색소 추출은 홍차 50g을 증류수 1,000ml에 넣고 80℃에서 60분 간 2회에 걸쳐 행하였다. 홍차 색소 추출액은 Evaporator(Rotary Evaporator Re 200, Yammamoto, Japan)를 사용, 70℃에서 감압 농축하여 농축액을 얻었다.

홍차 농축액을 이용한 견직물 염색 시 최적 조건에 따라 액비 1:100으로 홍차 염액의 농도 1%(o.w.b.), 염색 시간 1시간, 염색 온도 90℃로 설정하여 염색기(Dyeing machine, DLS-6000, DaeLim Starlet Co., Ltd., Korea) 를 사용하여 염색하였다.

라카아제 촉매 활성은 Fig. 1과 같이 (a)일욕법, (b)이욕법으로 처리하였고, 라카아제 촉매 활성 조건별 색상은 액비 1:100으로 라카아제 매염 온도(40, 50, 60, 70℃), 매염 시간(1, 2, 3, 4, 5, 10시간)을 변화시켜 평가하였다. 라카아제 촉매 활성에 의한 매염효과와 화학매염제의 매염효과를 비교하기 위하여 Al, Cu, Fe 1%(o.w.f.)로 (Seo & Shin, 1998), 라카아제 최적 매염 온도 및 시간과 같은 조건에서 후매염처리하였다.

Fig. 1. 
Dyeing process of (a) one-bath mordanting and (b) two-bath mordanting.

본 연구에서 사용된 라카아제 활성도 측정은 선행연구에서 보고된 방법으로 ABTS를 기질로 하여 평가하였다. 라카아제 촉매활성 반응은 라카아제 기질인 ABTS(5mM)를 라카아제 효소 용액(0.03%(w/v))을 100배 희석하여 반응시켰다. 반응액은 자외가시선분광광도계(UV-visible spectroscopy, Synergy Mx, Shimadzu, Japan)를 사용해 420nm에서 1분 단위로 10회 측정하였다. 라카아제 촉매 활성도는 Beer’s Law 식에 의하여 다음과 같이 계산하였다(Manole et al., 2008; Tavares et al., 2008).

• ΔOD = change in absorbance per minute
• ε = molar absorptivity of product
• d = path length of light through sample
• V = volume
• 10⁶ = conversion from mol/L to μmol/L
• U/ml = μmol/min/ml

라카아제 매염 유무에 따른 색상 평가는 분광측색계(CM-2600d, Spectra Magic NX, Korea, 이하 CCM이라 함)을 사용해 K/S값을 측정하여 염착량으로 평가하였다.

• K/S = (1-R)² / 2R
• K : Absorption coefficient
• S : Scattering coefficient
• R : Reflectance coefficient

표면색은 CCM을 사용하여 시료의 X, Y, Z값을 측정하고, 미처리포, 홍차 추출액 염색포, 매염제 처리포들의 색상변화를 측정하기 위하여 Munsell 표색계 H,V/C, Hunter의 L^*,a^*,b^*를 산출하였다.

세탁견뢰도는 Launder-O-meter(Koa Shokai Ltd, Kyoto, Japan)를 사용하여 KS K ISO 105-C01에 준하여 측정하였다. 표준 백포로는 다섬교직포를 사용하였다.

Fig. 2는 라카아제 촉매 활성 시 일욕, 이욕 처리가 홍차 염색물의 발색성에 미치는 영향에 대한 결과이다. 그림에 나타난 바와 같이 무매염에 비해 라카아제 처리 시 염색물의 K/S값이 향상되었다. 특히 일욕법에 의한 처리 시, 홍차의 폴리페놀계 성분에 대한 라카아제의 촉매활성이 보다 우수하여, 무매염 시 보다는 1.8배, 이욕법에 의한 처리 시보다는 1.65배 향상되었다. 이는 일욕법으로 라카아제 처리 시, 홍차의 페놀계 수산기가 산화의 첫 단계로 중간체를 만들고, 일부 중간체는 라카아제와 공유결합을 유도해 라카아제가 견과 페놀계 염료 사이의 결합력을 향상시키기 때문에 많은 양이 견에 흡수되기 때문이라고 판단된다(Yuan et al., 2017). 따라서 홍차의 페놀계 염색 시, 라카아제 촉매활성은 일욕법에 의한 처리가 효과적인 것으로 확인되었다.

Fig. 2. 
K/S value of black tea dyed samples by various laccase-catalyzed conditions. (a) non-mordanting (liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and without mordant 3hr at 50℃); (b) post-mordanting(one-bath) (liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and laccase 0.03%(w/v) for 3hr at 50℃); (c) post-mordanting(two-bath) (liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and liquor ratio 1:100, laccase 0.03%(w/v) for 3hr at 50℃)

Table 3는 라카아제를 매염제로 이용한 촉매 활성 시 L^*, a^*, b^*값과 H, V, C값 결과이다. 라카아제 일욕법 및 이욕법 매염처리에 의한 견섬유의 L^*값은 무매염에 비해 감소되어 라카아제가 촉매 중합 반응에 의해 색상이 진하게 발색됨이 확인되었다. 매염 시 a^*값과 b^*값은 무매염과 동일한 +a, +b(red-yellow) 영역에 있지만 일욕법의 경우 그 값이 현저히 증가하여 브라운 계열의 색상을 얻었다.

일욕법과 이욕법으로 라카아제 촉매 활성 시 견섬유의 V값은 무매염에 비해 낮아져 명도가 낮아지는 것으로 나타났으며, C값은 무매염에 비해 증가되어 채도가 높아지는 것으로 나타났다.

Table 3을 통해서 라카아제 촉매활성에 의해 홍차 염색물은 색상이 진해지고 선명해짐을 확인하였다. 또한 일욕법으로 처리 시 라카아제 촉매 활성이 촉진되어 이욕법으로 처리 시보다 효과적임을 확인하였다. 따라서, 라카아제 촉매 활성 조건은 일욕법에 의한 처리로 진행하였다.

Fig. 3. 
Coloration of black tea dyed samples by various laccase-catalyzed conditions. (a) non-mordanting (liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and without mordant 3hr at 50℃); (b) post-mordanting( one-bath) (liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and laccase 0.03%(w/v) for 3hr at 50℃); (c) post-mordanting(two-bath) (liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and liquor ratio 1:100, laccase 0.03%(w/v) for 3hr at 50℃)

효소 처리 시 최적 온도 설정은 효소 단백질 변성에 영향을 미치는 주요한 요인이다(Cavaco-Paulo & Gubitz, 2003). Fig. 4는 홍차염색물의 라카아제 촉매 활성 시 온도 변화에 따른 표면색 값 결과이다. 비교 결과, 라카아제 촉매 활성 그래프는 포물선 형태로 일반적인 효소 활성 그래프와 유사한 형태로 나타났으며, 50℃에서 라카아제 촉매 활성 시 가장 높은 K/S값이 확인되었다. 효소에 의해 촉진되는 반응은 일반적으로 온도가 높아질수록 반응속도가 빨라진다(Cavaco-Paulo & Gubitz, 2003). 이는 온도의 상승과 더불어 섬유가 팽윤되어 염액과 효소의 분자운동이 활발해져 분자의 섬유 내 확산이 활발해지기 때문이다(Sun & Tang, 2013). 그러나 효소의 주성분은 단백질이기 때문에 한계점에 다다르면 열에 의해 구조가 변성되어 활성이 낮아지거나(Cavaco-Paulo & Gubitz, 2003; Song et al., 2009), 기능이 저하되는 경향이 있다. 따라서 50℃ 이후 K/S값이 감소하는 이유는, 50℃ 이상의 온도부터는 라카아제의 활성이 저하되기 때문이라고 판단된다(Murugesan et al., 2007). 이는 온도 상승에 의한 라카아제의 변성의 이유로 라카아제 최적 활성 온도가 40~50℃라고 보고된 결과(Hadzhiyska et al., 2006; Sun & Tang, 2013)와 일치한다.

Fig. 4. 
K/S value of black tea dyed samples by various laccase-catalyzed temperatures (liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and laccase 0.03%(w/v) for 3hr at 40, 50, 60, 70℃).

Table 4는 라카아제를 매염제로 이용한 촉매 활성 시, 매염 온도에 따른 L^*, a^*, b^*값과 H, V, C값 결과이다. 라카아제 후 매염에 의한 견섬유의 a^*와 b^*값은 +a, +b(red-yellow)영역에 있고, 평균적으로 a^*값은 10내외, b^*값은 21~23정도로 브라운 계열의 색상을 확인했다.

Fig. 5. 
Coloration of black tea dyed samples by various laccase-catalyzed temperatures (liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and laccase 0.03%(w/v) for 3hr at 40, 50, 60, 70℃).

Fig. 6은 라카아제를 이용한 촉매 활성 시, 촉매 활성 시간 변화에 따른 홍차 염색물의 K/S값 측정 결과이다. 라카아제 촉매 활성 처리 시, K/S값은 촉매 활성 시간이 증가함에 따라 증가하여 3시간 활성 시 홍차 염색물의 K/S값이 가장 높게 나타났다. 3시간 활성 이후 염색성이 감소하는 이유는 라카아제의 특성에 기인한다. 라카아제 효소를 이용한 촉매 활성은 최적 시간 이후에는 라카아제의 촉매 활성 반응 이외에 환원 반응이 경쟁적으로 발현되어 염료의 가수분해 촉진으로 염착성을 떨어뜨리기 때문이다(Bai et al., 2016; Cavaco-Paulo & Gubitz, 2003).

Fig. 6. 
K/S value of black tea dyed samples by various laccase-catalyzed times (liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and laccase 0.03%(w/v) for 1,2,3,4,5,10hr at 50℃).

Table 5는 라카아제를 촉매 활성 시간 변화에 따른 페놀계 염색물의 L^*, a^*, b^*값과 H, V, C값 결과이다. L^*값은 시간이 지남에 따라 서서히 낮아지다가 3시간 이후부터는 다시 증가해 3시간에서 색상이 가장 진하게 발색되었음을 확인하였다.

따라서 본 연구에서 사용된 홍차를 이용한 천연염색 시 라카아제 촉매 활성 조건은 일욕법, 활성 온도 50℃, 활성 시간은 3시간으로 처리 시에 홍차 염색물의 표면 색상이 가장 진하게 발색됨을 확인하였다.

Fig. 7. 
K/S value of black tea dyed samples by various laccase-catalyzed times (liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and laccase 0.03%(w/v) for 1,2,3,4,5,10hr at 50℃).

Fig. 8은 본 연구에서 제안한 라카아제 촉매 활성 시 색상 변화를 비교하기 위해 일반적으로 사용되는 합성매염제(알루미늄, 구리, 철)와 K/S값 비교 결과이다. 라카아제 촉매 활성에 의한 홍차 염색물의 K/S값은 알루미늄 매염 시보다 약 1.2배 우수하였고 구리와 철 매염 시와는 유사하게 나타났다. 구리와 철 매염은 테아플라빈을 다량 함유한 홍차의 카테콜 퀴논기가 철이나 구리와 결합하면 킬레이트를 형성해 염착량을 향상시켜 색상이 진하게 발현된다고 보고되었다(Seo & Shin, 1998). 따라서 라카아제 촉매 활성에 의한 천연염색물의 K/S값은 기존 합성 매염제인 구리와 철만큰 진하게 발색됨을 확인하였다.

Fig. 8. 
K/S value of black tea dyed samples by different mordants (Al, Cu, Fe: liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and 1%(o.w.f.) mordanting for 3hr at 50℃; Laccase: liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and laccase 0.03%(w/v) mordanting for 3hr at 40, 50, 60, 70℃).

Table 6은 라카아제 촉매 활성과 알루미늄, 구리, 철 매염 시, 홍차 염색물의 L^*, a^*, b^*값과 H, V, C값 비교 결과이다. 라카아제 촉매 활성 시 색상은 브라운 계열로 나타났다. 알루미늄과 구리 매염 시 색상은 라카아제와 유사한 브라운 계열이며, 철 매염 시에는 명도와 채도가 모두 낮은 검정에 가까운 브라운으로 발색되었다.

Fig. 9. 
Coloration of black tea dyed samples by different mordants (Al, Cu, Fe: liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and 1%(o.w.f.) mordanting for 3hr at 50℃; Laccase: liquor ratio 1:100, 1%(o.w.b.) dyeing for 1hr at 90℃ and laccase 0.03%(w/v) mordanting for 3hr at 50℃).

라카아제 촉매 활성된 홍차 염색물의 견뢰도는 알루미늄, 구리, 철로 매염 처리 된 홍차 염색물과 비교하였다(Table 7). 홍차 견직물의 라카아제 촉매 활성에 따른 세탁견뢰도는 라카아제 처리하지 않은 견직물이나 처리한 견직물 모두 오염과 변퇴 4~5등급으로 전반적으로 우수한 견뢰도를 보였다. 홍차 염색물의 페놀계 염색물은 염색견뢰도가 우수한 편으로, 이는 홍차의 주요 색소인 테아플라빈 성분의 카복실기와 견섬유 내의 아민기 사이의 이온 또는 수소결합에 의해 견섬유에 대한 홍차 색소의 염착이 우수하다는 선행연구의 결과와 일치한다(Seo & Shin, 1998). 라카아제 촉매 활성에 의해 발색된 홍차 염색물의 세탁견뢰도는 무매염포에 비해 표면색상이 농색으로 발색되어도 우수한 세탁견뢰도를 유지하였다. 또한 라카아제에 의해 발색된 염색물은 합성매염제로 매염 처리 시와 비교하여 변퇴색이 4~5등급으로 매우 우수하였다.

따라서 라카아제 촉매 활성 시, 홍차의 염색물은 발색된 색상이 세탁견뢰도 실험에 사용된 세제 등에 의해 변색되지 않고 내구성이 있음이 확인되었다.