조선대학교 생명화학고분자공학과 신현재 교수
서론 INTRODUCTION
대나무(Phyllostachys)는 예로부터 우리나라를 비롯한 아시아에서 자생하는 화본과(Gramineae)에 속하는 식물로서, 생장이 매우 빨라 식재 후 4~5년이면 죽재로 수확이 가능한 생물자원이다[1]. 대나무의 줄기는 죽세공품, 농용재, 건축용재, 펄프용재 등 다양한 용도로 사용되며, 편근으로 번식하기 때문에 벌채 후 다시 식재할 필요가 없고, 일단 죽림을 조성한 후에는 많은 관리비를 들이지 않고 지속적으로 계속 생산이 가능하다는 장점이 있으며, 토지 보존효과도 우수하다[2]. 대나무는 주 생산물인 죽재를 비롯하여 부산물로서 대나무 껍질, 대나무 가지, 대나무 잎, 대나무 순, 대나무의 내피인 죽여 등이 한약재로 이용되고 있다[3]. 최근 단순한 가공 형태의 죽세공품 이외에 죽력과 대나무 숯을 이용한 가공품 및 주류정제 등 여러 분야에서 이용되고 있어 대나무의 수요가 점자 증가하고 있는 상황이다[4-6]. 그러나 대나무 줄기의 산업적 활용 방안은 아직도 매우 부족한 실정이며, 특히 화장품 분야의 활용은 이제 시작 단계에 있다고 할 수 있다. 따라서 본 리뷰에서는 대나무 줄기의 기능성 연구와 관련된 현황을 살펴보고, 본 연구실에서 진행한 연구의 내용을 바탕으로 대나무 줄기에 포함된 다양한 성분을 먹거나(Inner beauty) 바르는 화장품 소재(Skin care)로서 활용하기 위한 방안을 제안하고자 한다.
대나무 줄기의 성분(Major components of bamboo stems)
국내에 자생하는 대표적인 대나무 종은 솜대라고 알려진 Phyllostachy 종과 신이대(산죽)라고 알려진 Sasa 종으로 분류할 수 있다(Table 1) [7]. 연구에 많이 사용되는 대표적인 대나무로는 Phyllostachys nigra var. Enosis Stapf와 Sasa coreana Nakai가 있다.
화장품 성분으로 고려되어야 할 4대 요건(안전성, 안정성, 사용성, 유효성) 중 가장 중요한 요건은 안전성이며, 피부에 대한 자극과 알레르기, 독성 등이 없어야 한다. 또한 안정성과 유효성을 적정 농도범위에서 가져야 화장품의 원료로서의 가치가 높다고 할 수 있다 [8]. 대부분의 천연 화장품 성분은 여러 종류의 비타민류 이외에 알로에 추출물, 녹차 추출물, 스피룰리나, 레시틴, 폴리페놀 성분들이 사용되고 있다. 대나무 줄기에는 셀룰로오스(Cellulose), 헤미셀룰로오스(Hemicellulose), 리그닌(Lignin)이라는 3대 주성분과, 무기 혹은 유기 실리카(silica)를 비롯한 각종 부성분 및 회분으로 구성되어 있다(Table 2) [9-10]. 대나무 줄기의 주성분으로는 대나무 줄기의 주성분인 셀룰로오스(Cellulose)는 β-1-4 glucose결합으로 이루어진 천연고분자로, 식물세포벽 내에서는 단분자로서 독립적으로 존재하지 않고, 층상으로 적층구조를 형성하며 존재한다. 헤미셀룰로오스(Hemicellulose)는 식물 세포벽의 구성성분 중 펙틴질을 제외한 것으로 셀룰오로스 표면에 특징적으로 결합하는 유연한 다당류를 말한다. 셀룰로스 미세섬유를 서로 묶어 응집력 있는 네트워크로 만들어 주는 밧줄 역할을 하거나 직접적인 미세섬유 간 접촉을 막는 윤활성의 막을 씌우는 역할을 하며 주성분은 자일란, 글루칸, 자일로글루칸, 글루코만난 등이다[11]. 리그닌은 셀룰로오스와 함께 목재를 이루고 있는 성분이며, 발색반응으로 목질화의 진행 상태, 침엽수와 활엽수를 식별한다. 대나무 줄기 유래 리그닌은 화학, 식품, 화장품에 활용도가 높아 중국과 유럽에서는 이미 원료로써의 가치를 인정받고 있으며[12], 최근 리그닌은 자외선을 흡수하고 광범위 자외선 차단효과를 발휘할 수 있는 것으로 널리 연구되고 있다[13]. 또한 대나무 줄기에 다량 함유되어 있는 실리카는 피부, 머리카락, 손톱, 콜라겐을 형성하는 필수 무기성분으로, 피부 탄력 증진 및 뼈의 건강 증진에 도움을 주는 물질로 알려져 있다[14]. 이외에 대나무 줄기에는 여러 종류의 폴리페놀이 함유되어 있으며, 대표적으로 클로로겐산(Chlorogenic acid), 카페익산(Caffeic acid), 호모오리엔틴(Homoorientin), 오리엔틴(Orientin), p-쿠마린산(p-Coumaric acid) 그리고 페룰산(Ferulic acid) 등이 있다[15-16].
대나무 줄기 리그닌(Lignin from bamboo stem)
거대고분자인 리그닌은 효소 탈수소 반응으로 생성된 페닐프로판 구조 단량체 라디칼들의 축합(Coupling) 반응으로 형성된다고 알려져 있다[17]. 리그닌 거대고분자들 내에는 다양한 내부결합(Inter-monomeric linkages)에 의한 5가지 형태의 안정화된 라디칼 공명구조들이 존재한다[18]. 그러나 리그닌의 정확한 화학 구조는 복잡한 중합체 성질 및 거대 분자의 배열과 관련된 무작위 결합 정도로 인해 완벽하게 알려져 있지 않다(Fig. 2).
이러한 리그닌의 조성, 분자량 및 함유량은 식물마다 다르지만 일반적으로 리그닌의 양은 침엽수, 활엽수, 목초 순으로 감소한다고 보고 되어있다[19]. 리그닌의 구조결합은 β-O-4 결합이 지배적이며, β-O-4, 5-β-5, 4-O-5, β-1, Dibenzodioxocin 등 β-리그닌 연결구조가 절반 이상을 차지한다[19]. 리그닌 중합체는 Guaiacyl unitsG, p-Hydroxyphenyl unitsH, Syringyl unitsS 단위를 연결하는 에스테르, 에테르 및 C-C 결합을 함유하는 것으로 밝혀져 있으며, 이것은 리그닌에 항산화 단량체가 많이 존재한다는 것을 의미한다[19].
인간의 피부는 시간의 흐름에 따라 내적노화(Intrinsic aging)가 진행되며, 생활습관이나 환경적인 요인에 의해 발생되는 피부의 외적노화(Extrinsic aging)는 태양광선 등 누적된 외부 스트레스로 인해 발생한다. 특히 태양광의 자외선(Ultraviolet rays; UV)에 장시간 노출되면 피부의 각질층이 두꺼워지고 피부의 주요 구성요소인 콜라겐과 엘라스틴이 변성되어 피부의 탄력이 저하된다[20]. 이와 같은 자외선 노출에 의해 유발되는 피부광노화 등의 문제점을 방지하기 위해 최근에는 자외선 차단을 위한 각종 천연소재 제품들이 개발되고 있다. Yang 등은[21] 왕대와 솜대 줄기를 증류수에 24시간 침지 후 Steam explosion 추출을 진행하였다. Alkaline delignification을 통하여 리그닌을 추출한 결과 왕대(SEL1)와 솜대(SEL2) 각각 12.45%, 21.16%의 수율을 얻었으며, 확인된 수율로 비교하였을 때 왕대보다 솜대에서 리그닌의 추출 수율이 높게 나왔다. 기존의 연구에서는 Steam explosion 방법을 사용하여 리그닌을 추출하였을 때, 수율은 9-43%로 확인되었다[22]. 한편 기존의 연구에서는 pH1.0-3.4 로 추출을 진행하였으나[23], Yang 등은 Alkaline deligninfication 후 pH 중화 과정에서 pH5.5 로 추출하였기 때문에, 화장품 원료로 적용 시 안전한 pH지수(5.5~6.5)를 유지하기 용이할 것으로 판단된다.
대나무 줄기 리그린의 DPPH 항산화 활성 측정결과 추출된 리그닌 샘플의 IC50은 383.89-515.37μg/mL이었다. 추출 된 리그닌 샘플 중 SEL1은 SEL2에 비해 낮은 농도인 383.89μg/mL에서 DPPH free radical 소거 활성(IC50)을 나타내었다. 선행연구에서 Organosolv 방법에 의해 추출 된 리그닌 분획은 상당히 높은 항산화 가능성을 갖는다는 것이 보고되었으며, 리그닌의 높은 소거능은 다량의 자유 페놀성 하이드록실기 및 저분자량을 갖는 화합물의 존재에 기인한다고 보고되었다[24-25]. 기존의 연구결과와 본 실험연구결과를 비교하였을 때 Organosolv 방법으로 추출된 리그닌이 Steam explosion 방법으로 추출한 SEL1과 SEL2보다 낮은 IC50을 나타내었다[25]. 또한 ABTS 항산화 활성에서 추출된 리그닌 샘플 등의 IC50은 131.78-152.78μg/mL의 범위로 확인되었다. 이와 같이 리그닌은 구조적인 차이에 따라 항산화 활성이 달라진다는 것을 확인하였다. 그리고 대나무 줄기 리그닌의 세포독성 측정결과 25μg/mL, 50μg/mL, 100μg/mL 농도범위에서 24 시간이 지난 후 세포독성은 나타나지 않았다[21]. 타 연구에서 HaCaT cell과 3T3 Fibroblast cell을 사용하여 리그닌의 독성을 나타내지 않은 농도범위는 400μg/mL 이하로 확인되었다[26]. 대나무 줄기 리그닌의 경우 100μg/mL 이하의 높은 농도 범위에도 세포 독성이 나타나지 않아 자외선 차단제 적용 시 비교적 안전하다고 판단할 수 있다. 대한화장품산업연구원에서 제시한 화장품 성분 중에서 생리 활성 성분의 기준이 5%~8% 미만이라는 것을 감안한다면, 일반적인 리그닌 적용범위에서 매우 안전하다고 판단된다.
자외선(UVA, UVB)은 피부 진피층에 침투하여 자유 라디칼 및 활성 산소종(Reactive oxygen species, ROS)을 생성하여 DNA의 구조 및 기능을 변화시킨다고 알려져 있다. 또한 자외선은 피부 노화 및 악성 흑색종에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 그러므로 자외선 차단제는 UVA, UVB에서 피부를 보호할 뿐 아니라 자유 라디칼, 활성 산소종 소거능에도 효과가 있는 성분과 관련이 있어야 한다[27]. Yang 등은[21] 항산화 활성이 높은 대나무 리그닌인 SEL1을 사용하여 자외선 차단효과를 측정하였다. 농도별 SEL1을 함유한 SPF15 선크림과 일반크림의 자외선 차단능을 확인하여 실험방법에 나와 있던 SPF 계산식을 이용해 SPF15 선크림과 핸드크림의 SPF 지수를 계산한 결과 SPF 지수는 4-12로 SEL의 농도가 증가 할수록 자외선 차단능이 향상되는 것을 확인하였다. SEL을 함유한 선크림이 핸드크림보다 높은 자외선 차단능을 나타내었다(Fig. 3).
기존 연구에서 일반크림과 SPF15인 선크림에 리그닌을 각각 1-10%의 농도로 첨가 한 결과 일반 크림에 리그닌을 첨가했을 때 자외선 차단능이 증가 하였지만, SPF15에 첨가된 샘플보다는 낮았다[13]. 기존의 연구에서는 SPF15인 선크림에 리그닌을 2% 첨가하였을 때 SPF30인 선크림과 비슷한 차단 효과를 보였으며, SPF15인 선크림에 리그닌을 10% 첨가하였을 때 SPF50인 선크림보다 우수한 효과를 보였다. 자외선 차단 크림과 리그닌이 섞였을 때 SPF가 증가하는 이유는, 리그닌과 화학적 자외선 차단제가 서로 π-π* Stacking 결합을 하여 자외선 흡수율이 높아지게 되기 때문으로 추측된다. π -π* Stacking은 방향족 고리(Aromatic ring) 사이의 2가지 Aggregation 모드의 상호작용에 의해 나타나는데, 리그닌과 자외선차단제의 쌍극자 전이 모멘트가 J-Aggregation되어 에너지 레벨이 감소함을 알 수 있었다[28-29]. 이러한 결과를 통해 대나무 리그닌을 단독으로 사용하기보다는 다른 차단제 성분과 복합적으로 사용해 피부에 자극은 적고 높은 자외선 차단 효과를 낼 수 있는 자외선 차단제 개발에 도움이 될 것으로 판단된다.
대나무줄기 실리카(Bamboo stem silica)
대나무 줄기에 다량 함유되어 있는 실리카는 피부, 머리카락, 손톱, 콜라겐을 형성하는 필수 무기성분으로, 피부에 탄력성 증진 및 뼈의 건강 증진에 도움을 주는 물질로 알려져 있다 [30]. 현재 실리카는 화장품의 구성 성분 중 주로 백색 안료로, 피부의 발림성 및 부착성을 높여 화장품의 커버력을 유지시키는 분체(Powder)로 사용되고 있다[31].
피부의 주요 구성요소인 콜라겐과 엘라스틴이 변성되면 피부의 탄력성을 잃게 된다[32]. 콜라겐과 엘라스틴은 여러 가지 요인에 의해서 조절되는데, 콜라게나아제(Collagenase)와 엘라스타아제(Elastase) 같은 메탈로 프로테아제(Matrix metallo protease)의 발현으로 인하여 생성된 콜라겐과 엘라스틴이 분해되어 결과적으로 피부 내의 콜라겐 함량이 줄어드는 현상이 나타나게 된다[33]. 이러한 탄력감소의 원인이 되는 콜라겐 및 엘라스틴의 감소를 억제하려는 목적으로 레티놀과 레티노익산 등이 널리 사용되고 있다[34]. 그러나 이들 레티노이드들은 극소량만을 피부에 적용해도 피부 자극 및 알러지에 민감하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하려는 연구의 일환으로 Choi 등은 [35] 대나무 줄기 유래의 실리카를 추출하여 결정 구조 및 구성 성분을 확인하고 기존의 화학 성분을 대체할 수 있는 천연 화장품 소재로써 가능성에 대해서 조사하였다. 우선 2가지 종류(솜대, 왕대)의 대나무 줄기에서 실리카를 추출하여 XRD, FT-IR, FT-SEM-EDX를 사용하여 실리카의 결정 및 순도를 확인하였으며, 주름 개선용 화장품 소재로의 가능성에 대해 조사하고자 콜라게나아제 및 엘라스타아제의 저해활성에 대해서 조사하였다. 또한 피부에 적용 시 안전성이 중요하므로 피부에 존재하는 세포중의 하나인 B16F10 Melanoma cell을 사용하여 세포독성을 확인하였다. 실험결과 대나무 유래 실리카의 순도는 상업용 실리카와 비교하였을 때 PBS는 99.9%, PNS는 100%로 확인되어 매우 높은 순도로 추출되었음을 확인하였으며, 세포수준의 실험에서 100μg/mL 이하의 농도에서는 세포독성을 나타내지 않았다. 대나무 실리카 추출물의 콜라게나아제 저해활성 실험결과 IC50 값은 174.14μg/mL-292.60μg/mL으로 확인되었다. 엘라스타아제 저해활성 실험결과 IC50 값은 179.46μg/mL-377.03μg/mL으로 확인되었다(Fig. 4). 추후 다양한 피부세포 실험 및 인체적용시험이 보완된다면 국내에서도 제품 개발이 용이할 것으로 판단된다.
대나무 줄기 추출물의 미백활성(Anti-melanogenesis of bamboo stem extracts)
(게재 저널: Choi et al., Int. J. Mol. Sci. 2018, 19, 409; doi:10.3390/ijms19020409)
전라남도 담양군에 위치한 자연과대나무 영농조합법인을 통하여 1-6년생 왕대와 솜대 줄기를 공급받아 실험을 진행하였다. 열수추출, 주정추출, 유기용매 추출을 통해 다양한 추출물을 얻을 수 있었으며 제조방법의 요약은 다음 Fig. 5에 나타내었다.
왕대와 솜대 줄기 추출물의 수율은 대부분 10% 이하였으며, 유기용매로 추출했을 때의 수율이 1.00%, 1.12%로 가장 낮았다. 오토클레이브(Autoclave)를 사용하여 추출하였을 때가 6.14%, 4.84%로 가장 높은 것으로 확인되었다. 이는 고온 고압에서 추출되어 여러 성분들이 많이 추출된 것으로 보인다. 건조된 왕대와 솜대 줄기에서 추출된 추출물들을 HPLC를 이용하여 추출물 속에 들어 있는 폴리페놀의 기준물질을 분석하였고, 기준물질의 Retention time을 비교하여 함량 및 함유여부를 확인하였다. 분석결과 다양한 폴리페놀 화합물이 검출되었으며, 구체적으로는 카테킨(Catechin), 클로로겐산, 카페익산, p-쿠마린산, 페룰산, 루틴(Rutin), 루테올린(Luteolin)의 검출 피크(Peak)를 확인하였다. 타이로시나제 저해 활성을 측정해본 결과, PN3의 경우 IC50 값은 95.54μg/mL으로 측정되었으며, PN4의 경우 IC50 값은 438.25μg/mL으로 나타났다. 반면에, 양성대조군으로 사용한 아스코르브산의 IC50 값은 135.23μg/mL, p-쿠마르산은 286.82μg/mL으로 나타났다. 이와 같은 결과를 통해 PN3가 매우 우수한 티로시나아제 저해활성을 보임을 확인할 수 있었다. 멜라닌 생성억제 활성을 확인하기 위하여 1000nM 농도의 멜라닌세포 자극 호르몬(α-MSH, alpha-melanin stimulating hormone)를 처리하여 실험한 결과, 무처리군(100%)에 비해 멜라닌 양이 244% 증가하였으며, α-MSH 1000nM을 PN3(50μg/mL, 100μg/mL)과 함께 처리한 실험군에서는 무처리군 기준으로 각각 40.41% 와 48.26%로 멜라닌 함량이 감소하였다.
한편, 양성대조군으로 100μg/mL 농도의 알부틴(arbutin)을 α-MSH 1000nM와 함께 처리한 경우 무처리군 기준으로 멜라닌 함량이 25.29% 감소하는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 6). 정리하면, 대나무 추출물 PN3는 다양한 외부 요인에 의해 생성되는 ROS와 멜라닌 자극호르몬으로부터 발생하는 멜라닌 생성을 효과적으로 억제할 수 있을 것이다(Fig. 7).
대나무 줄기 추출물의 간보호 효능Liver protection effect of bamboo stem extracts
(게재 저널: Yang et al., Nutrients 2019, 11, 114; doi:10.3390/nu11010114)
마우스에 우리나라 자생 대나무 종인 솜대(Phyllostachys nigra var. henonis) 줄기 80% 에탄올 추출물인 PN3를 투여하고 PHZ(Phenylhydrazine)에 의한 간 손상으로부터 보호 효능을 평가하였다. 실험 결과, PHZ에 의한 간 손상이 PN3에 의해 현저히 억제됨을 관찰할 수 있었다. 간 조직을 떼어 포르말린에 고정하고 파라핀에 포매한(Embedding) 후 간세포 손상 정도를 H&E 염색을 통해 조직병리학적으로 관찰한 결과, PHZ 투여에 의해 증가된 간세포의 변성과 염증 세포의 유입이 PN3에 의해 개선됨을 관찰할 수 있었다. 또한 간 조직 내 지방산산화, iron의 축적 및 염증 관련 유전자의 발현을 확인해본 결과, PN3가 PHZ에 의해 증가된 지방산 산화물인 4-HNE 및 iron 축적에 관련되는 페리틴(Ferritin) 및 염증유전자인 COX-2의 발현 증가를 억제시킬 수 있음을 관찰할 수 있었다. 위의 결과들을 종합해 보았을 때, 우리나라 자생 대나무 종인 솜대 80% 에탄올 줄기 추출물인 PN3가 PHZ 투여해 의해 증가된 간 손상을 억제하였으며 이는 PN3에 의한 항산화 및 항염증 효능을 매개하는 것으로 판단된다(Fig. 8). 이 대나무 줄기 추출물은 이너뷰티 제품의 효능을 증가시키는데 널리 사용이 가능 할 것으로 판단된다. 그리고 최근 본 연구실의 연구결과에 따르면 대나무 줄기추출물은 간 보호효능 뿐만 아니라 지방세포 분화억제 기능도 있는 것으로 확인되어, 먹고 바르는 화장 품에 다양하게 적용이 가능하리라 예상한다.
결론 CONCLUSION
오늘날 화장품 산업은 바르는 기존의 바르는 화장품과 더불어 이너뷰티가 새로운 트렌드로 떠오르고 있다. 대나무는 비교적 가격이 저렴하고 안정적인 가격으로 원료 수급이 가능하기 때문에 다양한 화장품 소재로 이용이 가능할 뿐 아니라 고부가가치 원료로의 가공도 가능하다.
본 리뷰에서는 대나무 줄기의 화장품 산업의 적용을 가능성을 제시하기 위해 기존의 문헌 조사 및 현재 대나무 줄기의 산업화 조사를 통해 대나무 줄기의 고부가가치 산업으로의 활성화 방안을 모색하였다.
또한 본 연구실에서 진행하고 있는 줄기 추출물의 최신 연구내용을 요약하여 그 내용을 화장품 업계 독자에게 전달하고자 하였다. 대나무 줄기는 먹고 바르는 화장품에 다양하게 활용 가능한 유효 성분들을 다량 함유하고 있음을 확인하였고, 주성분(셀룰로오스, 헤미셀룰로스, 리그닌)중에서 리그닌은 천연 자외선 차단제로써 가능성이 있음을 확인하였다. 이외에도 열수 및 주정추출물에 실리카 및 다양한 생리활성 기능이 있는 폴리페놀들이 다량 함유되어 있는 것을 확인하였다. 현재 대나무 줄기는 식품원료로 제한이 있으므로, 산업화가 어려운 의약품 분야보다는 화장품 산업으로의 진출이 고부가가치 창출을 위한 현실적인 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 대나무 농가의 소득증대 및 대나무 줄기의 고부가가치 창출을 위한 방안으로 대나무 줄기와 그 추출물을 활용한 다양한 화장품 원료 및 제품 개발을 제안하고자 한다.