미셀(micelle)

양친매성 물질을 극성용매(대표적으로 물)에 녹이면 어느 정도 이상에서 친수기(극성기)를 밖으로 친유기를 안으로 하여 친유성기(비극성기)의 핵을 만들며 회합된다.

셀 내부는 친유성기고 외부는 친수성기로 소수성 물질을 물에 분산시킬 수 있다. 대표적으로 계면 활성제가 미셀을 형성하는데 미셀은 어느 특정농도에서 돌연 나타난다. 미셀이 나타나는 농도를 임계미셀농도라고 한다.

일반적으로 비극성분자 지질,향료, 항균물질, 항상화제, 비타민 등 수용성이없는 성분을 캡슐화 할 수 있다. 제약 업계에서 사용되고 있지만, 최근 식품 업계에서도 크게 각광 받고 있다.

나노에멀젼(nanoemulsion)

기능성을 갖는 1 ㎛ 이하 크기의 입자로 이루어진에멀젼을 말한다(대체로 100-200 nm). 이러한 RPS는 입자의 크기와 오일상과 연속상 사이의 굴절율 차이에 의해 투명하거나 반투명하게 보인다. 나노에멀젼은 열역학적으로 안정한 마이크로에멸전(microemulsion)과 구별되어야 하며 투명 또는 반투명하고 크기는 5-50nm이다.

O/W 단일 나노에멀젼(single nanoemulsion)은 다양한 생리활성 지질성분의 생체 전달시스템과 캡슐화에 활용할 수 있는데, 예를 들면 ω-3 지방산의캡슐화 및 우유, 요구르트, 아이스크림 등에 있어서 유용성분의 포접(incorporating)을 통한 체내 전달시스템으로 이용될 수 있다. 이러한 나노에멀젼을 이용한 전달 시스템은 기름입자 내부의 불포화지방산의 산화방지에도 효과가 있다.

다층 나노에멀젼(multilayer O/W nanoemulsion)은 유화제나 biopolymer 등으로 이루어진 nano-laminated 경계층에 의해 감싸진 각각의 작은 기름입자들을 물 입자 속으로 균질화시킴으로서 제조할 수 있다. 다층 나노에멀젼은 경계층의 구성 성분과 특성을 조절하여 외부 환경에 대한 물리적인 안정성과 캡슐화된 성분의 화학적인 안정성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 다층 나노에멀젼은 단일 나노에멀젼 에 비하여 특히 냉동 및 해동, 열처리, 고농도의 칼슘 등과같은 조건에서 보다 큰 안정성을 보인다.

리포좀(liposome)

내부에는 친수성의 공간이 있으며 외부로는 닫힌이중의 지질막을 가지고 있는 미세 소포체를 말한다. 리포좀 중 10 nm 에서 100 nm 크기의 리포좀을 나노좀(nanosome)이라고 한다.

식품 분야 보다는 의약분야에서 나노기술과 약물을 결합시킨 나노리포좀 의약이 주로 연구 되어 왔다. 하지만 최근에는 식품산업 분야에서도 나노리포좀을 응용하기 시작했다. 나노리포좀은 식품분야에서 코팅기술에 많이 활용되고 있는데, 최저의 상태에서 혹은 주변식품 환경으로부터의 방해와 변성을 방지 또는 보호할 수 있는 기능이 있어, 식품 시스템의 특정 부분에 타겟 물질을 전달 할수 있는 능력에 활용하고 있다. 특히 식품산업 분야에서는 치즈의 숙성시간 단축, 지용성 및 수용성 비타민, 항산화제 등의 수용성 및 지용성 물질 코팅 제품, 생리활성 물질이 포집된 리포좀의 우유 내 첨가를 통한 영양 강화유 개발 등에 응용된 바 있다.

또한, 공정시간의 단축과 영양 품질을 강화시키는데 사용될 뿐만 아니라 제품 소화에도 도움이 된다. 식품 보존제의캡슐화로 인한 병원성 미생물 및 부패 미생물의 성장을 방지하는 잠재력 또한 가지고 있다. 실질적으로는화장품 분야에서 많이 응용되고 있으며 나노리포좀의 이화학적 특성 및 제조방법이 정립되면 제도화 관리 영역이 더욱 넓어질 것으로 사료된다.

고체 지질 나노입자(solid lipid nanoparticle)

Solid lipid nanoparticle이란 상온에서 지질을 약물과혼합하여 균일한 상을 제조하고 이를 수용액에 분산시켜 약물이 지질 결정사이에 고체 용액상으로 존재하는 구조체이다.

지질의 농도, 유화 안정제의 농도,결정화 온도 등을 조절하여 코어물질 로딩 및 적절한 크기의 지질 결정을 유도하며 초음파 분산기, 초고압균질기 장비의 파워, 속도, 처리시간 조절을 통한 지질 나노입자의 크기를 제어한다.

생체 내에 존재하는 물질인 인지질, 지질 그리고 콜레스테롤 등을 사용하기 때문에 생체 이용률 및 친화도가 높으며, 약물의방출 및 제어가 가능하며 효소 등에 의한 분해에 대해서 높은 안정성을 가지는 입자성 약물전달체로 많이 이용된다.지용성 물질을 포집하여 분산성을 향상시켜주고 효율적으로 입자 응집을 방지한다. 유기용매 같은 생독성 운반체 없이 지용성과 친수성 약물의 방출 특성을 제어할 수 있고 표적한 곳에서 약물을 방출할 수 있다.

식품/건강 기능 식품에 적용되는 나노기술

나노기술이 적용된 일반 식품은 유제품, 시리얼, 빵, 음료수 등으로써 현재 비타민, 미네랄(철, 마그네슘, 아연 등), 생균제(probiotics), 생물활성펩타이드, 항산화제, 식물성 스테롤(plant sterol),콩 등으로 강화되고 있다. 이러한 활성성분의 일부는 현재 나노입자로서 식품에 첨가되고 있으며,비타민, 지방산을 포함한 나노캡슐화 활성 성분들이 음료, 고기, 치즈 등의 가공과 보존에 사용할 목적으로 현재 상업적 판매가 되고 있다.

기능성 식품에서 나노기술은 활용 방면 측면이 매우 다양하다. 나노기술을 이용하면 천연추출물이나약물 비타민, 항산화 물질, 향료, 색소 등의 기능성 물질들을 캡슐화 하여 빛, 산소, 수분, 온도 등의 외부 요인으로부터 보호를 받을 수 있다. 또한 가공 및 유통과정에서 손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 저장성도 높아질 수 있다. 전달체 시스템을 이용하면 기능성 물질을 섭취한 후 체내에서 이용될 때까지 기능성성분을 보호할 뿐만 아니 방출속도를 조절하거나표적 전달 시스템으로서 활용될 수 있다.

미셀과 리포좀은 향미 증진제, 산화 방지제, 코엔자임 Q10, 비타민, 미네랄, 활성 성분, 단백질, 효소, 항균 성분 등의 전달체 역할을 할 수 있다. 폴리페놀과 같은 활성성분 물질을 캡슐화 하는 것은 산화를 방지할 수 있고 식품에서의 불쾌한 맛을 최소화 시킬 수 있다. 우유나 유청단백질로부터 얻은 나노구조체는 겔화제나 활성성분 혹은 물질 전달체로서 사용될 수 있다.

식품첨가물

나노입자는 영양분의 전달 기능 외에도 식품 가공시 유동성, 색깔, 안정성을 향상 시키거나 유통기간의연장을 위해서 나노입자들이 가공보조제로 많은 식품에 의도적으로 첨가되고 있다.

예컨대, 알루미노 실리케이트(alumino-silicate)는 과립 또는 분말 가공 식품에서 고결 방지제(anti-caking agent)로서 흔히 사용되고있으며, 아나타제 이산화티타늄은 통상의 식품 미백제 및 증백제로서 과자, 치즈 및 소스에 사용되고 있다.

현재 식품에서의 사용이 증가 하고 있는 활성성분,영양강화 첨가제를 함유한 나노캡슐은 최근까지 마이크로 캡슐화된 식품에 주로 첨가되어 왔지만, 현재는 효능을 높이기 위해 수천 배나 작은 나노캡슐로 생산되고 있다. 영양강화 첨가제 성분의 유효성은 생체이용률에 따라 다르며, 나노크기 또는 나노캡슐화된 활성 성분은 마이크로 캡슐화된 것에 비해 생체이용률, 용해도, 효능의 향상을 가져온다.

나노기술이 적용된 식품 첨가물은 식품 고유의 맛과 향을 증진시킬 뿐만 아니라 특정한 맛을 차단 시킬 수 있고 음료와 같은 제품의 투명성 및 저장기간을 향상할 수 있다.

식품 원료를 캡슐화 하는 것은변질되기 쉬운 물질을 외부 환경으로부터 보호하고 가공 유통 저장 중에 식품소재간의 화학적 생물학적 반응을 최소화하는 물질로서 쓰일 수 있다. 식품소재 중 시간에 따라 지속적인 방출이 필요한 물질이라든지, 일정시간 동안 보호하다 특정 지점에서 방출이 필요한 물질, 그리고 용매 및 외부환경으로부터 보호가 필요한 물질은 나노기술을 통하여 해결할 수 있다.

지금까지 향료와 같은 대부분의 액상소재는 제과 제빵 믹스나 음료 믹스 등 다양한 식품에서의 가공이 어려워 이용에 한계가 있었다. 하지만 나노기술을 이용한 식품소재의 캡슐화를 통하여 액상소재를 분말화 하면 이러한 한계를 극복하고 다양한 식품에 적용할 수 있게 된다.

식품포장에 사용되는 나노기술

나노기술을 이용한 식품포장은 기존의 식품포장의 한계점을 극복할 수 있다. 기존의 나노기술 중포장분야에 쉽게 응용되고 있는 것이 고분자 나노컴포지트(polymer nanocomposite)이다.

나노컴포지트는 포장재료용 고분자를 판상이나 섬유상 또는입자상의 구조를 갖는 nm 크기의 입자로 강화시킨 복합물질이다(16, 17). 이와 같이 나노입자가 균일하게 분산되어 형성된 나노컴포지트는 5% 이하의적은 첨가량에서도 순수한 고분자에 비해 물리적인 강도가 증가하고, 열적 특성과 광학적 특성이 우수하고, 기체투과도가 감소하는 등의 우수한 특성 을 나타내어 포장용 소재로서 바람직한 물성을 갖는 것으로 알려져 있다.

TiO2, 나노점토, SiO2,등을 이용한 나노복합체, 나노입자 식품 포장재는 탈취, 자외선 차단, 투과성및 내열 특성을 개선시킬 수 있다. 또한 외부물질이나 세균, 곰팡이 등으로부터 식품을 보호할 수 있다. 나노 형태의 TiO2는 이미 투명성을 이용한 플라스틱 용기나 호일 포장재 로서 이미 많은 회사에 판매 되고 있다.

나일론 나노복합체는 신선상태 유지및 악취 방지, 산소 및 이산화탄소 차단력이 높기 때문에 맥주 PET병 등 다양한 알코올 음료용기로 사용 된다. 또한, 항곰팡이제나 항균물질을 가지고있는 나노입자를 식품포장에 활용하여 기존식품의 저장성을 높일 수 있다.

최근에 식품용 나노포장재는 소비자들이 식품에 대한 정보를 알기 쉽게 하도록 한 스마트 포장기술이 활발히 개발되고 있다. 그 예로, 식품포장재에 형광 나노 입자를 이용하거나 전기화학적 나노센서를 이용하여 화학물질이나 식품의 병원균 및 유해 물질을 검출할 수 있다. 또한 식품의 최적온도,수분, 조리 시간을 모니터링 하는 생분해성 나노센서를 식품 포장재로서 활용할 수도 있다.