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문제 정의
- 녹색합성법을 이용한 키토산-은나노 복합필름의 항균성 식품포장소재로서 응용가능성을 검토하기 위해 제조된 녹색합성 키토산-은나노필름의 항균성을 평가하였다. 제조된 키토산-은나노 복합필름은 Fig.
- 키토산 및 은나노 합성의 전구체로 사용되는 질산은의 농도 그리고 반응시간에 따른 은나노의 녹색합성 영향을 파악하고 키토산 내 화학구조의 변화 및 은나노의 질량비를 확인하였다. 또한 녹색합성된 은나노 함유 키토산 필름을 제조하고 이의 항균성 평가를 통해 새로운 형태의 친환경 항균성 식품포장소재로서의 높은 응용가능성을 제시하였다.
- 본 연구는 친환경 천연고분자인 키토산의 활성 아미노기와 히드록시기를 이용하여 은나노 녹색합성을 수행하고 이를 통해 얻어진 키토산-은나노 복합물질의 항균성 필름 개발을 목적으로 한다. 키토산 및 은나노 합성의 전구체로 사용되는 질산은의 농도 그리고 반응시간에 따른 은나노의 녹색합성 영향을 파악하고 키토산 내 화학구조의 변화 및 은나노의 질량비를 확인하였다.
제안 방법
- 키토산 바이오폴리머를 활용한 은나노 입자의 효과적인 녹색 합성을 수행하였으며 얻어진 키토산-은나노 복합물질의 물리화학적 특성을 분석하고 키토산-은나노 복합필름을 제조, 이들의 항균성을 평가하였다. UV-Visible 흡수 spectrum과 TEM 분석을 통해 키토산 내 은나노 입자가 안정적으로 생성, 분포하고 있음을 확인하였고 키토산 및 질산은의 농도 그리고 반응시간의 변화에 따른 키토산 내 은나노 생성 특성을 조사하였다. 녹색합성된 키토산-은나노 복합물질로부터 EDS 분석 결과 0.
- 키토산 내 은나노 합성 유무의 확인을 위해 UV-Visible spectroscopy (OPTIZEN 2120UV, Mecasys, Daejeon, Korea)와 FTIR spectroscopy (Spectrum 65, Perkin Elmer, Waltham, USA)분석을 수행하였다. UV-Visible 흡수 스펙트럼은 300-800 nm 파장 범위에서 측정하였으며 FTIR의 경우 attenuated total reflectance (ATR) mode를 사용하여 4000-400 cm-1의 파수 범위에서 16회 스캔 후 평균치를 택하였다. 합성된 은나노의 형태 및 크기 분석을 위해 TEM (JEM-2010, JEOL Ltd.
- 그람음성균의 하나인 E. coli DH5α (ATCC PTA 1977)를 사용하였으며 제조된 키토산-은나노 필름을 균이 접종된 영양배지를 굳힌 plate 상에 접촉시킨 후 샘플 주위에 형성되는 halo를 비교하여 공시 균주의 생육저해 정도를 측정하였다.
- 녹색합성법을 이용한 키토산-은나노 복합필름의 항균성 식품포장소재로서 응용가능성을 검토하기 위해 제조된 녹색합성 키토산-은나노필름의 항균성을 평가하였다. 제조된 키토산-은나노 복합필름은 Fig. 6에서 확인 할 수 있듯이 키토산 내 생성된 은나노의 농도에 따라 반투명의 엷은 금색부터 진한 갈색을 띄었으며 은나노가 포함되지 않은 순수 키토산 필름을 대조군으로 설정하여 항균성을 비교 평가하였다. 다양한 농도의 은나노 입자가 결합된 키토산-은나노 복합필름과 이들의 halo 항균정성 평가법에 의한 항균력 시험 결과를 Fig.
- 준비된 agar plate 위에 필름 시편 (2 cm×2 cm)을 올리고 38℃의 incubator에서 24시간 동안 균을 배양한 후 시편 주위에 형성된 halo의 유무로서 항균성을 확인하였으며 모든 실험은 3회 반복하여 재현성을 확인하였다.
- 키토산 내 은나노 합성 유무의 확인을 위해 UV-Visible spectroscopy (OPTIZEN 2120UV, Mecasys, Daejeon, Korea)와 FTIR spectroscopy (Spectrum 65, Perkin Elmer, Waltham, USA)분석을 수행하였다. UV-Visible 흡수 스펙트럼은 300-800 nm 파장 범위에서 측정하였으며 FTIR의 경우 attenuated total reflectance (ATR) mode를 사용하여 4000-400 cm-1의 파수 범위에서 16회 스캔 후 평균치를 택하였다.
- 본 연구는 친환경 천연고분자인 키토산의 활성 아미노기와 히드록시기를 이용하여 은나노 녹색합성을 수행하고 이를 통해 얻어진 키토산-은나노 복합물질의 항균성 필름 개발을 목적으로 한다. 키토산 및 은나노 합성의 전구체로 사용되는 질산은의 농도 그리고 반응시간에 따른 은나노의 녹색합성 영향을 파악하고 키토산 내 화학구조의 변화 및 은나노의 질량비를 확인하였다. 또한 녹색합성된 은나노 함유 키토산 필름을 제조하고 이의 항균성 평가를 통해 새로운 형태의 친환경 항균성 식품포장소재로서의 높은 응용가능성을 제시하였다.
- 키토산 바이오폴리머를 활용한 은나노 입자의 효과적인 녹색 합성을 수행하였으며 얻어진 키토산-은나노 복합물질의 물리화학적 특성을 분석하고 키토산-은나노 복합필름을 제조, 이들의 항균성을 평가하였다. UV-Visible 흡수 spectrum과 TEM 분석을 통해 키토산 내 은나노 입자가 안정적으로 생성, 분포하고 있음을 확인하였고 키토산 및 질산은의 농도 그리고 반응시간의 변화에 따른 키토산 내 은나노 생성 특성을 조사하였다.
- , Tokyo, Japan) 분석을 수행하였으며 이를 위한 시편은 제조된 키토산-은나노 복합용액 한 방울을 TEM 전용 copper grid (Ted Pella, Redding, CA, USA) 위에 떨어뜨린 후 이를 상온에서 건조하여 준비하였다. 키토산-은 나노 복합필름 내에 존재하는 은의 정확한 농도 측정을 위하여 energy dispersive spectroscopy (EDS, AMETEK Inc., Berwyn, PA, USA)를 사용하였으며 동일한 시편에서 5회 이상 측정하여 평균값을 취하였다.
- 키토산-은나노 합성을 확인하기 위해 UV-Visible 흡수 spectrum 을 조사하였다. 일반적으로 은나노 입자는 그 모양이나 크기에 따라 410-430 nm 영역에서 고유흡수밴드가 나타나는 것으로 알려져 있다(22,23).
- UV-Visible 흡수 스펙트럼은 300-800 nm 파장 범위에서 측정하였으며 FTIR의 경우 attenuated total reflectance (ATR) mode를 사용하여 4000-400 cm-1의 파수 범위에서 16회 스캔 후 평균치를 택하였다. 합성된 은나노의 형태 및 크기 분석을 위해 TEM (JEM-2010, JEOL Ltd., Tokyo, Japan) 분석을 수행하였으며 이를 위한 시편은 제조된 키토산-은나노 복합용액 한 방울을 TEM 전용 copper grid (Ted Pella, Redding, CA, USA) 위에 떨어뜨린 후 이를 상온에서 건조하여 준비하였다. 키토산-은 나노 복합필름 내에 존재하는 은의 정확한 농도 측정을 위하여 energy dispersive spectroscopy (EDS, AMETEK Inc.
- , Markham, Canada)과 은나노 입자 합성의 전구체로서 질산은(silver nitrate, Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA)을 사용하였고, 키토산 용해를 위한 용매로서 1% (v/v) acetic acid (Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA)를 사용하였다. 항균평가를 위해서는 MacConkey Agar (211387, BD Difco, Sparks, MD, USA)와 Nutrient Broth (234000, BD Difco, Sparks, MD, USA) 를 사용하였다.
대상 데이터
- 키토산-은나노 합성을 위해 순도 90% 이상의 80% 디아세틸화된 키토산(Bio Basic Inc., Markham, Canada)과 은나노 입자 합성의 전구체로서 질산은(silver nitrate, Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA)을 사용하였고, 키토산 용해를 위한 용매로서 1% (v/v) acetic acid (Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA)를 사용하였다. 항균평가를 위해서는 MacConkey Agar (211387, BD Difco, Sparks, MD, USA)와 Nutrient Broth (234000, BD Difco, Sparks, MD, USA) 를 사용하였다.
- 합성된 키토산-은나노 용액은 petri dish (90×15 mm)에 10 mL씩 가한 후 60℃ 오븐에서 12시간 동안 건조시켜 항균성 평가에 사용 될 키토산-은나노 필름을 제조하였다.
이론/모형
- 제조된 키토산-은나노 필름의 항균성 평가를 위해 ASTM E 2149-10(21)에 따른 항균 정성실험을 수행하였다. 그람음성균의 하나인 E.
성능/효과
- 합성된 키토산-은나노 필름의 정확한 성분 및 농도 측정을 위해 EDS 분석을 수행하고 Table 1에 그 결과값을 나타내었다. 2%의 키토산, autoclave 30초 반응조건에서 얻어진 키토산-은나노 필름의 EDS 분석 결과 표면 은나노입자의 농도는 반응에 참여한 질산은 용액의 농도에 따라 0.93-8.94% 범위의 측정값을 보였으며 질산은의 농도가 증가할수록 생성된 표면 은나노 입자의 질량비 값도 증가하는 경향을 보였다.
- Fig. 3은 2% 키토산과 60 mM 질산은의 반응시간별 UV-Visible 흡수밴드 그래프로 키토산 내 은나노 합성에 필요한 최적의 반응시간이 존재함을 확인할 수 있으며 반응시간 30초가 본 연구에서 수행하는 실험조건에서 가장 적합한 은나노 합성조건임을 알 수 있다. Autoclave 반응을 시도한 Venkatesham 등(22)의 연구에 따르면 반응시간이 길어질수록 흡수밴드의 높이 또한 증가하였으나 본 연구에서는 30초 이상의 시간에서는 오히려 은나노에 의한 UV-Visible 흡수 세기가 감소하는 상반된 결과를 보였으며 이는 키토산 내 합성된 은나노 입자의 밀도, 크기와 모양 등의 변화를 유도하는 추가적인 반응이 일어나는 것으로 판단되며 이에 대한 보다 심도 깊은 연구가 필요할 것으로 보인다.
- UV-Visible 흡수 spectrum과 TEM 분석을 통해 키토산 내 은나노 입자가 안정적으로 생성, 분포하고 있음을 확인하였고 키토산 및 질산은의 농도 그리고 반응시간의 변화에 따른 키토산 내 은나노 생성 특성을 조사하였다. 녹색합성된 키토산-은나노 복합물질로부터 EDS 분석 결과 0.9-8.9% 범위의 은나노를 함유한 키토산-은나노 복합필름이 얻어졌으며 FTIR 분석에 의해 은나노 합성과정에서 키토산의 활성아민기와 소량의 히드록시기가 은나노 환원반응에 참여함으로써 키토산이 은나노 입자의 합성을 위한 환원제 및 안정제로 작용하였음을 확인할 수 있었다. 이들 복합필름의 항균정성 평가 결과 순수 키토산 대조군 필름에서는 E.
- 9% 범위의 은나노를 함유한 키토산-은나노 복합필름이 얻어졌으며 FTIR 분석에 의해 은나노 합성과정에서 키토산의 활성아민기와 소량의 히드록시기가 은나노 환원반응에 참여함으로써 키토산이 은나노 입자의 합성을 위한 환원제 및 안정제로 작용하였음을 확인할 수 있었다. 이들 복합필름의 항균정성 평가 결과 순수 키토산 대조군 필름에서는 E. coli에 대한 항균성이 나타나지 않은 반면 키토산-은나노 필름에서는 뚜렷한 항균성을 보였으며 함유된 은의 농도 증가에 따라 항균력 또한 증가하였다. 본 연구결과를 통해 친환경 항균소재로서 녹색합성법에 의해 제조된 키토산-은나노 복합물질을 기능성 포장소재로 응용 가능함을 확인하였으며 향후 포장소재로서 요구되는 수분 및 가스차단성, 식품 내용물과의 반응성, 접촉안전성 및 안정성 등과 같은 다양한 요소의 체계적 연구가 뒤따라야 할 것으로 판단되며 복합필름의 연성, 강성, 내 냉·내열성 등 식품포장필름 적용을 위한 지속적인 연구가 수행될 것이다.
후속연구
- 3은 2% 키토산과 60 mM 질산은의 반응시간별 UV-Visible 흡수밴드 그래프로 키토산 내 은나노 합성에 필요한 최적의 반응시간이 존재함을 확인할 수 있으며 반응시간 30초가 본 연구에서 수행하는 실험조건에서 가장 적합한 은나노 합성조건임을 알 수 있다. Autoclave 반응을 시도한 Venkatesham 등(22)의 연구에 따르면 반응시간이 길어질수록 흡수밴드의 높이 또한 증가하였으나 본 연구에서는 30초 이상의 시간에서는 오히려 은나노에 의한 UV-Visible 흡수 세기가 감소하는 상반된 결과를 보였으며 이는 키토산 내 합성된 은나노 입자의 밀도, 크기와 모양 등의 변화를 유도하는 추가적인 반응이 일어나는 것으로 판단되며 이에 대한 보다 심도 깊은 연구가 필요할 것으로 보인다.
- coli균에 대한 halo가 발견되지 않아 키토산 물질 자체의 항균성은 관찰되지 않았으며 이는 Abdolllahi 등(25)의 결과와 동일한 결과로 키토산이 agar와 같은 매개체 안에서 분산력이 약하고 이로 인해 대상 병원균과의 접촉이 용이하지 않기 때문인 것으로 판단된다(26). 반면 키토산-은나노 복합필름의 경우 필름 주위에 선명한 halo가 발견되어 합성된 키토산 내 은나노가 필름 주위의 E. coli균의 생장을 효과적으로 억제함을 알 수 있었으며 이는 향후 항균효과가 요구되는 기능성 식품포장소재로서 필름, 코팅, 또는 첨가제 등의 다양한 형태로 응용 가능할 것으로 판단된다.
- coli에 대한 항균성이 나타나지 않은 반면 키토산-은나노 필름에서는 뚜렷한 항균성을 보였으며 함유된 은의 농도 증가에 따라 항균력 또한 증가하였다. 본 연구결과를 통해 친환경 항균소재로서 녹색합성법에 의해 제조된 키토산-은나노 복합물질을 기능성 포장소재로 응용 가능함을 확인하였으며 향후 포장소재로서 요구되는 수분 및 가스차단성, 식품 내용물과의 반응성, 접촉안전성 및 안정성 등과 같은 다양한 요소의 체계적 연구가 뒤따라야 할 것으로 판단되며 복합필름의 연성, 강성, 내 냉·내열성 등 식품포장필름 적용을 위한 지속적인 연구가 수행될 것이다.
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