화장품이란 신체를 청결하고 아름답게 하여 매력을 높이고 용안을 변화시키기 위해 또는 모발을 부드럽게 유지하기 위해 신체에 도포, 산포 그 외에 이들과 유사한 방법으로 사용되는 것을 목적으로 하는 물질을 말한다. 즉 화장품은 장기적으로 사용하여 피부나 모발의 상태를 개선하는 것이 목적으로 의약품과 같이 강한 효과가 있는 것은 아니다. 화장품의 7대 기능으로는 피부보습, 항산화, 자외선 보호, 주름개선, 미백, 여드름 방지, 발모 및 방향효과가 있으며, 최근에는 먹는 화장품(nutricosmetics)이 등장하면서 화장품과 식품의 경계가 모호해졌다. 또한, 생명과학의 유전자 조작 및 바이오 공정기술의 발전과 천연 유용물질 자원 탐색 기술의 진보 등으로 바이오 화장품이 제약 및 식품 영역까지 확장되고 있다.

천연물 추출 또는 바이오 공정을 통해 얻은 피부 친화적 생체분자를 함유하여 피부 노화방지, 미백 등의 기능성을 강조시킨 화장품을 기능성 바이오 화장품이라고 한다. 이것은 미용 위주의 화학 화장품과 달리 기능성이 추가되어 화장품(cosmetic)과 의약품(pharmaceuticals)의 합성어인 ‘코스메슈티컬(cosmeceuticals)’로 불린다. 기능성 화장품의 대표적인 예로, 해조류를 중심으로 한 해양 생물 성분이 우수한 화장품용 소재로 활용되고 있다. 현재 화장품 소재로 활용되고 있는 해양 유래 성분을 표1에 나타내었다.

표1. 해양 유래 화장품 원료

일본에서 지난 20년간 해조, 해수 건조물 등 ‘바다’ 관련 성분이 화장품 성분 청구 항목에 포함된 특허 건수를 조사한 결과에 따르면, 2000년대부터 해양 성분을 화장품으로 활용하려는 시도가 급증했다. 광우병 및 조류 인플루엔자로 인해 포유류와 조류 유래 원료를 기피하는 경향이 높아지기 시작하면서 해양성분이 화장품의 새로운 소재원으로의 주목받기 시작했다. 화장품 소재로 가장 많이 사용되는 것은 해조류이며, 이 외에 해수 건조물(해염)과 바다진흙도 사용된다. 해양 생물 원료별 효과와 작용은 아래 표2와 같다.

표2. 공개 특허로 본 해양 성분의 효과

특히 해조에서 추출된 다당류 및 한천, 알긴산, 카라기난, 키틴, 키토산 등은 지속적으로 새로운 기능성이 밝혀지면서 응용 분야도 점차 넓어질 것으로 예상된다. 그 중 알긴산은 다시마, 미역, 모자반, 톳 등의 갈조류에서 점성을 나타내는 성분이다. 이 물질들은 현재 화장품에서 천연 증점제로 사용되고 있으며, 갈락토오스와 무수갈락토오스로 구성된 산성 다당류인 카라기난은 안정제나 분산제로 사용되고 있다.

환경오염으로 오존층이 파괴됨에 따라 지표에 도달하는 자외선량이 급속히 증가하고 있으며, 이것은 우리의 피부 건강을 위협하고 있다. 자외선은 가시광선의 자색보다 짧은 광선이란 의미에서 약어로 UV(ultra violet)라 하며, 파장이 긴 자외선 UV A(320~400nm), 파장이 중간인 자외선 UV B(280~320nm), 파장이 짧은 자외선 UV C(200~280nm)로 나뉜다. 이 중, UV A는 짧은 파장의 고에너지 광선으로 단시간에 표피와 진피 상부에 침투하여 피부 홍반, 일광 화상(sunburn:피부를 빨갛게 그을리는 현상), 화끈거림, 물집, 발진을 일으키며, 그로부터 수일 후에 멜라닌 색소를 증가시켜 피부에 색소 침착을 일으킨다. 또한, 콜라겐과 엘라스틴을 변형시켜 탄력을 감소시킴으로써 피부 노화를 유발하고 광과민성 피부병 발병에도 관여한다.

제주대 전유진 교수팀은 동물 실험 및 임상 검사를 통해 해조류 추출물에서 분리한 디에콜(dieckol)이 우수한 자외선 차단 효과를 가지고 있음을 입증했다. 아래 사진1 (A)에 나타난 바와 같이, 혈액 림프구 세포에 자외선을 처리하면 세포가 손상을 입어 정상적인 구형 형태의 세포와 달리 세포의 꼬리 모양이 길게 나타나는 것을 볼 수 있다. 여기에 감태의 폴리페놀 추출물 중의 하나인 디에콜을 함께 처리한 후 자외선을 조사하였더니 세포가 거의 손상되지 않아 디에콜이 세포에 조사한 자외선을 차단한다는 사실을 알 수 있었다. 또한 쥐를 대상으로 동물실험을 실시한 결과 사진1 (B)와 같이 해조에서 추출한 디에콜을 도포한 부위에서는 비도포군에 비해 자외선 조사에 의한 홍반이나 부종이 나타나지 않아 감태 추출물이 자외선 차단에 효과가 있음을 확인하였다.

사진 1. 림프구 세포에서 자외선 처리에 의한 디에콜의 세포보호 효과(A)와 쥐를 대상으로 하는 동물모델에서 디에콜의 자외선 차단 효과(B).

위 실험결과에 의거하여 감태에서 추출한 디에콜을 화장품 적용 농도의 100~1,000배에 달하는 0.5~1% 농도로 자외선 차단 시제품을 만들어 인체 피부 일차 자극 실험을 수행한 결과, 최소 자극 범주 내에서만 자극이 관찰되었다. 이 외에 따가움, 가려움과 같은 주관적 자극감도 수반하지 않았다. 이는 디에콜 성분이 피부를 자극하지 않는 아주 안전한 소재로 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 제품에 적용하였을 때에는 더욱 낮은 최소 자극 이하의 자극을 나타낼 것으로 보여 디에콜은 효과가 좋고 피부에 안전한 자외선 차단제로서 활용가치가 클 것으로 보인다.

기존에 활용되지 않았던 해양 생물 자원인 괭생이모자반 추출물은 천연물로서 피부에 부작용 없이 안전하며 주름개선 효과도 있어 기능성 화장품 소재로서의 활용이 기대된다.

한편, 필자는 사람의 피부세포를 이용하여 분자량 크기가 서로 다른 키토산 올리고당이 기질 금속단백질분해효소-1( MMp1)의 활성 및 발현에 미치는 영향을 검토한 결과, 3-5KDa의 분자량 크기를 가진 키토산 올리고당만이 아래 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 MMP-1의 발현을 억제하는 것을 확인하였다.

키토산올리고당은 사람 피부 세포에서 노화에 의한 주름 형성에 관여하는 MMP-1의 발현을 억제하여 주름 생선을 방지할 수 있어 주름 생성을 억제하는 기능성 화장품 소재로서 활용이 가능할 것으로 기대된다.

또한, 대구껍질을 효소로 분해하여 체내 흡수가 가능한 저분자 그림2. 섬유아세포에 대한 키토산올리고당의 분자량 크기별 MMP-1의 발현억제 효과 가수분해물을 만들어 피부장벽 개선 및 보습에 활용할 수 있는 기능성 소재도 개발하였다. 이 기능성 소재는 활성 산소 및 라디칼소거 효능이 있으며, 피부의 보습과 탄력을 유지하는데 필수인자인 히알루론산을 합성하는 효소인 히알루론산의 유전자 발현을 증가시켰을 뿐만 아니라 콜라겐과 엘라스틴 같은 피부 탄력에 관여하는 인자들의 발현도 증가시켜 피부 탄력에 도움을 주는 것으로 나타났다. 여성을 대상으로 시료를 도포한 후 피부 수분 함유량을 관찰한 결과, 도포 전에 비해 피부 속 수분이 약 30%이상 증가함을 확인하여 피부장벽을 보호하고 개선하는데 효과가 있음을 입증하였다.

평균수명이 길어짐에 따라 안티에이징(anti-aging) 상품 시장이 급속도로 확대되고 있으며, 특히 미백 화장품은 얼굴을 환하고 젊게 유지하는 제품으로 인기가 높다. 미백 화장품은 햇빛에 노출되어 검게 타거나 노화 등에 의해 발생되는 기미, 주근깨 등의 색소 침착을 방지 및 개선시켜 피부 본래의 상태로 되돌리는 기능을 한다. 따라서 색소 침착의 발생 기전을 이해해야 유용한 신규 미백제를 개발할 수 있다.

피부는 햇빛을 받으면 왜 검게 변하는 것일까? 여름철에 피부색을 검게 만드는 주범은 자외선이다. 자외선이 표피 중의 가장 안쪽 부분인 피부 기저층을 자극하면 티로신(tyrosine)이라는 아미노산이 산화된다. 산화된 티로신은 멜라닌 색소를 만들어내는 멜라닌 세포의 연료로 쓰이며, 연료가 많아질수록 멜라닌 색소도 활발하게 생성된다.

멜라닌 색소는 피부, 털, 눈 등에 존재하는 멜라닌 세포가 자외선이나 호르몬의 영향을 받아 만들어내는 색소로, 흑갈색을 띠며 멜라닌 색소의 양이 많을수록 피부색이 검다. 인종 별로 피부색이 다른 이유는 멜라닌 세포의 크기와 멜라닌 세포에서 만들어내는 멜라닌 색소의 양이 다르기 때문이다.

기저층에 있던 멜라닌 색소는 시간이 지날수록 각질층으로 올라오는데, 완전히 올라오기까지는 시간이 좀 걸린다. 그래서 처음 햇빛에 노출되었을 때보다 어느 정도 시간이 지난 후에 피부가 더 검게 보이는 것이다. 멜라닌 색소는 자체는 인체에 무해하며, 오히려 암, 주름 등을 유발하는 자외선이 진피층까지 깊게 침투하는 것을 막는 역할을 하기도 한다. 하지만 그렇다고 햇빛을 지속적으로 받는 것이 좋은 것은 아니다. 멜라닌 색소가 자외선을 차단하는 데에는 한계가 있어서 일정시간이 지나면 피부암이나 기미, 주름이 생길 염려도 있기 때문이다. 한번 짙어진 피부색이 원상태로 돌아오려면 자외선 자극을 받지 않은 기저층 세포가 각질층까지 새로 올라와야 하는데, 지속적으로 강한 자외선에 노출되면 멜라닌 색소가 피부 표피층 전체에 퍼져서 피부색이 반영구적으로 짙어질 수 있다.

필자는 20여 종의 해조류 추출물로부터 피부미백 소재 개발 연구를 수행했다. 멜라닌 생성 억제 효과를 측정한 결과, 감태추출물이 높은 효과가 있음을 확인하였고 그것은 월귤나무에서 추출되어 최근까지 미백제 성분으로 가장 널리 사용되고 있는 알부틴(Arbutin) 보다도 뛰어났다. 활성 성분을 확인해보니 감태추출물에 들어있는 7-플로로엑콜(7-phloroeckol)이 멜라닌 생성을 억제하는 강력한 물질임을 확인하였다. 감태 추출물 함량이 높아질수록 멜라닌 생성량은 감소하였으며, 최종적으로는 알부틴 보다 생성량을 감소시킴을 확인하였다 (그림3).

또한 피부 미백에 중요한 효소인 티로시나아제(tyrosinase)에 대한 활성을 여러 해조 추출물을 대상으로 평가한 결과, 감태추출물이 1ml당 100ug에서 약 50%의 티로시나아제 저해 활성을 보이므로, 알부틴에 비해 약 40% 이상 높았다(그림4).

따라서 감태추출물이 티로시나아제 활성 및 멜라닌 생합성을 억제시켜 뛰어난 미백 활성을 보이므로 미백소재로써 활용할 수 있을 것이다.

지구 전체 생물 중 80% 이상이 바다에 서식하고 있다. 바다에 서식하고 있는 해양생물자원은 90%이상이 미이용 자원이다. 게다가 육상생물 자원을 대상으로 우수한 생물 소재가 다수 개발되어 이제 점차 그 대상이 줄어들어 한계에 도달됨에 따라 최근 선진국을 비롯하여 바다에 인접한 해양국가들은 생물 소재 대상을 육상생물자원에서 해양생물자원으로 이전하는 추세이다.

육상생물에 비해 바다환경(물, 염, 압력 등)의 다양성으로 인해 육상생물이 갖지 않은 새로운 기능성 물질이 수없이 발견되고 있는 실정이다. 일례로 바다만큼 강한 자외선이 미치는 곳이 없을 것이다. 해양생물이 생존을 위해서는 자외선을 차단할 수 잇는 물질을 스스로 만들어 내지 않으면 생존하기 어려울 것이다.

현재까지 화장품 분야에서는 합성 소재를 많이 이용했으나 여러 부작용으로 인해 최근에는 소비자들이 천연 소재에 관심이 고조되고 있어 다양한 해양생물 유래의 천연기능성 화장품 소재 개발이 활발히 이루어질 것이다.