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Chemistry

섬유 인증 응용 분야를 위한 키토산 매개 에너지 전달을 통한 Curcuma longa 추출물의 향상된 광발광

Published: December 22, 2023
doi:
10.3791/66035
, , ,
1Department of Science and Technology,Smart Colorants R&D Program, Philippine Textile Research Institute

Summary

Photoluminescence는 오늘날 사용되는 가장 효과적인 인증 메커니즘 중 하나입니다. 고유한 축광 특성을 가진 천연 소재를 활용 및 강화하고 이를 직물 기판에 통합하면 스마트 애플리케이션을 위한 친환경적이고 지속 가능한 기능성 섬유를 개발할 수 있습니다.

Abstract

보안 표시용 염료는 섬유, 제약, 식품 및 제조와 같은 다양한 분야에서 제품의 무결성을 보호하는 데 중추적인 역할을 합니다. 그러나 보안 표시로 사용되는 대부분의 상업용 염료는 비용이 많이 들고 인체 건강에 위험을 초래하는 독성 및 유해 물질을 포함할 수 있습니다. 강황에서 발견되는 천연 페놀 화합물인 커큐민은 생생한 노란색과 함께 뚜렷한 광발광 특성을 가지고 있어 인증 응용 분야의 잠재적 후보 물질입니다. 이 연구는 섬유 인증을 위해 커큐민 염료의 향상된 축광 방출을 개발하기 위한 비용 효율적이고 친환경적인 접근 방식을 보여줍니다. 커큐민은 초음파 처리 보조 용매 추출 방법을 사용하여 C. longa 로부터 추출하였다. 추출물을 딥 코팅하고 섬유 기판에 염색했습니다. 키토산은 커큐민을 안정화하기 위한 사후 매염제와 공동 감작제로 도입되었습니다. 커큐민과 키토산의 공동 감작은 에너지 전달을 촉발하여 발광 강도를 향상시킵니다. 424nm에서 UV 가시광선 흡수 피크는 커큐민의 특징적인 흡수와 관련이 있습니다. 광발광 측정은 키토산에 의해 유도된 에너지 전달에 기인하는 상당한 향상과 함께 545nm에서 피크에 달하는 광범위한 방출을 보여주었으며, 따라서 인증 응용 분야를 위한 자연 유래 축광 염료로서의 큰 잠재력을 보여주었습니다.

Introduction

위조는 전 세계적으로 널리 퍼진 산업에서 골칫거리로 간주됩니다. 시장에서 위조품의 급격한 급증은 경제적 혼란을 일으켜 주요 발명자 1,2,3,4,5,6의 생계를 방해합니다. 이는 2020년7 제목에 위조 방지 또는 위조라는 키워드로 구성된 출판물의 증가 추세에서 알 수 있듯이 신흥 위조 제품에 대한 지속적인 우려에 대해 전면에 나섰습니다. 2019년에 마지막으로 보고된 이후 위조 관련 출판물이 크게 증가한 것을 볼 수 있으며, 이는 사기 상품의 생산 및 유통을 근절하기 위해 상당한 노력이 이루어지고 있음을 시사합니다. 다른 한편으로는, 위조 산업의 발전을 의미한다는 점을 감안할 때 상당히 우려스러울 수 있으며, 이는 효과적으로 해결되지 않을 경우 지속될 것으로 예상됩니다. 위조 섬유 제품의 존재가 정품 판매자, 제조업체 및 직조공의 생계에 심각한 영향을 미치기 때문에 섬유 산업은 이 문제에서 격리되지 않습니다 3,8. 예를 들어, 서아프리카의 섬유 산업은 오랫동안 세계 최고의 수출 시장 중 하나로 간주되었습니다. 그러나 시장 점유율의 약 85%는 서아프리카 섬유 상표를 침해하는 밀수 직물이 차지하고 있는 것으로 보고되었습니다.9 위조의 영향은 아시아, 아메리카 및 유럽과 같은 다른 대륙에서도 보고되었으며, 이는 이 위기가 통제할 수 없는 수준에 도달했으며 이미 어려움을 겪고 있는 섬유 산업에 심각한 위협이 되고 있음을 나타냅니다 2,3,4,10,11,12.

과학, 기술 및 혁신의 급속한 발전으로 연구원들은 위조 방지 응용 프로그램을 위한 기능성 재료를 개발하는 역할을 맡았습니다. 은밀한 기술의 사용은 사기성 상품의 생산에 대응하기 위한 가장 일반적이고 효과적인 접근 방식 중 하나입니다. 그것은 다른 파장13,14에 의해 조사될 때 특정한 빛 방출을 나타내는 안전 염료로서 축광 물질을 이용하는 것을 포함한다. 그러나, 시중에서 구할 수 있는 일부 축광 염료는 고농도에서 독성을 부과할 수 있으며, 이에 따라 인체 건강과 환경에 위협이 될 수 있다15,16.

강황(Curcuma longa)은 페인트, 향료, 의약품, 화장품 및 직물 염료와 같은 무수한 응용 분야에 사용되는 필수 식물입니다17. 뿌리 줄기에는 curcuminoids라고 불리는 자연적으로 발생하는 페놀 화합물이 있습니다. 이러한 커큐미노이드에는 커큐민, 데메톡시커큐민 및 비스데메톡시커큐민이 포함되며, 그 중 커큐민은 생생한 노란색에서 주황색 착색과 강황18의 특성을 담당하는 주요 성분입니다. 1,7-비스(4-하이드록시-3-메톡시페닐)-1,6-헵타디엔-3,5-디온19,20으로 알려진 커큐민은 C21H 20 O6의 경험식 17,18,21,22,23. 흥미롭게도, 커큐민은 스펙트럼 및 광화학적 특성도 가지고 있습니다. 특히 주목할 만한 것은 자외선(UV) 여기(excitation)를 받았을 때 강렬한 축광 특성이며, 이는 소수의 연구에 의해서만 탐구되었습니다 19,24,25. 이러한 특성을 감안할 때, 소수성 특성 및 무독성 특성과 함께 커큐민은 인증 표시에 이상적인 착색제로 부상합니다.

강황에서 커큐민을 추출하는 것은 1800년대 초에 처음 보고되었습니다. 지난 수세기 동안 더 높은 수율 26,27,28,29,30,31,32,33을 달성하기 위해 수많은 추출 방법과 기술이 고안되고 개선되었습니다. 기존의 용매 추출은 에탄올, 메탄올, 아세톤 및 헥산과 같은 유기 용매를 사용하여 커큐민을 심황34,35에서 분리하기 때문에 널리 사용되는 접근 방식입니다. 이 방법은 마이크로파 보조 추출(MAE)18,36,37, Soxhlet 추출(38,39), 효소 보조 추출(EAE)39,40 및 초음파 추출(36)과 같은 고급 기술과 결합된 수정을 통해 발전했습니다, 수율을 높이기 위해. 일반적으로 용매 추출 방법은 다목적성, 낮은 에너지 요구 사항 및 비용 효율성으로 인해 천연 염료 추출에 적용되어 섬유와 같은 확장 가능한 산업에 이상적입니다.

커큐민은 독특한 노란색 색조로 인해 직물의 천연 염료로 통합되었습니다. 그러나 섬유 섬유에 대한 천연 염료의 착력이 좋지 않다는 것은 상업적 생존을 방해하는 도전 과제로 제기됩니다41. 금속, 다당류 및 기타 유기 화합물과 같은 매염제는 직물에 대한 천연 염료의 친화력을 강화하는 일반적인 결합제 역할을 합니다. 갑각류에서 추출한 다당류인 키토산(Kitosan)은 자연에 풍부하고 생체 적합성이 높으며 세척 내구성이 뛰어나 대체 매염제로 널리 활용되고 있다42. 이 연구는 커큐민 기반 인증 마킹을 준비하는 데 있어 쉽고 직접적인 접근 방식을 보고합니다. 조잡한 커큐민 추출물은 초음파 처리 보조 용매 추출 방법을 통해 수득하였다. 추출된 커큐민의 축광 특성은 섬유 기판에서 종합적으로 조사되었으며 살염제로서 키토산을 도입하여 더욱 향상되었습니다. 이는 인증 응용 분야를 위한 자연 유래 축광 염료로서의 상당한 잠재력을 보여줍니다.

Protocol

1. 커큐민 추출 50mL 원심분리 튜브에 C. longa 분말 3g을 넣습니다.참고: 50mL 원심분리 튜브를 사용하여 원심분리 과정을 용이하게 하고 단일 용기에서 추출을 처리했습니다. 원심분리 튜브에 38mL의 에탄올(AR, 99%)을 추가합니다. 에탄올과 C. longa 분말이 완전히 혼합되도록 튜브를 부드럽게 흔듭니다. 추출을 위해 일반 음파 모드와 고강도 설정에서 30?…

Representative Results

섬유의 FTIR 분석은 다중 테스터 직물 #1에 표시된 각 섬유의 화학 구조를 결정합니다. 다중 테스트 직물의 각 구성 요소에 존재하는 작용기를 특성화하기 위해 FTIR 분광법을 활용했습니다. 보충 그림 1에서 볼 수 있듯이, 이러한 구별은 N-H 작용기의 존재로 인해 발생하며, 이로 인해 직물은 질소(보충 그림 1A) 및 셀룰로오스(보충 …

Discussion

섬유 마감은 직물에 추가적인 기능적 특성을 통합하여 특정 응용 분야에 더 적합하게 만들기 위해 업계에서 일반적인 관행입니다 45,47,48. 이 연구에서는 추출된 커큐민을 천연 염료로 활용하여 섬유 응용 분야의 인증 메커니즘으로 사용했습니다. 이 프로토콜은 강황에서 커큐민을 추출하는 것뿐만 아니라 섬유 응용 분야에 이…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 작업은 필리핀 수직기 직조 산업의 디지털화 프로그램에 따라 필리핀 섬유 부문의 지속 가능성 및 보호를 향한 은밀한 기술이라는 제목의 DOST 보조금 (DOST-GIA) 프로젝트에 따라 필리핀 섬유 연구소 과학 기술부의 지원을 받고 있습니다.

Materials

(Curcumin) C. longa, spray dried  N/A N/A Naturally Sourced
100 mL Graduated Cylinder n/a
10 mL Serological Pipette n/a
200 mL Beaker n/a
365 nm UV Light AloneFire SV004 LG
50 mL Centeifuge Tube n/a
AATCC Multitester Fabric Testfabrics, Inc. 401002 AATCC Multifiber test fabric # 1 precut pieces of 2 X 2 inches, Heat Sealed
Analytical Balance Satorius BSA 224S-CW
Aspirator n/a
ATR- FTIR Bruker Bruker Tensor II
Centrifuge Hermle Labortechnik GmbH Z 206 A
Chitosan Tokyo Chemical Industries 9012-76-4
Digital  Camera ToupTek XCAM1080PHB
Drying Rack n/a
Ethanol Chem-Supply 64-17-5 Undenatured, 99.9% purity
Glacial Acetic Acid RCI-Labscan 64-19-7 AR Grade, 99.8% purity
Glass Slide n/a
Iron Clamp n/a
Iron Stand n/a
Magnetic Stirrer Corning PC-620D
Pasteur Pipette n/a
Propan-2-ol RCI-Labscan 67-63-0 AR Grade, 99.8% purity
Sonicator Jeio Tech Inc. UCS-20
Spectrofluorometer  Horiba (Jovin Yvon) Horiba Fluoromax Plus
Stirring Bar n/a
UV-Vis Spectrophotometer Agilent Cary UV 100
Wash bottle n/a
Zoom Stereo Microscope Olympus SZ61
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References

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De Guzman, G. N. A., Magalong, J. R. S., Bantang, J. P. O., Leaño, Jr., J. L. Enhanced Photoluminescence of Curcuma longa Extracts via Chitosan-Mediated Energy Transfer for Textile Authentication Applications. J. Vis. Exp. (202), e66035, doi:10.3791/66035 (2023).
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