1. 서 론
최근 환경폐기물의 관리와 처리문제, 이에 따른 지속가능한 환경 친화적 소재 및 시스템 개발을 위한 다각적인 기술개발 노력이 전 산업영역에 걸쳐 행해지고 있다. 패키징 산업 또한 난분해성 플라스틱 포장재의 사용 억제와 함께 재활용, 재사용 그리고 재생 가능한 친환경 소재인 제지를 활용한 기능성 포장소재의 개발과 응용을 위한 다양한 연구가 행해지고 있다.12) 특히 소비자들의 건강과 관련한 식습관의 변화와 함께 매년 200건 이상의 식중독 사고3)로 인한 사회적 불안감은 미생물 오염에 의한 식중독 사고를 예방함과 동시에 제품의 신선도 및 품질 유지에 대한 관심으로 이어져 오염균과 미생물로부터의 변패를 방지하는 기능성 항균 포장지의 개발에 관심이 높다.4) 이와 관련하여 화훼류의 선도유지를 위하여 자몽종자 추출물을 골판지용 라이너에 처리하거나 황을 종이 포장지 표면에 코팅하는 방법 또는 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 이산화티탄(TiO2), 실리카(SiO2), 산화아연(ZnO), 식물오일, 에센스오일 등의 항균물질을 포장 원지에 코팅 또는 침지하는 방법으로 종이포장재에 항균성을 부여하는 연구결과 등이 보고되고 있다.5-8)
최근 나노기술의 발전과 함께 그 제조 및 응용이 급속히 증가하고 있는 은나노는 필름 내 분산성 및 안정성 등이 우수하고 높은 비표면적으로 인한 미생물의 세포벽과의 접촉 기회가 증가함에 따라 세포벽의 파괴를 가속화함으로써 항균력을 극대화시키는 대표적인 항균 나노물질로 알려져 있다.9) 이러한 은나노의 합성법에는 방사선 및 자외선을 활용한 광유도합성법과 수소화붕소나트륨(NaBH4), 시트로산염(citrate), 아스코르브산(ascorbate) 등의 환원제를 이용한 화학적 합성법이 주로 행해지고 있으나,10) 화학적 환원제의 난분해성, 생물학적 위험성 및 높은 에너지 소모 등의 환경문제를 야기한다는 점에서 새로운 형태의 친환경 제조법의 필요성이 제기되고 있다.11) 이에 따라 최근 녹색합성법(green synthesis)이 신개념의 친환경 제조공정으로서 높은 관심을 받고 있으며 관련 연구사례가 활발히 보고되고 있다.11-15)
녹색합성법은 지속 가능한 성장을 위해 화학이 나아가야 할 방향을 제시한 녹색화학(green chemistry)을 근간으로 환경위해성을 갖는 화학물질의 사용을 적극적으로 배제하고 자연유래 천연물질을 활용하는 합성법으로 정의되며11) 일반적으로 친환경성, 가격효율성, 생체적합성 등을 갖춘 다당류, 꿀, 해초, 허브잎 추출물, 키토산 등을 환원제 및 안정제로 사용하고 이러한 물질들을 이용하여 금속 나노물질을 합성한다.13) Haizhen 등14)은 키토산과 염화금산(HAuCl4)의 혼합용액을 55℃에서 2 시간 동안 물중탕을 하여 10-20 nm의 안정된 금나노입자를 합성하였으며 키토산과 질산은(AgNO3) 혼합용액을 45-121℃ 범위의 다양한 온도와 pH 조건에서 반응시켜 은나노 입자를 합성한 사례 또한 발표되었다.15)
게, 가재, 새우 등 갑각류의 껍질로부터 얻는 키틴은 셀룰로오스 다음으로 풍부한 천연고분자로 키틴의 CH3CONH-의 탈아세틸화를 통해 얻어지는 키토산은 생분해성과 생체적합성이 탁월하고 인체에 무해하며 천연고분자 중 유일한 양이온성을 갖는 물질로 항균성과 필름형성력이 우수하다고 알려져 있다.16-18) 이러한 키토산의 뛰어난 생체적합성과 친환경성 그리고 물리적 특성을 활용하여 기능성 종이를 연구한 사례들이 발표되고 있으며 Ham-Pichavant 등19)은 기름차단성을 부여하기 위하여 종이에 키토산을 코팅하였고, 키토산과 비즈왁스 또는 카제인(caseinate)의 이중층으로 코팅하여 종이의 수분차단성을 향상시킨 연구결과를 발표하였다.2021) Yunzhiling 등22)은 키토산/montmorillonite (MMT)/은나노 입자를 이용한 항균종이에 대한 연구를 수행하였으며 합성물질을 종이의 첨가체로 넣는 것보다 종이의 표면에 코팅하였을 때 항균효과가 더 크다고 발표하였다. 그러나 자연유래 물질의 하나인 키토산을 활용한 은나노 녹색합성 복합물질을 적용한 항균 기능성 종이의 제조 및 특성에 관한 연구결과는 거의 보고된 바 없다.
본 연구에서는 키토산-은나노 녹색합성의 선행연구 결과23)를 바탕으로 키토산-은나노 복합물질을 활용한 항균 코팅지를 제조, 코팅층 측표면의 형상 및 성분 분석, 물리적 강도 그리고 항균성 평가를 수행하였으며, 향후 친환경 키토산-은나노 항균 포장지로써 식품포장, 의약품포장 등 다양한 분야로의 적용가능성을 검토하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
키토산-은나노 합성을 위해 75-85% 디아세틸화 된 중저분자 키토산(448877, Sigma- Aldrich, St. Louis, USA)과 은나노 입자 합성의 전구체로써 질산은(AgNO3, Alfa Aesar, Ward Hill, USA)을 사용하였다. 키토산 용해를 위한 용매로서 1%(v/v) acetic acid (Alfa Aesar, Ward Hill, USA)를 사용하였으며 키토산-은나노 녹색합성 복합물질 코팅지의 항균성 평가를 위해 MacConkey Agar(211380, BD Difco, Sparks, USA)와 Nutrient Broth(2340000, BD Difco, Sparks, USA)를 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 키토산-은나노 녹색합성
1%(v/v) acetic acid 용액 100 mL에 2%(w/w) 농도의 키토산을 회전증발농축기(RV 10 digital V, IKA, Staufen, Germany)에서 60℃, 60 rpm 조건으로 1-2 시간 동안 용해시킨 후 상온에서 1 시간 동안 자연냉각 시켰다. 상온의 키토산 용액 10 g과 질산은 용액(3~100 mM) 3 mL를 오토클레이브(MK CLAVE 25B, MKT, Siheung, Korea)에 15 psi, 121℃ 조건에서 30 분 동안 반응시켜 키토산-은나노 녹색합성 복합물질을 제조하였다. 얻어진 키토산-은나노 용액은 반응에 참여한 키토산과 질산은 농도에 따라 연한 자줏빛에서 진한 노란색을 띄었다.
2.2.2 키토산-은나노 복합물질의 코팅
녹색합성된 키토산-은나노 코팅지는 Meyer Bar No. 7(Kipae E&T, Suwon, Korea)를 사용하여 편면 코팅하였으며 코팅 원지는 100℃ 오븐(JSOF-100, JSR, Gongju, Korea)에서 1 시간 동안 건조시킨 마닐라지(Mead West Vaco, 110 g/m2, 두께 0.25 mm)를 사용하였다. 2%(w/w)의 키토산과 각기 다른 농도의 질산은(27 mM, 60 mM, 100 mM)용액을 반응시킨 키토산-은나노 합성용액을 10회 반복 코팅하였으며 1회 코팅에 적용된 키토산-은나노 합성용액은 2 mL이었다. 코팅층의 두께는 디지털 마이크로미터(QUICKmini, Mitutoyo, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였으며 코팅지는 23±1℃, 50±2%의 항온항습기에서 48시간 동안 조습처리한 후 물리적 특성 및 항균성 평가 등을 수행하였다.
2.2.3 키토산-은나노 복합물질 및 코팅지의 특성 분석
키토산 내 은나노 합성 유무의 확인을 위해 UV-Vis spectroscopy(V-650, JASCO, Tokyo, Japan)분석을 수행하였으며 300-800 nm 파장 범위에서 흡수 스펙트럼을 측정하였다. 합성된 은나노의 형태 및 크기와 분산도 분석을 위해 TEM(JEM-2010, JEOL Ltd., Tokyo, Japan)과 DLS(ELSZ-1000, Photal, Otsuka, Japan) 분석을 수행하였다. TEM을 위한 시편은 제조된 키토산-은나노 복합용액 한 방울을 TEM 전용 copper grid(Ted Pella, Redding, USA) 위에 떨어뜨린 후 이를 상온에서 건조하여 준비하였으며 DLS 측정은 0.5%(w/w) 키토산과 질산은 100 mM 합성용액을 증류수로 20배 희석하여 수행하였다. 키토산-은나노 복합물질 코팅지 표면은 FESEM(Quanta FEG 250, FEI, Oregon, USA)를 이용하여 500-1000배의 배율에서 분석하였으며 코팅층 표면에 존재하는 은의 정확한 농도 측정을 위하여 EDS(AMETEK Inc., Berwyn, USA) 분석을 수행하였다. EDS의 정확한 결과 값을 얻기 위해 동일한 시편에서 5회 이상 측정하여 평균값을 취하였다.
2.2.4 키토산-은나노 코팅지의 물리적 특성
코팅에 따른 물리적 특성을 비교 분석하기 위해 2.2.2에 따라 코팅된 코팅지를 ISO 1924-2:2008 (TAPPI 404)24)에 의거하여 인장강도를 평가하였다. 만능시험기(Daekyung Tech&Tester MTG. Co., Ltd, Incheon, Korea)를 사용하여 10 mm/min의 cross-head speed로 인장강도와 연신율을 측정하였으며 동일한 코팅지에서 10개의 시편(1.5 cm × 10 cm)을 준비하여 측정 후 평균값을 취하였다.
2.2.5 항균성 평가
제조된 키토산-은나노 코팅지의 항균성 평가를 위해 ASTM 2149-1025)에 따른 항균 정성 및 정량분석을 수행하였으며 그람음성균의 하나인 Escherichia coli (E. coli) DH5a (ATCCPTA 1977)를 사용하였다. 항균 정성분석을 위해서 제조된 키토산-은나노 코팅지 시편(2 cm × 2 cm)을 균이 접종된 영양배지를 굳힌 plate 상에 접촉시켜 24 시간 동안 배양한 후 샘플 주위에 형성되는 halo를 비교하여 공시 균주의 생육저해 정도를 측정하였다. 정량분석은 균주를 38℃의 incubator에서 24 시간 동안 배양한 후 6 × 107 colony forming unit (CFU)/mL의 균액이 되도록 접종하여 현탁하였다. E. coli 균의 현탁액에 1 시간 이상 자외선 소독을 한 코팅지 시편(2 cm × 2 cm)을 담지한 후 24 시간 동안 배양하였으며 배양된 액을 100-10-6으로 희석하여 soft agar에 도말하였다. 도말한 균체는 incubator에서 24 시간 배양한 후 대조군 콜로니의 개수와 비교하여 항균활성을 확인하였으며 항균성 비율(antimicrobial rate, R (%))은 Eq. 1을 이용하여 계산하였다.
여기서 B는 대조군 마닐라지의 24 시간 후의 E. coli에 대한 CFU이며, C는 24 시간 후의 코팅지의 E. coli에 대한 CFU를 나타낸다.
3. 결과 및 고찰
3.1 키토산-은나노 녹색합성 복합물질의 특성 분석
금속 나노입자들의 경우 표면에 존재하는 높은 밀도의 자유전자들은 특정 파장을 가지고 진동하며, 이 파장에 해당하는 빛이 외부로부터 들어오게 되면 나노입자는 그 빛을 매우 강하게 흡수하고 그보다 약간 긴 파장의 빛을 외부로 방출하게 된다. 이를 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR)이라 한다.26) 은나노 입자의 경우 410-430 nm 영역에서 고유 파장대를 가지며 노란색 계열의 빛을 방출하므로 키토산-은나노 용액은 질산은의 농도가 증가할수록 투명하던 키토산용액에 비해 점차 연분홍, 노랑, 갈색을 띄는 용액으로 변하게 된다.27)Fig. 1(a)는 2%(w/w) 키토산과 질산은 용액(27-100 mM)의 농도별 합성 반응에 따른 UV-Vis spectrum으로 질산은을 혼합하지 않은 순수 키토산의 경우 은나노 고유의 흡수밴드가 전혀 나타나지 않은 반면 질산은을 혼합한 경우 그 농도가 증가할수록 410-430 nm 영역에서 대칭적이고 폭이 좁은 흡수밴드가 강하게 나타남을 관찰할 수 있다. 본 연구의 선행연구23)로서 키토산과 질산은의 농도에 따른 은나노의 녹색합성의 영향 평가를 보고한 바 있으며 전구체의 농도 증가에 따라 키토산 내의 은나노 형성은 가속화되어 키토산이 환원제 및 안정제로써 적합한 용매임을 확인하였다. Fig. 1(b)는 Fig. 1(a)의 키토산-은나노 녹색합성 용액 코팅지의 UV-Vis 흡수 spectrum으로서 Fig. 1(a)와 같이 플라즈몬 공명현상으로 인해 410-430 nm 영역의 파장대에서 동일한 흡수밴드를 관찰할 수 있으며 은나노 전구체의 농도가 증가할수록 430 nm 파장의 최대흡수피크의 세기 또한 증가하였다. 또한 코팅원지로 사용된 마닐라지가 띄는 담황색의 영향으로 코팅원지와 키토산 코팅지에서도 400-420 nm 영역에서 약한 흡수 피크를 발견할 수 있었다.
Fig. 1.
UV-Vis absorption spectra of chitosan-AgNPs green composite; chitosan: 2.0%(w/w), AgNO3: 27, 60, 100 mM, Reaction time in an autoclave: 30 min. (a) Chitosan-AgNPs solution, (b): Chitosan-AgNPs coated paper.
Fig. 2(a)는 0.5%(w/w)키토산-100 mM의 질산은 조건에서 합성된 키토산 내 은나노의 TEM 사진으로 합성된 은나노 단일입자의 크기는 약 10-50 nm 크기를 가지며 구형의 형태를 띠고 있음을 알 수 있다. 본 연구의 Fig. 1과 Fig. 2(a)의 TEM 결과와 유사하게 Claire 등26)은 은나노 입자는 큐브, 구형, 삼각판, 막대기형 등 그 형태에 따라 표면 플라즈몬 공명에 의한 UV-Vis 흡수 파장대는 차이를 보이며 구형일 경우 410-430 nm에서 흡수밴드를 보인다고 발표하였다. DLS에 의한 크기분포 분석 결과 Fig. 2(a)와 같으며 intensity에 따른 은나노의 평균 크기가 814.5 nm(P.I.=0.3)로 TEM에 의한 단일입자의 분석 결과보다 상대적으로 월등히 큰 값을 보였으며 이는 키토산-은나노 응집체가 하나의 입자로 간주되어 나타난 결과28)로 키토산 내에서 은나노 입자들 간 커다란 agglomerates를 형성하고 있는 것으로 판단된다.
3.2 키토산-은나노 코팅지의 표면분석
Fig. 3은 녹색합성된 키토산-은나노 복합물질을 적용한 코팅지의 코팅층 표면과 측면 FESEM사진 및 코팅층 내 존재하는 은의 농도에 대한 EDS 측정값이다. FESEM 분석 결과 키토산 및 키토산-은나노 복합물질을 적용한 코팅지는 코팅 원지의 표면보다 매우 매끄러운 표면형상과 코팅층에 의한 공극의 감소를 보였으며 코팅층 표면 갈라짐 또는 박리에 의한 들뜸현상은 관찰되지 않았다. 코팅지의 두께는 0.26-0.28 mm로 표면 코팅층의 두께는 10-30 ㎛인 반면 측면 코팅층의 두께는 47-62 ㎛로 측정되어 표면과 측면 코팅층간에 약 30 ㎛의 두께차를 나타냈다. 이는 적용된 키토산-은나노 복합물질이 코팅지 표면내부에 효과적으로 침투하여 섬유간 빈공간을 채우고 있기 때문인 것으로 판단된다. 키토산-은나노 코팅층 표면의 EDS 분석결과 표면 은나노 입자의 농도는 반응에 참여한 질산은 용액의 농도에 따라 4.54-10.93 wt% 범위의 측정값을 보였으며 질산은의 농도가 증가할수록 생성된 표면 은나노 입자의 질량비 또한 증가하는 경향을 보였다.
3.3 키토산-은나노 코팅지의 물리적 특성
포장소재는 운반과 수송 과정에서의 하중을 견디어 제품을 보호하는 기초적 기능을 수행할 수 있어야 하며 이를 위해 하중에 견딜 수 있는 적절한 수준의 인장강도를 요구한다.29)Fig. 4는 키토산-은나노 녹색합성 복합물질의 적용에 따른 코팅지의 인장강도와 신장률 변화를 보여준다. 코팅원지로 사용된 마닐라지의 인장강도 및 신장률은 각각 63.2±0.135 N․m/g, 5.05(%) 였으며 키토산만을 코팅한 경우 인장강도는 95.2±0.51 N․m/g로 약 1.5배 증가효과를 보였다. 또한 키토산-은나노 복합물질을 적용한 코팅지의 인장강도는 116.02± 2.03 N․m/g로 키토산만을 코팅한 경우에 비해 1.2배, 코팅원지에 비해 1.8배 인장강도가 향상되었음을 확인하였다. 이러한 결과는 FESEM 분석에서 확인할 수 있듯이 키토산-은나노 합성물질이 마닐라지 표면층 내부로 효과적으로 침투하여 섬유 간 공극을 채움으로서 섬유-섬유간 결합을 증가시켜주는 바인더의 역할에 기인한 것으로 판단된다. 반면 신장률은 코팅지 전체에서 감소하는 경향을 보였으며 이는 키토산 또는 키토산-은나노 복합필름의 쉽게 부러지는 취성(brittleness)에 기인한 결과로 판단된다. 즉 키토산 또는 키토산-은나노 복합물질이 마닐라지 표면에서 코팅 필름을 형성하고 형성된 필름은 펴지거나 늘어나는 성질이 아닌 취성을 띄게 되어, 이로 인해 코팅지 전체의 유연성이 감소하는 것으로 여겨진다.
3.4. 키토산-은나노 코팅지의 항균성
키토산-은나노 녹색합성 복합물질을 적용한 코팅지의 항균성을 평가하였다. Fig. 5(a)는 E. coli균에 대한 halo 항균정성 평가법에 의한 항균력 시험 결과이며 실험의 대조군으로 코팅되지 않은 마닐라지와 2%(w/w) 키토산만을 코팅한 키토산 코팅지를 사용하였다. 은나노가 포함되지 않은 대조군의 경우 E. coli균의 성장 억제를 의미하는 halo가 발견되지 않았으나 키토산-은나노 복합물질이 코팅된 마닐라지의 경우 시편 주위의 halo가 뚜렷이 관찰되었으며 생성된 은나노의 성분비가 증가할수록 그 크기가 증가하여 E. coli 균의 생장을 효과적으로 억제함을 알 수 있었다. 반면 키토산만 코팅된 종이에서는 뚜렷한 halo가 관찰되지 않았으며 이와 유사하게 Abdollahi 등30)은 agar diffusion 방법을 이용한 키토산필름의 항균실험을 수행하여 키토산의 E. coli 균에 대한 항균력은 미비함을 발표하였다. 이는 키토산은 양이온 특성 때문에 항균능력을 지니고 있으나 agar와 같은 매개체 안에서 분산력이 약하고 이로 인해 대상 병원균과의 접촉이 용이하지 않기 때문에 halo가 발견되지 않는 것으로 보인다.31) 준비된 코팅지 시편의 보다 정확한 항균 활성 측정을 위한 항균성 정량시험 결과 Fig. 5(b)와 같다. 대조군인 코팅되지 않은 마닐라지의 경우 5.17 x 107 CFU/mL의 균수가 측정되었으며 키토산을 코팅한 코팅지는 4.53 x 107 CFU/mL의 균수를 나타내어 12.4 R (%)의 약한 항균 활성을 보였다. 반면 키토산-은나노 복합물질 코팅지에서는 코팅지 표면의 은나노 입자농도가 증가할수록 항균활성 또한 증가하였으며 EDS 분석 결과 Ag 함량 10.93 wt%로 측정된 키토산-질산은 100 mM의 경우 R (%)가 99.8로 매우 우수한 항균성을 나타내었다.
Fig. 5.
Antimicrobial activities of paper coated with as-prepared chitosan-Ag green nanocomposite. (a):qualitative antimicrobial activity test; (1):uncoated paper, (2):paper/chitosan 2%(w/w), (3):paper/chitosan 2%(w/w)/AgNO3 27 mM, (4):paper/chitosan 2%(w/w)/AgNO3 60 mM, (5):paper/chitosan 2%(w/w)/AgNO3 100 mM. (b): quantitatively antimicrobial activity test.
4. 결 론
본 연구에서는 녹색합성에 기인한 친환경 키토산-은나노 복합물질을 합성하고 이를 마닐라지에 적용, 항균 코팅지를 제조하여 이의 물리적특성 및 항균성 등을 평가하였다. UV-Vis spectrum과 TEM, DLS 분석을 통해 키토산 내 은나노 입자가 안정적으로 생성, 분산되어 있음을 확인하였으며 은나노 합성에 필요한 안정제 및 환원제로써 키토산의 역할을 확인할 수 있었다. 키토산-은나노 복합물질을 마닐라지에 코팅하고 FESEM과 EDS 분석을 수행하여 표면 및 측면의 형상, 코팅의 균일도 및 은나노의 함유량을 조사하였으며 인장강도 측정을 통해 키토산-은나노 녹색합성 복합물질이 섬유상에 적절한 친화력을 가지며 섬유 간 공극을 감소시켜 물리적 결합력을 향상시킴을 확인할 수 있었다. 또한 키토산-은나노 복합물질이 적용된 코팅지의 항균 정성 및 정량평가 결과 코팅지 표면에 함유된 은나노의 농도가 증가함에 따라 항균활성이 급격히 향상되는 것을 관찰하였다. 따라서 본 연구를 통해 얻어진 키토산-은나노 녹색합성 복합물질을 종이에 적용함으로서 항균성의 기능성을 부여함과 동시에 물리적 강도의 증가효과를 동시에 얻을 수 있었으며 향후 친환경 항균포장소재로서 적용가능성과 가치를 확인하였다.
