1. 개요 ···3
□ 연구목적 ···3
□ 연구범위 ···3
2. 연구 수행 내용 ···4
□ 이론적 배경 및 선행 연구 ···7
□ 연구주제의 선정 ···8
□ 연구 방법 ···9
가. 자외선 차단제 실태 조사 ···10
나. 연구 활동 및 과정 ···11
다. 연구비 실적 내용 ···15
라. 시설활용실적 ···15
마. 외부자문가 자문내역 ···15
3. 연구 결과 및 고찰 ···16
□ 연구 결과 ···16
가. 연구 과정 요약 ···16
나. 실험 결과 ···16
□ 시사점 ···20
4. 홍보 및 사후 활용 ···21
5. 참고문헌 ···22
1. 개요
□ 연구목적
○ 오늘날 우리는 강한 자외선에 노출되고 있기 때문에 현재 우리 주변에는 자외선 차단에 필수적인 기능성 화장품이 여러 가지 출시 되고 있지만 이런 기능성 화장품에는 수많은 화학적 성분들이 함유되 어 있어 피부에 이롭지 않은 영향을 미칠 수 있다. 따라서 천연 식 품들을 선정하여 자외선 차단 효능을 검증해 보고 기존 자외선 차단 제의 문제점을 해결할 수 있는 방안을 찾고자 이 주제를 선정하게 되 었다.
○ 우리 피부에 이롭다고 연구결과가 나왔고 주변에 쉽게 구할 수 있는 식품들을 선정하여 그 식품의 자외선 차단정도를 알아보고 실제 기능성 화장품의 자외선 차단정도 또한 알아보고자 한다.
□ 연구범위
○ 지금까지 많은 자외선 차단제의 해로운 화학성분에 대한 연구가 나왔지만 해결방안에 대한 연구는 아직까지는 찾아볼 수 없다.
○ 천연소재의 효능에 대한 연구는 많이 진행되었지만 직접적으로 자외선 차단 효능에 대한 정보는 부족하다고 생각되어 다양한 천연소 재의 자외선 차단 효능 정도를 알아보고 어느 것이 가장 우수한 지 , 어떤 방법으로 실생활에 사용할 수 있는지를 연구하고자 한다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 자외선
자외선(Ultra Violet)은 태양으로부터 지구에 도달하는 빛의 일부 분이다.
태양광의 스펙트럼을 프리즘에 통과시켰을 때 가시광선의 보라색 보다 바깥쪽에 위치하는, 눈에 보이지 않는 빛이다. 자외선은 약 380∼10nm에 이르는 파장으로 된 넓은 범위의 전자기파의 총칭 으로서, 극단적으로 파장이 짧은 자외선은 X선과 거의 구별되지 않는다. 자외선은 화학작용이 강하므로, 적외선을 열선(熱線)이라 하는 것에 대응하여 화학선이라 하기도 한다.
한편, 사람의 피부에 대해서도 긴 파장의 자외선일수록 투과력이 강하여, 390nm보다 파장이 긴 자외선은 진피(眞皮)까지 도달 하 지만 300nm 이하인 단파장의 자외선은 표피 내에서 차단된다.
자외선은 화학작용 및 생리작용이 크며, 사진 건판을 강하게 감 광시킨다. 표백작용이 강하므로 안료 염료 등은 햇빛에 포함되어 있는 자외선에 의해 색이 바랜다.
또한 자외선은 강한 살균작용으로 특히 250nm 부근의 파장을 1㎠당 100μW의 강도로 1분간 쪼이면 대장균, 디프테리아균, 이질균
등의 99%가 죽는다.
○ 자외선 살균작용
자외선 살균작용에 의한 세균 등의 멸균 구조에 대해서는 아직도 연구 중이지만 세포내의 핵산(DNA)이 변하여 신진대사의 장애를 초 래함으로써 균들이 증식능력을 잃고 사멸하는 것으로 알려져 있고 이 것을 “자외선 살균작용”이라고 말하고 있다. 자외선 살균작용은 210 - 320nm 사이에서 강하게 나타나며, 그중에서도 250 - 260nm 자외 선이 가장 살균작용이 강하다.
오늘날은 살균램프라는 것을 만들어 제약회사, 연구소, 병원, 실내 공기살균, 식품공업 등에서 수십 년간 이용 되어 왔으며, 최근에는 하 수도, 방류수처럼 대량으로 방류하는 시스템의 최종 살균 처리에 사 용되고 있다.
○ 자외선이 피부에 미치는 영향
는 자외선 차단의 필요성을 알 수 있다.
○ 기존의 자외선 차단제의 문제점
오랜 기간에 걸쳐 계속하여 화학적 자외선차단성분의 잠재적인 건 강위험에 대한 연구결과, 화학적 자외선차단성분이 피부 자극, 알레르 기, 호르몬장애와 피부손상을 유발할 수 있다는 것이 확인되었다. 일 반적으로 화학적 자외선 차단제는 피부에 침투가 가능하며, 자외선영 역의 에너지를 흡수하여 흥분 상태가 되었다가 기저상태로 돌아오면 서 에너지를 방출하여 세포를 손상시킨다.(Gaspara et al., 2013). 가장 일반적으로 사용되는 유기(화학적) 자외선 차단제 중 하나인 Avobenzone(아보벤존)은 UV에 노출되었을 때, 반응성이 매우 높아져 서 singlet excited state(단일한 들뜬 상태) 가 될 수 있는 에너지를 제공하여 활성산소 종을 생성한다. (Chatelain et al., 2010)
또한 유기원료인 octocrylene(옥토크릴렌), octylmethoxycinnamate ( 옥 틸 메 톡 시 신 나 메 이 트 ) , b e n z o p h e n o n e - 3 ( 벤 조 페 논 - 3 ) , p a r a - a m i n o b e n z o i c c i d ( 파 라 아 미 노 벤 조 산 = P A B A ) , 2-phenylbenzimidazle-5-sulfonic acid (페닐 벤즈 이미 다졸술폰산
=PBSA)가 포함된 자외선 차단제를 발랐을 때, 표피를 침투하여 nucleated layer에 도달할 수 있으며 활성 산소 종을 생성한다고 보고 되었다. (Hanson et al., 2006)
*활성 산소 종: 활성 산소 종은 free radical을 가져 안정되지 못한 상태를 말하며, 그로 인해 강한 활성을 가진다. 활성 산소 종은 생산 이 과잉되면 생체에 대해 독성 즉, 산화적 손상(oxidative stress)을 가져온다 하여, 유해산소라고 명명되기도 한다. 세포내의 거대한 분자 (단백질, 지질 등)를 산화시킴으로써 세포의 항상성을 파괴하고, 세포 를 사멸시키는 등의 작용으로 세포조직 내에 치명적인 손상을 유발한 다.
○ 선행연구
- 브로콜리의 피부영양 활성에 관한 연구
본 연구에서는 브로콜리 부위별 추출물을 15 mg/mL의 농도로 230-400nm에서 UV scanning을 수행하였고, 분석 결과 230-320nm에 서 흡수능을 가지고 있는 것으로 확인이 되었으며, UV-C(230-290nm)와 UV-B(290-360nm)영역에서는 약한 흡수를 보 이는 것으로 확인된다. 또한 230-290nm까지는 비슷한 흡수능을 보이 다가 290nm이후로는 브로콜리 꽃이 좀 더 높은 흡수능을 보이고 있 다. 따라서 브로콜리 꽃이 자외선 흡수제나 차단제로서의 화장품 첨 가물로서 이용 가능할 것이라는 내용이다.
- 녹차 추출액 염색 견포의 특성 = (The) Properties of Silk Fabrics Dyed with Green Tea Extracts
미처리포, 녹차 추출액 염색포, 매염제 처리포의 파장 200~400nm 범위의 자외선 영역대의 차단성을 비교 평가한 결과 미처리포와 염색 포의 자외선 투과율은 약 13~15%, 명반(Al) 후매염 처리포의 자외선 투과율 8~11%, 황산구리(Cu) 매염 처리포의 자외선 투과율 약 6~10%
였으며, 황산 제1철 후매염 처리포 5~8% 정도로 평균 자외선 투과율 30%이상 감소되어 우수한 차단성을 나타냈으며, 녹차 추출액 염색만 으로도 우수한 차단성을 나타내는 것으로 나타냈다는 내용이다.
□ 연구주제의 선정
○ 우리는 생명과학이라는 관심분야에 대해 토의를 하면서 생활 속 에서 우리가 쉽게 접할 수 있는 미생물인 세균(bacteria)에 관련 된 사례를 떠올려 보았다. 보통 날씨가 맑은 날 사람들은 집에 있는 물건을 소독하기 위해서 밖으로 내놓는 사례를 생각해 보았 으며, 우리들은 그 이유가 햇빛 즉 자외선에 의해 세균이 죽기 때문에 위와 같은 행동을 한다고 생각했다. 보다 더 정확한 이유를 알기 위해 자외선과 세균의 관련성에 대하여 조사해 본 결과, 자외선에 의해서 세균이 박멸 된다. 라는 ‘자외선 살균작용’에 대해서 알게 되었고, 이와 관련해 주위에서 쉽게 쓰이고 있는 ‘자외선 차단제’를 떠올리게 되었다.
자외선 차단제에 대해 조금 더 자세히 조사해 보면서 기존의 화학적 자외선 차단제의 문제점을 알게 되었다. 그래서 우리 피부에 이롭다고 알려져 있고, 자외선 차단에 효과가 있는 것으로 알려 진 몇 가지 식품을 선정하여 그 식품의 추출물을 이용해 자외선 차단 효능을 검증해 봄으로써 유해한 화학적 성분 대신 식품 추출물을 첨가한 차단제가 기존의 자외선 차단제의 역할을 할 수 있는지 검증해 보고자 이 연구를 진행하게 되었다.
□ 연구 방법
○ 자외선이 살균작용을 할 수 있다는 것을 이용하여 실험 계획을 세웠다. 먼저 피부에 이롭고 동시에 자외선 차단 효능이 있다고 알려진 식품 5종을 선정하고 실험에 이용할 세균 선정하는 부분에 있어서는 세균의 종류 중에 일상생활에서 번식이 쉬운 대장균을 실험하기로 하였다. 우리가 처음 설계한 실험은 식품 추출물에 직접 세균을 투여해 살아남은 세균 수를 측정해 자외선 차단 정도를 확인하는 방법 이였지만 조사한 결과 이 방법은 직접 실험 할 수 없는 단순한 일차원적인 방법이라는 것을 깨달았고, 대학 교수님 들께 자문을 받아 실험을 다시 설계하게 되었다.
자외선 차단 효능정도를 비교하기 위해 실험하기 위해서 페트리 디쉬 에 일정한 양의 대장균 배양액을 분주하고 뚜껑을 덮는 대신 자외선 을 투과 시키는 얇은 판을 찾아 판 위에 실험할 식품 추출물을 도말 하고 페트리디시에 올려서 자외선을 쪼이는 방법이다. 이러한 실험 과정을 통해서 자외선 차단 효과가 뛰어난 식품을 선정하였다.
○ 자외선 차단효과가 뛰어난 식품을 선정 한 후, 그 식품의 농도별 실험 과정을 거쳐 실제 사용되고 있는 자외선 차단제의 차단 정 도와 비교해 보았다.
□ 연구 활동 및 과정
가. 자외선 차단제 실태 조사 (2014. 5월)
(5월, 대상 : 2학년 3반 학생들 계: 32명)
자외선 차단제 실태 조사를 통해 자외선 차단제 사용자가 절반이 넘 으며 그들이 모두 만족 하지는 않는 다는 것을 알 수 있었다. 또한 사용하지 않는 사람의 이유 중 부작용이 가장 큰 이유라는 것을 확인 해 볼 수 있다.
나. 자외선 차단 효능 검증 실험 (2014년 5-11월) 1) 자외선 차단 효능이 있는 식품 선정
녹차 딸기 브로콜리 토마토 파프리카
50%
42%
50%
58% 35% 50%
15%
<자외선 차단 성분 성분>
2) 자외선 투과 가능한 얇은 판 선정 (2014년 5월)
추출물을 도포할 수 있는 얇은 판이 필요했기 때문에 얇은 판을 찾아야 했지만 인터넷 조사와 교수님 자문을 통하여 일반적인 유리와 플라스틱은 자외선이 통과하기 어려운 물질이라는 것을 알게 되었다.
그래서 우리는 자외선을 통과시키는 판을 검색하던 도중 셀로판이 자 외선을 통과 시킨다는 사실을 알게 되었으며 셀로판지로 실험하기로 하였다.
▶ 셀로판지 실험
셀로판지로 실험 하려 했으나 셀로판지가 우리가 실험하고자 하는 크림의 특성에 약해 실험이 불가 할 것이라 판단하여 차선책으로 코팅지를 한번 실험해 보기로 결정하였다.
녹차 딸기 브로콜리 토마토 파프리카
에피갈로카 테킨갈레트
안토시아닌 과 엘라그산
설포라판 리코펜 베타카로틴
▶ 코팅지 실험 -자외선 투과 정도
준비된 코팅지를 대장균 이식된 페트리 접시를 덮어 자외선 살균 램프를 이용해 실험하였다. 대조군의 살아남은 세균수 5초 후 결과를 ++++++, 10초 후 결과를 +++++, 15초 후 결과를 ++++, 30초 후 결과를 +++, 1분후 결과를 ++, 2분후 결과를 + 이렇게 정하여 표로 나타내었 다.
5초 10초 15초 30초 1분 2분 대조군 ++++++ +++++ ++++ +++ ++ -
코팅지 ++++++ ++++++ ++++++ +++++ +++++ +++
자외선에 노출시킨 후 세균이 줄어드는 것을 보아 코팅지는 자외선 이 투과 가능하다는 것을 알 수 있었으며 자외선이 투과 가능한 얇은 판으로 코팅지를 선정 하였다.
코팅지
2분 경과 :
대조군
② 자외선 차단 효능 검증 실험 (2014년 6월부터11월까지 총 8회 실시함.)
실험 과정
1.고체배지와 액체배지 제조한다.
고체배지와 액체배지
2. 식품추출물을 크림 형태로 제조 추출물 크림 형태 한다.
3.액체배지에 E. coli(대장균)를 접종 하여 Shaking incubator에서 배양한 다,(조건 : 37℃, 160RPM, 16시간 ) 배양
4.코팅지를 10☓10 으로 준비하고 autoclave를 이용해 121℃ 15분간 멸균 코팅지 멸균 한다.
5.tube에 micro-pipette을 이용하여 증 류수 9㎖씩 넣어 미리 50개를 준비한 증류수 준비 다.
6.petri-dish에 E. coli배양액을 15㎖씩
7.코팅지에 각 크림들을 100㎕씩 도포 한 다.
각 크림들을 도포
8.petri-dish를 열고 선크림을 도포한 코 팅지를 올리고 자외선(uv)을 30분간 처리 자외선 처리 한다.
9.각 petri-dish의 배양액을 serial dilution(연속희석, 증류수 9㎖에 희석할 물질1㎖씩, 한번 희석마다 10배
희석됨)한다.
연속 희석
10.희석액을 Vortex machine으로 잘 혼 합해주고 micro-pipette을 이용하여 100
㎕ 고체배지에 올려준다.
희석액 혼합 및 분주
11.멸균된 도말봉으로 spreading 한다.
멸균 및 도말
12.접종된 고체배지를 잘 밀봉하고 incubator에서 배양한다.
(조건 : 37℃, 16시간) 배양
13.각 plate의 colony를 counting 한다.
세균 수 세기
3) 연구 가설
가설1. 세균이 자외선에 의해 박멸되는 정도에 따라 실험 결과를 얻을 수 있을 것이며, 자외선 차단에 우수한 식품은 비교적 많 은 세균이 살아남을 것이다.
가설2. 자외선을 처리하지 않은 것의 세균 수가 가장 많을 것이며, 자외선 차단제를 바른 것은 자외선 차단제를 바르지 않는 것 에 비해 세균이 많이 살아남을 것이다.
가설3. 식품마다 자외선 차단 정도가 달라 세균 수에서 변화를 볼 수 있을 것이다.
다. 연구비 사용내용
라. 시설활용 실적
예산계정 계획 집행예산 증감
연구장비및재료비 1,000,000 747,580 -252420
연구활동비 1,230,000 1,050,000 -180000
연구과제추진비 1,170,000 1,207,690 +37690
연구수당 2,100,000 2,100,000 0
총 계 5,500,000 5,105,270 -394,730
장소 사용횟수
경상대학교 미생물학과 10회
3. 연구 결과 및 시사점 가. 연구 과정 요약
• 각 실험물들을 자외선에 노출시킨 후 살아남은 세균 수의 결과 를 가지고 자외선 차단정도를 판단하기로 하였다.
• 액체 형태의 추출물을 도포할 수 없으므로 도포할 수 있는 형태 인 크림의 형태로 만들어 보기로 하였다.
• 실제 우리에게 영항을 끼치는 자외선의 세기로 실험 하였다.
(UV-B:290~360nm ,UV-C: 230-290nm, 실험한 자외선의 파장 길이 : 294㎚)
나. 실험 결과
1) 예비 실험 결과
대한 수정
5 2014.08.06 실험별 오차가 발생한
원인 분석 연구실 방문
6 2014.09.10 중간발표 전
실험과정에 대한 점검 연구실 방문
7 2014.09.23 다음 실험에서 오차를
줄일 방법 연구실 방문
8 2014.10.13 자외선 처리과정에
대한 논의 연구실 방문
9 2014.10.21 모든 실험 결과에 대한
최종 분석 연구실 방문
10 2014.11.18 발표회를 위해
결과해석에 대한 조언 연구실 방문
실험 결과
<대조군>
실험물 희석 정도
uv 비처리 uv 처리
E. coli
증류수 코팅지 코팅지x 820 0 1444 2466
결과 처리 방법은 생존한 세균 수를 보다 더 잘 확인하기 위해서
부터 까지 희석하여 결과를 비교하였다. 희석정도에 따라 세 균 수가 줄어드는데 줄어드는 비율은 일정한 비율로 줄어들지 않고 기하급수적으로 줄어들기 때문에 기록한 데이터 중 가장 의미있게 나 온 값의 결과를 평균값으로 정하였다. 하지만 위의 실험 결과는 멸균상태를 보이기 위해 실험한 증류수를 제외하고 자외선에 노출시 키지 않은 대장균의 세균 수가 가장 적었으며, 표에서 나타난 바로 추출물을 첨가하지 않은 크림이 첨가한 크림보다 세균수가 훨씬 더 많이 살아남아 첨가물의 효능을 알 수 없었다. 그래서 우리는 교수 님께 자문을 요청한 결과 세균 양을 투여한 실험 과정에 문제가 있 었음을 알 수 있었고 그 문제점이 바로 대장균의 농도 문제라고 생각 해서 대장균의 농도를 알 수 있는 실험 과정을 추가 하였다.
▶ 추가된 실험 과정
분주한 균의 농도를 spectrophotometer( 분광 광도 계 )를 사용하 여 OD(Optical Density:광학밀도)값을 일정하게 맞춘다. (OD값 0.84에 맞춤, 증류수의 OD를 0으로 둠)
<추출물 실험군>
실험물 희석
정도
UV 처리
미첨가 브로콜리 파프리카 녹차 토마토 딸기
2281 2077 1458 1250 1568 1097
2)최종 결과
- 총 8번의 실험결과
uv 비처리 코팅지x 코팅지o 증류수 미첨가
녹차 딸기 브로콜리 토마토 파프리카
uv 비처리
코팅지
없음 코팅지 증류수 미첨가 녹차 딸기 파프리카 브로콜리 토마토
1 477 0 72 0 289 25 135 58 50 85
2 839 0 147 0 166 446 250 238 658 574
3 447 0 87 0 90 213 116 102 358 169
4 528 0 89 0 117 448 253 372 492 281
5 2670 0 317 234 295 887 593 114 601 431
6 1869 1 178 202 243 515 320 213 528 457
7 1284 0 135 144 185 167 124 149 264 452
8 666 360 372 0 183 487 263 61 626 41
평균 1097.5 45.125 174.625 72.5 196 398.5 256.75 163.375 447.125 311.25
처음 예비실험을 하고 문제점인 대장균의 농도를 맞춰 자외선 살균 램프의 자외선으로 총 8번의 실험 결과, 우리가 세운 가설에 따라 자 외선을 쬐지 않은 대조군의 세균 수가 가장 많이 나왔으며 각 식품마 다 살아남은 세균 수가 달라 자외선 차단 효능을 알아 볼 수 있었다.
세균 수 정리 결과, 가장 많은 세균 수가 살아남은 식품은 브로콜리 이고 그 다음으로 녹차가 가장 많이 살아남았다. 자외선에 강할수록 가장 많은 세균이 살아남을 것이라고 가정했기 때문에 이러한 결과를 통해서 우리는 브로콜리와 녹차가 자외선 차단 효능이 뛰어나다는 것 을 알 수 있었고, 그 식품들을 선정해 몇 가지 실험을 더 진행하였다.
- 외부 전문가 자문
식품의 농도별로 자외선 차단 효능이 다를 수 있기 때문에 농도별로 실험을 진행해 어느 농도에서 가장 우수한지 알아보고, 기존의 자외 선 차단제도 똑같은 실험 방법으로 실험해 결과를 비교해보자 하였 다.
<살아남은 세균 수 평균 값> < 효능이 우수한 식품 선정>
도 대신에 추출물의 양을 달리해서 실험하기로 하였다. 실험의 내용 은 각각 3g, 5g, 7g으로 정해서 총 3번의 실험을 진행하였고, 살아남 은 세균 수의 평균값을 정리 하였다. 양을 달리한 이 실험 결과는 추 출물의 양이 많을수록 자외선 차단 효능이 더 우수하다는 것을 알 수 있었지만, 과연 어떤 양에서 자외선 차단 효능이 최대인지는 알 수 없어서 추가적인 실험이 더 필요하다는 것을 알 수 있었다.
그리고 기존의 자외선 차단제의 자외선 차단 효능을 알아보기 위해 과정이 동일한 실험을 진행하였다. 세균 수로 비교해 봤을 때 기존의 자외선 차단제 중에서는 세균 수가 가장 많이 살아남은 O사 제품이 자외선 차단이 우수하다는 것을 알 수 있었고, 전체적인 세균 수를 비교해 본 결과 브로콜리와 녹차가 기존의 자외선 차단제의 자외선 차단 효능보다 뒤처지지 않는 다는 것을 알 수 있었으며 천연 소재 또한 기존의 화학물질들을 대처 할 수 있을 것이라는 사실을 알게 되 었다.
□ 시사점
○ 과제연구와 STEAM R&E를 거치며 스스로 문제를 해결할 수 있 는 능력을 기르게 되었고, 이번연구를 통해 직접 실험을 하고 실 험방법 등을 도모하며 실험과 관련된 분야뿐만 아니라 다 른 방면으로도 다양한 지식을 습득할 수 있게 되었다. 학교에서는 이론으로만 배웠던 것을 직접 우리의 손으로 실험하면서 많은 실 수를 하고 많은 수정을 거치면서 더 좋은 결과를 얻기 위해 노력 했다. 많은 사람들의 도움을 받아 우리의 생각보다는 전문 적인 실험을 할 수 있었지만 실험을 아직 완벽하게 하지 못해서 많은 실수와 오차가 생겼던 것 같다. 특히 대장균을 배양하 는 동안 다른 균에 오염 되어 사용할 수 없는 결과물들 이
오차가 많이 났던 것 같다. 몇 가지 점들이 아쉬움으로 남지 만 직접 실험해보면서 실험 전 보다 한층 더 성장할 수 있게 된 계기가 된 것 같다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 천연소재의 대량생산이 가능해진다면 천연 소재의 경제적 비용 문 제가 해결되어 실생활에 다양하게 쓰일 수 있을 것이다.
□ 시중에 파는 자외선 차단제의 화학적 자외선 차단성분이 피부자 극, 알레르기, 호르몬장애와 피부손상 등을 유발할 수 있는 문제점을 개선할 수 있다.
□ 효능을 검증받은 여러 가지 천연식품들로 자외선을 차단하는 다양 한 종류의 차단방법을 사용할 수 있을 것 이다.
□ 화장품의 기능을 여러 가지 천연식품들로 시험함으로써 화학적 성 분을 줄일 수 있는 것에 대한 연구가 계속 될 수 있을 것이다.
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