식품공학전공 이정윤 나노 TiO2 입자를 적용한 식품포장용 필름개발

Contents 서론 참고문헌 관련논문 Polymer nanocomposites

식품포장 (Food packaging) - 식품포장은 유통과정에 있어서 식품의 가치와 상태를 보호함과 동시에 사용의 편의성과 판매 촉진성을 부여하는 기술. - 포장이 적합하지 않으면 식품은 유통 중에 수분이나 산소, 빛의 영향으로 색이 변질되고 각종 미생물이 성장하며, 지방과 중요한 비타민 등이 산화되어 영양성분이 파괴되고 빠르게 부패하게 된다. - 따라서 이를 방지하기 위한 적합한 식품포장기술은 식품산업에서 필수 불가결한 요소. 서론

나노 기술 (Nanotechnology) - 나노 기술 (Nanotechnology) 은 물질이 나노미터 (10-9m) 의 수준에서 가지게 되는 새로운 물리적․화학적․광학적 특성을 응용하여 원자나 분자의 현상 및 구조, 요소를 조작, 제어하는 기술이다. 서론 나노 포장 (Nano Packaging) - 나노 기술을 포장에 적용한 것으로 식품포장에는 고분자 나노컴포지트 (Polymer nanocomposites) 기술이 주로 이용됨.

고분자 나노복합재료 (polymer nanocomposite) - 나노 스케일의 무기물 성분이 고분자 기질에 분산되어 고분자의 물성이 크게 향상된 재료를 지칭 - 고분자 – Clay 나노복합재료 : 나노 크기의 filter( 충진제 ) 를 사용하여 나노 입자 고유의 물성을 가짐. *filter 종류 무기입자 : MMT( 몬모릴나이트 ), 헥토라이트, 사포나이트, 탄소나노튜브 등 유기입자 : 셀룰로오스, 전분, 키토산 등 -5% 이하의 적은 첨가로 순수한 고분자에 비해 물리적 강도 증가, 화학적, 광학적 특성 기체투과도 감소. ex) TiO 2 는 입자크기가 20 나노미터 이하라고 할 때 자외선을 받으면 살균력, 자가세척력효과. Polymer nanocomposites

나노컴포지트의 제조 1. In-situ polymerization method 점토에 monomer 혼합 후 반응개시제 첨가 또는 가열 - 점토층간 간격이 커지면서 고분자가 형성 2. Solvent intercalation/exfoliation method( 용액법 ) 점토와 고분자를 각각 용매에 분산 후 이들 용액을 혼합 - 고분자 사슬이 점토의 용매를 치환 - 용매에 쉽게 용해되는 천연고분자에 적용 - 용매 제거에 대한 문제점 Polymer nanocomposites

나노컴포지트의 제조 3. Melt intercalation/exfoliation method( 용융법 ) 점토와 고분자를 함께 혼합 후 가열 ( 용융점 ↑) + 고압 및 전단력 - 점토 층간격 증가로 고분자와 복합체 형성 - 용매 사용 X - 고분자 가공에 사용되는 사출기 및 압출기 사용 가능 - In-situ polymerization method 또는 용액법으로 제조 불가능한 나노컴포지트 제조 - 상업적으로 가장 유리. Polymer nanocomposites

나노컴포지트의 구조 Polymer nanocomposites (a) Immiscible tactoid(microcomposite) - 층이 벌어지지 않은 점토가 고분자 내에 분산 (b) Intercalated structure(nanocomposite) - 점토 층간에 하나의 고분자사슬이 삽입된 복합체 (c) Exfoliated structure(nanocomposite) - 점토층 완전 분리, 고분자 내에 충분 분산

TiO 2 ( 이산화타이타늄 ) - 전이금속인 타이타늄 원자 하나와 산소원자 2 개가 결합된 분자로서 무미, 무취의 흰색 가루. - 식품첨가제로 사용할 만큼 인체에 무해 - 화학, 물리적으로 안정한 물질 - 광활성도 우수 TiO 2 BrookiteAnataseRutile TiO 2 의 종류

광 촉매로서의 TiO 2 광 촉매 - 광 촉매 (Photocatalyst) 의 뜻은 빛 (Photo=Light)+ 촉매 (catalyst) 의 합성어 빛을 이용한 촉매. - 나노크기의 입자가 빛을 받으면 입자표면에서 강력한 산화물질 (OH 라디칼, 슈퍼옥사이드 ) 을 발생하여, 공기 중의 유해물질을 무해한 물질 (H2O,CO2,O2) 로 분해한다. 이러한 광 촉매로는 반도체성 금속 산화물이나 황 화합물이 이용된다. - TiO 2 종류 중 Anatase 가 광촉매 재료로 많이 사용됨 TiO 2

TiO 2 광 촉매반응의 기본 원리 -TiO2 함유량 3% 이상이면 효과 발휘, 필요한 광 ( 光 ) 은 자외선이며 1uW/cm2 이상이면 효과낸다. - 실내 형광등이 켜진 방의 그늘진 구석도 1~21uW/cm2 의 자외선 검출 TiO 2

TiO 2 광 촉매반응의 기본 원리 1)Oxidation & Reduction -> 반응물질과 광화학 반응 2)Surface Recombination -> 전자 / 정공 쌍이 자체 재결합 3)Volume Recombination -> 전자 / 전공으로 분리된 활성점이 원하는 분해대상물질이 아닌 촉매 자체와 반응을 일으켜 촉매를 분해시키는 반응 TiO 2

콩나물 현황 및 저장, 유통 중 발생하는 문제점 대두를 발아시킨 콩나물은 연간 생산량이 650,000 톤, 생산액은 4 천억 원에 이르는 대중 식품. 콩나물은 무 토양 재배가 가능하고, 재배기간이 5 일 내외 특별한 시설이 필요 없이 연중재배가 가능. 가격이 저렴 콩나물은 콩 종자보다 vitamin A 는 300%, vitamin C 는 500 ～ 600% 함량 증가 발아되는 과정에서 전분이 단당으로 전환되어 소화가 용이해짐. 콩나물

콩나물 현황 및 저장, 유통 중 발생하는 문제점 콩나물과 같은 농산물은 수확 후 유통 중에도 호흡을 계속 진행 호흡은 생물체 내에서 탄수화물이 분해되어 CO ₂와 H2O, 에너지를 생성하는 작용 산소가 부족한 혐기조건 하에서는 glucose 가 pyruvic acid 로 분해된 후 CO ₂를 잃고 acetaldehyde 가 되고 이것이 다시 환원되어 에탄올이 생성되는 혐기성 호흡이 진행 이러한 혐기성 호흡 결과 생성되는 다양한 대사물질은 포장 유통되는 브로콜리나 mungbeansprouts 등 다양한 원예 상품의 유통 중 발생하는 이취의 원인으로 보고됨. 콩나물

콩나물 현황 및 저장, 유통 중 발생하는 문제점 콩나물 포장용 필름 - PP, PE, CPP, OPP 등이 사용 현재 판매중인 콩나물 포장재 - 투명한 필름을 사용하고 있는데 이로 인해, 빛이 투과하여 콩나물 자엽의 녹화현상 포장 내부의 혐기성 조건으로 인한 악취가 발생하는 문제점 콩나물 품질저하 요인 방지 - 콩나물의 유통 및 저장 중 발생하는 콩나물의 품질 저하 요인은 콩나물 자엽부의 청변현상 및 포장재 내에 발생하는 이취 따라서 이를 방지하게 위해 TiO 2 의 광분해성과 자외선 차단성이 부여된 기능성 포장재의 개발이 필요. 콩나물

나노 콜로이달 TiO ₂ - 실험에 사용된 나노 콜로이달 TiO2 는 H2O 와 2-MethoxyE-OH 에 분산된 고형분 10% 로 20 ～ 30nm 입자 사이즈를 사용. 바인더 - 바인더는 고형분 10% Polyurethane 과, 고형분 28% PVB-Polyvinylbutyral-Cellulose 를 사용 코팅액 희석용 용매 - 나노 TiO2 와 바인더를 코팅액으로 제조하기 위해 의 EthylAlcohol( 순도 99.9%) 를 사용하였다. 포장 소재 - 실험에 사용된 포장 소재는 두께 30 ㎛의 OPP(Oriented poly propylene) 필름을 사용 실험 재료

콩나물 - ( 주 ) 풀무원 생산 공장에서 제공받은 콩나물을 사용하였다. MethyleneBlue - 광분해 실험에 사용된 메틸렌블루는 2 차증류수를 용매로 사용 이취성분 규명을 위한 GC 실험 - 이취성분의 주요소인 Acetaldehyde( 순도 85%) 사용, Standard calibration curve 작성을 위해 Acetaldehyde 희석시 Acetone( 순도 99.5%) 을 사용하였다. 실험 재료

나노 TiO2 와 바인더의 의한 코팅액 제조 실험 방법

1) 나노 TiO ₂코팅 필름 제조 실험 방법 2) 나노 TiO ₂코팅 필름의 기계적 특성 분석 3) 나노 TiO ₂코팅 필름의 표면 분석 4) 나노 TiO ₂코팅 필름의 자외선 차단력 - 각각의 농도별로 제조된 코팅액은 OPP 필름 250×300 mm 에 코팅. - 나노 TiO2 코팅 필름의 기계적 특성을 고찰하기 위해 필름의 인장강도, 신장률, 열접착강도를 측정. - 각각의 샘플을 채취하여 전처리 과정을 거친 후 FESEM 을 이용하여 측정. - 나노 TiO ₂코팅 필름의 자외선 차단력을 측정하기 위하여 UV/vis 을 이용. - 농도별로 제조된 나노 TiO2 코팅 필름에서 각각 5 개의 샘플 (10×50 mm) 을 채취하여 자외선부터 가 시광선까지의 영역인 200 ～ 700nm 를 측정.

5) 콩나물 자엽부 색상변화 측정 실험 방법 - 총 216 개의 샘플을 단위포장한 후 48 시간 동안 저장 - 6 시간 주기로 콩나물 자엽부를 3 회씩 측정. - 그 후 상자 안에서 UV-lamp 를 조사. - 상자 안의 내부 온도는 약 25 ℃로 일정하게 유지 - 색차계를 사용하여 L 값,a 값,b 값을 각각 측정.

6) 나노 TiO ₂코팅 필름의 광분해성 측정 실험 방법 - 메틸렌블루는 증류수와 혼합하여 액상을 만든 후, 10ppm 을 정량으로 사용 - Petridish 에 메틸렌블루 용액 20mL 를 넣고 제조된 필름샘플 (50×50mm) 4 장을 메틸렌블루 용액에 침지 - 메틸렌블루 용액의 색상변화는 색차계를 사용하여 30 분 주기로 3 시간동안 메틸렌블루 용액 색상의 L 값, b 값을 각각 측정

7) 나노 TiO ₂코팅 필름의 이취성분 제거 실험 방법 - 나노 TiO ₂코팅필름의 이취성분 제거는 콩나물에서 발생 하는 이취성분인 아세트알데히드를 제거하는 실험으로 GC 를 이용. - GC 에 이용된 컬럼은 DB-1 (30 m×0.53mm, ID.1.5 ㎛ ) 을 이용하였고,Injector 온도는 230 ℃, Detector, FID, 온도 는 250 ℃이며, 오븐 초기온도는 40 ℃ (5min), 10 ℃ /mim 씩 210 ℃ (3min) 으로 정했다. - Carriergas 는 Nitrogen 를 사용했으며 Flow rate 20mL/mim 을 사용. - 실험은 8 일 동안 진행하였고, 24 시간 마다 Gastight syringe 를 사용하여 상부 헤드스페이스 (Head Space) 의 gas 를 1000 ㎕를 채취하여 GC 의 injection part 에 주입 하여 Jar 안에서 콩나물 이취성분인 아세트알데히드 감소율을 대조구와 비교 측정하였다.