천연색소는 색을 발현할 수 있는 물질로서 식품, 화장품, 의약품 등에 사용된다. 천연색소는 동 식물에서 추출하여 만들기 때문에 크기가 균일하지 않으며 특히 적색색소의 경우, 다른 색의 색소에 비해 친유성이 강해 수용액 상태에서 쉽게 응집이 되는 경향이 있다. 또한 응집에 의한 크기변화로 인해 색의 재현이 어려운 문제점이 있다. 적색색소로 기존에 사용했던 동물성 색소인 코치닐 추출 색소는 알레르기를 유발하고 식용으로서의 거부감이 있는 등의 문제점으로 인하여 사용이 기피되는 추세이다. 본 연구에서는 적색의 식물성 색소인 라이코펜 추출물과 치자황색소를 사용하였고 Ball-milling을 이용하여 색소의 크기를 균일하게 만든 후 Asymmetrical flow field-flow fractionation(AsFlFFF), Dynamic light scattering(DLS)를 이용하여 크기를 분석하고 색차계를 이용하여 색을 확인하는 연구를 진행하였다. 실험결과 milling 전에는 색소 입자의 크기가 크고 크기분포가 넓었으나, milling 후에는 크기가 감소하고 크기분포가 좁아짐을 확인하였다. 색차계 측정 결과, milling 시간이 증가함에 따라 밝기, 적색도, 황색도가 높아져서 밝은 적색을 나타내었다.
천연색소는 색을 발현할 수 있는 물질로서 식품, 화장품, 의약품 등에 사용된다. 천연색소는 동 식물에서 추출하여 만들기 때문에 크기가 균일하지 않으며 특히 적색색소의 경우, 다른 색의 색소에 비해 친유성이 강해 수용액 상태에서 쉽게 응집이 되는 경향이 있다. 또한 응집에 의한 크기변화로 인해 색의 재현이 어려운 문제점이 있다. 적색색소로 기존에 사용했던 동물성 색소인 코치닐 추출 색소는 알레르기를 유발하고 식용으로서의 거부감이 있는 등의 문제점으로 인하여 사용이 기피되는 추세이다. 본 연구에서는 적색의 식물성 색소인 라이코펜 추출물과 치자황색소를 사용하였고 Ball-milling을 이용하여 색소의 크기를 균일하게 만든 후 Asymmetrical flow field-flow fractionation(AsFlFFF), Dynamic light scattering(DLS)를 이용하여 크기를 분석하고 색차계를 이용하여 색을 확인하는 연구를 진행하였다. 실험결과 milling 전에는 색소 입자의 크기가 크고 크기분포가 넓었으나, milling 후에는 크기가 감소하고 크기분포가 좁아짐을 확인하였다. 색차계 측정 결과, milling 시간이 증가함에 따라 밝기, 적색도, 황색도가 높아져서 밝은 적색을 나타내었다.
Natural pigments are materials that express color and have been used in foods, cosmetics, medicine and so on. Since natural pigments are extracted from animals and plants, they are not uniform in size. Red pigments in particular are more lipophilic than other color pigments and tend to aggregate eas...
Natural pigments are materials that express color and have been used in foods, cosmetics, medicine and so on. Since natural pigments are extracted from animals and plants, they are not uniform in size. Red pigments in particular are more lipophilic than other color pigments and tend to aggregate easily in aqueous solutions which make it difficult to reproduce the specific color due to size change. Found to be an allergen and the growing aversion for it to be used in foods, cochineal pigment, an animal pigment used for red pigments is being used less. In this study, red vegetable pigment lycopene extract and gardenia yellow was made uniform in size by ball-milling, then asymmetrical flow-field flow fractionation (AsFlFFF) and dynamic light scattering (DLS) were used to measure the size, and a color meter was used to confirm the color. Experimental results showed that the pigment particles were large in size and size distribution was wide before milling, but the size of the particles decreased and size distribution narrowed after milling. Color meter measurements showed that as the milling time increased, the size of the pigment particles decreased and the brightness, redness, and yellowness increased indicating a bright red color.
Natural pigments are materials that express color and have been used in foods, cosmetics, medicine and so on. Since natural pigments are extracted from animals and plants, they are not uniform in size. Red pigments in particular are more lipophilic than other color pigments and tend to aggregate easily in aqueous solutions which make it difficult to reproduce the specific color due to size change. Found to be an allergen and the growing aversion for it to be used in foods, cochineal pigment, an animal pigment used for red pigments is being used less. In this study, red vegetable pigment lycopene extract and gardenia yellow was made uniform in size by ball-milling, then asymmetrical flow-field flow fractionation (AsFlFFF) and dynamic light scattering (DLS) were used to measure the size, and a color meter was used to confirm the color. Experimental results showed that the pigment particles were large in size and size distribution was wide before milling, but the size of the particles decreased and size distribution narrowed after milling. Color meter measurements showed that as the milling time increased, the size of the pigment particles decreased and the brightness, redness, and yellowness increased indicating a bright red color.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 기기적 분쇄(mechanical disruption)를 이용해 색소의 크기를 일정하게 만들어 분산 안정성을 높이는 실험을 진행하였다.[12-14]
본 연구는 코치닐 추출색소를 대체하기 위하여 Caroteniod계 적색의 식물성 색소인 토마토추출물인 lycopene을 ball-milling을 이용하여 색소 입자크기를 균일하게 한 후, AsFlFFF와 DLS를 이용하여 lycopene입자의 크기와 크기분포를 정확하게 측정하고 색소분산액의 물성을 측정하기 위한 연구를 진행하였다.
제안 방법
각 물질의 기본적인 물성을 측정하기 위하여 Optical microscopy (OM, System Micoscopes BX51M, Olympus, China), pH meter (3510pH Meter, Jenway, UK), Dynamic light Scattering (DLS, Horiba-LA-960, Horiba, Japan)를 사용하였다. 제조한 색소 분산액의 입자크기를 일정하게 만들기 위하여 Ball-milling(2-places “BML-2”, DAIHAN Scientific Thailand Co.
용제에 유화제를 넣고 교반 시 응집 유무를 육안과 OM으로 확인하였다. 그 후 24 시간 후까지 침전물이나 응집물이 생기는지 여부를 확인하였다.
우선 실험에 사용되는 색소들에 대한 분석을 진행하였고 그에 따른 특성을 이용하여 색소에 알맞은 유화제를 선택하였다. 또한 색소입자의 균일한 크기를 재현하기 위해 ball-mill을 이용하였고 이를 통해 작고 균일한 크기를 갖는 색소 입자를 얻을 수 있었다. 크기가 작아짐에 따라 색이 밝아지고 pH가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 ball-milling을 이용해여 분쇄시킨 lycopene 입자는 nano크기로 크기가 작아져 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 동일한 lycopene 입자를 AsFlFFF로 크기와 크기분포를 측정하였다. 그 결과는 Fig.
위의 문제점을 해결하기 위하여, lycopene을 polymer로 nano-coating하는 분산실험(nanoencapsulation)을 이용하여[17, 29], 대체 가능성을 확인했다. 먼저 Ball- milling을 이용하여 크기를 균일하게 만든 후 asymmetric flow field-flow fractionation (AsFlFFF)을 이용하여 크기를 측정하고 특성분석을 수행하였다.
색소분산액을 만들기 위하여, 증류수, 프로필렌글리콜, 글리세린, 등 3 가지 수용성 용제에 잘 용해되는 유화제를 선택하기 위한 실험을 진행하였다. 실험은 용제 38 mL에 유화제 2 mL을 넣고 교반하였다.
세가지 종류의 수용성 용제인 증류수, 프로필렌글리콜, 글리세린에서의 용해도가 높은 유화제를 선택하기 위하여 Table 1의 유화제들을 이용하여, 각 용제에 대한 용해도를 확인하였다. 혼합 시 유화제가 응집되지 않고 용제에 잘 용해되는 유화제를 선택하였다.
유화제와 증류수를 혼합하여 용액-1을 준비하였고, 치자황색소와 증류수를 혼합하여 용액-2를 준비하였다. 실험1에서는 TR2% NG에 유화제를 넣고 교반하여 Lycopene 색소를 제조하였고, 실험2에서는 실험1 용액에 추가로 치자황색소 용액을 넣고 교반하여 제조하였다. Table 2에 용액 제조에 필요한 g 수를 나타내었다.
실험은 용제 38 mL에 유화제 2 mL을 넣고 교반하였다. 용제에 유화제를 넣고 교반 시 응집 유무를 육안과 OM으로 확인하였다. 그 후 24 시간 후까지 침전물이나 응집물이 생기는지 여부를 확인하였다.
우선 실험에 사용되는 색소들에 대한 분석을 진행하였고 그에 따른 특성을 이용하여 색소에 알맞은 유화제를 선택하였다. 또한 색소입자의 균일한 크기를 재현하기 위해 ball-mill을 이용하였고 이를 통해 작고 균일한 크기를 갖는 색소 입자를 얻을 수 있었다.
위의 문제점을 해결하기 위하여, lycopene을 polymer로 nano-coating하는 분산실험(nanoencapsulation)을 이용하여[17, 29], 대체 가능성을 확인했다. 먼저 Ball- milling을 이용하여 크기를 균일하게 만든 후 asymmetric flow field-flow fractionation (AsFlFFF)을 이용하여 크기를 측정하고 특성분석을 수행하였다.
제조한 색소 분산액의 입자크기를 일정하게 만들기 위하여 Ball-milling(2-places “BML-2”, DAIHAN Scientific Thailand Co., Ltd, Thailand)을 이용하였으며, 제조한 색소 분산액의 물성을 평가하기 위하여 OM, pH meter, DLS, Asymmetric flow - field flow fractionation (As FlFFF, Wyatt Tech, Europe GmbH, Dernbach, Germany), Color meter (CR-400, KONICA MINOLTA, Japan), 등을 이용하였다.
천연색소 TR2%NG에 위에서 선택한 유화제를 각각 다른 양으로 첨가하여 교반한 후, OM으로 분산 상태를 확인하였다.
대상 데이터
육안상으로는 완전 용해가 되었지만 OM결과 대부분 침상형의 입자가 존재하는 것을 확인하였다. 따라서 이 실험에서는 2시간 이내에 녹는 유화제를 기준으로 24시간 이후에도 침전이 생기지 않은 유화제인 Sorvate 20, Sorvate 80, Almax 9081을 최종적으로 선정하였다.
본 연구에 사용된 천연색소는 Lycored사(Be’er Sheva 84102, Iarael)의 TR2% NG와SDBNI(Gyeonggii-do, 445-912, Korea)의 치자황색소를 사용하였으며 용제로는 증류수, 프로필렌글리콜(SDBNI), 글리세린(SDBNI)을 사용하였다. 또한 유화제로는 식품에 사용되는 polysorvate(SDBNI), lecithin(SDBNI), sucrose fatty acid ester(SDBNI), glycerin fatty acid ester(SDBNI)를 사용하였다. Table 1에 실험에 사용한 유화제[30]의 종류 및 HLB값을 간단한 표로 나타내었다.
본 연구에 사용된 천연색소는 Lycored사(Be’er Sheva 84102, Iarael)의 TR2% NG와SDBNI(Gyeonggii-do, 445-912, Korea)의 치자황색소를 사용하였으며 용제로는 증류수, 프로필렌글리콜(SDBNI), 글리세린(SDBNI)을 사용하였다.
세가지 종류의 수용성 용제인 증류수, 프로필렌글리콜, 글리세린에서의 용해도가 높은 유화제를 선택하기 위하여 Table 1의 유화제들을 이용하여, 각 용제에 대한 용해도를 확인하였다. 혼합 시 유화제가 응집되지 않고 용제에 잘 용해되는 유화제를 선택하였다.
성능/효과
또한 ball-milling 시간이 증가함에 따라 좁은 입자 분포를 가지는 것을 확인할 수 있었다. AsFlFFF 결과가 DLS 결과에 비해, 천연색소 크기분포에 관리에 있어서, 더 엄격한 정보를 제공하는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 3과 같이, 안정성을 확인하기 위하여, lycopene crystal을 유화제 용액에 첨가하여 Tipsonication을 이용, 10,000 rpm으로 고속 혼합한 결과, OM상으로 Sorvate 80분산이 다른 유화제에 비해, 가장 안정한 것을 확인하였다.
DLS 입도 분석결과와 비슷한 크기분포를 나타내었다. 그러나, AsFlFFF결과를 살펴보면, lycopene 입자는 ball-milling 전에는 크고 넓은 크기 분포를 가지고 있었지만, ball-milling 후에는 작은 크기를 가지는 것을 좀 더 명확하게 확인할 수 있었다. 또한 ball-milling 시간이 증가함에 따라 좁은 입자 분포를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 ball-milling을 이용해여 분쇄시킨 lycopene 입자는 nano크기로 크기가 작아져 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 동일한 lycopene 입자를 AsFlFFF로 크기와 크기분포를 측정하였다.
그러나, AsFlFFF결과를 살펴보면, lycopene 입자는 ball-milling 전에는 크고 넓은 크기 분포를 가지고 있었지만, ball-milling 후에는 작은 크기를 가지는 것을 좀 더 명확하게 확인할 수 있었다. 또한 ball-milling 시간이 증가함에 따라 좁은 입자 분포를 가지는 것을 확인할 수 있었다. AsFlFFF 결과가 DLS 결과에 비해, 천연색소 크기분포에 관리에 있어서, 더 엄격한 정보를 제공하는 것을 확인할 수 있었다.
위 해석을 기초로 하여 Table 5의 결과를 살펴보면, L, a, b값이 전체적으로 증가하는 것을 보아, 색소 입자의 크기가 작아짐에 따라 색이 밝아지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 분산시간이 길어지면서, 크기가 점점 작아지게 되고, pH 4.0[31]의 산성표면을 띈 lycopene 입자들이 많아지게 됨에 따라, 표면적이 증가하게 되어 점점 pH가 낮아지는 경향을 나타내는 것을 예측할 수 있었다. 이러한 이유로 Ga를 첨가하지 않은 Lyco_15h 에서도 적색도와 황색도가 증가하는 결과를 나타내었다.
따라서, 본 연구를 통하여 개발된 lycopene 색소분산액은 식품, 화장품, 제약산업 등에 다양하게 적용되어 안정성 높은 제품으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, AsFlFFF 결과가 DLS결과에 비해 천연색소 크기분포에 관리에 있어서 더 엄격한 정보를 제공하는 것을 확인할 수 있었다.
프로필렌글리콜의 경우, lecithin과 sucrose fatty acid ester는 육안상으로 응집물 없이 용해되는데 녹는 시간이 2시간 이상 소모되었으며, glycerin fatty acidester에서는 Almax1800, Almax9060, Almax9080, Almax9280은 응집이 되는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 글리세린은Almax9060과 Almax9280은 완전히 용해되는데 2시간 이상 소모되었고 lecithin, sucrose fatty acid ester, Almax1800, Almax9080은 응집이 되는 것을 확인하였다. 육안상으로는 완전 용해가 되었지만 OM결과 대부분 침상형의 입자가 존재하는 것을 확인하였다.
본 연구를 통하여 개발된 천연색소는 염착력이 우수하고, 유화 안정성이 탁월하며, 상용성이 양호하고 색의 밝기가 뚜렷하여 색 구현이 용이한 장점이 있다. 또한, 온도, 빛, pH 및 유기산 등에 의한 색소의 색상변화를 최소화함으로써 다양한 분야에 적용이 가능하고, 인체에 무해하며 입자크기의 균일도가 높아 신뢰성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
마지막으로 글리세린은Almax9060과 Almax9280은 완전히 용해되는데 2시간 이상 소모되었고 lecithin, sucrose fatty acid ester, Almax1800, Almax9080은 응집이 되는 것을 확인하였다. 육안상으로는 완전 용해가 되었지만 OM결과 대부분 침상형의 입자가 존재하는 것을 확인하였다. 따라서 이 실험에서는 2시간 이내에 녹는 유화제를 기준으로 24시간 이후에도 침전이 생기지 않은 유화제인 Sorvate 20, Sorvate 80, Almax 9081을 최종적으로 선정하였다.
후속연구
따라서, 본 연구를 통하여 개발된 lycopene 색소분산액은 식품, 화장품, 제약산업 등에 다양하게 적용되어 안정성 높은 제품으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, AsFlFFF 결과가 DLS결과에 비해 천연색소 크기분포에 관리에 있어서 더 엄격한 정보를 제공하는 것을 확인할 수 있었다.
본 실험의 캡슐화 공정은 유화형 고분자(polymer)가 천연색소 표면층에 잘 흡착되도록 천연색소와 유화제의 친화도가 천연색소와 물의 친화도보다는 높게 조절하는 것이 필요하다. 이때, 유화제를 통한 천연색소와 물의 친화도와의 차이를 조절하지 못하는 경우, 물에 의한 젖음(wetting)이 충분하지 않아 색상구현이 어려울 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천연색소는 무엇인가?
색소에는 인공색소와 천연색소가 [2,3] 있는데 인공색소는 석유 부산물인 콜타르(coal tar)로부터 제조된 합성색소이며, 천연색소는 동·식물로부터 추출하여 만들어지는 천연물질이다. 천연색소는 추출된 원료 물질에 따라 동물성 색소, 식물성 색소, 미생물에서 유래된 색소 등이 있으며 인체에 무해하고 자연스러운 색조로 인하여 식품, 화장품, 제약분야 등에 널리 이용된다.
미분쇄에 해당하는 ball-milling의 장점은 무엇인가?
Ball-milling은 미분쇄에 속하며, 세라믹 공정에서 원료 분말을 미분으로 분쇄하거나 재료배합을 목적으로 가장 많이 사용되는 방법 중 하나이다. 특히 ball-milling은 설치및 운용비용이 저렴하고 다양한 재료를 비교적 쉽게 다룰 수 있다는 장점이 있어 소재 분야 기업 현장에서 널리 채택되고 있다.[17-19] Fig.
식물성 색소가 주목받고 있는 이유는 무엇인가?
하지만 동물성 색소는 알레르기를 유발하거나 식용으로의 거부감 등의 이유로 기피하는 추세에 있어 이러한 동물성 색소를 대신하여 식물성 색소가 주목 받고 있다. 식물성 색소로는 녹색채소 또는 과일에서 추출된 클로로필 색소, 등황색채소 또는 과일에서 추출된 Carotenoid계 색소[9, 10]와 같은 지용성 색소가 있으며, 안토시아닌 색소와 같은 수용성 색소가 있다.
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