STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(꽃잎색의 생활과 화학에서의 활용에 관한 연구)

2015. 11. 17.

부산장안고등학교

< 연구결과 요약 >

과 제 명 꽃잎색의 생활과 화학에서의 활용에 관한 연구

연구목표

- 식물색 으로부터 안정한 만능지시약을 만든다.

- 식물색 으로부터 pH 페이퍼를 만들어 그림을 그리고 pH시험지를 만 들어 생활과 학습에 적용시킨다.

- 우리주변 식물의 색소들의 천연지시약으로의 활용여부 검토

연구방법

1. 우리가 흔히 알고 있는 안토시아닌을 많이 함유하고 있는 양배추 지시약 의 활용범위 확대

2. 일반적으로 알려져 있는 안토시아닌을 많이 함유하고 있다는 식물들로부 터 색소를 추출하고 pH를 변화하여 색변화를 관찰한다.

3. 주변에 존재하는 식물 중 보라색 계열의 식물이면서 지시약이라고 잘 알려져 있지 않은 식물을 찾아 마찬가지로 색소를 추출하고 pH 변화에 따른 색 변화를 관찰한다.

4. UV-vis Spectrophotometer를 이용하여 각 식물의 안토시아닌 함유량을 정량적으로 측정하여 지시약으로의 활용여부를 검토한다.

5. 식물이 포함하고 있는 안토시아닌 함유량과 pH에 따라 색 변화가 다른 것에 대해 심화 연구를 통해 그 이유를 파악한다.

연구성과

1. 우리주변에 다양하게 존재하는 식물의 안토시아닌 함유량을 정량적 으로 분석하고 그 활용 방안을 찾았다.

2. 천연지시약과 기존의 화학지시약의 차이점에 대해 비교해 본다.

3. 천연지시약을 제작할 수 있었고 이를 통해 pH 페이퍼, 천연 염색, 그림그리기 등 다양한 분야에 활용할 수 있었다.

4. 새로 발견한 식물(까마중, 아로니아, 마키벨리, 자리공, 오디 등)로부 터 간단히 색소를 추출하여 지시약을 만들고, 초, 중학교 수업에 적용 하고, 지시약을 적셔 말린 페이퍼에 pH완충용액을 이용해 그림을 그 려본다.

5. 천연지시약으로 pH시험지를 만들어 학교실험이나 가정에서 손쉽게 활용할 수 있는 방안을 찾을 수 있다.

주요어

(Key words) 꽃잎색, 안토시아닌, pH페이퍼, UV-vis Spectrophotometer, 완충용액

1. 개요

□ 연구 동기 및 목적

○ 본 연구를 착수하게 된 동기

- 본교는 산과 들이 어우러져 있는 교외에 위치해 있어 봄이 되면서 학교 주변에 다양한 꽃들이 피면서 우리들 눈을 즐겁게 해주었다. 이때 주변의 꽃들의 색이 왜 다양한가에 대해 의문을 가지게 되었고, 꽃잎이 가지고 있는 안토시아닌이라는 색소 성분이 액성에 따라 여러 가지 색을 띠게 된다는 것을 알게 되었다. 또 선생님께서는 이런 식물 색을 이용하여 여러 가지 물질들의 액성을 확인할 수 있는 지시약을 만들 수 있다고 하셨다.

우리들은 초등학교 때 만들어 본 양배추 지시약을 기억해 내었고, 또 이것 이외 꽃잎 색에 영향을 주는 요인과 꽃잎색을 이용하여 pH페이퍼를 만들어 pH완충용액으로 그림 을 그릴 수 있는 재료가 되었다. 그리고 학생들에게 실험시약을 접하게 함으로써 자연친 화적이고 친환경적인 의식을 고조시킬 수 있다.

○ 연구의 필요성

- 보라색양배추 이외에 천연지시약으로 사용가능한 안토시아닌을 다량 함유하고 있 는 식물찾기

- 새로운 식물에서 추출한 식물색소를 학교 현장에서 산-염기 실험의 천연지시약으 로써의 활용을 검토한다.

- 천연시지약을 활용상 색소 추출의 어려움과 보관상의 문제 등 여러 가지 문제점 을 가지고 있어 널리 사용되지 못한다는 단점이 있다.

- 기존의 천연지시약의 장, 단점을 찾아내고, 이를 더욱 발전시켜 기존 이용되고 있 는 지시약이 외에 쉽게 활용할 수 있는 지시약을 찾아 학교 현장에 직접 적용해 보고 실험교재로써의 활용을 정착시킬 필요가 있다.

- 식물색소의 생활에의 활용으로 어린이들의 그림재료로의 활용(물감재료)이나 가정 에서의 적용 범위를 확대한다.

◯ 연구 목적

- 꽃잎 색의 다양한 활용도를 검토한다.

- 꽃잎 색으로부터 여러 가지 색을 추출할 수 있다.

- 꽃잎 색으로부터 만능 지시약을 만들 수 있다.

- 우리 생활주변의 물질(산성비, 폐수 등)의 pH를 측정해볼 수 있다.

- 추출된 지시약을 친환경적인 학교 실험 교재로 사용할 수 있다 ◯ 지역 특성 및 학교 여건

- 부산장안고등학교는 2009년 10월 과학중점학교로 지정된 이래 실험실습 중심의 과학 교육을 위한 첨단 시설을 완비하여 학생들의 탐구력 향상을 위한 토대 마련 - 과학중점 학생들이 1, 2학년 과정에서 과학 교과의 4개 영역 I, II 과목을 이수하

여 폭넓은 과학적 지식을 배양할 수 있도록 교육과정 편성

□ 연구범위

◯ 연구 분야 및 범위

- 주변에서 흔히 볼 수 있는 여러 종류의 과일이나 식물에서 색소를 추출하여 안 토시아닌의 함유량을 비교하고, 천연지시약으로써의 활용여부를 검토한다.

◯ 진행단계

- 지시약으로 널리 사용되고 있는 자주색 양배추나 양파, 나팔꽃 등에서 색소를 추출하여 pH색변화를 확인하고 UV-vis를 통해 안토시아닌 함유량을 분석하여 본다.

- 잘 알려지지 않은 식물중에서 푸른색 계열을 띠는 까마중, 마키 베리, 아로니아 등의 식물의 안토시아닌 함유량을 확인하고 지시약으로써의 활용 가능성에 대 해 연구 해보았다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구 ◯ 식물색소의 종류와 그 성질

- 안토시아닌은 단독의 물질을 나타내는 것이 아니고 식물의 꽃잎, 열매, 뿌리, 줄 기에서 아름다운 색을 띠는 일종의 색소의 총칭이다. 이러한 한 무리의 색소들 은 배당체로써 존재하고, 색소체 본체는 페라고니진, 시아니진, 델피니진 3종류 와 그 유도체들이다.

- 안토시아닌이 다른 식물 색소와 특히 다른 점은 연속적으로 폭넓은 색을 나타낸 다는 것이다. 카로틴, 클로로필 등과 비교해서, 적색, 보라색, 청색까지의 다양한 색을 가지고 있으며 450nm에서 650nm까지의 가시광선을 흡수한다. 이것은 아노 시아닌의 발색단인 모핵안토시아니진의 구조가 pH에 따라 변화하기 때문이다.

<그림 1 안토시아닌의 pH에 따른 구조 변화와 그 색>

- 안토시아닌은 강산성에서는 수소화된 형태로 적색, 중성에서는 탈수소화된 염기 성으로 보라색을 나타낸다. 염기성이 되면 더욱 1분자의 수소가 떨어진 형태가 되어 청색을 나타낸다. 이 반응은 모두 평형이고 더욱 산성에서는 수화반응이

쉽게 일어나고 탈색된다. 그래서 우리 눈에 보이는 꽃잎색은 실제는 이러한 분 자종들의 평형혼합물이다. 이 평형은 용액의 pH뿐만 아니라 색소의 구조나 공존 물질, 금속이온, 그리고 이것들의 농도에 의해 크게 영향을 받는다. 안토시아닌 모핵간, 다른 방향족고리와의 소수상호작용이 중요하다. 이 이론은 많은 실험이 나 연구에서 안토시아닌의 발색과 안정화기구의 가장 중요한 것으로 받아들여지 고 있다.

- 안토시아닌의 탈색(변색) 원인

식품에 포함되어 있는 안토시아닌은, 안정한 물질이라고 할 수 없다. 안토시아닌 이 파괴되면 당연히 변색이 일어난다. 변색을 막으려면 안토시아닌이 파괴되는 원인을 생각하여 파괴를 방지하면 된다. 안토시아닌이 파괴에는 다음과 같은 원 인이 있다.

1) 구조적 문제 - 모든 안토시아닌은 균일하게 파괴되는 것이 아니고 화학구조 에 따라 안정성에 차이를 보인다. 예를 들면, 와인에 포함되어 있는 안토시 아닌 중 당이 2개있는 안토시아닌이 당이 1개 있는 것보다 안정성이 높다.

또, 붙어있는 당의 종류에 따라 안정도가 다르다. 메톡시기(_ )가 많으 면 많을수록 안정하고, 수산기(-OH)기가 많을수록 불안정하다. 화학구조 자 체는 안토시아닌이 가지고 있는 고유의 문제이므로 구조적인 원인상의 안토 시아닌의 파괴를 막을 수는 없다.

2) 효소의 영향 - 식품 속에 함유되어 있는 효소에 의해 안토시아닌이 파괴되는 경우가 있다. 예를 들면, 글리코시다아제(-glucosidase)가 함유되어 있는 배당 체부분이 가수분해되어, 당이 유리되고 안토시아닌이 안토시아니진으로 변하 여 탈색된다. 페노라아제가 있으면 안토시아닌은 페놀화합물이므로 페노라아 제에 의해 파괴되어 탈색된다. 이와 같이 효소에 의해 안토시아닌의 파괴가 일어나는 경우에는 단시간 고온에서 가열처리해서 효소를 제거할 필요가 있 다.

3) 온도의 영향 - 일반적으로 식품을 가열처리하는 것으로도 함유 되어있는 안 토시아닌이 파괴된다. 온도가 높으면 높을수록 파괴율이 가속화된다. 딸기를 100℃에서 1시간 보존하면 50%의 안토시아닌이 파괴된다. 즉, 100℃에서의 안토시아닌의 반감기는 1시간이라고 할 수 있다. 이 계산으로 가면 38℃에서 보존하면 반감기는 10이고, 20℃에서 보관하면 54일, 0℃에서는 11개월이 되 지만, 실제는 0℃에서 보존해도 훨씬 빨리 파괴된다. 역으로 100℃정도의 고 온에서 10분 전후로 가열한 후 저온에서 저장해 두는 것이 색의 파괴를 막을 수 있다는 보고도 있다. 어느 쪽이든 열은 탄소 고리를 깨어 안토시아닌을 파괴시킨다.

4) 빛의 영향 - 생체 외에서는 빛이 안토시아닌을 파괴시키지만 생체 내에서는 광합성에 의해 안토시아닌이 만들어진다. 배당체부분에 아실기(RCO-)를 가지 는 안토시아닌은 빛에 대해 안정하다. 흑인삼의 안토시아닌은 배당체부분에 서 아실기를 가지는 안토시아닌을 많이 포함하고 있다.

5) pH의 영향 - pH는 안토시아닌의 색에 영향을 줄 뿐만 아니라, 안정성에도 영 향을 준다. 일반적으로 안토시아닌은 산성에서 안정하고, 중성이나 염기성에 서는 불안정하다. 특정 pH에서 파괴가 일어나는 안토시아닌도 있다. 특정 pH 에서의 안토시아닌의 파괴에는 산소가 관여하고 있다.

6) 산소의 영향 - 특정 pH에서 안토시아닌이 산소(공기)에 접촉하고 있는 경우, 산소는 안토시아닌의 파괴를 가속시킨다. 밀봉이나 질소 충진을 해서 공기와 의 접촉을 막으면 안토시아닌의 파괴를 막을 수 있다.

7) 아스코르빈산의 영향 - 아스코르빈산(비타민C)는 안토시아닌의 파괴를 촉진시 킨다. 발색보조인자로써 프라본류가 있으면 파괴를 억제시킬 수 있다

8) 당의 영향 - 당이 함유되어있으면 안토시아닌의 파괴가 촉진된다. 과당, 아라 비노즈, 젖당 그리고 솔루보-스가 포도당이나 말타아제보다도 파괴효과가 크 다. 산소에 접촉하면 파괴가 가속화된다.

9) 금속의 영향 - 안토시아닌은 금속과 반응하여 착화합물을 만들고, 안토시아닌 의 색에 영향을 준다. 이것은 안토시아닌의 발색을 강하게 만들기도 하지만 퇴색을 일으키는 경우도 있다.

10) 응집의 문제 - 안토시아닌은 다른 물질과 결합하기 쉽고 또 안토시아닌 서로 간에도 결합하기 쉽다. 안토시아닌이 다른 물질과 결합하면 발색이 강해지고 안정성도 향상된다. 그러나 안토시아닌의 응집이 좋은 쪽으로만 일어나는 것 이 아니라 파괴를 일으키는 경우도 있다.

□ 문제점으로부터의 착안점

◯ 식물 색소를 이용하여 옷감의 염색, 화학에서의 지시약으로써 활용되고 있다는 것은 널리 알려져 있는 사실이다. 그러나 실제 학교 실험에 적용할 때 정확한 지 침서가 없어 실험 결과가 명확하지 않아 교사들이 수업 중 적용하기 어려운 점이 있으며, 활용 가능한 지침서 개발이 요구된다.

- 식물 색소를 추출하는 과정이 복잡하고 시간이 걸린다.

- 색소의 변색이 잘 되어 명확한 pH값을 얻기가 어렵다.

- 시판용 pH 페이퍼나 지시약 대용으로 널리 사용되고 있지 않다.

◯ 연구 주제의 선정 과정

- 생활주변과 학문과 관련된 내용이 되도록 주제를 선정한다.

- 학교주변에 흔히 피는 꽃잎으로부터 추출한 색소는 친환경적이고, 기존의 화학 실험에 사용되고 있는 식물 지시약보다 효율성이 좋기 때문에 친환경적 만능지 시약을 만들어 적용하고 싶었다.

- 꽃잎색소를 활용한 지시약 만들기에 대한 문헌조사

- 꽃잎색소를 활용한 친환경적 물감만들기에 대한 문헌조사

- 꽃잎색소의 실생활에서의 활용에 대해 구성원간의 토론․토의 진행

- 물감이나 지시약을 만드는 과정에서 구성원간의 협력과 배려심을 익히고 탐구심 증진

□ 연구방법

◯ 식물 색소 추출하기

- 페트병을 이용한 간이 거름장치 만들기

1) 실험재료 : 페트병, 여과지(커피여과용 페이퍼 또는 가제)

2) 만드는 방법 : 페트병의 중간 약간 위 부분을 칼로 잘라내고 아래 그림 2와 같이 잘라낸 윗부분을 뒤집어 페트병 아래쪽에 끼워넣어 고정한다. 여기에 천 을 얹고 찧은 식물들을 붓고 거르면 많은 양을 한꺼번을 얻을 수 있다.

<그림 2. 페트병을 활용한 거름장치>

- 색소 추출하기 1) 즙 짜기

가) 식물을 막자사발에 넣어 찧는다.

나) 찧어진 식물을 거즈 안에 넣어 짜낸다.

다) 즙을 짜내고 나온 용액은 여과지를 통해 거른다.

2) 끓이기

가) 비커에 색소를 추출할 식물과 증류수를 넣고 가열한다.

나) 증류수에 색소가 우러나 식물의 색이 빠지면 식물을 건져낸다.

다) 색소를 응축하기 위해 계속 가열하여 증류수를 증발시킨다.

라) 응축된 시료 추출물을 여과지에 거른다.

◯

- 염산 : 에탄올 = 1 : 35 의 용액을 만든다.

- 용액을 시료 추출물과 섞는다. (염산-메탄올 용액 : 시료 – X : Y) - 시료 추출물이 혼합된 용액을 거름종이에 흡수시켜 건조한다.

- 거름종이를 암모니아 기체에 노출시켜 청색이 되도록 한다.

- 거름종이를 공기 중에 방치하여 보라색이 되도록 한다.

◯

- 추출한 색소액에 0.5mL의 2M-탄사수소나트륨용액을 가한다.

- 3개의 시험관에 포도당 0.5g, 2%-_ 용액, 2% _ 용액을 가하고 색조를 관찰한다.

□ 연구 활동 및 과정 ◯ 가설 설정

- 일반적으로 안토시아닌 색소가 많이 들어 있다고 알려진 식물들과 과일들에서 색소를 얻어 지시약으로 사용하였다. 그 식물들은 대체적으로 푸른 계열의 색을 띄고 있으며, 진하다는 공통점을 가지고 있다.

- 꽃이나 식물 중에서 보라색이나 붉은색의 빛을 띤다면 안토시아닌 색소의 양이 많아 지시약으로도 사용이 가능할 것이다.

- 기존의 양배추 지시약 등은 변색이 쉽게 일어나 보관해 두고 사용하기에는 어려움이 있다. 안토시아닌의 변색을 방지할 수 있다면 실험 교구로서의 천연지시약 사용이 용이할 것이다.

◯ 실험 설계

- 지시약으로써 많이 알려진 양배추나 장미 같은 식물 또는 꽃을 준비한다.

- 즙 짜기, 찧기, 끓이기, 긁기의 네 가지 방법으로 색소를 추출한다.

- UV-vis을 통해 어떤 방법에서 가장 많은 안토시아닌이 발견되었는지를 보거나 어떤 것이 pH변화에 따라 색상이 다양한지 알아본 후 위의 네 가지 방법 중 하나를 택한다.

- 알려지지 않았지만 주위에서 흔히 접할 수 있는 식물이나 꽃에서 색소를 추출해 낸다.

- 추출해 낸 색소를 이용해 만든 지시약을 이용하여 pH시험지를 만들거나 다른 실험에 적용할 수 있는 실험 재료로 사용한다.

- 지시약의 변색을 방지하기 위해 처리를 한 후, 기존의 방법과 비교한다.

◯ 실험진행 과정

➜ ➜ ➜

여러 가지 과일 및 채소 준비

거름종일에 색소를 긁어 산-염기를 떨어뜨려 색관찰

즙 짜기로 색소를 추출하여 페트병 거 름 장치로 거른다.

막자사발에 찧어 색 소 추출한다.

➜ ➜ ➜

끓이기와 알코올

중탕 추출법 색소를 거름종이에

흡수시킴

색소가 흡수된 거름 종이를 건조기에서 말림

pH=1에서 pH=13까 지의 완충요액에 색 소를 떨어뜨려 관찰

➜

2차

➜

실험 시 작

➜

말린 거름종이에 완충용액으로 그림 그리기

추출한 색소를 이 용한 천염색

학교주변에서 안토 시아닌을 다량함유 한 자리공 따기

채취한 열매를 분류 하기

➜ ➜ ➜

추출한 색소로 pH 시험지 만 들기.

추출한 색소를 UV-vis로 안토 시아닌 분석

지시약의 변색 방 지( 염산 : 에탄올 – 1 : 35 용액으로 추출

지시약의 변색을 방지(안토시아닌 의 금속이온과의 착체형성 처리

◯ 실험결과의 일반화 : 안토시아닌을 함유하고 있는 식물의 색소를 이용하여 용액의 액성을 확인해 본 결과, 산성에서는 붉은색 계열, 중성에서는 보라색계통으로 크게 반응이 없었으며, 염기성에서는 푸른색 계열의 색의 변화를 나타내었다.

◯ 시행착오 극복

일반적으로 안토시아닌 색소가 많이 들어 있는 식물에서 UV-vis를 이용한 결과 안토시 아닌의 양이 높게 나오지 않았고, 또한 홈판 실험에서도 다양한 색변화를 나타내지 않았다. 그래서 요즘 안토시아닌을 많이 포함하고 있어 웰빙식품으로 알려져 있는 까마중, 아로니아, 자리공, 오디, 마키벨리 등으로 천연지시약으로의 활용여부를 재검 토하였다.

◯ 월별 연구 추진 실적(내용/4월 5월 ... 11월)

내 용 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 문헌 연구 및 선행연구

실험재료 및 기기 구입 및 제조 기존 실험방법 재현 기존 실험방법 수정∙보완

중간발표 색소 표준표 만들기

물감 만들기 실험 결과 수정∙보완

식물의 종류를 바꾸어 실험 재시도 실험 데이터 정리

보고서 작성 최종발표

◯ 시설 활용 실적

시설/기기명 기기사진 보유기관 활동내용

UV-vis Spectrophotom

eter

부산장안고등학교

다양한 식물에 함유되어 있는 안토시아닌을 정량 분석하기 위해 흡광도

측정

가열식 자력

교반기 부산장안

고등학교

식물 속에 들어있는 열수추출 및 시료의 농축

건조기 부산장안

고등학교 pH페이퍼 건조

MB용 pH

측정기 부산장안

고등학교 시료의 액성 분석

믹서기 부산장안

고등학교 시료 즙 짜기

데시케이트 부산장안

고등학교 pH 페이퍼를 암모니아 기체에 노출

◯ 자문내용

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구결과 Ⅰ : 1차실험 ◯ 1차실험 목적 및 시사점

지시약으로 알려진 식물(양배추, 장미, 블루베리, 양파 등)을 이용하여 색소을 이용한 지시약 효능실험을 실시하였다. 문헌을 통해 사전 조사한 색소 추출

일정 연구 과정 및 시설 활용 내용 자문 내용

4~

5월

- 배경자료 조사, 연구 노트 작성법 강의 - 실험 설계 및 예비 실험

- pH Buffer 시약 액성 조절법 강의

- 연구 설계 및 진행

6월

- 예비 실험 시료 수집 - 예비 실험 및 결과 분석

- 안토시아닌 특성 및 성질 강의 - 안토시아닌 색소 추출 방법

장소 : 장안고등학교 화학실 - 예비 실험 및 실험결과 자문

7월

- 가열식 자력 교반기, 건조기 사용 - pH Buffer 시약 사용

- 예비 실험 결과 분석 및 정리 - 중간보고서 작성 및 발표

장소 : 장안고등학교 화학실 - 실험 시료에 대한 자문 - 실험원리, 실험기법 지도 장소 : 부산과학교육원 - 중간발표

- 실험결과 자문

8월

- 가열식 자력 교반기, 건조기 사용 - UV-vis Spectrophotometer 사용법 강의 - UV-vis Spectrophotometer 사용

- pH Buffer 시약 사용

장소 : 장안고등학교 화학실 - 실험원리, 실험기법 지도

- 기기사용법 지도(최성락교수 님 내방, 자문)

9월

- 중간결과 종합

- 연구과정의 시행착오 검토 - 향후 연구 계획 정비

장소 : 장안고등학교 화학실 - 결과 분석에 대한 자문

10월

- 본 실험 시료 수집

- 본 실험 및 실험 결과 분석

- UV-vis Spectrophotometer, pH 측정기, 데시케이터이용으로 pH페이퍼만들기

장소 : 장안고등학교 화학실 - 결과 분석에 대한 자문

11월

- 실험 결과 종합 및 정리 - 최종 보고서 작성

- 교내 R&E 대회 참가

장소 : 장안고등학교

방법으로 전체 연구 흐름도에 따라 조원이 함께 모여 연구를 수행하고 결과 를 도출하여 함으로써 알려져 있는 천연지시약의 변색, 보관유지, 사용가능 기한 등을 검토하였다.

○ 1차 실험 시료(식물)

번호 제품명 번호 제품명

1 자색 양배추 8 복분자

2 자색 양파(껍질) 9 포도

3 장미 10 사과 (껍질)

4 호두(껍데기) 11 자색 옥수수

5 블루베리 12 나팔꽃

○ 1차실험의 정량적 고찰실험 결과표는 아래와 같다.

보라색 양배추(최대흡광도: 550nm에서 0.564) 자색 양파(껍질)(최대흡광도:피크나타나지 않음)

460 480 500 520 540 560 580 600

0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60

Brassica oleracea var. capitata(Undiluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

·Peak point:550nm Abs:0.564

460 480 500 520 540 560 580 600

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Allium cepa(Diluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

장미(최대흡광도: 525nm에서 1.738) 호두 껍질(최대흡광도: 피크없음)

460 480 500 520 540 560 580 600

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Rosa hybrida(Undiluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

·Peak Point:525nm Abs:1.738

460 480 500 520 540 560 580 600

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Juglans sinensis berry(Diluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

블루베리(최대흡광도:519nm에서 1.705) 복분자(최대흡광도: 523nm에서 1.97)

460 480 500 520 540 560 580 600

0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1

Rubus coreanus(Undiluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

·Peak Point: 523nm Abs:1.97

포도(최대흡광도: 525nm에서 1.717) 사과(최대흡광도: 피크없음)

460 480 500 520 540 560 580 600

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Vitis vinifera L(Diluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

·Peak Point:525nm Abs:1.717

460 480 500 520 540 560 580 600

0.38 0.40 0.42 0.44 0.46 0.48 0.50

Malus pumila Miller(Diluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

자색옥수수(최대흡광도: 피크없음) 나팔꽃(최대흡광도: 540nm에서 0.879)

460 480 500 520 540 560 580 600

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

Zea mays(Diluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

460 480 500 520 540 560 580 600

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Ipomoea nil(Diluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

·Peak Point:540nm Abs:0.879

- 1차 결과 해석 : 1차적으로 주변 식물들을 이용하여 실험한 결과, UV-vis의 흡광도 를 이용하여 안토시아닌의 함양을 측정하였다. 보라색양배추, 장미, 목분자, 블루베 리, 나팔꽃에서는 유효한 값을 얻을 수 있었다. 그러나 다른 물질들은 알려진 것과 달리 안토시아닌 함량이 높지 않아 지시약으로의 검토에서 제외하였다. 그리고 복 분자나 나팔꽃 등도 보라색양배추만큼의 pH에 따른 색깔변화가 명확하게 나타나지 않아 지시약으로써 유효하지 못하다고 결론내렸다. 또, 대부분 일주일, 빠르게는 하 루만 지나도 침전물이 생기고, 공기 중에 노출되는 시간이 길어질수록 색의 변화가 더욱 뚜렷하게 나타난다는 것을 알 수 있었다. 그래서 색소를 오랫동안 보존할 수 있도록 안정화시키는 방법에 대한 연구가 요구되었다.

□ 연구 II : 본 실험

○ 연구 목적 : 1차 실험의 시행착오로부터 새로운 종류의 천연지시약으로 사용가능한 안토시아닌 함양이 많은 식물을 찾고, 또 분석 조건을 보완, 수정시키면서 지시약으로써 활용가능성을 검토하였다.

○ 실험 방법 연구 Ⅰ에서와 같은 방법으로 다음과 같이 색소를 추출하였다.

- 즙 짜기, 찧기, 끓이기, 긁기의 네 가지 방법으로 색소를 추출한다.

- UV-vis을 통해 어떤 방법에서 가장 많은 안토시아닌이 발견되었는지를 보거나 어떤 것이 pH변화에 따라 색상이 다양한지 알아본 후 위의 네 가지 방법 중 하나를 택한다.

- 알려지지 않았지만 주위에서 흔히 접할 수 있는 식물이나 꽃에서 색소를 추출해 낸다.

- 추출해 낸 색소를 이용해 만든 지시약을 이용하여 pH시험지를 만들거나 다른 실험에 적용할 수 있는 실험 재료로 사용한다.

- 지시약의 변색을 방지하기 위해 처리를 한 후, 기존의 방법과 비교한다.

○ 제2차 연구 실험 시료 : 본 연구에서 새롭게 찾아낸 안토시아닌 함유 식물

시료번호 제품명

S01 미국 자리공

S02 오디

S03 까마중

S04 마키 베리

S05 아로니아

○ 시료 및 분석 결과 1) S01 미국 자리공

종명 Phytolacca acinosa

한글명 미국 자리공

계 식물계

군 (미분류): 속씨식물군 (미분류): 진정쌍떡잎식물군

목 석죽목 과 자리공과

속 자리공속 종 자리공

특징 주로 도시 오염된 지역에 자라는 여러해살이 풀이다. 줄기는 가지가 많이 갈라지 고, 녹색 또는 붉은색이다. 잎은 어긋나며 꽃잎은 없고 열매는 둥글다.

pH와의 색변화 UV Image(최대흠광도 : 535nm, 2.289)

460 480 500 520 540 560 580 600

0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4

Absorbance

Wavelength(nm)

Phytolacca acinosa(Undiluted Solution)

·Peak Point:535nm Abs:2.289

2) S02 오디

종명 Morus Alba berry

한글명 오디

계 식물계

군

(미분류): 속씨식물군 (미분류): 진정쌍떡잎식물군

(미분류): 장미군

목 장미목 과 뽕나무과

속 뽕나무속 종 뽕나무

특징 뽕나무의 열매로 핵과는 암나무에만 매달린다. 처음은 파랑색이나 차차 붉어지고 다 익으면 자주색에서 흑자색으로 변한다.

pH와의 색변화 UV Image(최대흠광도 :524nm, 2.266)

460 480 500 520 540 560 580 600

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

Morus Alba berry(Diluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

·Peak Point:524nm Abs:2.266

3) S03 까마중

종명 solanum nigrum L.var.nigrum

한글명 까마중

계 식물계

군

(미분류): 속씨식물군 (미분류): 진정쌍떡잎식물군

(미분류): 국화군

목 가지목 과 가지과

속 가지속 종 까마중

특징 밭이나 길가에서 자라며, 양지나 반그늘에서 자란다. 작은 꽃줄기가 있으며 열매 는 9~11월에 둥글며 검게 달린다.

pH와의 색변화 UV Image(최대흡광도 : 527nm, 2.331)

460 480 500 520 540 560 580 600

1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6

Solanum nigrum L.var.nigrum(Diluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

·Peak Point::527nm Abs:2.331

4) S04 마키베리

종명 Aristotelia chilensis

한글명 마키베리

계 식물계

군

(미분류): 속씨식물 (미분류): 진정쌍떡잎식물

(미분류): 장미군

목 괭이밥목 과 담팔수과

속 Aristotelia 종 A.Chilensis 특징 마키나무의 열매. 마키는 상록수나무에서 작고 식용 가능한 열매가 열리는데, 검보라

색의 열매는 모난 씨를 4-8개 정도 포함한다. 야생 마키의 주산지는 칠레 숲이다.

pH와의 색변화 UV Image(최대흡광도 : 527nm, 2.802)

460 480 500 520 540 560 580 600

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Aristotelia chilensis (Diluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

·Peak Point:527nm Abs:2.803

5) S05 아로니아

종명 Aronia x prunifolia

한글명 아로니아

계 식물계

문 피자식물문 (Magnoliophyta) 강 쌍떡잎식물강 (Magnoliopsida)

목 장미목 과 장미과

아과 배나무과 종 아로니아속

특징 원산지는 북아메리카이며, 영하 40도의 추위, 강렬한 자외선, 가혹하나 환경 에서도 잘 자란다.

pH와의 색변화 UV Image(최대흡광도: 517nm, 3.042)

460 480 500 520 540 560 580 600

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Aronia x prunifolia(Diluted Solution)

Absorbance

Wavelength(nm)

·Peak Point:517nm Abs:3.042

○ 결과표 해석

- 표의 pH변화를 보면, 자리공, 오디, 마키벨리, 아로니아에서 비슷한 경향의 색상 변화를 나타내고 있다. 이것은 이들이 천연지시약으로써의 활용가능성을 보여주 고 있다. 여기에서 까마중의 색상이 옅게 나타나는 것은 색소의 농도를 아주 묽 게 하여 실험을 행하였기 때문이다. 그러나 전체적으로 산성에서는 붉은색계통, 중성에서는 보라색계통, 염기성에서는 푸른색 혹은 노란색 또는 초록색을 보이고 있었다. 문헌 연구에서 알 수 있듯이 염기성에서 불안정한 색상변화를 보여주고 있어 안정화를 시킬 필요가 있었다.

- 실험결과에서 500nm~570nm에서 가장 높은 흡광도를 보이는 것으로 보인다. 문헌 연구에 의하면 안토시아닌의 최대피크가 나타나는 파장이 540nm 전후이다. 이를 활용하여 오른쪽 그래프가 가장 많은 흡광도를 보이는 파장 지점을 분석하여 안 토시아닌의 포함유무를 파악 할 수 있다.

- 자리공은 시료색이 붉은색 계열이지만 pH=1에서는 더 붉은색이 되었다. 그리고 pH=13에서는 노란색이 나타났다. 다음 오디에서는 다양한 색이 나타났다. pH1의 산성에서는 붉은 계열이 염기에서는 푸른 계열의 색이 나타났다. 하지만 오디의 농도가 진하여 pH색에는 오디의 색 때문에 색변화가 잘 나타나지 않은 것 같다는 판단이 들었다. 마키베리와 아로니아는 pH변화에 따른 색상변화가 가장 뚜렷하였 다.

- 자리공은 535nm, 오디는 524nm, 까마중은 527nm, 마키베리는 527nm, 아로니아는 517nm 에서 가장 높은 흡광도를 보이기 때문에 안토시아닌 색소를 포함하는 물질 이라고 할 수 있다.

○ 지시약으로써의 활용가능성 검토

- 위 분석결과에서 알 수 있듯이, 시료의 추출물은 모두 안토시아닌을 포함하고 있 다. 이 시료의 추출물들을 pH 완충용액에 떨어뜨린 후 색변화를 관찰할 수 있는 데, 미국 자리공의 경우 다른 시료들과는 달리 pH=1부터 pH=7까지의 용액에 떨 어뜨렸을 때 색의 변화가 거의 나타나지 않았다. pH 측정기를 이용하여 시료의 산성도를 측정해본 결과 미국자리공은 pH=5.5정도로 산성을 띠고 있었는데, 시료 자체가 산성이기 때문에 산성을 띠는 pH 완충용액과 만나도 큰 색 변화를 보이 지 않았다. 따라서 미국자리공은 다량의 안토시아닌을 가지고 있음에도 그 자체 의 액성 때문에 색변화가 나타나지 않아 지시약으로 활용하는 데에는 적합하지 않다고 판단되었다.

○ 염산과 에탄올 용액으로 추출한 용액과 암모니아 기체 이용를 이용한 지시약페이퍼 만들기 실험

- 실험과정

- 염산과 에탄올 용액으로 식물의 색소를 추출한 하여 거름종이에 흡수시킨 후, 암모니아 기체가 채워진 데시케이터에서 중화시켜 색소를 안정화시킬 수 있다. 그 결과 다음 그림과 같은 거름종이 색상이 나타났다.

종류 마키벨리 까마중 아로니아 오디 자리공

염산+알코올 용액에 적신

후 색

암모니아 접촉 직후

암모니아 접촉 후 중성이 된 색

○ 앞으로 수행해야 할 실험 과제 - 식물색소의 안정화와 보존 - 식물색의 금속이온과의 착체형성

옛날부터 가지를 담글때에는 오래된 못을 함께 넣으면 깨끗한 청색이 된다는 것이 알려져 있다. 이것은 안토시아닌에 못으로부터 녹아나온 철이온이 결합해서 착이온을 형성하기 때문이다. 이것에 의해 색소는 안정화된다. 보라색양배추 색소액에 철이온을 넣고 착체를 형성시키면 청색이 된다. 보라색양배추의 안토시아닌에 철이온을 결합시 켰을 때 흡수스펙트럼을 다음 그림으로 나타낸다.

흡수가 장파장쪽으로 이동하고 색은 보라색에서 청색이 된다는 것을 알 수 있다. 또, 식물색소에 금속이온을 결합시킨 색소액은 퇴색의 속도가 억제되고 착체가 되므로 색 소가 안정화된다는 것을 알 수 있다. 여기에서 금속이온과 착체가 된 식물색의 pH에 의한 색의 변화에 대해 조사해 보면, 안토시아닌에 금속이온을 결합시키므로 색의 변 화가 생길 수 있다. 색변화를 알기가 어려웠다. 알루미늄이온, 마그네슘이온을 이용해 도 같은 결과를 얻을 수 있다고 한다.

□ 시사점

◯ 연구 활동을 통해 얻은 학습 효과

- 우리는 연구 활동을 통해 안토시아닌이 산성도에 따라 결합방식이 어떻게 바뀌는 지 알고 그에 따른 색 변화를 알 수 있었다. 또한 우리주변에 다양하게 존재하는 식물의 안토시아닌 함유량을 알고 천연지시약으로의 활용방안을 찾을 수 있었고 이를 통해 pH 페이퍼, 천연 염색, 환경친화적 그림그리기 재료 등 다양한 분야에 활용할 수 있었다.

◯ 개선점

- 안토시아닌의 양에 따라 색이 잘 변하는 것이 아니라는 점을 알게 되었고, 과연 색 변화에 영향을 미치는 요인에 대한 더욱 다각적인 검토와 오랫동안 보존할 수 있는 방법에 대해 더욱 연구할 필요가 있으며, 식물이 지니는 아름다운 색상을 이용할 수 있는 방안에 대해 다각적으로 접근할 수 있는 방법을 찾아야 할 것이 다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 사후 활동

◯ 여러 가지 물질 속의 안토시아닌을 이용한 천연 지시약을 만들어 보고, 이를 과학수업에 적용해봄으로써 실생활에서 유용하게 활용될 수 있는 방안을 모색 할 예정이며, 현재 시판에서 많이 사용 중인 양배추 지시약을 대체할 새로운 지시약으로 사용될 수 있게끔 부족한 점을 개선해 갈 것이다.

◯ 후속연구 추진 등 연구 성과의 확산

- 안토시아닌 가진 여러 가지 물질을 더 찾아 추출해본 다음 pH용액에 떨어뜨려봄 으로써 우리가 마키베리, 자리공과 같은 우리가 미처 몰랐던 새로운 물질을 찾을 계획이다. 또한 찾은 물질의 지시약으로써의 활용뿐만 아니라 안토시아닌을 이용 해 과학 수업에 적용할 수 있는 방안을 찾을 계획이다. 이 연구 성과를 초, 중학 교 과학 수업에 적용한다면 양배추 지시약 못지않은 실험 결과를 가져다 줄 것이 다.

5. 참고문헌

가. T. Kondo, T. Kawai, H. Tamura, T. Goto, Tetrahedron Lett., 28, 2273, (1987).

　나. T. Kondo, et al., Nature, 358, 515 (1992).

　다. K, Yoshida, et al., Nature, 373, 291 (1995).

　라. T. Kondo, et al. Tetrahedron Lett., 39, 8307 (1998).

마. アントシアニンの科学 建帛社 津田 孝範

・바. 食品化学実験 講談社 橋本{ 俊二郎

・사. YOSHIDA LABORATORY

http://www.human.nagoya-u.ac.jp/lab/yoshida/research1.html

　자． T. Goto and T. Kondo, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 30, 17 (1991). 　

차． J. B. Harborne 編、”The Flavonoids, Advances in Research since 1986”

Chapman &Hall, London　（1994）．

　카. 近藤忠雄、吉田久美、”花の色はなぜ多彩で安定か－アン トシアニンの花色発現機 構”化学と生物、33, 91-99 (1995).