키틴 분말의 전계 방사 주사 전자 현미경 사진이며, 도 3(d)는 3000 KGy로 전자빔 조사 처리된 키틴 분말의 전계 방사 주사 전자 현미경 사진이다.

도 3을 참조하면, 키틴 분말에 전자빔을 조사하면 키틴 표면에 존재하는 섬유의 길이와 너비가 짧아지는 것을 알 수 있었다.

2) FT-IR 및 Solid ¹³C-NMR측정

키틴 분말에 전자빔 조사처리 효과를 확인하기 위하여 감쇄 총 반사율 시스템(attenuated total reflectance; ATR system, Bruker, MA)이 구비된 Alpha-T FT-IR 분광분석기를 사용하여 푸리에 변환적외선 분광분석을 실시하였다.

상기 1000, 2000, 및 3000 kGy으로 전자빔 조사 처리된 키틴 분말 시료(E1000, E2000 및 E3000)와 전자빔 조사 처리되지 않은 키틴 분말 시료(E0000)의 분석결과는 반사 모드에서 4 cm¹해상도로 4000에서 400 cm¹까지 수득하였으며, 그 결과를 도 4(a)에 나타내었다.

또한 상기 1000, 2000, 및 3000 kGy으로 전자빔 조사 처리된 키틴 분말 시료(E1000, E2000 및 E3000)와 전자빔 조사 처리되지 않은 키틴 분말 시료(E0000)를 동결건조 후Solid ¹³C-NMR스펙트럼을 측정하였으며, 그 결과를 도 4(b)에 나타내었다.

도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, FT-IR 스펙트럼 및 Solid ¹³C-NMR스펙트럼은 전자빔을 조사한 시료(E1000, E2000 및 E3000)와 전자빔이 조사되지 않은 시료(E0000)를 비교할 경우 화학적 구조가 변화되는 것을 확인할 수 있었다.

도 4의 (a)를 참조하면, 전자빔을 조사(E1000, E2000 및 E3000)한 시료에서 1730 cm^-1(C=O)의 새로운 피크가 나타나는 것을 확인 할 수 있고, 1560 cm^-1(amideⅡ) 및 1030 cm^-1(C-O)피크의 강도비(intensity ratio)가 증가한 것을 확인할 수 있다.

도 4의 (b)를 참조하면, 전자빔을 조사(E1000, E2000 및 E3000)한 시료에서 Integral C8/Integral C1의 비가 증가한 것을 확인할 수 있다. 이를 구체적으로 하기 표 3에 나타내었다

Sample	A1560/A1030	Integral C8/Integral C1	Degree of deacetylation(%)
E0000	0.74	0.935	6.5
E1000	0.79	0.995	0.5
E2000	0.79	0.995	0.5
E3000	0.79	0.995	0.5

즉, 전자빔을 조사(E1000, E2000 및 E3000)한 시료는 전자빔 조사 처리 후 물 세척에 의해 대부분의 아미노기가 제거되어 탈아세틸화도가 감소한 것을 확인할 수 있었다.

실험예 4: 중량평균 분자량, 다분산 지수 및 중합도 측정

상기 1000, 2000, 및 3000 kGy으로 전자빔 조사 처리된 키틴 분말 시료(E1000, E2000 및 E3000), 전자빔 조사 처리되지 않은 키틴 분말 시료(E0000) 및 상기 산(HCl) 처리된 키틴 섬유(HC)를 크기 배제 크로마트그래피(SEC: size exclusion chromatography)로 하기 조건에서 중량평균 분자량(Mw), 다분산 지수(polydispersity; Ð 및 중합도를 각각 측정하였다. 그 결과를 상기 표 1에 나타내었다.

- 컬럼: KD-806M x 3(shodex, Tokyo, japan)

- 이동상: 0.9%(w/w) LiCl/DMAc

- 유속 :1.0 mL/min

- 온도: 40 ℃

상기 표 1을 참조하면, 전자빔을 조사하지 않은 키틴 분말 시료(E0000) 에 비해 1000, 2000, 및 3000 kGy으로 전자빔 조사 처리된 키틴 분말 시료(E1000, E2000 및 E3000)의 중량평균 분자량, 다분산 지수 및 중합도가 감소되는 것을 확인 할 수 있었다. 특히 조사량이 증가할수록 중량평균 분자량, 다분산 지수 및 중합도가 감소되는 것을 확인 할 수 있었다.

또한 산(HCl) 처리된 키틴 섬유(HC)에 비해 1000, 2000, 및 3000 kGy으로 전자빔 조사 처리된 키틴 분말 시료(E1000, E2000 및 E3000)의 중량평균 분자량, 다분산 지수 및 중합도가 감소되는 것을 확인 할 수 있었다.

실험예 5: 카르복실레이트(carboxylate) 함량 및 탈아세틸화도 측정

1) 수율 측정

키틴 분말에 전자빔 조사 처리 전과 후의 시료를 각각 물에 30분 동안 세척한 후, 필터 방법을 통하여 물에 용해되는 저중합체(oligomer)를 제거하였다. 물에 용해되지 않고 침전된 키틴 분말(water-insoluble fraction)을 수득 후 건조하여 건중량을 확인하였다. 전자빔 조사 처리된 시료의 초기 건중량과 세척 후 건중량의 비를 통하여 수득률을 게산하였다. 그 결과를 상기 표 1 및 도 5(a)에 나타내었다.

표 1 및 도 5(a)를 참조하면, 1000, 2000, 3000 kGy로 전자빔 조사 처리 후, 탈 이온수를 이용하여 불순물과 물에 용해되는 저중합체(oligomer)화된 키틴 섬유를 제거하였다. 조사량이 많을수록 키틴 섬유의 중합도가 낮아지고, 물에 용해되는 저중합체(oligomer)화된 키틴 섬유의 부분이 많아지기 때문에 수득율이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.

2) 카르복실레이트 함량 측정

물에 녹지 않는 부분의 카르복실레이트 함량(mmol g^-1)을 적정기(888 Tirando, Metrohm AG, Switzerland)를 사용하여 전기 전도도 적정 방법으로 측정하였다. 그 결과를 상기 표 1 및 도 5(b)에 나타내었다.

표 1 및 도 5(b)를 참조하면, 카복실레이트 함량은 조사량이 증가할수록 키틴 분말의 하이드록시기(-OH)가 카르복실레이트기(-COO^-)로 산화되기 때문에 카복실레이트 함량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

3) 탈아세틸화도 측정

탈아세틸화도는 FT-IR 및 Solid ¹³C-NMR에 의해 측정된 상기 표 3의 A1560/A1030 비와 Integral C8/C1의 비의 값을 가지고, 선행기술문헌을 참고하여 키틴 섬유의 탈 아세틸화를 계산하였다.

선행기술문헌 (Fan et al. Chitin nanocrystals prepared by TEMPO-mediated oxidation of α-chitin. Biomacromolecules 9 (2008) 192-198)에 의하면 A1560/A1030의 비가 0.71-0.75일 때, 키틴 섬유의 탈 아세틸화도가 0.10-0.05인 것을 알 수 있다.

선행기술문헌 (Goodrich et al. α-Chitin nanocrystals prepared from shrimp shells and their specific area measurement. Biomacromolecules 8 (2007) 252-257)에 의하면 Integral C8/Integral C1의 비가 키틴 섬유의 아세틸화도를 나타내고, 식 (1-아세틸화도) ×100을 통하여 탈 아세틸화도를 나타냄을 알 수 있다. 그 결과를 상기 표 3 및 도 5(b)에 나타내었다.

상기 표 3 및 도 5(b)를 참조하면, 탈아세틸화도는 전자빔 조사 처리 후 물 세척에 의해 대부분 의 아미노기가 제거되어 감소한 것을 확인할 수 있었다.

실험예 6: 형태 분석

전자빔 조사 처리 후 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 건조하여 수득된 키틴 나노결정 분말 시료(E1000 ChNC, E2000 ChNC 및 E3000 ChNC) 및 강산 처리 후 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 건조하여 수득된 키틴 나노결정 분말 시료(HChNC)를 200 kV 전압 가속기로 운영되는 투과 전자 현미경(transmission electron microscope; TEM, Tecnai G2 T20 S-Twin)으로 확인하였다. 이를 도 6에 나타내었다.

도 6을 참조하면, 전자빔 조사 처리 후 고압균질하여 수득된 키틴 나노결정 분말 시료(E1000 ChNC, E2000 ChNC 및 E3000 ChNC) 및 강산 처리 후 고압균질하여 수득된 키틴 나노결정 분말 시료(HChNC) 모두 막대 형태의 구조를 갖는 것을 확인하였다.

전자빔 조사 처리 후 고압균질하여 수득된 키틴 나노결정 분말 시료(E1000 ChNC, E2000 ChNC 및 E3000 ChNC)의 경우 조사량이 증가 함에 따라 키틴 나노결정의 길이 및 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

전자빔 조사 처리 후 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 건조하여 수득된 키틴 나노결정 분말 시료(E1000 ChNC)와 건조된 수득된 키틴 나노결정 분말의 재분산성을 확인하기 위한 시료(R-E1000 ChNC-S, R-E1000 ChNC-U)를 200 kV 전압 가속기로 운영되는 투과 전자 현미경(transmission electron microscope; TEM, Tecnai G2 T20 S-Twin)으로 확인하였다. 이를 도 7에 나타내었다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전자빔 조사 처리 후 고압균질하여 수득된 키틴 나노결정 분말은 물에 쉽게 분산되는 것을 확인할 수 있으며, 안정적인 현탁액 상태로 존재하는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 7 : 열적 안정성 확인

실시예 및 비교예에 따라 제조된 모든 분해된 키틴 분말 및 키틴 나노결정의 건조된 시료의 분해 거동을 확인하기 위하여 열중량 분석(Thermal gravimetric analysis; TGA)을 실시하였다.

질소 분위기 하에서 TA Q500 열중량분석기를 사용하여 동결 건조된 시료(5 내지10 mg)는 질소 분위기 하에서 25 ℃ 에서 600 ℃까지 20 ℃ min^-1로 가열하고 알루미늄 도가니에서 무게를 측정하고 열중량분석 곡선을 기록하였다. 그 결과를 도 8에 나타내었다.

구체적으로, 도 8(a)는 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴 분말에 전자빔 조사 후 고압균질하기 전과 종래 산의 가수분해에 의한 시료를 포함한 키틴 나노결정의 열중량분석 그래프이고, 도 8(b)는 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴 분말에 전자빔 조사 후 고압균질한 후와 종래 산의 가수분해에 의한 시료를 포함한 키틴 나노결정의 열중량분석 그래프이다.

도 8(a) 및 를 참조하면, 전자빔 조사 처리된 키틴 분말 시료(E1000, E2000 및 E3000)는 종래의 산 가수분해에 의한 시료(HC)와 유사한 열적 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

또한 도 8(b)를 참조하면, 전자빔 조사 처리 후 고압균질하여 수득된 키틴 나노결정 분말 시료(E1000 ChNC, E2000 ChNC 및 E3000 ChNC) 역시 산 가수분해에 의한 시료(HChNC)와 유사한 열적 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

이로 인해 전자빔 조사 처리 후 고압균질하여 수득된 키틴 나노결정 분말은 상업적 고분자 또는 나노복합재의 나노필러로서 사용될 수 있다.

실험예 8 : 결정화도

실시예 및 비교예에 따라 제조된 분해된 키틴 분말 및 키틴 나노결정의 건조된 시료는 전자빔 조사처리 및 고압균질 공정에 따른 결정화도를 X-선 회절 측정하여 확인하였다.

시료는 40 kV 및 40 mA 으로 운영되는 X-선 회절계[X-Ray diffractometer; XRD, Rigaku Ultima IV, Cu radiation (λ = 0.154 nm)] 에 배치하고, X-선 회절 사진은 5°에서 40°의 범위에서 0.03°sec-1 속도에서 2 θ로 스캔하여 얻었다.

실제 결정화도 값을 확인하고 정량화하기 위하여, X-선 분말 회절 프로그램이 통합된 곡선 일치법(curve fitting method)을 사용하였다. 그 결과를 도 9에 나타내었다.

도 9(a)는 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴 분말에 전자빔 조사 후 고압균질하기 전과 종래 산의 가수분해에 의한 시료를 포함한 키틴 나노결정의 X-선 회절 분석 그래프이고, 도 9(b)는 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 있어서, 키틴 분말에 전자빔 조사 후 고압균질한 후와 종래 산의 가수분해에 의한 시료를 포함한 키틴 나노결정의 X-선 회절 분석 그래프이다.

도 9를 참조하면, 키틴 분말에 전자빔 조사 후 고압균질하기 전과 후의 키틴 나노결정의 결정화도가 변하지 않는 것을 확인할 수 있다.

실험예 9 : 표면전하 측정

키틴 나노결정의 표면전하를 확인하기 위하여 제타 포텐셜을 측정하였다.

레이저 점적 유속계(Laser-Dropper-Velocimetry; LDV, Zetasizer Nano ZS series, Malvern Instruments Ltd, UK)를 사용하였으며, 키틴 나노결정 용액(1% w/v)의 제타포텐셜은 25 °에서 분산시켜 측정하였다. 그 결과를 도 10의 (a)에 나타내었다.

전기영동 이동성으로부터 계산된 제타 포텐셜 값의 도출을 위해, 유전상수 및 물의 점성은 알려진 값을 사용하였다.

투과율 또한 자외선-가시광선 분광기(UV-vis spectrometer, Simadzu, UV01659PC, Japan)를 사용하여 400에서 600 nm 범위의 가시 파장에서 결정하였다.

물이 채워진 큐벳의 스펙트럼과 비웠을 때의 스펙트럼을 키틴 나노결정 용액 시료(0.1 % w/w)의 투과율을 수집하기 위하여 측정하였다. 그 결과를 도 10의 (b)에 나타내었다.

안정적인 현탁액을 제조하기 위해 제타 포텐셜의 절대값은 30mV 이상이어야 한다.

도 10(a)를 참조하면, -30 mV의 제타 포텐셜 값을 값을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 이로 인해 도10(b)를 참조하면 안정한 현탁액 상태를 확인할 수 있다.

본 발명은 강한 산으로 가수분해 처리하지 않고 키틴 나노결정을 수득하기 위하여, 상온 상압에서 전자빔과 온화하고 단순한 알칼리 처리를 통한 새롭고 환경친화적인 용해방법을 개시한다.

특히 1000에서 3000 kGy의 강한 전자빔 조사 처리는 키틴 분말의 중합도를 크게 감소시켰으며, 키틴 분말에서 카르복실레이트의 함량이 증가되었다.

이것은 고압분산을 통하여 생성된 키틴 나노결정의 열적안정성, 투과도, 뭉침이 없는 높은 분산 안정성에 매우 중요하다.

생성된 키틴 나노결정은 종래 산의 가수분해를 통하여 제조된 것과 비교하여, 균일한 폭과 막대 형사의 조절 가능한 길이를 나타내었으며, 합리적인 결정화도, 유사한 마이너스 표면 전하 및 개선된 열적 안정성을 나타내었다.

따라서 본 발명은 고부가가치 제품에 다양하게 적용이 가능한 환경친화적이고, 지속가능한 새로운 키틴 나노결정의 제조방법을 제공한다.

지금까지 본 발명에 따른 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

(i) 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하는 단계;
(ii) 전자빔 조사 처리된 키틴계 고체물질을 세척하는 단계;
(iii); 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하는 단계; 및
(iv) 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조하는 단계;를 포함하는 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법.
(a) 키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하는 단계;
(b) 전자빔이 조사 처리된 키틴계 고체물질을 세척하는 단계;
(c) 세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하는 단계;
(d) 염기성 용액을 첨가한 수계에 분산된 키틴계 고체물질을 고압균질하여 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 제조하는 단계;
(e) 키틴 나노결정을 포함하는 현탁액을 중화시키는 단계; 및
(f) 중화된 현탁액을 건조하여 키틴 나노결정 분말을 수득하는 단계;를 포함하는 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전자빔 조사량은 1000 내지 3000 KGy인 것인 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 단계 (i) 또는 (a)는,
키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하여 키틴계 고체물질의 하이드록시기(-OH)를 카르복실레이트(-COO^-)기로 산화시키는 것인 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 단계 (ii) 또는 (b)는,
전자빔 조사 처리된 키틴계 물질을 물로 여과시켜 세척하는 단계인 것인 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 단계 (iii) 또는 (b)는,
세척된 키틴계 고체물질에 염기성 용액을 첨가하여 pH 9 내지 11로 조절하는 것인 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 단계 (iii) 또는 (b)는,
키틴계 고체물질에 전자빔을 조사하여 키틴계 고체물질의 하이드록시기(-OH)를 카르복실레이트(-COO^-)기로 산화시키고,
염기성 용액을 첨가하여 상기 카르복실레이트(-COO^-)기 전하에 대해 반대부호의 전하를 갖는 반대이온(counter ion)인 Na⁺또는 K⁺를 도입시키기 위한 것인 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 키틴 나노결정의 평균 폭이 10 내지 20 nm 이고, 평균 길이가 261 내지 757 nm인 것인 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 고압균질은 20 내지 25 ℃에서 20,000 내지 25,000 psi 압력으로 1 내지 5회 미만으로 수행되는 것인 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법.
제2항에 있어서,
상기 단계 (e)는,
키틴 나노결정을 포함하는 현탁액에 이산화탄소를 포함하는 공기를 주입하여 현탁액을 중화시키는 단계인 것인 전자빔 조사를 통한 키틴 나노결정 추출방법.
카르복실레이트(-COO^-)기; 및
상기 카르복실레이트(-COO^-)기 전하에 대해 반대부호의 전하를 갖는 반대이온(counter ion)을 포함하는 키틴 나노결정 분말.
제11항에 있어서,
상기 반대이온은 Na⁺또는 K⁺인 것인 키틴 나노결정 분말.