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문제 정의
- 본 연구에서는 식물유래 단백질과 다당류을 이용하여 마이크로캡슐과 에멀젼을 제조했고 다양한 종류의 단백질 중에서 콩단백질을 선정하였다[6]. 기존 연구결과들 중에 단백질/다당류의 콤플렉스를 통해 입자나 에멀젼을 제조해보았던 결과들은 찾아볼 수 있지만, 본 연구에서는 다양한 오일에 대한 유화 안정도와 더불어 제조된 에멀젼에 코엔자임 Q10을 도입하여 안정화 효과를 확인해 보았다. 실험을 통하여 펙틴/콩단백질의 함량에 따른 마이크로캡슐과 여기서 도출된 적정한 비율의 원료조합으로 안정한 마이크로캡슐을 제조할 수 있었으며, 마이크로캡슐 내에 여러 가지 오일을 도입해보고 평가하여 입자 코어에 오일상을 가지는 에멀젼 타입의 마이크로캡슐을 제조했다.
제안 방법
- 콩단백질 수용액 대신에 콩단백질을 계면활성제로써 사용한 O/W 에멀젼 형태의 수용액을 사용하였다. ISP 수용액에 일정량의 오일을 투입하면서 1차 O/W 에멀젼을 제조하였다. 1차 유화를 하고 난 뒤 펙틴 수용액을 첨가하여 혼합물을 만들고 citric acid 수용액을 천천히 가해주면서 pH를 4 ∼ 5 사이로 낮춰주면 콩단 백질로 생성된 유화입자 표면의 양전하와 펙틴의 음전하가 정전기적 결합을 하여 복합체를 형성하게 되면서 콩단백질로 1차 유화된 오일코어를 가지면서 펙틴이 코팅된 에멀젼이 제조된다.
- Q10 1%를 안정화시킨 다당류/단백질 마이크로캡슐과 대조군인 O/W 유화를 비교하여 상온 및 40 ℃에서 4주간 Q10의 역가를 측정하여 활성성분의 안정도를 확인하였다.
- 다당류와 단백질의 정전기적 결합으로 계면막을 형성시켜 마이크로 에멀젼을 제조하고 에멀젼 내부의 오일을 종류별로 평가해 보았다. CSA로 에멀젼을 제조시 다른 오일들에 비해 가장 작은 입도를 가지는 유화 입자가 생성되는 것을 알 수 있었고, 유화 안정도를 높이기 위해 고압유화기를 이용하여 입자 사이즈를 작게 제조할 수 있었다.
- 동일한 기기로 측정한 입자표면전위(zeta potential) 는 자동적정 장치를 이용하여 초기 pH 7부근의 샘플의 pH를 pH 5 부근으로 낮춰주며 특정 pH에서의 마이셀표면전위를 확인하였다. pH 7에서 -12.
- 실험을 통하여 펙틴/콩단백질의 함량에 따른 마이크로캡슐과 여기서 도출된 적정한 비율의 원료조합으로 안정한 마이크로캡슐을 제조할 수 있었으며, 마이크로캡슐 내에 여러 가지 오일을 도입해보고 평가하여 입자 코어에 오일상을 가지는 에멀젼 타입의 마이크로캡슐을 제조했다. 마이크로캡슐들의 광학현미경 이미지 확보하였으며, 화장품 활성성분 중 코엔자임 Q10을 캡슐의 오일상에 담지하여 안정도를 평가해 보았다.
- 기존 연구결과들 중에 단백질/다당류의 콤플렉스를 통해 입자나 에멀젼을 제조해보았던 결과들은 찾아볼 수 있지만, 본 연구에서는 다양한 오일에 대한 유화 안정도와 더불어 제조된 에멀젼에 코엔자임 Q10을 도입하여 안정화 효과를 확인해 보았다. 실험을 통하여 펙틴/콩단백질의 함량에 따른 마이크로캡슐과 여기서 도출된 적정한 비율의 원료조합으로 안정한 마이크로캡슐을 제조할 수 있었으며, 마이크로캡슐 내에 여러 가지 오일을 도입해보고 평가하여 입자 코어에 오일상을 가지는 에멀젼 타입의 마이크로캡슐을 제조했다. 마이크로캡슐들의 광학현미경 이미지 확보하였으며, 화장품 활성성분 중 코엔자임 Q10을 캡슐의 오일상에 담지하여 안정도를 평가해 보았다.
- 오일 코어를 가지는 펙틴/콩단백질 마이크로캡슐에 화장품 효능 성분 중의 하나인 코엔자임-Q10을 안정화 시켜보았으며, 일반 O/W 제형에 안정화시킨 Q10과 안정화효과를 비교 평가해보았다. 먼저 Table 1과 같은 조성을 가진 오일 코어를 가지는 펙틴/콩단백질 마이크로캡슐을 제조하기 위하여 다음과 같은 방법을 이용하였다.
- 1차 유화를 하고 난 뒤 펙틴 수용액을 첨가하여 혼합물을 만들고 citric acid 수용액을 천천히 가해주면서 pH를 4 ∼ 5 사이로 낮춰주면 콩단 백질로 생성된 유화입자 표면의 양전하와 펙틴의 음전하가 정전기적 결합을 하여 복합체를 형성하게 되면서 콩단백질로 1차 유화된 오일코어를 가지면서 펙틴이 코팅된 에멀젼이 제조된다. 제조 직후 입도를 줄여 유화 안정도를 높여주기 위하여 최종적으로 고압유화기(APV 2000, Rannie Dx95, Korea)를 사용하여 1000 bar로 4 cycle을 처리하였다[8]. 오일은 총 4종류로 제조해 보았으며 에스터계 오일로 C.
- 제조된 고분자 마이크로입자의 형태 및 입자크기를 평가하기 위하여 각각 광학현미경(BX50, Olympus, Japan), 투과전자현미경(Tecnai-12, Philips, Netherland)으로 관찰하였다.
- 이후 사용되는 펙틴 3% 수용액은 모두 이와 동일하다[3]. 준비된 펙틴 3% 수용액과 원심분리로 정제한 콩단백질 1.8% 수용액을 중량비율별로 혼합(1 : 1 / 2 : 1 / 4 : 1)하여 혼합수용액을 만들어 교반시켜 주었다. 혼합액을 일정속도로 계속 교반시켜주면서 1 N citric acid 수용액을 천천히 가해 pH를 5부근으로 낮춰주면 콩단백질 나노입자 표면의 음전하들이 줄어들면서 상대적으로 높아지는 양전하들과 펙틴의 음전하와 복합체를 형성하게 됨으로써 마이크로캡슐이 생성된다[5,7,8].
- 충분히 교반을 시켜주고 1 N citric acid를 천천히 추가해주면서 pH를 7 부근에서 4 ∼ 5 사이로 적정해 줌으로써 Q10이 용해되어 있는 CSA 오일을 코어에 가지는 펙틴/콩단백질 마이크로캡슐을 제조하였다.
- , Aldrich, USA), 트리글리세라이드계 오일로 capryloyl salicylic acid (CSA, Aldrich, USA), 실리콘계 오일로 dimethicone (DC200 100cs, Aldrich, USA), 하이드로카본계 오일로 hydrogenated polyisobutylene (panalene L14E, Aldrich, USA)를 사용했다. 코엔자임 Q10 (Aldrich, USA)을 활성도를 비교하여 다당류/단백질 캡슐의 특성을 확인하는데 사용했다.
- 펙틴 3% 수용액과 콩단백질 1.8% 수용액의 비율을 달리해 제조된 마이크로캡슐을 포함하는 용액의 광학현미경 관찰을 통하여 다당류와 단백질로 이뤄진 마이크로입자들의 형성 유무와 구조를 확인하였다. 아래의 그림은 앞서 준비한 펙틴 수용액과 콩단백질 수용액의 중량비로 (a) 1 : 1, (b) 2 : 1 그리고 (c) 4 : 1로 제조했다.
대상 데이터
- 먼저 Table 1과 같은 조성을 가진 오일 코어를 가지는 펙틴/콩단백질 마이크로캡슐을 제조하기 위하여 다음과 같은 방법을 이용하였다. Q10 10%를 CSA에 용해시키고, 앞서 제조된 Q10 10% 함유 오일 20%를 콩단백질 1.8% 수용액에 유화하여 에멀젼을 제조하였다. 이렇게 제조된 Q10/펙틴/콩단백질 에멀젼을 펙틴 3% 수용액과 1 : 1로 혼합해준다[9].
- 업체에서 받은 콩단백질 파우더 자체는 물에 녹지 않는 부분도 포함이 되어있어 일정량을 증류수에 분산시킨 후 원심분리기를 통해 부유물 및 침전물을 제거하여 물에 녹거나 나노 스케일로 자기회합을 하는 부분들만 취해서 실험에 사용했다. pH 조절을 위해 1 N NaOH (Aldrich, USA) 수용액과 1 N citric acid (Aldrich, USA) 수용액을 이용했다.
- 내부 오일상으로 에스터계 오일로 cetyl ethylhexanoate (C. E. H., Aldrich, USA), 트리글리세라이드계 오일로 capryloyl salicylic acid (CSA, Aldrich, USA), 실리콘계 오일로 dimethicone (DC200 100cs, Aldrich, USA), 하이드로카본계 오일로 hydrogenated polyisobutylene (panalene L14E, Aldrich, USA)를 사용했다. 코엔자임 Q10 (Aldrich, USA)을 활성도를 비교하여 다당류/단백질 캡슐의 특성을 확인하는데 사용했다.
- 본 연구에서 다당류/단백질 기반 캡슐을 제조하기 위해 69 ∼ 74%의 카르복실기가 메틸에스터기로 치환된 high-methoxy pectin (HMP, 펙틴) (Genu Pectin, CP Kelco, Denmark)과 isolated soy protein (ISP, 콩단백질) (Fuji Pro NT, Jilin Fuji Protein)를 사용하였다.
- 본 연구에서는 식물유래 단백질과 다당류을 이용하여 마이크로캡슐과 에멀젼을 제조했고 다양한 종류의 단백질 중에서 콩단백질을 선정하였다[6]. 기존 연구결과들 중에 단백질/다당류의 콤플렉스를 통해 입자나 에멀젼을 제조해보았던 결과들은 찾아볼 수 있지만, 본 연구에서는 다양한 오일에 대한 유화 안정도와 더불어 제조된 에멀젼에 코엔자임 Q10을 도입하여 안정화 효과를 확인해 보았다.
- 제조 직후 입도를 줄여 유화 안정도를 높여주기 위하여 최종적으로 고압유화기(APV 2000, Rannie Dx95, Korea)를 사용하여 1000 bar로 4 cycle을 처리하였다[8]. 오일은 총 4종류로 제조해 보았으며 에스터계 오일로 C. E. H., 트리글리세라이드계 CSA, 실리콘계 오일로 DC200 100cs, 하이드로카본계 오일로 panalene L14E를 각각 5% 사용한 것이며, 각 오일을 투입하면서 호모믹싱(5 min, 7500 rpm)하여 제조하였다.
- 마이크로입자의 제조방법은 다음과 같다. 펙틴 분말을 물에 교반하면서 용해시켜 3% 수용액을 제조하였다. pH가 낮으므로 NaOH를 추가하여 pH 7 부근으로 맞춰 펙틴 3% 수용액을 준비하였다.
성능/효과
- 다당류와 단백질의 정전기적 결합으로 계면막을 형성시켜 마이크로 에멀젼을 제조하고 에멀젼 내부의 오일을 종류별로 평가해 보았다. CSA로 에멀젼을 제조시 다른 오일들에 비해 가장 작은 입도를 가지는 유화 입자가 생성되는 것을 알 수 있었고, 유화 안정도를 높이기 위해 고압유화기를 이용하여 입자 사이즈를 작게 제조할 수 있었다. 합성 계면활성제를 사용하지 않고 천연유래 식물성 성분들만으로 안정한 마이크로 에멀젼 제조가 가능함을 확인하였고, 화장품 활성성분으로 사용하는 Q10을 오일상에 담지하는 다당류/단백질 마이크로캡슐 형태의 에멀젼을 제조해본 결과, 다당류와 단백질로 구성되어 강화된 계면막이 오일상에 있는 Q10의 산화 및 부패를 효과적으로 방지함을 확인하였으며, 이는 불안정한 화장품 활성성분들의 안정성 및 상용성 향상에 본 연구결과가 활용될 수 있음을 알 수 있었다.
- 일반적으로 유화입자가 작게 만들어질수록 유화시스템의 전체적인 안정도가 증가하는 것으로 생각 할 수 있는데, 트리글리세라이드계 또는 에스터계 오일을 사용하여 유화입자 및 이를 포함하는 에멀젼을 만드는 것이 유화 안정도 측면에서 유리한 것을 확인할 수 있었다. 그리고 트리글리세라이드계 오일(CSA) 로 제조한 유화입자 또는 에멀젼이 유화 입자의 크기가 가장 작아 유화 안정도 측면에서 4종의 오일 중 가장 유리한 것임을 확인할 수 있었다.
- 다음 결과를 통해 마이크로캡슐화한 원료의 Q10 안정도가 초기 값 대비 100% 유지되고 O/W 유화 타입에서는 4주 뒤 상온 17.1 ± 2%, 40 ℃ 19.4 ± 1%의 역가 감소가 있었다.
- 따라서 에멀젼 등의 제형일 경우 최종 산물 또는 제형의 총 중량을 기준으로 오일 함량은 약 0 ∼ 30 wt%, 콩단백질 함량은 0.1 ∼ 1 wt%, 그리고 펙틴의 함량은 1 ∼ 3 wt% 정도인 경우에 적당할 것으로 판단된다.
- 실험을 통해 사용한 콩단백질의 함량은 최종 내용물을 기준으로 0.178% 내지 0.81% 정도였고, 펙틴의 함량은 1.35 내지 2.4% 정도였으며, 이보다 더 낮거나 높은 함량으로 제조하여도 충분히 안정해 보이는 유화입자는 제조될 것으로 보인다. 다만 펙틴/콩단백질의 함량이 높을수록 좀 더 안정한 유화입자의 제조가 가능할 것으로 예상되지만, 최종 내용물 및 사용되는 제형을 고려해 보았을 때 그 함량을 무작정 올리는 것은 사용감 측면에서 바람직하지 않다.
- 이미지를 보면, 트리글리세라이드계 오일 또는 에스터계 오일을 사용한 (a), (b), (c), (d) 유화입자가 실리콘계 또는 하이드로카본계 오일을 사용한 (e), (f), (g), (h) 유화입자보다 상대적으로 작았다. 일반적으로 유화입자가 작게 만들어질수록 유화시스템의 전체적인 안정도가 증가하는 것으로 생각 할 수 있는데, 트리글리세라이드계 또는 에스터계 오일을 사용하여 유화입자 및 이를 포함하는 에멀젼을 만드는 것이 유화 안정도 측면에서 유리한 것을 확인할 수 있었다. 그리고 트리글리세라이드계 오일(CSA) 로 제조한 유화입자 또는 에멀젼이 유화 입자의 크기가 가장 작아 유화 안정도 측면에서 4종의 오일 중 가장 유리한 것임을 확인할 수 있었다.
- 펙틴 수용액과 콩단백질 수용액의 혼합비율에 따라 생성되는 이온복합체 마이크로캡슐의 입자크기의 변화가 발생한다. 캡슐의 코어 쪽을 형성한다고 볼 수 있는 콩단백질의 양이 많을수록 더 큰 입자가 형성되었고 콩단백질의 양이 줄어들수록 더 작은 입자가 형성되었다. 이는 콩단백질만 수상에 존재할 때 pH가 떨어짐에 따라 콩단백질이 나노입자 형태로 분산되지 않고 상분리가 발생하는 현상과는 전혀 다르다.
- 3)의 외관과 입도분석기 (Malvern, Nano-ZS)를 통해 분석한 수용액상의 콩단백질 입자들의 입도분포 결과이다. 평균 입도는 287 nm, PDI는 0.428을 얻었고, 콩단백질은 수용액 상에서 아래 입도 분포의 콩단백질 마이셀을 형성하고 있음을 확인하였다.
- CSA로 에멀젼을 제조시 다른 오일들에 비해 가장 작은 입도를 가지는 유화 입자가 생성되는 것을 알 수 있었고, 유화 안정도를 높이기 위해 고압유화기를 이용하여 입자 사이즈를 작게 제조할 수 있었다. 합성 계면활성제를 사용하지 않고 천연유래 식물성 성분들만으로 안정한 마이크로 에멀젼 제조가 가능함을 확인하였고, 화장품 활성성분으로 사용하는 Q10을 오일상에 담지하는 다당류/단백질 마이크로캡슐 형태의 에멀젼을 제조해본 결과, 다당류와 단백질로 구성되어 강화된 계면막이 오일상에 있는 Q10의 산화 및 부패를 효과적으로 방지함을 확인하였으며, 이는 불안정한 화장품 활성성분들의 안정성 및 상용성 향상에 본 연구결과가 활용될 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 제조해본 food-grade의 천연유래 식물성 biopolymer들과 오일 조합의 신규 에멀젼은 보다 강화된 영양감/보습감/막감 구현이 가능할 것으로 기대된다.
후속연구
- 석유 화학 유래의 계면활성제 등 다른 것들 보다 식물 유래의 성분으로 에멀젼, 캡슐을 제조하는 방법은 자연주의를 표방하는 시대의 흐름과도 맞다. 또한 다당류 단백질의 마이크로캡슐 제조는 식품 분야뿐만 아니라 화장품 분야에 사용될 수 있다는 가능성을 볼 수 있었고 다양한 내부 활성성분의 도입으로 활성이 쉽게 떨어지는 성분의 안정화를 도울 수 있을 것이다. 본 연구에서 다루었던 다당류/단백질 기반 시스템과 더불어 다양한 천연유래 안정화캡슐 내지는 신규 유화 시스템의 개발이 필요할 것이다.
- 본 연구를 통해 제조해본 food-grade의 천연유래 식물성 biopolymer들과 오일 조합의 신규 에멀젼은 보다 강화된 영양감/보습감/막감 구현이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 신규 천연유래 화장품 소재로 활용범위가 넓고 일반 유화제로 제조하기 쉽지 않은 저점도(< 100 cps) 현탁 유액 제조에 응용할 수 있는 신규 유화방법으로 활용할 수 있을 것이다. 앞으로 추가적인 연구를 통해 다당류/단백질 기반 에멀젼 시스템의 보습력 증진이나 신규 사용감 구현에 대해 더 알아보고자 한다.
- 합성 계면활성제를 사용하지 않고 천연유래 식물성 성분들만으로 안정한 마이크로 에멀젼 제조가 가능함을 확인하였고, 화장품 활성성분으로 사용하는 Q10을 오일상에 담지하는 다당류/단백질 마이크로캡슐 형태의 에멀젼을 제조해본 결과, 다당류와 단백질로 구성되어 강화된 계면막이 오일상에 있는 Q10의 산화 및 부패를 효과적으로 방지함을 확인하였으며, 이는 불안정한 화장품 활성성분들의 안정성 및 상용성 향상에 본 연구결과가 활용될 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 제조해본 food-grade의 천연유래 식물성 biopolymer들과 오일 조합의 신규 에멀젼은 보다 강화된 영양감/보습감/막감 구현이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 신규 천연유래 화장품 소재로 활용범위가 넓고 일반 유화제로 제조하기 쉽지 않은 저점도(< 100 cps) 현탁 유액 제조에 응용할 수 있는 신규 유화방법으로 활용할 수 있을 것이다.
- 또한 다당류 단백질의 마이크로캡슐 제조는 식품 분야뿐만 아니라 화장품 분야에 사용될 수 있다는 가능성을 볼 수 있었고 다양한 내부 활성성분의 도입으로 활성이 쉽게 떨어지는 성분의 안정화를 도울 수 있을 것이다. 본 연구에서 다루었던 다당류/단백질 기반 시스템과 더불어 다양한 천연유래 안정화캡슐 내지는 신규 유화 시스템의 개발이 필요할 것이다.
- 수용액 상에서 다당류와 단백질로 이뤄진 강화된 계면막을 형성하여 오일 내부의 활성 성분 안정화 향상에 도움을 준 것으로 생각되며, 이러한 결과를 참고하여 실험한 Q10 외 다양한 화장품 효능 원료에 적용될 수 있을 것이다.
- 또한, 신규 천연유래 화장품 소재로 활용범위가 넓고 일반 유화제로 제조하기 쉽지 않은 저점도(< 100 cps) 현탁 유액 제조에 응용할 수 있는 신규 유화방법으로 활용할 수 있을 것이다. 앞으로 추가적인 연구를 통해 다당류/단백질 기반 에멀젼 시스템의 보습력 증진이나 신규 사용감 구현에 대해 더 알아보고자 한다.
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