[논문]산성 수용액 조건에서 포도당과 자일로스 반응 산물의 1H-NMR 분광분석을 이용한 정량 분석

신수정

doi:10.5658/wood.2013.41.4.287

산성 수용액 조건에서 포도당과 자일로스 반응 산물의 1H-NMR 분광분석을 이용한 정량 분석
Quantitative Analysis of Reaction Products from Glucose and Xylose in Acidic Aqueous Medium by 1H-NMR Spectroscopic Method 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.41 no.4, 2013년, pp.287 - 292

초록
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진한 산 가수분해 반응 중 2차 가수분해 조건에서 포도당과 자일로스의 반응을 수소 핵자기 공명 분광분석을 통하여 정량적으로 분석하였다. 정량분석은 아노머성 수소, 퓨란과 개미산의 특징적인 피크를 이용하여 실시하였다. 진한 산 가수분해의 2차 가수분해 조건에서 포도당의 일부가 5-hydroxymethylfufural (5-HMF) 중간 구조를 거쳐 levulinic acid와 개미산으로 분해되었음을 확인하였다. 자일로스는 furfural 중간 구조를 거쳐 개미산으로 분해가 되었으며, 포도당은 자일로스보다 2차 가수분해 조건에서 산에 의한 퓨란계 화합물의 전이가 느리게 전환되어 단당의 안정성이 높았다. 퓨란계 화합물로 전환된 이후, 산에 민감한 5-HMF는 쉽게 formic acid와 levulinic acid로 전환되었지만, furfural은 formic acid로의 분해 반응이 더디게 진행되어 furfural의 농도가 5-HMF보다 상대적으로 높게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Reaction of glucose and xylose to secondary hydrolysis of concentrated acid hydrolysis was quantitatively analyzed by $^1H$-NMR spectroscopic method. Anomeric hydrogen, furan and formic acid peaks were selected for quantitative analysis. The glucose was converted to the formic acid and the levulinic acid via the 5-hydroxymethylfurfural (HMF) but the xylose was converted to the fufural, which further degraded to the formic acid. The conversion to furans was slower for the glucose than the xylose. But the 5-HMF formed from the glucose was unstable in acidic aqueous medium, resulted in fast conversion to the levulinic acid and the formic acid. The furfural was relatively stable than 5-HMF at acidic aqueous medium.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 단당 조성 분석에서 알려진 바와 같은 액체 크로마토그래피의 단점을 개선하고, 보다 간편한 분석 방법을 적용하고자, NMR 분광 분석을 이용한 정량적 분석 방법의 개발을 시도하였다. 또한 산성 반응 매질에서 2차 반응에 의하여 생성되는 퓨란계 화합물과 개미산의 정량적 분석도 동시에 진행할 수 있는 정량적 방법의 개발을 시도하였다.
본 연구에서는 단당 조성 분석에서 알려진 바와 같은 액체 크로마토그래피의 단점을 개선하고, 보다 간편한 분석 방법을 적용하고자, NMR 분광 분석을 이용한 정량적 분석 방법의 개발을 시도하였다. 또한 산성 반응 매질에서 2차 반응에 의하여 생성되는 퓨란계 화합물과 개미산의 정량적 분석도 동시에 진행할 수 있는 정량적 방법의 개발을 시도하였다.

제안 방법

72% 황산(24.0 N) 0.4 mℓ과 단당(포도당 또는 자일로스, 건조 중량 70.0 mg)을 섞은 후, 2차 가수분해 조건으로 맞추기 위하여, 중수 3.2 mℓ를 첨가한 다음, 진한 산 가수분해의 2차 가수분해에 해당하는 반응을 실시하였다. 반응 온도를 달리하여 100℃와 120℃에서 120분간 반응을 실시하였다.
H-NMR 분광분석은 Brucker사의 500 MHz NMR 기기를 충북대학교 공동실험실습관에 의뢰하여 분석을 실시하였다. Brucker사의 Topsin 프로그램을 사용하여 각 피크 면적을 적분하여 정량 분석을 실시하였다. 기기 분석 조건은 Table 1과 같다.
H-NMR 분광분석은 Brucker사의 500 MHz NMR 기기를 충북대학교 공동실험실습관에 의뢰하여 분석을 실시하였다. Brucker사의 Topsin 프로그램을 사용하여 각 피크 면적을 적분하여 정량 분석을 실시하였다.
기존의 NMR에 의한 당 분석에서는 아노머성 수소의 다른 화학 이동 값을 기초로 단당의 조성 분석을 실시하였다. 그러나 아노머 수소뿐만 아니라 방향성 수소도 정량 분석에서 유용하게 사용할 수 있다(Shin and Cho 2008).
반응 온도를 달리하여 100℃와 120℃에서 120분간 반응을 실시하였다. 반응 후 급냉시켜 반응을 정지시키고, 내부 표준물질을 첨가하여 완전하게 용해시킨 후, 여과하여 여과액을 NMR 분석에 사용하였다.

대상 데이터

0 N) 황산을 제조 하였다. 2차 가수분해의 희석을 위하여, 사용한 중수(D₂O, deuterium oxide)는 Cambridge Isotope Laboratories, Inc사의 순도 99.9%를 사용하였다.
포도당과 자일로스를 공시재료 단당으로 사용하였고, 단당의 산성 조건 반응 후, 정량적인 분석을 위한 내부 표준 물질로 L-rhamnose를 사용하였다. 3종의 단당은 Sigma-Aldrich사의 시약등급을 구입 하여 사용하였다. 황산도 시약등급을 사용하였고, 이차 증류수를 사용하여 72% (24.
포도당과 자일로스를 공시재료 단당으로 사용하였고, 단당의 산성 조건 반응 후, 정량적인 분석을 위한 내부 표준 물질로 L-rhamnose를 사용하였다. 3종의 단당은 Sigma-Aldrich사의 시약등급을 구입 하여 사용하였다.

성능/효과

H-NMR 분광 분석을 사용하여 진한 산 가수분해 공정의 2차 가수분해 공정에서 일어나는 반응의 정량적인 해석이 가능하였다. 아노머성 수소 영역의 피크 확인 및 적분을 통하여, 단당류를 정량할 수 있었고, 방향족 수소영역의 피크 확인 및 적분을 통하여, 단당류에서 전환된 퓨란계 화합물과 유기산의 정량 분석이 가능하였다.
2는 자일로스의 2차 가수분해 조건에서 반응 후, 반응 산물을 분석한 스펙트럼이다. 분해되지 않고 잔류하는 자일로스는 4.5~5.3 ppm의 화합 이동 값에 나타났고, 분해 산물인 furfural 피크는 방향족 수소의 화학 이동 값 영역에 뚜렷하게 나타났다. 자일로스의 2차 산 가수분해 후, 당의 탈수 재배열 산물인 furfural과 개미산의 정량 분석이 가능하였다.
H-NMR 분광 분석을 사용하여 진한 산 가수분해 공정의 2차 가수분해 공정에서 일어나는 반응의 정량적인 해석이 가능하였다. 아노머성 수소 영역의 피크 확인 및 적분을 통하여, 단당류를 정량할 수 있었고, 방향족 수소영역의 피크 확인 및 적분을 통하여, 단당류에서 전환된 퓨란계 화합물과 유기산의 정량 분석이 가능하였다. 포도당이 자일로스보다 2차 가수분해 조건에서 산에 의한 퓨란계 화합물의 전이가 느리게 전환되어 단당의 안정성이 높았고, 퓨란계 화합물로 전환된 이후에는 산에 민감한 5-HMF는 쉽게 개미산과 levulinic acid로 전환되었 지만, furfural은 개미산으로의 분해 반응이 더디게 진행되어 furfural의 농도가 5-HMF보다 상대적으로 높게 나타났다.
자일로스가 계속적으로 반응하여 만들어지는 산물인 furfural과 개미산의 피크는 120℃가 100℃보다 훨씬 뚜렷하게 나타났다. 피크 영역을 적분하여 내부 표준물질로 첨가한 L-rhamnose와 비교하여 정량 분석하면, 100℃에서 반응시킨 경우, 65.
3 ppm의 화합 이동 값에 나타났고, 분해 산물인 furfural 피크는 방향족 수소의 화학 이동 값 영역에 뚜렷하게 나타났다. 자일로스의 2차 산 가수분해 후, 당의 탈수 재배열 산물인 furfural과 개미산의 정량 분석이 가능하였다.
아노머성 수소 영역의 피크 확인 및 적분을 통하여, 단당류를 정량할 수 있었고, 방향족 수소영역의 피크 확인 및 적분을 통하여, 단당류에서 전환된 퓨란계 화합물과 유기산의 정량 분석이 가능하였다. 포도당이 자일로스보다 2차 가수분해 조건에서 산에 의한 퓨란계 화합물의 전이가 느리게 전환되어 단당의 안정성이 높았고, 퓨란계 화합물로 전환된 이후에는 산에 민감한 5-HMF는 쉽게 개미산과 levulinic acid로 전환되었 지만, furfural은 개미산으로의 분해 반응이 더디게 진행되어 furfural의 농도가 5-HMF보다 상대적으로 높게 나타났다.
피크 영역을 적분하여 내부 표준물질로 첨가한 L-rhamnose를 피크와 비교하여 정량 분석한 결과, 고온 반응에서 포도당의 잔류량이 상대적으로 낮았다. 100℃ 반응 결과, 95.
자일로스가 계속적으로 반응하여 만들어지는 산물인 furfural과 개미산의 피크는 120℃가 100℃보다 훨씬 뚜렷하게 나타났다. 피크 영역을 적분하여 내부 표준물질로 첨가한 L-rhamnose와 비교하여 정량 분석하면, 100℃에서 반응시킨 경우, 65.6% 자일로스가 단당 형태로 잔류하고, furfural로 8.9%가 전환되었으며, 0.5%의 개미산이 생성되었지만, 120℃ 반응 온도에서는 단당 형태로 잔류하는 자일로스가 13.8%에 불과하였고, 23.5%의 furfural과 4.8%의 개미산이 생성되었다. 이것은 경쟁적인 다른 반응 경로에 의하여 수용액에 녹지 않는 humin계 화합물이 생성되기 때문에 전체적인 질량 수지에서 손실이 발생했기 때문이다(Rasrendra et al.
, 1959). 하지만 본 연구에서는 개미산이 자일로스의 분해 산물에서 검출되어 furfural에서 개미산으로 분해된 것을 확인할 수 있었다. 100℃에서 2차 가수분해 반응을 시킨 경우, 120분 반응 후에도 상당량의 자일로스 피크가 존재하고 있지만, 120℃에서 2차 가수분해를 시킨 경우, 대부분 자일로스의 아노머성 수소 피크가 사라졌다(화학 이동값 4.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	목질계 바이오매스의 구성요소는?	셀룰로오스, 헤미셀룰로오스와 리그닌으로 구성된 목질계 바이오매스는 지구상에서 에너지를 축적하는 중요한 단당의 공급원이다. 광합성에 의하여 만들어진 포도당은 탈수 축합되어 셀룰로오스를 만들거나, 이성질화 효소에 의하여 mannose나 galactose로 전환 축합되어 galactoglucomannan이라는 헤미셀룰로오스를 생성한다.
	다당류에서 전환된 당을 환원당 정량법에 의해 분석하는 것의 단점은?	다당류에서 전환된 당은 환원당 정량법에 의하여 분석되어 왔지만(Smith and Montgomery, 1956), 단당류뿐만 아니라 환원성 말단기를 갖는 모든 당이 정량되는 단점을 갖고 있다. 이후에는 크로마토그래피 방법이 발달함에 따라 당 분석에도 응용되었다.
	크로마토그래피 방법으로 다당류에서 전환된 당분석을 하는 것의 단점은?	이 방법은 단당류를 휘발성이 높은 유도체로 만드는 것으로, 기체 크로마토그래피에 의한 단당 조성 분석법과 액체 크로마토그래피에 의한 단당 분석 방법이 있다. 하지만 크로마토그래피법은 기체의 경우 휘발성 유도체로 치환시키는 단계가 필수적이며(Crowell and Burnett, 1967; Bochart and Piper, 1970), 액체의 경우 단당류 분석에 필요한 시간이긴 단점을 가지고 있다(Davis, 1998). 최근 중수를 용매로 사용하고, 수소 핵자기 공명법에 의하여 단당류의 조성을 분석할 수 있는 방법이 개발되었고, 현재 널리 사용되고 있다(Kiemle et al.

참고문헌 (12)

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Asghari, F. S. and H. Yoshida, 2007. Kinetics of the decomposition of fructose catalyzed by hydrochloric acid in subcritical water: formation of 5-hydroxymethylfurfural, levulinic and formic acids. Ind. Eng. Chem. Res. 46: 7703-7710.

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Cho, D. H., S.-J. Shin, Y. Bae, C. Park, and Y. H. Kim, 2010. Enhanced ethanol production from deacetylated yellow poplar acid hydrolysate by Pichia stipitis. Bioresour. Technol. 101: 4947-4951.

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Crowell, E. P. and B. B. Burnett, 1967. Determination of the carbohydrate composition of wood pulps by gas chromatography of alditol acetates. Anal. Chem. 39: 121-124.

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Kiemle, D. J., A. J. Stipanovic, and A. J. Mayo in Hemicelluloses : science and technology, Gatenholm, P. and Tenkanen, M. Eds., pp. 122-139. American Chemical Society, Washington D.C. (2004)
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Root, D. F, J. F. Saeman, J. F. Harris, and W. K. Neil, 1959. Kinetics of the acid catalyzed conversion of xylose to furfural, Forest Prod. J. 9: 158-164.
Shin, S.-J. and N.-S. Cho, 2008. Conversion factors for carbohydrate analysis by hydrolysis and 1H-NMR spectroscopy. Cellulose 15: 255-260.

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Smith, F. and R. Montgomery, 1956. End group analysis of polysaccharides. Method Biochem. Anal. 3: 153-212.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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