STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(해파리의 점액질 성분을 활용한 접착제 제조에 관한 연구)

2016. 11. 30.

명신여자고등학교

<연구결과요약>

과 제 명 해파리의 점액질 성분을 활용한 접착제 제조에 관한 연구

연구목표

지구온난화로 인한 해파리의 다량 출현은 생태계에 좋지 않은 영향을 미치고 있으며, 그 양이 많아 처리가 곤란한 상태이다. 다양한 건축자재들과 벽지 등 에 쓰이는 접착제 속의 유해물질이 피부질환을 일으키는데 기여를 한다는 것 을 보고, 천연접착제에 관한 관심이 더욱더 높아지게 되었다. 자연 속 미이용 자원인 해파리를 활용하여 환경 친화적인 접착제를 직접 제조함으로써 콜라 겐의 점액질 성분을 활용한 접착제에 대해 탐구해 볼 예정이다.

연구내용

1. 해파리 속 콜라겐 추출 및 분쇄 여과를 통한 접착제 제조

-식용 해파리와 보름달물 해파리를 이용하여 방사선(감마선)을 조사한 후 콜라겐 의 다량 추출을 통해 단백질 성분을 활용해 분쇄, 감압 여과 과정을 통해 접착제를 제조한다.

2. 제조된 접착제의 성능 확인

-접착 성능을 평가하기 위해 MBL힘 센서를 사용하여 접착 능력의 최대치, 평균치 를 비교한다. 종이, 유리, 나무, 천, 우드락을 표본으로 설정하여 각각의 접착 능력을 비교하고 활용 방안에 대해서 논의한다.

-인체 무해한 접착제를 만드는 목적에 알맞게 유해성을 측정한다. 먼저 인체 무해 성을 판단하기 위해 구피의 행동 관찰을 통해 1차 판단을 한다. 그 후 KOT 한국품 질시험원에 의뢰하여 포름알데히드 및 톨루엔의 함유량을 측정하여 유해성을 비교 하여 산업 규격에 알맞은지, 실생활에서 사용 가능한지를 비교한다.

3. 접착제의 활용방안 논의

연구성과

보름달물 해파리로 만든 접착제의 접착력이 우수한 것은 긍정적으로 평가할 수 있다. 미미하지만 독성이 있어 제대로 활용하지 못했던 보름달물 해파리를 우리가 만든 해파리 콜라겐을 이용한 접착제로 활용할 수 있을 것이라 생각한다. 현재 접착제를 비롯한 건축자제의 독성으로 피부질환이 유발되는 것에 반해 우리가 제조한 접착제는 유해성이 무시할 수 있을 정도로 미미하여 친환경적 접착제로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

힘센서로 접착력을 측정한 결과 종이와 나무를 접착했을 때 접착력이 가장 높았다. 이는 우리가 제조한 접착제가 건축 분야에서 벽지와 목재를 접착하 는 데 쓰일 수 있는 가능성을 보여준다.

또한, 우리가 제조한 접착제는 새집증후군의 원인이 되는 폼알데하이드 등의 유해물질이 검출되지 않았다. 이는 우리가 제조한 접착제가 인체와 환경에 해를 끼치지 않는 친환경 접착제로 활용될 수 있음을 보여준다.

주요어

(Key words) 친환경, 미이용자원, 해파리, 콜라겐, 접착제, 무해, 실용

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구목적

○ 최근 어업 활동에 있어 해파리가 큰 문제가 되고 있다. 그물에 상당수의 해파 리가 함께 걸려온다던지, 죽은 해파리들이 해변으로 쓸려 들어오는 등의 문제들이 발생하고 있다.

2016년 5월 31일 신문기사에 따르면 대형종으로 대량출현하고 있는 노무라입깃해파 리와 소형종이지만 대량 출현하는 보름달물해파리는 어구를 파손해 조업 시 피해를 주고 특히 노무라입깃해파리는 어획물에 접촉해 상품가치를 하락하는 등 수산업에 큰 피해를 주고 있고, 수산업 뿐만 아니라 여름철 피서객과 해파리가 접촉할 경우에 는 통증을 느끼고 상처가 나며, 심할 경우에는 호흡곤란이나 복통 등의 피해를 나타 내고 있다. 이러한 사고는 2005년 7월 제주에만 200여건, 2006년 7~8월 전국연안 약 600건, 2007년 7~8월 전국연안 약 500건이 발생하는 등 따뜻한 지역에서 서식하는 해파리가 지구온난화로 더욱 증가하며 그 피해는 더욱 커질 것이다.

지구온난화로 인한 해파리의 다량 출현은 생태계에 좋지 않은 영향을 미치고 있으 며, 그 양이 많아 처리가 곤란한 상태이다. 이러한 해파리는 단순 가공 식품으로 이 용이 제한되어 있어, 소비량이 낮은 실정이다. 현재 죽은 해파리들 및 그물망에 함께 걸려 들어온 것들을 해결할 방법이 없어 막막하다.

게다가, 해파리가 많이 출몰하는 여름만 되면 해파리로 인한 피해 사례가 속출한다.

해파리 떼가 원자력발전소의 취수구를 가로막아 몇 차례 원자력 발전이 중단된 사 례가 많았고, 특히 해파리는 점액질이 많아 그물망에 달라붙으면 잘 떨어지지 않기 때문에 이로 인한 피해액도 수억원에 달하는 등 이러한 피해를 바탕으로 현재 인식 된 가치가 낮아 충분히 사용 가능성을 지녔음에도 아직까지 높은 사용이 없는 해파 리에 주목하였다. 콜라겐 추출을 활용하여 제조한 접착제의 수요량이 증가된다면 생 태계의 회복 및 온난화로 인해 줄어든 수산생물 어획량의 상승에도 큰 영향을 줄 것으로 기대된다.

이는 생태계 회복뿐만 아니라 다른 해양자원에 비해 미이용 해양자원인 해파리를 고부가가치화 시키고, 산업에 있어 기존의 접착제와는 달리 수산생물로부터 콜라겐 추출을 활용함으로써 폭넓은 이용을 기대할 수 있다.

또한, 다양한 건축자재들과 벽지 등에 쓰이는 접착제 속의 유해물질이 피부질환을 일으키는데 기여를 한다는 것을 보고, 천연접착제에 관한 관심이 더욱더 높아지게 되었다. 따라서 우리는 환경 친화적인 접착제를 직접 제조함으로써 콜라겐의 점액질 성분을 활용한 접착제에 대해 탐구해 볼 예정이다.

□ 연구범위

○ 연구 분야 : 생활 속 화학 원리를 통한 산업 활용 방안 탐구

○ 연구 범위 : 접착 성분 추출 및 이를 활용한 접착제 제조, 성능 비교 후 활용 가능성 탐구

○ 진행 단계 : 수중 해파리 속 해파리의 콜라겐을 직접 추출하여 단백질 성분을 활용해 접착제를 제조하였으며, 시중에서 판매되는 접착제 및 천연 접착제와 접착 성능을 직접 비교해 보았다. 또한 실제 사용될 수 있는지 유해성 검사, pH측정 등을 통해 산업 규격까지 고려하여 친환경적이고 재생산적인 산업 활용 방안으로써의 해파리 접착제를 탐구하였다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 이론적 배경 1) 콜라겐

콜라겐은 동물의 뼈와 피부에 주로 존재하며 연골, 장기 막, 머리카락 등에도 분 포되어 있는 경단백질로 물고기 비늘의 성분이기도 하다. 교원질이라고도 하며 섬 유상 고체로 존재한다. 전자현미경으로 보면 복잡한 가로무늬 구조로 되어 있으며 물 ·묽은 산 ·묽은 알칼리에 녹지 않지만 끓이면 젤라틴이 되어 용해된다.

콜라겐분자는 분자량이 약 30만이며 분자량 10만의 폴리펩티드가 3가닥 묶여 헬 릭스를 형성하고 길이 3000Å, 직경 15Å의 가늘고 길며 딱딱한 막대 상이다. 분자 의 양 말단에는 헬릭스 구조를 하지 않는 텔로펩티드라고 불리는 부분이 조금 있 다. 콜라겐은 본래 다른 단백질에 비해 항원성은 약하지만, 콜라겐이 가진 항원성의 대부분은 이 텔로펩티드에 존재한다는 것이 밝혀졌다. 콜라겐분자를 콜라게나제 이 외의 펩신 등의 프로테아제로 처리하면 헬릭스구조 부분에는 작용하지 않고, 텔로 펩티드에만 작용해서 텔로펩티드가 없는 것을 얻을 수 있다. 이와 같은 것을 아테 로콜라겐이라 한다. 아테로콜라겐은 텔로펩티드가 없기 때문에 항원성은 거의 문제 로 되지 않는다. 텔로펩티드는 분자 내와 분자간 가교의 도입부분으로 생체 내에서 콜라겐은 선유형성하고 텔로펩티드 부분에 분자간 가교가 들어가 불용화된다. 불용 성 콜라겐을 펩신처리하면 가교부분의 텔로펩티드를 소화하기 때문에 가용화된 아 테로콜라겐이 얻어진다.

콜라겐의 결합 구조

세개의 폴리펩티드 사슬이 꼬여 있는 삼중나선형 구조로 특히 하이드로프롤린의 함량이 많은 단백질이다. 콜라겐의 아미노산 서열은 '글리신-프롤린-X '나 '글리신 -X-하이드록시프롤린(X는 아미노산)'으로 주된 구성인 아미노산은 글리신, 하이드 록시프롤린, 프롤린 등이다. 트립신과 같은 단백질 분해효소의 작용은 받기 어렵고, 콜라게나아제의 작용을 받는다. 조직으로부터 분리하는 방법은 유기용매로 추출하 여 산 ·알칼리 처리를 한 후 트립신 ·히알루로니다아제를 작용시키는 것이다.

이러한 과정을 통해 불용성 물질인 콜라겐으로 얻는다. 콜라겐은 요리에서 중요 한 역할을 하는 성분으로 콜라겐을 추출하여 만든 젤라틴은 젤리를 만드는 등 응고 제로 다양하게 쓰인다.

2) 젤라틴

젤라틴은 천연 단백질인 콜라겐을 뜨거운 물로 처리하면 얻어지는 유도 단백질의 일종이다. 콜라겐으로부터 젤라틴으로의 변화는 펩티드 사슬의 가수분해에 의한다 고도 하고, 펩티드 사슬 사이의 염류결합이나 수소결합의 개열에 의한다고도 한다.

찬물에는 팽창만 하지만, 온수에는 녹아서 졸(sol)이 되고, 2∼3% 이상의 농도에서 는 실온에서 탄성이 있는 겔(gel)이 된다. 이 상태가 된 것을 젤리라고 하며, 그 응 고성을 이용하여 음식물에 섞어서 모양이나 단단함을 갖추기 위해서 널리 이용된 다. 겔은 가열하면 다시 졸로 돌아온다. 분자량 1만 5000∼2만 5000의 것으로 이루 어지는 불균일 물질로, 유기용매에는 녹지 않는다. 콜라겐과는 달리 트립신이나 펩 신 등의 작용을 받는다.

공정에 주의해서 얻어지는 엷은색의 투명한 것을 젤라틴이라 하고, 조잡한 공정 에 의해 얻어지는, 색깔이 짙고 불투명하며 다소의 불순물을 함유하는 것을 아교라 고 한다. 젤라틴은 단백질이기는 하나, 트립토판 등 영양상의 중요한 아미노산이 없 거나 또는 적으므로 그 영양가치는 적다. 사진감광막 ·접착제 ·지혈제·가공식품 ·약 용 캡슐 ·미생물의 배양기 등에 주로 사용된다.

3) 접착제

접착제란 두 물체를 서로 접합하는 데 사용하는 물질을 통틀어 이르는 말이다.

처음에는 액상이다가 나중에 고화되는 경우 떨어지지 않고, 또한 그 자체가 파괴되 지 않는 고분자이어야 한다.

물체를 접착시키려면 접착제를 물체에 도포하고 서로 붙인 후에 접착제가 고화되 어야 한다. 따라서 접착제는 처음에는 액상이다가 나중에 고화되는 경우 떨어지지 않고, 또한 접착제 자체 파괴되지 않는 고분자이어야 한다. 그러므로 접착제는 일반 적으로 다음 세 가지로 크게 나눌 수 있다.

첫째는 물에 녹인 녹말풀, 가솔린에 녹인 고무풀, 시너에 녹인 폴리아세트산비닐 계 등과 같이 고분자를 용액으로 사용하는 접착제, 둘째는 시아노아크릴레이트·비 스아크릴레이트 등과 같이 처음에는 저분자의 액상이던 것이 붙은 다음에 중합반응 으로 고분자가 되는 접착제, 셋째는 고분자의 고체를 가열하여 용융시켜 붙이는 접 착제(핫멜트법)가 있다. 그러나 접착제 생산의 대부분을 차지하는 요소수지는 저분 자이지만, 수용액으로 합판에 도포하여 합판의 다듬질에 쓰이는 등 조합해서 쓰이 는 경우가 많다.

4) 접착제의 유해성

순간접착제는 대부분 ‘시아노아크릴레이트’라는 성분으로 만들어 지며 공기 중의 수증기와 화학작용을 일으켜 경화하는 화학 경화식 접착제이다. 따라서 경화 시에 열이 발생하며 약간의 가스가 발생한다. 특유의 매캐한 냄새 때문에 들이마시면 약 간 호흡이 곤란해지거나 눈이 따끔거리는 경우가 종종 발생한다. 그리고 순간접착 제의 특징 중에 옷감의 '면' 재질과 닿으면 급격한 열을 내며 경화되는 성질이 있 다. 이로 인해 부상을 당하는 경우가 있다. 순간접착제는 한번 굳으면 좀처럼 떼어 내기가 힘들다. 떼어내기 위해 손으로 잡아 뜯거나 칼로 긁어 억지로 떼어 내려하 면 피부 표피까지 벗겨지거나 피부병 같이 다양한 문제를 일으킬 수 있다. 이를 제 거하기 위해 각 제조사에서 나오는 순간접착제 제거제가 있긴 하지만 그것도 마찬 가지로 화학약품에 속하기 때문에 피부에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.

대표적인 예로 새집증후군이 있다. 새집증후군은 새로 지은 건물의 화학성분이 들어간 접착제나 건축자재, 또는 새 가구에서 인체에 유해한 물질 및 발암물질이 배출되기 때문에 발생하는 환경공해병이다. 미국에서는 1980년대, 일본에서는 1990 년대 중반부터 사회적 문제로 부각되면서 주목받게 되었다. 새집증후군의 원인 중 접착제로 인한 증상은 다음과 같다.

접착제 성분 증상

포르말린, 톨루엔 호흡기 장애, 마취 작용, 두통, 구토 등

포름알데히드 발암성, 발암촉진작용, 아토피성 피부염, 알레르기 등 기타 유기용제 발암성, 마취작용, 두통, 어지럼증, 눈, 코, 귀의 자극,

구토, 피부염, 중추신경계 장애 등

<포름알데히드의 농도별 인체 자극정도>

5) 해파리

보름달물 해파리는 우리나라 연안에서 출현하는 해파리류 중 가장 흔히 발견되는 종이다. 약한 일일수직회유 현상을 보이므로 야간에는 수심 10m 정도에서도 이들의 집단이 발견되지만 주간에는 표층에서부터 수심 2m 이내에서 주로 발견된다. 4월말 부터 출현하기 시작하여 같은 해 11∼12월까지 꾸준히 보이나 여름철의 고수온기에 대량으로 발견된다.

한국원자력연구원은 첨단방사선연구소 임윤묵 박사팀이 감마선 등 방사선을 쪼이 는 방법으로 해파리에서 화장품의 원료인 콜라겐을 추출하는 공정의 효율을 4배 이 상 높였다고 5일 밝혔다. 연구진이 노무라입깃 해파리, 보름달물 해파리 등 국내 연 안에서 수거한 해파리를 분쇄한 뒤 25 킬로그레이(kGy)의 감마선을 2시간 동안 쪼 여준 결과, 방사선이 해파리 몸체의 지질과 콜라겐의 사슬을 끊는 역할을 해 콜라 겐 생산 효율을 높이는 것으로 나타났다.

또한, 보름달물해파리의 독성은 아주 미미하기 때문에 콜라겐을 추출해 내어 접착 제를 만드는 과정이나 접착제를 만들고 난 후에도 마찬가지로 독성 때문에 문제가 생기지는 않을 것으로 보인다.

○ 선행 연구

구분 탐구 제목 탐구 내용 저자

1

방사선을 이용하여 해파리로부터 콜라겐

분리방법 (2013)

해파리를 세척 및 분쇄한 후 방사선을 쐬어주고 펩신 처리를 하는 의료용 콜라겐 추출 방법에

관한 탐구를 활용함.

세연 특허법률사무소

2

해파리로부터 콜라겐의 추출최적화 및 물리화학적

특성 해석 (2008)

해파리의 점도 측정 방법 및 결과 분석, 수산생물로부터 콜라겐을

추출하는 방법 및 성질에 관한 탐구를 본 연구에 활용함.

부경대학교 교육대학원

3 점착제 제조 방법 (2008)

인체에 무해한 무독성의 다용도 밀봉재인 점착제 및 제조 방법에

관해 탐구함.

노태욱, 안효철

4 지렁이 점액질의 추출방법 (1997)

지렁이 체내에 형성된 점액선 등을 효율적으로 다량 수거할 수 있는 방법에 대한 탐구, 이를 해파리에

활용하고자 함.

홍정숙

5

천연 접착제의 상용화를 위한 접착능력 향상요인에

관한 연구 (2016)

접착제 제조 후 접착의 효율성을 높이기 위해서 필요한 조건과 녹말풀에 대한 정보를 얻어 이를 제조한 해파리 접착제에 혼합하여

사용함.

강한서, 김성태, 남민식

□ 연구주제의 선정

○ 연구 주제의 변경과 선정

처음 선행 연구(논문 및 서적)에 대한 자료 조사와 정리는 모두 의료용 접착제 를 제조하고자 하는 주제를 세우고 조사를 모두 마친 상태였다. 그러나 인근 대학 교 교수님에게 계획서 자문을 받아, 의료용 접착제를 제조하고자 했던 원래 계획

을 수정하게 되었다. 경제적으로 효율성이 상당히 떨어지며, 만약 해파리로부터 콜 라겐 추출이 상용화 된다면 다량의 콜라겐 추출을 위해 방사선을 사용하는 것이 불가피할 것인데, 이는 인체에 상당히 위험할뿐더러 추출된 콜라겐에 남아있을 방 사능을 무시하지 못할 것이라는 판단이 존재했기 때문이다.

계획을 철수하고 새로운 방향의 접착제를 제조해야 한다는 시행착오를 겪었지 만, 이를 통해 더 깊은 자료 연구와 주제 논의가 이루어질 수 있었다. 이에 따라 새집증후군 때문에 발생하는 여러 가지 피부질환 및 호흡기질환을 방지 가능한 벽지용 접착제를 제조하는 방향으로 연구를 진행하기로 하였다.

또한, 보름달물해파리의 독성은 아주 미미하기 때문에 콜라겐을 추출해 내어 접 착제를 만드는 과정이나 접착제를 만들고 난 후에도 마찬가지로 독성 때문에 문 제가 생기지는 않을 것으로 예상된다. 따라서 우리는 생활 속에 깊이 침투하여 문 제를 일으키고 있는 새집증후군의 기초적인 원인을 타파하고자 직접 벽지 접착제 로써의 해파리 접착제의 활용 가능성에 대해 탐구하고자 하는 주제를 세우게 되 었다.

□ 연구 방법

○ 처음에 해파리 속 콜라겐을 추출하기 위해 물과 에탄올을 혼합한 용매에 직접 추출법을 사용했는데, 이는 생각보다 많은 콜라겐을 추출해 낼 수 없었다. 그래서 검색하던 와중 방사능(감마선)을 쏘이면 해파리의 콜라겐 사슬이 끊겨 추출하는 데 더 용이하게 쓰일 수 있다는 사실을 알게 되었다. 따라서 우리는 원자력연구소에 방사능 조사를 의뢰하게 되었고, 이 후 해파리 속 콜라겐 추출의 효율을 극대화 할 수 있었다.

○ 또한, 제대로 콜라겐이 추출 되었는지 우리의 실험실에서는 확실히 알 수 있는 방법이 없었기에 인근 대학교 기기 센터에 연락을 취해 각각 시료에 포함되어 있는 콜라겐의 양을 측정해달라는 의뢰를 하였다. FT-IR을 통해 다량의 콜라겐이 제대로 추출된 것을 확인 할 수 있었으며, 추출한 콜라겐을 사용하여 접착제를 제조할 수 있었다.

○ 인체에 무해한지 측정하는 것이 실험의 핵심이라고 할 수 있는데, 우리는 실제 생물에 실험을 해보고자 하였다. 구피를 사용하여 실험했는데 우리가 예상했던 결과와 거의 다 일치하였지만 직접 제조한 접착제에서 2마리가 죽어서 의아했다. 오차의 원인을 분석하던 중 접착 성능의 보강을 위해 첨가한 녹말풀의 영향으로 삼투압이 물고기에게 영향을 주었다고 생각하고, 더 정밀한 검사를 위해서 유해성분 검사 센터에 유해성 물질 의뢰를 하였다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 해파리 속 콜라겐 추출 및 접착제 제조

콜라겐을 추출 할 수 있는 방법에는 증류수 추출, 분쇄 감압, 초음파 처리법 등이 있다. 증류수 추출은 세척하고 분쇄한 해파리와 증류수를 2.5:1로 혼합하여 추출한 뒤 여과 및 증발시키는 방법인데 이 방법으로 콜라겐을 추출 해 본 결과 실험에 필요한 만큼 충분한 콜라겐이 추출되지 않아 증류수 추출법을 사용할 수 없었다.

또한 초음파 처리법은 장비 부족의 문제로 사용할 수 없어 분쇄감압의 방법으로 콜라겐을 추출하였다.

1. 해파리를 세척한 후 균질기를 사용하여 분쇄한다.

2. 분쇄한 해파리와 증류수 메탄올을 1:1:2비율로 혼합하여 1h추출 뒤 여과한다.

3. 여액을 원심 분리 한 뒤 60'C에서 가열을 통해 농축한다.

○ 대조군, 실험군 설정

1. 접착제 제조를 위해서 추출한 콜라겐을 가열해 농축시켰다. 농축시킨 콜라겐은 접착력 이 있었지만 접착력이 약했다. 따라서 인체에 무해하면서 농축시킨 콜라겐의 접착강 도를 높여줄 수 있는 전분 풀을 약 0.2g정도 첨가하여 콜라겐의 접착력을 보강하였다.

2. 제조한 접착제를 실험군으로 두고, 벽지용으로 쓰이는 오공본드와 마늘접착제와 비교 하여 밀도와 pH농도, 유해성과 신속성 등을 측정하였다.

○ 접착 성능 평가 1. 접착 강도

1) 대조군 1을 벽지용 목공 접착제, 대조군 2를 마늘 접착제로 선정하고 실험 군1을 방사선 처리를 한 해파리 접착제, 실험군 2를 처리하지 않은 해파리 접착제로 정한다.

2) 대조군과 실험군을 우드락, 유리, 천, 종이, 나무에 도포한 후 2분의 시간이 지난 후 힘센서와 PASCO프로그램을 이용하여 접착 강도를 측정한다.

우드락 유리 천

종이 나무

물질에 따른 접착 강도 측정 과정

2. pH

1) 대조군과 실험군을 증류수에 희석한다.

2) pH meter를 이용하여 25℃에서 pH를 측정한다.

방사능 처리 O 방사능 처리 X

3. 신속성

1) 대조군과 실험군을 유리에 도포 시킨다.

2) 각각의 시료가 건조되기 까지 걸린 시간을 측정한다.

좌: 대조군 2 /우: 실험군 1

○ 유해성 평가

1. 구피를 이용한 생체 무해성 탐구

1) 수조 3개에 2/3 정도의 정수기물을 채운다.

2) 아무것도 녹이지 않은 대조군 1개와 각각 2개의 수조에 구피 6마리씩 넣고 제조한 천연 접착제와 실제 쓰이고 있는 벽지 접착제를 1g 씩 녹인다.

3) 시간이 경과함에 따라 구피가 어떻게 되는지 관찰한다.

아무것도 넣지 않은 구피 수조

벽지접착제를 넣은 구피 수조 제조한 접착제를 넣은 구피 수조

2. 유해성 검사 의뢰

1) 시중에서 사용되는 벽지 접착제와 제조한 접착제를 각각 튜브에 가득 채운 다.

2) 검사 센터에 포름알데히드 및 톨루엔, 아세톤 등 새집증후군과 여러 질환을 유발하는 유해물질이 포함되어 있는지 검증을 요청한다.

3) 결과를 비교한다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 해파리 속 콜라겐 추출

식용 해파리와 식용이 아닌 해파리(보름달물 해파리), 방사선 처리를 한 해파리와 방사선 처리를 하지 않은 해파리로 분류하여 콜라겐을 추출하였다. 다음 표와 같이 분류하여 추출하였다. (한국 원자력 조사 연구소에 방사선 조사를 의뢰하였음.) -방사능 처리를 하면 해파리의 콜라겐 사슬이 끊겨 추출하는 데 더 용이함.

식용 해파리 식용 해파리x(보름달물)

방사선 처리o 0.526 0.674

순서대로 해파리, 식용해파리, 보름달물해파리, 분말처리한 해파리 시료의 콜라겐 함유량

해파리 본연에 포함되어 있던 콜라겐의 량(시료1) 만큼 90%이상으로 콜라겐이 추출되었 음을 알 수 있다. 특히 방사선을 조사한 보름달물 해파리에서 가장 잘 추출되었으며, 추출한 해파리 시료를 분말로 처리했을 시에도 콜라겐의 추출량이 상당한 것을 보아 나중에 접착제를 실용화할 때 분말을 사용한 핫멜트 접착제로써의 이용 가능성도 볼 수 있었다.

○ 접착 성능 평가 1. 접착 강도

1-1) 실험군 비교

(단위: N) 우드락 유리 천 종이 나무

실험군

방사능 O 1.4 0.7 0.4 2.2 3.8 방사능 X 0.8 0.2 0.1 1.4 1.6

방사능 처리 유무에 따른 접착 강도

대조군 2와 방사능 처리 유무에 따른 접착 강도

1-2) 대조군, 실험군 비교

(단위: N) 우드락 유리 천 종이 나무

합성 대조군

(벽지) 1.7 1.0 0.8 2.1 3.0

천연

대조군

(마늘) 1.0 0.3 0.3 1.4 1.8 실험군

(제조) 1.1 (1.4) 0.45 (0.7) 0.25 (0.4) 1.8 (2.2) 2.7 (3.8) 대조군, 실험군 비교

대조군 2와 방사능 처리 유무에 따른 접착 강도

실험 1-1에서 비교해본 결과 모든 결과에서 방사능 처리를 한 해파리의 접착제 가 접착 강도가 뛰어난 것이 확인 되었다. 이에 방사능 처리가 접착제 제조 시 큰 중요도를 차지하여 접착 시 작용하는 다양한 상호작용력(공유 결합, 수소 결 합, Van der Waals결합)에 영향을 미친다는 결론을 얻었다.

실험 1-2에서 천을 제외한 우드락, 유리, 종이, 나무에 대한 실험군의 평균값이 대조군 2인 마늘 접착제보다 뛰어난 것을 수치상으로 확인할 수 있었으며 합성 접착제인 대조군 1과 비교하여 실험군(최댓값)이 큰 차이가 없으며 종이와 나무 에 대한 강도는 더 효과적이라는 결론을 얻었다.

이를 비교하여 접착제의 활용 방안에 논의해 볼 수 있었다.

2. pH

단위 pH

합성 벽지 6.0

천연

대조군

(마늘) 6.2 실험군

(제조) 7.9 pH 측정

pH를 측정한 실험에서 대조군에 비해 실험군의 pH 차이가 크지 않다는 것을 확인하 였다. pH 6∼7의 접착제가 산업 규격에 알맞고, 인체에 무해하다는 조사를 통해 우리가 만든 해파리 접착제의 수소이온농도가 규격에는 적합하나, pH를 낮추어 사용한다면 더 효율적일 것이라고 생각했다. 또한 첨가한 녹말풀 때문에 pH가 높게 나온 것이라 추측하여 해파리 추출물의 농도를 높이고 녹말풀을 보다 더 적게 첨가하 여 제조한다면 현재 제조한 접착제보다 무해한 접착제를 제조할 수 있을 것이라고 본다.

3. 신속성

단위(s) 시간

합성 벽지 80

천연

대조군

(마늘) 132 실험군

(제조) 110 신속성 측정

합성 접착제의 신속성이 천연 접착제의 신속성에 비해 뛰어나며 이는 합성 접 착제의 화학적 특징 때문인 것으로 판단하였고 시간 차이가 크지 않은 점을 유 의하여 합성 접착제 대신 사용하기에 큰 무리가 없을 것으로 판단되었다.

○ 유해성 평가

1. 구피를 이용한 생체 무해성 탐구 1-1) 시간 변화에 따른 구피 관찰 결과

수조 시간

아무것도 넣지

않은 수조 벽지접착제를 넣은 수조

제조한 천연접착제를

넣은 수조

넣은 직후 평온함(6)

한 마리가 물 밖으로 튀어 오르며, 대부분 수면

근처에 위치함(6)

평온함(6)

1시간 후 평온함(6)

1마리가 가라앉아 힘이 없고, 2마리는 수면

근처에서 퍼덕이고 나머지는 수면 근처에서

위치함(6)

평온함(6)

5시간 후 평온함(6)

2마리 죽음, 3마리 가라앉음, 1마리는 수면

근처에 있음(4)

1마리가 수면 근처로 떠오름, 나머지는 평온함(6)

10시간 후 평온함(6)

3마리 죽음, 나머지 모두 바닥에서 힘 없이

위치함(3)

1마리 죽음, 나머지는 바닥에 가까이 가라앉아

위치함(5)

20시간 후 평온함(6)

5마리 죽음, 나머지 한 마리도 거의 미동 없이 숨만 쉬고 있음 (1)

2마리 죽음, 1마리는 수면 근처에 위치하고 나머지는 바닥에 근접해있음(4)

24시간 후 평온함(6) 모두 죽음(0) 변화 없이

평온함(4)

1-2) 시간 경과에 따른 죽은 구피의 수

넣은 직후 1시간 후 5시간 후 10시간 후 20시간 후 24시간 후

순수한 물 0 0 0 0 0 0

벽지접착제

(화학접착제) 0 0 2 3 5 6

해파리접착제 0 0 0 1 2 2

구피의 행동을 관찰하였을 때 시중에서 판매되는 벽지접착제를 첨가한 용액에 서는 밖으로 튀어나오는 발작을 일으키는 듯한 모습을 보이며 24시간이 지났을 때 모든 구피가 죽었다. 그에 비해 직접 제조한 해파리 접착제에서는 최종적으 로 2마리, 순수한 물에서는 0마리가 죽으면서 시중의 화학접착제가 유해하다는 것과 해파리 접착제의 유해성이 거의 없다는 결론을 내릴 수 있었다.

하지만 위 실험에서 전혀 죽지 않을 것이라 예상했던 해파리 접착제에서 2마 리가 죽으면서 해파리 접착제에 독성이 있을지도 모른다는 생각을 하게 되었다.

그러나 해파리 접착제를 제조할 시에 접착 성분을 높이고자 포름알데히드 혹은 아세톤 등의 유해한 성분을 사용하는 일은 전혀 없었기 때문에 다른 요인으로 써 접착 능력을 보강하고자 사용한 녹말풀의 삼투압 때문이라고 추측하고, 더 정밀한 검사를 위해 유해성분 검사센터에 접착제의 유해성분 검출 의뢰를 맡겼 다.

2. 유해성 검사 의뢰

분석항목 결과

Formaldehyde 0.0445mg

Toluene 불검출

NOTE:분석기기=UV-vis spectrometer, GC-FID KOT한국품질시험원 시험자 : 허태영

KOT한국품질시험원에 의뢰하였다. 온도 22~24도, 습도 21~25%에서 UV-vis spectrometer, GC-FID를 사용하여 11월 10일부터 16일까지 총 일주일 동안 분석했다.

분석 결과, 포름알데히드가 0.00445mg으로, 아주 소량 검출되었다. 시중 판매되는 천연 접착제의 평균 포름알데히드 농도는 1.5mg/g으로 약 1/34, 즉 시중 천연 접착제의 0.02%

정도의 포름알데히드가 검출되었다. 이는 해파리를 추출하는 과정에서 유기용매를 사 용한 데에서 발생한 것으로 추측된다. 하지만, 이는 아주 미미한 정도로 인체에 전혀 무해하다고 판단할 수 있다. 따라서, 제조한 해파리 접착제는 실생활에서 바로 사용 가능할 만큼 안전하고 무해하다는 것을 증명할 수 있었다.

○ 연구 결론

1) 해파리의 종류가 접착력 및 유해성, 신속성에 미치는 영향

힘센서 측정 결과, 보름달물 해파리가 식용해파리에 비해 모든 측정에서 월등히 접착력이 높은 것을 알 수 있다. 또한, 독성이 있기 때문에 보름달물 해파리로 만 든 접착제가 유해성이 더 높게 측정될 것으로 예상했지만 식용 해파리로 만든 접 착제와 비교해 보았을 때 더 유해하다는 결과를 찾을 수 없었다. 두 접착제의 신 속성은 비슷하였다.

두 가지 종류의 접착제를 비교한 결과, 보름달물 해파리로 만든 접착제가 식용 해파리로 만든 접착제 보다 접착력이 우수하며 유해성과 신속성은 별 차이가 없 음을 알 수 있었다. 이는 식용 해파리가 후처리를 한 상태였기 때문으로 사료된다.

2) 방사능 조사 여부가 접착력 및 유해성, 신속성에 미치는 영향

해파리에 방사능을 쏘아주게 되면 해파리에 있는 비콜라겐 단백질의 사슬이 끊 어져 콜라겐의 추출이 더욱 쉬워진다. 접착제 제조를 더욱 쉽게 하기 위해 해파리 에 방사능을 쏘아 주었고 방사능 조사 여부가 접착력 및 유해성, 신속성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 대조군을 설정하여 비교해 보았다.

힘센서 측정 결과, 보름달물 해파리와 식용해파리 모두 방사능을 쏘아 준 것이 접착력이 더욱 좋음을 알 수 있었다. 방사능이 잔류하여 유해성이 높게 나타날 수 있을 것이라 생각했지만, 유해성은 두 접착제 모두 수치가 매우 작아 비교하는 것 이 무의미하였다. 두 접착제의 신속성은 비슷했다.

방사능 조사 여부에 따라 접착제를 비교한 결과, 방사능 조사를 한 해파리로 만 든 접착제가 접착력이 더 좋으며 유해성과 신속성은 비슷한 수치로 나타났음을 알 수 있다. 이는 방사능이 비콜라겐 단백질의 사슬을 끊어 접착에 불필요한 고분 자 물질이 사라졌기 때문이라 생각한다.

□ 시사점

○ 이 실험을 통해서 보름달물 해파리로 제작한 접착제, 방사능을 쏘아 준 해파리로 만든 접착제가 그렇지 않은 것보다 접착력이 우수하다는 결론을 얻을 수 있었다. 또한 우리가 만든 접착제는 모두 유해성이 무시할 수 있을 정도로 미미하며 신속성도 갖추었 음을 알 수 있었다.

보름달물 해파리로 만든 접착제의 접착력이 우수한 것은 긍정적으로 평가할 수 있다.

미미하지만 독성이 있어 제대로 활용하지 못했던 보름달물 해파리를 우리가 만든 해파 리 콜라겐을 이용한 접착제로 활용할 수 있을 것이라 생각한다. 현재 접착제를 비롯한

무시할 수 있을 정도로 미미하여 친환경적 접착제로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

○ 우리가 수행한 실험의 목적은 버려지는 해파리를 활용할 수 있으며 인체와 환경에 해를 끼치지 않는 친환경 접착제를 만드는 것이었다.

별다른 활용방안이 없었던 보름달물 해파리를 이용해서 접착제를 만듦으로서 버려지는 해파리를 활용할 수 있었다. 접착제 제조 시 포름 알데하이드 등의 유해 물질을 첨가하지 않았으며, 접착제 제조 후 실시한 FT-IR 검사 결과에서도 일반 접착제에서 검출되는 유해 물질이 검출되지 않았다. 이를 통해 우리가 제조한 접 착제가 인체와 환경에 해를 끼치지 않을 것임을 확인할 수 있었다. 또한, 접착제 제조 후 힘센서를 이용해 접착력을 측정한 결과 우리가 제조한 접착제가 단순히 콜라겐을 추출하는 수준이 아닌, 접착제라는 본래의 목적에 사용할 수 있을 만큼 접착력이 우수함을 알 수 있었다.

이러한 점을 고려해 봤을 때, 우리가 제조한 접착제는 버려지는 보름달물 해파 리를 활용할 수 있으며 유해물질이 포함되지 않아 인체와 환경에 해를 끼치지 않 는 친환경 접착제임을 확인할 수 있었다. 또한 접착력 측정에서도 우수한 결과를 보여 접착제로 사용될 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.

○ 힘센서로 접착력을 측정한 결과 종이와 나무를 접착했을 때 접착력이 가장 높았 다. 이는 우리가 제조한 접착제가 건축 분야에서 벽지와 목재를 접착하는 데 쓰일 수 있는 가능성을 보여준다.

또한, 우리가 제조한 접착제는 새집증후군의 원인이 되는 포름알데하이드 등의 유해물질이 검출되지 않았다. 이는 우리가 제조한 접착제가 인체와 환경에 해를 끼치지 않는 친환경 접착제로 활용될 수 있음을 보여준다.

4. 홍보 및 사후 활용

○ 해파리에서 콜라겐을 추출할 때 실험 기구가 부족해서 여러 가지 방법을 실시하지 못한 점이 아쉬웠다. 다음 실험을 진행할 때는 콜라겐을 여러 가지 방법으로 추출하여 더 효율이 좋은 방법을 찾고 싶다.또한, 이번 실험에서는 콜라겐이 다량 추출되지 않아 녹말 풀을 섞어서 접착제를 제조했는데, 다음에 더 연구를 진행하게 된다면 해파리에서 콜라겐 을 최대로 추출하는 방법을 탐구하여 다른 풀을 섞지 않고 사용할 수 있는 접착제를 제조하고 싶다.

접착제에 녹말풀을 섞게 되면 보존 기간이 길지 않아 곰팡이가 슬고 금방 상하게 되는데 접착력과 신속성에 영향을 주지 않으면서 유해하지 않은 보존제를 첨가하여 실제 활용할 수 있는 보존 기간이 긴 접착제를 제조하고 싶다.

○ 이의 실험 결과를 학술 동아리 및 과학 전람회 등의 연구 주제로 계속 연장하여 실생활에 서 누구나 사용 가능한 실용적인 천연 접착제로써의 발전 가능성에 대한 탐구를 이어나 갈 것이다. 해파리 접착제의 신속성과 지속성을 보충한다면 누구나 손쉽게 사용할 수 있을 것이라고 생각되며, 접착력을 더 보강할 방법을 탐구하여 실험을 계속해 나간다 면 생활 어디서든 유용하게 사용 가능한 콜라겐 접착제를 개발해 낼 수 있다고 판단하여 항균활성 및 인장강도에 대한 실험을 추가하여 보강해 나갈 예정이다.

5. 참고문헌

□ 논문

○ 강한서, 김성태, 남민식(2016) 천연 접착제의 상용화를 위한 접착능력 향상요인에 관한 연구, 국립중앙과학관, 과학전람회

○ 김동우 외 4명(2016), 해파리 콜라겐 추출물의 보습 효과, 대한화장품학회지

○ 노태욱, 안효철(2008), 점착제 제조 방법

○ 마연식(1996), 천연 카제인 접착제 제조 및 그 물성 특성에 관한 연구, 세종대학교 박사학위 논문

○ 민혜조(2016) 천연 성분을 이용한 미용용 접착제 제조 및 평가, 원광대학교 박사학위 논문

○ 신효경, 최범용(2014), 버려지는 넙치 가죽을 이용한 천연 접착제 제작 및 특성에 관한 탐구, 국립중앙과학관, 과학전람회

○ 세연특허법률사무소(2013). 방사선을 이용하여 해파리로부터 콜라겐 분리방법.

○ 안주련(2008), 해파리로부터 콜라겐의 추출최적화 및 물리화학적 특징 해석. 부경대학교 교육대 학원 석사학위 논문

○ 이진화(2008), 마늘을 이용한 벽지용 천연물 접착제 제조, 경남과학기술대학교 석사학위 논문

○ 홍정숙(1997), 지렁이 점액질의 추출방법