< 연구 결과요약서 >
소속 학교 한민고등학교 책임 지도교사 최O울
참여 학생 천O 진 홍O연 전O영 홍O 서
과 제 명 양액 재배에서 pH 농도에 따른 국화과 식물의 미백 성분 변화 연구목표 양액의 pH 농도에 따른 미백 성분의 변화를 측정한다.
연구개요 및 내용
□ 이론적 배경 및 선행연구
○ 분광광도계: 빛(백색광)이 물체에 닿으면 그 빛은 물체의 표면에서 반사되는 경우, 물체의 표면에서 조금 내부로 들어간 후 반사, 물체에 흡수, 그리고 물체를 통과하는 빛으로 나누어진다.
물체가 흡수하는 빛의 양은 물체를 구성하고 있는(빛을 흡수하는) 물질의 농도에 따라 다르다.
그러므로 빛의 흡수 정도를 파악하면 시료 용액 중에 있는 빛을 흡수하는 화학물질의 양을 정량 할 수 있다. 이와 같이 방법을 이용하여 시료용액 혹은 적절한 시약으로 발색시킨 용액에서 시약의 농도를 측정하는 방법을 흡광도법이라고 한다. 흡광도는 용액층의 두께와 농도에 비례한 다는 ‘비어의 법칙’에 따른다. 분광광도계는, 이 흡광도법을 이용하여 용액의 농도를 측정한다.
○ 수경재배:
1. 점적관수 방식의 수경재배
식물이 자라는 트레이와 양액 저장조가 분리되어 있는데 양액 공급은 개별적인 튜빙을 이용하여 연결하고, 이 튜빙의 끝에 펌프를 연결하고 다른 한쪽은 양액을 공급받는 식물체에 위치시킨다.
양액을 공급하는 펌프는 타이머와 연결하여 저장조의 양액을 개별 식물체 위쪽에 방울 방울 떨어뜨려 공급한다. 튜브의 끝에 연결된 방사체의 종류를 달리하여 양액을 빠르게 또는 느리게 공급되게 한다. 양액의 폐액은 다시 재순환되거나 방류한다. 이는 수경재배 시스템의 구성과 뿌리 지지체 종류에 따라 달라진다. 이때 양액이 흐르는 펌프와 튜빙은 염류나 미네랄이 축적되 어 막힐 수 있으므로 정기적으로 점검하는게 중요하다.
2. 간혈흐름식 수경재배
간혈흐름식 수경재배는 상대적으로 간단한 설치와 운용성 때문에 널리 사용되는 시스템이다.
점적 관수처럼 간혈흐름식은 양액으로 채워진 저장조를 별도로 사용한다. 양액은 재배상자의 뿌리가 잠기도록 펌핑을 한다. 뿌리가 잠신 후에는 펌프가 꺼지고 재배상자의 양액은 천천히 저장조로 되돌아간다.
3. 심지형 수경재배
이 방식은 가장 기본적인 수경재배시스템으로 대개는 교실에서 학생들의 교육용으로 자주 사용된다. 이 시스템은 저장조에 든 양분액을 심지의 모세관 현상을 이용해서 재배상자의 뿌리 지지체로 퍼올린다. 이 시스템에서는 물을 잘 머금고 빨아올릴 수 있는 적절한 심지를 고르는 게 중요하다. 대개는 버미큘라이트, 암면, 펄라이트, 코코넛 껍질 등이 사용된다.
4. 담액식 수경재배
이 방법은 식물을 양분과 산소가 충분한 용액에 담가 재배하는 방법을 말한다. 뿌리는 양분 용액 속에 잠기게 둔 후, 네트와 같은 지지체를 이용하여 쓰러지지 않게 식물을 고정한다.
식물 뿌리에 바로 나쁜 영향이 나타난다.
5. 박막식 수경재배시스템
박막형 수경재배시스템은 상추나 바질처엄 생육기간이 짧은 재소를 재배할 때 폭넓게 사용된다.
박막형 수경재배는 식물 양액을 좁은 파이프라인, 듀브, 재배상자 등 뿌리가 위치한 곳으로 끊임없이 흘려주는 시스템이다. 식물은 컵 망에서 키우는 데, 파이프나 재배상자의 경사를 만들어 자연적으로 양액이 흐르게 한다. 뿌리는 흐르는 양액막 쪽으로 자란다. 양액의 깊이는 막을 형성할 수 있을 정도의 깊이면 충분하다. 그리고 양액의 농도는 뿌리를 따라 흐르는 양액이 얇은 막을 형성할 수 있을 정도면 된다.
6. 분무형 수경재배
고압의 펌프를 이용하여 양액을 아주 작은 입자 상태로 뿌리로 살포하는 시스템이다. 이 과정을 통해 수분뿐만 아니라 대량의 산소도 공급할 수 있다. 풍부한 산소는 곰팡이와 균류가 번식하는 것을 억제하는 효과가 있다.
○ 국화과 꽃의 미백 화장품 기능성 검색(2016,이영근 외):
국화과 꽃에서 미백 성분이 검출된다는 것을 확인하였고, 특히 쑥부쟁이와 코스모스에서 검출량 이 많았다는 것을 알게 되었다. 이를 통해 쑥부쟁이와 코스모스를 재배하기로 결정하였다.
○ 재배시스템과 pH가 양액재배 국화의 생장과 절화품질에 미치는 영향(1999,정민경):
양액재배 시스템에서, 양액의 pH 농도가 국화의 생장과 절화품질에 영향을 준다는 점을 통해서 미백 성분에도 변화가 있을 것이라 판단하였다. 또한, 코코피트를 이용한 양액재배에서 그 생장이 효율적임을 알게 되었다.
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
○ 21세기 현재, 인류는 그 어느 때 보다도 미용에 큰 관심을 보이고 있다. 한국 화장품 시장의 규모만 해도 125억6000만달러(약 13조6000억원)에 달하며, 전 세계적으로 본다면 천문학적인 금액이 이동하는 거대한 시장이다. 그러나 이러한 상황에도 불구하고, 사람들이 마음을 편히 놓고 편안하게 사용할 수 있는 화장품은 많지 않다. 피부와 잘 맞지 않아 여드름 같은 트러블이 발생하는 것은 물론이요, 알레르기 반응을 일으켜 더 심한 증상이 발현되는 경우도 잦다. 이는 화장품을 제조할 때, 인공적인 성분을 이용하였기에 인체에 좋지 않은 영향을 끼치는 경우가 많다. 이러한 상황에서, 천연적으로 미백 성분을 추출하는 경우에는 무엇이 있는지 검색하였는 데, 국화과 식물, 그 중에서도 코스모스에서 페놀과 같은 미백성분이 검출되었음을 확인할 수 있었다. 이에 미백 성분의 함량을 높일 수 있는 방법을 탐색하였는데, 여러 논문들을 검색해보 며 식물을 재배할 때 pH 농도에 따라서 생장의 속도나 성분의 함유량이 변한다는 사실을 알게 되었다. 이에, pH 농도에 따른 코스모스의 미백 성분 함유량을 확인하고자 하였다.
○ 또한, pH 농도를 조정할 방법을 찾던 도중, 양액 재배(수경 재배)에 대하여 알게 되었다.
토양의 pH 농도를 조절하는 것은 그 방법이 확실하지 않고 측정이 어려운 반면, 양액을 사용할 경우 단순히 버퍼액을 통해서 양액의 pH 농도를 조정하면 되기에, 양액 재배를 택하였다.
○ 코스모스를 농도에 따라 세 구역으로 나누고, 각 구역을 셋으로 나눠 제배한다.
이때 각 구역의 pH농도를 pH6.5, pH7.0, pH7.5로 조절한다. 식물의 생장을 위해 물을 줄 때는 1L의 물에 8mL의 양액을 넣고, 버퍼용액으로 pH를 조정해 사용한다.
○ 코스모스의 높이가 10cm 이상으로 자라게 한다.
○ 이후 메탄올에 코스모스를 담고, 감압농축기 안에 넣어 고압으로 농축한다. 메탄올이 극성이기 때문에 코스모스 성분이 메탄올에 우려 나온다.(메탄올 추출)
○코스모스 성분이 들어 있는 메탄올에 시약을 넣어 발현하면, 분광광도계를 통해 미백
성분의 변화를 측정할 수 있다.
※ 제한점 :
시간이 촉박하여 코스모스를 충분한 시간만큼 기르지 못한다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 코스모스를 농도에 따라 세 구역으로 나누고, 각 구역을 셋으로 나눠 제배한다.
이때 각 구역의 pH농도를 pH6.5, pH7.0, pH7.5로 조절한다. 식물의 생장을 위해 물을 줄 때는 1L의 물에 8mL의 양액을 넣고, 버퍼용액으로 pH를 조정해 사용한다.
○ 코스모스의 높이가 10cm 이상으로 자라게 한다.
○ 이후 메탄올에 코스모스를 담고, 감압농축기 안에 넣어 고압으로 농축한다. 메탄올이 극성이기 때문에 코스모스 성분이 메탄올에 우려 나온다.(메탄올 추출)
○코스모스 성분이 들어 있는 메탄올에 시약을 넣어 발현하면, 분광광도계를 통해 미백 성분의 변화를 측정할 수 있다.
연구성과
□ 연구 결과
○ 다른 농도의 양액에서 재배된 국화과 식물에서 폴리페놀의 일종인 타닌산의 함량도를 알아보 고자 하였다. 그 결과 pH 7.0, 즉 중성을 띠는 양액에서 재배한 국화 성 식물이 가장 잘 자라는 모습을 보여주었다. 또한, 타닌산 성분 함량도 또한 pH 7.0에서 가장 높은 수치를 보였다.
이를 통해 pH 7.0인 양액에서 재배된 국화 성 식물에서 미백 기능을 하는 타닌산 성분이 가장 많이 포함된 식물을 얻을 수 있다는 사실을 밝혀 내었고, 추가적으로 pH 7.0일 때가 국화과 식물이 생장하는데 가장 효율적인 양액의 pH농도임을 알아냈다.
주요어 비어의 법칙, 흡광도, 양액
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 현대 화장품 시장의 규모
- 21세기 현재, 화장품 시장의 규모는 수천억 달러에 달한다. 한국보건산업진흥원이 올 3월 유로모니터(Euromonitor)로부터 입수해, 지난달 23일 발표한 ‘2017년 화장품산업 분석 보고서’의 세계 화장품산업 동향 분석에 따르면 지난 해 화장품 시장의 규모가 3,859억 달러 (한화 약417조7,367억원)에 달하는 것으로 추정된다고 한다. 이는 전년도 대비 4.8% 증가한 수치이고, 꾸준히 성장세를 이어가고 있는 상태이다. 한국 역시 국가별 화장품 시장 규모 순위 8위에 오를 정도로 화장품 시장과 밀접한 국가이다. 과학 기술이 발전되고 생활이 안정됨에 따라, 기본적인 의식주가 보장되어 사람들이 자신의 개성을 가꾸는데 많은 지출을 들이고 있는 것이다.
○ 피부 염증의 유발
- 그러나 이러한 화장품 시장의 호황 속에도 불구하고, 사람들은 화장품을 아무런 걱정 없이 사용하지 못한다. 이는 잘못된 화장품 사용이 여드름, 아토피를 비롯한 각종 피부 염증 등의 부작용을 유발하기 때문이다. 단순한 여드름에 그치지 않고, 붓기가 온 몸으로 퍼져 정상적인 일상생활이 불가능해지는 경우도 허다하다. 이러한 피부 자극의 원인은 매우 다양 하나, 우리는 그 중 인공성분의 이용에 집중하였다. 많은 화장품 제조사들이 비용이나 편의성 등을 이유로 화장품에 인공적인 성분을 사용한다. 단순히 색소나 향료로 사용하는 것 뿐만 아니라, 미백 성분에도 인공적인 화학성분이 많이 사용되고 있다. 이러한 문제 상황 속에서, 사람들이 마음대로 사용할 수 있는 화장품을 위한 천연적인 미백성분을 탐색해보려 하였고, 또 그 효능을 극대화할 수 있는 방법을 찾아보고자 하였다.
□ 연구범위
○ 부담 없이 사용할 수 있는 천연 미백 성분 탐색
- 앞서 연구되었던 논문들을 검토하며 염증을 유발하지 않는 천연 미백 성분들의 사례를 찾아본다.
○ 미백 성분의 효능 및 효율성 극대화
- 그러한 미백 성분들의 효능과 효율성을 높일 수 있는 다양한 방안들을 설정하고, 실험을 통하여 그 효과를 검증한다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 기능성 화장품 소재로서의 삼채 추출물의 효능연구(2014,최연선)
- 삼채의 잎과 줄기를 70% 에탄올로 추출한 추출물을 삼채 추출물로 명명하고 실험을 진행하였다. 삼채 추출물 속에는 폴리페놀 성분이 있었다. 또한 B16F10 색소형성세포 에 삼채 추출물을 처리한 결과, 멜라닌 합성을 50% 이상 억제하는 것이 확인되었다.
삼채 추출물은 E. coli, P. aeruginosa, S. aureus, C. albicans 총 4종 미생물에 대해 모두 향균력을 보였다. 천연 방부제로서의 가능성이 확인되었다. 이로써 삼채는 기능 성 화장품 소재로서의 가능성이 밝혀졌다.
○ 국화과 꽃의 미백 화장품 기능성 검색(2016,이영근 외)
- 18종의 국화과 식물인 국화꽃 추출물의 화장품 기능성을 검정하기 위하여, 18종의 꽃 을 수집하였다. 수집한 꽃을 MeOH로 추출하여, 농축한 추출물은 용매의 극성을 이용하여 n-hexane, EtOAc, n-BuOH 및 물 분획으로 제조하였다. 각 추출물과 분획물 에 대하여 총 페놀 양, 총 플라보노이드 양, DPPH radical scavenge 효과 및 tyrosinase 활성 억제 효과를 측정한 결과, 각각의 함유량은 달랐으나 모두 적정량 이상 포함하고 있었으며, 국화과 꽃이 미백물질개발을 위한 좋은 자원으로 판단되었다고 한다. 그 중에서도 특히 코스모스에서 다량의 미백 성분이 검출되었다고 한다.
- 석회식물, 또는 호석회식물이란 카르스트 지형과 같이 토양 속에 탄산칼슘이 풍부한 입지에 생육하는 식물을 말한다. 국화과 ·산형과의 일부는 생장에 다량의 칼슘이 필요 하기 때문에 절대적 석회식물이라 부르고, 칼슘분에 의한 토양의 간접적인 작용이 필요한 식물들은 조건적 석회식물이라고 한다. 석회식물에는 알거미고사리 ·앵초속
·바람꽃속 ·제비꽃속 등이 속해있다. 카르스트 토양은 토양 입자가 떼를 지어 입체적인 배열상태를 이루고 있어 토양수의 이동, 보유 및 공기유통에 필요한 공극을 가지는 입단(粒團) 구조가 발달되어 있다. 이에 따라 따뜻하고 배수가 잘 되며, 통기 ·보수력(保 水力)이 풍부하고 pH는 중성 또는 알칼리성 반응을 나타낸다. 따라서 토양 소동물이나 미생물의 활동도 활발하고, 영양염류의 순환도 좋다. 이러한 여러 조건 때문에 석회식 물의 생육을 지지한다. 한국에는 강원 지방에 널리 분포해 있다.
- 국화과 식물의 이러한 특성을 바탕으로 우리는, pH 농도가 국화과 식물의 미백 성분 함유량에 영향을 끼칠 것이라 예상하였다. 추가적으로 pH 농도와 식물의 생장 및 성분에 대한 선행연구들을 검색해 보았다.
○ 재배시스템과 pH가 양액재배 국화의 생장과 절화품질에 미치는 영향(1999,정민경) - 양액재배 시스템에서, 양액의 pH 농도가 국화의 생장과 절화품질에 영향을 준다는
점을 통해서 미백 성분에도 변화가 있을 것이라 예상하였고, pH 농도의 조절이 양액을
이용한다면 훨씬 수월해진다는 점을 깨닫게 되었다. 또한, 코코피트 배지에서 국화과 식물의 생장이 효율적이라는 점 역시 알게 되었다.
□ 연구주제의 선정
- 사람들이 화장품을 사용하지만 여드름, 트러블 또는 알레르기로부터 마음 편히 사용할 수 있는 화장품은 많지 않다. 이는 화장품을 제조할 때, 인공적인 성분을 이용하였기 때문이라 생각했고, 여러 자료 조사를 통해 국화과 식물, 그 중에서도 코스모스에서 페놀이라는 미백성분이 검출되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 식물을 재배할 때 pH 농도에 따라서 생장의 속도나 성분의 함유량이 변할 것이라는 생각을 하게 되었고 연구 목표를 세우게 되었다. 본 연구의 목적은 크게 3가지로, ‘양액의 pH 농도에 따른 미백 성분의 변화를 측정한다,’ ‘모든 사람들이 알레르기 걱정 없이 편하게 사용할 수 있는 미백 성분을 제시한다,’ ‘양액 재배 연구를 통한 새로운 성분 추출 방법을 제시한다’이다.
□ 연구 방법
○ pH를 6.5와 7.0 7.5로 농도 조정을 한 양액을 이용하여 코스모스 식물을 재배하였다.
○ 이후 9월에 재배하는 것을 고려하여 조명 장치와 온돌을 이용하여 재배하였다.
○재배한 식물을 빻아 건조하고 에탄올에 넣어 추출물을 얻어내었다.
○추출물 0.1mol과 NaO3 2ml, Phenol 0.1mL을 넣고 30분 경과 뒤 분광광도계를 사용하여
흡광도를 측정한다.
○검량 곡선을 제작하기 위해 탄닌산 수용액을 0.005mol부터 0.003mol까지 제작한 뒤 분광광도계를 이용해 검량 곡선을 제작하였다.
○표준용액의 최대파장값을 측정한다.
○제작한 검량곡선을 토대로 각각 pH 농도별로 제작한 추출물의 총 폴리페놀 함량을 측정한다.
□ 연구 활동 및 과정
○ pH를 6.5와 7.0 7.5로 농도 조정을 한 양액을 이용하여 코스모스 식물을 재배하였다.
옆의 사진과 같이 국화과 식물인 코스모 스를 온돌 위에서 재배하였다. 각 pH별 로 양액을 제조하여 물을 주었고 9월달 의 날씨를 고려해 LED 전등을 이용해 빛을 공급하였다.
○ 이후 9월달에 재배하는 것을 고려해 조명 장치와 온돌을 이용하여 재배하였다.
○재배한 식물을 빻아 건조하고 에탄올에 넣어 추출물을 얻어내었다.
재배한 코스모스를 빻는 모습이다. 제작된 코스모스 추출물을 감압여과장치에 돌리 는 모습이다.
재배한 코스모스를 이용하여 추출물을 만드는 모
습이다. 만들어진 추출물을 각 pH별로 분리하였다.
○추출물 0.1mol과 NaO3 2ml, Phenol 0.1mL을 넣고 30분 경과 뒤 분광광도계를 사용하여 흡광도를 측정한다.
○검량 곡선을 제작하기 위해 탄닌산 수용액을 0.005mol부터 0.003mol까지 제작한 뒤 분광광도계를 이용해 검량 곡선을 제작하였다.
표준물질의 검량곡선을 나타내기 위해 탄닌산 수
용액을 0.001mol부터 0.005mol까지 제작하였다. 분광광도계를 통해 만들어진 검량곡선이다.
○표준용액의 최대파장값을 측정한다.
표준용액의 최대파장을 분광광도계를 이용해 측 정하였다.
앞서 나타낸 검량곡선을 토대로 추출물 속 총 폴 리페놀의 함량을 알아내었다.
○제작한 검량곡선을 토대로 각각 pH 농도별로 제작한 추출물의 총 폴리페놀 함량을 측정한다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 각 pH 별로 재배한 코스모스 속 폴리페놀 함량을 측정하였다. 탄닌산 수용액을 0.001몰부 터 0.005몰까지 제작해 큐벳에 넣고 분광광도계를 이용해 다음과 같은 검량곡선이 도출되었 다.
○ 폴리페놀 함량을 측정하기 위해 먼저 추출물의 최대 파장을 알아내도록 하였다. 제작한 탄닌산 수용액 중 농도가 가장 진한 0.005몰 수용액의 파장을 측정하여 최대파장 값을 알아내 었다. 도출한 최대파장 값은 256이었고, 이후 추출물 속 폴리페놀 폴리페놀 함량을 측정할 때 사용하였다.
○이 실험의 마지막 과정인 폴리페놀 함량을 측정하기 위해 앞서 제작한 검량 곡선에 최대 파장 값을 넣고 추출물 용액을 분광광도계에 넣어 흡광도를 측정하고 도출된 흡광도를 통해 각 pH별 농도를 비교하였다. 이 그래프와 같이 가장 큰 값이 pH 7.0이고 두 번째로 큰 값이 pH 7.5 가장 작은 값이 pH 6.5로 결과가 나왔다. 즉, pH 7.0일 때가 가장 많은 폴리페놀, 구체적으로는 가장 많은 타닌산 함량이 측정되었다.
○결론적으로 다른 농도의 양액에서 재배된 국화과 식물에서 폴리페놀의 일종인 타닌산의 함량도를 알아보고자 하였다. 그 결과 pH 7.0, 즉 중성을 띠는 양액에서 재배한 국화 성 식물이 가장 잘 자라는 모습을 보여주었다. 또한, 타닌산 성분 함량도 또한 pH 7.0에서 가장 높은 수치를 보였다.
○이를 통해 pH 7.0인 양액에서 재배된 국화 성 식물에서 미백 기능을 하는 타닌산 성분이 가장 많이 포함된 식물을 얻을 수 있다는 사실을 밝혀 내었고, 추가적으로 pH 7.0일 때가 국화과 식물이 생장하는데 가장 효율적인 양액의 pH농도임을 알아냈다.
□ 시사점
○ pH농도에 관련된 지식은 사실 초등학생 때 부터 접할 수 있는 매우 기본적인 것이다.
그렇기에 어찌보면 사소하고 작게 여길 수 있는 요소이다. 그러나 이를 정확하게 조절함에 따라 화학 성분을 더욱 효과적이게 사용할 수 있다는 것을 해당 연구를 통해 알 수 있었다. 이번 연구를 통해 pH 7.0 에서 미백 효과와 식물 생장이 가장 효과적이라는 결론을 도출했다.
작은 요소에서 출발한 아이디어가 '모든 사람들이 알레르기 걱정 없이 편하게 사용할 수 있는 화장품'을 고안하는 데에 큰 도움이 된 것이다. 작은 것이라도 다시 꼼꼼하게 돌아보고, 의문점을 찾아 문제를 해결하려 노력하는 자세를 기를 수 있었다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 실제 미백 기능성 화장품 제작에 적용
○ 이번 연구를 통해 pH7.0이 국화과 식물의 생장에 최적화된 양액의 농도이며 미백 기능을 하는 타닌산 성분 또한 가장 많이 얻을 수 있다는 것을 알아냈다. 이를 바탕으로 pH 7.0인 양액에서 국화과 식물인 코스모스를 재배할 것이다. 재배한 코스모스에서 추출한 추출물을 이용하여 화장품을 제작할 것이다.
○ 제작한 화장품을 일정 기간 동안 꾸준히 사용하고 미백 효과를 연구할 것이다.
5. 참고문헌
□
○ 이영근 외(2016). 국화과 꽃의 미백 화장품 기능성 검색 - Journal of Applied Biological Chemistry 60권 1호
○ 정민경(1999). 재배시스템과 pH가 양액재배 국화의 생장과 절화품질에 미치는 영향 – 전남대학교 석사논문
○ 최연선(2014). 기능성 화장품 소재로서의 삼채 추출물의 효능연구 – 건국대학교 박사논문