식품 산업에서 나노 기술의 활용

나노 기술의 정의

나노기술은 물질을 나노미터(nanometer) 크기의 범주에서 조작 분석하고 이를 제어함으로써 새롭거나 개선된 물리적 화학적 생물학적 특성을 나타내는 소재 소자 또는 시스템을 만들어내는 과학기술을 의미하며 최근 전자 의약 제약 화장품 식품 등의 다양한 산업에서 광범위하게 사용되고 있고 나노물질은 유럽 연합(European Union EU)의 권고사항에 따라 입자 크기 분포 50% 이상이 1-100 nm의 범위에 있는 하나 이상의 외부 크기를 가진 결합되지 않은 상태 또는 응집체(aggregate)와 집 괴체(agglomerate)를 포함하는 자연적 부수적 또는 제조된 물질로 정의되고 있고 또한 미국 식품의약국(United States Food and Drug Administration FDA)에 의해서 식품 중 나노물질의 경우 나노물질로 정의된 범위 밖(1 µm)에 있더라도 물리적 화학적 생물학적으로 새로운 성상 또는 현상을 보이는 물질까지 포함되어 나노물질로 정의되고 있다.

 

식품 산업에서 나노 기술의 활용

식품 산업에서의 나노기술은 식품 품질 개선과 유통기한 연장은 물론 안정성 향상과 경제성 및 기능성 영양소 제공 등의 이점을 개선하기 위해 포장 센서 혹은 식품첨가물 등의 형태로 활용되고 있고 특히 산화아연(zinc oxide ZnO) 이산화규소(silicon dioxide SiO 2 ) 및 이산화티타늄(titanium dioxide TiO 2 ) 등의 무기물질로 구성된 입자들은 식품첨가물로써 이용되고 있으며 의도하지 않았음에도 불구하고 균질화 분쇄 및 제조 등의 식품 가공 공정을 거치면서 식품 중에 나노 입자(nanoparticles NPs) 형태로 존재할 수 있는데 이는 작은 크기 때문에 기존의 마이크로(micro) 입자와 비교하여 동일 질량에 대비 표면적 비율이 비약적으로 커졌으며 이러한 특성으로 장점막 부착 능 및 소장 상피세포와의 상호작용이 증가되고 위장관 내 체류 시간이 연장되어 결과적으로 생체이용률이 향상될 수 있고 이에 따라 NPs은 체내에서 장기간에 걸쳐 흡수될 가능성이 있기 때문에 잠재 적인 독성 영향이 존재하며 일반적으로 섭취한 NPs은 위장관(gastrointestinal tract GI-tract) 내 존재하는 세포 또는 조직에 독성을 나타낼 수 있으며 NPs가 체내에 흡수된 후에도 존재 성상에 따라 독성 영향이 나타날 수 있다.

 

식품첨가물의 독성에 관한 현실

현재까지 식품첨가물로 이용되는 NPs 자체의 독성 및 생체 이용률 평가에 초점을 맞춘 연구는 꾸준히 이루어지고 있는 반면 실제로 식품 중 존재하는 NPs의 물리 화학적 특성 및 체내 흡수 성상 규명에 관한 연구는 미진한 실정이며 본 연구에 사용된 ZnO NPs과 SiO 2 NPs는 FDA에서 일반적으로 안전하다고 인정하는 물질(generally recognized as safe GRAS)로 분류되며 식품 산업에서 식품첨가물로 이용되고 식품첨가물 ZnO NPs는 필수 미량 원소인 아연(zinc Zn)의 공급원으로서 영양 강화제 목적으로 사용되고 있으며 특히 우유 유제품 시리얼 및 음료 등에 첨가되어 이용되고 있고 한국의 식품의약품 안전처에서는 Zn의 일일 섭취량을 2.55-12 mg으로 제시하고 있고 Zn은 체내 면역 체계 세포 대사 효소 활성 및 신호 전달에서 구성 원소로서 필수적인 역할을 하는 것으로 알려져 있고 식품첨가물 SiO 2 NPs는 소금 설탕 분유류 및 건조 분말 식품 등에 고결방지제의 목적으로 사용되고 있으며 유럽에서 E551로 표기되며 FDA는 식품첨가물 SiO 2를 식품 중 최대 2%의 중량으로 첨가할 수 있도록 허용하고 있고 식품첨가물 SiO 2 NPs는 제조방법에 따라 크게 발열성(fumed) SiO 2 NPs과 침전형(precipitated) SiO 2 NPs로 구분되고 Fumed SiO 2 NPs는 염화 실란 화합물의 기상 열분해에 의해 제조되며 수분을 함유하지 않는 제조공정의 특성으로 인해 SiO 2 NPs의 표면에 존재하는 친수성의 silanol (-Si-OH) 그룹이 소수성의 siloxane (-Si-O-Si-) 결합을 형성하며 측쇄 사슬 같은 구조로 존재한다.

 

규산염 용액의 침전에 따른 변화

반면 precipitated SiO 2 계열의 NPs는 규산염 용액의 침전 반응에 의해 제조되며 습식 제조공정의 특성으로 인해 표면에 친수성의 silanol (-Si-OH) 그룹 수가 많은 구형의 구조로 존재하며 따라서 fumed SiO 2 NPs 및 precipitated SiO 2 NPs는 상이한 입자의 구조 및 물리 화학적 특성을 나타내며 이러한 특성은 궁극 적으로 섭취되었을 때 유의적인 생체 내 거동을 야기할 수 있고 ZnO 및 SiO 2는 입자의 크기 입자의 aggregate 혹은 agglomerate 형성 여부에 따라 아연 이온(zinc ion Zn 2+ ion) 및 규소 이온(silicon ion Si 4+ ion)으로 용해 정도가 달라지고 흡수 경로 흡수율(%)의 생체 내 거동(toxicokinetic) 및 독성 효과 (toxicity)가 완전히 다르게 나타날 수 있다.

 

 

출처 Freepic

식품 매트리스의 성상 규명

ZnO 및 SiO 2 의잠재적인 독성을 해석하고 이해하기 위해서는 이들의 성상을 규명하는 것이 중요한 상황에서 다양한 연구에 따르면 ZnO는 산성 환경이나 생체 매트릭스 용액에서 Zn 2+ ion으로 쉽게 분해될 수 있다고 알려져 있으며 대부분 식품은 약산성 pH를 가지고 있기 때문에 ZnO는 식품 매트릭스에 의해 Zn 2+ ion으로 일부 용해될 수 있기에 경구로 섭취되는 과정에서 타액(pH 6.8) 위액(pH 1.3) 및 장액(pH 8.0) 등의 생체 매트릭스 용액과의 상호작 용을 통해 용해되어 체내에서 입자 형태로 존재하지 않을 수 있고 실제로 몇몇의 연구에 따르면 ZnO NPs을 랫드에 경구 투여하였을 때 조직에서 Zn 2+ ion 형태로 존재하는 것으로 보고되었으며 모사 용액에서 나노 물질의 특성 위액 모사 용액에서의 ZnO NPs 용해도는 14%까지 증가할 수 있다고 보고되어 있으며 이는 ZnO NPs가 생체 매트릭스 내에서 부분적인 용해 특성을 나타낼 수 있음을 보여주는 반면 SiO 2는 알칼리성 환경이나 생체 매트릭스 용액에서 일부 Si 4+ ion으로 분해될 수 있다고 보고되어 있으나 ZnO와 비교하였을 때 거의 용해되지 않는 불용성(insoluble) 특성을 나타내며 위액 모사 용액에서의 SiO 2 NPs 용해도는 0.1%로 insoluble한 특성을 나타내는 것으로 확인되었고 경구 투여된 SiO 2 NPs은 유의적인 수준으로 조직에서 SiO 2 입자 형태로 흡수 및 축적되는 것으로 보고되어 있으며 이는 ZnO NPs와 상반된 흡수 성상을 나타내고 따라서 나노 물질의 종류 및 특성에 따라 용해되는 경향이 다르게 나타날 수 있으며 궁극적으로 섭취 후 체내에서 상이한 거동을 나타낼 수 있고 그럼에도 불구하고 현재까지 흡수된 ZnO 및 SiO 2의 체내 성상에 대한 명확한 정보는 알려진 바 없다.

 

* 참조 문헌 : Cloud_point_extraction 방법 최적화 (전예린 2021)