부분소수화 탄닌산에 의한 항균 코팅과 의료, 위생분야에의 응용
2019-11-23
org.kosen.entty.User@29b601ba
권오경(ok55)
부분소수화 탄닌산에 의한 항균 코팅과
의료, 위생 분야에의 응용
권오경, cwrnd@hanmail.net
(주)비에스지, 기술연구소
Key words
Tannic acid, antibacterial coating, physiological activity, hydrolysis
탄닌산, 항균코팅, 생리활성, 가수분해
1. 개요
1990년대 후반부터 최근에 이르기까지 모든 생활분야에서 항균에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 사회동향의 배경에는 세균이 일으킨 사건이나 감염피해 등이 관련된다고 할 수 있겠다. 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)으로 인한 병원 내 감염문제나, 병원성 대장균으로 인한 집단식중독사건, 아시아를 중심으로 한 중증 급성 호흡기증후군 등이 대표적인 사례이다. 이를 계기로 식품·안전·위생 등에 대한 일반시민의 의식도 높아져 현재 항균의 높은 관심과 발전의 계기가 되었다고 생각된다[1].
현재, 시판되고 있는 항균제품의 대부분은 크게 무기계와 유기계로 구분할 수 있다. 전자의 주류는 은이온 등을 비롯한 금속이온을 제올라이트나 실리카겔, 유리 등에 담지한 것이다. 특히, 은이온계 항균제는 다양한 균종에 대해 폭넓게 항균효과를 나타내나, 인체에 대한 영향은 적은 것으로 알려져 있다. 한편, 이러한 무기계 항균제품의 환경에 대한 축적물이나 분해물로 인해 생태계 교란이나 환경오염이 야기될 것이라는 우려가 미국식품의약국(FDA)이나 유럽을 중심으로 높아지고 있다.
후자의 유기계 항균제에 대해서는 알코올계, 알데히드계, 이소티아졸론계, 이미다졸계 등 유기저분자에 식물에 포함된 항균성분을 이용한 것까지 응용되고 있다. 본고에서 소개할 탄닌산도 식물유래의 항균성분으로서 알려지는 폴리페놀의 일종이다. 즉, 수용성인 탄닌산에 소수성 알킬기를 탄소쇄의 길이나 도입 수를 적절하게 조정함으로써 물에는 불용인 코팅제를 만들 수 있는데, 이에 대한 개요를 소개한다. 이 부분소수화 탄닌산 코팅의 특징은 구조를 변경시켜 소수성을 가짐과 동시에 탄닌산이 본래 가진 항균성능을 유지하는 점에 있다.
2. 탄닌의 화학 구조와 기능
탄닌은 고등식물의 나무껍질 등에 보편적으로 포함되는 수용성 천연 폴리페놀의 총칭이며, 옛날부터 가죽의 무두질 약제나 생약으로서 이용되어 왔다[2]. 탄닌에 대한 특징적인 기능으로는 항산화성, 항바이러스성, 항균성, 항부식성 등이 알려지고 있다. 탄닌을 특징짓는 성질로는 단백질 알칼로이드, 금속이온과 반응해 난용성의 염(salt)을 형성한다는 점을 들 수 있다. 여기에서는 탄닌의 구조상 특징이나 생리활성을 중심으로 한 기능에 대해 기술한다.
2-1 분류와 분포
탄닌은 화학구조의 특징으로 축합형 탄닌과 가수분해형 탄닌으로 대별된다. 축합형 탄닌은 플라바놀(플라반-3-올)유도체이며, 그림1(a)의 A환 및 B환의 페놀성 수산기의 도입양식의 차이에 따라 명칭이 다르다. 식물계에 있어서의 분포는 플라보노이드와 마찬가지이며, 양치식물로부터 나자식물, 피자식물까지 걸쳐 넓게 분포되어 있다.
한편, 가수분해성 탄닌산은 주로 글루코스 골격에 몰식자산(갈산,gallic acid) 혹은 그 대사물과 글루코스 등의 다가 알코올이 폴리에스테르로 결합한 것으로써 그 이름대로와 같이, 가수분해를 받기 쉬운 것이 특징이다. 또, 가수분해성 탄닌은 피자식물의 쌍자엽식물강 이판화아강에 한정되며, 식물에 거의 보편적으로 존재하고 있는 축합형 탄닌과는 다르다.
본고에서 소개하는 탄닌산은 오배자에서 추출되는 가수분해형 탄닌으로 분류된다. 오배자란 옻나무과 붉나무라는 소교목이 만드는 충령을 가리키며, 그 안에 많은 탄닌산이 포함되어 있다(그림1(c)). 충령의 형성은 붉나무소리진딧물이라는 진딧물과의 곤충이 붉나무에 기생하는 것으로 시작된다. 그 자극에 응답해 붉나무는 조직을 비대화시켜, 종국적으로는 충령을 형성하게 된다. 현재, 탄닌산의 주요 산지는 중국을 중심으로 하는 동아시아이다.
그림 1. 탄닌산을 포함한 오배자와 그 화학구조
2-2 생리활성
탄닌산의 생리기능으로서 항산화작용, 항바이러스작용, 항균작용 등이 알려져 있다. 이러한 기능이 발현되는 원인은 탄닌산이 가진 높은 단백질과의 상호 작용성과 래디컬 포집능 등이라고 생각된다.
3. 부분소수화 탄닌산
탄닌산이 가지는 높은 항균성이나 항산화성 등에 주목하고, 기능성재료의 원료로서 탄닌산을 사용할 때에는 탄닌산이 본래 가진 수용성이라는 성질은 큰 장해가 된다. 그래서 연구자[3]들은, 탄닌산이 가지는 폴리페놀성 수산기 중, 어느 일정한 비율을 소수화함으로써 탄닌산이 가지는 본래의 항균성 등의 생리활성은 유지하면서도 새로운 기능을 부여할 수 있는 방안을 고안했다. 여기에서는 수산기가 부분적으로 소수화되는 점에서 부분소수화 탄닌산이라고 부르기로 한다.
3-1 . 합성
부분소수화 탄닌산의 합성은 탄닌산과 요오드화 알킬을 디메틸포름아미드(DMF) 중 K2CO3 공존 상태에서 가열 교반만 하는 한 단계 합성으로 얻을 수 있다.
도입하는 알킬기의 구조 등에도 영향을 받지만, 수율은 60-90wt.%로 대체로 좋은 값을 나타낸다. 또한 요오드화 알킬의 원재료 분량으로 탄닌산에 대한 알킬기의 도입율을 제어할 수 있기 때문에, 물·유기용매에 대한 용해성이나 각종 금속기판이나 유리와의 접착성을 컨트롤하는 것도 용이하다.
그림 2. 부분소수화 탄닌산 합성방법 : 알킬쇄장, 도입율에 대해서는 원재료 분량비로 조절가능
3-2. 여러 가지 금속기판에 대한 코팅 성능
천연의 탄닌산은 물이나 극성용매에 용해한다. 반대로 말하면, 도료 등의 용도에 탄닌산을 적용하기 위해서는 물에 녹지 않게 하는 방안이 필요하다. 그 점에서 부분소수화 탄닌산의 용해성은 완전히 반대이다. 즉, 물에는 용해성을 보이지 않고, 반대로 클로로포름 등의 용제에는 잘 녹는다(그림3).
그림 3. 탄닌산과 부분소수화 탄닌산의 물 및 클로로포름에 대한 용해성의 차이
부분소수화가 갖는 또 하나의 이점은 성막성의 향상이다. 탄닌산 수용액을 유리 등 기판에 도포·건조시켜도 불균일한 도막밖에 얻지 못하며, 또 박리도 쉽게 일어나고 만다. 한편, 유리나 여러 종류의 금속기판 상에 부분소수화 탄닌산이 들어간 용액을 도포하면 균일한 도막을 얻을 수 있으며, 스카치테이프테스트에 의한 박리시험에 대해서도 양호한 결과를 나타냈다(그림4).
또한, 금속기판에 대한 높은 밀착성과 동시에 수분에 대한 배리어기능도 발현하는 점에서 방청코팅에의 응용도 가능하다.
그림 4. 탄닌산과 부분소수화 탄닌산의 성막성의 차이(유리기판을 사용)
그림 5. 여러가지 기판에 대한 부분소수화 탄닌산의 방청효과
(정해진 시간 안에서 소금물에 침지한 후, 부식상황을 관찰함)
3-3. 부분소수화 탄닌산의 항균 작용
탄닌산 수용액이 대장균 등에 대해 높은 항균성을 나타내는 것은 알려져 있었다. 그러나, 기재가 되는 수지나 금속으로 고정화된 상태에서의 항균성에 대해서는 아직 해명되지 않았다. 아마도 단순히 기재에 분산시키는 것만으로는 본래 수용성인 탄닌산을 물속에 용출시키지 않기가 어렵다는 것이 이유 중 하나일 것이다.
한편, 부분소수화 탄닌산은 물에 용출할 걱정이 없다. 그래서 기판상에 코팅한 상태에서의 항균 활성을 검증했다. 그 결과, 대장균, 황색포도상구균, MRSA에 대해 높은 항균작용을 나타내는 것이 밝혀졌다. 이 결과는 부분 소수화되어 있어도 탄닌산 본래의 폴리페놀 기능이 유지되고 있는 것을 시사한다고 볼 수 있다.
표 1. 부분소수화 탄닌산의 항균효과
TA(C6)10 : C6쇄장의 알킬기를 평균 10개/탄닌산 분자도입한 부분소수화 탄닌산
TA(C10)10 : C10쇄장의 알킬기를 평균 10개/탄닌산 분자도입한 부분소수화 탄닌산
TA(C16)10 : C16쇄장의 알킬기를 평균 10개/탄닌산 분자도입한 부분소수화 탄닌산
4. 결론
본고에서는 고기능 천연소재인 폴리페놀 "탄닌산"에 주목하여, 새로운 항균코팅으로 개질시키는 수법에 대해 소개했다. 본 수법의 특이한 점은 페놀성 수산기에 항균성을 발현하는 기능성 부위 및 물성이나 구조특성을 제어하는 화학수식 부위라는 두 가지 기능을 갖게 했다는 점이다. 현재, 본 연구결과를 발전시켜 항균성 수지 등에의 응용이 전개되고 있다. 천연소재에 갖춰져 있는 생리활성·기능은 환경부담도 적고, 앞으로 사회에 필요한 기능성 재료의 소재임은 틀림없다. 여기서 소개한 탄닌산의 부분소수화라는 수법은 천연재료 유래, 의료의 기능을 살린 재료개발의 한 예가 될 수도 있을 것이다. 본 수법을 힌트로 한 새로운 기능성·구조재료가 많이 개발되어 상품화 되기를 기대해 본다.
References
의료, 위생 분야에의 응용
권오경, cwrnd@hanmail.net
(주)비에스지, 기술연구소
Key words
Tannic acid, antibacterial coating, physiological activity, hydrolysis
탄닌산, 항균코팅, 생리활성, 가수분해
1. 개요
1990년대 후반부터 최근에 이르기까지 모든 생활분야에서 항균에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 사회동향의 배경에는 세균이 일으킨 사건이나 감염피해 등이 관련된다고 할 수 있겠다. 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)으로 인한 병원 내 감염문제나, 병원성 대장균으로 인한 집단식중독사건, 아시아를 중심으로 한 중증 급성 호흡기증후군 등이 대표적인 사례이다. 이를 계기로 식품·안전·위생 등에 대한 일반시민의 의식도 높아져 현재 항균의 높은 관심과 발전의 계기가 되었다고 생각된다[1].
현재, 시판되고 있는 항균제품의 대부분은 크게 무기계와 유기계로 구분할 수 있다. 전자의 주류는 은이온 등을 비롯한 금속이온을 제올라이트나 실리카겔, 유리 등에 담지한 것이다. 특히, 은이온계 항균제는 다양한 균종에 대해 폭넓게 항균효과를 나타내나, 인체에 대한 영향은 적은 것으로 알려져 있다. 한편, 이러한 무기계 항균제품의 환경에 대한 축적물이나 분해물로 인해 생태계 교란이나 환경오염이 야기될 것이라는 우려가 미국식품의약국(FDA)이나 유럽을 중심으로 높아지고 있다.
후자의 유기계 항균제에 대해서는 알코올계, 알데히드계, 이소티아졸론계, 이미다졸계 등 유기저분자에 식물에 포함된 항균성분을 이용한 것까지 응용되고 있다. 본고에서 소개할 탄닌산도 식물유래의 항균성분으로서 알려지는 폴리페놀의 일종이다. 즉, 수용성인 탄닌산에 소수성 알킬기를 탄소쇄의 길이나 도입 수를 적절하게 조정함으로써 물에는 불용인 코팅제를 만들 수 있는데, 이에 대한 개요를 소개한다. 이 부분소수화 탄닌산 코팅의 특징은 구조를 변경시켜 소수성을 가짐과 동시에 탄닌산이 본래 가진 항균성능을 유지하는 점에 있다.
2. 탄닌의 화학 구조와 기능
탄닌은 고등식물의 나무껍질 등에 보편적으로 포함되는 수용성 천연 폴리페놀의 총칭이며, 옛날부터 가죽의 무두질 약제나 생약으로서 이용되어 왔다[2]. 탄닌에 대한 특징적인 기능으로는 항산화성, 항바이러스성, 항균성, 항부식성 등이 알려지고 있다. 탄닌을 특징짓는 성질로는 단백질 알칼로이드, 금속이온과 반응해 난용성의 염(salt)을 형성한다는 점을 들 수 있다. 여기에서는 탄닌의 구조상 특징이나 생리활성을 중심으로 한 기능에 대해 기술한다.
2-1 분류와 분포
탄닌은 화학구조의 특징으로 축합형 탄닌과 가수분해형 탄닌으로 대별된다. 축합형 탄닌은 플라바놀(플라반-3-올)유도체이며, 그림1(a)의 A환 및 B환의 페놀성 수산기의 도입양식의 차이에 따라 명칭이 다르다. 식물계에 있어서의 분포는 플라보노이드와 마찬가지이며, 양치식물로부터 나자식물, 피자식물까지 걸쳐 넓게 분포되어 있다.
한편, 가수분해성 탄닌산은 주로 글루코스 골격에 몰식자산(갈산,gallic acid) 혹은 그 대사물과 글루코스 등의 다가 알코올이 폴리에스테르로 결합한 것으로써 그 이름대로와 같이, 가수분해를 받기 쉬운 것이 특징이다. 또, 가수분해성 탄닌은 피자식물의 쌍자엽식물강 이판화아강에 한정되며, 식물에 거의 보편적으로 존재하고 있는 축합형 탄닌과는 다르다.
본고에서 소개하는 탄닌산은 오배자에서 추출되는 가수분해형 탄닌으로 분류된다. 오배자란 옻나무과 붉나무라는 소교목이 만드는 충령을 가리키며, 그 안에 많은 탄닌산이 포함되어 있다(그림1(c)). 충령의 형성은 붉나무소리진딧물이라는 진딧물과의 곤충이 붉나무에 기생하는 것으로 시작된다. 그 자극에 응답해 붉나무는 조직을 비대화시켜, 종국적으로는 충령을 형성하게 된다. 현재, 탄닌산의 주요 산지는 중국을 중심으로 하는 동아시아이다.
그림 1. 탄닌산을 포함한 오배자와 그 화학구조
2-2 생리활성
탄닌산의 생리기능으로서 항산화작용, 항바이러스작용, 항균작용 등이 알려져 있다. 이러한 기능이 발현되는 원인은 탄닌산이 가진 높은 단백질과의 상호 작용성과 래디컬 포집능 등이라고 생각된다.
3. 부분소수화 탄닌산
탄닌산이 가지는 높은 항균성이나 항산화성 등에 주목하고, 기능성재료의 원료로서 탄닌산을 사용할 때에는 탄닌산이 본래 가진 수용성이라는 성질은 큰 장해가 된다. 그래서 연구자[3]들은, 탄닌산이 가지는 폴리페놀성 수산기 중, 어느 일정한 비율을 소수화함으로써 탄닌산이 가지는 본래의 항균성 등의 생리활성은 유지하면서도 새로운 기능을 부여할 수 있는 방안을 고안했다. 여기에서는 수산기가 부분적으로 소수화되는 점에서 부분소수화 탄닌산이라고 부르기로 한다.
3-1 . 합성
부분소수화 탄닌산의 합성은 탄닌산과 요오드화 알킬을 디메틸포름아미드(DMF) 중 K2CO3 공존 상태에서 가열 교반만 하는 한 단계 합성으로 얻을 수 있다.
도입하는 알킬기의 구조 등에도 영향을 받지만, 수율은 60-90wt.%로 대체로 좋은 값을 나타낸다. 또한 요오드화 알킬의 원재료 분량으로 탄닌산에 대한 알킬기의 도입율을 제어할 수 있기 때문에, 물·유기용매에 대한 용해성이나 각종 금속기판이나 유리와의 접착성을 컨트롤하는 것도 용이하다.
그림 2. 부분소수화 탄닌산 합성방법 : 알킬쇄장, 도입율에 대해서는 원재료 분량비로 조절가능
3-2. 여러 가지 금속기판에 대한 코팅 성능
천연의 탄닌산은 물이나 극성용매에 용해한다. 반대로 말하면, 도료 등의 용도에 탄닌산을 적용하기 위해서는 물에 녹지 않게 하는 방안이 필요하다. 그 점에서 부분소수화 탄닌산의 용해성은 완전히 반대이다. 즉, 물에는 용해성을 보이지 않고, 반대로 클로로포름 등의 용제에는 잘 녹는다(그림3).
그림 3. 탄닌산과 부분소수화 탄닌산의 물 및 클로로포름에 대한 용해성의 차이
부분소수화가 갖는 또 하나의 이점은 성막성의 향상이다. 탄닌산 수용액을 유리 등 기판에 도포·건조시켜도 불균일한 도막밖에 얻지 못하며, 또 박리도 쉽게 일어나고 만다. 한편, 유리나 여러 종류의 금속기판 상에 부분소수화 탄닌산이 들어간 용액을 도포하면 균일한 도막을 얻을 수 있으며, 스카치테이프테스트에 의한 박리시험에 대해서도 양호한 결과를 나타냈다(그림4).
또한, 금속기판에 대한 높은 밀착성과 동시에 수분에 대한 배리어기능도 발현하는 점에서 방청코팅에의 응용도 가능하다.
그림 4. 탄닌산과 부분소수화 탄닌산의 성막성의 차이(유리기판을 사용)
그림 5. 여러가지 기판에 대한 부분소수화 탄닌산의 방청효과
(정해진 시간 안에서 소금물에 침지한 후, 부식상황을 관찰함)
3-3. 부분소수화 탄닌산의 항균 작용
탄닌산 수용액이 대장균 등에 대해 높은 항균성을 나타내는 것은 알려져 있었다. 그러나, 기재가 되는 수지나 금속으로 고정화된 상태에서의 항균성에 대해서는 아직 해명되지 않았다. 아마도 단순히 기재에 분산시키는 것만으로는 본래 수용성인 탄닌산을 물속에 용출시키지 않기가 어렵다는 것이 이유 중 하나일 것이다.
한편, 부분소수화 탄닌산은 물에 용출할 걱정이 없다. 그래서 기판상에 코팅한 상태에서의 항균 활성을 검증했다. 그 결과, 대장균, 황색포도상구균, MRSA에 대해 높은 항균작용을 나타내는 것이 밝혀졌다. 이 결과는 부분 소수화되어 있어도 탄닌산 본래의 폴리페놀 기능이 유지되고 있는 것을 시사한다고 볼 수 있다.
표 1. 부분소수화 탄닌산의 항균효과
| 대장균 | 황색포도상구균 | MRSA | ||||||
| 0h | 24h | 0h | 24h | 0h | 24h | |||
| Control | 1.2×105 | 1.4×107 | 1.1×105 | 1.1×105 | 1.2×105 | 1.7×105 | ||
| TA(C6)10 | 1.2×105 | ＜10 | 1.1×105 | ＜10 | 1.2×105 | ＜10 | ||
| TA(C10)10 | 1.2×105 | 2.7×102 | 1.1×105 | ＜10 | 1.2×105 | ＜10 | ||
| TA(C16)10 | 1.2×105 | 1.6×102 | 1.1×105 | ＜10 | 1.2×105 | ＜10 | ||
TA(C6)10 : C6쇄장의 알킬기를 평균 10개/탄닌산 분자도입한 부분소수화 탄닌산
TA(C10)10 : C10쇄장의 알킬기를 평균 10개/탄닌산 분자도입한 부분소수화 탄닌산
TA(C16)10 : C16쇄장의 알킬기를 평균 10개/탄닌산 분자도입한 부분소수화 탄닌산
4. 결론
본고에서는 고기능 천연소재인 폴리페놀 "탄닌산"에 주목하여, 새로운 항균코팅으로 개질시키는 수법에 대해 소개했다. 본 수법의 특이한 점은 페놀성 수산기에 항균성을 발현하는 기능성 부위 및 물성이나 구조특성을 제어하는 화학수식 부위라는 두 가지 기능을 갖게 했다는 점이다. 현재, 본 연구결과를 발전시켜 항균성 수지 등에의 응용이 전개되고 있다. 천연소재에 갖춰져 있는 생리활성·기능은 환경부담도 적고, 앞으로 사회에 필요한 기능성 재료의 소재임은 틀림없다. 여기서 소개한 탄닌산의 부분소수화라는 수법은 천연재료 유래, 의료의 기능을 살린 재료개발의 한 예가 될 수도 있을 것이다. 본 수법을 힌트로 한 새로운 기능성·구조재료가 많이 개발되어 상품화 되기를 기대해 본다.
References
- 藤本嘉明, 抗菌 技術と市場 動向 2016 、シ？エムシ？出版 （2016 ）
- 飯塚/堯介, ウッドケミカルスの技術 , シ？エムシ？出版 （2000）
- Debabrata Payra, Masanobu Naito, Yoshihisa Fuji and Yuki Nagao, Hydrophobized plant polyphenol ; self-assembly and promising antibacterial, adhesive, and anticorrosion coating, Chem.Commun.,52, 312(2016)