[논문]표고버섯 재배용 참나무 폐골목의 화학적 성분분석

이민우; 서영범

문제 정의

따라서 본 연구에서는 표고버섯 재배 폐골목의 화학적 성분 분석과 이로부터 정제된 셀룰로오스의 열분해특성 및 결정성 등을 확인하여, 나노셀룰로오스의 원료로서 폐골목 셀룰로오스의 사용이 효과적인지 검토해보고자 하였다.
특히 리그닌 정량은, 72% 황산을 사용하여 다당류를 가수분해 시켜 얻는 잔사를 Klason lignin이라 칭하는 Klason lignin 정량법(황산법)으로 행하였으며, holocellulose의 경우는 아염소산을 이용하여 lignin을 산화분해하여 가용화하고, 다당류 성분을 잔사로 단리 조제하는 Wise법을 사용하였다. 또한 lignin 및 holocellulose의 정량에서는 회분(ash)보정을 통해 좀 더 정확한 결과를 얻고자 하였다. 목재의 각 성분을 정확하게 정량하면 분석치는 100%가 되어야 하지만, 시료의 손실과 분석성분의 중복 등의 이유로 분석치는 100% 전후가 된다.
본 연구에서는 표고버섯 재배용 참나무 폐골목의 화학적 성분 분석 및 이로부터 정제된 셀룰로오스의 열분해특성 및 결정성을 검토하였으며, 이로 얻어진 연구결과는 다음과 같다.

제안 방법

XRD(Rigaku, D-MAX 2000 Ultima+, Japan) 측정 장치를 이용하여 참나무 원목 및 폐골목에서 정제한 α-cellulose의 결정성을 분석하였다.
열중량분석기(Thermogravimetric Analyzer, TGA Q-500, TA Instrument)를 사용하여 참나무 원목 및 폐골목에서 정제한 α-cellulose의 열분해 거동을 관찰하였다. 각각의 시료는 분말로 만들어 TGA 측정용 백금용기 (Platinum pan)에 약 15mg 정도로 담아 10℃/min의 승온속도로 상온서 500℃까지 측정하였다. 연소가 이루어지는 furnace는 분당 100㎖의 질소 분위기를 취하였으며, 중량에 대한 감소율 (Decrement of weight)과 미분계수 (Derivative Thermogravimetric, DTG) 곡선의 변화를 관찰하였다.
각각의 시료는 분말로 만들어 TGA 측정용 백금용기 (Platinum pan)에 약 15mg 정도로 담아 10℃/min의 승온속도로 상온서 500℃까지 측정하였다. 연소가 이루어지는 furnace는 분당 100㎖의 질소 분위기를 취하였으며, 중량에 대한 감소율 (Decrement of weight)과 미분계수 (Derivative Thermogravimetric, DTG) 곡선의 변화를 관찰하였다.
열중량분석기(Thermogravimetric Analyzer, TGA Q-500, TA Instrument)를 사용하여 참나무 원목 및 폐골목에서 정제한 α-cellulose의 열분해 거동을 관찰하였다.
정제한 α-cellulose는 Micro crystalline cellulose(MCC)(Aldrich Co., pH 5-7, bulk density was 0.6g/㎖ at 25℃)와 비교하여 분석하였다.

대상 데이터

15～20년생으로 추정되는 참나무과 낙엽교목인 상수리나무(Quercus acutissima) 원목 및 폐골목은 충청남도 논산시 벌곡면내 표고버섯 재배장에서 수집하였다. 폐골목은 4년 동안 표고버섯을 재배한 후 폐기되는 상수리나무를 사용하였다.
15～20년생으로 추정되는 참나무과 낙엽교목인 상수리나무(Quercus acutissima) 원목 및 폐골목은 충청남도 논산시 벌곡면내 표고버섯 재배장에서 수집하였다. 폐골목은 4년 동안 표고버섯을 재배한 후 폐기되는 상수리나무를 사용하였다. 이들 공시재료는 목재 화학분석 시료의 기준 크기인 40～80mesh 분으로 만들기 위해 분쇄를 하였는데, 원목의 경우는 톱으로 켜서 칩을 만든 후 믹서로 갈아 준비하였으나, 폐골목의 경우 상온서 충분히 건조시켰을 때, 쉽게 부서지기 때문에 손으로 비비기만 해도 공시 시료를 준비할 수 있었다.

이론/모형

참나무 원목 및 폐골목의 화학적 조성 변화를 관찰하기 위해 실시한 성분 분석에는 회분, 추출물, lignin, holocellulose 및 α-cellulose 등을 일반 목재 분석법(윤병호 등, 1998)에 의거하여 실시하였다.
참나무 원목 및 폐골목의 화학적 조성 변화를 관찰하기 위해 실시한 성분 분석에는 회분, 추출물, lignin, holocellulose 및 α-cellulose 등을 일반 목재 분석법(윤병호 등, 1998)에 의거하여 실시하였다. 특히 리그닌 정량은, 72% 황산을 사용하여 다당류를 가수분해 시켜 얻는 잔사를 Klason lignin이라 칭하는 Klason lignin 정량법(황산법)으로 행하였으며, holocellulose의 경우는 아염소산을 이용하여 lignin을 산화분해하여 가용화하고, 다당류 성분을 잔사로 단리 조제하는 Wise법을 사용하였다. 또한 lignin 및 holocellulose의 정량에서는 회분(ash)보정을 통해 좀 더 정확한 결과를 얻고자 하였다.

성능/효과

1. 표고버섯 재배용 참나무 폐골목에는 회분과 추출물의 함량이 참나무 원목에 비해 많다는 사실을 알게 되었다. 특히 추출물의 증가는 재배기간 중 균에 의한 목재성분의 분해가 현저하게 일어났다는 것으로 생각할 수 있고, holocellulose 및 α-cellulose의 함량이 감소하였다는 사실로 미루어 볼 때, 목재의 부후에 의해 헤미셀룰로오스 및 셀룰로오스의 분해가 이루어졌다고 할 수 있다.
2. 재배용 참나무 폐골목으로부터 정제된 α-cellulose의 경우, 열분해 거동이나 결정성에 있어서 원목과 큰 차이가 없었다.
3은 X-선 회절을 통한 참나무 원목과 폐골목으로부터 정제된 α-cellulose의 결정성을 나타내고 있다. 관찰 결과, 목재균에 의한 부후가 상당히 진행되었음에도 셀룰로오스의 결정성은 크게 변하지 않았다. 하지만 X-선 회절을 통한 관찰만으로 셀룰로오스 내부의 결정영역에 대한 평가를 하기에는 무리가 있으므로 앞서도 언급하였지만, 점도 측정을 통한 중합도의 결과를 지켜보아야 하겠다.
따라서 이러한 폐골목을 재활용하는 방안은 국내 목재 수급 실정이나 자원 재활용에 있어서 매우 중요한 일이라 할 수 있을 것이다. 더욱이, 균에 의해 침식된 셀룰로오스가 약한 가수분해에 의해서 단리 정제될 경우 산에 의한 셀룰로오스의 파괴를 줄일 수 있을 것이라는 생각을 갖게 되었다.^2-4)
1에 나타내었다. 분석 결과 폐골목의 경우 회분과 추출물의 함량이 참나무 원목에 비해 증가함을 알 수 있었다. 특히 폐골목에 있어서 양적으로 가장 큰 변화를 나타낸 것이 온수추출물이다.
2에 나타내었다. 열분해가 일어남에 따라 이루어지는 중량 감소율에 대한 미분계수(Derivative Thermogravimetric, DTG)곡선을 살펴보면 참나무 원목의 경우 343.86℃에서 열분해가 가장 왕성히 일어나는 반면, 폐골목의 경우는 그보다 약 10℃ 정도 높은 352.41℃에서 열분해가 진행된다는 것을 확인할 수 있다. 이는 비록 버섯균에 의한 목재의 부후가 진행되면서 셀룰로오스의 함량 역시 감소했지만, 셀룰로오스 자체의 특성에는 크게 영향을 미치지 않는다고 생각된다.
특히 폐골목에 있어서 양적으로 가장 큰 변화를 나타낸 것이 온수추출물이다. 온수추출물은 원목의 경우 4.9%인 반면, 폐골목의 경우 원목에 비해 약 3배가 더 많은 14.25%를 나타냈다. 이런 추출물의 증가는 재배기간 중 균에 의한 목재성분의 분해가 현저하게 일어났다는 것으로 생각할 수 있다.

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