참오동나무(Paulownia tomentosa) 목부의 생물 저항성 평가 및 추출물 탈리에 의한 인자 구명 = Evaluation of natural durability of Paulownia tomentosa xylem against bio-organisms and identification of the factors through removal of extracts

국문 초록 (Abstract)

기후변화에 따른 여러 사회적·환경적 문제로 친환경 탄소기반 재료 이용에 대한 수요가 증가하고 있는 가운데, 다공체인 목재 특성을 기반으로 다양한 기능성 재료 제조 연구들이 보고되고 있다. 특히, 비중이 낮은 수종을 원재료로 하여 화학처리를 통해 목재성분을 선택적으로 제거한 후, 다공성을 높여 기능성 고분자를 함침, 치환, 도포하는 연구들이 대표적이다.
한편, 국내 대표 속성수인 참오동나무(Paulownia tomentsoa)는 오동나무과(Paulowniaceae) 오동나무 속이며 한국, 중국, 일본에 주로 분포하고 있는 낙엽활엽 교목이다. 10년 생장으로도 목재제품으로 이용할 수 있는 장점이 있다. 특히, 국산 목재 중 전건비중이 약 0.25로 가장 가벼운 나무로도 알려져 있어, 주로 외산 수종을 사용하는 다공성 재료 연구와의 비교를 위한 국산 참오동나무의 기능성 소재화 연구가 필요한 실정이다.
참오동나무에는 내충성이 있는 리그난(lignan)류가 존재하는 것으로 보고된 바가 있으며, 주요 성분으로 paulownin과 sesamin 등이 알려져 있다. 이러한 선행연구와 더불어 참오동나무의 전수활용을 위한 목적으로 본 연구에서는 다공체 제조를 위한 목재 세포벽 성분의 제거 단계 전, 추출물의 탈리 공정 도입에 대한 기초 자료 확보를 위해 연구를 수행하고자 하였다. 상세히는 참오동나무 목부를 변재부와 심재부로 구분하여 생물 저항성(내후성 및 내의성)을 평가 한 후, 추출물 탈리에 따른 인자 구명을 통해 참오동나무 활용을 위한 기초 근거자료를 확보하고자 하였다.
이에 대한 결과로, 변재 및 심재부 모두 hexane 및 chloroform 용매 분획물에서 부후균, 표면오염균에 대한 저항 효과가 나타났다. 부위에 따라 추출물질의 함량 차는 존재하였으나, 참오동나무 목부 내 paulownin과 sesamin이 주요 물질로 확인되었고, 이러한 물질을 제거한 목재 내후성 및 내의성 평가에서 질량 감소율이 높게 나타나 추출물질의 미생물 저항 효과 근거를 제시할 수 있었다.
한편, 일반적으로 목재 심재부에 추출물이 주로 존재하여 심재부 생물 저항성이 높은 것으로 알려진 바와 달리, 참오동나무 목부의 경우 변재부의 생물 저항성이 높은 것으로 나타났으며, 추출물 탈리에 의해서도 변재부의 저항성이 높은 것으로 분석되었다. 이를 통해 추출성분의 존재뿐 아니라 참오동나무의 세포벽 특성에 의한 생물 저항성 근거 제시가 중요한 것으로 판단되었다. 최종적으로, 본 연구 결과는 참오동나무 목부 내 유효 성분 이용과 더불어 다공성 재료에 대한 심화된 연구로서의 가치있는 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

While the demand for the use of bio- and carbon-based materials is increasing due to social and environmental problems caused by climate change, many researches have boosted up to use wood and wood-derived products.
Paulownia tomentsoa, ​​a representative tree in South Korea, is a genus of paulownia of the Paulowniaceae family and is a deciduous tree mainly distributed in Korea, China, and Japan. It has a advantage of being used as wood products after 10 years of growth and it is known as the lightest tree with a dry weight of about 0.25 among Korean trees. By using the species as porous materials, it is more easy to make functional materials through some chemical modification such as impregnation with a polymer, substitution with chemicals, physical compression.
For the purpose of the total utilization of Paulownia trees, this study aimed to collect basic data on the necessity of introducing extraction process of wood (xylem) extracts before chemical modification to improve porosity in woods. In detail, we wanted to evaluate the durability against bio-organisms (fungi, molds, and insects) of the wood itself (dividing heartwood and sapwood) according to the presence or content of the extract, and next to find active substances with antimicrobial effect from the wood extracts. Fungal and termite resistance tests were conducted to demonstrate the importance of the wood extracts. In addition, after solvent fractionation of the wood extracts, antimicrobial test were performed according to the types of fungus and mold. Quantitative and qualitative analysis of active substances for the fractions with antimicrobial efficacy were also conducted.
As a result the research, the weight losses of wood specimens dramatically increased after fungal and termite resistant test by removal of extracts from xylem. In particular, the hexane and chloroform solvent fractions of extracts from both sapwood and heartwood showed resistance to fungi and molds. The main compounds with the antimicrobial effects were identified as paulownin and sesamin, and there were differences in extract content depending on the wood part.
Generally, It is known that extracts are mainly present in the heartwood and they have higher resistance to bioorganisms compared to those in sapwood. In case of the xylem of the Paulownia tree used in this study, however, natural durability against to bio-organisms is higher in the sapwood regardless of presence of the extracts. Thus, it was judged that not only the extracts but also inherent cell wall structure of woods is very important to determine the natural durability of each wood.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 연구사 3
• Ⅲ. 참오동나무 변·심재 추출물 탈리에 따른 내후 및 내의성 평가 7
• 1. 서론 7
• 2. 재료 및 방법 8
• 2.1. 공시재료 8
• 2.2. 내후성 시험 8
• 2.2.1. 시편제작 8
• 2.2.2. 균 배양 8
• 2.2.3. 내후성 시험 8
• 2.2.4. 주사전자현미경 분석 9
• 2.2.5. FT-IR 분석 9
• 2.3. 내의성 시험 10
• 2.3.1. 시편 제작 10
• 2.3.2. 내의성 시험 10
• 3. 결과 및 고찰 11
• 3.1 내후성 시험 11
• 3.1.1. 중량감소율 11
• 3.1.2. 세포벽 변화 14
• 3.1.3. 관능기 변화 18
• 3.2. 내의성 시험 22
• 3.2.1. 중량감소율 22
• 3.2.2. 사충률 24
• 4. 결론 25
• Ⅳ. 참오동나무 변·심재 추출물의 항미생물 평가 및 유효성분 분석 26
• 1. 서론 26
• 2. 재료 및 방법 27
• 2.1. 공시재료 27
• 2.2. 조추출물의 조제 및 용매분획 27
• 2.3. 박층크로마토그래피(Thin layer chromatography, TLC) 27
• 2.4. 항미생물 평가 29
• 2.4.1. 공시균주 29
• 2.4.2. 항미생물 평가 29
• 2.5. GC-MS 분석 29
• 2.6 GC 분석 30
• 3. 결과 및 고찰 31
• 3.1. 추출성분 함량 31
• 3.2. 박층크로마토그래피 33
• 3.3. 항미생물 평가 34
• 3.4. 정성 분석 40
• 3.5. 정량 분석 45
• 4. 결론 50
• Ⅴ. 결론 51
• □ 참고문헌 53
• □ Abstract 57