Korean Chem. Eng. Res., Vol. 48, No. 1, February, 2010, pp. 27-32 후코이단의보습제및화장품재료로서특성 차성한 이정식 * 김영숙 * 김동욱 ** 문재천 *** 박권필 순천대학교화학공학과 540-742 전남순천시매곡동 315 *( 주 ) 해림후코이단 537-801 전남완도군완도읍가용리 1088-8 ** 인제대학교제약공학과 621-749 경남김해시어방동 607 *** 순천제일병원피부과 540-968 전남순천시조례동 1589-1 (2009 년 11 월 2 일접수, 2009 년 11 월 28 일채택 ) Properties of Fucoidan as Raw Materials of Water-holding Cream and Cosmetics Sung Hwan Cha, Jung Shik Lee*, Young Suk Kim*, Donguk Kim**, Jae Cheon Moon*** and Kwonpil Park Department of Chemical Engineering, Sunchon National University, 315 Maegok-dong, Suncheon, Jeonnam 540-742, Korea *Haerim Fucoidan Ltd, 1088-8 Gayong-ri Wando-eup, Wando-gun, Jeonnam 537-801, Korea **Department of Pharmaceutical Engineering, Inje University, 607 Obang-dong, Gimhae, Gyongnam 621-749, Korea ***Department of Dermatology, Suncheon Jeil Hospital, 1589-1 Jorye-dong, Suncheon, Jeonnam 540-968, Korea (Received 2 November 2009; accepted 28 November 2009) 요 약 후코이단을보습제및기능성화장품소재로사용하기위한후코이단특성및그효과에대해연구하였다. 후코이단은미역포자엽에서추출하였다. 화장품소재시험으로는보습력측정, 항산화 (DPPH assay, radical scavenging), 안전성 (MTT assay) 을실시하였다. 후코이단의보습력은최고의보습제중의하나인히아루론산의보습력보다높았고, 분자량이감소함에따라보습력이약간증가하였다. 후코이단은높은안전성과항산화력을보였다. 후코이단의보습력및항알레르기효과를평가하기위해아토피환자 46 명에게후코이단크림을 6 주간적용하였다. 증상정도를나타내는 IGA 값이 3.04 에서 2.15 로감소해 39.8% 의증상개선효과가있었다. Abstract Properties of fucoidan used for functional cosmetics agents were studied. Fucoidan was extracted from Undaria pinnatifida sporophylls. To test possibility of fucoidan as a cosmetics material, water-holding property measurement, DPPH free radical scavenging assay and MTT assay were done. Water-holding property of fucoidan was higher than that of hyaruronic acid, which is known as the one of the best water-holding material. The water-holding strength of fucoidan slightly increase as molecular weight of fucoidan decrease. Fucoidan showed high stability from MTT assay and good anti-oxidation property from DPPH assay. To evaluate the effect of water-holding property and anti-alergy property of fucoidan on the atopic dermatitis(ad), 46 AD patients were treated with fucoidan cream. After 6 weeks treatment, Investigation Global Assessment(IGA) scores decreased from 3.04 to 2.15, that is fucoidan cream had a 39.8% benefit effect on atopic dermatitis. Key words: Fucoidan, Water-Holding Property, Anti-Oxidation, Cosmetics, Atopic Dermatitis 1. 서론 후코이단은 laminaran과 alginic acid와함께갈조류를형성하는주요다당으로다시마와미역에 3~5% 함유되어있다. 후코이단은함황 (sulfated) 헤테로다당으로주로 L-fucose가 α-1,2 또는 α-1,3 결합으로된골격을갖으면서갈락토오스, 만노스, 자일로스, 글루 To whom correspondence should be addressed. E-mail: parkkp@sunchon.ac.kr 쿠로닉산등을함유할수있다. 후코이단에대해많은연구가되었음에도불구하고후코이단의구조는후코이단을추출한해조류의종류에따라다르기때문에아직도연구해야할것이많다. 후코이단은음이온전하를띄는고분자 (polyanionic charge) 성질과관련된것으로알려진여러약물학적인효과들이보고되고있다. 예를들어항혈액응고성 (anticoagulant), 자살세포 (apoptosis) 유도에의한항암효과, 항바이러스 ( 항-HIV 포함 ), 항종양성, 항산화작용, 항알레르기 [1-6] 등이다. 27
28 차성한 이정식 김영숙 김동욱 문재천 박권필 Table 1. Composition of fucoidan extracted from various sea weeds Sample Fucose(%) Uronic acid(%) Glucronic acid(%) Ester sulfate(%) Reference Undaria pinnatipida sporophyll 43.9-1.14 32.2 [10] Hizikia fusiform 18.6 19.4-11.8 [11] Laminaria japonica 55.0-2.0 14.0 [12] Cladosphon okamuranus(okinawa Mozuku) 39.6-9.9 16.9 [13] 후코이단은분자량이약 200,000 Da 이상의고분자여서그자체로는용해도와체내흡수율이낮다. 후코이단이저분자화되면체내에서후코이단의흡수율이현저히증가하고, 앞서얘기한약리효과를증대시킬수있다 [7]. 후코이단의저분자화방법은다당을저분자화할때일반적으로사용하는산분해, 라디칼분해 [7,8], 효소에의한분해 [9] 등여러방법이있는데본연구에서는전기분해방법을사용하였다. 후코이단에함유된황산기는여러기능을나타내는데있어서중요한역할을하는것으로보고되었다. 황산기는친수성이강하므로황산기를다량함유한후코이단은보습력이높고그래서해조류가물밖으로노출되었을때후코이단은해조류가건조되는것을지연시키는성분으로알려져있다. 후코이단이추출된해조류종류에따라 Table 1에있는것처럼후코이단의황산기함량차이가크다 [10-13]. 그리고후코이단은 IgE(Immuno- globulin E) 혈중농도를감소시키는효과가있다는사실이보고되었다 [6]. 아토피성피부염등으로나타나는알레르기질환의발생원인인 IgE의생성을억제하여알레르기매개물질의분비를억제하므로써알레르기질환의증상을완화시키고예방하는데후코이단이유용한물질로알려지고있다. 그리고후코이단은라디칼제거에의한항산화작용이우수한것으로보고되었다 [14]. 이상에서얘기한후코이단은강한보습력과항알레르기기능그리고항산화기능이있어후코이단은아토피피부염환자용보습제와기능성화장품재료로적합한성질을지니고있다. 그러나후코이단의화장품원료로서기본성질들이아직연구보고되지않은것들이많다. 그래서본연구에서는후코이단의보습력과피부자극성및항산화력등을실험하고, 후코이단을원료로제조한보습제및화장품을아토피피부염환자와민감성피부환자에게적용해증상개선효과를조사 검토하였다. 2. 실험 2-1. 후코이단시료및시료처리본실험에서사용한후코이단은완도산미역포자엽에서추출한 L-Fucoidan(( 주 ) 해림후코이단 ) 을사용하였다. L-Fucoidan은평균분자량 223,130 Da 황산기함량 25.5% 인제품이다. 본실험에서후코이단의저분자화방법은전기분해방법의일종인접촉글로우방전전기분해 (Contact Glow Discharge Electrolysis, CGDE) 를사용했는데 [15] 그방법을간단히정리하면다음과같다. 전기분해장치는직경이 50 μm인백금선을양극으로하고면적 10 30 mm 백금망을음극으로구성하였고, 전해질인 HCl 수용액과혼합된후코이단액을전해조에투입하고교반하면서, 두전극을직류전력공급기 (C.L.S, power supply) 에연결하고글로우방전이일어나는높은전압 (60~200 V) 에서후코이단을전기분해하였다. 후코이단용액의강한해조취를제거하기위해흡착방법을적용하였는데, 실리카겔 (white, Aldrich) 1g에후코이단용액 100 ml를 넣고 50 o C에서 24시간교반한후여과하였다. 2-2. 분석후코이단의분자량은 GPC(Gel Permeation Chromatograph, Waters) 로측정하였다. 컬럼은 Phenomenex 13 biosep-sec-s 2000,3000(300 7.80 mm) 을사용하였고, 유동상은 0.1 M NaNO 3, 유속은 1.0 ml/ min 하고검량곡선은 Pulluran으로부터얻었다. 황산기함량은 Dodgson 방법 [16] 에의해측정하였는데, 2.0 M TFA 로후코이단시료를가수분해시킨후여기에 0.04 M BaCl 2 2H 2 O 용액을가해 BaSO 4 침전이형성되면 UV(SIMADZU UV-1650PC) 2 로 360 nm에서흡광도를측정해 SO 4 함량을계산하였다. 냄새성분의가스크로마토그래피 (GC) 분석은다음과같다. 상온에서시료 90 ml에 Dichloro- methane(ch 2 Cl 2, 99.5%, Junsei) 10 ml를혼합한후정치해서냄새성분인테르펜류가용해된 CH 2 Cl 2 층을상분리하여시료를얻었다. GC 분석은 HP-1 methyl Siloxane column 과불꽃이온화검출기 (FID) 를이용하여분석하였다. 후코이단의보습력은여과지 (Filter Paper ADVANTEC, 110 mm) 에후코이단용액 (10 wt%) 과비교하고자하는보습제용액 (10 wt%) 을같은양적신후유리판위에얹고상온에서각시간마다무게를측정하여무게차이에의해보습력을산출해비교하였다. 후코이단의독성또는자극성을 MTT assay에의해측정하였다. 사람의섬유아세포를 15시간배양한후, 100 μl/ml의농도로후코이단용액을처리하여 CO 2 배양기에서 24시간배양하였다. MTT(3- (4,5-dimethylthiazol-2yl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide) 용액 10 μl를첨가하고 4시간후상등액을제거하고 150 μl의 DMSO(dimethyl sulfoxide) 를첨가한후 550 nm에서 microplate reader로흡광도를측정해세포생존율 (cell viability) 을계산하였다. 후코이단의항산화도를 DPPH 실험과 Fenton 용액방법에의해측정하였다. DPPH 실험에의해후코이단과비타민 C의항산화력을비교하였는데, 후코이단과비타민 C를각각 6.25, 12.5, 25, 50, 100 μl/ml의농도로만든후 DPPH(1.1-diphenyl-2-picrylhydrazyl) 용액 100 μl와후코이단또는비타민 C 용액 200 μl와상온에서 30분간반응시킨후 microreader로 520 nm에서흡광도를측정했다. 그리고 Fenton 용액에의한라디칼제거효과시험은, Fenton 용액중에 Nafion 막과라디칼제거제 (radical scavenger) 로사용되는 Mn, Ce 화합물과 Fucoidan를각각따로넣어 Fucoidan의라디칼제거효과를확인하였다. Fenton 용액 (H 2 O 2 10%+Fe 2+ 4 ppm) 300 ml에 Nafion 112 20 20 mm를넣고여기에라디칼제거제를 2g 첨가해 24시간혼합후불소이온농도를불소이온측정장치 (ISE Meter, Ion Selective Electrode Meter, PH-250L, ISTEK, Inc.) 를이용해측정하였다. 2-3. 후코이단보습제및화장품적용시험피부과에내원한아토피피부염환자 46명을대상으로 6주간후 화학공학제 48 권제 1 호 2010 년 2 월
후코이단의보습제및화장품재료로서특성 29 코이단보습제를적용시험하였다. 후코이단아토피보습제 (atout) 는후코이단 (3%), 베타글루칸 (β-glucan), 세라마이드 3B(Ceramide 3B), 컴프리유 (Comfrey oil), 동백유, 샌존워터오일, 비왁스 ( 밀랍 ) 등을혼합하여제조하였다. 아토피피부염환자의증상정도의평가는 Investigator Global Assessment(IGA) 에의했는데, scores 0: 정상, 1: 거의정상, 2: 경도의증상, 3: 보통의증상, 4: 심한증상, 5: 매우심한증상으로하고, 피부소양감 (Severity of pruritus, SP) 은 0: 가려움없음 1: 약간가려움 2: 보통가려움 3: 매우가려움으로분류하였고, 사용 6주후증상개선정도를평가하였다. 그리고민감성피부환자를대상으로후코이단화장품 ( 크림 ) 을 3 주간적용시험하였다. 후코이단화장품은후코이단 (2%), 스쿠알렌, 호호바씨유 (Jojoba Seed Oil), 순무잎추출물 (Brassica Leaf), 비왁스, 할미꽃추출물 (Pulsatilla Koreana Extract) 등을혼합하여제조하였다. 최근 2주내에전신또는국소스테로이드를투여받은병력이없고, 최근 1주내에어떠한약물도복용하지않은민감성피부환자 50명에게적용하였다. 민감성피부환자는피부지성도, 피부색조로분류하였고, 주관적증상을악화 1, 변화없음 0, 호전 1, 상당히호전 2로나누어조사하였다. 3. 결과및고찰 3-1. Fucoidan의보습력후코이단의보습력을측정하여보습제로많이사용되는히아루론산 (hyaruronic acid), 프로필렌글리콜 (propylene glycol) 과보습력을비교하였다. 보습력이우수한히아루론산보다후코이단의보습력이더높아후코이단의보습력이강함을 Fig. 1에서확인할수있다. 후코이단의높은보습력은후코이단에 20 wt% 이상함유된친수성황산기에의한것으로본실험에서사용한후코이단의황산기함량은 25.5% 였다. 서론에서도언급한것처럼분자량이높은후코이단의인체흡수력을높이기위해저분자화과정을거친다. 분자량변화에따른후코이단보습력의변화를알아보기위해후코이단의저분자화전과 Fig. 2. Change of water-holding property of fucoidan before and after contact glow discharge electrolysis. 후의보습력을측정하였다. 후코이단을 70V, 0.5M HCl 농도에서 20 분간접촉글로우방전전기분해 (Contact Glow Discharge Electrolysis, CGDE) 에의해저분자과정을거쳤다. CGDE 전후코이단은평균분자량이 223,548 Da이고황산기는 25.4% 였는데 CGDE 후분자량은 27,347 Da, 황산기는 25.3% 이었다. CGDE에의한후코이단의저분자화시분자량감소는있었지만황산기감소는거의없었다 [15]. CGDE에의해발생한라디칼은 Fucos에붙은황산기를공격하지않고후코이단의주사슬을끊어분자량을감소시킴으로써저분자화되면서도후코이단의기본구조와효능을그대로유지할수있음을보였다. 분자량감소에따른보습력의변화를확인하기위해이들시료의보습력을측정하여분자량과보습력간의관계를도시한결과 Fig. 2와같다. 분자량감소에의해보습력이증가한것을보이고있다. 분자량이감소하면서즉고분자의사슬이끊어지면서생긴끊어진자리를물이채워줌으로써보습력이향상된것이라고본다. 합성고분자인 Nafion도말단기가황산기인고분자물질로써물을잘흡수해물과접촉하면팽창 (swelling) 한다. Nafion은고분자전해질막으로많이사용되는데연료전지운전과정에서열화 (degradation) 되어막이저분자화되면보습력이증가하여팽창율이증가한다 [17]. 즉고분자물질의분자량이감소하면서보습력이증가한예를보인것이다. Fig. 1. Comparison of fucoidan water-holding property with hyaluronic acid and propylene glycol. 3-2. 후코이단의세포독성및항산화력 MTT assay에의해후코이단의세포독성조사를함으로써후코이단이민감성피부용화장품소재로써얼마나적합한지검토하였다. Table 2에나타낸것처럼후코이단농도 100 μg/ml에서 92.7% 세포생존율을보였다. Cho 등 [18] 에의한 MTT 시험결과에서미역에서추출한후코이단 (sulfate:34.2%) 100 μg/ml 를사람골육종세포 (osteosarcoma cell) 에처리하여도세포생존율이약 100% 여서후코이단의세포에대한독성이약함을보였다. 후코이단이세포에대한독성이약해즉자극성이약해서민감성피부용화장품소재로적합함을나타냈다. 후코이단의항산화효과를 DPPH 실험에의해측정한결과 Fig. 3과같다. 25 μg/ml 이하의저농도에서비타민 C와비슷한항산화력을 Korean Chem. Eng. Res., Vol. 48, No. 1, February, 2010
30 차성한 이정식 김영숙 김동욱 문재천 박권필 Table 2. Cell viability of human fibroblast cell with fucoidan solution Fucoidan Conc. (µl/ml) 6.25 12.5 25.0 50.0 100.0 Cell viability(%) 92.7 91.7 91.4 91.5 92.7 Fucoidan 과다른무기라디칼제거제의활성산소제거효과를 Fig. 4 에도시하였는데, Fucoidan이다른무기라디칼제거제보다라디칼제거능은낮지만, 라디칼제거제를넣지않은 Fenton 용액자체의 0.157 ppm에비하면 0.062 ppm의불소이온만측정돼 60.5% 의산소라디칼제거효과를보였다. 세라믹종류의활성산소제거제보다는못하지만다당으로써후코이단이높은활성산소제거효과를보였다. Fig. 3. Anti oxidation effect of fucoidan compared with vitamin C. 보여후코이단이항산화력이우수한물질임을확인하였다. Wang 등 [14] 은다시마에서추출한후코이단을 DPPH 실험에의해항산화능을낮은농도 (1.0~6.0 mg/ml) 에서측정하였는데 1.0 mg/ml에서 12.5% 6.0 mg/ml에서약 25% 나타내미역에서추출한후코이단보다다소낮은항산화력을보였다. 비타민 C는수용액에서쉽게산화되어분해되기때문에의약품, 화장품, 식품등에이용할때장기보관이어렵고, 색상변색등많은문제가있어피부외용제로서비타민 C 자체를사용하는경우는거의없다. 그러나후코이단은수용액상에서안정하기때문에화장품에원료로사용하면항산화제의역할도할수있음을보인것이다. Fenton 용액에서후코이단의활성제거효과를시험하였다. Fenton 용액에고분자막인 Nafion을넣으면활성산소인산소라디칼 ( OH, HO 2 ) 이식 (1), (2) 처럼발생해고분자사슬을끊으면서 F 이온이용액중에존재하게된다. 이용액에라디칼제거제를넣고불소이온농도를측정함으로써산소라디칼의발생및산소라디칼의제거를알수있게된다. 3-3. 흡착에의한탈취후코이단은해조류의강한향이남아있어화장품원료로사용하기위해서는탈취과정이필요하다. 실리카겔에후코이단을넣고교반한결과탈색효과는없었으나냄새성분이제거되는효과가있었다. Fig. 5에후코이단의 24시간실리카겔흡착전후 GC 분석데이터를나타냈는데, 흡착후체류시간 20분이후의많은성분들이제거되었음을보이고있다. 그리고해조류냄새성분으로알려진테르펜류 α-pinene과 geraniol 각각검출되었는데, 후코이단원액에서알파피넨이더많이함유되어있음을보였다 ( 게라니올 : 알파피넨 = 3.8:14.2). 실리카겔에의해 α-pinene과 geraniol을각각 36.7% 게라니올은 57.9% 제거하는효과가있었다. H 2 O 2 M 2+ M 3+. + + OH OH ( M 2+ :Fe 2+, Cu 2+, ). OH + H2 O 2 H 2 O + HO. 2 (1) (2) Fig. 5. G. C graph of fucoidan solution (a) before adsorption (b) after adsorption of silica gel. Fig. 4. Comparison of fucoidan and inorganic materials as a radical scavenger. Fig. 6. Total saccharide of fucoidan solution after silica gel adsorption. 화학공학제 48 권제 1 호 2010 년 2 월
후코이단의보습제및화장품재료로서특성 31 Table 3. Distribution of patients IGA IGA 5 4 3 2 No of Patients 3 10 19 14 Patients % 6.5 21.7 41.3 30.5 그런데탈취과정에서흡착제에후코이단도일부흡착돼총당량도감소하는경향을보였는데, Fig. 6에실리카겔에의해후코이단용액의총당량이감소하는것을나타내고있다. 48시간흡착과정을거쳤을때약 3.0% 의총당량감소가있었다. 3-4. 보습제및화장품적용시험후코이단아토피보습제 (atout ) 를아토피환자 46명에게 6주간적용해후코이단의보습력및항알러지효과를검토하였다. 환자평균나이는 11.1세였고남자 25명, 여자 21명이였으며환자의증상정도를나타내는 IGA 분포는아래 Table 3에나타냈다. IGA는 3인환자가 41.3% 로제일많고평균값은 3.04였다. 피부소양감 (SP) 은 2 가제일많고평균값은 1.83이었다. 통계적방법은 t-test를이용하였고, 유의수준은 p값이 0.01 미만인경우로간주하였다. 후코이단크림사용전처음 IGA 평균점수 3.04에서 6주후 1.83 으로감소해 39.8% 증상개선되었고, 피부소양감평균은 2.15에서 1.46으로감소해 32.1% 개선되었다. Fig. 7에초기 IGA 환자별 6주후 IGA 값평균감소값을나타냈는데, IGA가높은사람일수록 6주후 IGA 감소폭이큼을볼수있다. 즉아토피증세가심한사람일수록그효과가크게나타남을보였다. 간단히비교해보기위해초기 IGA로감소 IGA를나눠감소율 % 로나타내면 IGA 5, 4, 3, 2 각각 40.0, 33.2, 31.7, 10.5% 감소율을산출할수있어, 아토피증세가심한사람일수록그효과가크게나타남을확인할수있다. Table 4. Effect of fucoidan cream(for sensitive skin) with skin dryness Dry skin Oily skin Combined skin Total Bad effect(%) 2(8.0) 1(4.3) 0(0.00) 3(6.0) Without change(%) 12(48.0) 7(30.4) 2(100) 21(42.0) Good effect(%) 11(44.0) 15(65.2) 0(0.00) 26(52.0) Fig. 8에각부위별아토피환자의 6주후 IGA 평균감소를나타냈다. 몸전체에아토피가있는환자에제일효과가컸으며그다음얼굴부위환자에효과가있었고, 등과배부위환자에효과가제일작았다. 몸전체에아토피가있는경우는초기 IGA가 3.81로평균값 3.04보다높아아토피증세가심한경우이므로, 위에서본것처 럼증세가심할수록효과가컸던것과관련된다. 그리고얼굴부위의초기 IGA가 2.67로 IGA가작은편인데 IGA 감소가 0.83(31.1%) 으로다른부위보다비교적커얼굴부위에본아토피보습제가효과가좋음을보였다. 후코이단화장품을민감성피부환자 50명에게적용실험하였는데, 피부별환자분포는건성피부 25명 (50%), 복합성피부 2명 (4%), 지성피부 23명 (46%) 이었고, 피부색은밝은피부 12명 (24%), 어두운피부 9명 (18%), 보통피부 29명 (58%) 이었다. 후코이단화장품사용후결과를호전과상당히호전됨을효과가있는것으로분류할경우, 피부건조도에따른결과는 Table 4에있는것처럼지성피부 15명 (65.2%) 에효과가좋았다. 피부색조에따른효과는보통피부 17명 (58.6%), 어두운피부 9명 (66.7%) 에서유의하게효과가높았다. 전체적으로 50명중 52% 인 26명의환자에게서효과가있어민감성피부화장품으로서는비교적좋은결과를얻었다. 4. 결론 Fig. 7. Decrease of IGA after treatment of fucoidan cream for 6 weeks. 후코이단의보습제및기능성화장품소재로사용하기위한후코이단특성및그효과에대해연구한결과를정리하면다음과같다. 후코이단은히아루론산보다더높은보습력을나타내기존의보습제보다보습력이뛰어났으며, 후코이단의분자량이감소하면보습력이증가하였다. 후코이단의 MTT 독성실험에서 100 μg/ml에서도 92.7% 의생존율을보여독성및피부자극성이약해민감성피부용소재로후코이단이적합함을보였다. 그리고 DPPH 실험에의해항산화력을측정한결과저농도에서비타민 C와비슷한항산화력을보였으며 Fenton 용액에서라디칼제거력을측정한결과라디칼제거력이우수함 (60.5%) 을보였다. 보습력과항알레르기효과가우수한후코이단을원료로제조한크림을아토피환자에게 6주적용한결과아토피증상정도를나타내는 IGA 값이 3.04에서 1.83으로감소해 39.8% 의증상개선효과가있었고피부소양감을나타내는 SP 값은 2.15에서 1.46으로감소해 32.1% 의개선효과가있었다. 후코이단화장품을민감성피부환자에게적용한결과 52% 환자에게서호전된효과를보였다. 감 사 Fig. 8. Decrease of IGA vs region of atopic dermatitis after 6 weeks. 본논문은교육과학기술부 지식경제부의출연금으로수행한순천대학교산학협력중심대학육성사업의연구결과입니다. Korean Chem. Eng. Res., Vol. 48, No. 1, February, 2010
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