KR102505099B1 - 생체고분자 분자구조의 꼬임 및 풀림을 이용한 미세물질 포집 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체고분자 분자구조의 꼬임 및 풀림을 이용한 미세물질 포집 방법에 관한 것으로, 구체적으로 환경의 변화에 따라 분자구조의 꼬임정도 또는 풀림정도가 달라지는 생체고분자를 이용하여, 분자구조가 풀어진 생체고분자에 미세물질을 접촉시키고 상기 생체고분자의 분자구조가 꼬여지도록 하여 상기 미세물질을 상기 생체고분자에 엮는 것을 특징으로 하는 미세물질 포집 방법 및 이를 이용하는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 미세물질 포집 방법 또는 미세물질 포집용 조성물을 사용하면 미세물질, 특히 미세먼지를 효과적으로 포집할 수 있다. 특히, 인체의 피부에 적용할 경우 미세먼지가 피부에 침착하는 것을 효과적으로 방지하거나 이미 침착된 미세먼지 또한 효과적으로 제거할 수 있고, 미생물에 대한 포집 효과도 우수하여 보건 위생에도 적용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 미세물질 포집체 제조 방법을 사용하면 특히 본 발명의 미세물질 포집 방법을 적용하거나 또는 미세물질 포집용 조성물의 유효성분으로 사용하기에 적합한 포집 효과가 우수한 포집체를 제조할 수 있다.

Description

생체고분자 분자구조의 꼬임 및 풀림을 이용한 미세물질 포집 방법{Method for capturing fine material using twisting and untwisting of biopolymer molecular structure}

본 발명은 생체고분자 분자구조의 꼬임 및 풀림을 이용한 미세물질 포집 방법에 관한 것으로, 구체적으로 환경의 변화에 따라 분자구조의 꼬임정도 또는 풀림정도가 달라지는 생체고분자를 이용하여, 분자구조가 풀어진 생체고분자에 미세물질을 접촉시키고 상기 생체고분자의 분자구조가 꼬여지도록 하여 상기 미세물질을 상기 생체고분자에 엮는 것을 특징으로 하는 미세물질 포집 방법 및 이를 이용하는 기술에 관한 것이다.

최근 대기 중의 미세물질, 즉 미세먼지의 농도가 증가하면서 현대인들의 건강을 위협하고 있다. 이에 미세먼지로 인한 피해를 줄이기 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.

먼지란 대기 중에 떠다니거나 흩날려 내려오는 입자상 물질을 말하는데, 석탄, 석유 등의 화석연료를 태울 때나 공장, 자동차 등의 배출가스에서 많이 발생한다. 먼지는 입자의 크기에 따라 50㎛ 이하인 총먼지(TSP, Total Suspended Particles)와 입자크기가 매우 작은 미세먼지(PM, Particulate Matter)로 구분한다. 미세먼지는 다시 지름이 10㎛보다 작은 미세먼지(PM10)와 지름이 2.5㎛보다 작은 미세먼지(PM2.5)로 나뉜다. 극미세먼지는 PM0.1, 나노먼지는 PM0.05로 표시한다. 대체로 PM2.5는 PM10량의 50 ~ 70%가 된다.

미세먼지의 성분은 검댕, 황산염, 질산염, 금속류, 유기물 등으로 연구 조사되어 있다. 이들 물질들은 단독으로 먼지를 형성하는 것도 있지만, 대부분은 서로 결합하여 복합물 구조를 갖는다(도 1 참조).

미세먼지는 피부, 눈, 호흡기를 통해서 침입하여 침착되거나, 나아가 혈액을 통해 전신으로도 분포된다. 미세먼지가 주로 축적되는 신체 장기는 피부, 눈, 조직 세포 표면, 세포막 또는 세포질, 지방층이 된다(도 2 참조).

미세먼지는 환경에도 악영향이 있으나 인체 침착 또는 인체 내 침투 시 인체 건강에 대한 영향은 심장과 폐질환에 의한 조기 사망, 비 치명적인 심장 발작, 불규칙적인 심박동, 천식 악화, 폐기능 감소, 그리고 기침 및 호흡곤란 등의 호흡기 증상으로 보고되어 있다.

미세먼지의 피부 침투 방식을 살펴보면, 모낭, 피부 상처, 또는 기관지를 통해서 신체 속으로 침투하여 염증을 일으킨다(도 3 참조).

한편 생체조직은 미세먼지에 대해, 특히 지용성 PM10에 대해 염증 발현이 PM2.5보다 더욱 심하며, 극미세먼지에 대해서는 염증 발현이 있으나 그 정도에 대해서는 계속 연구 중이다. 또한 인체의 미세먼지에 대항하는 작용은 면역반응으로 임파구의 생성을 촉진시켜 침투한 미세먼지를 배출시키는 작용도 있다.

이렇게 미세먼지의 체내 침투로 인한 심각한 문제를 방지하기 위해 신체에 접촉하기 전의 단계에서 미세먼지를 차단하는 기술, 예를 들어 공기 중의 미세먼지를 포집하는 기술도 중요하지만, 이미 신체에 접촉된 미세먼지를 제거하거나 미세먼지가 신체의 표면으로부터 체내로 침투하는 것을 방지하기 위한 기술 또한 매우 중요하다. 그리고 이를 위해서는 특히 인체에 안전하게 적용할 수 있어야 하며 일상적인 생활용품에 적용할 수 있어 그 효용성을 높일 필요가 있다.

Platinum Metals Rev., 2009, 53, (1), 27. Biomed Res Int. 2013;2013:279371. Journal of Dermatological Science, Volume 91, Issue 2, August 2018, Pages 175-183.

본 발명의 주된 목적은 생체 유래의 물질을 이용하여 미세물질, 특히 미세먼지를 효과적으로 포집할 수 있어, 특히 인체의 피부에 적용하였을 때 미세물질이 침착하는 것을 방지하거나 미세물질을 쉽게 제거할 수 있도록 하는 미세물질 포집 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 미세물질 포집 방법을 적용하기 위한 미세물질 포집용 조성물을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 미세물질 포집 방법을 적용하기 위한, 또는 상기 미세물질 포집용 조성물의 유효성분으로 사용하기 위한 미세물질 포집체의 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 환경의 변화에 따라 분자구조의 꼬임정도 또는 풀림정도가 달라지는 생체고분자를 이용하여, 분자구조가 풀어진 생체고분자에 미세물질을 접촉시키고 상기 생체고분자의 분자구조가 꼬여지도록 하여 상기 미세물질을 상기 생체고분자에 엮는 것을 특징으로 하는 미세물질 포집 방법을 제공한다.

본 발명의 미세물질 포집 방법에 있어서, 상기 생체고분자는 베타글루칸이고, 상기 분자구조의 꼬임 및 풀림은 pH의 변화에 의한 것임이 바람직하다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 환경의 변화에 따라 분자구조의 꼬임정도 또는 풀림정도가 달라지는 생체고분자를 유효성분으로 함유하되, 상기 생체고분자의 분자구조가 풀어지는 환경을 이루는 것을 특징으로 하는 미세물질 포집용 조성물을 제공한다.

본 발명의 미세물질 포집용 조성물에 있어서, 상기 생체고분자는 베타글루칸이고, 상기 분자구조가 풀어지는 환경은 pH 5 이하의 산성 환경인 것임이 바람직하다.

본 발명의 미세물질 포집용 조성물에 있어서, 상기 조성물은 신체 표면의 미세먼지를 포집하여 미세먼지의 침착을 방지하거나 제거하기 위한 용도인 것이 바람직하다.

본 발명의 미세물질 포집용 조성물에 있어서, 상기 조성물은 크림, 로션, 파운데이션, 비누, 샴푸, 치약, 가글 또는 마스크팩의 제형인 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 환경의 변화에 따라 분자구조의 꼬임정도 또는 풀림정도가 달라지는 생체고분자를 포함하는 생물 재료로부터 상기 생체고분자를 추출하되, 상기 생체고분자의 분자구조가 풀어지는 환경을 조성하고 상기 생물 재료의 다른 성분으로부터 상기 생체고분자를 분리하여 수득하는 것을 특징으로 하는 미세물질 포집체 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 미세물질 포집체 제조 방법에 있어서, 상기 생체고분자는 베타글루칸이고, 상기 생물 재료는 버섯이고, 상기 분자구조가 풀어지는 환경은 pH 5 이하의 산성 환경인 것이 바람직하다.

본 발명의 미세물질 포집 방법 또는 미세물질 포집용 조성물을 사용하면 미세물질, 특히 미세먼지를 효과적으로 포집할 수 있다. 특히, 인체의 피부에 적용할 경우 미세먼지가 피부에 침착하는 것을 효과적으로 방지하거나 이미 침착된 미세먼지 또한 효과적으로 제거할 수 있고, 미생물에 대한 포집 효과도 우수하여 보건 위생에도 적용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 미세물질 포집체 제조 방법을 사용하면 특히 본 발명의 미세물질 포집 방법을 적용하거나 또는 미세물질 포집용 조성물의 유효성분으로 사용하기에 적합한 포집 효과가 우수한 포집체를 제조할 수 있다.

도 1은 미세먼지(특히 자동차에서 배출되는 미세입자)의 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 호흡으로 인해 침투하는 미세먼지의 크기 및 타겟이 되는 신체 장기를 나타낸 것이다.
도 3은 미세먼지의 침투 방식을 나타낸 것이다.
도 4는 단백질, 핵산, 전분 등 헬릭스 구조를 갖는 생체고분자의 헬릭스 구조 및 수퍼헬릭스 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 생체고분자의 수퍼헬릭스구조 및 일반헬릭스구조 사이의 전환을 나타낸 것이다.
도 6은 다른 물질과 결합한 상태로 존재하는 수퍼헬릭스 구조의 생체고분자가 코일형 단분자로 해체되거나 반대로 코일형 단분자에서 수퍼헬릭스 구조로 전환되는 과정을 나타낸 것이다.
도 7은 미세먼지가 생체고분자에 엮어지는 방식을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 생체고분자(베타글루칸)가 미세물질을 엮는 원리 및 응용범위를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 차가버섯을 사용하여 베타글루칸을 추출하는 과정 중 pH의 환경 차이에 따른 추출 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 수퍼헬릭스 구조 형성을 유도한 생체고분자(베타글루칸)의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 생체고분자(베타글루칸)로 수용성 안토시아닌을 포집하는 실험의 결과이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 생체고분자(베타글루칸)로 지용성 금잔화 추출물을 포집하는 실험의 결과이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 생체고분자(베타글루칸)로 약 1㎛ 크기의 유산균을 포집하는 실험의 결과이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따라 생체고분자(베타글루칸)로 미세먼지 또는 유산균을 포집하는 실험의 결과이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따라 생체고분자(베타글루칸)의 미세먼지 피부 침착 방지 효과를 실험한 결과이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따라 생체고분자(베타글루칸)의 피부 미세먼지 제거 효과를 실험한 결과이다.

헬릭스 구조는 단백질, 핵산, 전분 등의 생체고분자가 취하는 나사모양의 구조이며, 수퍼헬릭스 구조는 여러 단위 헬릭스 구조물이 다시 여러 겹으로 형성된 헬릭스 구조이다(도 4 참조).

DNA의 이중나선(Double Helix)으로 유명한 구조인 헬릭스 구조는 단백질 분자 내에서 부분적으로 존재하며, 프로테오글리칸과 갑각류의 키틴으로부터 가공된 키토산에서는 여러 겹의 헬릭스 상태로, 곡류, 박테리아, 효모 및 버섯 등에서 발견되는 베타글루칸, 동물의 모발 성분인 케라틴, 동물의 여러 조직에서 발견되는 콜라겐은 3중 나선(Triple Helix) 헬릭스 구조 및 수퍼헬릭스 구조로 존재한다. 프로테오글리칸과 키토산은 헬릭스 구조를 갖고 있으나 분자간 응집작용으로 거대분자가 되고, 이와는 다르게 DNA, 베타글루칸, 케라틴 및 콜라겐은 분자간, 헬릭스간 수소결합을 통하여 수퍼헬릭스를 형성한다.

본 발명자가 발견한 생체고분자의 수퍼헬릭스 구조의 특징은, 케라틴은 알칼리 상태에서, 베타글루칸 및 콜라겐은 산성 상태에서 그 수퍼헬릭스 구조가 해체되어 코일형 단분자로 되며, 반대의 액성에서는 헬릭스, 나아가 여러 겹의 수퍼헬릭스 구조로 발전하는 것이다(도 5 참조). 그리고 프로테오글리칸과 키토산은 산성 상태에서 응집되며 알칼리 상태에서 해리된다.

천연 상태에서 다른 물질이 엮어진 상태로 존재하는 수퍼헬릭스 및 응집체는 특정한 조건에서 싱글헬릭스 구조 및 코일형 단분자가 되면서 엮여진 물질을 방출하며, 다시 헬릭스 나아가 수퍼헬릭스 구조 및 응집체가 될 때에는 주변의 다른 물질을 엮게 된다(도 6 참조).

이러한 구조 변형시의 특징을 이용하여 천연 상태에서의 다른 물질을 엮은 수퍼헬릭스 구조를 해체시켜 엮여진 물질이 없는 싱글헬릭스 또는 코일형 단분자를 미세먼지에 접근시키고 수퍼헬릭스 구조를 형성하게 하면 미세먼지를 엮을 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 피부 내지 호흡기에 접근하는 미세먼지를 수퍼헬릭스에 엮으면 미세먼지의 침착을 방지할 수 있으며, 침착된 미세먼지라도 수퍼헬릭스에 엮어서 닦아내면 침착된 미세먼지를 제거할 수 있게 된다.

본 발명의 응용과 관련하여 특히 미세먼지의 유입경로에서의 pH는 중요한 사안이다. 인체에서 비강과 기관지는 약 알카리인 pH 7.4를 항상 유지하는 항상성이 있으며, 피부는 pH5.5로 약산성으로 항상성을 유지한다. 비강과 기관지는 탄산염을 갖는 체액량을 조절하여 pH 7.4를 유지하며, 피부는 땀의 염류와 물, 그리고 피지의 지방산으로 pH 5.5 항상성을 유지한다. 또한 비강과 기관지의 코털과 섬모는 외부 불순물의 여과 흡착 또는 배출의 기능으로 비강과 기관지를 보호하기도 한다.

이러한 인체의 방어 능력을 도와서 베타글루칸을 포함한 생체고분자의 pH에 따른 헬릭스 구조의 전환과, 특히 수퍼헬릭스 구조로 변환 시 주변물질들을 엮어서 복합헬릭스가 되고, 나아가 더욱 거대한 수퍼헬릭스가 되는 특징은 인체세포에 직접적인 침착방지 또는 침착된 미세먼지의 제거에 효과적으로 활용될 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 미세먼지와 생체고분자의 결합방식을 살펴보면, 헬릭스가 형성될 때 미세먼지가 끼여서 결합물이 되고, 이 결합물이 서로 엉기어 더욱 큰 구조가 된다(도 7 참조).

이러한 특성의 효율을 최대화하기 위해서는 베타글루칸을 포함한 생체고분자가 이물질과 엮어지지 않은 상태로 정제되어야 한다. 다른 물질과 많이 엮어진 상태의 생체고분자는 그 자체로는 다른 물질들을 엮는 능력이 떨어지기 때문이다. 그러므로 경합물이 최소화되고 코일형 또는 싱글헬릭스 상태의 생체 고분자 물질의 제조 방법 또한 매우 중요하다.

베타글루칸을 포함하여 상기와 같은 대표적인 생체고분자를 살펴보면 다음과 같다.

베타글루칸은 곡류의 겉 껍질이나 버섯의 세포막을 견고하게 유지하는 물질로서 단당류가 베타 1-3 결합을 주축으로 하고 중간에 베타 1-6 결합을 하고 있는 분자량 150,000 내지 500,000Da의 다당류 고분자이다. 실제 생체 내에서는 단백질과 다른 여러 종류의 저분자 물질이 엮여져 있다.

콜라겐은 대략 300,000Da의 경(硬)단백질의 하나로써 동물의 결합 조직의 주성분으로 뼈, 피부 등에 존재한다. 트리플 헬릭스구조를 이루고 있는 생체고분자로서 여러 가지 유형이 있다.

황산콘드로이친은 연골을 형성하는 일종의 황산화된 점성 단백질로서 N-아세틸글루코사민(N-acetylgalactosamine)과 글루쿠론산(glucuronic acid)을 기본 단위로 하며 평균 분자량은 약 15000 ~ 30,000Da으로 유사한 구조를 갖는 점성 단백질들처럼 대체로 2중, 4중, 8중의 헬릭스 구조로 존재한다.

케라틴은 머리카락과 같은 체모, 동물의 뿔, 그리고 손톱, 발톱 등에 존재하는데, 이러한 케라틴은 보통 이황화 결합에 의해 물리적으로 단단한 구조를 형성하고 있다. 인체의 케라틴은 대략 44000 ~ 66,000Da의 분자량으로서 대체로 트리플헬릭스 구조를 갖는다.

키틴(chitin) 또는 갑각소(甲殼素)는 N-아세틸글루코사민이 긴 사슬 형태로 결합한 중합체다당류이다. 절지동물의 단단한 표피, 연체동물의 껍질, 균류의 세포벽 따위를 이루는 중요한 구성 성분이다. 식물의 세포는 셀룰로스라는 세포벽을 갖는 반면, 균류의 세포벽에는 게나 새우 등의 껍질에 포함되어 있는 키틴질의 딱딱한 성분을 포함한다. 키틴을 알칼리 등으로 처리하여 비교적 저분자화한 것을 키토산이라 하며, 키토산의 평균분자량은 3800 ~ 20,000Da이다. 키토산도 헬릭스 구조를 갖는다.

이들 생체고분자는 다른 물질들이 엮어진 수퍼헬릭스 구조로 존재하여 세포 내에서의 견고성과 탄력성을 유지한다.

대표적으로 베타글루칸에 대한 실험결과를 통해 설명하면 산성 용매에서는 랜덤코일(Random Coil) 구조에서 알칼리 용액에서는 헬릭스 구조로 꼬여지며 더 강한 알칼리에서는 수퍼헬릭스 구조로 변환된다. 그리고 용액 중에 저분자 물질이 있는 경우 헬릭스 구조로 전환될 때 그 구조에 저분자 물질이 끼어져서 초기의 1차 결합체가 만들어진다. 그 후 구조 전환이 발전되면서 수퍼헬릭스 구조가 되어지면서 더욱 많은 저분자 물질이 끼는 복합체가 된다.

베타글루칸의 구조 변화의 특성 중 다른 하나는 수용액이 아닌 에탄올, 메탄올, 아세톤 등의 유기 용매에서도 구조변화가 이루어져서 저분자 물질을 끼워서 수퍼헬릭스 구조로 변화된다. 이때, 유기용매의 농도를 서서히 증가시키면 수퍼헬릭스 구조가 서서히 형성된다. 이때에 끼워지는 물질의 양은 베타글루칸과 거의 같은 무게 이상이 된다. 즉, 고농도의 물질 복합체가 되는 것이다.

이러한 특성을 활용하여 수용성 미세먼지 뿐만이 아니라 난용성 미세먼지도 그 헬릭스 구조에 끼워 넣을 수 있는 것이다.

지금까지의 미세먼지 제거방법은 환경보호차원에서 집진, 여과, 전기화학적인 방법으로 미세먼지 배출량을 감소시키는 것이 많이 소개되어 있으나, 건겅보호 측면의 기술로는 마스크를 이용한 여과방식이 주를 이룬다.

본 발명에 유사한 기술로서는 점성이 있는 천연 추출물과 소염 작용이 있는 첨가물을 넣은 화장품이 있다. 그러나 이러한 방법은 점성이 있는 물질을 피부에 도포함으로써 미세먼지의 피부 침착을 방지하고 소염제로써 염증을 예방하는 것으로, 본 발명과는 상당한 차이가 있다.

본 발명의 기술은 지용성이든, 수용성이든 분자상태의 저분자까지도 베타글루칸 등의 생체고분자 헬릭스 구조에 끼워 넣어 분자량 수백만 수천만 Da의 수퍼헬릭스 안에 엮어서 물리화학적으로 피부층을 통과할 수 없게 한다는 점에서도 독창성이 있다.

본 발명의 기술은 평균크기 약 150 ~ 170 나노크기의 코일형 또는 싱글헬릭스로 피부 깊은 곳에 있는 미세먼지, 극미세먼지도 결합하여 수퍼헬릭스를 형성시킬 수 있으므로 이미 침착된 미세먼지의 제거도 용이하게 한다.

본 발명자가 발견한 수퍼헬릭스 구조의 특징을 설명하면, 케라틴 및 점성단백질의 수퍼헬릭스는 알칼리 상태에서, 베타글루칸, 콜라겐, 키토산 등의 수퍼헬릭스는 산성에서 그 수퍼헬릭스 구조가 해체되어 코일형 단분자가 된다. 또한 베타글루칸은 산성조건에서는 엮여져 있는 물질이 최소화된 랜덤코일 상태로 추출되고, 알칼리 조건에서는 엮어진 물질이 포함된 복합체(complex) 형태로 추출되나, 알칼리 조건에서 추출했더라도 산성 조건을 조성하면 엮어진 물질이 최소화된 랜덤코일 형태로 변화될 수 있다. 또한, 베타글루칸은 랜덤코일 구조에서 헬릭스 구조로 변화될 시 주변물질을 엮으며 이어서 수퍼헬릭스 구조가 된다. 수퍼헬릭스 구조는 알칼리 조건이나 수분활성도가 감소되는 조건, 즉 유기용매 농도가 증가하거나 건조 시에는 이 수퍼헬릭스 구조가 더욱 커지면서 더 많은 주변 물질을 엮을 수 있다. 산성 조건이 되면 이 수퍼헬릭스 구조가 풀어져서 엮어진 물질들을 방출할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 미세먼지를 베타글루칸에 끼워 넣을 수 있어서 침착 방지 및 침착된 미세먼지를 제거할 수 있게 되는 것이다. 아울러 랜덤코일 상태의 베타글루칸을 이용하여 노폐물, 독소, 병균 등을 세정하는데에도 활용할 수 있다.

상기와 같은 원리를 바탕으로, 본 발명은 환경의 변화에 따라 분자구조의 꼬임정도 또는 풀림정도가 달라지는 생체고분자를 이용하여, 분자구조가 풀어진 생체고분자에 미세물질을 접촉시키고 상기 생체고분자의 분자구조가 꼬여지도록 하여 상기 미세물질을 상기 생체고분자에 엮는 것을 특징으로 하는 미세물질 포집 방법을 제공한다.

본 발명의 미세물질 포집 방법에서 상기 생체고분자는 예컨대 베타글루칸, 콜라겐, 황산콘드로이친, 케라틴, 키틴 또는 이들의 임의의 조합일 수 있으며, 바람직하게는 베타글루칸이다.

본 발명의 미세물질 포집 방법에서 분자구조의 꼬임 또는 풀림은 pH, 온도, 수분활성도 등의 환경 변화에 따라 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 pH의 변화에 따라 이루어진다. 예를 들어, 상기 생체고분자가 베타글루칸인 경우, 베타글루칸이 포함된 용액의 pH를 낮추어(예컨대 pH 5 이하) 산성화하면 분자구조가 풀어진 상태를 만들 수 있고, 이에 비해 상대적으로 pH를 높여 중성화 또는 알칼리화하면 분자구조가 꼬여진 상태를 만들 수 있다.

본 발명의 미세물질 포집 방법에서 상기 꼬임은 풀림에 대한 상대적인 개념으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 헬릭스 구조에서 수퍼헬릭스 구조로 되는 것, 싱글헬릭스 구조에서 2중 또는 3중 이상의 다중 헬릭스 구조로 되는 것이 꼬임에 해당될 수 있다.

본 발명의 미세물질 포집 방법에서 상기 미세물질은 미세먼지, 색소 등의 화합물, 미생물, 바이러스 등을 포함하며, 바람직하게는 미세먼지이고, 보다 바람직하게는 입자의 평균 지름이 10㎛ 이하인 미세먼지이고, 보다 바람직하게는 입자의 평균 지름이 2.5㎛ 이하, 0.1㎛ 이하 또는 0.05㎛ 이하인 미세먼지이다.

본 발명은 또한 상기 미세물질 포집 방법을 적용하기 위한 조성물로, 환경의 변화에 따라 분자구조의 꼬임정도 또는 풀림정도가 달라지는 생체고분자를 유효성분으로 함유하되, 상기 생체고분자의 분자구조가 풀어지는 환경을 이루는 것을 특징으로 하는 미세물질 포집용 조성물을 제공한다.

본 발명의 미세물질 포집용 조성물에서 생체고분자, 분자구조의 풀림 또는 꼬임, 미세물질 등에 관한 사항은 상기 미세물질 포집 방법에서 제시된 것과 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명의 미세물질 포집용 조성물에서 분자구조가 풀어지는 환경은 예를 들어 생체고분자가 베타글루칸인 경우 베타글루칸이 포함된 용액의 pH가 5 이하, 4 이하, 3 이하 또는 2 이하인 산성 환경일 수 있다.

본 발명의 미세물질 포집용 조성물, 특히 생체고분자가 베타글루칸이고 상기와 같은 pH 조건의 산성 환경으로 조성되는 조성물을 특히 신체 표면의 미세먼지를 포집하여 미세먼지의 침착을 방지하거나 제거하기 위한 용도로 사용하면 보다 효과적인 적용이 가능하다. 실제로 본 발명자는 본 발명의 조성물이 피부에 도포된 후 미세먼지가 접촉될 경우 이 미세먼지를 포집하여 피부에 침착하지 않도록 하며, 또한 미세먼지가 피부에 접촉된 이후 본 발명의 조성물이 피부에 도포될 경우 피부 표면 뿐만 아니라 피부의 틈 사이에 존재하는 미세먼지를 포집하여 쉽게 씻겨질 수 있도록 한다는 것을 확인하였다. 따라서 본 발명의 조성물은 특히 크림, 로션, 파운데이션 등과 같은 피부에 접촉하여 유지되는 형태로 제형화하여 적용될 경우 피부에 접촉하는 미세먼지를 포집하여 미세먼지의 피부 침착을 효과적으로 방지할 수 있고, 또한 특히 비누, 샴푸, 치약, 가글, 마스크팩 등과 같이 피부에 접촉하였다가 제거되는 형태로 제형화하여 적용될 경우 피부에 침착된 미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있다. 본 발명의 미세물질 포집용 조성물은 바람직하게는 화장료 조성물이다.

본 발명은 또한 상기 미세물질 포집 방법을 적용하기 위한, 또는 상기 미세물질 포집용 조성물의 유효성분으로 사용하기 위한 포집체의 제조 방법으로, 환경의 변화에 따라 분자구조의 꼬임정도 또는 풀림정도가 달라지는 생체고분자를 포함하는 생물 재료로부터 상기 생체고분자를 추출하되, 상기 생체고분자의 분자구조가 풀어지는 환경을 조성하고 상기 생물 재료의 다른 성분으로부터 상기 생체고분자를 분리하여 수득하는 것을 특징으로 하는 미세물질 포집체 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 미세물질 포집체 제조 방법에서, 생체고분자, 분자구조가 풀어지는 환경, 미세물질 등에 관한 사항은 상기 미세물질 포집 방법 또는 상기 미세물질 포집용 조성물에서 제시된 것과 동일하게 적용될 수 있다.

따라서 본 발명의 미세물질 포집체 제조 방법에서, 상기 생물 재료는 상기 생체고분자, 즉 베타글루칸, 콜라겐, 황산콘드로이친, 케라틴, 키틴 또는 이들의 임의의 조합을 함유하는 생물 재료일 수 있다. 예를 들어, 상기 생물 재료는 베타글루칸을 함유하는 곡류의 겉 껍질 또는 버섯일 수 있으며, 콜라겐을 함유하는 동물의 뼈 또는 피부일 수 있으며, 황산콘드로이친을 함유하는 동물의 연골일 수 있으며, 케라틴을 함유하는 동물의 체모, 뿔, 손톱 또는 발톱일 수 있으며, 키틴을 함유하는 절지동물의 단단한 표피, 연체동물의 껍질 또는 균류의 세포벽일 수 있다. 바람직하게는 버섯이다.

본 발명의 미세물질 포집체 제조 방법에서, 생체고분자의 추출을 위해 생물 재료의 종류에 따른 기존 통상의 추출 방법이 활용될 수 있다. 예를 들어, 버섯으로부터 용매를 사용하여 베타글루칸을 추출하는 기존의 베타글루칸 추출 방법을 사용하되, 버섯과 용매를 혼합하고 pH를 5 이하로 조절하여 추출하는 방법일 수 있으며, 또는 기존의 추출 방법에 따라 베타글루칸을 추출한 다음 추출된 베타글루칸에 용매를 첨가하고 pH를 5 이하로 조절한 후 베타글루칸에 엮여 있는 다른 성분을 분리해 내는 방법이 추가된 형태일 수 있다. 베타글루칸을 분리하는 기존의 기술은 예를 들어 Wenyan Leong 등(Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, Volume 146, 1 October 2016, Pages 334-342)에 의해 소개된 것이다.

본 발명의 미세물질 포집체 제조 방법에서, 상기 분리, 즉 생물 재료의 다른 성분으로부터 생체고분자를 분리하는 것은 물질의 비중, 크기, 용해도 등의 차이를 이용한 통상의 분리방법을 이용한 것, 예를 들어 여과 또는 원심분리를 이용한 것일 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.

[실시예]

1. 베타글루칸 추출

1) 생버섯 또는 건조버섯에 생버섯의 경우에는 중량대비 20배의 정제수, 건조버섯의 경우에는 중량대비 30배의 정제수를 가한다.

2) 식품첨가물용 염산, 또는 유기산 등으로 액성을 pH 1 내지 5로 조정한 후 균질혼합기로 분쇄한다.

3) 40 내지 90℃에서 2 내지 5시간 교반 또는 순환시키며 추출한다. 이를 여과 내지 원심분리하여 상등액을 취한다.

4) 상등액을 진공농축하여 고형분 함량을 약 5%로 맞춘 후, 다시 여과 내지 원심분리하여 상등액을 취한다.

5) 여기에 95% 주정을 상등액 대비 2 내지 4배를 가하여 엮음상태가 최소화된 베타글루칸을 원심분리하여 침전물로 회수한다.

6) 소량의 정제수와 식용 염산 내지 유기산으로 pH 3 내지 5의 엮음상태가 최소화된 버섯 베타글루칸액으로 사용한다.

더욱 엮음상태가 최소화된 정제된 베타글루칸을 제조할 경우에는 상기 5)와 6)의 공정을 되풀이 한다.

2. 베타글루칸 추출 시 pH에 따른 차이 조사

차가버섯 5g에 물 200㎖을 넣고 가성소다 또는 가성가리로 액을 pH 10.5로 조정한 후, 2시간 동안 비등시켰다. 그 후 여과 및 원심분리로 고형물을 제거하여 150㎖의 흑갈색의 추출액을 얻었다(도 9의 A 참조). 이중 5㎖ 씩을 취하여 정제수 10㎖을 가하고 하나는 염산액으로 pH 3.0으로 조정하고 다른 하나는 pH 10.5로 보정하였다. 이의 결과 도 9의 B에서와 같이 액성 pH 3.0에서는 흑갈색이 옅은 갈색으로 변하였고 액성 pH 10.5에서는 그대로 흑갈색이었다.

이들을 50㎖ 튜브로 옮기고 95% 주정 30㎖을 가하여 잘 혼합한 후 고속원심분리기에서 8000rpm 5분 동안 원심분리하였다. 도 9의 C와 같이 산성 액상에서는 황갈색의 침전이 소량 생성되었고, 알카리 액상에서는 짙은 흑갈색의 침전이 생성되었다.

이는 알카리 액성에서 엮어진 상태로 추출된 베타글루칸이 산성에서는 엮어진 물질들을 풀어낸다는 것을 뒷받침한다.

3. 베타글루칸 수퍼헬릭스 구조

베타글루칸 1% 수용액(pH 5.0)을 만들고 여기에 NaOH 용액을 가하여 pH 7.4로 만든 후 10시간 방치하여 베타글루칸 수퍼헬릭스 구조를 만들었다. 이를 SEM(Scanning Electron Microscopy)으로 촬영하였다(도 10 참조).

도 10의 왼쪽 위에서 작은 베타글루칸 수퍼헬릭스 구조와 가운데에서 더욱 크게 형성된 베타글루칸 수퍼헬릭스 구조를 볼 수 있다.

4. 안토시아닌 포집

블루베리열매에서 물로 추출한 안토시아닌 용액(Brix 1%)을 만들고 이를 2개로 나누어 한쪽(a)에는 정제수를 다른 한쪽(b)에는 베타글루칸을 넣어 5%가 되게 한 후, a는 농축하였고, b는 석출된 베타글루칸과 엮어진 물질을 원심분리로 획득하여 이를 유리판 위에서 건고한 후 SEM으로 확인하였다(도 11 참조).

도 11에서 안토시아닌의 농축액 건조물(a)과 베타글루칸 결합물은 확연히 다른 형태로 건고되었다. 베타글루칸 결합물은 블루베리 농축물을 엮어서 크고 작은 수퍼헬릭스 구조를 형성하였다(b).

5. 지용성 금잔화 추출물 포집

금잔화 색소를 올리브오일로 추출하여 색소가 용해된 기름층을 회수하여 정제수에 현탁시켜 2개로 나누었다. 한쪽에는 일정 정제수를, 다른 한쪽에는 베타글루칸을 넣어 5% 베타글루칸 용액이 되도록 하였으며 두 쪽 모두 같은 부피가 되게 하였다. 5시간 방치한 후 생성물의 성상을 관찰하였고, 생성물을 회수하여 유리판위에서 건고시켜 SEM으로 관찰하였다(도 12 참조).

도 12 (a)의 좌측 시험관에서와 같이 금잔화 올리브오일 추출물은 수층에서 기름 형태로 시험관 벽에 부착되어 있으며, 우측 시험관에서와 같이 베타글루칸과 엮어진 생성물은 현탁된 상태로 있음을 볼 수 있다.

이를 SEM으로 관찰하면 금잔화 올리브오일 추출물은 SEM에서 그대로 건고 추출물 상태로 있었으나(b), 베타글루칸과 금잔화 올리브오일 추출물의 생성물은 엮어진 상태로 있었다(c). 이를 좀 더 확대한 사진(d)을 보면 베타글루칸 헬릭스로 엮여져 있음을 확인할 수 있다.

6. 유산균 포집

유산균은 대략 크기가 1㎛ 정도이다. 유산균을 배양하여 베타글루칸과의 결합형태를 SEM으로 관찰하였다(도 13 참조).

도 13에서 특히 고배율로 찍은 사진(c)에서와 같이 유산균도 베타글루칸에 엮여 수퍼헬릭스 구조가 되어 있음(a)을 볼 수 있다.

7. 미세먼지 포집

경유 자동차에 시동을 걸고 배기통에서 나오는 미세먼지를 멤브레인 필터를 이용한 진공 여과기에 부착하여 미세먼지를 수집하였다. 이를 베타글루칸과 혼합하여 현미경으로 상태를 비교하였다. 미세먼지가 베타글루칸에 엮여서 복합체를 이루었다(도 14 참조).

8. 미세먼지 침착 방지

8-1. 미세먼지 용액 제조

상기 7의 방법으로 수집한 미세먼지 0.1g을 95% 주정 10㎖에 용해하여 밀봉보관하였다.

8-2. 미세먼지 침착 방지 확인 실험

실험군의 사람 피부에 피펫과 스파튤라를 이용하여 상기 1의 방법으로 수득한 베타글루칸액 1㎖을 고르게 바르고, 대조군의 피부에는 같은 량의 물을 바른다.

송풍 하에서 건고시킨 후, 미세먼지 용액 0.2㎖을 균등히 바르고 다시 송풍 건조시킨 후 물로 세척하여 현미경으로 관찰하였다.

이 결과 대조군에서는 피부 표면에 다량의 미세먼지가 관찰되었으나, 실험군에서는 피부 표면에서 미세먼지가 관찰되지 않았다(도 15 참조).

9. 침착된 미세먼지 제거 실험

사람 피부에 상기 8-1의 미세먼지 용액 0.2㎖씩을 균등하게 바르고 5시간 동안 건고하였다. 이후 실험군은 상기 1의 방법으로 수득한 베타글루칸액을, 대조군은 물을 손가락으로 60초간 롤링한 후 세척 전, 후를 현미경으로 관찰하였다.

이 결과 대조군에서는 상당량의 미세먼지가 잔류되어 있었으나, 실험군에서는 거의 모든 미세먼지가 제거되었다(도 16 참조).

Claims (8)

1. 환경의 변화에 따라 분자구조의 꼬임정도 또는 풀림정도가 달라지는 생체고분자를 이용하여, 분자구조가 풀어진 생체고분자에 미세물질을 접촉시키고 상기 생체고분자의 분자구조가 꼬여지도록 하여 상기 미세물질을 상기 생체고분자에 엮는 것을 특징으로 하며,
   상기 분자구조의 꼬임은 랜덤코일 구조에서 싱글헬릭스 구조로, 나아가 다중헬릭스 구조로, 더 나아가 수퍼헬릭스 구조로 되는 과정 중의 구조적 변화이고,
   상기 분자구조의 풀림은 수퍼헬릭스 구조에서 다중헬릭스 구조로, 나아가 싱글헬릭스 구조로, 더 나아가 랜덤코일 구조로 되는 과정 중의 구조적 변화이고,
   상기 생체고분자는 베타글루칸이고,
   상기 분자구조의 꼬임 및 풀림은 pH의 변화에 의한 것이고,
   상기 미세물질은 안토시아닌, 지용성 금잔화 추출물, 유산균 또는 미세먼지인,
   미세물질 포집 방법.
2. 삭제
3. 환경의 변화에 따라 분자구조의 꼬임정도 또는 풀림정도가 달라지는 생체고분자를 유효성분으로 함유하되, 상기 생체고분자의 분자구조가 풀어지는 환경을 이루는 것을 특징으로 하는 미세물질 포집용 조성물로서,
   상기 분자구조의 꼬임은 랜덤코일 구조에서 싱글헬릭스 구조로, 나아가 다중헬릭스 구조로, 더 나아가 수퍼헬릭스 구조로 되는 과정 중의 구조적 변화이고,
   상기 분자구조의 풀림은 수퍼헬릭스 구조에서 다중헬릭스 구조로, 나아가 싱글헬릭스 구조로, 더 나아가 랜덤코일 구조로 되는 과정 중의 구조적 변화이며,
   상기 생체고분자는 베타글루칸이고,
   상기 분자구조가 풀어지는 환경은 pH 4 이하의 산성 환경이고,
   상기 미세물질은 안토시아닌, 지용성 금잔화 추출물, 유산균 또는 미세먼지인,
   미세물질 포집용 조성물.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,
   상기 조성물은 신체 표면의 미세먼지를 포집하여 미세먼지의 침착을 방지하거나 제거하기 위한 용도인 것을 특징으로 하는 조성물.
6. 제5항에 있어서,
   상기 조성물은 크림, 로션, 파운데이션, 비누, 샴푸, 치약, 가글 또는 마스크팩의 제형인 것을 특징으로 하는 조성물.
7. 삭제
8. 삭제

Images