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문제 정의
- 따라서, 녹말을 기반으로 한 나노 기술은 새로운 식품소재의 연구 및 개발에 효과적이고 유망한 녹말 변형 기술로 그 영역이 더 넓어질 것으로 예상된다. 따라서 본 고에서는 현재까지 보고된 녹말 나노 입자의 제조 방법들과 이들의 물리화학적 및 기능적 특성에 대해 살펴보고 향후 응용분야에 대해 논의하고자 하였다.
- 본 고에서는 다양한 방법을 이용한 SNP 제조와 그에 따른 물리화학적 특성들을 다루었다. 자연에서 풍부하며 환경적, 경제적이라는 점에서 SNPs에 대한 관심은 앞으로도 계속 될 것으로 기대할 수 있다.
제안 방법
- 감마선 조사는 cross-linking, grafting 및 분해 기술을 통한 중합체를 변형시키는데 편리한 방법이다. 또한 큰 분자들을 더 작게 분해하고 글리코시드 결합을 절단할 수 있는 빠르고 편리한 변형 기술로 제안되었다. 녹말을 기반으로 한 시스템에서, 감마선 조사는 다양한 자유 라디칼을 생성한다(Yu와 Wang, 2007).
성능/효과
- 5% 옥수수 녹말 현탁액을 제조하여 207 MPa의 압력하에서 미세 유동화 챔버에 6회 통과시켰을 때 직경이 약 2-6 μm인 옥수수 녹말 입자는 불균일한 크기 분포로 200 nm까지 감소하였다.
- DSC 열적 특성에서도 이중나선 구조의 ΔH는 감소하여 X선 회절 패턴과 일치하는 결과를 나타냈으며 이를 통해 RS3-SNPs내의 결정영역이 제거된 것임을 확인하였다.
- 결과적으로 효소 가수분해 및 자가 결합 방법은 제조 공정 동안 화학 시약을 사용하지 않아 친환경적인 방법이며, 산 가수분해와 비교했을 때 소요시간이 비교적 짧고 높은 수율의 SNPs를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한, 가수분해 및 self-assembly로 제조된 SNPs의 저항 녹말 또는 완만 소화 녹말의 함량의 증가는 지소화성 또는 난소화성 소재로서의 SNPs의 가능성도 암시한다.
- 더 넓은 ΔT는 debranching을 통해 생성된 단쇄 글루칸의 재결정화로 무정형 영역이 감소하거나 구조에 영향을 주었으며, 이중나선 구조의 ΔH는 천연 녹말과 비교할 때 SNPs에서 유의적인 감소가 있는 것으로 확인되었다.
- 또한, A형 결정구조를 가졌던 수수 녹말의 SNPs는 가수분해와 재결정 과정을 거쳐 5.6, 17.1, 22.5 및 24.3°에서 주요 X선 회절 피크를 갖는 B형 결정 구조를 나타내었다.
- 이러한 크기 감소는 기계적 전단력에 의해 입자 내부의 수소 결합이 파손된 결과에 기인한 것이며, 더불어 결정구조의 부분적 또는 완전한 파괴가 관찰되었다(그림 2J). 또한, 고아밀로스 옥수수 녹말이 B형 결정구조를 가지지만 고압 균질기를 10회 통과시켜 얻은 SNPs의 X선 회절 패턴은 무정형 구조를 나타낸다는 것을 확인하였다. 이에 대한 열적 특성을 DTG(differential thermal gravimetry)를 이용해 조사한 결과, 천연 녹말과 SNPs 모두 260~330℃의 범위에서 질량손실이 발생하였고 시료 간의 유의적인 차이가 없었다고 하였다.
- 로 가수분해 하여 얻은 SNPs 역시 A형 결정구조를 나타내었으며, 약간의 회절강도만이 변한 것을 확인하였다. 또한, 동일한 조건에서 A형 결정구조 녹말과 달리, B형 결정구조 녹말은 피크 강도의 감소가 관찰되어 B형 결정구조 녹말이 산 가수분해에 취약해 일부 결정배열이 파괴되었음을 시사하였다. 이와는 다르게 2.
- 또한, 아밀로스 나노 입자의 ΔH는 원재료 물질인 아밀로스보다 낮은 결과를 나타내어 아밀로스로부터 제조된 아밀로스 나노 입자의 결정구조는 원재료 물질인 아밀로스의 결정구조보다 파괴되기 쉬운 구조라는 것을 확인하였다.
- Le Corre 등(2011)은 작용 기작이 다른 효소(α-amylase, β-amylase와 glucoamylase)로 가수분해 속도와 결정성를 조사하여 전처리에 사용할 효소를 결정하였다. 선택된 효소로 2시간 동안 전처리 한 후 다시 6시간 동안 산 가수분해를 했을 때 산 가수분해만을 24시간 한 경우와 동일한 가수분해 정도를 나타내었다. 이와 유사하게, 산 가수분해 전 효소처리가 찰감자 녹말 SNPs 제조에 효율적이라는 연구가 보고되었다(Hao 등, 2018).
- Dong 등(2015)은 아밀로스 나노 입자 및 일부 건조된 아밀로스 나노 입자의 젤라틴화 특성을 DSC를 이용하여 분석하였다. 아밀로스의 흡열 피크는 64.93~78.58℃에서 나타났으며, 이를 이용하여 제조된 아밀로스 나노 입자의 흡열 피크는 40.18~73.90℃로 나타나 상당히 낮은 온도에서 이중나선 구조의 용융이 진행되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 아밀로스 나노 입자의 ΔH는 원재료 물질인 아밀로스보다 낮은 결과를 나타내어 아밀로스로부터 제조된 아밀로스 나노 입자의 결정구조는 원재료 물질인 아밀로스의 결정구조보다 파괴되기 쉬운 구조라는 것을 확인하였다.
- 이 결과를 통해 SNPs가 녹말의 분해에 관여하는 가장 중요한 효소인 α-amylase의 강력한 억제제가 될 수 있다는 가능성을 보여주었고, 녹말의 소화를 지연시키는 역할을 할 수 있다는 것을 시사하였다. 이 결과를 바탕으로 SNPs는 amylase 기반 효소 활동 제어를 가진 소재로서 제 2형 당뇨병 환자를 도울 수 있으며, 식품 및 의료 응용 분야에서 잠재력이 있음을 알 수 있었다.
- 이 결과를 통해 SNPs가 녹말의 분해에 관여하는 가장 중요한 효소인 α-amylase의 강력한 억제제가 될 수 있다는 가능성을 보여주었고, 녹말의 소화를 지연시키는 역할을 할 수 있다는 것을 시사하였다.
- 이와 유사하게, 산 가수분해 전 효소처리가 찰감자 녹말 SNPs 제조에 효율적이라는 연구가 보고되었다(Hao 등, 2018). 이러한 결과는 효소 전처리에 의해 생성된 균열과 기공이 H2SO4의 침투를 향상 시켜 제조 시간을 감소시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 이와 같이 효소처리는 녹말 나노 입자를 제조하기 위한 주요 방법이 아닌 전처리 단계로써 효용성이 있을 것이며, 다양한 효소를 사용함으로써 선택적 가수분해의 차이에 따라 다양한 특성을 가진 최종 산물들을 얻을 수 있을 것이다.
- Boufi 등(2018)은 전형적인 A형 결정패턴을 나타내는 찰옥수수 녹말을 30분 동안 초음파 처리했을 때, 결정구조의 변화는 없었지만 X선 회절 강도가 감소하였으며 90분 동안 초음파 처리한 경우, X선 회절 피크는 완전히 손실되었다고 하였다. 이로 보아 초음파 처리는 녹말의 결정구조를 강하게 파괴하고 높은 무정형 특성을 갖는 SNPs를 만들 수 있음을 의미한다. Haaj 등(2013)의 연구에서도 A형 결정패턴이었던 일반 및 찰옥수수 녹말은 30분의 초음파 처리 후 모든 X선 회절 피크는 강도가 감소하였으며, 75분 처리를 하였을 경우 10, 15, 18 및 23°에서의 X선 회절 피크가 완전히 사라졌고, 17.
- 또한, 고아밀로스 옥수수 녹말이 B형 결정구조를 가지지만 고압 균질기를 10회 통과시켜 얻은 SNPs의 X선 회절 패턴은 무정형 구조를 나타낸다는 것을 확인하였다. 이에 대한 열적 특성을 DTG(differential thermal gravimetry)를 이용해 조사한 결과, 천연 녹말과 SNPs 모두 260~330℃의 범위에서 질량손실이 발생하였고 시료 간의 유의적인 차이가 없었다고 하였다. 이는 녹말 입자가 미세 유체 챔버를 통과하는 동안 SNPs 또는 녹말 거대 분자 사이의 수소 결합, 반데르발스 힘 및 정전기적 상호 작용 등을 포함한 결합 상호 작용은 매우 강한 기계적 전단력에 의해 파괴되었으며, 이러한 비열 처리 방식은 녹말 자체의 특성을 변화시키지 않기 때문에 SNPs 역시 천연 녹말 특성을 그대로 따르는 것으로 보고되었다(Liu 등, 2009).
후속연구
- 5 중량 %의 농도로 희석하였을 때 분산성이 1개월 이상 안정하게 유지되었다고 하였다(Liu 등, 2009). 고압 균질화 SNPs 현탁액은 유동이 쉽고 분산성이 높기 때문에 포장재 또는 제지 산업에서 응용을 할 수 있을 것이다. 또한, 기계적 전단력에 의해 입자 내부의 수소 결합이 파손을 유도하기 때문에 제조과정에서 polysaccharide, gum, fatty acid 및 plasticizer를 첨가한다면 초고압 균질 처리만으로도 이들과 새롭게 결합된 물질을 만들 수 있을 것이다.
- 또한 SNPs의 난소화성은 최근 건강 문제와 난소화성 또는 지소화성 소재에 대한 관심의 증가에 발맞춰 비만, 당뇨와 같은 질병의 위험을 낮추는 소재로 사용될 수 있을 것으로 보인다. 끝으로, 새로운 유형의 변성 녹말인 SNPs에 대한 지속적인 연구는 이들의 응용 범위를 넓게 하고 더 세분화 된 이용을 가능하게 할 것이다.
- 초음파 처리 시 초음파 주파수, 온도 및 처리 시간의 특성과 같은 많은 변수에 의존하고 그에 따라 크기나 결정특성이 달라지게 된다. 따라서 처리 조건에 따라 크기나 결정 파괴 간의 경향성을 조사하여 mapping 한다면 다양한 결정성을 가진 소재 개발 조건을 구축할 수 있을 것이다.
- 이 방법은 친수성 및 친유성 혼합 용액상에서 제조하기 때문에 SNPs 자체가 emulsion에 안정된 특성을 가지고 있을 것이라 생각된다. 따라서, emulsion-crosslinking형 SNPs는 emulsion의 상분리를 억제시키는 안정제로 사용될 수 있을 것이다.
- 현재, SNPs가 제품화 된 경우는 BioTRED와 Eco-sphere TM의 경우만이 보고되었지만 여러 연구들은 포장재, 충전제, 약물 전달체 및 안정제와 같이 다양한 분야에서 SNPs의 잠재적인 가능성을 언급하고 있다. 또한 SNPs를 다른 소재들과 혼용함으로써 물리적 성질뿐 만 아니라 합성물의 생분해성을 향상 시킬 수 있다고 알려지면서 식품, 화장품 및 의약품 산업에서 그 쓰임이 더 활발해 질 것으로 생각된다. 넓은 표면적, 높은 열 안정성, 분산성과 투과도가 향상된 일부 SNPs는 천연 녹말이 가진 한계성을 극복하고 식품첨가제처럼 직접 식품에 적용하는 것뿐만 아니라 포장재와 같이 식품 외부 소재로서 사용될 잠재성이 충분하다.
- 넓은 표면적, 높은 열 안정성, 분산성과 투과도가 향상된 일부 SNPs는 천연 녹말이 가진 한계성을 극복하고 식품첨가제처럼 직접 식품에 적용하는 것뿐만 아니라 포장재와 같이 식품 외부 소재로서 사용될 잠재성이 충분하다. 또한 SNPs의 난소화성은 최근 건강 문제와 난소화성 또는 지소화성 소재에 대한 관심의 증가에 발맞춰 비만, 당뇨와 같은 질병의 위험을 낮추는 소재로 사용될 수 있을 것으로 보인다. 끝으로, 새로운 유형의 변성 녹말인 SNPs에 대한 지속적인 연구는 이들의 응용 범위를 넓게 하고 더 세분화 된 이용을 가능하게 할 것이다.
- 고압 균질화 SNPs 현탁액은 유동이 쉽고 분산성이 높기 때문에 포장재 또는 제지 산업에서 응용을 할 수 있을 것이다. 또한, 기계적 전단력에 의해 입자 내부의 수소 결합이 파손을 유도하기 때문에 제조과정에서 polysaccharide, gum, fatty acid 및 plasticizer를 첨가한다면 초고압 균질 처리만으로도 이들과 새롭게 결합된 물질을 만들 수 있을 것이다.
- 이 방법은 외부에너지가 아닌 분자들 간의 상호작용으로 형성되어 열역학적 안정성이 있기 때문에 열에 대한 가역성을 관찰 할 수 있으며 이는 지속 가능한 소재(sustainable material)로 광범위하게 사용될 수 있을 것이다. 또한, 입자 내부에 약물이 주입된 wall material 역할로서 약물 전달 시스템에서도 다양하게 응용 될 것이라 기대한다.
- 또한 A형 결정성을 가진 옥수수 녹말은 압출에 의해 SNPs가 고온 및 높은 전단력에 노출되어 X선 회절분석기로 분석하였을 때 회절도 15, 18 및 23°의 피크가 완전히 사라졌으며 17°에서 작은 피크만이 발견되어 열과 전단력의 조합이 SNPs의 결정구조에 변화를 일으킨다는 것을 시사하였다(Song 등, 2011). 열과 전단력에 의해 결정성은 파괴되면서 입자의 크기를 축소시킬 수 있는 방법으로 압출성형기의 면적 및 크기를 조절할 수 있다면 SNPs 제조와 동시에 나노 필름을 제조할 수 있으며, 이를 나노 포장재 또는 filler로 활용할 수 있을 것이다.
- 또한, 가수분해 및 self-assembly로 제조된 SNPs의 저항 녹말 또는 완만 소화 녹말의 함량의 증가는 지소화성 또는 난소화성 소재로서의 SNPs의 가능성도 암시한다. 이 방법은 외부에너지가 아닌 분자들 간의 상호작용으로 형성되어 열역학적 안정성이 있기 때문에 열에 대한 가역성을 관찰 할 수 있으며 이는 지속 가능한 소재(sustainable material)로 광범위하게 사용될 수 있을 것이다. 또한, 입자 내부에 약물이 주입된 wall material 역할로서 약물 전달 시스템에서도 다양하게 응용 될 것이라 기대한다.
- 이는 입자의 질량 및 크기가 충분히 작기 때문에 브라운 운동에서도 안정되고 균일한 분산을 형성한 것으로 생각된다. 이 방법은 재료의 손실 없이 많은 양의 수율을 얻을 수 있을 것이며 감마선 처리에 의해 호화가 되었지만 분산성에 있어서 안정화된 특성을 가지고 있기 때문에 기존의 녹말보다 수화에 있어서 개선된 소재로 이용될 수 있을 것이다.
- 이러한 결과는 효소 전처리에 의해 생성된 균열과 기공이 H2SO4의 침투를 향상 시켜 제조 시간을 감소시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 이와 같이 효소처리는 녹말 나노 입자를 제조하기 위한 주요 방법이 아닌 전처리 단계로써 효용성이 있을 것이며, 다양한 효소를 사용함으로써 선택적 가수분해의 차이에 따라 다양한 특성을 가진 최종 산물들을 얻을 수 있을 것이다.
- 본 고에서는 다양한 방법을 이용한 SNP 제조와 그에 따른 물리화학적 특성들을 다루었다. 자연에서 풍부하며 환경적, 경제적이라는 점에서 SNPs에 대한 관심은 앞으로도 계속 될 것으로 기대할 수 있다. 앞서 언급한 방법 외에도 다양한 방법으로 SNPs가 개발되고 있으며 많은 특허와 연구들이 보고되고 있다.
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