버섯에서 키틴과 키토산 생산

초음파 처리는 버섯과 같은 진균 원료에서 키틴과 키토산을 방출시키는 매우 효율적인 방법입니다. 고품질 바이오폴리머를 얻으려면 후속 공정에서 키틴과 키토산을 해중합하고 탈아세틸화해야 합니다. 초음파 보조 해중합 및 탈아세틸화는 효과가 매우 뛰어나고 간단하며 신속한 기법으로, 분자량이 높고 생체이용률이 우수한 고품질 키토산을 생산합니다.

초음파 처리를 통한 버섯 유래 키틴과 키토산 생산

Lentinus edodes(표고버섯), Ganoderma lucidum(영지버섯), Inonotus obliquus(차가버섯), Agaricus bisporus(양송이버섯), Hericium erinaceus(노루궁뎅이버섯), Cordyceps sinensis(동충하초), Grifola frondosa(잎새버섯), Trametes versicolor(Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, 구름버섯)와 같은 식용 및 약용 버섯을 비롯한 여러 진균종은 식품으로, 그리고 생리활성 화합물 추출용으로 널리 사용됩니다. 이러한 버섯뿐만 아니라 가공 잔류물(버섯 폐기물)도 키토산 생산에 사용할 수 있습니다. 초음파 처리는 진균 세포벽 구조에서 키틴의 방출을 촉진할 뿐만 아니라, 초음파 보조 해중합 및 탈아세틸화를 통해 키틴이 가치 있는 키토산으로 전환되도록 촉진합니다.

초음파 처리는 키틴을 키토산으로 전환하는 해중합 및 탈아세틸화를 촉진합니다

프로브형 초음파 시스템을 이용한 강력한 초음파 처리는 키틴의 해중합 및 탈아세틸화를 촉진하여 키토산을 형성하는 데 사용되는 기법입니다. 키틴은 갑각류와 곤충의 외골격 및 특정 진균의 세포벽에서 발견되는 천연 다당류입니다. 키토산은 키틴 분자에서 아세틸기를 제거하여 얻습니다.

진균 키틴을 키토산으로 전환하는 초음파 공정

키틴에서 키토산을 생산하기 위해 강력한 초음파 처리를 적용할 때는 일반적으로 20 kHz에서 30 kHz 범위의 고강도 저주파 초음파로 키틴 현탁액을 처리합니다. 이 공정은 강력한 음향 캐비테이션을 발생시키며, 이는 액체 내 미세한 진공 기포의 형성, 성장 및 붕괴를 의미합니다. 캐비테이션은 캐비테이션 기포 주변의 액체에 국소적으로 극히 높은 전단력, 고온(최대 섭씨 수천 도) 및 고압(최대 수백 기압)을 발생시킵니다. 이러한 극한 조건은 키틴 고분자의 분해와 후속 탈아세틸화에 기여합니다.
 

두 버섯종에서 얻은 키틴과 키토산의 SEM 이미지: a) L. vellereus에서 얻은 키틴; b) P. ribis에서 얻은 키틴; c) L.vellereus에서 얻은 키토산; d) P. ribis에서 얻은 키토산.
사진 및 연구: © Erdoğan et al., 2017

키틴의 초음파 해중합

키틴의 해중합은 미세유동과 액체 제트 같은 기계적 힘의 복합적인 작용뿐만 아니라, 캐비테이션 중 형성된 자유 라디칼 및 기타 반응성 화학종이 유도하는 초음파 개시 화학 반응을 통해 일어납니다. 캐비테이션 중 발생하는 고압파는 키틴 사슬에 전단 응력을 가하여 고분자를 더 작은 조각으로 절단합니다.

키틴의 초음파 탈아세틸화

강력한 초음파 처리는 해중합뿐만 아니라 키틴의 탈아세틸화도 촉진합니다. 탈아세틸화는 키틴 분자에서 아세틸기를 제거하여 키토산을 형성하는 과정입니다. 강력한 초음파 에너지, 특히 캐비테이션 중에 발생하는 높은 온도와 압력은 탈아세틸화 반응을 가속합니다. 캐비테이션이 형성하는 반응성 조건은 키틴의 아세틸 결합을 끊는 데 도움을 주어 아세트산을 방출하고 키틴을 키토산으로 전환합니다.
전반적으로 강력한 초음파 처리는 키틴 고분자를 분해하고 키토산으로의 전환을 촉진하는 데 필요한 기계적·화학적 에너지를 제공하여 해중합과 탈아세틸화 공정을 모두 향상합니다. 이 기술은 키틴으로부터 키토산을 빠르고 효율적으로 생산하는 방법을 제공하며, 제약, 농업, 의생명공학을 비롯한 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용됩니다.

고출력 초음파를 이용한 버섯 유래 키토산의 산업적 생산

상업적인 키틴 및 키토산 생산에는 주로 수산업(즉, 어업, 패류 채취 등)의 폐기물이 사용됩니다. 원료의 출처에 따라 키틴과 키토산의 품질이 달라지며, 계절에 따른 어획량 변화로 생산량과 품질이 변동합니다. 또한 균류에서 유래한 키토산은 해양 생물에서 유래한 키토산과 비교할 때 균일한 고분자 사슬 길이와 더 높은 용해도 등의 우수한 특성을 제공하는 것으로 보고되어 있습니다. (참조: Ghormade et al., 2017) 균일한 키토산을 공급하기 위해 균류 종에서 키틴을 추출하는 방식이 안정적인 대체 생산 방법으로 자리 잡았습니다. 초음파 추출 및 탈아세틸화 기술을 사용하면 균류로부터 키틴과 키토산을 쉽고 신뢰성 있게 생산할 수 있습니다. 강력한 초음파 처리는 세포 구조를 파쇄하여 키틴을 방출하고 수성 용매 내 물질 전달을 촉진하여 우수한 키틴 수율과 추출 효율을 제공합니다. 이후 초음파 탈아세틸화는 키틴을 가치 있는 키토산으로 전환합니다. 초음파 키틴 추출과 키토산으로의 탈아세틸화는 모두 모든 상업적 생산 규모로 선형적으로 확장할 수 있습니다.

초음파 처리는 균류 유래 키토산 생산을 강화하고 생산의 효율성과 경제성을 높입니다.
(사진 및 연구: © Zhu et al., 2019)

키틴 및 키토산의 초음파 탈아세틸화 연구 결과

Zhu et al. (2018)은 연구에서 초음파 탈아세틸화가 낮아진 반응 온도에서 β-키틴을 탈아세틸화도 83–94%의 키토산으로 전환하는 획기적인 기술임이 입증되었다고 결론지었습니다. 왼쪽 사진은 초음파로 탈아세틸화한 키토산의 SEM 이미지입니다(90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (사진 및 연구: © Zhu et al., 2018)
연구진의 프로토콜에서는 NaOH 플레이크를 탈이온수에 용해하여 NaOH 용액(20 w/v %)을 제조하였다. 그런 다음 원심분리 튜브에 담긴 GLSP 침전물(0.5 g)에 고액비 1:20 (g: mL)로 알칼리 용액을 첨가하였다. 용액 부피비가 1:1인 NaCl(40 mL, 0.2 M)과 아세트산(0.1 M)에 키토산을 첨가하였다. 이어서 프로브형 초음파 처리기(250W, 20kHz)를 사용하여 현탁액을 온화한 온도인 25°C에서 60 min 동안 초음파 처리하였다. (Zhu et al., 2018 참조)
 
Pandit et al. (2021)은 키토산 용액의 분해 속도가 고분자를 가용화하는 데 사용되는 산의 농도에 거의 영향을 받지 않으며, 주로 온도, 초음파 강도 및 고분자를 용해하는 데 사용되는 매질의 이온 강도에 좌우된다는 사실을 확인하였다. (Pandit et al., 2021 참조)
 
또 다른 연구에서 Zhu et al. (2019)은 영지버섯(Ganoderma lucidum) 포자 분말을 진균 원료로 사용하여 초음파 보조 탈아세틸화와 초음파 처리 시간, 고액비, NaOH 농도 및 조사 출력 등의 공정 변수가 키토산의 탈아세틸화도(DD)에 미치는 영향을 조사하였다. 가장 높은 DD 값은 다음 초음파 조건에서 얻어졌다: 80W에서 20 min 동안 초음파 처리, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). 초음파로 얻은 키토산의 표면 형태, 화학 작용기, 열 안정성 및 결정성을 SEM, FTIR, TG 및 XRD로 조사하였다. 연구팀은 초음파로 생산한 키토산의 탈아세틸화도(DD), 동적 점도([η]) 및 분자량(Mv¯)이 유의하게 향상되었다고 보고하였다. 이러한 결과는 진균의 초음파 탈아세틸화 기술이 생의학적 응용에 적합한 키토산을 생산하는 데 매우 효과적인 방법임을 강조하였다. (Zhu et al., 2019 참조)

초음파 해중합 및 탈아세틸화를 통한 우수한 키토산 품질

초음파를 이용한 키틴 / 키토산 추출 및 해중합 공정은 정밀하게 제어할 수 있으며, 원료와 목표 최종 제품 품질(예: 분자량, 탈아세틸화도)에 맞게 초음파 공정 변수를 조정할 수 있다. 이를 통해 초음파 공정을 외부 요인에 맞추고 우수한 결과와 효율을 위한 최적의 변수를 설정할 수 있다.
초음파로 탈아세틸화한 키토산은 뛰어난 생체이용률과 생체적합성을 나타낸다. 초음파로 제조한 키토산 생체고분자를 열처리로 얻은 키토산과 생의학적 특성 측면에서 비교하면, 초음파로 생산한 키토산은 섬유아세포(L929 세포)의 생존율이 유의하게 개선되고 대장균(Escherichia coli, E. coli)과 황색포도상구균(Staphylococcus aureus, S. aureus) 모두에 대한 항균 활성이 향상된 것으로 나타난다.
(Zhu et al., 2018 참조)
 

a) 오징어 내각, b) 초음파 처리한 오징어 내각, c) β-키틴, d) 초음파 처리한 β-키틴, e) 키토산의 100× 배율 주사전자현미경(SEM) 이미지 (출처: Preto et al. 2017)

키틴 및 키토산 가공을 위한 고성능 초음파 장비

키틴의 단편화와 키틴을 키토산으로 전환하는 탈아세틸화에는 높은 진폭을 제공하고 공정 매개변수를 정밀하게 제어할 수 있으며, 고부하와 까다로운 환경에서 24/7 가동할 수 있는 강력하고 신뢰할 수 있는 초음파 장비가 필요합니다. Hielscher Ultrasonics의 제품군은 이러한 요구 사항을 확실하게 충족합니다. Hielscher 초음파 장비는 뛰어난 초음파 성능뿐 아니라 높은 에너지 효율도 자랑하며, 이는 특히 상업적 대규모 생산에 사용할 때 상당한 경제적 이점이 됩니다.
Hielscher 초음파 장비는 공정 요구 사항에 최적으로 맞출 수 있도록 소노트로드, 부스터, 반응기 또는 플로우 셀 등의 부속품을 장착할 수 있는 고성능 시스템입니다. 디지털 컬러 디스플레이, 초음파 처리 실행 사전 설정 옵션, 내장 SD 카드에 대한 자동 데이터 기록, 브라우저를 통한 원격 제어 등 다양한 기능을 갖춘 Hielscher 초음파 장비는 최고 수준의 공정 제어 성능과 사용자 편의성을 보장합니다. 견고성과 높은 부하 감당 능력을 겸비한 Hielscher 초음파 시스템은 생산 현장에서 믿고 사용할 수 있는 핵심 장비입니다. 키틴의 단편화와 탈아세틸화에는 목표 전환율과 고품질의 최종 키토산 제품을 얻기 위한 강력한 초음파가 필요합니다. 특히 키틴 플레이크의 단편화와 해중합 / 탈아세틸화 단계에서는 높은 진폭과 상승된 압력이 매우 중요합니다. Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 손쉽게 제공합니다. 최대 200µm의 진폭으로 24/7 연속 가동할 수 있습니다. 이보다 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 시스템의 출력 용량은 안전하고 사용자 친화적인 공정에서 효율적이고 신속한 해중합과 탈아세틸화를 가능하게 합니다.
 

초음파 처리로 개선되는 시너지 효과의 키틴 처리

기존의 화학적 및 효소적 키틴 탈아세틸화의 단점(낮은 효율, 높은 에너지 비용, 긴 처리 시간, 독성 용매)을 극복하기 위해 고강도 초음파가 키틴 및 키토산 가공에 도입되었습니다. 고강도 초음파 처리와 그로 인해 발생하는 음향 캐비테이션의 효과는 고분자 사슬을 빠르게 절단하고 다분산성을 감소시켜 키토산 합성을 촉진합니다. 또한 초음파 전단력은 용액 내 물질 전달을 강화하여 화학 반응, 가수분해 반응 또는 효소 반응을 촉진합니다. 초음파 키틴 처리는 화학적 방법, 가수분해 또는 효소 처리와 같은 기존 키틴 가공 기술과 결합할 수 있습니다.

초음파 보조 화학적 탈아세틸화 및 해중합

키틴은 반응성이 없고 불용성인 생체고분자이므로, 용해성과 생체접근성을 갖춘 키토산을 얻으려면 탈무기질화, 탈단백질화 및 해중합 / 탈아세틸화 공정 단계를 거쳐야 합니다. 이러한 공정 단계에는 HCl과 같은 강산 및 NaOH와 KOH 같은 강염기를 이용한 처리가 포함됩니다. 이러한 기존 공정 단계는 비효율적이고 느리며 많은 에너지를 필요로 하므로, 초음파 처리를 통한 공정 강화는 키토산 생산을 크게 개선합니다. 고출력 초음파를 적용하면 키토산 수율과 품질이 향상되고, 공정에 걸리는 시간이 며칠에서 몇 시간으로 단축되며, 더 온화한 용매를 사용할 수 있고, 전체 공정의 에너지 효율이 높아집니다.

초음파로 개선되는 키틴의 탈단백질화

Vallejo-Dominguez et al. (2021)은 키틴의 탈단백질화에 관한 연구에서 “바이오폴리머 생산에 초음파를 적용하면 키틴의 단백질 함량과 입자 크기가 감소했다. 초음파의 도움으로 탈아세틸화도가 높고 분자량이 중간 수준인 키토산이 생산되었다.”라고 보고했습니다.

키틴 해중합을 위한 초음파 가수분해

화학적 가수분해에서는 산이나 알칼리를 사용하여 키틴을 탈아세틸화하지만, 알칼리 탈아세틸화(예: 수산화나트륨 NaOH)가 더 널리 사용됩니다. 산 가수분해는 기존의 화학적 탈아세틸화를 대체하는 방법으로, 유기산 용액을 사용하여 키틴과 키토산을 해중합합니다. 산 가수분해법은 주로 키틴과 키토산의 분자량이 균일해야 할 때 사용됩니다. 이 기존 가수분해 공정은 느리고 에너지와 비용이 많이 드는 것으로 알려져 있습니다. 강산, 고온 및 고압이 필요하다는 점은 가수분해를 통한 키토산 공정을 매우 비싸고 시간이 많이 걸리는 절차로 만드는 요인입니다. 사용된 산으로 인해 중화 및 탈염과 같은 후속 공정이 필요합니다.
가수분해 공정에 고출력 초음파를 통합하면 키틴과 키토산의 가수분해적 절단에 필요한 온도와 압력을 크게 낮출 수 있습니다. 또한 초음파 처리를 통해 산 농도를 낮추거나 더 온화한 산을 사용할 수 있습니다. 이로써 공정의 지속 가능성, 효율성, 비용 효율성 및 친환경성이 향상됩니다.

초음파 보조 화학적 탈아세틸화

키틴과 키토산의 화학적 파쇄 및 탈아세틸화는 주로 키틴이나 키토산을 무기산(예: 염산 HCl), 아질산나트륨(NaNO₂), 또는 과산화수소(H₂O₂)로 처리하여 이루어집니다. 초음파는 탈아세틸화 속도를 높여 목표 탈아세틸화도에 도달하는 데 필요한 반응 시간을 단축합니다. 이는 초음파 처리가 필요한 처리 시간을 12–24시간에서 몇 시간으로 줄인다는 의미입니다. 또한 초음파 처리를 통해 화학물질 농도를 크게 낮출 수 있습니다. 예를 들어 초음파를 사용하지 않으면 65% (w/w)의 수산화나트륨이 필요하지만, 초음파 처리를 사용하면 40% (w/w)의 수산화나트륨을 사용할 수 있습니다.

초음파–효소 탈아세틸화

효소 탈아세틸화는 온화하고 환경에 해가 적은 처리 방식이지만, 효율성과 비용 측면에서 경제성이 떨어집니다. 최종 제품에서 효소를 분리하고 정제하는 후속 공정이 복잡하고 노동 집약적이며 비용이 많이 들기 때문에, 효소를 이용한 키틴 탈아세틸화는 상업적 생산에 적용되지 않고 과학 연구 실험실에서만 사용됩니다.
효소 탈아세틸화 전에 초음파 전처리를 하면 키틴 분자가 단편화되어 표면적이 넓어지고 효소가 작용할 수 있는 표면이 늘어납니다. 고성능 초음파 처리는 효소 탈아세틸화를 개선하고 공정의 경제성을 높이는 데 도움이 됩니다.