리포좀 에멀전의 안정화에 관한 양친매성 전분의 효과
리포좀 에멀전의 안정화에 관한 양친매성 전분의 효과
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  • 승인 2019.02.24 16:00
  • 매거진 : 2019년 02월호
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LG생활건강 이의정 책임연구원(숨·자연발효연구팀) 外

ABSTRACT

The objective of this work was to make emulsion with starch for natural cosmetics. For the cosmetic product with the high portions of natural grade ingredients, we could not use chemical stabilizers.

Thereby, we investigated the effects of the amphiphilic starch and its stabilization for liposome emulsion. In this study, we conducted a starch crystallinity study to find the effect of gelatinization and retrogradation of amphiphilic starch with various types of gums using XRD, DSC and Cryo-FE-SEM techniques. To the best of our knowledge, there has been no report on the stabilization of liposome emulsion for cosmetics with native starch.

이 연구는 전분Starch을 함유한 천연 화장품 에멀젼 개발을 목표로 수행되었다. 일반적으로 화장품

의 제형 안정화에 사용되는 화학적 안정화제는 천연 화장품의 제조에는 적합하지 않다. 따라서 화학적 가공이 없이도 안정화된 제형을 형성하는 천연원료에 대한 연구가 필요한 상황이었다. 이에 이 연구에서는 천연 원료인 양친매성 전분Amphiphilic Starch이 리포좀 에멀젼Liposome Emulsion에 미치는 영향 및 안정화에 대해 분석했다. 양친매성 전분을 여러 종류의 검gum과 혼용할 시발생할 수 있는 결정화 현상에 대해 XRD, DSC, Cryo-FE-SEM 분석법으로 조사하여, 양친매성 전분의 호화gelatinization와 노화retrogradation에 영향을 미치는 요인을 알아보았다. 분석 결과 화학적 가공 과정을 거치지 않은 천연 전분만으로도 안정화된 리포좀 에멀전 제형을 만들 수 있다는 점을 확인 할 수 있었다.

KEYWORD starch crystallinity, gelatinization, gum, liposome, emulsion stability.

이 연구(리포좀 에멀전의 안정화에 관한 양친매성 전분의 효과, Effects of Amphiphilic Starch and Its Stabilization for Liposome Emulsion)는 ㈜LG생활건강 기술연구원 화장품연구소 연구진인 이의정, 황혜림, 정민우, 오주영과 충남대학교 유기재료공학과(고분자공학과) 홍성권 교수가 공동으로 수행했으며, 한국고분자학회 학술지 ‘폴리머(Polymer(Korea)), Vol. 42, No. 2, pp. 223-229 (2018)’에 게재됐다.

 

‘리포좀 에멀전’이란 무엇인가.

레시친Lecithin등 리포좀을 만들 수 있는 원료를 기본 유화제로 만든 에멀전 제형을 의미하며, 일반적으로 광학현미경에서도 뚜렷한 지질 이중층을 가진 입자로 구성되는 에멀전을 통칭한다.

연구 배경은.

화학 원료가 내재하고 있는 각종 위험들로부터 자유로운 ‘안전한’ 화장품을 개발하기 위해서는 우리 몸에 친화적인 천연 유기농 원료를 사용하는 것이 효과적이다. 하지만 천연 유기농 원료만을 사용하여 에멀전 제형을 만드는 것은 매우 어려운 기술이다. 특히 일반 화장품과는 달리 화학적 안정화제가 들어가지 않기 때문에 제형 안정화 측면에서 매우 난이도가 높은 과제였다. 따라서 화학적인 가공과정 없이도 안정적인 에멀전 제형을 유지할 수 있는 원료를 찾는 것이 필수적이었다. 또한 그 종류가 제한적인 천연 원료의 한계를 극복하기 위해서는, 한 가지 제형 내에서 다양한 기능을 가질 수 있는 원료를 찾아낼 필요가 있었다.

언제부터 천연 화장품natural cosmetics을 연구했나.

LG생활건강 기술연구원에서 화장품 제형 연구원으로 17년간 일해왔다. 이 연구는 현재 근무 중인 숨·자연발효연구팀으로 옮기기 전 ‘에코뷰티 연구팀’이라는 조직에서 일할 때부터 진행했다. 에코뷰티 연구팀은 관련된 제품의 매출이 크지 않지만 제품의 ‘진정성’이라는 측면에서 매우 가치가 큰 조직이다. 고객들에게 가장 안전한 화장품을 제공하겠다는 목표로 미래를 내다보는 기반 연구를 지속적으로 수행하고 있는 곳이다.

처음 천연 화장품을 연구하기 시작한 것은 2007년쯤이다. 당시 천연 유기농 화장품 분야를 선도하고 있던 유럽시장의 기준에 부합하는 제품을 개발하기 위해 시작했다. 천연 유기농 원료를 사용한 오일류 제품은 비교적 쉽게 개발이 가능했지만, 에멀전 제형을 개발하는 것이 쉽지 않았다. 오일 제형은 단일계로 구성되어 있지만, 에멀전은 다성분계로 이루어져 여러 성분들을 에멀전 제형 내에서 안정화시키는 기술이 필요하기 때문이다. 특히 종류가 제한적인 천연 원료만으로 안정화된 제형을 만드는 것은 매우 어려운 기술이었다. 따라서 처음부터 완전한 천연 제품을 목표로 하기 보다는 단계적인 개발 방식을 취했다. 개발 초기에는 유기농 원료의 성분비 60% 달성을 목표로 개발을 시작했고, 단계적으로 그 함유량을 높여서 2013년에는 100% 유기농 원료로 이루어진 에멀전을 만들 수 있었다. 대외적으로 홍보할만한 내용은 아니었지만, 우리 연구소 내부에서는 이 분야 세계 최고 수준의 기술을 확보했다고 자부한다.

전분starch을 선택한 이유는.

에멀전 제형에서의 안정화가 가능한 천연 원료들을 조사한 끝에 안정적인 취(臭)를 지니면서 점증제 및 사용감 개선제로도 사용할 수 있는 전분류에 관심을 갖게 되었다. 전분은 독성이 없는 천연 원료로서 식품 분야에서도 많은 연구가 진행된 원료이다. 특히 식품 분야에서 점증제thickener로 사용되는 카사바 뿌리cassava roots의 타피오카 전분(tapioca starch,TS)은 가격이 저렴하고 고점성을 갖고 있는 좋은 소재다. 화장품 분야에서는 흡유(oil absorption) 기능이나 파우더의 윤활유lubricant function with powder로서의 기능이 있어 많이 사용해 왔는데, 끈적임이 적어 제형화 하기에도 적합하다. 이 연구에서는 타피오카 전분에 구아 검guar gum과 아라비아 검arabic gum 등을 혼합하여 리포좀 에멀전 안정화 제형을 만드는데 성공했다. 이러한 결과는 천연 화장품의 안정화에 대한 첫 번째 연구 성과로 사료된다.

연구 내용은.

이 연구는 전분의 양친매적인 특성을 통해 결정성을 조절함으로써 다양한 제형을 만들 수 있다는 점에서 착안했다. 고분자의 형태학적인 관점에 집중하여 양친매성 전분의 효과를 살펴보았다. 전분을 레시친과 함께 사용하는 경우 리포좀 에멀전 제형에서의 유화 안정제로써의 활용성에 대해 문헌조사를 실시하였으며, 다양한 제형에서 호화(gelatinization, α-화) 정도에 따라 달라지는 안정화제로써 전분의 역할에 대한 연구 사례를 살펴보았다. 또한 실제 제형화 연구를 통하여, 노화(retrogradation, β-화) 방지를 위해 다른 검과 혼용할 시 제형에 미치는 영향과 그러한 현상에 대한 형태학적, 열적, 구조적 특성을 분석하기 위한 다양한 실험을 실시했다.

실험 내용은.

양친매성 전분의 호화와 노화에 영향을 주는 요인들을 찾고 여러 종류의 검들과 혼용시의 전분 결정화 특성을 살펴보기 위해, XRD(X-ray Diffraction, 엑스레이 회절분석법), DSC(Differential Scanning Calorimetry, 시차 주사 열량측정법), Cryo-FESEM(Cryo Field Emission Scanning Electorn Microscope, 크라이오 전계 방사형 주사 전자현미경)와 같은 분석법을 시행했다.

이들 중 DSC 분석에 대해 구체적으로 소개해보겠다. DSC 분석에서는 제형의 안정성을 평 가하기 위해 에멀전을 구성하는 전분과 검의 함량에 따른 분해degradation 온도의 변화를 측정한다. 실험 결과 에멀전의 분해 온도는 전분의 함량이 증가할수록 감소하는 반면, 실험 샘플간의 분해 온도 차는 검의 함량에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과 는 검의 함량이 전분/검 에멀전의 전분 결정도Crystallinity에 영향을 준다는 것을 의미한다. 즉 전분의 양이 증가하면 상전이phase transition 엔탈피enthalpy 값이 감소한다는 것이다. 온도 속도를 5°C에서 20°C까지 증가시켰을 때에도 비슷한 결과가 나오는 것을 확인함에 따라, 이 는 전분 자체의 분해만으로 일어나는 과정이 아님을 증명할 수 있었다. 또한 에멀전 내의 전분 첨가량(wt%)를 10배 이상 높였을 때 전이온도transition temperature가 유의한 수준으로 감소하는 것을 확인했다. 이는 전분의 함량이 전이온도에도 영향을 주며 에멀전의 유연성 flexibility을 증가시킴을 의미한다. 이러한 실험 결과를 종합해 보면 전분과 검의 함량을 조절 함으로써 에멀전의 안전성stability 역시 조절할 수 있음을 알 수 있다.

연구성과 및 기대효과는.

이 연구는 안전성이 확보된 피부친화적인 천연 화장품 에멀전 제형 개발을 위해 필수적인 선행 연구이다. 화학적으로 가공되지 않은 천연 전분만을 가지고도 리포좀 에멀전 안정화 제형을 만들 수 있다는 것을 입증함으로써, 천연 원료 사용의 가장 큰 걸림돌 중 하나였던 제형 안정성 이슈를 해결할 수 있는 돌파구를 찾았다는 측면에서 그 가치가 크다고 생각한다. 이 연구에서 시작된 양친매성 전분의 에멀전 안정화 기술을 활용해, 더욱 다양한 천연 성분들을 활용한 기능성 유기농 화장품 제품 개발이 활성화되기를 희망한다.

논문을 쓰기 쉽지 않았을텐데.

회사의 제품연구팀에 속해 제품개발 업무를 하면서 동시에 논문을 작성하는 것은 결코 쉬 운일이 아니었다. 제형개발과 함께 실험 데이터 생성을 겸하느라 논문을 완성하는데 4년이 라는 비교적 긴 시간이 걸렸다. 하지만 이번 연구는 세계 최초의 제형을 개발하는 과정이라고 스스로 자부할 수 있었기 때문에 꼭 그 결과를 논문으로 남기고 싶은 열망이 컸다. 이러 한 열망과 믿음 덕분에 포기하지 않고 연구에 매진할 수 있었고 이 논문이 탄생할 수 있었다고 생각한다.

후배 연구원들에게 당부하고 싶은점은.

본래 학부와 석사 기간에는 생화학 분야를 전공했었다. 석사 졸업 후 지금의 회사에서 제형 연구원으로 일하던 중, 좋은 기회가 생겨 박사과정에서 고분자공학을 공부할 수 있었다. 고분자공학을 공부하면서 그동안 목말라했던 차별화된 제형 개발을 위한 지식의 갈증을 풀 수 있었다. 현재 제형연구팀에서 일하고 있는 후배 연구원들에게도 화학적 지식뿐만 아니라 고분자공학을 공부해 보는 것을 추천한다.

또한 연구의 성과를 제품 개발에만 국한하지 말고 논문으로 발전시켜보기 바란다. 논문 작성을 통해 스스로의 지적 성취감을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 기술발전을 위한 자신만의  노하우를 쌓을 수 있기 때문이다. 제형을 연구하는 연구원들도 더 많은 논문을 발표해 기술전문가로서 각자의 브랜드 가치를 높일 수 있기를 희망한다.

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