Prebiotic effect of six medicinal plants, including Carthami Tinctorii Fructus, on the growth of Staphylococcus epidermidis

차승현 국민대학교 일반대학원 임산생명공학과 임산생명공학전공 2018 국내석사

연쇄상구균을 비롯한 병원성 세균의 감염은, 미생물이 인체의 상피 세포로 침입하여 발생된다. 이에 따라 피부 미생물 조절을 통해 병원성 미생물에 의한 감염을 예방하기 위해 천연 식물 유래 화합물에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 140 종의 약용 식물로부터 추출물을 제조하였으며, 이를 이용한 피부 미생물의 균형을 돕는 피부 상재균인 Staphylococcus epidermidis 와 피부 감염 질환을 유발하는 대표적인 미생물인 Staphylococcus aureus 의 분포를 개선할 수 있는 추출물을 확인하였다. 두 종의 미생물을 각각 또는 혼합하여 배양 할 때, 식물 추출물에 의한 분포 변화를 Colony forming unit (CFU) 방법을 이용하여 관찰하였다. 그 결과, 도인, 동과자, 백편두, 상엽, 의이인, 그리고 홍화자 약용 식물들이 최종적으로 선별되었다. 이러한 약용 식물 추출물에 의해 S. aureus의 생장을 각각 32%, 66%, 47%, 83%, 52%, 그리고 90% 강력하게 억제함과 동시에 S. epidermidis의 생장은 각각 70%, 98%, 381%, 633%, 408%, 그리고 576% 증가시키는 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 95% 에탄올을 용매로 제조한 추출물에서 선택적으로 이러한 효과가 매우 강력하게 관찰되었다. 이는 비극성 화합물이 prebiotic 효과를 나타내는 주요 화합물임을 제안하며, 추출물의 주요 단일 화합물인 D-amygdalin 과 linoleic acid 또한 미생물 분포 개선 효과를 나타냈다. 이는 식물 유래 화합물이 대표적인 피부 유익균인 S. epidermidis의 숙주 면역 기능을 향상시켜 병원성 미생물의 생장을 방해함으로써 피부 건강 개선 효과를 향상시킨다. 이는 피부 미생물의 균형을 유지하고 병원성 미생물 감염에 의한 피부 질환 예방 효과를 향상 시킬 수 있는 새로운 방법을 제안한다. It’s has been reported that the entry of pathogenic bacteria, including streptococci into epithelial cells may represent an early stage of invasive infections. The plant derived compound has been investigated in order to disrupt the function of pathogenic bacteria aim to control pathogenic bacteria population which would help to avoid bacterial infection. The 140 medicinal plants samples were extracted and observed beneficial potential for improvement of bacterial population on human skin between Staphylococcus epidermidis represented as commensal skin bacteria which would help to balance skin bacteria and S. aureus represented as pathogenic skin bacteria which commonly present on human skin mainly cause the skin infection. The cell count using colony forming unit (CFU) was performed to observe the population change between bacterial sample under plant extract treatment under both individual and mixed culture condition. Six medicinal plants extract include Persicae Semen Batsch (seed), Benincasa hispida (seed), Lablab purpureus L. (seed), Morus alba L. (leaf), Coix lacryma-jobi L. (seed) and Carthamus tinctorius L. (seed) showed outstanding result to inhibit S. aureus cell density 32%, 66%, 47%, 83%, 52% and 90% respectively, while simultaneously enhance S. epidermidis cell density 70%, 98%, 381%, 633%, 408% and 576%. Non-polar active compounds were the consequence of pre-biotic effect proved from 95% ethanol solvent extraction provided maximum solubility of non-polar compound. The disruption of pathogen from bacterial interference mechanism from S. epidermidis host immunity may enhanced the effectiveness by these non-toxic plants derived compounds that can be useful to maintain balanced of skin microbiota and in the prevention of skin disease.

비목질계 Cellulose nanofibrils를 이용한 패키징 용지의 표면 특성 평가

박찬용 국민대학교 일반대학원 임산생명공학과 임산생명공학전공 2018 국내석사

최근 들어 각국의 천연자원 유출에 대한 제한적 규제정책에 따라 유용 목재자원의 이용에 어려움이 커지고 있고. 또한 온실가스 배출감축에 따른 환경문제들로 인해 비목질계 섬유자원의 활용에 대한 관심이 증가되고 있다.1) 셀룰로오스는 지구상에 존재하는 가장 풍부한 바이오 폴리머 중 하나로서 목재 및 비목질계 자원의 주성분이다. 셀룰로오스는 다양한 처리방법을 통해 나노 단위의 초미세 셀룰로오스로 단리될 수 있으며, 이 중 기계적 처리방법으로 단리된 셀룰로오스를 CNF (Cellulose nanofibrils)라고 부른다. CNF는 생분해성, 기계적 강도, 화학개질 특성 등 우수한 물리·화학적 특성을 지니고 있어 다양한 분야에서 응용되고 있다. 그 중 포장 응용분야에서는 석유계 기반의 소재를 대체하기 위한 생분해 가능한 친환경 소재 개발에 대한 관심이 증가하고 있다. 그러나 식품포장 용도로 생분해 필름을 사용할 경우 포장재로서의 배리어 특성이 좋지 않으며 천연 고분자에 따른 물리적 성질이 약하기 때문에 사용상 매우 제한적이다. 따라서 천연중합체를 합성중합체와 혼합하거나 화학적으로 개질시켜 특정 조건의 환경에서 응용 가능하도록 개발하고 있다.38) 본 연구에서는 개질화 나노셀룰로오스가 패키징 용지의 표면에 미치는 영향을 평가하기 위해 목재섬유(Sw-BKP, Hw-BKP)와 비목질계 섬유(hemp bast fiber, kenaf fiber)로 제조된 셀룰로오스 나노피브릴을 이용하여 표면 처리 후 제반 물리․화학적인 특성을 분석하였다. 개질화 처리한 경우 미처리 시보다 균일하고 미세한 셀룰로오스 나노피브릴 제조가 가능하였으며, 미처리 섬유에 비해 점도가 높고 섬유의 탈수시간이 증가하였다. 또한 비목질계 섬유의 경우 목재 섬유보다 결정화도가 높았다. 목재 및 비목질계 섬유로 제조된 셀룰로오스 나노피브릴 시트는 기계적 처리 횟수가 증가함에 따라 인장강도 및 탄성률은 증가하였으며, 개질화에 따라 시트의 강도는 저하되었지만 불투명도 특성은 개선되었다. 또한 기계적 처리 및 개질화 처리를 통해 시트의 표면 평활성을 개선할 수 있었다. 셀룰로오스 나노피브릴을 도포함으로써 기존 다공성 구조의 시트 공극을 충진시켜 표면구조를 균일하게 하여 표면거칠기 값을 감소시켰고, 개질화 유무에 따른 표면의 소수화 거동을 확인할 수 있었다. Recently, interest in the use of non-wood fiber resources has been increasing due to gradual shortage of wood resources and in the purpose to reduce greenhouse emissions.1) Cellulose is the most abundant biopolymers present on earth and the major component in wood and non-wood resources. Cellulose can be converted to cellulose nanofibrils (CNF) through various methods, and the most common method that has been used is mechanical treatment method. CNF has excellent properties such as biodegradable, high mechanical strength, and easy to reformability. Therefore, it can be used in a wide range of fields. Among them, there is growing interest in developing environmental-friendly material to replace oil-based material. However, the use of biodegradable films for packaging material is very limited due to the poor quality and weak physical properties caused by natural polymers. Based on that reason, natural polymers are often mixed with other synthetic polymers or has been chemically modified to expand their application for specific purpose.38) Therefore, surface modification by using biopolymers is essential. In this study, surface treatment was performed using cellulose nanofibrils from wood fiber (Sw-BKP, Hw-BKP) and non-wood fiber (hemp bast fiber, kenaf bast fiber) then the impact to physical properties was evaluated. Treatment process on cellulose fiber were able to make more uniform and smaller size than untreated cellulose, also it is more viscous and increased the dehydration time. In addition, the degree of crystallization in non-wood fiber was higher than wood fiber. According to data, cellulose nanofibrils sheets which manufactured from wood and non-wood fiber increased tensile strength and elasticity as increasing the number of mechanical treatment, meanwhile the degree of transparency of sheets showed decreasing. The surface of the sheets showed smoother after surface treatment. Surface treatment by coating with cellulose nanofibrils resulted the smaller size in the sheet pores, decreasing SMD value, and increaseing the hydrophobicity of surface which was confirmed by Cobb value.

파워 스펙트럼 기법을 이용한 종이의 표면 거칠음도 분석

정현석 국민대학교 일반대학원 임산생명공학과 임산생명공학전공 2018 국내석사

종이의 표면 거칠음도는 표면 특성이 요구되는 인쇄 및 도공 등의 가공 공정에서 품질을 결정하는 주요 인자로서 일반적으로 공기누출 방식을 통해 간접적으로 측정되었다. 그러나 간접측정 방식은 거칠음도의 상대적 비교는 가능하지만 인쇄나 도공 등의 가공공정은 종이 표면에 직접 접촉되어 이루어지기 때문에 이러한 특성에 대한 평가나 결과 예측에는 적합하지 않다. 본 연구에서는 탐침의 접촉을 통해 거칠음 프로파일을 얻어내는 직접 거칠음 측정 방식으로 종이의 표면 거칠음도를 측정 및 평가하고자 하였다. 직경 100 ㎛의 구형 팁을 갖는 피라미드 탐침을 사용하였으며 접촉 힘, 스캔 속도, 데이터 수집 속도의 세 가지 변수로 최적의 거칠음 프로파일 측정 조건을 선정했다. 측정된 표면 거칠음 프로파일은 디트랜딩과 윈도윙 과정을 거쳤으며, 이후 고속 푸리에 변환을 통해 1D-PSD 스펙트럼으로 변환했다. 파장에 따라 나타난 1D-PSD 스펙트럼에서 종이의 표면 거칠음도는 파장영역에 따라 분리가 가능했으며 10∼1,000 ㎛의 파장영역에서 전체 거칠음도의 95% 이상의 거칠음도 기여도를 나타내는 것을 확인하였다. 파장영역 별 1D-PSD와 간접 거칠음도 측정법들의 상관성 분석을 실시했을 때 200 ㎛보다 긴 파장영역의 1D-PSD와는 높은 상관성을 나타냈으나 그 이하의 파장영역에서는 상관성이 급격하게 감소하였다. 이를 통해 간접 거칠음도 측정법들이 긴 파장영역의 거칠음도에서 시험편 간의 상대 비교는 가능하지만 200 ㎛ 이하의 파장영역의 거칠음도 측정에는 적용하기 어렵다는 것을 확인하였다. 고해시간과 침엽수와 활엽수 혼합에 따른 표면 거칠음도 변화를 1D-PSD를 통한 파장영역 별 거칠음도로 설명할 수 있었다. 침엽수 및 활엽수 섬유의 고해 시간이 증가함에 따라 섬유 절단 및 미세분이 발생하게 되는데, 이는 1,000 ㎛ 이상의 장파장 영역 1D-PSD와 10∼100 ㎛ 파장영역에서 1D-PSD의 변화를 통해 그 변화를 확인할 수 있었다. 인쇄용지의 디지털 인쇄 시 인쇄 품질은 색 재현성 평가인 색 농도와 평균 광택도를 적용하여 평가하였으며, 이들과 1D-PSD의 상관성 평가를 통해 파장영역 별 거칠음도와 인쇄품질 간의 상관관계를 분석하였다. 인쇄물의 색 농도와 평균 광택도는 200∼1,000 ㎛ 파장영역의 거칠음도와 높은 상관성을 나타냈다. 반면 공기누출 방식들로부터의 거칠음도(bendtsen 및 PPS)는 인쇄 품질들과 상대적으로 낮은 상관성을 나타냈으며, 광학적 이미지를 통한 거칠음도(Optitopo)는 색 농도와는 높은 상관성을 나타냈으나 평균 광택도와는 낮은 상관성을 나타냈다. 이와 같은 결과들로부터 탐침을 이용한 접촉측정 방식을 통해 거칠음 프로파일을 얻고, 그로부터 계산된 1D-PSD는 종이의 표면 거칠음도 측정 및 표면 거칠음도를 요구하는 특성 평가에 매우 적합하다고 판단된다. 특히 종이 표면을 구성하는 입자(섬유, 미세분, 무기입자, 도공물질)들의 크기가 서로 다른 종이에 파장영역 별로 분리된 거칠음도를 적용함으로써 종이의 표면특성 분석에 있어 새로운 표준으로 도입할 수 있다고 판단된다. The surface roughness of paper is major factor in determining the quality of printing and coating that require surface properties, and the surface roughness of paper is generally measured indirectly through the air-leak methods. The indirect surface roughness measurements are comparable to sample comparison but they are not suitable for characterization or outcome prediction of printing or coating. Because the printing and coating works proceed in contact with the paper surface. In this study, I tried to measure and evaluate the surface roughness of paper by measuring the surface roughness directly by obtaining the roughness profile through the contact of the probe. A pyramid shape probe with a spherical tip having a diameter of 100㎛ was used to change the three parameters(contact force, scan speed, and data acquisition rate) to select optimum conditions of roughness profile measurement. The measured roughness profiles were converted to a 1D-PSD spectrum through a fast Fourier transform after de-trending and windowing process. In the 1D-PSD spectrum according to the wavelength, the surface roughness of paper was able to be separated according to the wavelength region, and it was confirmed that paper surface roughness of 95% or more also contributed to the wavelength range of 10 to 1,000㎛. Correlation analysis of 1D-PSD for each wavelength region and indirect roughness measurement methods showed a high correlation with 1D-PSD in the wavelength region longer than 200㎛, but the correlation decrease sharply in the wavelength region below 200㎛. In is confirmed that the indirect roughness measurement methods can be compared with roughness of long wavelength region each samples, but it is difficult to apply to roughness measurement of short wavelength region below 200㎛. The change in surface roughness of paper according to beating time and mixing ratio of softwood & hardwood can be explained from average 1D-PSD each wavelength region. As beating time of softwood and hardwood fiber increases, generates fine particles and fiber cutting. This change can be confirmed by the changes of 1D-PSD of 1,000㎛ or more and 1D-PSD of 10∼100㎛ wavelength region. In the digital printing of P&W paper, the print quality was evaluated through color reproducibility measured by color density and mean gloss. The color density and mean gloss of the printed paper were highly correlated with the surface roughness of 200 to 1,000㎛ wavelength region. On the other hand, the surface roughness from air-leak showed a relatively low correlation with print quality, and the surface roughness from optical image showed a high correlation with color density, but lowly correlated with mean gloss. From these results, it can be concluded that 1D-PSD calculated from the roughness profile obtained by the contact measurement method using the probe is suitable for measuring the surface roughness of the paper. Especially, it is considered that the surface characteristics of paper can be analyzed from various viewpoints by applying the surface roughness separated by the wavelength region to the paper having different sizes of the particles constituting the surface(fibers, fines, inorganic particles, and coating materials).

A Study on the Properties of the Composites based on Recycled Plastic and Waste WPC for the Shell and Core Layer Application of Co-extruded WPCs

김승균 국민대학교 일반대학원 임산생명공학과임산생명공학전공 2018 국내석사

목재-플라스틱 복합재 (WPC) 는 목분과 성형성이 높은 열가소성수지를 주원료로 하여 제조한 친환경 복합재이다. WPC는 기존의 목재와 플라스틱의 단점을 보완하여 높은 성형성과 생산성 그리고 개선된 강도와 내후성 등의 특성을 가지고 있어 널리 사용되어 왔다. 그러나 기존의 WPC는 일부 특성에서 부족함이 드러나 보완이 필요하다. 기존의 WPC는 단일 압출 공정을 통해 목분과 고분자 수지를 복합화시켜 제조하였으나 현재 미국, 유럽 등에서는 차세대 구조용 건축소재로서 표층과 속층의 구조를 가지는 공압출 WPC의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 또한 현대사회의 폐기물 중 상당한 비율을 차지하고 있는 플라스틱과 목재 폐기물은 환경문제로 인해 중요한 이슈가 되고 있다. 그렇기에 공압출 WPC의 다양한 기능적 향상을 유도하며 동시에 환경적 측면을 고려하는 연구가 필요하다. 이 연구에서는 공압출 WPC의 표층의 기능강화를 위해 폐 플라스틱을 재활용하여 사용하고 기능성 첨가제를 첨가하여 복합재를 제조하고 다양한 물성을 평가하였다. 또한, 속층에 폐WPC를 재활용하여 사용하고 강화충전제를 사용하여 부족한 물성을 보강하는 연구를 실시하였다. 폴리에틸렌 (PE) 기반 복합재에 재활용 PET 마이크로피브릴과 나노클레이를 첨가하여 다양한 물성을 평가하였다. PET 마이크로피브릴과 나노클레이를 함께 첨가한 복합재에서 두 첨가제의 시너지 효과로 인한 기계적 특성이 개선되는 결과를 얻어내었으며, 소량의 나노클레이의 첨가는 열적 안정성의 개선을 불러왔다. 자원 순환적인 효과와 동시에 기계적 특성 및 열 안정성의 개선을 확인하였으며 그렇기에 이 복합재는 공압출 WPC의 표층의 기능 강화를 위한 적용 가능성이 큰 것으로 판단된다. 폐 WPC와 버진 WPC의 함량을 달리하여 배합한 후 복합재를 제조하고 기계적 특성을 평가해 보았다. 폐 WPC의 재활용을 통해 순수 원재료의 사용을 줄여 친환경적이며 생산비용을 낮추는 효과를 얻을 수 있었다. 폐 WPC는 사용기간 동안 열악한 환경에 노출되고 반복되는 압출 공정으로 인해 물성 저하가 일어나긴 하였으나 기계적 강도의 최대 감소율은 약 15%로 버진 WPC와 비교하였을 때 큰 물성의 저하는 일어나지 않은 결과를 가져왔다. 그렇기에 이 복합재는 적절한 배합을 통해 폐WPC를 재활용하여 공압출 WPC의 속층에 사용이 가능할 것으로 판단된다. 폐 WPC에 섬유상 보강제인 유리섬유를 충전하여 복합재를 제조하고 다양한 특성을 분석하였다. 제조된 복합재는 유리섬유의 첨가량이 증가할수록 상당한 기계적 특성의 개선을 이끌어 내었으며 특히, 휨강도에서는 약 2배의 상승효과를 얻어내었다. 또한 유리섬유의 첨가는 복합재의 열안정성을 상승시켜주는 결과도 얻어내었다. 이를 통해 강화충전제를 사용하여 제조한 복합재는 표층과 비교하여 상대적으로 낮은 특성을 가지는 속층의 기능강화에 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 위의 실험을 통해 얻어진 결과는 코어-쉘 구조의 공압출 WPC 제조를 위한 선행 연구로써 활용될 수 있으며 재활용 재료를 이용한 공압출 WPC 제조의 토대를 마련할 수 있을 것으로 기대된다. Wood-plastic composites (WPC) are eco-friendly composites made from wood and highly thermoplastic polymers. WPC has been widely used because it complements the disadvantages of conventional wood and plastic, has high moldability, productivity, and improved mechanical strengths and weathering resistance. However, the conventional WPC is lacking in some characteristics and needs complementary. Currently, in the US and Europe, co-extruded WPC having shell and core layer structures is being actively developed as a next-generation structural building material. Also, plastics and wood wastes, which make up a significant proportion of waste in modern society, are an important issue due to environmental problems. Therefore, there is a need for research that induces various functional enhancements of co-extrusion WPC in consideration of environmental aspects. In this study, to enhance the function of the shell layer of co-extruded WPC, Waste plastics were recycled and functional additives were added to produce composites, and various properties were evaluated. Also, for the application of coextruded WPC core layers, waste WPC was recycled, reinforced filler was used to fabricate composites, and reinforcement of insufficient physical properties was carried out. Recycled PET microfibrils and nano-clay were added to polyethylene (PE) based composites to evaluate various properties. In the case of PET microfibril and nano-clay added together, the synergistic effect of the two additives improves the mechanical properties. Addition of a small amount of nano-clay (6 wt%) improves thermal stability. Therefore, it is considered that this composite material is highly applicable for enhance the function of the shell layer of co-extrusion WPC. Waste WPC and virgin WPC contents were various ratio mixed and composites were prepared, and their mechanical properties were evaluated. The composites produced through the recycling of waste WPCs can be reduced in the use of pure raw materials, thus being eco-friendly and reducing production costs. Waste WPC was exposed to harsh environment during use and deteriorated due to repeated extrusion process. However, the maximum reduction rate of mechanical strength was about 15%, which resulted in no significant deterioration of physical properties when compared with virgin WPC. Therefore, it can be concluded that this result can be used in the core layers of co-extruded WPC through proper mixing of waste WPC. Composites were fabricated from waste WPC with glass fiber, and various characteristics were analyzed. As the amount of glass fiber added increased, the mechanical properties of the composites were improved. Particularly, in the flexural strength, a synergistic effect about twice was obtained. Also, the addition of glass fibers resulted in increased thermal stability of the composite. As a result, it is considered that the composites prepared by using the reinforcing filler can be applied to enhance the function of the coextruded WPC core layer having relatively low characteristics as compared with the shell layer. Experimental results can be used as a precedent research for the co-extrusion WPC production, and it is expected that the foundation of coextruded WPC using recycled materials will be established.

생분해성 고분자 기반의 복합레진 표면처리 및 포장용지의 적용성 연구

백소라 국민대학교 일반대학원 임산생명공학과임산생명공학전공 2018 국내석사

Effects of Pulp Fibers and Chemical Additives on Softness Component of Hygiene Paper

박정윤 국민대학교 일반대학원 임산생명공학과 임산생명공학전공 2018 국내박사

The market for hygiene paper, which is a daily necessity, shows steady growth with a compound annual average growth rate of approximately 5%. The main drivers of this growth are increases in population, income level, demand for health care, and the lack of substitute products. Hygiene paper includes toilet paper, facial tissue, paper towel, napkin, and wrapping tissue. Strength, absorbency, softness, and minimal linting are important properties of hygiene paper. In particular, softness is known to be a critical factor in determining purchasing decisions for hygiene paper products. Softness is generally assessed subjectively by panelists, and the method of evaluation is developed by the manufacturer. Therefore, it is difficult to obtain quantifiable data that can be objectively compared. Each manufacturer also evaluates softness through physical measurement methods and controls their process conditions accordingly. However, these methods are protected in the same way as patent registration. In this study, a subjective softness evaluation method was developed based on Thurstone’s theory, which can generate a linear scale value from a paired comparison test, and it was named the “new sensory panel test.” In addition, the bulk stiffness and the mean deviation from the average surface friction (MMD) were used as components of an objective softness evaluation method for hygiene paper to predict bulk softness and surface softness, respectively. The validity of the objective softness evaluation method was verified by analyzing the correlation between the developed subjective and objective softness evaluation methods. The surface softness component had more influence on the subjective softness evaluation results than the bulk softness component. Using this measurement technique, the effect of fibers and chemical additives on the softness of hygiene paper substrate was evaluated through objective numerical values. The surface softness component of handsheets made from various pulp species was measured. The results showed that the effect of coarseness was the largest among the fiber characteristics such as average fiber length, fiber width, and coarseness. As the coarseness of the fiber increases, a rough surface is formed and the MMD is increases. Non-wood fibers showed long fiber length and low coarseness, thus enabling the production of hygiene paper with high strength and high softness. Chemical additives are used singly or in combination to impart functionality to paper and hygiene paper. In particular, in the hygiene paper making process, dry strength agent, wet strength agent, softener, and others are widely used. The effects of chemical additives on the surface softness component were evaluated. In the case of dry and wet strength agents, there was no change in the MMD according to the addition amount. The MMD was decreased by adding a softener, which is the purpose of its addition to the hygiene paper making process. The softener and dry strength agent showed the characteristics of the softener, irrespective of input position, owing to the low molecular weight of the dry strength agents. The softness and wet strength were improved when the wet strength agent was added before the softener. In the case of lotion treatment applied to the surface of tissue paper, the surface softness component of non-silicone-based lotion was similar or improved, which may overcome the problems of silicone-based lotion. Based on the results of this study, a new softness evaluation method was developed, and this measurement method could lead to the development of various process technologies or chemical additives that could improve the softness of hygiene paper products.