한국염색가공학회지 Vol. 20, No. 2, pp.59 65(2008. 4) 연구논문 ( 학술 ) 프로테아제처리가모발의염색성및형태적특성에미치는영향 김홍희 권태종 건국대학교공과대학미생물공학과 Effect of Protease on the Morphological Properties and Dyeability of Human Hair Hong-Hee Kim and Tae-Jong Kwon Dept. of microbiological Engineering, Konkuk University, Seoul 143-701, Korea (Received: March 24, 2008/Revised: April 14, 2008/Accepted: April 22, 2008) Abstract The tannin acid and the enzymes have been used in order to improve the ruggedness in laundry and the absorption of dyes and pigments in the textile industry for several years. The enzyme processing on the protein fiber minimizes the damage of the entire fiber and improves the dyeability by effectively modifying only the hydrophobic surface. This study tried out the structural observation by applying the Castanea crenata sieb. et. zucc. containing abundant tannin to the hair dyeing as the natural dyeing pigment along with Protease of Rhizopus sp. The dyeability was improved as compared to the dyeing using only the synthetic tanning and iron mordant. When the depth of pigment was higher in accordance with the surface observation, the enzyme dissolution had impact on dyeing and so the keratin layer on the hair surface. Accordingly, it was found that the appropriate depth was between 0.01 and 0.03%. It was estimated that 0.1% protease would treated within 30min. Consequently, it would cause the good reaction with the functional group of tannin pigment. Keywords: tannic acid, protease, natural hair dye, amino acid 1. 서론 모발염색은노화현상으로생성된흰머리를감 추거나적극적인패션의수단으로현대인에게널리이용되어지고있다. 하지만반복적인시술에의한합성염모제사용은두피와모발의손상을주는문제점들이제기되고, 친환경적이고건강을중시하는소비자트렌드의반영으로천연재료를이용한제품개발이전반적인뷰티산업과모발염색시장에영향을주고있다. 모발염색에도천연소재를이용한헤나염모제, 오징어먹물, 녹차등다양한제품들이출시되고있지만염색성과견뢰성을높이기위해금속매염제의과다사용으로인한문제점들이발생할수있다. 천연염료의사용뿐만아니라금속매염제를대체할수있는소재의개발 이필요한시점에서효소는생화학적고분자촉매로서상온, 상압및중성의온화한조건에서최적의작용이이루어지는이점으로인해최근에너지절약, 공해문제및기질보호등의측면에서효소의이용이실용화되고있어 1) 모발염색적용가능성을높여준다. 효소는수년간텍스타일산업에이용되고있다 2). 아밀라제는호발 (desizing) 에사용되며, 셀룰라아제는데님마무리와셀룰로오스섬유의생물광택내기 (bio-polishing) 에사용되었다. 프로테아제는가죽, 실크및양모의가공에사용되며, 펙티나제, 리파제및디아스테라제는면직물의생물제작 (bio-preparation) 에사용되었다 3-5). 모직물의방축가공을목적으로시도된효소의이용은 scale 제거를위한염소처리, 산화제처리등으로인해황변및촉감불량등의문제점을보완하는방법으로 Corresponding author. Tel.: +82-2-450-3517; Fax.: +82-2-3437-8360; e-mail: hheek2325@hanmail.net J. of the Korean Soc. of Dyers and Finishers, Vol. 20, No. 2Ⅰ59Ⅰ
김홍희 권태종 Middlebrook 등은비교적온건한조건에서단백질 분해효소인 Trypsin 이나 Papain 으로양모를처리하여방축성을부여하였다 6). Padma 등은면과실크 에금속매염제대신사상균의효소인아밀라제 (Aspergillus niger), 프로테아제 (Aspergillus oryzae) 및리파제 (A. niger) 를이용하였고또한탄닌산을 효소와함께사용하여염료흡수와세탁견뢰성의현저한개선을관찰하였다 7). 본연구는천연모발염색제의기초연구로서프로테아제 (Rhizopus sp.) 와 Tannic acid염료의상호작용으로인한모발의염색성및형태적특성변화를관찰하여모발염색에서의효소사용가능성을알아보고자하였다. 2.1 실험재료 2. 실험 본실험에사용된모발시료채취는약물복용, 흡연, 화학적시술여부등외부환경조건에적합한 21 세의건강한여대생모발을채취하여모발끝쪽손상부위를시료길이 10 cm로맞추어가위로잘라내고 hair tress 무게 1g 씩나누어윗부분을실리콘처리하였다. 모발시료에 Wella 제품의탈색제파우더와 9% hydrogen peroxide 을 1:2 로혼합하여일반적인염색방법으로도포하고 30 분간자연방치한후수세하여사용하였다. 본연구에사용한실험재료는 Table 1 과같다. 2.2 실험방법 2.2.1 프로테아제를이용한모발염색본실험에서사용한모발염색은염료로 5g의밤외피분말을 100ml증류수에혼합하여 2μm여과지로여과시킨용액을 Tannic acid염료로사용하였고, 각실험에사용된염료의양은 10ml씩동일분량을사용하였다. Table 1. Specification of materials Dyestuff Tannic acid 와 FeCl 3 혼합용액 ( 이하 TFC 용액으로약칭 ) 은 100 ml증류수에 10g 의 Tannic acid (gallotannin, Sigma) 와 1g 의 FeCl 3 을혼합한용액을금속매염제대체로사용하였다. 프로테아제는 100 ml증류수에 0.1g 혼합하고약 35 에서일정시간 ph 7.2 완충용액 (KH 2 PO 4 /NaOH) 로보정한후사용하였다. 2.2.2 모발표면색상값분광광도계 (X-rite SP60 sphere spectrophotometer, Japan) 를이용하여표면색상값의 CIELAB 명도지수인 L *, 색좌표지수인 a *, b * 값을구하였다. 2.2.3 모발의물리적특성모발에가해지는힘과변형과의관계로부터유도되는성질의변화를알아보기위하여 Insteron 사 (USA) 의 4302 기기를이용하여모발시료당 10 회인장강도및탄력성을측정하여평균값을처리하였다. 2.2.4 모발표면관찰모발시료를각각 1cm 크기로채취하여, 알루미늄 stub 위에 carbon tape 으로부착시키고, Pt-Pd 로이온증착시킨 (Hitachi E-1030, Japan) 후주사전자현미경 (Hitachi S-4700, Japan) 상에서가속전압 15kV 로관찰하였다. 2.2.5 모발단백질의아미노산함량측정시료 0.5g 을 18 ml test tube 에칭량하여 6 N HCl 3 ml를가한다음진공펌프를이용하여 test tube 를 sealing 하였다. Sealing 한 test tube 는 110 로 setting 된 heating block 에 24 시간동안가수분해시켰다. 가수분해가끝난시료는 50, 40 psi 의 rotary evaporator 로산을제거한후 Sodium loading buffer 로 10 ml정용한다음, 이중 1 ml를취하여 membrane filter 0.2 μl로여과하여아미노산분석기 (S433-H) 로정량분석하였다. Materials weight ph concentration(%) a Tannic acid dyestuff g/ ml 4.9 5% b TA g/ ml 4.1 10% Mordants FeCl 3 g/ ml 2.4 0.1% c TFC g/ ml 3.5 5% Enzyme Protease 0.51 units/mg 7.2 0.01%~0.1% a Tannic acid dyestuff ; 5% solution of Castanea crenata sieb. et. zucc. b TA; Tannic acid(gallotannin, Sigma) c TFC; Solution of Tannic acid and FeCl 3 Ⅰ60Ⅰ 한국염색가공학회지제 20 권제 2 호
프로테아제처리가모발의염색성및형태적특성에미치는영향 Table 2. Enzymatic treatment conditions for processing Processing Treatment time (min) Enzyme conc.(g/l) ph Temperature( ) Simultaneous-treatment 60 0.01 7.2 35 Pre-treatment 10 0.01 7.2 35 3.1 모발의염색성 3. 결과및고찰 효소와 Tannic acid 염료로염색한모발의색상값과효소를처리하지않고 TFC 용액으로염색한모발과의색상값을비교한결과 Fig. 1 과같이나타났다. 효소미처리모발에비해효소처리모발에서 L * 값이상대적으로낮아져염색성이우수한것으로나타났고, Rhizopus sp. 프로테아제처리모발의 L * 값이가장낮았다. 특징적인것은 3 가지효소처리모발의 b * (yellowness) 값이모두효소미처리모발에비해현저하게낮아졌다. 이러한결과는색상에서노랑기미가제거되었음을짐작하게하고효소가모피질층비결정영역의멜라닌세포에관여함을간접적으로추측할수있다. 따라서동양인의모발탈색과정에서나타나는붉은색소와주황또는노랑기미의색소를제거하기위해보색을사용하는대신효소를응용할수있을것으로기대된다. Tannic acid 염료와효소간의흡착기구를 Fig. 2 와같이제안할수있다. 효소의작용은모표피층의케라틴을유연하게하고팽윤시켜염료반응작용기를증가시켜 Tannic acid 염료의모발표면흡착을용이하게한것으로사료된다. 또한효소처리모발의경우 b* 값뿐만아니라 a* 값도 0 에가까워짐으로써무채색에가까운색상을나타내고있음을알수있다. Fi g. 1. Color properties of dyed hair with TFC solution and Enzyme. TFC-1; 5% solution of tannic acid and FeCl 3, TFC-2; 10% solution of tannic acid and FeCl 3, Enzyme-1; 0.01% protease of Rhizopus sp., Enzyme-2; 0.01% collagenase of Clostridium histolyticum, Enzyme -3; 0.01% protease of Bacillus sp. Fi g. 2. Hair dyeing formation enzyme and tannic acid. 3.2 모발의물리적특성 Fig. 3 은정상모발, 1 회탈색모발, Tannic acid 염료와 TFC 용액으로염색한모발, Tannic acid 염료와프로테아제 (Rhizopus sp.) 처리염색모발의인장강도를나타낸것이다. 정상모발에비해 1 회탈색한모발의인장강도는 6.6% 감소하였다. 1 회탈색한모발에 Tannic acid 염료와 TFC 용액으로염색한모발의인장강도는 0.109kgf 로 20% 감소하였다. Tannic acid 염료와 0.1% 프로테아제 (Rhizopus sp.) 를동시에혼합하여염색하였을때인장강도는 5% 감소한것으로가장정상모발에가깝게나타났다. Cookson 등은양모섬유와같은단백질섬유에있어서의화합결합중인장강도에더욱영향을미치는것은이황화물결합보다펩티드결합이라고보 Fi g. 3. Intensity of hair dyed with various dyestuffs. #1; virgin hair, #2; the 1st bleached hair, #3; Tannic acid dyestuff with TFC solution, #4; Tannic acid dyestuff with TFC solution and protease. J. of the Korean Soc. of Dyers and Finishers, Vol. 20, No. 2Ⅰ61Ⅰ
김홍희 권태종 3.3 모발 표면 관찰 3.3.1 프로테아제처리 방법에 따른 모발표면 관찰 Fig. 4. Elasticity of hair dyed with various dyestuffs. #1; virgin hair, #2; the 1st bleached hair, #3; Tannic acid dyestuff with TFC mordant, #4; Tannic acid dyestuff with TFC mordant and protease. 고하였다8). 모발의 탄력성은 정상모발에 비해 1회 탈색한 모발과 Tannic acid염료와 TFC용액으로 염 색한 모발은 각각 1.6%와 6.9% 감소하였고, 프로 테아제를 처리한 모발은 13% 증가하였다(Fig. 4). 본 실험에서도 프로테아제의 작용이 펩티드 결합 에 관여함으로서 단단해진 모발의 구조가 유연해 져 인장강도가 회복된 것으로 보이고 프로테아제 와 Tannic acid간의 양호한 상호작용이 있는 것으 로 판단된다. 프로테아제 (Rhizopus sp.)를 이용한 모발염색의 7) 형태적 관찰을 위한 실험방법은 Padma 의 방법을 일반적인 모발염색방법에 적용시켜 Tannic acid 염료와 프로테아제를 동시에 혼합하여 모발에 도포하는 염색과 모발에 먼저 프로테아제를 10분간 처리한 후 Tannic acid염료를 도포하는 염색을 실험하여 프로테아제 처리 시 나타나는 형태적 관찰을 비교하였다. 프로테아제처리 방법에 따른 모발표면 관찰 결과 Fig. 5와 같이 나타났다. Fig. 5의 (a)사진은 0.1% 농도의 프로테아제를 Tannic acid염료와 동시에 염색한 모발의 표면 관찰로 프로테아제와 Tannic acid염료의 반응이 동시에 일어나 모발표피층이 프로테아제의 케라 틴 분해 작용이 간접적인 영향을 받은 것으로 나타 났다. Fig. 5의 (b)사진은 0.1% 프로테아제를 10분간 처리하여 Tannic acid염료로 염색한 모발의 형태적 관찰로 프로테아제의 직접적인 케라틴 분해 작용의 영향을 받아 모표피층이 녹아 층간 경계 면이 없어진 것으로 관찰되었다. 0.1% 농도를 60분간 염색한 모발은 동시효소처리법과 선효소처리법 (a) 0.1% protease simultaneous treatment (b) 0.1% protease pre-treatment Fig. 5. Surface and cross section of protease treated hair. Ⅰ62Ⅰ한국염색가공학회지 제 20 권 제 2 호
프로테아제 처리가 모발의 염색성 및 형태적 특성에 미치는 영향 모두 모표피의 최외각층을 손상 시키는 것으로 확인되어 적정농도와 염색시간이 필요하다. 3.3.2 프로테아제처리 농도에 따른 모발표면 관찰 프로테아제 (Rhizopus sp.)를 0.01%에서 0.1%까지 농도 변화에 따른 표면관찰 사진은 Fig. 6과 같이 나타났다. 0.01%와 0.03% 농도의 프로테아제를 처리한 모발표면은 모표피의 비늘 층 끝 쪽 부위가 대부분 들떠 있는 상태로 보였고, 0.05%에서 0.08% 까지 농도를 높였을 때 모발표면은 모표피의 비늘 층 끝 쪽 부위가 탈락되어 비늘층간 거리가 줄어 들었다. 0.1%의 농도일 때의 모발표면 사진은 모표 피의 케라틴이 프로테아제의 분해 작용으로 인해 녹아내려 비늘 층의 경계가 흐릿한 것으로 관찰 되었다. 본 실험에서 모발염색시간이 60분간일 경우, 프로테아제의 적정농도는 0.01%에서 0.03% 사이인 것으로 나타났다. 3.3.3 시간경과에 따른 모발표면 관찰 Fig. 6에서 살펴본 것과 같이 0.1% 농도로 60분간 Tannic acid염료와 동시에 염색했을 경우 모표피 비늘 층이 효소의 분해 작용을 받아 층간 구분이 어려웠다. 같은 농도의 프로테아제를 시간대별로 모표피층이 분해되어지는 현상을 관찰한 결과를 살펴보면 다음과 같다(Fig. 7). 시간 10분이 경과 되면서 프로테아제의 작용을 받아 모표피 비늘 (a) 0.01% protease simultaneous treatment (b) 0.03% protease pre-treatment (c) 0.05% protease simultaneous treatment (d) 0.08% protease simultaneous treatment (e) 0.1% protease simultaneous treatment Fig. 6. Surface of protease treated hair at various protease concentration for 60min. J. of the Korean Soc. of Dyers and Finishers, Vol. 20, No. 2Ⅰ63Ⅰ
김홍희 권태종 (a) 10min (b) 20min (c) 30min (d) 40min (e) 50min (f) 60min Fig. 7. Surface of protease treated hair at various treatment time(0.1% protease). Fig. 8. Total quantity of amino acid ingredients according to mordanting methods. Ⅰ64Ⅰ한국염색가공학회지 제 20 권 제 2 호 층 끝 쪽 부분이 들뜨는 것으로 시작해서 30분이 경과될 때 최외각 층의 케라틴이 부서지는 현상이 관찰되었다. 40분이 경과되면서 30분 경과될 때 부서지는 케라틴 조각의 탈착으로 많이 안정화 되었지만 50분이 경과되면서 케라틴 끝 쪽 부분의 탈락현상이 나타났다. 그리고 60분이 되었을 때 모표피층간 경계가 흐릿해진 결과를 나타내어 프로테아제에 의한 모발손상을 알 수 있었다. 본 실험을 통해서 염색시간이 60분일 경우 프로테 아제의 적정농도가 0.01에서 0.03%이고, 농도를
프로테아제처리가모발의염색성및형태적특성에미치는영향 높여 0.1% 로처리할경우에는염색시간을 30 분이하로하는것이프로테아제의반응을최적화하는것으로보였다. 3.4 염색모발의아미노산성분분석 프로테아제와 Tannic acid 염료를동시에처리했을때 serine, glutamic acid, proline, cystine, tyrosine, phenylalanine, histidine, lysine, arginine 의성분함량이프로테아제를처리하지않고 Tannic acid 염료와 TFC 용액으로만염색한모발에비해높게나타났다. 특히 serine 과 cystine 에서정상모발과비슷한함량수치를나타내었고 threonine, glutamic acid, valine, lysine, arginine 은정상모발의아미노산수치에비해많이감소하였다. 정상모발에비해프로테아제를처리하지않고 Tannic acid 염료와 TFC 용액으로염색한모발은전체아미노산함량이 14.42% 감소하였고, 프로테아제를 Tannic acid 염료와동시에염색한모발은 11.05% 감소하였으며, 프로테아제를 10 분간먼저처리한후 Tannic acid 염료로염색한모발은 66.59% 나감소한것으로나타났다. 따라서프로테아제와 Tannic acid 염료를동시에염색한모발에서전체아미노산의함량이가장적게감소하였다. 4. 결론 프로테아제처리가모발의염색성및형태적특성에미치는영향에대한고찰결과다음과같은결론을얻었다. 1. 프로테아제를처리한모발의염색결과전체명도값이감소하여 Tannic acid 염료와 TFC 용액으로만염색한모발에비해염색성개선효과를나타내었다. L * 값뿐만아니라 a * 와 b * 값이많이감소하여모발염색에서보색으로프로테아제의활용이가능할것으로기대된다. 2. 프로테아제의작용이모발의펩티드결합에관여함으로서모발의구조를유연하게하여인장강도와탄력성이높아졌다. 3. 프로테아제를이용한모발염색방법으로는 Tannic acid 염료와동시에처리했을때모표피층의최소손상과전체아미노산의함량이적게감소하였다. 4. 프로테아제를 0.01% 에서 0.1% 까지농도변화를주었을때의모발표면은농도가높아질수록효소의분해작용의영향을많이받아케라틴층이용해되었고, 0.1% 농도의프로테아제를처리할때에는시간을단축시키면모표피층의소수성기만팽윤시켜 Tannic acid 염료의작용기와양호한반응을일으켜염착성향상을기대할수있다. 참고문헌 1. C. A. Anderson, H. J. Katz, M. Lipson, and G. F. Wood, Stereoscan Microscopy of Chlorine/ Resin-Treated Wool, Textile Research Journal, 40, 29-34(1970). 2. E. Tsatsaroni and M. Liakopoulou-Kyriakides, Effects of enzymatic treatment on the dyeing of cotton and wool fibres with pigments, Dyes and pigments, 29(3), 203-209(1995). 3. M. Liakopoulou-Kyriakides, E. Tsatsaroni, P. Laderos and Georgiadou, Dyeing of cotton and wool fibres with pigments from Crocus Sativus -effect of enzymatic treatment, Dyes and pigments, 36(3), 215-221(1998). 4. S. M. Burkinshaw and B. bahojb-allafan, The development of a metal free, tannic acid based after treatment for nylon 6,6 dyed with acid dyes-pat-1: different enzymes, Dyes and pigments, 58, 205-218(2003). 5. S. M. Burkinshaw and B. bahojb-allafan, The development of a metal free, tannic acid based after treatment for nylon 6,6 dyed with acid dyes-pat-3: different enzymes, Dyes and pigments, 60, 91-102(2004). 6. W. R. Middlebrook and H. Phillips, The Application of Enzymes to the Production of Shrinkage- Resistant Wool, JSDC, 57(5), 137(1941). 7. S. Padma, P. S. Vankar, R. Shanker and A. Verma, Enzymatic natural dyeing of cotton and silk fabrics without metal mordants, Journal of Cleaner Production, 15, 1441-1450(2007). 8. P. Cookson and F. Harrigan, Wool Dyeing, D. M. Lewis Edition, p. 275, 1992. J. of the Korean Soc. of Dyers and Finishers, Vol. 20, No. 2Ⅰ65Ⅰ