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문제 정의
- 본 연구는 식품의 신선도를 유지하기 위한 효과적인 식품 포장 물질로서 항균성질을 갖는 편백나무 추출물을 함유한 다공성 필름의 성능과 효능을 알아보고자 하였다. 나무가 갖는 특유의 향인 피톤치드 정유는 휘발성 화학물질로서, 항균성 기능을 가지고 있는 천연물질이다.
- 편백나무 추출물을 함유한 필름을 제조하기 위하여 용매의 최적 비율을 찾아 시도하였으며, 필름의 두께를 고려하여 필름의 농도를 계산하였다. 본 연구의 목적은 편백나무 추출물 중 항균효과를 나타내는 여러 가지 성분인 phellandrene, thujone, iso-bornylacetate, limonene 중에서 limonene을 선택하여 저장 기간에 따라 휘발되는 양을 분석하였다. 향후 그 외의 항균성분들에 대한 연구를 계속하여 데이터를 제공함으로써 이를 토대로 편백나무 추출물을 이용한 필름이 산업적 이용에 도움을 주고자 한다.
제안 방법
- 20 ㎍/ℓ의 용액을 만들어서 농도를 희석하면서 GC-MSD 분석을 하였고, retention time은 4.5 min을 나타내었다. 각 1ℓ당 들어있는 신선도 유지 성분의 ㎍수를 x축으로, 피크면적을 y축으로 하여 검량 곡선을 그리고 직선 식을 구하여 Fig.
- Limonene 20 ㎍/ℓ의 표준용액을 만들고, 이것을 희석하여 14 ㎍/ℓ, 11 ㎍/ℓ, 7 ㎍/ℓ, 4 ㎍/ℓ, 2 ㎍/ℓ의 용액을 GC-MSD로 분석하여 검량곡선 실험을 하였고, GC-MSD 분석조건은 Table 2에 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 편백나무 정유는 북한산 수입제품을 사용하였으며, 용매를 조절하고 편백정유를 농도별 함량을 달리하여 다공성 필름을 제조하였다. 기간에 따라 방출되는 피톤치드 정유 성분을 GC-MSD로 편백추출물을 함유한 필름의 limone 성분이 휘발되는 양을 분석하였다.
- 3 비율로 제조하여 사용하였다. 농도가 각기 다른 필름을 제조하기 위하여 용매부피 대 편백정유 부피 비율을 0.5:0.8:1.0:1.6으로 첨가하였다. 이렇게 제조한 접착용액을 각각 30 ㎛ 두께의 PP 필름에 붓고 40 ㎛ 두께의 필름으로 덮은 후 바코더를 사용하여 6 ㎛ 두께 정도의 접착용액이 필름에 입히도록 밀어주었다.
- 다양한 조건으로 제조된 필름을 밀폐된 포장 안에 넣고 식품저장기간에 대한 기본적 실험인 식빵의 곰팡이 발생을 관찰하였으며, 저장기간의 연장 효과(Kim & Lee 2009)를 비교하였다.
- 2에 나타내었다. 또한 한국화학시험연구원에서 제시한 시험결과 보고서인 편백오일 분석표에 제시된 14% 이상 존재하는 성분들을 확인하기 위하여 HPLC 분석을 실시하여 분자량 136 g, 152 g 및 196 g 근처에 나타난 피크로 성분들을 관찰하였고, 스펙트럼을 Fig.3에 나타내었다.
- 미쓰도요(Mitutoyo) 제품인 두께측정기(Thickness gage, Digimatic Type No. 99MAG011M)인 마이크론테크를 이용하여 앞에서 제조된 각각의 필름 두께를 표면적의 다른 부분을 5회 측정하여 평균치를 사용하였다. 접착용매 대 편백정유 부피 비율이 25:0.
- 서로 다른 조건의 필름을 1ℓ반응기에 넣어 당일 2시간 후와 1일, 2일, 4일, 8일 후에 편백나무 추출물인 limonene량을 측정하기 위하여 GC-MSD로 분석하였다. A-50LF1, A-25SF2, C-50LF1, C-25SF2 조건의 분석 GC-MSD 다이어그램들을 Fig.
- 6에 나타내었다. 앞에서 분석에 사용한 조건의 필름에 대하여 저장기간에 따라 항균성분양을 얻기 위하여 앞에서 얻은 표준용액의 검량곡선식을 이용하여 밀폐된 반응기 속의 항균 성분인 Limonene 보유량을 측정하기 위하여 GC-MSD로 측정한 면적으로 부터 g수(㎍)를 계산하여 Table 3에 나타내었다. 이 방법은 솔잎에 대한 휘발성 성분을 분석한 연구(Lee 등 2006)와 유사하였으며, 자료들을 살펴보면 서로 다른 조건의 필름 중에서 편백나무 추출물이 함유된 항균층 폭이 25 ㎜인 필름을 2개 사용할 때가 큰 사이즈 50 ㎜를 사용했을 때보다 항균성분이 더 많이 나타났다.
- 3임을 확인하여 사용하였다. 용매에 피톤치드 용질을 농도별가 각기 다른 필름을 제조하기 위하여 용매부피 대 편백정유 부피 비율을 0.5:0.8:1.0:1.6으로 첨가하였다. 이렇게 제조한 필름의 두께를 고려하여 계산한 용액의 농도 범위는 2～6%로 최소억제 농도는 2%였고, 이 값은 구강내 상주균주에 대한 항균성을 나타내는 최소 억제 농도(Kang 등 2010)에 비해서는 다소 높았으나, 간접적인 포장에 사용되는 것으로서는 타당한 차이로 판단된다.
- 이렇게 제조한 접착용액을 각각 30 ㎛ 두께의 PP 필름에 붓고 40 ㎛ 두께의 필름으로 덮은 후 바코더를 사용하여 6 ㎛ 두께 정도의 접착용액이 필름에 입히도록 밀어주었다. 용액이 입혀진 필름을 90℃ 오븐에 넣어 8분간 건조시켜 농도별 편백정유 항균층을 포함한 필름을 제조하였다. 필름형 신선도 필름(Choi MH 2007) 제조와 같이 30 ㎛의 필름의 경우에는 음식을 포장하는 내부 면에 사용되며, 기공이 형성되어 있어 필름 층 사이에 도포되어 있는 천연 항균성 물질이 기공을 통해 음식물로 침투할 수 있도록 하고, 40 ㎛의 필름의 경우에는 기공이 형성되어 있지 않으므로 천연 도포된 항균성 물질이 외부로 배출되지 않도록 하였다.
- 이 경향은 해조분말을 이용한 필름 경우(Rhim & Kim 2004)와 유사하였으며, 필름 제조에서 두께를 조절함으로써 항균성 보유량을 분석하여 효과적인 필름의 저장 효과를 확인하였다.
- 이렇게 만든 필름의 폭 25 ㎜와 길이 20 ㎝(small size), 폭 50 ㎜와 길이 20 ㎝(large size)인 두 가지 사이즈를 25SF2(25㎜ small film 2개), 50LF1(50 ㎜ large film 1개) 2가지 조건으로 실험에 사용하였다. 이 두 가지 조건을 앞에서 제시한 편백 필름 A와 C에 적용하여 A-50LF1, A-25SF2, C-50LF1, C-25SF2로 표기하고, B와 D에는 large size 한 가지 조건을 적용하여 B-50SF1, D-50SF1으로 표기하였다. 이 필름들을 밀폐된 1ℓ 반응기(Reaction chamber)에 넣고 이때 반응기를 밀폐시키기 위하여 septum을 사용하여 공기유입을 막고 syringe를 사용하였다.
- 저장일 2 hr, 1 day, 2 day, 4 day, 8 day별로 gas tight syringe(HAMILTON 81056 1710SL)로 500μL씩 취하여 GC-MS 분석을 하여 반응기속에 남아있는 limonene 성분을 측정하였다.
- 조건별 포장을 각각 준비하여 35℃와 70% 습도를 유지하기 위해 항온·항습기(새한 엔지니어링, MODEL S-1000, Digital program Temp Controller)에 넣고 식품저장 기간에 따른 천연항균필름의 저장 효과를 보기 위하여 곰팡이 발생 유무를 14일간 관찰하였다.
- 특히 편백정유는 다양한 미생물에 대한 항균효과를 지니고 있어서 이 분야의 활용에 대한 적극적인 연구가 기대된다. 편백나무 추출물을 함유한 필름을 제조하기 위하여 용매의 최적 비율을 찾아 시도하였으며, 필름의 두께를 고려하여 필름의 농도를 계산하였다. 본 연구의 목적은 편백나무 추출물 중 항균효과를 나타내는 여러 가지 성분인 phellandrene, thujone, iso-bornylacetate, limonene 중에서 limonene을 선택하여 저장 기간에 따라 휘발되는 양을 분석하였다.
- 피톤치드는 기체상 접촉을 통한 적용법이 항곰팡이성 효과가 크게 나타난다. 피톤치드를 포함한 필름들이 A-50LF1, A-25SF2, B-50SF1, C-50LF1, C-25SF2, D-50SF1 와 같이 여러가지 다른 조건으로 만들어졌고, 1ℓ 반응기 안에서 저장기간에 따르는 limonene 성분을 얻기 위하여 GC-MSD 분석을 하였다. 그 결과, 항균층 폭이 25 ㎜, 길이 20 ㎝인 필름 2개를 사용했을 때가 항균층 50 ㎜, 길이 20 ㎝ 필름 1개를 사용했을 때보다 밀폐된 반응기에 limonene이 더 많이 보유되어 있음을 알 수 있었다.
대상 데이터
- D제빵회사에서 직접 제조 판매하는 식빵을 구입하여 2쪽씩을 포장용 비닐(Freshield, FSR 611, CSE)에 넣고 필름을 넣지 않은 blank상태와 편백나무 추출물을 A-50LF1, A-25SF2, B-50SF1, C-50LF1, C-25SF2, D-50SF1 조건의 필름을 넣은 후 진공 포장기(Food Saver사, Model No.:COMPACTⅡ-Vac550)로 밀봉하였다. 조건별 포장을 각각 준비하여 35℃와 70% 습도를 유지하기 위해 항온·항습기(새한 엔지니어링, MODEL S-1000, Digital program Temp Controller)에 넣고 식품저장 기간에 따른 천연항균필름의 저장 효과를 보기 위하여 곰팡이 발생 유무를 14일간 관찰하였다.
- Limonene은 수증기증류에 의해 얻어지며 상대적으로 안정한 테르펜으로 식품가공과 의약품에 주로 사용되며, 항암효과가 있어 인류에게 암의 화학적 예방을 한다고 알려져 있다(Crowell PL 1999; Tsuda 등 2004). GC-MSD 분석 시, 필름의 테르펜류 휘발측정을 통한 항균상태를 파악하기 위하여 limonene 성분을 사용하였다.
- 다양한 조건으로 제조된 필름을 밀폐된 포장 안에 넣고 식품저장기간에 대한 기본적 실험인 식빵의 곰팡이 발생을 관찰하였으며, 저장기간의 연장 효과(Kim & Lee 2009)를 비교하였다. 본 연구에 사용된 편백나무 정유는 북한산 수입제품을 사용하였으며, 용매를 조절하고 편백정유를 농도별 함량을 달리하여 다공성 필름을 제조하였다. 기간에 따라 방출되는 피톤치드 정유 성분을 GC-MSD로 편백추출물을 함유한 필름의 limone 성분이 휘발되는 양을 분석하였다.
- 실험에 사용한 편백정유는 조선 정성제약연구소에서 편백나무 잎과 줄기를 수증기증류(steam distillation of leaves and trunk)에 의해 얻은 북한산 수입제품을 사용하였으며, 한국화학시험연구원에서 제시한 시험결과보고서인 편백오일 분석표에 의하면 14% 이상 존재하는 성분들은 β-phellandrene 27.17%, limonene 14.61%, α-thujone 14.19%, iso-bornylacetate 15.08%로 나타났다.
- 이렇게 만든 필름의 폭 25 ㎜와 길이 20 ㎝(small size), 폭 50 ㎜와 길이 20 ㎝(large size)인 두 가지 사이즈를 25SF2(25㎜ small film 2개), 50LF1(50 ㎜ large film 1개) 2가지 조건으로 실험에 사용하였다. 이 두 가지 조건을 앞에서 제시한 편백 필름 A와 C에 적용하여 A-50LF1, A-25SF2, C-50LF1, C-25SF2로 표기하고, B와 D에는 large size 한 가지 조건을 적용하여 B-50SF1, D-50SF1으로 표기하였다.
- 포장용 필름을 제조하기 위하여 30 ㎛ 두께와 40 ㎛ 두께를 갖고 있는 PP(Polypropylene) 필름을 사용하였다. 접착용제로는 식품에 사용가능한 접착제인 T-500과 용매로 에탄올과 경화제를 사용하였고, T-500:에탄올:경화제 용매 비율을 여러 가지 달리하여 테스트한 결과를 Table 1에 나타내었다. 가장 적합한 5:20:0.
- 포장용 필름을 제조하기 위하여 30 ㎛ 두께와 40 ㎛ 두께를 갖고 있는 PP(Polypropylene) 필름을 사용하였다. 접착용제로는 식품에 사용가능한 접착제인 T-500과 용매로 에탄올과 경화제를 사용하였고, T-500:에탄올:경화제 용매 비율을 여러 가지 달리하여 테스트한 결과를 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- 필름 두께가 피톤치드 방출량에 미치는 영향은 필름이 두꺼울수록 초기에는 오히려 덜 방출되었으나, 하루가 지나면서 저장기간이 길어질수록 방출량이 증가하는 경향을 보였다. 35℃와 70% 습도 조건에서 14일 동안 식빵 저장 실험에서 곰팡이 유무를 확인한 결과, 작은 사이즈 2개를 넣었을 때가 큰 사이즈 1개를 넣었을 때보다 저장기간이 길게 나타났다. 신선도 유지성분인 편백 정유가 갖는 항균성분 중, limonene의 방출 특성과 조건을 분석함으로써 필름조건의 자료를 공유하여 향후 식품에 대한 적용 확대가 기대된다.
- 피톤치드를 포함한 필름들이 A-50LF1, A-25SF2, B-50SF1, C-50LF1, C-25SF2, D-50SF1 와 같이 여러가지 다른 조건으로 만들어졌고, 1ℓ 반응기 안에서 저장기간에 따르는 limonene 성분을 얻기 위하여 GC-MSD 분석을 하였다. 그 결과, 항균층 폭이 25 ㎜, 길이 20 ㎝인 필름 2개를 사용했을 때가 항균층 50 ㎜, 길이 20 ㎝ 필름 1개를 사용했을 때보다 밀폐된 반응기에 limonene이 더 많이 보유되어 있음을 알 수 있었다. 이 결과는 필름 제조 시 안쪽 필름의 20 ㎛의 기공 쪽보다 옆 단면 층과 층 사이의 기체 확산이 더 크게 일어난다는 것을 보여주었다.
- 이 필름들을 밀폐된 1ℓ 반응기(Reaction chamber)에 넣고 이때 반응기를 밀폐시키기 위하여 septum을 사용하여 공기유입을 막고 syringe를 사용하였다. 비닐 팩과는 달리 유리로 된 반응기에서는 기체 분포도가 균일하게 분포되어 있어 syringe를 사용하는데 불편함이 없었으며, 피톤치드 방출량을 정밀하게 측정할 수 있었다. 저장일 2 hr, 1 day, 2 day, 4 day, 8 day별로 gas tight syringe(HAMILTON 81056 1710SL)로 500μL씩 취하여 GC-MS 분석을 하여 반응기속에 남아있는 limonene 성분을 측정하였다.
- 그 결과, 항균층 폭이 25 ㎜, 길이 20 ㎝인 필름 2개를 사용했을 때가 항균층 50 ㎜, 길이 20 ㎝ 필름 1개를 사용했을 때보다 밀폐된 반응기에 limonene이 더 많이 보유되어 있음을 알 수 있었다. 이 결과는 필름 제조 시 안쪽 필름의 20 ㎛의 기공 쪽보다 옆 단면 층과 층 사이의 기체 확산이 더 크게 일어난다는 것을 보여주었다. 필름 두께가 피톤치드 방출량에 미치는 영향은 필름이 두꺼울수록 초기에는 오히려 덜 방출되었으나, 하루가 지나면서 저장기간이 길어질수록 방출량이 증가하는 경향을 보였다.
- 즉, 큰 사이즈 1개보다는 작은 사이즈 2개의 필름이 총 길이는 같으나 층 사이의 면적과 옆 단면 층이 넓게 되어 확산이 잘 일어나, 항균성분이 더 많이 얻어지는 것으로 판단된다. 즉, 총 크기는 같으나 항균 층 폭이 작은 사이즈 필름 2개를 사용했을 때가 큰 사이즈 필름 1개를 사용했을 때보다 밀폐된 반응기속의 항균성분 보유량이 더 크게 나타나는 현상으로부터 필름의 기체 확산 정도가 필름 안쪽보다 옆 단면 층에서 더 크게 일어난다는 현상을 알게 되었다. 항균물질의 전이속도를 분석하고 조절함으로써 천연 휘발성 물질의 하나인 편백나무 추출물의 효과적인 항균성을 높일 수 있다는 실험을 바탕으로 이를 활용하는 연구가 향후 더욱 활발하게 진행될 수 있다고 판단된다.
- 식빵을 2쪽씩 포장 비닐에 넣고 서로 다른 조건의 필름인 A-50LF1, A-25SF2, C-50LF1, C-25SF2, B-50SF1, D-50SF1을 넣어서 밀봉 후 온도 35℃, 습도 75%에서 곰팡이 유무를 14일간 관찰한 결과를 Table 4에 나타내었다. 편백나무 추출물이 포함된 항균성 필름이 없을 경우에는 4일 째, A 필름 조건의 큰 사이즈 필름 1개에서는 5일째, 작은 크기 필름 2개에서는 7일째에 점모양의 곰팡이가 발견되었고, B 필름 조건에서는 8일째, C 필름 조건의 큰 사이즈 필름 1개에서는 9일째, 작은 크기 필름 2개에서는 11일째, D 필름 조건에서는 14일째 작은 사이즈의 곰팡이가 발견되었다. 두께가 두껍고 폭 25㎜인 작은 크기 필름 2개를 넣어서 저장한 식빵이 가장 늦게 14일 째에 작은 사이즈의 곰팡이가 발견되었다.
- Limonene은 편백나무 정유중의 한 성분으로 분해없이 증류되며, 효과적인 항균성분을 나타내는 한편 비교적 안정한 테르펜류이다. 피톤치드 정유를 함유한 효과적인 항균성 필름을 제조하기 위한 용매의 최적조건을 찾은 결과, T-500:에탄올:경화제의 비율이 5:20:0.3이었고, 최소 항균성을 나타내는 피톤치드 정유의 농도는 2%였다. 피톤치드는 기체상 접촉을 통한 적용법이 항곰팡이성 효과가 크게 나타난다.
- 이 결과는 필름 제조 시 안쪽 필름의 20 ㎛의 기공 쪽보다 옆 단면 층과 층 사이의 기체 확산이 더 크게 일어난다는 것을 보여주었다. 필름 두께가 피톤치드 방출량에 미치는 영향은 필름이 두꺼울수록 초기에는 오히려 덜 방출되었으나, 하루가 지나면서 저장기간이 길어질수록 방출량이 증가하는 경향을 보였다. 35℃와 70% 습도 조건에서 14일 동안 식빵 저장 실험에서 곰팡이 유무를 확인한 결과, 작은 사이즈 2개를 넣었을 때가 큰 사이즈 1개를 넣었을 때보다 저장기간이 길게 나타났다.
- 그림에서 보면 A와 B조건의 필름에서는 저장기간 하루 이내에서는 작은 사이즈 2개와 큰 사이즈 1개의 차이가 별다른 차이를 보이지 않았지만, 그 이후로는 작은 사이즈 2장이 크게 나타남을 알 수 있었다. 필름 두께의 영향은 A와 C 조건이 갖는 두께가 76 ㎛와 77 ㎛, B와 D 조건은 80 ㎛, 84 ㎛로 두께가 미치는 영향은 필름이 두꺼울수록 초기에는 오히려 덜 방출되었으나, 하루가 지나면서 방출량이 커지는 경향을 볼 수 있었다. B와 D의 경우는 80 ㎛와 84 ㎛로 필름 두께가 두꺼워 초기에는 휘발이 덜 일어나 오히려 사이즈의 효과도 나타내지 못했지만, 하루가 지나면서 저장기간이 길어질수록 방출량은 증가하였다.
- 효과적인 필름 제조 시, T-500:에탄올:경화제 용매들의 여러 가지 비율 실험을 거쳐 가장 적합한 비율이 5:20:0.3임을 확인하여 사용하였다. 용매에 피톤치드 용질을 농도별가 각기 다른 필름을 제조하기 위하여 용매부피 대 편백정유 부피 비율을 0.
후속연구
- 35℃와 70% 습도 조건에서 14일 동안 식빵 저장 실험에서 곰팡이 유무를 확인한 결과, 작은 사이즈 2개를 넣었을 때가 큰 사이즈 1개를 넣었을 때보다 저장기간이 길게 나타났다. 신선도 유지성분인 편백 정유가 갖는 항균성분 중, limonene의 방출 특성과 조건을 분석함으로써 필름조건의 자료를 공유하여 향후 식품에 대한 적용 확대가 기대된다.
- 곰팡이 발생 현상은 GC-MSD 분석 결과, 밀폐된 반응기 속의 신선도 유지성분 보유량 측정한 결과와 같은 현상을 보였다. 앞으로는 식빵뿐만 아니라 신선도가 요구되는 여러 가지 식품 종류에도 적용하여 곰팡이 발생 실험을 실시하고 편백나무 추출물에서 얻을 수 있는 다양한 항균성분을 분석하여 인류의 건강에 이바지하는 천연물질에서 효과적인 조건의 필름(Lim 등 2010)을 제조한다면 식품저장 효과를 높이는데 크게 기여할 것으로 사료된다.
- 소나무, 동백나무(Han YS 2005), 편백나무에서 추출한 정유성분은 혈중 콜레스테롤 농도를 저하시키며, 진정효과를 나타낸다. 특히 편백정유는 다양한 미생물에 대한 항균효과를 지니고 있어서 이 분야의 활용에 대한 적극적인 연구가 기대된다. 편백나무 추출물을 함유한 필름을 제조하기 위하여 용매의 최적 비율을 찾아 시도하였으며, 필름의 두께를 고려하여 필름의 농도를 계산하였다.
- 즉, 총 크기는 같으나 항균 층 폭이 작은 사이즈 필름 2개를 사용했을 때가 큰 사이즈 필름 1개를 사용했을 때보다 밀폐된 반응기속의 항균성분 보유량이 더 크게 나타나는 현상으로부터 필름의 기체 확산 정도가 필름 안쪽보다 옆 단면 층에서 더 크게 일어난다는 현상을 알게 되었다. 항균물질의 전이속도를 분석하고 조절함으로써 천연 휘발성 물질의 하나인 편백나무 추출물의 효과적인 항균성을 높일 수 있다는 실험을 바탕으로 이를 활용하는 연구가 향후 더욱 활발하게 진행될 수 있다고 판단된다.
- 본 연구의 목적은 편백나무 추출물 중 항균효과를 나타내는 여러 가지 성분인 phellandrene, thujone, iso-bornylacetate, limonene 중에서 limonene을 선택하여 저장 기간에 따라 휘발되는 양을 분석하였다. 향후 그 외의 항균성분들에 대한 연구를 계속하여 데이터를 제공함으로써 이를 토대로 편백나무 추출물을 이용한 필름이 산업적 이용에 도움을 주고자 한다. 다양한 조건으로 제조된 필름을 밀폐된 포장 안에 넣고 식품저장기간에 대한 기본적 실험인 식빵의 곰팡이 발생을 관찰하였으며, 저장기간의 연장 효과(Kim & Lee 2009)를 비교하였다.
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