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문제 정의
- 따라서 본 연구는 미생물이 생산하는 색소를 이용하여 친환경적인 천연염료를 개발하기 위한 기초 연구로색소를 추출하여 색소의 물리화학적 특성을 조사하고, 다섬교직포에 염색을 하여 색상과 염착량을 평가함으로써 미생물 색소를 이용한 섬유염색활용의 가능성을 알아보았다.
제안 방법
- UV-visible spectroscopy(DU 8000, Beckman, Germany)를 사용하여 미생물 색소를 300~700nm까지 스캐닝하여 최대 흡광을 나타내는 파장을 측정하고, 색소농도와 흡광도 값을 측정하여 색소의 양을 측정할 수 있는 표준 곡선을 구하였다. 또한 색소의 화학성분의 분석은 시료를 DMSO-d6 용매에 녹인 후 1H-NMR(UNITY 300 spectrometer, Varian, USA)를 사용하여 300MHz에서 측정하였으며, 미생물 색소를 완전히 건조시킨후 KBr과 섞고 Die에 넣어 감압시키면서 압력을 가하여 KBr pellet로 만든 후, FT-IR(EQU1NOX 55, Bruker, USA)를 사용하여 4000~500cn「의 파장에서 스캐닝하며 측정하였다.
- 다섬교직포의 염색은 적외선 염색시험기(Starlet-2DL-6000plus, DaelimStarlet Co., Korea)를 사용하여 염색하였다. 섬유의 염색선택성과 세탁 후의 색차를 평가하기 위한 염색조건은 진공 농축된 색소(0.
- 곡선을 구하였다. 또한 색소의 화학성분의 분석은 시료를 DMSO-d6 용매에 녹인 후 1H-NMR(UNITY 300 spectrometer, Varian, USA)를 사용하여 300MHz에서 측정하였으며, 미생물 색소를 완전히 건조시킨후 KBr과 섞고 Die에 넣어 감압시키면서 압력을 가하여 KBr pellet로 만든 후, FT-IR(EQU1NOX 55, Bruker, USA)를 사용하여 4000~500cn「의 파장에서 스캐닝하며 측정하였다. 색소의 열에 대한 특성은 VP-DifferentialScanning Calorimeter(Microcal Inc.
- 또한 염색된 섬유의 표면색은 분광측색계를 이용하여 L*, a* b*, K/S값으로 측정 하였으며 , AL*, Aa*,Ab*값은 염색한 직물의 값과 염색하지 않은 직물의 값의 차로 구하였다. 이와 같이 구하여진 값을 이용하여 채도#를 계산하였다.
- 일반적으로 화합물에 대한 DSC의 결과는 흡열 (endothermic)과 발열(exothermic)의 반응을 보여 주는 데, 본 연구에서 흡열반응(Endo)만 나타난 이유는 실 제로 섬유에 염색을 하는 조건인 색소가 물과 함께 있을 때의 열특성을 조사하기 위하여 색소고형분만 을 측정하지 않고 물에 색소를 녹여서 측정하였기 때 문이라고 사료된다. 본 연구의 실험에서는 110℃ 이상의 온도에서는 물이 끓을 뿐만 아니라 증기압이 1기 압 이상이라 측정하는 cell 자체가 파괴되어 발열반응 은 측정 할 수 없었다.
- 또한 색소의 화학성분의 분석은 시료를 DMSO-d6 용매에 녹인 후 1H-NMR(UNITY 300 spectrometer, Varian, USA)를 사용하여 300MHz에서 측정하였으며, 미생물 색소를 완전히 건조시킨후 KBr과 섞고 Die에 넣어 감압시키면서 압력을 가하여 KBr pellet로 만든 후, FT-IR(EQU1NOX 55, Bruker, USA)를 사용하여 4000~500cn「의 파장에서 스캐닝하며 측정하였다. 색소의 열에 대한 특성은 VP-DifferentialScanning Calorimeter(Microcal Inc., USA)를 사용하여 증류수를 25~ 110℃까지 측정한 결과와 동일한 조건으로 증류수에 색소를 로 녹인 염액의 흡수 열량을 측정하여 조사하였다.
- 0L의 액체배지가 포함된 5L 삼각 플라스크에 접종하고서 2일간 120rpm으로 왕복 진탕배양하여 색소생산 미생물을 생산하였다. 색소추출을 위해서 배양액을 6, 500rpm에서 15분 동안 원심 분리하여 배지 상등액과 미생물 세포로 분리한 후, 침전된 미생물 균체에서 메탄올, 에탄올, 부탄올, 아세톤, 헥산 등을 이용하여 색소를 추출하여 50℃의 수조에서 농축기로 감압 농축하였다. 염색 시에는 농축한 색소를 물에 희석하여 염액으로 사용하였다.
- , Korea)를 사용하여 염색하였다. 섬유의 염색선택성과 세탁 후의 색차를 평가하기 위한 염색조건은 진공 농축된 색소(0.5% o.w.f.)를증류수에 녹여서 액비 ]:50, 염색온도 30℃, 1시간 염색하였으며, pH와 온도에 따른 염색성을 비교하기 위해서는 미생물 색소 0.2% o.w.f., 액비 1:50, 30분 염색하였다. 염액의 pH 변화는 0.
- 세탁에 의한 색차평가는 염색된 다섬교직포에 각각 합성세제액과 드라이클리닝액을 처리하여 색소가 빠져나간 정도를 측정하는 방법을 사용하였으며 섬유별로 상대적으로 비교하였다. 즉 염색된 다 섬 교직 포를 물 25ml에 합성세제 25ml(LG생활건강, 테크) 및 물 25ml에 드라이클리닝 용제 (perchloroethylene) 25ml를혼합한 세탁액에 넣고 30℃의 배양기에서 1시간 동안 120rpm으로 진탕시킨 후, 맑은 물이 나올 때까지 수세하고 건조시켜 세탁 전후의 색상차이를 비교하였다.
- 염색된 시험포는 분광측색계(JS 555, Colour Techno System Co., Japan)를 사용하여 색상을 분석하였다. 색소의 염착량은 염색포의 K/S값으로 평가하였으며 K/S 값은 분광측색계에서 직물의 흡수파장의 표면반사율을 측정하여 아래의 Kubelka-Mwk식에 의해 계산하였다.
- 미생물 Zooshikella sp로부터 색소추출이 가장 잘 되는 용매는 100% 에탄을, 80% 메탄올, 80% 아세톤이었는데, 이 중에서 100% 에탄올이 반복실험을 한 결과 가장 좋은 색소추출률을 나타내었다. 이런 결과는 사람이 음용하는 술(주정)을 색소의 추출용매로 사용할 수 있다는 점에서 안전성문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 색소를 추출한 후에 감압 농축하며 용매를 계속 사용할 수 있으므로경제적인 실용성도 충족시킬 수 있다고 판단하여 본연구에서는 미생물 세포로부터 색소를 주출 시 100% 에탄올을 사용하였다. Shirata et aL(2000)이 미생물 Janthinobacterium 에서 보라색의 굫iolaceht 색소를 추출 시에는 50% 메탄올을 사용하였고, 미생물 Chromobacterum Moktceiini에서 색소를 주줄한 연구에서는 80% 아세톤에서 색소추출률이 상대적으로 높게 나타나서(최종명, 김용숙, 2009) 본 연구의 결과와는 다소 차이가 있었다.
- 종자배양을 하였다. 종자배양을 2.0L의 액체배지가 포함된 5L 삼각 플라스크에 접종하고서 2일간 120rpm으로 왕복 진탕배양하여 색소생산 미생물을 생산하였다. 색소추출을 위해서 배양액을 6, 500rpm에서 15분 동안 원심 분리하여 배지 상등액과 미생물 세포로 분리한 후, 침전된 미생물 균체에서 메탄올, 에탄올, 부탄올, 아세톤, 헥산 등을 이용하여 색소를 추출하여 50℃의 수조에서 농축기로 감압 농축하였다.
- 상대적으로 비교하였다. 즉 염색된 다 섬 교직 포를 물 25ml에 합성세제 25ml(LG생활건강, 테크) 및 물 25ml에 드라이클리닝 용제 (perchloroethylene) 25ml를혼합한 세탁액에 넣고 30℃의 배양기에서 1시간 동안 120rpm으로 진탕시킨 후, 맑은 물이 나올 때까지 수세하고 건조시켜 세탁 전후의 색상차이를 비교하였다.
대상 데이터
- 을 사용하였다. 실험에 사용한 유기용매인 메탄올, 에탄을, 부탄올, 아세톤, 헥산 등은 1급 시약을 사용하였고, 미생물을 배양하기 위한 배지로는 액체배지 (Marine broth, Difco, USA)를 사용하였다.
- 염색 직물은 한국의류시험연구원에서 시판하고 있는 AATCC와 ISO 규격의 다섬교직포(Warp Strip 13 Fiber Style #43, Testfabrics, Inc. US A)를 사용하였고 조성은과 같다.
이론/모형
- , Japan)를 사용하여 색상을 분석하였다. 색소의 염착량은 염색포의 K/S값으로 평가하였으며 K/S 값은 분광측색계에서 직물의 흡수파장의 표면반사율을 측정하여 아래의 Kubelka-Mwk식에 의해 계산하였다. 이때 섬유의 염착농도를 측정하는 최대 흡수 파장은 각 파장에서의 K/S값을 구한 후 최대의 K/S값을 가지는 파장을 결정하여 염착량을 표시하였다.
성능/효과
- 3. 미생물 prodiginine 색소를 이용하여 염색 시 적자색(RP)을 나타냈으며, 모든 섬유는 540nm 파장에서 최대 염착량을 보였다. 견, 나일론, 아세테이트, 면, 양모섬유의 순으로 염착량이 많았다.
- 5. 염색된 다섬교직포를 합성세제와 드라이클리닝 용제로 처리하여 색상의 차이를 비교한 결과 견, 나일론 섬유의 색상차이가 적은 것으로 나타났다.
- 6.30~7.24ppm에서 pyrrole ring의 olefin methine 유래 의 proton signal이 관측되었고, 3.94ppm에서 OCH3기, 2.35ppm에서 pyrrole ring에 결합한 methyl기, 1.96ppm, 1.72ppm, L51ppm에서 methylenee], 0.87pprn세서 aliphatic chain의 methyl가 관측되었다. 이러한 1H-NMR 결과는 prodiginine의 특징적 인 구조를 잘 보여주고 있다
- 에서 추출하여 분리 정제한 prodiginine 색소를 물을 용매로 하여 녹인 후, 온도에 따른 열특성을 DSC 기기를 사용해서 분석한 결과는 와 같이 나타났다. Cp(Specific heat capacity)가 30℃에서 60℃까지의 온도에서는 122Kcal/mo!e/℃로 일정하게 나타남으로써 색소분자구조가 안정되게 유지되지만, 70℃ 이상에서는 점차 증가하는 결과를 보임으 로써 분자구조가 회전하거나 물질이 병진운동(Matsuoka, 1992을 하는 것을 알 수 있었다. 따라서 미생물 prodiginine 색소를 물에 녹여 염색을 할 경우에는 70℃ 이상의 온도에서는 색소분자가 활발히 움직여서 흡 열반웅이 일어나고 염착속도가 빠를 것으로 예상된다.
- 대부분의 섬유가 강산성인 pH 3의 조건에서 염착량이 가장 많고 pH 5, pH 7, pH 9의 조 건에서는 염착량의 차이가 크게 나지 않는 결과를 보 여줌으로써 미생물 prodiginine 색소는 산성과 중성 염액에서 염색이 되는 것을 알 수 있었다. pH 11의 강알칼리 조건에서는 모든 섬유의 염착량이 감소하는 결과를 보여줌으로써 염색성이 좋지 않은 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 나일론의 코치닐 염색（배 정숙, 허만우, 2006）이나 동물성 섬유에 대한 Lac 추출물의 염색(박문영 외, 2002)에서 pH 3의 조건에서 염착량이 많게 나타난 결과와 유사한 결과를 보인다.
- sp. 가 생산하는 prodiginine 색소를 에탄올로 추출하여 적자색을 발현하는 섬유염색용 염료로 활용할 수 있는 가능성을 발견하였고, 견과 나일론 섬유가 염색성이 양호하다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구를 토대로 현대 바이오기술의 발달로 저렴하게 대량생산이 가능하며 다양한 기능성을 갖고 있는 미생물 색소를 섬유염색용 염료로 개발하면 친환경적인 녹색 염색기술의 산업화와 실용화를 이룰 수 있을 것으로 기대한다.
- 미생물 Zooshikella sp.가 생산하는 색소는 530nm 의 파장에서 최대 흡광도를 나타냈으며 'H.NMR, FT-IR을 분석하여 적색 색소인 prodiginine임을 확인할 수 있었다.
- 8>은 염액의 pH를 3, 5, 7, 9, 11로 조절하고 염색온도 30℃에서 염색한 섬유의 염착량（K/S540nm） 을 나타낸 것이다. 대부분의 섬유가 강산성인 pH 3의 조건에서 염착량이 가장 많고 pH 5, pH 7, pH 9의 조 건에서는 염착량의 차이가 크게 나지 않는 결과를 보 여줌으로써 미생물 prodiginine 색소는 산성과 중성 염액에서 염색이 되는 것을 알 수 있었다. pH 11의 강알칼리 조건에서는 모든 섬유의 염착량이 감소하는 결과를 보여줌으로써 염색성이 좋지 않은 것으로 나타났다.
- 따라서 미생물 prodiginine 색소는 세탁에 의한 색상 내구성에서도 아미노기를 갖고 있는 견, 모, 나일론 섬유가 양호함을 알 수 있었다.
- )을 나타내는 b*값은 아세테이트 섬유를 제외하고는 모두 음의 값을 나타내었다. 또한 V/C값의 분포를 살펴보면, V의 분포는 5.64~6.72로 나타나서 CIE의 L*값과 마찬가지로 모든 섬유가 중명도 이상의 명도를 보였으며, C값은 섬유에 따라 차이를 보여 폴리프로필렌 섬유는 중 채도를 보인 반면 견섬유는 고채도를 보였다.
- 섬유에 따라 증가하는 경향은 다르지만 대부분의 섬유가 염색온도가 상승함에 따라서 염착량이 증가하였으며, 디아세테이트, 모드아크릴, 아크릴 섬유 등의 합섬 섬유는 90℃에서 염 착량이 많아졌다. 또한 모든 온도에서 나일론, 견, 모섬유가 다른 섬유에 비해 상대적으로 염착량이 많은 것으로 나타남으로써 본 연구의 색소가 아미노기를 갖고 있는 단백질 섬유인 견과 모, 나일론 섬유에 염색이 잘되는 색소임을 알 수 있었다.
- 또한에서 보는 바와 같이 드라이클리닝 용제를 사용하여 처리한 결과는 합성세제로 처리한 결과에 비해서 Aa값의 변화가 모든 섬유에서 크게 나타나서 적색 색소의 이탈이 큰 것을 알 수 있었다.
- 로부터 추출된 감압 농축된 색소의 무게를 측정한 결과, 얻어진 적색 색소추출물의 생산량은와 같이 용매의 종류에 따라 각각 다르게 나타났다.
- 로부터 추출된 감압 농축된 색소의 무게를 측정한 결과, 얻어진 적색 색소추출물의 생산량은<Table 2>와 같이 용매의 종류에 따라 각각 다르게 나타났다. 물과 헥산을 용매로 하여 추출했을 경우에는 색소의 추출 정도가 아주 낮게 나타남으로써 극성이 높은 물이나 비극성이 높은 헥산에서는 미생물 세포로부터 색소를 추출하기가 어렵다는 것을 알 수 있었다. 미생물 Zooshikella sp로부터 색소추출이 가장 잘 되는 용매는 100% 에탄을, 80% 메탄올, 80% 아세톤이었는데, 이 중에서 100% 에탄올이 반복실험을 한 결과 가장 좋은 색소추출률을 나타내었다.
- 물과 헥산을 용매로 하여 추출했을 경우에는 색소의 추출 정도가 아주 낮게 나타남으로써 극성이 높은 물이나 비극성이 높은 헥산에서는 미생물 세포로부터 색소를 추출하기가 어렵다는 것을 알 수 있었다. 미생물 Zooshikella sp로부터 색소추출이 가장 잘 되는 용매는 100% 에탄을, 80% 메탄올, 80% 아세톤이었는데, 이 중에서 100% 에탄올이 반복실험을 한 결과 가장 좋은 색소추출률을 나타내었다. 이런 결과는 사람이 음용하는 술(주정)을 색소의 추출용매로 사용할 수 있다는 점에서 안전성문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 색소를 추출한 후에 감압 농축하며 용매를 계속 사용할 수 있으므로경제적인 실용성도 충족시킬 수 있다고 판단하여 본연구에서는 미생물 세포로부터 색소를 주출 시 100% 에탄올을 사용하였다.
- 한편, 미생물 적색 색소를 냉장 보관하였다가 Visible spectroscopy를 이용하여 가시광선 부위인 400~700nm 까지 스캐닝하여 조사한 결과는 에 나타난 바와 같다. 미생물 prodiginine 색소를 4℃의 냉장고에 보관했다가 꺼낸 즉시 측정한 그래프는 최대 흡수파 장이 500mn로 단파장으로 이동하였으나 온도를 30℃ 로 높여서 측정을 하면 원래의 미생물 prodiginine 색소 의 최대 흡수파장인 530mm로 나타남으로써 장파장으 로 이동하는 결과를 보였다. 이러한 결과는 저온 보관한 색소를 30℃ 이상의 온도로 높이면 색상의 변화 없이 염색이 가능하다는 것을 보여주었다
- 9>는 염색온도를 30~90℃로 맞추고 30분 동안 다섬교직포를 염색하여 염색온도에 따른 염착량을 측정하여 섬유종류별로 나타낸 결과이다. 섬유에 따라 증가하는 경향은 다르지만 대부분의 섬유가 염색온도가 상승함에 따라서 염착량이 증가하였으며, 디아세테이트, 모드아크릴, 아크릴 섬유 등의 합섬 섬유는 90℃에서 염 착량이 많아졌다. 또한 모든 온도에서 나일론, 견, 모섬유가 다른 섬유에 비해 상대적으로 염착량이 많은 것으로 나타남으로써 본 연구의 색소가 아미노기를 갖고 있는 단백질 섬유인 견과 모, 나일론 섬유에 염색이 잘되는 색소임을 알 수 있었다.
- 7>에서 보는 바와 같이 모든 섬유는 540nm에서 염착량을 나타내는 K/S 값이 가장 높게 나타나서 미생물 prodiginine 색소로 염색한 다섬교직포의 염착량은 540nm에서 측정하였다. 염착량은 견, 아세테이트, 양모, 나일론, 모드아크릴, 면섬유의 순으로 많은 것으로 나타났다.
- 미생물 prodiginine 색소를 4℃의 냉장고에 보관했다가 꺼낸 즉시 측정한 그래프는 최대 흡수파 장이 500mn로 단파장으로 이동하였으나 온도를 30℃ 로 높여서 측정을 하면 원래의 미생물 prodiginine 색소 의 최대 흡수파장인 530mm로 나타남으로써 장파장으 로 이동하는 결과를 보였다. 이러한 결과는 저온 보관한 색소를 30℃ 이상의 온도로 높이면 색상의 변화 없이 염색이 가능하다는 것을 보여주었다
- 3,422cm'에서 N-H stretching 유래의 특징적 인 signal이 관측되었고, 2,924cnf'에서 C-H stretching 유래의 signal, 1,624cm'에서 C=C stretching 유래의 signal이 관측되었다. 이런 결과는 분리된 미생물 적색 색소는 특징적인 기능기가 잘 노출되며 염색 시 섬유 와 결합이 가능한 조색단을 갖고 있으므로 색소와 섬 유의 결합이 용이 할 것으로 판단된다. 또한 prodigiosin standard curve의 FT-IR spectrum 그래프와 동일한스펙트럼의 양상을 보임으로써 본 연구에서 미생물 Zooshikella sp.
후속연구
- 따라서 본 연구를 토대로 현대 바이오기술의 발달로 저렴하게 대량생산이 가능하며 다양한 기능성을 갖고 있는 미생물 색소를 섬유염색용 염료로 개발하면 친환경적인 녹색 염색기술의 산업화와 실용화를 이룰 수 있을 것으로 기대한다. 그러나 본 연구에서는 미생물 색소의 특성 및 섬유염색가능성에 초점을 두어 실험을 설계하였기 때문에 염색조건의 유기적인 검토와 다양한 섬유의 염색견뢰도를 측정하지 않은 점이 제한점이라고 생각된다. 추후 연구에서는 미생물 색소의 섬유의 염색선택성을 바탕으로 특정 섬유를 선정하여 다양한 염색조건을 유기적으로 검토하여 미생물 색소의 최적 염색조건을 확립하고 객관적인 염색견뢰도 등을 측정하는 연구가 이루어져야 할 것이다.
- 가 생산하는 prodiginine 색소를 에탄올로 추출하여 적자색을 발현하는 섬유염색용 염료로 활용할 수 있는 가능성을 발견하였고, 견과 나일론 섬유가 염색성이 양호하다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구를 토대로 현대 바이오기술의 발달로 저렴하게 대량생산이 가능하며 다양한 기능성을 갖고 있는 미생물 색소를 섬유염색용 염료로 개발하면 친환경적인 녹색 염색기술의 산업화와 실용화를 이룰 수 있을 것으로 기대한다. 그러나 본 연구에서는 미생물 색소의 특성 및 섬유염색가능성에 초점을 두어 실험을 설계하였기 때문에 염색조건의 유기적인 검토와 다양한 섬유의 염색견뢰도를 측정하지 않은 점이 제한점이라고 생각된다.
- 그러나 식물성 염료는 추출된 색소가 지역이나 품종, 재배 방법에 따라 차이가 있을 수 있으며, 염색견뢰도가 낮고 원료의 한계성 때문에 대량생산이 어렵고 염색공정이 복잡하고 색의 재현성을 얻기 힘들다는 점 때문에 천연염색을 산업화하기에는 다소 어려운 점이 있다(송경헌, 백천의, 2002). 따라서 천연자원을 이용한 염료의 대량생산과 추출된 색소의 재현성이 확보된다면 친환경적인 녹색 염색기술의 산업화와 실용화를 이룰 수 있을 것으로 기대된다.
- 그러나 미생물 Zooshikella sp.에서 추출한 prodiginine 색소의 색상이 코치닐이나 Lac에서 추출한 색소와 비슷한 적자색이지만, 본 연구의 prodiginine 색소의 화학구조와 코치닐의 주색소인 카르민산이나 Lac의 주색소인 락카인산과는 유사성이 없으므로 앞으로 미생물 색소의 염색거동에 대한 다각적인 연구가 더 필요하다고 판단된다.
- 그러나 본 연구에서는 미생물 색소의 특성 및 섬유염색가능성에 초점을 두어 실험을 설계하였기 때문에 염색조건의 유기적인 검토와 다양한 섬유의 염색견뢰도를 측정하지 않은 점이 제한점이라고 생각된다. 추후 연구에서는 미생물 색소의 섬유의 염색선택성을 바탕으로 특정 섬유를 선정하여 다양한 염색조건을 유기적으로 검토하여 미생물 색소의 최적 염색조건을 확립하고 객관적인 염색견뢰도 등을 측정하는 연구가 이루어져야 할 것이다.
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