셀룰로스
[ cellulose ]
셀룰로스(cellulose)의 화학식은 (C6H10O5)n이고 식물 세포벽의 기본 구조 성분이며 지구상에서 가장 흔한 유기 화합물 중의 하나이다. 식물은 광합성에 의해 이산화 탄소와 물 그리고 빛을 이용하여 글루코스(포도당)를 만든다. 고리형 포도당 중 β-D-글루코스 2개가 β-글루코사이드 결합(1-4 글루코사이드 결합)을 통해 이당체인 셀로바이오스(cellobiose)를 만들고 이것이 반복적으로 고분자화 된 다당류 중합체가 셀룰로스이다. 식물에서 셀룰로스는 면화에서는 90%, 목본식물에서는 50% 정도이고 평균적으로 전체 질량의 약 33%를 차지하고 있다.
목차
역사
셀룰로스는 프랑스 화학자 안젤메 파옌(Anselme Payen)에 의해 1838년에 발견되었다. 1870년 하이야트 제조사(Hyatt manufacturing company)는 셀룰로스를 이용하여 최초의 열가소성 고분자인 셀룰로이드(celluloid)를 생산하였다. 1890년대에는 셀룰로스로 만든 인공 실크 레이온(rayon) 생산이 시작되었고, 1912년에 셀로판이 발명되었다. 1920년에 헤르만 슈타우딩거(Hermann Staudinger)는 셀룰로스의 고분자 구조를 결정했다.
구조
식물에 의해 합성된 글루코스는 α-D-글루코스와 β-D-글루코스 2가지 고리 형태가 존재한다. 셀룰로스는 β-D-글루코스 2개가 첫 번째 글루코스의 1번 탄소와 2번째 글루코스 4번 탄소가 결합한 β(1→4)-글루코사이드결합을 통해 선형 구조를 이룬 것으로 글루코스 단위체가 번갈아 가며 뒤집힌 모습을 띠고 있다.
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그림1. 글루코스 고리와 체인 형태(출처: 대한화학회)
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그림2. 셀룰로스(cellulose) 형성(출처: 대한화학회)
같은 글루코스(포도당)를 사용하지만, 인간이 식물에서 만들어진 글루코스(포도당) 섭취 원천으로 사용되는 녹말은 α(1→4)-글루코사이드결합을 통해 선형 구조를 이룬 것으로 나선형으로 되어 있고, 가지가 있으면 아밀로펙틴이라 한다. 이는 셀룰로스보다 결정성이 약하다.
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그림3. 녹말 형성 과정(출처: 대한화학회)
성질
셀룰로스는 긴 선형 사슬 구조이고 인접한 다른 선형 사슬과 근접하게 만날 수 있다. 셀룰로스 긴 선형 사슬 구조 내에서 분자 내 수소 결합이 가능하고 다른 사슬과도 수소 결합이 가능하다.
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그림4. 셀룰로스의 수소 결합()
이렇게 여러 사슬이 수소 결합을 통해 모이면 셀룰로스 미세섬유(cellulose microfibril)를 형성한다. 셀룰로스는 다량의 –OH 작용기를 가지고 있는 친수성이지만 이들이 분자 내와 다른 사슬끼리 수소 결합을 강하게 형성하여 고분자 셀룰로스는 일반적으로 물에 용해되지 않는다. 셀룰로스는 맛과 냄새가 없고, 인간은 셀룰로스를 분해시키는 셀룰레이스 효소(cellulase)가 없기 때문에 장에서 분해시킬 수 없다. 따라서 섭취한 셀룰로스는 분해되지 않고 장벽을 기계적으로 자극하여 장의 소화 운동을 도와준다.
셀룰레이스 효소(cellulase)는 셀룰로스의 β-1,4 글리코사이드 결합을 분해하여 고분자 셀룰로스를 올리고당이나 글루코스 등으로 전환하여 에너지원으로 사용할 수 있게 한다. 소나 말 등의 초식 동물은 대장 또는 소화관 내에 서식하는 셀룰레이스 효소(cellulase)를 가지고 있는 미생물의 대사에 의해 셀룰로스를 분해할 수 있다. 흰개미 등은 소화관 내의 원생생물이 분비하는 셀룰레이스 효소(cellulase)를 이용하여 셀룰로스를 작은 단위로 분해하는 것이 가능하다.
셀룰로스의 유도체 및 용도
셀룰로스는 현재 산업적으로는 종이나 방직용 섬유로 대량 사용되고 있고, 식품 산업에서는 변비 예방에 도움을 주는 물질로 응용되고 있다.
다양한 셀룰로스 유도체들이 합성되었고 이들은 플라스틱, 폭발물, 접착제, 필름, 소포제, 셀룰로이드, 셀로판 등의 다양한 용도로 사용되고 있다. 몇 가지 셀룰로스 유도체들의 예는 다음과 같다.
- 나이트로셀룰로스(nitrocellulose)는 섬유질에 진한질산과 진한황산으로 처리하여 셀룰로스의 하이드록시기를 질산에스터로 만든다. 건조한 상태에서 폭발적으로 연소하며 화약의 주원료로 쓰이는 백색 분말이다. 저장이나 운반을 위해 수분을 넣어 폭발성을 줄여 사용의 편의성을 증가시킬 수 있다.
- 셀룰로이드(celluloid)는 나이트로셀룰로오스(질소함유량10.5~11.5%) 약 75%와 장뇌(캄파, 캠퍼) 약 25%를 알코올에 녹여 교질 상태로 만든 후에 압연, 압착, 재단하고 알코올 성분을 증발시켜 건조하여 얻어진 고체이다. 다양한 색으로 착색이 가능하며 가공과 성형성이 좋으나 불에 타기 쉬운 결점이 있다. 현재는 나이트로기 대신 아세틸기가 들어간 아세틸셀룰로오스가 셀룰로이드의 주종이다. 열가소성이 풍부하고 90 ℃이상에서 유연해져서 가공하기 쉽다. 비중은 약 1.4이고, 아세톤, 알코올, 초산에스터 계통 용매, 나이트로벤젠, 에터 계통 용매에 녹는다. 열, 빛, 산소의 영향을 받으면 투명성을 잃고 황색으로 갈변된다. 발화점은 180 ℃이지만 저장할 때 자연 발화하는 경우도 있다. 산, 알칼리와 접촉하면 분해된다. 현재 안경테 및 빗 등의 재료로 소량 생산되고 있다.
- 콜로디온(collodion)은 질화도(窒化度)가 낮은 나이트로셀룰로오스 질화면(질소함유율 11∼12%)을 에터(ether)와 알코올의 혼합액(1: 3 부피비)에 녹인 용액을 말한다. 무색 투명하고 점성이 있는 액체이며 인화점은 -18 ℃이고 비중 0.77이다. 에터와 에틸 알코올은 끓는점이 낮은 유기 용매로 인화의 위험이 크다. 또한, 콜로디온 성분 중 나이트로셀룰로오스 질화면은 연소할 때 폭발적으로 연소한다. 콜로디온 (Collodion)은 직사광선을 받으면 증기의 발생이 촉진하므로 용기는 밀봉, 밀전한 후 가열, 충격, 마찰을 피하며 통풍이 잘되는 냉암소에 저장하여야 한다. 콜로디온(collodion)에서 에터와 알코올 용매가 증발하면 투명하고 물에 녹지 않는 얇은 막(콜로디온막)을 남기고 이 막은 국소를 기계적으로 보호하고 방부의 효과가 있어서 의약용으로 콜로디온을 상처나 화상을 입었을 때 상처의 피복제로 사용한다. 또한, 사진 습판의 감광막, 투석막의 제조 등에도 사용된다.
- 레이온(Rayon)은 '빛나는 실'이라는 뜻으로 목재 펄프의 섬유소를 재생시켜 만든 재생 섬유소 섬유(regenerated cellulose fiber)를 대표하는 섬유이고, 실크(견, silk)를 모방하여 인공적으로 만든 최초의 인조 섬유(인견, artificial silk)이다. 비스코스 레이온이 정식 명칭이다. 제조 과정은 정제된 목재(펄프)에 있는 정제된 셀룰로오스로를 알칼리로 처리해 분자 간의 수소 결합을 해리시킨 뒤 점성이 강한 비스코스 용액을 만든 후 이 용액은 방사구 노즐을 통해 강제로 섬유를 생산하여 화학적으로 응고시켜 만들어진 거의 순수한 셀룰로오스 섬유이다. 레이온은 장섬유(FILAMENT)와 단섬유(STAPLE)의 두 가지 종류가 있고, 보통 레이온 장섬유를 인견이라 한다.
- 나노셀룰로스(nanocellulose)는 셀룰로스를 산 가수 분해를 통해 얻을 수 있고, 셀룰로오스 나노 섬유(cellulose nanofibers, CNF), 마이크로피브릴화 셀룰로스(microfibrillated cellulose, MFC), 나노결정질 셀룰로스(nanocrystalline cellulose, NCC 또는 CNC), 또는 박테리아 나노셀룰로스(bacterial nanocellulose) 중의 하나이다. CNF는 정상 조건에서는 점성이 있는 두꺼운 젤이지만 흔들면 점성이 떨어지는 액체의 특성을 갖는 틱소트로피(thixotropy 또는 요변성) 성질을 가지고 있다.