1. 서 론
대기 내 온실가스 농도가 높아짐에 따라 기상 이변이 발생하여, 지난 2020년 기록적인 폭우로 인해 수장고 내빗물이 침투되거나 수문 개방으로 고서, 회화작품 등 침수피해가 발생하였다(GNDOMIN, 2020; PTSISA, 2020). 국외에서는 급격한 호우로 인해 산마르코 대성당 내 모자이크 타일과 유해가 안치된 지하실이 침수되기도 하였다(Hankyoreh, 2019). 이처럼 문화재가 수해를 입은 경우, 물리적⋅화학적 손상이 야기될 뿐만 아니라, 48시간 이후로 생물학적 손상 발생확률이 급증한다고 보고된다(Koh and Park, 2011). 따라서, 대량의 문화재를 단시간 내 소독을 진행하여 형태 안정화 및 생물학적 손상의 최소화를 위한 응급보존이 이루어져야 한다.
기존에 주로 이뤄지는 생물방제법으로는 에틸렌옥사이드가 포함된 가스로 훈증처리하는 것이며 이는 속효성과 강력한 살충⋅살균력이 있지만, 특정 재질에는 색차가 발생하는 등 불안정한 것으로 확인된다(Jeong et al., 2015). 친환경적인 방법으로 저산소 및 열처리법이 있지만, 이는 장기간이 소요되며 살균 효과가 미흡하다고 보고된다(Jang et al., 2014). 이에 재해 및 재난으로 인해 다수 불특정 문화재가 외부환경에 직접 노출되는 경우 기존의 방법으로는 생물학적 피해를 예방함에 한계가 있다.
1970년대 유럽 권역에서는 생물방제를 위해 감마선을 도입하여 이집트 람세스 2세 미이라, 지중해 중세 목조 선박을 소독한 사례가 있으며 일본에서는 고문서 및 서적을 대상으로 방역 처리를 실시하였다(IAEA, 2017). 감마선은 방사선의 일종으로 세포 내 반응성이 높은 활성산소종을 유발하여 생체 내 단백질, 세포막, DNA 등에 비가역적 손상을 유발하여 살충 및 살균한다(Park et al., 2011). 이는 강한 이온화 에너지로 단시간에 소독 대상에 균질하게 투과되어 효과적인 소독이 가능하지만, 감마선에 의해 유발된 활성산소종에 의해 대상 재질의 열화를 가속화 할 수 있다. 특히, 염료 및 안료와 같은 유색 물질이 적용된 문화재의 경우 색이 바래거나 변색되는 비가역적인 손상이 발생할 수 있으므로 적정한 조사 조건이 요구된다(Negut et al., 2012; Linh et al., 2020). 선행연구에 따르면 안료는 일반적으로 문화재 소독에 이뤄지는 감마선(10 kGy)보다 높은 조사량에도 비교적 안정적이라고 보고된다(Negut et al., 2012; Manea, 2012). 반면 염료는 염색 시의 착색력 및 색 견뢰도 또는 폐수 오염에 관한 연구가 주로 진행되어 문화재 분야에서의 연구가 미비한 실정이다(Bhatti et al., 2010; Zaouak et al., 2018). 또한, 염직물로 이뤄진 유물은 대개 천연염료와 직물이 매염제를 매개로 결합한 복합적 형태이므로 재료별 감마선에 의한 영향 연구가 필요로 된다. 따라서, 본 연구에서는 천연염료를 대상으로 감마선을 선량별로 조사시킴에 따라 나타나는 열화 양상을 확인하였으며 이를 통해 염료에 적정한 선량 조건을 탐색하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1. 연구재료
전통 오방색 중 적색, 황색, 청색을 대상으로 각각 소목(Caesalpinia sappan Linné), 치자(Gardenia jasminoides), 쪽(Indigofera tinctoria)을 염색 재료로 선정하였다(Table 1). 소목은 폐놀계에 속하는 다색성 염료로 색소 주성분인 brazilin(C16H14O5)이 산화됨에 따라 brazilein(C16H12O5)이 되어 섬유에 착색된다. 치자의 경우 카르테노이드의 일종인 crocin이 주색소이며, 이는 crocetin에 gentiobiose가 결합된 것으로 단백질 섬유에 대한 염착성이 양호한 편이다(Cho et al., 1998). 쪽은 체내 인독실이 산화됨에 따라 색소 성분인 indigo가 만들어지며, 인독실의 산화물인 이사틴과 인독실이 반응하여 색소 성분인 indirubin이 생성된다. 천연 염색 재료는 모두 클럽실크빌(KOR)에서 분말형으로 구매하였다. 천연염료에 대한 성분 분석 시 교차 검증을 하기 위해 고순도의 brazilin(Sigma-Aldrich, USA), crocin(PhytoLab, DEU), indigo(Sigma-Aldrich, USA), indirubin(Sigma-Aldrich, USA)을 표준물질로 선정하였다.
2.2. 염료 추출 및 표준 용액 제작
염색 재료별 화학적 성질이 다르므로 온도 조건과 추출 용매를 달리하여 염료를 효과적으로 추출하고자 하였다. 천연염료는 원료 1 mg에 용매 10 ml를 넣어 추출하였고, 표준 용액은 표준물질 1 mg을 용매 10 ml에 녹여 제작하였다. 추출 온도 및 시간은 선행연구를 참고하였다(Oh and Chung, 2021). 소목과 brazilin, 치자와 crocin은 50±1.5℃에서 180분간 증류수 또는 50% 메탄올(Sigma-Aldrich, USA)에서 추출하였다. 쪽과 indigo, indirubin은 70±1.5℃에서 10분간 DMSO(Sigma-Aldrich, USA)에서 중탕하여 염료를 얻었다. 천연염료의 경우, 시린지 필터(SH13P045NL, HYUNDAI MICRO, KOR)에 주입하여 염료 내 불순물을 제거하였다(Figure 1).
추출된 염료 및 표준 용액의 명칭은 간략하게 나타내기 위해 염재료-용매로 표기하였으며 제시된 아래와 같다(Table 2).
2.3. 감마선 조사
문화재에 감마선 소독을 적용하기 전에 재질에 대한 안정성을 확보하기 위해 조사 선량을 달리하여 문화재를 이루는 재질에 적용 및 평가하는 연구가 주로 진행되어왔다. 선행연구에 따르면 한지는 50 kGy에도 물성 및 광학적 특성에 변화가 거의 없었으나, 한지에 접종된 균주는 8 kGy에서 사멸된 것으로 확인되었다. 반면 견직물은 25 kGy에서 물성과 단백질의 구조가 변화되었다(Choi et al., 2012; Geba et al., 2014). 이처럼 재질에 따라 열화되는 양상이 다르므로, 감마선이 염료에 끼칠 수 있는 영향을 파악하기 위해 선량의 범위를 넓혀 10, 25, 50 kGy로 조건을 선정하였다. 감마선 조사는 경기도 여주 소재의 Greenpia Technology(KOR)에 의뢰하였으며, 시료를 코니컬 튜브에 담아 시료 봉투에 밀봉 후 코발트 60 감마선으로 양면 회전 조사를 적용하여 시료에 균일하게 조사되도록 하였다.
2.4. 평가방법
염료별 감마선 조사에 따라 색소가 분해되는 양상을 정량적으로 파악하기 위해 색도를 측정하고 자외선-가시광선 분광분석을 적용하였다. 염료의 색소 성분이 감마선 조사량 5 kGy 조사 후 색도 및 자외선-가시광선 분광분석을 진행한 결과 다량 분해되었다고 보고된다(Zaouak et al., 2018). 이에 본 논문에서는 조사 조건 중 시료에 가장 영향을 줄 수 있는 선량 50 kGy 조사 시료를 대상으로 액체크로마토그래피-질량분석법을 실시하였다.
2.4.1. 색도
색소 분해로 인한 염료의 색상변화를 분광측색계(Colormate, Scinco, KOR)로 파악하였다. 분석대상은 석영셀(10 mm, 3.5 ml)에 담아, 측정 시 SCI로 투과모드에서 D65 광원, 관찰 각도 10°, 5회 측정하여 평균값을 도출하였다.
2.4.2. 자외선-가시광선 분광분석
염료의 전자 변이에 따른 스펙트럼 변화를 확인하기 위해 자외선-가시광선 분광광도계(Agilent 8453 UV-Vis spectrometer, Agilent Technologies, USA)를 통해 파장대 250-700 nm에서 측정시간 0.5초로 최대흡광도를 측정하였다. 분석대상은 석영셀(10 mm, 3.5 ml)에 3 ml 피펫팅하였으며 색상이 진하여 흡광도 측정이 불가한 경우 희석하여 진행하였다.
2.4.3. 액체크로마토그래피-질량분석
염료 대상 감마선 50 kGy을 조사하였을 때 나타나는 성분 변이를 확인하기 위해 액체크로마토그래피(Ultimate 3000 RS system, Thermo fisher Inc., USA) 및 질량분석기(LTQ, Thermo fisher scientific Inc., USA)를 적용하였다. 효과적인 성분 분리를 위해 고정상 컬럼은 Waters cortecs C18 (1.6 um, 2.1 × 150 mm)을 사용하였다. 이동상 용매는 증류수(0.1% 포름산 함유)와 메탄올(0.1% 포름산 함유)을 선정하였다. 시료는 5 ul 주입하였고 이동상 용매는 유속 0.2 ml/min로 하여 시간에 따른 용매별 주입량에 변화를 주었다. 성분 분리가 된 물질의 정량을 파악하기 위해 질량분석기(LTQ, Thermo fisher scientific Inc., USA)를 사용하였다. 질량분석 시, 소목과 brazilin, 치자와 crocin은 negative mode에서 ESI(electrospray ionization)으로 진행하였고 쪽은 positive mode에서 ESI를 적용하였다(Table 3).
3. 연구결과
3.1. 육안관찰
감마선 조사에 따른 염료의 변화를 육안 관찰한 결과, 소목의 경우 용매와 관계없이 옅은 색상으로 추출되어 감마선 조사선량에 따른 차이를 확인함이 어려웠다. 반면 소목의 표준물질인 brazilin은 증류수보다는 메탄올로 추출한 시편의 색상이 더 붉게 추출되었다. 증류수 추출 시료는 10 kGy로 조사한 시편부터 색상이 거의 없어졌으나, 메탄올 추출 시료는 황변되어 조사선량 25 kGy까지 색상이 잔존하고 50 kGy에서 투명해짐을 확인하였다. 치자와 표준물질인 crocin의 경우, 증류수보다 메탄올로 추출하였을 때 추출색상이 더 진한 노란색으로 나타났다. 대조군 추출물의 색상이 연하기 때문에 감마선 조사에 따라 육안적으로 관찰되는 차이는 상대적으로 크지 않았다. 쪽 염료는 DMSO로 추출하였을 때 선명한 파란색으로 추출되었다. 표준물질인 indigo의 경우 파란색으로, indirubin의 경우 선명한 보라색으로 추출되었다. 10 kGy에서 조사한 쪽과 쪽 표준물질은 연한 노란색으로 변색되었으며, 감마선 조사선량이 증가할수록 추출액의 색상이 점점 연해지는 것을 확인하였다(Table 4).
3.2. 염료 분해에 따른 색 변화
추출 용매를 달리한 염료를 대상으로 감마선 전후의 색도를 측정한 결과, 모든 시료는 감마선 조사됨에 따라 L* 값이 약 100에 근접하였다. 소목은 증류수보다 메탄올로 추출했을 때 적색(a*+)이 더 높게 나왔으며, brazilin은 적색뿐만 아니라 황색(b*+) 또한 비교적 높게 측정되었다. 감마선 조사 후에는 메탄올로 추출한 소목과 brazilin의 a* 값이 각각 2.22에서 –0.57, 63.89에서 –2.41로 급감되며, 증류수로 추출한 시료보다 더 낮은 a* 값이 확인되었다. 반면 용매에 상관없이 소목은 조사 전에는 유사한 b* 값이 측정되었으나, 조사 후에는 증류수로 추출한 시료가 더 낮게 측정되었다. 증류수로 추출한 brazilin은 조사 직후 b* 값이 24.91에서 1.23으로 급감하였으나, 메탄올 추출 시료는 25 kGy까지 약 3씩 감소하였으며 50 kGy에서 급감한 양상을 보였다(Table 5, Figure 2).
치자와 crocin을 대상으로 용매에 따른 황색도를 비교하였을 때, b* 값이 높은 순서대로 CR-DM>GA-DM>GA-D>CR-D이므로 메탄올이 증류수보다 효과적인 용매임을 수치를 통해 확인하였다. 특히 crocin의 경우, 증류수로 추출하였을 때 b* 값이 12.47인 반면 메탄올로 추출하면 50.53으로 측정되었다. 조사 후 시료를 대상으로 보면 치자와 crocin의 a* 값은 증가하다 50 kGy에서 약간 감소하는 경향을 보이며, b* 값은 증류수로 추출한 crocin을 제외하고 증가하다 50 kGy에서 감소함을 확인하였다(Table 6, Figure 3).
3.3. 분광학적 스펙트럼 양상
조사 전 증류수로 추출된 시료를 기준으로 소목은 최대흡광도(λmax)가 자외선 영역에서 281 nm, 가시광선 영역에서 447 nm, 539 nm로 확인되었다. Brazilin은 소목과 동일한 최대흡광도가 나타나지만. 스펙트럼의 폭이 비교적 좁으며 흡광도가 높게 나타났다. 메탄올로 추출한 소목 시료는 증류수로 추출한 것과 유사한 스펙트럼이 확인되지만, brazilin의 경우 전반적으로 장파장대로 이동하였는데, 특히 자외선 영역에서 최대흡광도가 288 nm로 측정되었다. 감마선 조사 후 소목 시료는 자외선 영역에서 약간의 흡광이 관찰되지만, 정확한 측정이 불가한 상태이었으며 증류수로 추출한 brazilin은 평편한 스펙트럼이 나타났다. 메탄올로 추출한 brazilin은 조건 25 kGy까지 자외-가시광선 영역에서 흡광도를 나타내며 스펙트럼이 단파장으로 점차 이동하였고, 조건 50 kGy에서는 277 nm에서만 흡광도가 확인되었다(Table 8).
치자는 추출 용매별 유사한 스펙트럼 양상을 보이지만, 증류수로 추출 시 자외-가시광선 영역(318 nm, 433 nm, 458 nm)에서 최대흡광도가 나타나고 메탄올로 추출한 것은 가시광 영역(438 nm, 466 nm)에서만 최대흡광도가 측정되었다. Crocin은 치자와 유사한 최대흡광도가 확인되었으나 농도가 진함에 따라 비교적 스펙트럼의 폭이 좁고 높은 흡광도가 나타났다. 감마선 조사 후 조건에 상관없이 모든 시료의 흡광도가 편평하게 나타남에 따라 분석이 불가하였다. 증류수로 추출한 crocin의 경우 조건 선량별에 따라 자외선 영역에서 흡광도가 감소되는 양상이 관찰되지만, 최대흡광도는 확인되지 않아 정확한 결과를 도출하기에 한계가 있다(Table 9).
쪽과 indigo는 290 nm, 336 nm, 620 nm에서 최대흡광도가 나타남에 따라 동일한 스펙트럼 양상이 관찰되었다. 반면 보라색을 띠는 indirubin은 294 nm, 365 nm, 550 nm에서 최대흡광도가 측정되었다. 감마선 조사 후 모든 시료가 10 kGy에서 최대흡광도 296∼297 nm 피크를 가지지만 선량을 높일수록 스펙트럼이 편평해지면서 피크가 불분명해졌다(Table 10).
3.4. 성분 분리를 통한 정량분석
감마선 조사 전의 염료를 대상으로 액체크로마토그래피-질량분석을 실시한 결과, 선행연구와 일치함을 확인하였다. 소목 염료는 retention time(RT) 15.55-15.56에서 m/z 285.3이 주요 피크로 확인되었으며 부수적인 피크로서 m/z 280.1과 280.2가 용매별 각기 다르게 나타났다. Brazilin은 RT 15.46-15.82에서 m/z 285.6이 주요 피크로 검출되며 부수적인 피크로 m/z 571.3이 확인되었다. 치자 염료의 경우, RT 7.47-7.56에서 m/z 533.3와 533.5가 용매에 따라 각각 검출되었다. Crocin은 증류수로 추출하였을 때 RT 7.59에서 주요 피크 m/z 533.7과 부수적인 피크로 m/z 1021.4가 검출되었다. 한편 메탄올로 추출한 경우에는 RT 7.69-8.02에서 주요 피크 m/z 533.8과 부수적인 피크로 m/z 1021.3이 확인되었다. 쪽 염료와 indigo는 RT 26.11-26.76에서 주요 피크인 m/z 263.3이 확인되지만, 다수의 피크와 노이즈가 발생하였으며 m/z 398에서 높은 강도의 부수적인 피크가 관찰된다. 반면 indirubin은 RT 29.91에서 m/z 263.3가 선명하게 확인되었다. 감마선 조사를 한 염료를 대상으로 분석한 결과, 선량 50 kGy 조사된 모든 염료에서 색소 성분이 검출되지 않아 피크가 나타나지 않았다.
4. 고찰 및 결론
본 연구는 재해⋅재난으로 피해를 받은 문화재에 대한 감마선 적용의 안정성을 평가하기 위해 감마선 조사 시의 염료별 색소 분해 정도를 가시적 및 정량적으로 파악하고자 하였다.
소목 염료 추출 시 용매를 달리한 결과, 메탄올로 추출한 염료가 보다 적색을 띠었는데 이는 소목에서 brazilin 성분을 추출할 때 극성이 덜한 용매를 사용해야 효과적이라는 선행연구와 일치하였다(Ahn, 2007). 감마선 조사 후에는 용매에 상관없이 모두 백색으로 변하였고 UV-Vis 분석 결과와 비교했을 때 소목의 농도가 대조군을 제외하고 확인되지 않아 염료가 거의 분해된 것으로 판단된다. 미량의 성분을 검출할 수 있는 LC-MS 분석을 조건 50 kGy 시료에 적용하였지만, 색소 성분이 검출되지 않아 염료의 발색단이 분해되어 염료의 성질에 변이가 생김을 확인할 수 있었다. 소목의 표준물질인 brazilin은 본래 황색소이나, 산화됨에 따라 brazilein이 되어 섬유에 적색으로 착색된다. 시료의 색상을 선명하게 관찰할 수 있는 0.1 mg/ml 농도에 추출에 효과적인 메탄올을 적용함으로써 적색소 뿐만 아니라 황색소 또한 다량 검출된 것으로 판단된다. 감마선 조사 후에도 다른 채도와 달리 황색도를 관찰할 수 있는데 이는 조사로 인해 고분자의 사슬이 끊어짐에 따라 나타나는 열화 양상이기 때문이다(Heo et al., 2002). UV-Vis 분석에서 증류수로 추출한 시료는 조사 후에 모든 스펙트럼이 편평해짐에 따라 염료 성분이 거의 분해된 것으로 확인된다. 반면 메탄올로 추출한 것은 조사선량에 따라 흡광도가 감소하며 점차 단파장으로 이동하는 양상이 나타났다. 이를 통해 메탄올로 추출한 brazilin의 콘쥬게이션(conjugation)된 이중결합의 감소 속도가 증류수로 추출한 것보다 더 느리게 진행됨을 알 수 있었다(Bruice, 2016; Oh, 2022). 그러나 조건 50 kGy 시료 대상 LC-MS 분석 결과 어떠한 성분도 검출되지 않아 염료의 색소 성분이 분해되었음을 확인하였다.
치자와 crocin은 소목과 유사하게 메탄올을 적용했을 때 황색소의 추출이 더욱 효과적임을 색도 데이터를 통해 파악할 수 있었다. 조사 전 비교적 폭이 좁았던 UV-Vis 스펙트럼은 조사됨에 따라 편평하게 변하였는데 이는 빛이 투과됨에 따라 전자전이가 발생하지 않는 것이므로 염료 내 발색단이 거의 분해된 것으로 판단된다. UV-Vis 분석보다 정밀하게 성분을 분석할 수 있는 LC-MS 분석을 50 kGy 시료에 적용하였지만, 색소 성분이 검출되지 않았으므로 색소는 감마선에 의해 완전 분해됨을 확인할 수 있었다.
쪽과 indigo, indirubin은 다른 염료와 달리 불용성이므로 DMSO 용매를 사용하여 추출을 진행하였는데 이는 인디고이드계 염료를 추출하는데 효과적인 용매로 연구된 바 있다. UV-Vis 스펙트럼에서 조사 조건 10 kGy 시료의 최대흡광도가 장파장대로 이동하는데 이는 인디고이드계 내 불포화 발색단을 포함하는 화합물이 치환됨에 따라 나타나는 결과라 할 수 있다(Bruice, 2016). 그 이상의 선량조건에서는 점차 편평해짐에 따라 흡광도가 나타나지 않아 본래의 성분이 거의 분해되었을 것으로 예상되었다. LC-MS 분석은 다른 염료와 달리 피크가 약하게 관찰되어 특정 피크를 확장하여 결과를 도출하였다. 그러나 인디고이드계 시료 또한 조건 50 kGy 시료에서 색소 성분이 검출되지 않아 해당 선량대에서 착색제로서의 색소가 완전 분해됨을 알 수 있었다.
본 연구를 통해 천연염료를 대상으로 감마선 조사를 0부터 50 kGy 선량을 조사시킴에 따라 염료는 10 kGy 이상에서 색소 성분의 분해가 이뤄져 정확한 분석이 어려움을 확인하였다. 일반적으로 충은 감마선 0.5-2 kGy, 균은 4-10 kGy에서 사멸된다는 선행연구가 있으므로(Vujcic et al., 2018), 10 kGy 이하의 저선량에 대한 염료 분해 양상을 확인하고, 색소 성분을 보존할 수 있는 감마선 조사선량 조건을 파악하여야 한다. 더 나아가 재해⋅재난이라는 응급상황에서 감마선 조사의 안정성을 확보하기 위해서는 염직물 가해 생물에 대한 제어력을 파악할 필요가 있다. 또한, 침수피해를 고려하여 수질의 종류에 따른 재질에 대한 감마선 영향을 확인하여야 한다. 이에 본 연구는 천연염료에 대한 감마선의 영향을 정량적으로 파악하고자 하였으며, 추후 염직물 대상 감마선 적용을 위한 기초 자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
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