락스의 살균 원리
염소(Chlorine, Cl2)는 표백과 살균의 효과가 있으나 대기에서 기체 상태(Cl2)로 존재하므로 불안정하고 유독하여 실용화되기는 힘들었다.
그래서 안정화시키기 위해 물에 녹여 수용액으로 만들려는 시도가 이루어졌는데, 염소는 물에 용해되면 약간의 염산(Hydrochloric acid, HCl)과 차아염소산(hydrochlorous acid, HOCl)을 생성하며 모든 용존 염소가 물과 반응하지는 않는다. 이 과정은 가역반응(reversible reaction; 한가지 물질이 동시에 산화 · 환원되는 반응)으로 동시에 일어나며 반응의 평형 지점(equilibrium position)은 아래의 반응식에서처럼 주로 왼쪽 방향에 있다(Ullmann, 1986). 염소는 수용성이 매우 낮아(0.3% ~ 0.7%) 용존 염소는 시간에 따라 가스로 다시 배출되기 때문에 이 반응은 위험하고, 염소를 내보낼수록 강산인 HCl로 인해 용액의 pH는 매우 떨어져 부식성도 강해지므로 표백제나 소독제로 쉽게 활용하기는 어려웠다.
이후 염소를 물 대신 염 화합물 용액에 녹여 차아염소산의 수소 대신 알칼리 금속을 치환시킨 차아염소산염(hydrochlorite)이 만들어지는데, 안정적이면서 보다 농축된 형태의 유효염소 수용액이었다. 이는 곧 상용화되었고 오드자벨이라는 이름으로 알려졌다.
대표적인 차아염소산염이 오늘날 우리가 사용하는 락스 성분인 차아염소산나트륨(Sodium Hypochiorite; NaOCl)이다.
NaOCl는 물과 반응하면 유효염소인 차아염소산(HOCl)과 수산화나트륨(NaOH)를 생성하는데, 이 때 HOCl은 약산이며 차아염소산 음이온(hypochlorite ion, OCl-)으로 가역적으로 해리된다.
염소는 물에서 Cl2, HOCl, OCl-의 세 가지 형태로 발견되는데, Cl2는 쉽게 기화되어 날아가버리므로 유효염소는 HOCl, OCl- 두가지이며 둘 다 소독제의 기능을 갖는다. HOCl, OCl-은 함께 공존할 수 있지만 용액의 pH에 따라 그 비율은 크게 달라지며, 용액의 화학적 안정성에도 영향을 미친다(Biocontrol Sci. 2006).
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| HOCl과 OCl-의 비율은 pH에 따라 달라진다. |
HOCl의 살균 활성은 OCl-보다 80-100배 더 효과적이므로 NaOCl의 살균활성은 HOCl의 농도에 의해 좌우된다.
HOCI은 분자 사이즈가 작고 전기적으로 중성을 띠고 있어 미생물의 세포벽과 세포막을 쉽게 투과하여 수동적으로 확산되어 세포의 외부와 내부 모두에 영향을 주는 반면, OCl-은 음전하를 띠는 세포벽과 정전기적으로 반발됨으로서 투과할 수 없어 세포 표면에서만 산화 작용을 하기 때문이다.
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락스의 HOCl, OCl-은 둘 다 주로 산화 작용에 의해 세포 안팎에서 세포막과 DNA 등 세포 구성 요소를 손상시킴으로서 살균 효과를 내며(Arch. Biochem. Biophys 1999) 단백질, 아미노산, 펩타이드, 지질 등 다양한 생물학적 분자와 반응하므로 유기물에 의해 영향을 크게 받는다.
먼저 지방산(Fatty acid)은 NaOCl이 물을 만나면 생성된 NaOH와 반응하여 지방산염(Soap)와 글리세롤(alcohol)로 변형되고 용액의 표면 장력을 감소시킨다. 이를 비누화 반응(Saponification reaction)이라고 하며 이 때 유기조직의 용해를 확인할 수 있다.
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| 락스는 지방 성분을 분해하여 비누화한다 (Saponification reaction) |
NaOH는 아미노산과 반응하여 물과 소금(Salt)을 형성하는데, 이 때 OH 이온이 빠지면서 pH가 떨어진다 (Amino acid neutralization reaction).
 락스는 아미노산과 반응하여 소금을 만든다 (Amino acid neutralization reaction) |
HOCl이 유기물 단백질 아미노 그룹(NH)과 결합하면 클로라민(chloramine)이 생성된다. 클로라민이 바로 수영장 냄새가 나는 물질인데, 세포 대사를 방해하며 항균 작용을 나타낸다.
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| HOCl은 유기물의 단백질 성분을 분해시킨다 (chloramination reaction) |
보통은 락스를 희석해서 쓰기 때문에(희석했을 때 pH > 8 정도) 위와 같은 경로를 거치지만, 그 농도가 높은 경우라면 높은 pH와 세포 표면에 작용하는 OCl- 산화에 기초하여 살균 효과가 나타난다(Estrela et al., 2002). 락스는 pH >11의 강력한 염기성 물질로 수산화 이온(OH-) 작용에 의해 미생물 세포의 pH 균형을 깨지면 생화학적 효소 반응 억제, 세포 대사 저해, 세포막의 인지질을 분해하여 세포 투과율을 높이거나 세포 용해를 유도함으로서 살균 · 소독 효과를 기대할 수 있다.
농도를 높일수록 항균 효과와 유기물 분해 능력은 좋아지지만 생체적합성(Biocompatibility)에는 반비례한다. 다시 말해 사람에게 독성이 강해진다. 락스가 낮은 농도에서도 항균 작용을 할 수 있다는 점을 고려할 때 1% 농도의 차아염소산나트륨을 쓰는 것이 적합하다(Braz Dent J 2002).