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문제 정의
- , 2002). 따라서 tyrosinase의 활성을 저해시킨다면 피부에 melanin이 생성되는 것을 억제시킬 수 있으므로 tyrosinase 저해 효과를 통해 미백 효과를 알아보았다.
- 따라서 본 연구를 통해 삼나무와 편백나무 잎 정유의 미백 및 항산화 활성을 구명하여 화장품 산업에서 기능성 소재로 개발하기 위한 기초자료로 이용하고, 건조 중 발생하는 nVOCs의 화장품 산업으로의 응용을 통한 부가적 가치를 확인하고자 한다.
- 따라서 삼나무와 편백나무 정유가 활성산소를 중화시키는 항산화 효소인 SOD와 같은 역할을 하는지를 알아보기 위해 강력한 환원제인 pyrogallol을 이용하여 SOD 유사활성을 확인하였다.
- 본 연구는 삼나무와 편백나무의 잎의 정유와 목부 건조 시 발생한 nVOCs의 terpenoids 화합물들의 미백 및 항산화 효과를 구명하였다. 편백나무 정유 또한 효과를 나타내었지만 삼나무 정유가 편백나무보다 tyrosinase 저해활성, SOD 유사활성에서 모두 높은 활성을 나타내었다.
- 또한 nVOCs는 건조 초기 1시간 동안 주로 발생한다(Englund & Nussbaum, 2000). 이러한 연구들을 바탕으로 삼나무와 편백나무의 열기 건조 중 발생하는 nVOCs의 활용 방안 증대를 위해 실험실 규모의 열처리기에서 발생하는 nVOCs를 포집하여 미백 및 항산화능을 알아보고 nVOCs에 포함된 terpenoid 화합물의 부가적 가치를 제시하고자 한다.
- , 1995). 정유의 성분이 radical을 뺏거나 수소 radical을 제공함으로써 또는 전자를 공여함으로써 DPPH의 free radical을 전자적으로 안정하게 만들어 free radical의 독성을 감소시키는 기작을 가지고 있기 때문에(Brand-Williams et al., 1995) 이를 바탕으로 free radical을 가지고 있는 활성산소의 피부노화를 방지할 가능성의 여부를 판단하여 삼나무와 편백나무 정유가 항산화 소재로 이용이 가능한 지를 알아보았다.
제안 방법
- 5,000 ppm의 정유 0.2 ㎖에 6 × 10-5 mol/L의 DPPH (1,1-diphenyl-2-picryl- hydrazyl)용액 1.8 ㎖를 가하여 10초간 진탕한 후 상온에서 30분간 방치한 다음 517 nm에서 UV-Vis spectrophotometer를 사용하여 흡광도를 측정하였다.
- 52 µm)를 사용하였다. Carrier gas는 헬륨을 사용하였고 온도 조건은 injector 260℃, detector 280℃, oven 온도는 초기온도 120℃에서 5분간 유지시킨 후 4℃/min씩 상승시켜 최종온도 280℃까지 올린 후 10분간 유지시켜서 분석하였다. MS는 model Agilent 5973을 사용하고 EI mode로 분석하였다.
- DPPH radical 소거활성(electron donating ability, EDA)은 Blois (1958)의 방법을 변형하여 측정하였다. 5,000 ppm의 정유 0.
- GC MS분석을 통해 삼나무와 편백나무 잎의 정유와 정유 분획물의 성분을 확인 하였다(Table 1).
- 261 g이었다. Hexane과 ethyl acetate로 추출한 정유를 한데 모아 각각의 온도별로 시료를 한 개로 통합하였다. 이를 각각의 온도별 nVOCs라 명칭하였다.
- Tyrosinase의 양은 기질이 L-tyrosine일 경우 125 units/㎖, 기질이 L-DOPA일 경우 25 units/㎖의 농도로 준비하였다. L-tyrosine과 L-DOPA를 450 를 가하고 삼나무 정유를 100 ㎕를 가한 후 tyrosinase 100 ㎕를 처리하여 37℃에서 각각 20분 반응시킨 후 492 nm에서 UV-Vis spectrophotometer를 사용하여 흡광도를 측정하였다. Tyrosinase 저해율은 다음과 같은 식으로 구하였다.
- Tyrosinase 저해 활성은 Yagi 등(1986)에 의해 제안된 방법을 변형하여 측정하였다. 측정 시 기질은 melanin 생합성 과정에서 tyrosinase가 처음에 hydroxylation시키는 물질인 L-tyrosine과 tyrosinase에 의해 tyrosine이 hydroxylation된 L-DOPA (L-3, 4-dihydroxy phenyl alanine)를 이용하였다.
- 2 ㎖를 가하여 25℃에서 10분간 반응시켰다. 그 후 1.0 M의 HCl를 0.1 ㎖를 가하여 반응을 정지시켜 반응액 중 산화된 pyrogallol의 양에 대한 흡광도를 420 nm에서 UV-Vis spectrophotometer를 사용하여 측정하였다. SOD 유사활성을 다음과 같은 식으로 구하였다.
- 삼나무와 편백나무 정유의 항산화 효과는 superoxide dismutase (SOD) 유사활성 평가를 통하여 알아보았다. SOD란 우리 몸 안에 필요 이상으로 생성되는 활성산소를 중화시키며 인체에 들어오는 유해산소에 대한 자체 방어 시스템 중 가장 우수한 항산화 효소를 말한다.
- 실험실 규모의 수증기 증류장치에 500 g의 삼나무 및 편백나무의 잎과 4 ℓ의 증류수를 첨가하여 정유를 추출하였다. 온도를 점차 증가시켜 100℃에서 24시간 동안 휘발성분들을 포집하였다.
- MS는 model Agilent 5973을 사용하고 EI mode로 분석하였다. 얻어진 시료 피크의 mass data와 표준 library data (Willy 7th ed)와 비교하여 피크의 화합물 구조를 동정하였다.
- 이때 발생하는 nVOCs는 carrier gas가 없는 상태에서 목재의 열기건조 중에 발생되어 냉각수에 의해 응축되고 온도마다 휘발되는 성분이 다르므로 온도 조건에 따른 nVOCs를 포집하였다. 온도는 각각 80, 100, 120℃로 하였으며 48시간 동안 포집하였다. 포집한 nVOCs는 hexane과 ethyl acetate로 추출하였고, 추출된 정유는 하나로 합쳐 각각의 온도별로 하나의 시료로 통합하였다.
- 6%이었다. 포집된 응축수의 양은 각각의 온도에서 329.8, 321.9, 315.9 g으로 응축수에 포함된 정유는 hexane으로 추출 후 ethyl acetate로 추출하였다. 정유의 양은 80℃에서 hexane을 용매로 하였을 때는 0.
- 온도는 각각 80, 100, 120℃로 하였으며 48시간 동안 포집하였다. 포집한 nVOCs는 hexane과 ethyl acetate로 추출하였고, 추출된 정유는 하나로 합쳐 각각의 온도별로 하나의 시료로 통합하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 수종은 천연목인 삼나무(Cryptomeria japonica)와 편백나무(Chamaecyparis obtusa)의 잎과 목부를 대상으로 하였으며, 수증기 증류법으로 정유를 추출하기 위해 잎은 생재 상태로 -39℃에서 냉동 보관하였고 고온 열처리기에서 열기건조 중 발생하는 휘발성 유기화합물의 포집을 위한 목부는 목재가공 공장에서 제재한 후 4℃에서 냉장보관하였다.
- 측정 시 기질은 melanin 생합성 과정에서 tyrosinase가 처음에 hydroxylation시키는 물질인 L-tyrosine과 tyrosinase에 의해 tyrosine이 hydroxylation된 L-DOPA (L-3, 4-dihydroxy phenyl alanine)를 이용하였다. 비교구로는 비타민 C인 ascorbic acid와 시중에 시판되고 있는 미백 화장품 원료인 hydroquinone을 사용하였다. 기질 농도로 L-tyrosine은 0.
- 실험실 규모의 고온 열처리기에서 삼나무 및 편백 나무 목부의 열기 건조 중에 발생하는 휘발성 유기화합물(nVOCs, Natural Volatile Organic Compounds)을 포집하였다. 사용된 목부는 길이 50 cm, 높이 5 cm, 폭 15 cm 이하를 사용하였으며 고온 열처리기에 넣어 nVOCs를 포집하였다. 이때 발생하는 nVOCs는 carrier gas가 없는 상태에서 목재의 열기건조 중에 발생되어 냉각수에 의해 응축되고 온도마다 휘발되는 성분이 다르므로 온도 조건에 따른 nVOCs를 포집하였다.
- 실험실 규모의 고온 열처리기에서 삼나무 및 편백 나무 목부의 열기 건조 중에 발생하는 휘발성 유기화합물(nVOCs, Natural Volatile Organic Compounds)을 포집하였다. 사용된 목부는 길이 50 cm, 높이 5 cm, 폭 15 cm 이하를 사용하였으며 고온 열처리기에 넣어 nVOCs를 포집하였다.
- Tyrosinase 저해 활성은 Yagi 등(1986)에 의해 제안된 방법을 변형하여 측정하였다. 측정 시 기질은 melanin 생합성 과정에서 tyrosinase가 처음에 hydroxylation시키는 물질인 L-tyrosine과 tyrosinase에 의해 tyrosine이 hydroxylation된 L-DOPA (L-3, 4-dihydroxy phenyl alanine)를 이용하였다. 비교구로는 비타민 C인 ascorbic acid와 시중에 시판되고 있는 미백 화장품 원료인 hydroquinone을 사용하였다.
- SOD 유사활성은 Marklund와 Marklund (1974)의 방법에 준하여 측정하였다. 환원제로는 pyrogallol을 이용하였다. Pyrogallol은 물에 존재하는 superoxide radical에 의해 자동 산화가 일어나 갈색 물질을 형성하여 superoxide 포착활성이 있는 물질이 존재 시 pyrogallol의 산화속도가 낮아지는 원리를 이용하여 superoxide 포착활성을 간접적으로 측정할 수 있다(조 등, 2007).
이론/모형
- SOD 유사활성은 Marklund와 Marklund (1974)의 방법에 준하여 측정하였다. 환원제로는 pyrogallol을 이용하였다.
성능/효과
- α-Tocopherol의 DPPH radical 소거활성은 90.19%로 매우 높은 반면 삼나무와 편백나무 잎의 정유와 건조 시 발생한 nVOCs의 효과가 거의 10%를 넘지 못하며 매우 낮은 활성을 나타내었다.
- 100%에 가까운 tyrosinase 저해 활성을 나타낸 비교구 보다는 삼나무와 편백나무 정유의 효과는 낮았지만 2,000 ppm의 농도에서 삼나무 잎의 정유는 Ltyrosine을 기질로 하였을 때는 88.4%, L-DOPA를 기질로 하였을 때는 76.8%의 높은 활성을 나타내었고 편백나무 잎의 정유는 각각 60.7, 76.0%을 나타내었다. 삼나무 잎의 정유가 편백나무 잎의 정유 보다 높은 tyrosinase 저해 활성 효과를 보였다.
- 7%를 나타내었다. DPPH radical 소거활성 실험에서는 효과가 없었던 잎의 정유에서 SOD 유사활성 효과를 확인할 수 있었다. 삼나무와 편백나무의 건조 시 발생한 nVOCs의 SOD 유사활성은 비교구인 α-tocopherol과 비교하여 효과가 없었지만 삼나무 건조 시 발생한 nVOCs가 편백나무 건조 시 발생한 nVOCs 보다 높은 SOD 유사활성을 가지는 것을 확인하였다.
- Hydroquinone은 기질 L-tyrosine을 사용하였을 때에는 낮은 농도에서도 높은 효과를 나타내었지만 L-DOPA를 기질로 하였을 때에는 2,000 ppm의 농도에서만 49.2%의 효과를 나타내며 삼나무와 편백나무 정유보다 낮은 효과를 보였다. 이로써 삼나무와 편백나무 잎의 정유의 미백 활성은 비타민 C인 ascorbic acid 보다는 효과가 낮았지만 미백 제품에 사용되는 hydroquinone과 비교해서 유사한 효과가 있음을 알 수 있었다.
- L-tyrosine과 L-DOPA 두 기질을 사용하였을 때 삼나무와 편백나무 건조 시 발생한 nVOCs 모두 tyrosinase 저해에 효과를 나타내었다. 그리고 농도가 높아질수록 tyrosinase 저해율이 상승함을 보였다.
- Monoterpene으로는 α-pinene (9.84%), 4-terpineol (5.71%), sabinene (5.53%), α-limonene (2.02%) 등의 성분이 확인되었고 sesquiterpene으로는 α-eudesmol (12.2%), elemol (10.9%), γ-eudesmol(10.6%) 등이 확인되었다.
- 건조 전 함수율과 건조 후 함수율을 비교해 본 결과 건조는 삼나무 보다 편백나무가 더 잘 되었지만 포집된 응축수에 포함된 정유의 양은 삼나무가 더 많았다. 또한 온도가 높아질수록 건조는 잘되었지만 정유의 양은 100와 120℃에서 비슷했다.
- L-tyrosine과 L-DOPA 두 기질을 사용하였을 때 삼나무와 편백나무 건조 시 발생한 nVOCs 모두 tyrosinase 저해에 효과를 나타내었다. 그리고 농도가 높아질수록 tyrosinase 저해율이 상승함을 보였다. 특히, 120℃에서 건조 시 발생한 nVOCs는 2,000 ppm의 농도에서 L-tyrosine을 기질로 사용하였을 때 삼나무는 82.
- 두 수종의 차이는 삼나무 잎의 성분에 편백나무 정유에는 존재하지 않는 kaurene이 가장 높은 비율로 존재하는 것과 삼나무 잎은 많은 종류의 monoterpene이 함유되어 있지만 편백나무 잎은 sesquiterpene이 많은 부분을 차지하였다는 것이다. 이러한 정유성분의 차이로 인하여 삼나무 정유가 편백나무 정유보다 높은 미백 및 항산화 활성을 나타낸 것이라 사료된다.
- 최근 보고에서는 hydroquinone이 피부에 독성이 있다는 연구들이 발표되었다(Kooyers & Westerhof, 2006). 따라서 천연 재료인 삼나무와 편백나무 정유가 우수한 tyrosinase 저해 활성을 나타내었기 때문에 삼나무와 편백나무 잎의 정유는 천연 미백제품 원료로 이용할 가치가 있다고 사료되며 잎의 정유와 비슷한 tyrosinase 저해활성을 나타낸 건조 중에 발생하는 부가 산물인 nVOCs 또한 미백 제품에 적용 가능성이 있으며 경제적으로도 가치가 있다고 사료된다.
- 0%보다 높게 측정되었다. 또한 L-DOPA를 기질로 하였을 때 삼나무는 낮은 농도에서도 효과를 나타내었고 80와 100℃에서 건조 시 발생한 nVOCs에서도 모두 효과를 확인 할 수 있었다.
- 5%의 SOD 유사활성을 나타내며 다른 온도 조건에서 보다 우수한 효과를 보였다. 또한 건조 시 발생한 편백나무의 nVOCs는 80℃에서 14.6%, 100℃에서 20.6%, 120℃에서 19.8%를 나타내며 편백나무 잎의 정유 보다 SOD 유사활성이 낮았다. 따라서 건조 온도가 높아질수록 이때 발생하는 nVOCs의 SOD 유사활성은 높아진다고 판단된다.
- 7%의 저해율과 비교하여 효과가 있다고 사료된다. 마찬가지로 L-DOPA를 기질로 사용하였을 때도 120℃에서 발생하는 2,000 ppm 농도의 삼나무와 편백나무 건조 시 발생한 nVOCs의 저해율은 93.6와 81.9%로 잎의 정유에서의 저해율 76.8, 76.0%보다 높게 측정되었다. 또한 L-DOPA를 기질로 하였을 때 삼나무는 낮은 농도에서도 효과를 나타내었고 80와 100℃에서 건조 시 발생한 nVOCs에서도 모두 효과를 확인 할 수 있었다.
- 1과 2는 삼나무와 편백나무 정유의 tyrosinase 저해 활성을 나타낸다. 비교구와 삼나무, 편백나무 정유는 농도가 높아질수록 tyrosinase 저해율이 높게 나타났다.
- 비교구인 α-tocopherol이 40.9%의 활성을 나타낸 반면 삼나무 잎의 정유가 43.2%의 활성을 나타내었으며 편백나무 잎의 정유는 28.7%를 나타내었다.
- 0%을 나타내었다. 삼나무 잎의 정유가 편백나무 잎의 정유 보다 높은 tyrosinase 저해 활성 효과를 보였다.
- 삼나무 잎의 정유는 45.2%로 40.9%의 α-tocopherol 보다 높았지만 80℃에서 건조 시 발생한 삼나무 nVOCs는 18.4%, 100℃에서 건조 시 발생한 nVOCs는 16.1%로 낮아서 DPPH radical 소거활성과는 다르게 잎의 정유보다도 효과가 낮았다.
- 따라서 kaurene, α-eudesmol, elemol, γ-eudesmol 이 주성분인 삼나무 정유가 편백나무 정유보다 높은 항산화 활성을 나타낸다고 사료된다. 삼나무와 편백 나무 정유의 미백 활성에 관한 연구는 미비하기 때문에 본 연구를 통한 두 수종의 주성분의 차이인 kaurene, eudesmol, elemol에 의해 삼나무 미백 활성이 편백나무 미백 활성보다 높게 나타난다고 사료된다.
- 삼나무와 편백나무의 건조 시 발생한 nVOCs의 SOD 유사활성은 비교구인 α-tocopherol과 비교하여 효과가 없었지만 삼나무 건조 시 발생한 nVOCs가 편백나무 건조 시 발생한 nVOCs 보다 높은 SOD 유사활성을 가지는 것을 확인하였다.
- 식물에 함유되어 있는 sesquiterpene은 monoterpene에 비해 함유량도 적고 구조의 종류가 다양하고 물질이 갖는 작용과 효능이 monoterpene에 비해 다양하고 광범위하다고 알려져 있다(이 등, 2010). 삼나무와 편백나무의 건조 중 발생한 nVOCs의 성분은 두 수종 모두 온도에 상관없이 80, 100, 120℃에서 같은 종류의 terpenoid 화합물이 확인되었다. 가장 함유량이 많았던 성분은 δ-cadinene, α-cubebene, β-cubebene, α-muurolene이었다.
- 시료를 수증기 증류법으로 추출한 결과 삼나무 4.7%, 편백나무는 3.6%의 정유를 획득하였다. 실험실 규모의 고온 열처리기에서 열기 건조 중에 발생하는 휘발성 유기화합물(nVOCs)을 포집하였을 때 삼나무 목부의 초기 함수율은 80, 100, 120℃에서 각각 67.
- 6%의 정유를 획득하였다. 실험실 규모의 고온 열처리기에서 열기 건조 중에 발생하는 휘발성 유기화합물(nVOCs)을 포집하였을 때 삼나무 목부의 초기 함수율은 80, 100, 120℃에서 각각 67.1, 67.4, 72.8%이었고 최종 함수율은 각각 38.2, 33.3, 32.6%이었다. 포집된 응축수의 양은 각각의 온도에서 329.
- 2%의 효과를 나타내며 삼나무와 편백나무 정유보다 낮은 효과를 보였다. 이로써 삼나무와 편백나무 잎의 정유의 미백 활성은 비타민 C인 ascorbic acid 보다는 효과가 낮았지만 미백 제품에 사용되는 hydroquinone과 비교해서 유사한 효과가 있음을 알 수 있었다. 최근 보고에서는 hydroquinone이 피부에 독성이 있다는 연구들이 발표되었다(Kooyers & Westerhof, 2006).
- 건조 시 발생한 nVOCs 또한 잎의 정유와 비슷한 정도의 미백 및 항산화 효과를 나타내므로 건조시 발생한 nVOCs를 포집하여 이용한다면 부가가치를 높일 수 있을 것이다. 이와 같은 결과들로부터 삼나무와 편백나무 정유는 천연 미백 및 항산화 제품으로의 개발 가능성을 확인할 수 있었다.
- 잎의 정유 성분 중 가장 높은 비율을 차지하는 kaurene과 α-eud esmol, elemol, γ-eudesmol은 각각 diterpene과 sesquiterpene으로 정유 성분의 종류는 monoterpene이 많았지만 함유량으로 보면 sesquiterpene과 diterpene이 많은 부분을 차지하였다.
- Table 2는 삼나무와 편백나무의 건조 시 발생한 nVOCs의 성분의 GC MS 분석 자료이다. 잎의 정유와 다르게 건조 중 발생한 nVOCs의 주요 성분은 삼나무와 편백나무 모두에서 sesquiterpene 화합물로 확인되었다. 앞 선 연구에 따르면 목재 건조 중 발생되는 terpenoid 성분들은 주로 monoterpene이 높은 비율을 차지한다고 보고 된 것과는 다른 결과이다(Cronn et al.
- 그리고 농도가 높아질수록 tyrosinase 저해율이 상승함을 보였다. 특히, 120℃에서 건조 시 발생한 nVOCs는 2,000 ppm의 농도에서 L-tyrosine을 기질로 사용하였을 때 삼나무는 82.8%, 편백나무는 88.6%의 tyrosinase 저해율을 나타내었는데 이는 잎의 정유에서 확인된 삼나무 88.4%, 편백나무 60.7%의 저해율과 비교하여 효과가 있다고 사료된다. 마찬가지로 L-DOPA를 기질로 사용하였을 때도 120℃에서 발생하는 2,000 ppm 농도의 삼나무와 편백나무 건조 시 발생한 nVOCs의 저해율은 93.
- 편백나무 잎의 정유의 성분은 삼나무 잎과 비슷한 성분들이 많이 포함되어 있지만 가장 높은 비율을 차지하는 성분은 monoterpene인 champhene이었다. 삼나무의 잎은 많은 종류의 monoterpene이 함유되었지만 편백나무의 잎은 sesquiterpene의 종류가 많았다.
- 본 연구는 삼나무와 편백나무의 잎의 정유와 목부 건조 시 발생한 nVOCs의 terpenoids 화합물들의 미백 및 항산화 효과를 구명하였다. 편백나무 정유 또한 효과를 나타내었지만 삼나무 정유가 편백나무보다 tyrosinase 저해활성, SOD 유사활성에서 모두 높은 활성을 나타내었다. DPPH radical 소거활성에서는 삼나무와 편백나무의 잎의 정유와 건조 시 획득한 nVOCs 모두 활성을 나타내지 않았지만 tyrosinase 저해활성과 SOD 유사활성에서는 효과를 나타내었다.
- 1%로 낮아서 DPPH radical 소거활성과는 다르게 잎의 정유보다도 효과가 낮았다. 하지만 120℃에서 건조 시 발생한 삼나무 nVOCs는 36.5%의 SOD 유사활성을 나타내며 다른 온도 조건에서 보다 우수한 효과를 보였다. 또한 건조 시 발생한 편백나무의 nVOCs는 80℃에서 14.
후속연구
- 삼나무 잎의 정유의 주성분은 kaurene과 hydroxyl기를 가지고 있는 α-eudesmol, elemol, γ-eudesmol로 이로 인하여 편백나무 잎의 정유보다 높은 미백 및 항산화 효과를 나타낸다고 사료된다. 건조 시 발생한 nVOCs 또한 잎의 정유와 비슷한 정도의 미백 및 항산화 효과를 나타내므로 건조시 발생한 nVOCs를 포집하여 이용한다면 부가가치를 높일 수 있을 것이다. 이와 같은 결과들로부터 삼나무와 편백나무 정유는 천연 미백 및 항산화 제품으로의 개발 가능성을 확인할 수 있었다.
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