섬유소

섬유소는 (C₆H₁₀O₅)n의 분자식을 갖는 유기복합체로 선형 사슬의 β(1→4) 결합이 몇백에서 몇천개가 D-포도당(glucose)을 연결하고 있는 형태의 물질을 의미한다.¹⁾²⁾ 섬유소는 녹색식물의 세포벽의 중요한 구성 요소이다. 일부 박테리아 종류는 바이오 필름(biofilm)을 생성하기 위해 섬유소를 분비하기도 한다.³⁾ 섬유소는 지구상의 유기 고분자에서 가장 풍부한 물질이다.⁴⁾ 면 섬유의 90%, 목재의 40~50%, 건조된 대마에는 대략 57%의 섬유소가 포함되어 있다.⁵⁾⁶⁾⁷⁾ 섬유소는 주로 판지나 종이를 제조하는데 사용된다. 소량으로 사용되는 곳은 셀로판지나 레이온 섬유를 제조하는 데 이용되기도 한다. 또한 섬유소를 에탄올과 같은 바이오 연료로 전환하여 대체연료로 사용하려는 연구가 진행되고 있다. 대부분의 산업적인 용도의 섬유소는 목재 펄프나 목화에서 얻어진다.⁸⁾⁹⁾ 일부 동물들 중, 반추동물(ruminants)과 흰개미(termites)는 섬유소를 트리코님프(Trichonympha)와 같은 내장에 공생하는 미생물에 의해 소화시킬 수 있다. 인간에게 섬유소는 소화시킬 수 없는 구성 성분이나 배변 활동을 돕는다.

목차

섬유소는 1838년에 Anselme Payen에 의해 발견되었다.^1)8)10) 1870년도에 Hyatt Manufacturing Company에 의해 최초로 열가소성 고분자(thermoplastic polymer)를 성공적으로 생산하는데 섬유소가 사용되었다. 레이온(인공 비단) 수지 생산은 1890년에 시작했으며 셀로판은 1912년에 발명되었다. Hermann Staudinger는 섬유소 고분자의 구조를 1920년에 확인하였다. 이 화합물은 1992년도에 Kobayashi와 Shoda의해 최초로 생체밖에서(in vitro) 화학적으로 합성되었다.¹¹⁾

섬유소는 무맛, 무취이고 접촉각 20~30도를 가진 소수성 물질이다.¹²⁾ 물에는 녹지 않고 유기용매에는 녹으며 카이랄성(chiral)이고 생분해가 가능하다. 2016년도에 섬유소가 467도에서 녹는 것으로 확인되었다.¹³⁾ 고농도 무기산(mineral acids)을 고온에서 처리하면 포도당 단위체로 분해시킬 수 있다.¹⁴⁾

구조

섬유소는 D-포도당 단위체로부터 유도된다. 이 단위체는 β-D-1,4-글리코시드 결합(glycosidic bond)을 통해서 응축되어 있다. 이 결합 형태는 녹말이나 글리코겐에 존재하는 α-D-1,4-글리코시드 결합과는 대조적이다. 섬유소는 녹말과 달리 꼬임이나 가지가 없는 선형 사슬을 가진 고분자이다. 그리고 포도당의 하이드록실기는 산소와 수소결합을 통해 사슬을 단단히 고정시켜주어 고강도를 지닌 미세섬유를 형성한다. 이러한 섬유소 미세섬유가 다당류 메트릭스(polysaccharide matrix)에 망사 형태를 하고 있는 세포벽에 강한 인장강도(tensile strength)를 부여한다.

녹말과 비교하면, 섬유소는 더욱 결정화 되어있다. 녹말의 결정화 상태는 물에서 60-70도 넘게 가열하면 무정형 상태(amorphous transition)로 변하는 반면, 섬유소는 320도의 온도와 25 MPa의 압력을 필요로한다.

자연계에서 알려져있는 섬유소의 몇몇 다른 결정 구조는 가닥안과 사이에 수소결합의 위치에 따라 달라진다. 천연 섬유소는 타입 I 형태이며 여기에는 I_α, I_β구조로 나뉠 수 있다. 박테리아나 조류에 의해서 생성된 섬유소는 I_α가 풍부한 반면, 식물에 높은 비율로 존재하는 섬유소는 I_β이다. 재생성된 섬유소 섬유는 섬유소 Ⅱ이다. 섬유소 Ⅰ에서 Ⅱ로의 전환은 비가역적이고 섬유소 보다는 Ⅱ가 더 안정적임을 의미한다. 다양한 화학 처리로 섬유소 Ⅲ와 섬유소 Ⅳ의 생산도 가능하다.¹⁵⁾

특성 및 성질

섬유소의 다양한 특성은 사슬길이나 고분자를 구성하는 포도당 단위체 개수에 따라 다르다. 목재 펄프의 섬유소는 보통 사슬길이가 300~1,700개의 단위체를 갖고 박테리아의 섬유소 사슬길이는 800~10,000개이다.⁴⁾ 섬유소의 분해로 만들어진 아주 작은 사슬길이를 갖는 분자는 셀로덱스트린(cellodextrin)으로 알려져 있는데 긴 포도당 사슬 분자들을 갖는 섬유소와는 달리 물과 유기용매에 모두 용해된다.

박테리아 섬유소는 아주 순수하지만, 식물의 섬유소는 대개 헤미섬유소, 리그닌, 펙틴 그리고 다른 물질들과 함께 관찰된다.⁴⁾

섬유소는 슈바이져의 시약(Schweizer’s reagent), 큐프리에틸렌다이아민(cupriethylenediamine, CED), 카드뮴에틸렌다이아민(cadmiumethylenediamine, Cadoxen), N-메틸몰폴린(methylmorpholine) N-옥사이드(oxide), 리튬클로라이드(lithium chloride), 다이메틸아세트아마이드(dimethylacetamide)에 녹일 수 있다.¹⁶⁾ 이것들은 나무 펄프를 용해하여 재생된 섬유소를 생성할 때 이용된다. 또한 섬유소는 다양한 이온성 용매에 녹일 수 있다.¹⁷⁾

섬유소는 결정성(crystalline) 부분과 무정형(amorphous) 부분으로 구성되어 강산을 처리하면 무정형(amorphous) 부분은 깨질 수 있고 나노 결정의 섬유소를 생성할 수 있다.¹⁸⁾ 최근 들어 나노결정 섬유소는 열과 기계적인 성질에서 더 나은 나노복합재료를 만드는데 사용된다.¹⁹⁾

유관속식물에서 섬유소는 로젯 터미널 복합체(rosette terminal complexes, RTCs)에 의해 세포막에서 합성된다. RTCs는 여러 단백질이 합쳐진(hexameric) 단백질 구조로, 대략 직경이 25 nm 정도이며, 섬유소 합성 효소를 포함하고 있다.²⁰⁾ 각 RTC는 세포의 원형질막에 있고 세포벽으로 미세섬유를 자라게 한다.

RTCs는 적어도 3개의 다른 종류의 섬유소 합성 효소를 포함하는데, CesA 유전자에 의해 암호화되어 있다.²¹⁾ CesA 유전자들에 의해 발현된 단백질 조합 세트들은 1차 및 2차 세포벽 생합성에 관여한다. CesA 상위 그룹 안에 약 7개의 종속 그룹이 있다고 알려져 있다. 이러한 섬유소 합성 효소는 UDP-포도당(glucose)를 β-D-1,4-글리코시드 결합을 하여 섬유소(β-D-1,4-linked cellulose)를 합성하는데 사용된다.²²⁾

섬유소 합성은 사슬 개시와 신장 두 단계로 나눌 수 있다. CesA 글루코실트랜스퍼레이즈(glucosyltransferase)는 스테로이드 프라이머(steroid primer), 시토스테롤-베타-글루코시드(sitosterol-beta-glucoside) 및 UDP-포도당(glucose)를 사용하여 섬유소 합성을 개시한다.²³⁾ 섬유소 합성 효소는 섬유소 사슬 신장의 전구체로 UDP-D-포도당(glucose)을 사용한다. 셀룰라아제(cellulase)는 성숙한 사슬로부터 프라이머를 잘라내는 기능을 할 것이다.

산업적 용도를 위한 섬유소는 주로 목재 펄프와 목화에서 얻어진다.⁴⁾ 크라프트 공정(kraft process)은 리그닌과 식물재료의 다른 주요 구성 성분으로부터 섬유소를 분리하는 데에 사용된다.

종이제품들

종이, 판지, 스톡카드의 주요 구성성분이다.

섬유

섬유소는 면, 린넨(linen), 다른 식물 섬유로부터 만들어진 직물들의 중요 성분이다. 이들은 20세기 초 이래로 직물에 사용되었던 중요한 섬유인 레이온(rayon) 섬유로 변화되었다. 셀로판(cellophane)과 레이온 둘다 재생성된 섬유소 섬유라고 알려져 있다. 이들은 화학구조적으로 섬유소와 동일하며, 비스코스(viscose)로 펄프를 용해시켜 만든다. 더 최근에 레이온 형태를 생산하는 더 환경친화적인 방법은 리요셀(Lyocell) 공정이다.

식품

미세정질 섬유소와 파우더 형태의 섬유소는 약제 정제에서 비활성 필러로서 사용되고,²⁴⁾ E461에서 E469 형태로 분류되는 다양한 용해성 섬유소 유도체들은 유화제(emulsifiers), 경화제(thickeners), 안정화제(stabilizers)로서 가공된 음식에 사용된다. 섬유소 가루는 파마산 치즈에 사용되는데 포장내부에 금이 가는 것을 방지하기 위함이다. 섬유소는 몇 음식에서 자연적으로 생성되고 제조식품의 첨가물이자 소화되지 않는 성분들이 배변 활동을 돕는다.²⁵⁾

과학

섬유소는 박층크로마토그래피(thin layer chromatography)에서 고정상으로 사용되고 액체 여과에도 사용된다.

에너지 작물

식료품 이외의 작물의 주요 연소 성분은 첫번째로는 섬유소, 두번째는 리그닌이다. 비식료품 작물은 식용 가능한 에너지 작물보다 더 많은 에너지를 생성할 수 있지만 농경지와 수자원 때문에 식용 작물과 경쟁한다.²⁶⁾ 전형적인 비식용 에너지 작물은 산업용 대마(hemp), 스위치그라스(switchgrass), 억새, 버드나무, 포플러가 있다.

바이오 연료

얼룩말 배설물에서 발견되는 Clostridium 박테리아의 종류인 TU-103은 어떤 형태의 섬유소를 부탄올 연료로 변환시킬 수 있다.²⁷⁾²⁸⁾

건축 재료

물 속의 섬유소의 하이드록실 결합(hydroxyl bond)은 플라스틱 및 수지의 사용에 대한 대안으로 사용될 수 있고 주조 가능한 물질을 생산한다. 재활용 가능한 섬유소 소재는 내수성 및 내화성을 나타내며, 이것은 건축 자재로 사용하기에 충분한 강도를 제공한다.²⁹⁾ 재활용 종이로부터 만들어진 섬유소 단열재(cellulose insulation)는 건물 단열을 위한 환경적으로 좋은 재료로 널리 보급되고 있다.

기타

섬유소는 얇은 투명 필름인 셀로판(cellophane)으로 전환될 수 있다. 그것은 1930년대 중반까지 사진 및 영화 필름에 사용된 셀룰로이드의 기본 재료이다. 섬유소는 벽지 접착제에 사용되는 메틸 섬유소(methyl cellulose) 및 카르복시 메틸 섬유소(carboxymethyl cellulose)와 같은 수용성 접착제 및 결합제를 제조하는데 이용된다. 섬유소는 친수성이 높고 흡수성이 높은 스폰지를 만드는 데 사용되며, 무연 화약에 사용되는 질산염 섬유소(cellulose nitrate) 제조의 원료로 쓰인다.

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