[논문]키토산-은나노 녹색합성 복합물질 적용 코팅지의 항균성 및 물리적 특성 평가

경규선; 양희태; 이우석; 박지명; 고성혁

doi:10.7584/ktappi.2014.46.4.028

키토산-은나노 녹색합성 복합물질 적용 코팅지의 항균성 및 물리적 특성 평가
Evaluation of the Antibacterial and Physical Properties of Paper Coated with Chitosan-Ag Nanocomposite Prepared by Green Synthesis 원문보기

펄프 종이기술 = Journal of Korea TAPPI, v.46 no.4, 2014년, pp.28 - 36

경규선 (연세대학교 과학기술대학 패키징학과) , 양희태 (연세대학교 과학기술대학 패키징학과) , 이우석 (연세대학교 과학기술대학 패키징학과) , 박지명 (연세대학교 과학기술대학 패키징학과) , 고성혁 (연세대학교 과학기술대학 패키징학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We studied the green synthesis and antibacterial activity of paper coated with chitosan-silver (Ag) green nanocomposites for packaging applications. Green synthesis of Ag nanoparticles (AgNPs) was achieved by a chemical reaction involving a mixture of chitosan-silver nitrate ($AgNO_3$) in an autoclave at 15 psi, $121^{\circ}C$, for 30 min. AgNPs and their formation in chitosan was confirmed by UV-Vis spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS). As-prepared chitosan-AgNPs composite materials were coated on manila paper using Meyer rod. Surface morphology and Ag contents in coating layer were characterized by field emission scanning electron microscopy (FESEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The mechanical properties such as tensile strength and elongation were significantly affected by coating with chitosan-AgNPs. The antibacterial test of coated paper was performed qualitatively and quantitatively against Escherichia coli (E. coli). It was shown to be effective in suppressing the growth of E. coli with increasing Ag contents on the surface of coated paper and more than 95 R (%) of antimicrobial rate was obtained at chitosan-AgNPs coated papers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 키토산-은나노 복합물질이 적용된 코팅지의 항균 정성 및 정량평가 결과 코팅지 표면에 함유된 은나노의 농도가 증가함에 따라 항균활성이 급격히 향상 되는 것을 관찰하였다. 따라서 본 연구를 통해 얻어진 키토산-은나노 녹색합성 복합물질을 종이에 적용함으로서 항균성의 기능성을 부여함과 동시에 물리적 강도의 증가효과를 동시에 얻을 수 있었으며 향후 친환경 항균포장소재로서 적용가능성과 가치를 확인하였다.
본 연구에서는 녹색합성에 기인한 친환경 키토산-은나노 복합물질을 합성하고 이를 마닐라지에 적용, 항균 코팅지를 제조하여 이의 물리적특성 및 항균성 등을 평가하였다. UV-Vis spectrum과 TEM, DLS 분석을 통해 키토산 내 은나노 입자가 안정적으로 생성, 분산되어 있음을 확인하였으며 은나노 합성에 필요한 안정제 및 환원제로써 키토산의 역할을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 키토산-은나노 녹색합성의 선행연구 결과²³⁾를 바탕으로 키토산-은나노 복합물질을 활용한 항균 코팅지를 제조, 코팅층 측표면의 형상 및 성분 분석, 물리적 강도 그리고 항균성 평가를 수행하였으며, 향후 친환경 키토산-은나노 항균 포장지로써 식품 포장, 의약품포장 등 다양한 분야로의 적용가능성을 검토하였다.

제안 방법

Fig. 5(a)는 E. coli균에 대한 halo 항균정성 평가법에 의한 항균력 시험 결과이며 실험의 대조군으로 코팅되지 않은 마닐라지와 2%(w/w) 키토산만을 코팅한 키토산 코팅지를 사용하였다. 은나노가 포함되지 않은 대조군의 경우 E.
25 mm)를 사용하였다. 2%(w/w)의 키토산과 각기 다른 농도의 질산은(27 mM, 60 mM, 100 mM)용액을 반응시킨 키토산-은나노 합성용액을 10회 반복 코팅하였으며 1회 코팅에 적용된 키토산-은나노 합성용액은 2 mL이었다. 코팅층의 두께는 디지털 마이크로미터(QUICKmini, Mitutoyo, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였으며 코팅지는 23±1℃, 50±2%의 항온항습기에서 48시간 동안 조습 처리한 후 물리적 특성 및 항균성 평가 등을 수행하였다.
, Tokyo, Japan)과 DLS(ELSZ-1000, Photal, Otsuka, Japan) 분석을 수행하였다. TEM을 위한 시편은 제조된 키토산-은나노 복합용액 한 방울을 TEM 전용 copper grid(Ted Pella, Redding, USA) 위에 떨어뜨린 후 이를 상온에서 건조하여 준비하였으며 DLS 측정은 0.5%(w/w) 키토산과 질산은 100 mM 합성용액을 증류수로 20배 희석 하여 수행하였다. 키토산-은나노 복합물질 코팅지 표면은 FESEM(Quanta FEG 250, FEI, Oregon, USA)를 이용하여 500-1000배의 배율에서 분석하였으며 코팅층 표면에 존재하는 은의 정확한 농도 측정을 위하여 EDS(AMETEK Inc.
coli 균의 현탁액에 1 시간 이상 자외선 소독을 한 코팅지 시편(2 cm × 2 cm)을 담지한 후 24 시간 동안 배양하였으며 배양된 액을 10⁰-10^-6으로 희석하여 soft agar에 도말하였다. 도말한 균체는 incubator에서 24 시간 배양한 후 대조군 콜로니의 개수와 비교하여 항균활성을 확인하였으며 항균성 비율(antimicrobial rate, R (%))은 Eq. 1을 이용하여 계산하였다.
만능시험기(Daekyung Tech&Tester MTG. Co., Ltd, Incheon, Korea)를 사용하여 10 mm/min의 cross-head speed로 인장강도와 연신율을 측정하였으며 동일한 코팅지에서 10개의 시편(1.5 cm × 10 cm)을 준비하여 측정 후 평균값을 취하였다.
정량분석은 균주를 38℃의 incubator에서 24 시간 동안 배양한 후 6 × 107 colony forming unit (CFU)/mL의 균액이 되도록 접종하여 현탁하였다.
코팅층의 두께는 디지털 마이크로미터(QUICKmini, Mitutoyo, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였으며 코팅지는 23±1℃, 50±2%의 항온항습기에서 48시간 동안 조습 처리한 후 물리적 특성 및 항균성 평가 등을 수행하였다.
키토산 내 은나노 합성 유무의 확인을 위해 UV-Vis spectroscopy(V-650, JASCO, Tokyo, Japan)분석을 수행하였으며 300-800 nm 파장 범위에서 흡수 스펙트럼을 측정하였다. 합성된 은나노의 형태 및 크기와 분산도 분석을 위해 TEM(JEM-2010, JEOL Ltd.
키토산-은나노 녹색합성 복합물질을 적용한 코팅지의 항균성을 평가하였다. Fig.
5%(w/w) 키토산과 질산은 100 mM 합성용액을 증류수로 20배 희석 하여 수행하였다. 키토산-은나노 복합물질 코팅지 표면은 FESEM(Quanta FEG 250, FEI, Oregon, USA)를 이용하여 500-1000배의 배율에서 분석하였으며 코팅층 표면에 존재하는 은의 정확한 농도 측정을 위하여 EDS(AMETEK Inc., Berwyn, USA) 분석을 수행하였다. EDS의 정확한 결과 값을 얻기 위해 동일한 시편에서 5회 이상 측정하여 평균값을 취하였다.
키토산 내 은나노 합성 유무의 확인을 위해 UV-Vis spectroscopy(V-650, JASCO, Tokyo, Japan)분석을 수행하였으며 300-800 nm 파장 범위에서 흡수 스펙트럼을 측정하였다. 합성된 은나노의 형태 및 크기와 분산도 분석을 위해 TEM(JEM-2010, JEOL Ltd., Tokyo, Japan)과 DLS(ELSZ-1000, Photal, Otsuka, Japan) 분석을 수행하였다. TEM을 위한 시편은 제조된 키토산-은나노 복합용액 한 방울을 TEM 전용 copper grid(Ted Pella, Redding, USA) 위에 떨어뜨린 후 이를 상온에서 건조하여 준비하였으며 DLS 측정은 0.
항균 정성분석을 위해서 제조된 키토산-은나노 코팅지 시편(2 cm × 2 cm)을 균이 접종된 영양배지를 굳힌 plate상에 접촉시켜 24 시간 동안 배양한 후 샘플 주위에 형성되는 halo를 비교하여 공시 균주의 생육저해 정도를 측정하였다.

대상 데이터

녹색합성된 키토산-은나노 코팅지는 Meyer Bar No. 7(Kipae E&T, Suwon, Korea)를 사용하여 편면 코팅하였으며 코팅 원지는 100℃ 오븐(JSOF-100, JSR, Gongju, Korea)에서 1 시간 동안 건조시킨 마닐라지(Mead West Vaco, 110 g/m2, 두께 0.25 mm)를 사용하였다.
1%(v/v) acetic acid 용액 100 mL에 2%(w/w) 농도의 키토산을 회전증발농축기(RV 10 digital V, IKA, Staufen, Germany)에서 60℃, 60 rpm 조건으로 1-2 시간 동안 용해시킨 후 상온에서 1 시간 동안 자연냉각 시켰다. 상온의 키토산 용액 10 g과 질산은 용액(3~100 mM) 3 mL를 오토클레이브(MK CLAVE 25B, MKT, Siheung, Korea)에 15 psi, 121℃조건에서 30 분 동안 반응시켜 키토산-은나노 녹색합성 복합물질을 제조하였다. 얻어진 키토산-은나노 용액은 반응에 참여한 키토산과 질산은 농도에 따라 연한 자줏빛에서 진한 노란색을 띄었다.
Louis, USA)과 은나노 입자 합성의 전구체로써 질산은(AgNO₃, Alfa Aesar, Ward Hill, USA)을 사용하였다. 키토산 용해를 위한 용매로서 1%(v/v) acetic acid(Alfa Aesar, Ward Hill, USA)를 사용하였으며 키토산-은나노 녹색합성 복합물질 코팅지의 항균성 평가를 위해 MacConkey Agar(211380, BD Difco, Sparks, USA)와 Nutrient Broth(2340000, BD Difco, Sparks, USA)를 사용하였다.
키토산-은나노 합성을 위해 75-85% 디아세틸화 된 중저분자 키토산(448877, Sigma- Aldrich, St. Louis, USA)과 은나노 입자 합성의 전구체로써 질산은(AgNO₃, Alfa Aesar, Ward Hill, USA)을 사용하였다. 키토산 용해를 위한 용매로서 1%(v/v) acetic acid(Alfa Aesar, Ward Hill, USA)를 사용하였으며 키토산-은나노 녹색합성 복합물질 코팅지의 항균성 평가를 위해 MacConkey Agar(211380, BD Difco, Sparks, USA)와 Nutrient Broth(2340000, BD Difco, Sparks, USA)를 사용하였다.

데이터처리

, Berwyn, USA) 분석을 수행하였다. EDS의 정확한 결과 값을 얻기 위해 동일한 시편에서 5회 이상 측정하여 평균값을 취하였다.

이론/모형

제조된 키토산-은나노 코팅지의 항균성 평가를 위해 ASTM 2149-10²⁵⁾에 따른 항균 정성 및 정량분석을 수행하였으며 그람음성균의 하나인 Escherichia coli (E. coli) DH5a (ATCCPTA 1977)를 사용하였다. 항균 정성분석을 위해서 제조된 키토산-은나노 코팅지 시편(2 cm × 2 cm)을 균이 접종된 영양배지를 굳힌 plate상에 접촉시켜 24 시간 동안 배양한 후 샘플 주위에 형성되는 halo를 비교하여 공시 균주의 생육저해 정도를 측정하였다.
코팅에 따른 물리적 특성을 비교 분석하기 위해 2.2.2에 따라 코팅된 코팅지를 ISO 1924-2:2008 (TAPPI 404)²⁴⁾에 의거하여 인장강도를 평가하였다. 만능시험기(Daekyung Tech&Tester MTG.

성능/효과

Fig. 2(a)는 0.5%(w/w)키토산-100 mM의 질산은 조건에서 합성된 키토산 내 은나노의 TEM 사진으로 합성된 은나노 단일입자의 크기는 약 10-50 nm 크기를 가지며 구형의 형태를 띠고 있음을 알 수 있다. 본 연구의 Fig.
1(a)의 키토산-은나노 녹색 합성 용액 코팅지의 UV-Vis 흡수 spectrum으로서 Fig. 1(a)와 같이 플라즈몬 공명현상으로 인해 410-430 nm 영역의 파장대에서 동일한 흡수밴드를 관찰할 수 있으며 은나노 전구체의 농도가 증가할수록 430 nm 파장의 최대흡수피크의 세기 또한 증가하였다. 또한 코팅원지로 사용된 마닐라지가 띄는 담황색의 영향으로 코팅원지와 키토산 코팅지에서도 400-420 nm 영역에서 약한 흡수 피크를 발견할 수 있었다.
패키징 산업 또한 난분해성 플라스틱 포장재의 사용 억제와 함께 재활용, 재사용 그리고 재생 가능한 친환경 소재인 제지를 활용한 기능성 포장소재의 개발과 응용을 위한 다양한 연구가 행해지고 있다.^1,2) 특히 소비자들의 건강과 관련한 식습관의 변화와 함께 매년 200건 이상의 식중독 사고³⁾로 인한 사회적 불안감은 미생물 오염에 의한 식중독 사고를 예방함과 동시에 제품의 신선도 및 품질 유지에 대한 관심으로 이어져 오염균과 미생물로부터의 변패를 방지하는 기능성 항균 포장지의 개발에 관심이 높다.⁴⁾ 이와 관련하여 화훼류의 선도유지를 위하여 자몽종자 추출물을 골판지용 라이너에 처리하거나 황을 종이 포장지 표면에 코팅하는 방법 또는 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 이산화티탄(TiO₂), 실리카(SiO₂), 산화아연(ZnO), 식물오일, 에센스오일 등의 항균물질을 포장 원지에 코팅 또는 침지하는 방법으로 종이포장재에 항균성을 부여하는 연구결과 등이 보고되고 있다.
3은 녹색합성된 키토산-은나노 복합물질을 적용한 코팅지의 코팅층 표면과 측면 FESEM사진 및 코팅층 내 존재하는 은의 농도에 대한 EDS 측정값이다. FESEM 분석 결과 키토산 및 키토산-은나노 복합물질을 적용한 코팅지는 코팅 원지의 표면보다 매우 매끄러운 표면형상과 코팅층에 의한 공극의 감소를 보였으며 코팅층 표면 갈라짐 또는 박리에 의한 들뜸현상은 관찰되지 않았다. 코팅지의 두께는 0.
본 연구에서는 녹색합성에 기인한 친환경 키토산-은나노 복합물질을 합성하고 이를 마닐라지에 적용, 항균 코팅지를 제조하여 이의 물리적특성 및 항균성 등을 평가하였다. UV-Vis spectrum과 TEM, DLS 분석을 통해 키토산 내 은나노 입자가 안정적으로 생성, 분산되어 있음을 확인하였으며 은나노 합성에 필요한 안정제 및 환원제로써 키토산의 역할을 확인할 수 있었다. 키토산-은나노 복합물질을 마닐라지에 코팅하고 FESEM과 EDS 분석을 수행하여 표면 및 측면의 형상, 코팅의 균일도 및 은나노의 함유량을 조사하였으며 인장강도 측정을 통해 키토산-은나노 녹색합성 복합물질이 섬유상에 적절한 친화력을 가지며 섬유 간 공극을 감소시켜 물리적 결합력을 향상시킴을 확인할 수 있었다.
또한 키토산-은나노 복합물질을 적용한 코팅지의 인장강도는 116.02±2.03 N·m/g로 키토산만을 코팅한 경우에 비해 1.2배, 코팅원지에 비해 1.8배 인장강도가 향상되었음을 확인하였다.
키토산-은나노 복합물질을 마닐라지에 코팅하고 FESEM과 EDS 분석을 수행하여 표면 및 측면의 형상, 코팅의 균일도 및 은나노의 함유량을 조사하였으며 인장강도 측정을 통해 키토산-은나노 녹색합성 복합물질이 섬유상에 적절한 친화력을 가지며 섬유 간 공극을 감소시켜 물리적 결합력을 향상시킴을 확인할 수 있었다. 또한 키토산-은나노 복합물질이 적용된 코팅지의 항균 정성 및 정량평가 결과 코팅지 표면에 함유된 은나노의 농도가 증가함에 따라 항균활성이 급격히 향상 되는 것을 관찰하였다. 따라서 본 연구를 통해 얻어진 키토산-은나노 녹색합성 복합물질을 종이에 적용함으로서 항균성의 기능성을 부여함과 동시에 물리적 강도의 증가효과를 동시에 얻을 수 있었으며 향후 친환경 항균포장소재로서 적용가능성과 가치를 확인하였다.
4 R (%)의 약한 항균 활성을 보였다. 반면 키토산-은나노 복합물질 코팅지에서는 코팅지 표면의 은나노 입자농도가 증가할수록 항균활성 또한 증가하였으며 EDS 분석 결과 Ag 함량 10.93 wt%로 측정된 키토산-질산은 100 mM의 경우 R (%)가 99.8로 매우 우수한 항균성을 나타내었다.
coli균에 대한 halo 항균정성 평가법에 의한 항균력 시험 결과이며 실험의 대조군으로 코팅되지 않은 마닐라지와 2%(w/w) 키토산만을 코팅한 키토산 코팅지를 사용하였다. 은나노가 포함되지 않은 대조군의 경우 E. coli균의 성장 억제를 의미하는 halo가 발견되지 않았으나 키토산-은나노 복합물질이 코팅된 마닐라지의 경우 시편 주위의 halo가 뚜렷이 관찰되었으며 생성된 은나노의 성분비가 증가할수록 그 크기가 증가하여 E. coli 균의 생장을 효과적으로 억제함을 알 수 있었다. 반면 키토산만 코팅된 종이에서는 뚜렷한 halo가 관찰되지 않았으며 이와 유사하게 Abdollahi 등³⁰⁾은 agar diffusion 방법을 이용한 키토산필름의 항균실험을 수행하여 키토산의 E.
코팅원지로 사용된 마닐라지의 인장강도 및 신장률은 각각 63.2±0.135 N·m/g, 5.05(%) 였으며 키토산만을 코팅한 경우 인장강도는 95.2±0.51 N·m/g로 약 1.5배 증가효과를 보였다.
UV-Vis spectrum과 TEM, DLS 분석을 통해 키토산 내 은나노 입자가 안정적으로 생성, 분산되어 있음을 확인하였으며 은나노 합성에 필요한 안정제 및 환원제로써 키토산의 역할을 확인할 수 있었다. 키토산-은나노 복합물질을 마닐라지에 코팅하고 FESEM과 EDS 분석을 수행하여 표면 및 측면의 형상, 코팅의 균일도 및 은나노의 함유량을 조사하였으며 인장강도 측정을 통해 키토산-은나노 녹색합성 복합물질이 섬유상에 적절한 친화력을 가지며 섬유 간 공극을 감소시켜 물리적 결합력을 향상시킴을 확인할 수 있었다. 또한 키토산-은나노 복합물질이 적용된 코팅지의 항균 정성 및 정량평가 결과 코팅지 표면에 함유된 은나노의 농도가 증가함에 따라 항균활성이 급격히 향상 되는 것을 관찰하였다.
이는 적용된 키토산-은나노 복합물질이 코팅지 표면내부에 효과적으로 침투하여 섬유간 빈공간을 채우고 있기 때문인 것으로 판단된다. 키토산-은나노 코팅층 표면의 EDS 분석결과 표면 은나노 입자의 농도는 반응에 참여한 질산은 용액의 농도에 따라 4.54-10.93 wt% 범위의 측정값을 보였으며 질산은의 농도가 증가할수록 생성된 표면 은나노 입자의 질량비 또한 증가하는 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	은나노의 합성법은 어떤 것들이 있는가?	최근 나노기술의 발전과 함께 그 제조 및 응용이 급속히 증가하고 있는 은나노는 필름 내 분산성 및 안정성 등이 우수하고 높은 비표면적으로 인한 미생물의 세포벽과의 접촉 기회가 증가함에 따라 세포벽의 파괴를 가속화함으로써 항균력을 극대화시키는 대표적인 항균 나노물질로 알려져 있다.9) 이러한 은나노의 합성법에는 방사선 및 자외선을 활용한 광유도합성법과 수소화붕소나트륨(NaBH4), 시트로산염(citrate), 아스코르브산(ascorbate) 등의 환원제를 이용한 화학적 합성 법이 주로 행해지고 있으나,10) 화학적 환원제의 난분 해성, 생물학적 위험성 및 높은 에너지 소모 등의 환경 문제를 야기한다는 점에서 새로운 형태의 친환경 제조법의 필요성이 제기되고 있다.11) 이에 따라 최근 녹색 합성법(green synthesis)이 신개념의 친환경 제조공정 으로서 높은 관심을 받고 있으며 관련 연구사례가 활발히 보고되고 있다.
	은나노의 장점은?	최근 나노기술의 발전과 함께 그 제조 및 응용이 급속히 증가하고 있는 은나노는 필름 내 분산성 및 안정성 등이 우수하고 높은 비표면적으로 인한 미생물의 세포벽과의 접촉 기회가 증가함에 따라 세포벽의 파괴를 가속화함으로써 항균력을 극대화시키는 대표적인 항균 나노물질로 알려져 있다.9) 이러한 은나노의 합성법에는 방사선 및 자외선을 활용한 광유도합성법과 수소화붕소나트륨(NaBH4), 시트로산염(citrate), 아스코르브산(ascorbate) 등의 환원제를 이용한 화학적 합성 법이 주로 행해지고 있으나,10) 화학적 환원제의 난분 해성, 생물학적 위험성 및 높은 에너지 소모 등의 환경 문제를 야기한다는 점에서 새로운 형태의 친환경 제조법의 필요성이 제기되고 있다.
	은나노의 합성법의 문제점을 해결하기 위해 나타난 합성법은?	9) 이러한 은나노의 합성법에는 방사선 및 자외선을 활용한 광유도합성법과 수소화붕소나트륨(NaBH4), 시트로산염(citrate), 아스코르브산(ascorbate) 등의 환원제를 이용한 화학적 합성 법이 주로 행해지고 있으나,10) 화학적 환원제의 난분 해성, 생물학적 위험성 및 높은 에너지 소모 등의 환경 문제를 야기한다는 점에서 새로운 형태의 친환경 제조법의 필요성이 제기되고 있다.11) 이에 따라 최근 녹색 합성법(green synthesis)이 신개념의 친환경 제조공정 으로서 높은 관심을 받고 있으며 관련 연구사례가 활발히 보고되고 있다.11-15)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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