Textile Coloration and Finishing (한국염색가공학회지)

The Korean Society of Dyers and Finishers (한국염색가공학회)
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Science and Technology of Natural Colorants

천연색소의 과학과 기술

  • Jung, Chanhee (School of Chemical Engineering, Chonnam National University) ;
  • Lee, Jungwoo (School of Polymer Science and Engineering, Chonnam National University) ;
  • Yoo, Dong Il (School of Polymer Science and Engineering, Chonnam National University)
  • 정찬희 (전남대학교 화학공학부) ;
  • 이정우 (전남대학교 고분자융합소재공학부) ;
  • 류동일 (전남대학교 고분자융합소재공학부)
  • Received : 2022.05.30
  • Accepted : 2022.06.13
  • Published : 2022.06.27
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Abstract

Natural colorants are regarded as substitutes for synthetic colorants in the fields of fiber dyeing, hair dyeing, cosmetic, and food industries. The use of natural colorants has been increased in view of global environment and sustainability. However, scientific approach to the production is required because the supply of natural colorants depends on the climate, soil, and cultivation methods. This brief review contains the advances in science and technology related to natural colorants including characterization, analysis, CIEL*a*b* and Munsell color systems, and future prospects. For the characterization and the analysis of natural colorants, chromatography, some spectroscopic techniques (UV-Vis, FT-IR, NMR), mass spectrometry, and X-ray diffraction are generally used.

Keywords

1. 서론

식물의 잎, 뿌리, 나무 껍질과 같은 천연물에서 추출한 천연색소는 1856년 William Henry Perkin에 의해 ‘mauve’가 합성될 때까지 직물염색에 사용된 염색재료였다1). 이후 다양한 합성색소가 출현하여 산업화되면서 천연색소는 그 사용이 급격히 감소하였다2). 그 까닭은 합성색소가 천연색소보다 저렴한 가격, 광범위한 색상 구현, 그리고 높은 견뢰도를 지녔기 때문이다3). 그러나 합성색소가 환경과 인체에 대한 유해성을 극복하지 못하는 점이 최근 천연색소로 하여금 패션, 미용, 식품 산업을 중심으로 친환경 및 지속가능 소재로 거듭나게 만든 이유이다4, 5).

천연색소를 추출할 수 있는 식물은 500여 종에 달한다6). 식물 외에도 동물과 광물 등에서 천연색소를 얻을 수 있다7). 그러나 천연물의 산지나 생육환경, 품종 또는 채취 시기 등의 요인에 따라 색소성분은 함량의 변화가 많다8). 또한 천연 색소는 단일 화합물을 기본으로 하는 합성염료와 달리 혼합물이어서 안정성이 낮다9). 따라서 천연색소를 산업적으로 활용하기 위해서는 색소성분의 분리, 정제, 분석 등의 과정이 요구된다10). 그 과정에 UV-Vis, FT-IR, NMR 분광분석, 질량분석, 크로마토그래피(chromatography) 등의 분석법이 적용되고 있다11-13). 천연색소는 합성색소에 비해 밝고 진한 색을 내지 못하지만 매염제 종류와 농도를 달리하는 방법으로 이를 극복하고 있다 14). 예컨대, Al, Fe, Cu, 및 Zn과 같은 금속 매염제는 색소와 배위결합을 하여 색상 다양화와 함께 결합력을 높인다15, 16). 또한 천연색소 추출은 추출용매를 조절하여 균일한 성분을 추출하는 방식으로 접근하고 있다17). 색소추출 공정은 용매의 종류, pH, 추출온도, 추출시간을 변수로 하여 식품과 생물 공정에서 높은 안정성과 수율 향상을 이끌어낸다18, 19).

천연색소는 합성색소에 비해 채도가 낮아서 시각적으로 차분하고 편안한 느낌을 준다20). 이와 관련하여 직물의 종류, 염색조건에 따른 염색성 평가, 무독성, 친환경적 특성을 평가하는 표준화, 모발염색 등의 연구가 이루어졌다21-24). 최근에는 천연색소의 생분해성을 다룬 연구도 수행된 바 있다25, 26). 그러나 낮은 염색견뢰도, 낮은 수율 등의 문제는 천연색소의 산업적 인적용을 제한하고 있다27).

모발염색에 적용한 경우, 쳔연색소는 합성 염모제의 합성염료에 비하여 발색이 약하고 장기간 유지되기 어렵다28). 그럼에도 합성 염모제 재료로 사용되는 p-phenylenediamine, 산화제에 포함된 암모니아 성분은 악취와 앨러지를 유발하는 문제를 지니고 있어 이를 대체할 수 있는 물질로서 천연색소가 연구되고 있다29). 이중 헤나 추출물, 타닌 등은 반영구 염모제로 활용이 가능한 것으로 보고되었다30, 31).

이 총설에서는 천연색소의 분류, 분리 및 분석과 함께, 섬유 염색, 모발염색, 화장품, 식품 분야에 대한 과학과 기술을 요약하고자 한다. 여기에는 친환경 기술을 중심으로 한 미래 전망도 포함하였다.

2. 천연색소의 분류

천연염색에서 색소성분은 색상, 재현성, 견뢰도와 밀접한 연관성을 갖는다32). Table 1은 적색/자색 계, 황색/갈색 계, 그리고 청색 계로 구분하여 추출원, 색소성분을 분류한 것이다. 천연색소는 특정 색상을 나타내는 주성분이 있으며, 화학 구조식이 비슷한 경우 동일한 염착특성을 나타낸다33).

Table 1. Classification and dyeing characteristics of major natural colorants

Figure 1(a)의 CIE L*a*b* 색좌표는 CIE(국제조명위원회, International Commission on Illumination)에서 규정한 색공간이다34). 색 공간에서 L* 값은 명도, a* 값은 red(+)와 green(-)의 정도, b* 값은 yellow(+)와 blue(-)의 정도를 나타낸다35). CIE L*a*b* 표색계의 특징은 각 색 차이를 수치적인 방법으로 표현하기 때문에 색간의 비교가 용이하다36).

Figure 1. Mechanism of liposome for smart dressing.

반면 Munsell 표색계는 Figure 1(b)와 같이 색 감각 3 속성인 색상(Hue), 명도(Value), 채도(Chroma)를 통해 표현하는 방법이다37). 각 값은 인간의 눈으로 관측한 물체의 심리적인 속성을 표시하였기 때문에 색을 계통별로 비교하거나 보 색 관계의 색을 비교하기에 용이하다38). 색의 수치화는 광원의 파장별 강도, 대상체의 반사율, 표준 관측자에 따른 색매칭 함수(color matching functions) 등을 얻고 수학적 연산을 거쳐 계산 및 변환이 가능하다39, 40).

Figure 2는 색에 따른 주요 염재의 종류 및 주성분을 Munsell 색좌표에 나타낸 것이다. 적색/자색 계에 속하는 천연색소에는 칼콘류의 꼭두서니와 홍화, 벤조피란류의 소목과 로그 우드, 퀴논류의 코치닐과 자초 등이 있다41). 일반적으로 적색천연색소는 선매염에 의해 섬유에 대한 염착성이 증가하고 명도가 높은 R 계통의 빨간색부터 PR 계통의 자색까지 염색이 가능한 다색성 염료이다42). 황색/갈색 계에 속하는 천연색소에는 타닌류인 오배자, 오리나무, 감 등이 있으며 이 밖에 알칼로이드류, 카로티노이드류, 플라보놀류 등이 있다43). 황색/갈색 계는 적색/자색 계와 달리 후매염에 의해 다양한 톤과 농담의 색을 보인다44). 카레의 주성분인 커큐민은 식품색소로도 주로 활용되지만 매염제 없이도 셀룰로오스 섬유의 염색이 가능하다 45). 이외에 청색 계에 속하는 천연색소로 인디고(indigo)가 있다46). 인디고 색소는 높은 온도에서 염색을 하는 다른 식물성염료와는 달리 상온 염색이 가능한 특징을 지닌다47, 48).

Figure 2. Chemical structures of some natural colorants displayed in Munsell color systemwide.

2.1 적색/자색 계

적색 계의 주요 염료로서 코치닐은 식품, 화장품, 생체조직의 염색 등 다양하게 사용된다49). 구조상 안트라퀴논류에 속하며 안정성, 내열성, 내광성 등이 우수하다50). 자초는 안트라퀴논류와 비슷한 구조인 나프토퀴논류에 속하는 여러해살이풀로 뿌리인 시코닌을 주색소로 사용한다51). 뿌리가 짙은 자주색을 띠고 강한 향균력이 있어 색소 이외에도 약용, 식용, 향료 등으로 사용되어 의약품, 식품, 화장품 등 다양한 분야에서 사용된다52). 소목과 로그우드는 목재의 수질부에서 색소를 추출하며 매염제에 따라 홍색, 자색, 적회색 등의 다양한 색을 발현할 수 있다 53). 또한 다른 색소와 혼합하여 사용되는 경우도 많으며, 동식물의 조직 염색용으로 사용되기도 한다54).

2.2 황색/갈색 계

황색/갈색 계에 속하는 천연색소에는 오리나무, 밤나무, 감, 석류, 황련·황백, 울금, 치자, 양파 등이 있다. 오리나무, 밤나무, 감, 석류는 자색/적색 계의 오배자와 같은 타닌류에 속한다 55). 특히 오리나무와 밤나무는 주성분이 같은 피로갈롤 타닌이다. 오리나무는 자작나무과에 속하는 낙엽 교목으로 약용으로 많이 쓰인다56). 타닌류는 일광견뢰도가 뛰어나며, 매염제의 종류와 매염 방법에 따라 쥐색, 갈색, 옅은 갈색 등 다양한 색을 나타낸다57). 특히 다른 색소에 타닌류를 복합 염색할 시 천연매염제로 활용할 수 있다58).

황련과 황백은 염기성 염료에 속하는 베르베린을 함유하고있는 황색 염재식물이다. 베르베린은 알칼로이드류에 속하며 무 매염으로 염색할 경우 일광견뢰도가 매우 나쁘므로 매염 효과를 통해 견뢰도를 증진시킬 수 있다59). 울금은 생강과에 속하는 다년생 속근성 초본식물이다. 뿌리에 노란색 색소를 함유하고 있는데 주성분은 커큐민이다60). 치자는 꼭두서니(Rubiaceae)과에 속하는 치자나무(Gardenia jasminoides Ellis)의 열매이다. 주색소는 카로티노이드계의 수용성의 황색 색소인 크로신 성분을 함유하고 있다61). 크로신 색소는 독성이 없고 약리효과로 인해 한방에서 사용하여 왔으나 빛, 열, 산, 알칼리 등의 외부 노출에 변성 및 분해가 쉬운 특징이 있다62).

2.3 청색 계

청색 계 천연색소인 인디고 색소를 추출하는 식물은 세계적으로 여러 종이 있는데 동아시아에서는 마디풀과의 한해살이풀인 쪽이 그에 해당된다63). 인디고 염색은 다른 천연색소와 달리 산화와 환원이라는 화학적인 변화과정이 필요하다64, 65). 특히 미생물 발효로 환원이 진행되는 전통 인디고 염색은 다른 천연색소에 비하여 복잡한 과정이 수반된다66).

3. 천연색소의 분리 및 분석

식물은 성장 및 발달에 관여하는 물질인 당, 지방산, 아미노산과 같은 1차 대사산물과 특정생물에만 분포되어 있는 2차 대사산물을 지니고 있다67). 2차 대사산물은 알칼로이드, 테르페노이드, 플라보노이드 유도체와 같이 복잡한 화학구조를 갖고 있으며 주로 식물의 생존을 위한 방어, 유인, 경쟁에 관여한다고 알려져 있다68). 이들 물질은 의약, 향료, 색소 등 분야에서 그 유용성이 알려지면서 성분분리, 추출효율의 증진, 응용 등의 연구가 활발하게 이루어지고 있다69-71). 또한 분석 기술과 관련하여 크로마토그래피, FT-IR, UV-Vis, NMR 분광분석, 질량분석, X선 회절 등을 활용한 연구가 보고되었다72-74).

천연물의 색소성분은 에테르, 클로로포름, 에탄올, 물과 같은 추출 용매를 사용하면 여러 유기화합물 성분과 함께 분리된다75). 따라서 색소성분의 분리는 추출, 여과, 농축, 건조, 분리 순으로 진행된다76). 먼저 추출과정에서는 천연물을 적당한 크기로 자른 다음 유전율이 적은 용매로부터 에테르, 클로로포름, 알코올류, 물 순으로 추출하여 비극성 물질부터 극성이 큰 원자단을 가진 물질 순으로 추출이 가능하다77). 에탄올, 물로 추출하는 경우에는 천연물의 유기화합물 중 당, 배당체, 단백질, 타닌, 알칼로이드 등 색소성분이 함께 추출된다78). 이후 추출물을 종이나 유리섬유 필터를 사용하는 여과, 회전식 증발, 동결건조 등에 의한 농축-건조 과정을 거쳐 식물재료에 들어 있는 색소성분을 얻을 수 있다79-81).

순수한 색소성분을 분리하기 위해서는 정제된 추출물을 단일물질로 분리하는 크로마토그래피가 적용된다82). 이는 흡착제의 층(고정상) 한쪽 끝에 시료를 주입 후 용매(이동상)를 흘리면 시료의 성분은 고정상의 내부로 이동한다83). 이때 충전재의 종류와 크기에 따라 용출과 흡착을 반복하면서 혼합물의 개별 성분마다의 이동속도 차이를 이용하여 성분이 분리된다(Figure 3(a))84). 고정상과 시료성분 사이에 작용하는 친화력에 따라 흡착, 분배, 이온교환 등으로 나눌 수 있다85). 분류가 필요한 성분이 대량인 경우라면 질소가스를 주입하거나 감압 여과장치를 활용하여 분리시간을 단축시킬 수 있다86). 분리된 성분은 기기분석에 의하여 원소성분의 비율, 질량을 측정하여 화학구조를 결정하거나 분광분석을 통해 색소성분의 정량평가가 가능하다87).

색소분자의 화학구조를 알아내기 위해서는 기체 및 액체 크로마토그래피를 거쳐 분리된 시료를 질량분석기에 넣어 조각화 (fragmentation) 및 이온화(ionization)를 거쳐야 한다88). 이단계에서는 시료에 전기장을 걸어 관내에서 이동하게 되고, 이동하고 있는 각 이온 조각들은 검출기에서 질량별로 분류한다 (Figure 3(b))89). 화합물은 사람의 지문처럼 고유의 질량 패턴을 지니고 있으므로 분류된 질량 데이터를 통계적으로 분석하면 화학구조를 예측할 수 있다90, 91). 현재 대부분의 천연색소는 화학구조가 규명되어 있어 해당 물질로 검량곡선을 얻으면 농도를 산출할 수 있다92).

Figure 3. Schematic analytic procedures for natural colorants; (a) chromatography, (b) mass spectrometry.

색소물질의 정량화에 가장 보편적으로 이용되는 방법은 빛의 스펙트럼을 이용한 분광광도법이다93). 색소물질은 주로 자외선 (200-380nm), 가시광선(380-800nm) 영역에서 흡수스펙트럼과 방출스펙트럼을 통해 시료물질의 정성 및 정량분석에 활용한다 (Figure 4)94). 빛의 흡수는 비결합성 전자(n전자)와 π전자에 의하여 생기며 이중결합이 많은 색소물질은 가시광선 영역에서 특징적인 피크가 관찰된다95). 또한 빛의 흡수에서 입사광과 투과 광의 강도의 비율은 흡수 물질의 두께에 비례하는 Lambert -Beer 법칙을 이용하여 흡광도를 측정하면 물질의 농도를 알 수 있다96). 즉 물질의 흡수스펙트럼을 정밀하게 측정하고 해석하면 에너지준위나 전이확률을 구하거나 분자의 정량분석에 활용된다 97). 그러나 흡수스펙트럼은 용매 종류, 온도, pH 등의 함수여서 Lambert-Beer 법칙(식 (1))을 활용하기 위해서는 분석조건이 같아야 한다98).

A=-log(I/Io)=abc       (1)

where,

A : Absorbance

I/Io : Ratio of transmitted to incident radiant power a : Absorptivity

b : Length of the beam

c : Concentration of the absorbing species

Figure 4. Principles applied to (a) absorption, (b) emission, (c) shift of energy level, and (d) stokes shift.

4. 염색 산업

염색은 색소가 피염체 내부로 침투하여 화학적 혹은 물리적으로 결합하는 과정이다. 이를 이용한 산업의 형태로는 섬유 염색과 모발염색이다.

4.1 섬유염색

천연색소를 섬유염색에 사용하기 위해서는 색소의 안정성, 색상을 일정하게 구현할 수 있는 기술 등이 필요하다99). 섬유의 성분, 직물조직, 밀도에 의한 흡수력, 색소의 결합력 등에 따라 발색이 달라지므로 색소와 직물의 관계도 중요하다. 특히 색소를 분리(추출)하여 염색하는 단계까지 공정의 표준화가 필요하며 염색물의 안정성과 견뢰도를 지녀야 한다100). 합성색소에서도 나타나는 문제에 천연색소만의 기술적 과제가 더해진 것이다101).

천연색소가 갖는 색채 공간의 한계를 극복하기 위해 매염기법을 적용한다102). 매염이란 천연색소가 섬유에 대해 결합력이 없을 때 금속 매염제를 부가하여 섬유에 고착하는 방법이다103).

매염 원리는 색소 성분이 특정 금속이온과 작용하여 배위결합에 의하여 착체가 형성되면 고유한 색상이 발현되는 것이다 104). 이로 인해 특정 매염제의 사용으로 다양하고 진한 색상이 얻어지며, 외부 조건(햇빛, 마찰, 땀, 세탁 등)에 대한 피염물의 견뢰도가 높아진다105). 처리하는 방법과 순서에 따라 선매염, 동시매염, 후매염 등이 있다. 선매염은 피염물을 먼저 매염제로 처리한 후 염색하는 방법이며 동시매염은 색소와 매염제를 함께 넣어 염색하는 방법, 후매염은 염색한 다음 매염하는 방법이다106).

천연물에는 수천 가지의 다양한 색상이 존재하지만 순수한 색소 성분을 추출하기가 어렵다107). 일반적으로 노란색, 빨간색, 파란색, 녹색 및 검정색과 같은 표준색상의 색소가 있다면 색상 혼합과 반복적인 염색을 통해 다양한 색상을 만들어 그 범위를 확대할 수 있다. 하지만 그 범위는 합성색소가 나타낼 수 있는 색채공간에 비해 제한적이다. 그러한 경향은 천연 색소를 섬유 염색에 적용한 각종 데이터를 CIE L*a*b* 표색계에 종합한 Figure 5에서 잘 확인할 수 있다.

Figure 5. Natural colorants-mordant data under CIEL*a*b* color system; (a) red49, 53), (b) purple51, 53), (c) yellow57, 59)..

4.2 모발염색

모발염색은 기존의 머리 색깔을 바꾸거나, 흰머리를 검은 색으로 염색하기 위해 행해진다108). 모발에 색을 부여하기 위한 색소로는 천연색소 또는 합성색소를 활용할 수 있으나 대부분 합성 유기염료를 사용하고 있다109). 모발염색은 염료 분자의 크기, 도포 시 모발의 팽윤, 염료의 염기도에 따라 색소성분이 모발 피질에 침투하는 양이 다르기 때문에 염색결과가 상이하다 110). 따라서 모발염색을 위한 염료성분은 주로 저분자 색소가 모발에 침투된 후 착체를 형성하는 원리에 기반한다111). 모발염색은 모발 상태, 기존의 색소성분이나 이력 등에 따라 달라지며 인체의 일부분이어서 너무 고온이거나 장시간 염색은 불가능하다112).

Table 2는 천연색소를 이용한 모발염색에 관련한 연구를 요약한 것이다. 염모제는 일광 및 세정에 대해 염료가 모발에 남아 있는 시간에 따라 영구, 반영구, 임시적 염모제로 구분된다 113). 천연 염모제는 화학적 산화반응에 의한 탈색을 포함하지 않기 때문에 반영구적 염모제에 해당한다114). 모발염색은 멜라닌 색소의 함유율, 기존 염색 경력 등 모발의 상태에 따라 예상치 못한 색상이 나타날 수 있다. 때문에 염료의 특성에 따라 염료 분자가 모발의 피질로 확산될 수 있는 염색조건을 선정하여 최적화하는 과정이 필요하다115). 헤나와 같은 천연 염모제는 색소 분말을 물에 개어 모발에 도포한 후 10~40분간 방치하여 헹구어내면 된다. 모발은 양모, 견과 같은 단백질 섬유로서 염착과정에서 화학결합은 van der Waals 힘, 수소 결합 및 금속 배위결합 등을 기반으로 하기 때문에 염색 메커니즘이 유사한 것으로 보고된바 있다116).

Table 2. Classification of natural colorants that are used for hair dyeing

모발염색을 위한 천연색소 중 헤나는 머리카락에 주황색/적색 음영을 주는 데 사용되는 가장 일반적인 천연 염모제이다 117). 또한 호두나 오리나무의 타닌성분은 금속매염제를 함께 사용하여 머리카락을 흑색에 가깝게 모발염색을 할 수 있다118). 최근 모발과 양모가 유사한 단백질 구조임에 착안하여 염색 결과를 Munsell 색좌표계에서 비교한 연구가 보고되었다42). 이는 양모-모발염색 결과를 직교좌표상에 Munsell 색상 값을 나타내었을 때 y=x 형태의 관계를 얻을 것이라는 아이디어에 기초한 것이다. 매염을 하지 않은 경우 R-Y-G-B 범위에서 선형적인 관계를 얻었지만 자색 영역에서는 선형성에서 벗어남을 확인하였다(Figure 6). 그렇지만 선형적인 경향을 보이는 구간은 모발염색을 양모염색으로 대체하여 접근할 수 있다는 의미를 지닌다.

Figure 6. Hue correlation between wool and hair dyed samples; (a) no mordant, (b) metal mordant42).

5. 화장품 산업

화장품 산업은 화학, 생물학, 약학, 생리학 등의 기초과학과 응용기술이 복합적으로 적용되는 정밀화학공업의 한 분야로서 기술집약적이자 고부가가치산업으로서 라이프사이클이 짧은 특 징을 지닌다. 화장품은 미화와 노화지연의 목적을 위해 사용하 며 성분이 순수하여야 하고 접촉성 피부염이 없어야 한다119). 천 연화장품으로 약리적 활성을 지니는 것들이 많으며 그 종류도 점점 늘어나는 추세를 보이고 있다. 또한 현대에 이르면서 화장 품과 의약품의 간격이 점점 좁혀지고 있다. 천연화장품은 식물 성 색소성분에 화학방부제와 인공 향 등 최소한의 화학성분을 추가하여 제조한다. 천연화장품은 흔히 유기농 화장품을 구분하 여 표기하는데 유기농 화장품은 95% 식물성 천연성분만을 사용 하며 유기농 원료를 주성분으로 만든 화장품을 의미한다120).

천연화장품은 견뢰도, 항균성, pH 안정성, 발색도, 일광안정성, 땀안정성, 피부안정성 등과 같은 시험을 통과하여야 자연주의 제품으로 인정을 받게 된다121). 이러한 제품으로는 페이스파우더, 페이스케이크, 립스틱(립라니너, 립글로스), 립밤, 볼연지, 비비크림 등이 있다. 상업적으로 색조화장품은 피부색을 정돈한 뒤 색채를 부여하여 용모를 미화하는 목적으로 사용하는 화장품을 의미한다. 색조화장품에서 천연색소의 사용은 합성색소에 비해 재현성, 표준화, 원료공급 불안정, 고가의 원료비의 측면에서 불리한 위치에 있었다. 그러나 항알러지, 탄력을 갖는 피부를 위해 점차 식물성 색소에 대한 선호도가 증가하는 추세에 있다122).

Table 3은 식품의약품안전처의 화장품법 시행령 중 화장품에 첨가할 수 있는 식물성 색소를 정리한 것이다. 이는 화장품의 안정성을 확보하기 위해 사용가능한 색소의 종류, 사용 부위 및 사용한도에 대한 가이드라인이다. 화장품에 첨가하는 물질은 원자흡광광도법 또는 유도결합플라즈마발광광도법 등에 의해 정량평가가 이루어진다. 이에 따라 납, 카드뮴 등 중금속의 함유량이 기준치 이하여야 하며, 색소물질은 정해진 시험법에 의해 색가를 표기해야 한다. 일부 색소는 색가 조정, 품질 보존 등을 위하여 희석제, 안정제 및 용제 등을 첨가할 수 있다.

Table 3. Classification of natural colorants that are applied for cosmetics

6. 식품 산업

천연색소는 음료, 과자, 가공식품, 유제품 등의 식품에 이용된다. 이들은 대부분 가공식품 형태로서 뚜렷한 발색과 높은 안정성이 요구된다123). 발색 관련으로는 색의 강도와 명도 향상이 있으며, 색의 안정성으로는 빛, 열, pH, 산에 대한 내구성이 중요하다124). 가공도가 높아질수록 이 두 가지를 모두 갖춘 색소가 선호된다. 천연색소는 합성색소에 비해 색의 선명도, 내광성, 내열성, 내산성 등이 낮은데 일본에서는 이를 개선한 유화, 물분산성, 이중유화 등이 가능한 제품이 개발되었다125). 가장 많이 사용되는 색소로는 카라멜이 있으며 아나토, 파프리카, 치자 등이 뒤를 잇고 있다. 안토시아닌, 루테인, 토마토 색소 등도 건강기능성의 측면에서 선택되고 있다126).

카라멜 색소는 당류, 전분 가수분해물, 당밀 등을 가열하여 얻는데 갈색 혹은 흑색을 나타낸다. 카카오 색소는 안토시아닌이 주 성분이며 열과 빛에 안정적이다. 치자 황색소는 수용성 색소로서 카로티노이드 계 크로신과 크로세틴이다127). 카로틴은 카로티노이드계 색소로서 황색, 녹색, 적색을 나타내며 열에는 안정하나 산화되기 쉬운 지용성 색소이다. 파프리카도 카로티노이드계 캡산틴으로 녹적색을 띤다128). 치자적색소는 코치닐 대용으로 널리 이용되고 있다. 홍화적색소는 플라보노이드계 카르타민으로 빛에 안정하나 열에는 약하다. 자주색 고구마색소는 산성영역에서는 안정하나 중성-알칼리 영역에서는 불안정하게 된다. 시금치, 클로렐라, 알팔파 등으로부터 추출하는 지용성 클로로필은 녹색을 나타내나 산성영역에서 변색하며 빛에 불안정하다. 스피눌리나청색소는 피코시아닌이 주색소이며 선명한 청색을 나타낸다. 오징어 먹물색소는 티로신 중합물로서 회색 내지는 흑색을 나타내며 내열성 및 내광성, 그리고 어느 pH 에서나 안정하다129).

Table 4에 대표적인 식용색소를 분류하면서 기능성을 포함하였는데 기능성의 측면에서 식품과 의약이 매우 가까운 관계임을 알 수 있다.

Table 4. Classification of natural colorants that are used for food

7. 향후 전망

섬유염색과 모발염색 분야에서 합성색소를 천연색소로 대체하는 것은 불가능에 가깝다. 그럼에도 지속가능성의 관점에서 염료의 재배 및 생산, 염색공정과 기술, 염색물의 안정성 및 인체 적합성에 대한 연구가 이루어진다면 지금보다는 더 경쟁력을 갖게 될 것으로 본다. 이를 위해서는 색소성분의 표준화, 데이터 축적을 통한 재현성 확립, 염색공정 자동화 등이 요구된다.

천연염료 생산측면에서 문제로 인식되고 있는 염료 수확의 시기와 장소성은 스마트팜을 통한 원료의 안정적인 공급, 물과 에너지의 소비량을 줄이는 등의 해결방법이 될 수 있다130). 또 다른 방법으로 미생물 배양을 통한 생산도 가능할 것으로 기대된다131). 보라색 염료로 활용할 수 있는 비올라세인 등은 생체적합성 확인과 함께 대량생산 가능성도 보고되었다132).

염색 분야 이외에도 천연색소는 고부가가치를 지닌 식품, 약품 분야로 활용될 수 있다. 대부분 식물성 색소는 인체에 대한 독성이 낮아 식품착색제 및 콘텍트 렌즈 등에 응용 가능하다 133). 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC) 의색소소재로서도 활용이 기대된다. DSSC는 염료분자가 나노결정 입자표면에 흡착되어 있는 특징을 활용하여 전기에너지를 생산하는 기술이다134). 기존의 실리콘계 태양전지는 이론적 한계점에 도달하였으나 DSSC는 형태가 자유롭고 염료에 따라 다양한 색상을 구현할 수 있는 것으로 보고되고 있다135).

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