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지금까지는 소, 돼지 등의 뼈나 껍질로부터 추출된 콜라겐이 원료

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Academic year: 2022

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1. 연구개요

창원은 지역적으로 남해안에 인접해 있다. 따라서 바다를 접할 기회가 많았고, 해안가에 버려져 떠다니는 불가사리 사체들을 볼 때마다 활용 할 수 있는 방법에 대하여 고민하게 되었다.

□ 연구목적

‘바다의 해적’ 불가사리는 전복, 소라, 조개 등 어패류는 물론 작은 물고기까지도 닥치는 대로 잡아먹고 있어 수산업에 큰 피해 를 주고 있으며, 최근 우리나라에서는 지구 온난화에 의한 바닷물 의 수온상승이 불가사리의 대량 번식을 가져와 해양 생태계가 붕 괴할 위험에 처해 있다. 이를 해결하기 위해 국내에서 많은 연구 가 이루어져 왔고, 버려지는 불가사리를 이용하여 천연 퇴비로 시 판되고 있지만 그 외의 개발은 미비한 실정이다. 최근의 보고에 의하면 불가사리는 주로 어패류 등을 포식하고 칼슘덩어리라고 불 릴 만큼 칼슘 및 무기질 함유량이 매우 높다.

불가사리의 몸은 대부분이 수분으로 이루어져 있으며 그 이외에도 칼슘과 콜라겐을 다량 포함한 단백질로 구성되어있다고 한다. 이 불가사리 추출물은 피부 자생력을 높여 유해환경으로부터 피부를 보호하는 것은 물론 어린 피부로 돌아갈 수 있도록 돕는다고 한 다. 본 연구에서는 불가사리 분말의 생물, 화학적 특성과 불가사리 추출물의 제조 및 활용방안에 대한 연구를 하려고 한다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

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로 사용되어 왔지만 광우병 발생을 계기로 안전성에 문제가 제기 되고 있다. 광우병이 없는 안전한 천연의 해양 원료로부터 콜라겐 대체 소재의 개발이 시급한 실정이며, 그중 불가사리는 체내 콜라 겐 함량이 60%(그림1)로 많은 양의 콜라겐을 추출 해내는 것이 가 능하리라고 판단되고, 육상 동물에서 얻을 수 있는 콜라겐이 아닌 해양 생물에서 얻는 콜라겐으로서 높은 안정성이 기대된다는 보고 가 있다.

불가사리의 주 성분중 하나인 콜라겐의 주된 기능은 피부의 기계 적 견고성, 조직의 결합과 저항력, 세포 접착의 지탱, 세포분할과 분화의 유도 등이 알려져 있다. 자외선 주사 에 의한 광노화를 감 소시키며 이는 피부의 주름형성과 밀접한 연관이 있다고 알려져 있다.

연구주제의 선정 과정

남해 바다에 인접해있어 바다에 갈 기회가 많았는데 그때마다 해 변가에 떠다니며 심미적, 환경적으로 악영향을 미치는 불가사리, 해파리 등의 사체를 어떻게 하면 유용하게 쓸 수 있을까를 고민하 게 되었다. 도서관 자료, 각종 연구논문 및 인터넷 검색을 통해 불 가사리의 추출물이 화장품 또는 의학업에 쓸 수 있다는 것을 알게 되어 이를 연구하려 한다.

□ 연구 방법

불가사리 건조 분말제조

-

산(염산), 염기(수산화나트륨)와의 용해성

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pH 측정

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동물먹이 실험

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어패류와의 용해성 비교 실험

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건조 분말이 식물 생장에 미치는 영향

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건조 분말의 EDS, SEM 분석

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단백질 함량 측정 실험

불가사리의 추출물 제조

-

불가사리 추출물의 용해성

-

불가사리 추출물의 단백질 함량 측정

-

분광광도계를 이용한 불가사리 추출물의 흡광도 측정

연구 활동 및 과정

연구 과정 요약

-

불가사리의 건조분말을 제조한 후 EDS, SEM을 이용한 성분분석, 불가사리의 구조적 특징을 알아 보고, 산(염산), 염기(수산화나트륨) 와 반응시켜 pH 변화에 따른 용해성을 알아본다. 수용액상태에서의 pH 측정 및 건조분말의 다른 어패류와의 용해성 비교를 통해 화학 적 특징을 비교·분석하여보고 단백질 함량 측정 실험, 동물먹이실 험, 건조분말을 퇴비로 쓴 식물 생장에 미치는 영향을 통하여 불가 사리 건조 분말이 생명체에 미치는 영향을 알아본다.

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불가사리 건조 분말제조

-

불가사리 건조 분말을 제조하기 위하여 불가사리를 음지의 건조한 곳에서 일주일간 건조하였다. 습기가 다 빠진후 300rpm의 믹서기로 분쇄하고, 분쇄한 가루를 다시 막자사발로 곱게 갈아 제작하였다.

산(염산), 염기(수산화나트륨)와의 용해성

-

산(또는 염기)과의 용해성

1%, 5%, 10%, 20%, 30% HCl(NaOH) 용액을 조제하기 위해 진한 염산 (또는 진한 수산화나트륨)을 1mL, 5mL, 10mL, 20mL, 30mL를 정확히 취하여 증류수로 최종 부피를 100mL로 맞춰 조제한 후 불가사리 분 말을 넣고 용해성을 관찰한다.

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pH(산도) 측정

-

복합 재료를 비커에 넣어 마그네틱 바를 이용하여 물에 용해한다.

MBL의 pH 측정기를 이용하여 pH를 측정한다. (MBL은 버니아 pH센 서로 측정 범위 pH 0-14, 분해능 0.0005pH 사용)

동물 먹이 실험

-

실험 전 실험군과 대조군으로 나눠 각 햄스터의 체중을 측정한다.

대조군에게 일반 먹이를 하루 세끼씩 15일 동안 먹이고 매일마다 대 조군 햄스터의 체중을 측정한다. 실험군에는 일반 먹이에 불가사리 분말을 섞은 먹이를 하루 세끼씩 15일 동안 먹이고 매일마다 체중을 측정한다.

건조분말의 EDS, SEM 분석

-

건조 분말에 전자선(Electron beam)을 조사하여 방출되는 X선 에너 지를 이용하여 함유된 원소의 종류와 함량을 조사한다.

-

건조 분말에 SEM 기기를 이용하여 1000배, 5000배의 미세 구조 및 입도 분석을 한다.

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다른 어패류와의 용해성 비교

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조개, 홍합을 햇빛에 충분히 건조시킨 후 막자사발을 이용해 분말 상태로 만든다. 물, 수산화나트륨, 염산을 일정량을 넣어 불가사리 건조분말과 다른 어패류 건조분말과의 용해성을 비교한다.

건조 분말을 퇴비로 쓴 식물 생장에 미치는 영향

-

퇴비에 불가사리 건조분말을 넣은 화분과 퇴비만을 넣은 화분에 식물(파)를 심는다. 일정기간이 지난 후 식물(파)의 생장속도를 비 교한다.

단백질 함량 측정 실험

-

2%의 탄산칼슘 50ml, 0.1N 의 수산화나트륨 50ML를 A, 1.65%의

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CuSO4 수용액을 첨가한 군을 B, 2.73% 나트륨 주석산 성분을 첨가 한 군을 C로 표시하여 단백질과 Burret용액과 적정 반응을 하여 단백질의 함량을 알아 본다.

불가사리 추출물 제조(외부 자문 교소와의 협조 실험)

불가사리 추출물 제조과정

-

불가사리의 내장부분(VC), 외골격(ES), 전체(WB)를 분리시켜 동결 건조시킨다.

-

동결건조된 부분을 0.3N NaOH에 녹여 Multi Stiller로 10시간 동안 교반시키고, NaOH를 희석시키기 위하여 원심분리기로 콜라겐과 수 분을 분리하여 수분층의 pH가 중성이 될 때까지 반복하였다. 자세 한 불가사리 추출물의 제조과정은 아래의 표의 모식도와 같다.

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분광광도계를 이용한 측정

- 내장분말(VC), 외골격분말(ES), 전체 분말(WB)과 Collagen type1 (표 준액)을 각각 0.5M의 아세트산에 녹인 후 3시간 동안 교반시킨다. 그 후 분광광도계를 이용하여 세 가지의 샘플과 표준액의 흡광도를 측 정한다.

월별 연구 추진 활동

주요 활동 시기 비고

불가사리 건조 분말 제조 5/20~6/04

불가사리 건조 분말의 pH 측정 6/10

불가사리 건조 분말의 산(염산), 염기(수산화나트륨)

과의 용해성 6/20~6/30

동물 먹이 실험 7/01~7/30

어패류와의 용해성 비교 실험 9/25~9/30

건조 분말이 식물의 생장에 미치는 영향 9/10~9/24 불가사리 추출물 제조, 중간보고서 정리 7/28~8/31 불가사리 추출물의 단백질 함량 측정 10/10~10/18

분광광도계를 이용한 측정 10/20~10/27

최종 보고서 정리 11/10~11/21

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연구비 소요 명세서

세목 지출내역 금액

연구장비·재료비 ․실험 기구 및 시약 재료비 2,534,300원

․연구 기자재 구입비 680,000원 3,214,300원

연구 활동비

․자료 인쇄비 200,000원

․전문가 자문수당 200,000X5회=1,000,000원

․참고도서 구입비 173,900원

․실험분석·검사비 100,000원

1,473,900원

연구과제추진비

․시내, 국내 출장비 0원

․사무용품, 비품구입비 220,000원

․회의비 341,000원

․간식비 277,920원

838,920원

연구수당 ․책임지도교사 수당 200,000원×7개월=1,400,000원 1,400,000원

합 계 6,927,120원

4. 연구 결과 및 시사점

연구 결과

산(염산), 염기(수산화나트륨)와의 용해성

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각 pH에서의 용해도, VC는 내장분말, ES는 외골격분말, WB는 몸 전체를 분말로 만든 것이다,

-

HCl과 반응하여 CO₂가 발생함을 확인 하였고, NaOH와 반응 시켜 보았다. 강 염기성인 NaOH와 반응하여 매우 잘 용해되는 것으로 보아 불가사리의 단백질도 염기에 반응하는 것으로 확인되었다. 또 한 각 pH별로 분말의 용해성을 조사한 결과 중성부근에서 가장 많 은 분말이 용해되었고 pH5~6에서 제일 잘 녹지 않았다. 따라서 불 가사리 분말은 내장, 외골격, 몸 전체 모두 약염기성에서 용해성이 뛰어남을 알 수 있다.

pH(산도)측정

-

불가사리 분말과 증류수를 섞어 마그네틱 바를 넣고 교반시키는 와 중에 pH를 측정하였다. 측정한 결과 pH는 1차시 8.4, 2차시 8.18, 3

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차시 7.8로 나타나였고, 평균 약 8.05 정도로 약함 염기성임을 확인 할 수 있었다.

동물 먹이 실험

-

불가사리 분말이 생명체 내에서 어떻게 작용하는지 알기 위하여 햄 스터 12마리를 대상으로 먹이 실험을 진행한 결과, 4마리씩 3분류 (A, B, C) 로 나누어 A에는 정상 먹이를 주어 대조군으로서 설정하 고, B에는 먹이와 그 25%의 불가사리 분말을 섞어 주었고, C에는 먹이와 그 50%의 불가사리 분말을 섞어서 주었다. 불가사리 분말을 많이 지급한 C에는 식욕이 증가하여 몸무게가 증가 하였고, 행동적 특성으로 공격적인 행동을 보였으며 B와 C에는 약하지만 동일한 반응을 보인 것으로 보아 불가사리 분말속 특정성분이 신체에 어떠 한 자극을 준 것으로 보여진다.

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건조 분말의 EDS, SEM 분석

건조분말의 EDS사진

건조분말의 SEM 사진

- 불가사리 건조시료의 분말분석 결과, C와 O 등의 유기물이 많이 포 함되어 있으며, 바닷물속에 존재하는 Mg이온, Na이온 등이 함유되어 있음을 볼 수 있었다. 또한 거의 대부분이 칼슘이 검출되었는데, 불가 사리 골판에 주요 원소인 칼슘은 탄산칼슘의 형태로 존재하는 것으로 판단되었다. 이에따라 불가사리의 골판은 칼슘보충제의 소재로 사용 되고 있으며 해적생물인 불가사리를 산업적으로 이용한다면 더욱더 활성화된 용도를 찾을수 있을 것이다. EDS분석 결과, 중금속에 속하 는 원소인 수은(Hg)은 미량 검출된 것으로 보아 중금속에 의한 중독 은 높아보이지 않는다.

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다른 어패류와의 용해성 비교

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조개, 홍합, 불가사리 분말에 일정량의 물, 염산(HCl), 수산화나트륨 (NaOH)을 넣은 후 마개를 막고 흔들고 변화를 살펴봤다. 물과의 용 해성에서 거품 발생 정도는 홍합 껍데기 분말<불가사리 분말<소라 껍데기 분말 순으로 미약하게 거품이 발생했고 침전량은 불가사리 분말<홍합 껍데기 분말=소라 껍데기 분말 순으로 침전되었음을 확 인했다.

-

염산(HCl)과의 용해성에서 거품 발생 정도는 홍합 껍데기 분말<불 가사리 분말<소라 껍데기 분말 순으로 미약하게 거품이 발생했고 침전량은 불가사리 분말<홍합 껍데기 분말=소라 껍데기 분말 순으 로 침전되었음을 확인했다.

-

수산화나트륨(NaOH)과의 용해성에서 거품 발생 정도는 홍합 껍데 기 분말<불가사리 분말<소라 껍데기 분말 순으로 다른 용액에 비해 비교적 많은 거품이 발생했고 침전량은 불가사리 분말<홍합 껍데기 분말=소라 껍데기 분말 순으로 침전되었음을 확인했다.

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불가사리 건조 분말이 식물 생장에 미치는 영향

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불가사리 건조 분말이 식물의 생장에 있어 미치는 영향을 알기위해 동일한 조건의 두 개의 일반적인 화분에 퇴비와 흙을 넣고, 실험군 A에는 불가사리 분말을 약 10g 정도 넣고, 대조군 B에는 아무것도 넣지 않고 같은 조건에서 일정한 양의 물을 주고 15일정도 실험한 결과, 실험군 A는 12cm 정도 더 생장한 것을 확인하였다. 따라서 불가사리 건조 분말에 있는 무기 염류와 불가사리 건조 분말 안의 칼슘성분이 식물의 생장에 도움을 준다는 것을 확인하였다.

단백질 함유량 측정

불가사리의 단백질 함량 불가사리의 콜라겐 함량

-

단백질 측정결과 총 단백질량은 불가사리 내장만을 적출해낸 것 (VC) 외골격만을 적출해낸 것(ES), 불가사리 몸체 전체를 간 것(WB)

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보다 낮았지만, 콜라겐의 함량은 다른 두 대조군에 비하여 VC의 함 유량이 세배 가까이 높았다. 이는 불가사리 내장에 가장많은 콜라 겐이 들어 있으며 또한 총 단백질량 중 대부분이 콜라겐 외의 단백 질임을 알 수 있다.

분광광도계를 이용한 측정

-

단백질은 보통 최대 자외선 흡광도가 275∼280nm에 해당한다. 본 연구에서는 내장분말에서 추출된 콜라겐이 그림에서 보이듯 255∼

260nm으로 외골격, 전체분말에서 추출된 콜라겐과 같았다. 이는 도 미에서 추출되는 콜라겐(230nm), 망치상어에서 추출되는 콜라겐 (220nm)과 다름으로 보아 다른 종류의 콜라겐임을 알 수 있었다.

시사점

-

불가사리 콜라겐을 추출하여 추출물을 이용한 다양한 실험을 진행 해보려 했으나 콜라겐을 추출할 때 사용된 불가사리의 양에 비해

A는 표준액의 흡광도이며 B,C,D는 각각 내장분말(VC), 외골격(ES), 전체 분말(WB)이다.

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얻어지는 콜라겐의 양은 사실 0.3g 정도로 매우 극소량이었다. 콜라 겐을 추출하기까지 걸린 시간 또한 연구를 진행하는데 주어진 시간 보다 더 많이 소비 되어 주어진 연구시간 안에 계획한 연구를 진행 하는 데는 어려움이 있었다. 실험할 수 있을 정도의 불가사리 콜라 겐 양과 연구를 진행하는데 소비되는 시간적 여유가 있었더라면 미 백효과실험, 발모효과 비교실험등을 통하여 발모제 및 패스트 샴 푸(기존 샴푸의 기능을 함유할뿐더러 발모효과를 통하여 머리를 빠 르게 자라게 하는 제품)의 이용가치성을 살펴보고 불가사리 콜라겐 이 저분자량 콜라겐임으로 보아 보습 효과 및 향균성 검증을 통하 여 피부의 탄력을 증가시키는 제품으로써의 상품화 가능성, 항균성 을 이용한 청소년들의 가장 큰 고민거리중 하나인 여드름 균 제거 용품의 제작 가능성도 고려해 볼 수 있을 것이다.

4. 홍보 및 사후활동

불가사리를 이용하여 만든 제모크림

-

불가사리는 스스로 회복하는 자생력이 뛰어난데 이러한 불가사리 추출물을 함유해서 제모 크림으로 응용할 수도 있다.

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별불가사리 추출물에는 β세포와 대식세포 같은 면역세포의 증식과 각종 사이토카인을 생산을 유도하여, 면역반응을 조절하는 성분이 포함되어 있는 것으로 생각된다.

-

칼슘과 각종 무기질 함량이 많은 불가사리는 또한 비료로 쓰이기에 적합하다. 불가사리 비료는 다른 비료에 비하여 칼슘 함량이 크기 때문에 과육식물들이 더욱 잘 자란다고 연구된 바 있다.

기대효과

홍보 및 사후활용으로 연구 논문집을 제작하여 인근 학교에

배부하고 학교 홈페이지에 게시하여 연구성과에 대한 사후활용을 한다.

6. 참고 문헌

(1) Peter Castro, Micheal E. Huber 공저, 해양생물학 (2) 홍재상 외 4인 공저, 해양생물학 6판 생태학적 접근

(19)

(3) 고정삼 외 5인 공지, 개정판 생물공학 (4) 유민 외 2인 공지, 미생물 실험서

(5) 박희연 외 3인 공지, 불가사리를 이용하여 제조한 칼슘보충제의 이화학적 특성, 한국식품저장유통학회

(6) 정향숙 외 8인 공지, 불가사리 유래 콜라겐 펩타이드의 피부면역 증진 효과 , 한국식품과학학회지

(7) 별 불가사리 추출물의 면역세포 활성화 효과,한국식품영양과학회, 제 36권 3호

(8) Montero, P., Jimennez-Colmenero, F. and Borderias, J. 1991.

Effect of pH and the presence of NaCl on some hydration properties of collagenous material from trout

(S

almoirideus

Gibb)muscleandskin.

J.Sci.FoodAgric

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54

,137–146.

(9) Lowry OH, Rosebrough NJ, Farr AL, Randall RJ (November 1951). "Protein measurement with the Folin phenol reagent".

J

.Biol.Chem.193(1):265–75

.

참조

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