Sustainable Production of Bio-Dyes and Pigments and Their Industrial Applications
지속 가능한 생체 염료 및 안료의 생산과 산업적 활용
- 주제(키워드) Melanin , Indirubin , Antioxidant , Photodegradation , Recycle
- 주제(DDC) 628
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 최권영
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 환경공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034603
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
With the growing interest in sustainable materials, research on bio-based dyes and pigments has been actively progressing. This study explores the synthesis of a novel type of melanin and strategies for sustainably increasing the production yield of indirubin. These materials have potential applications across various industries, including biosensors, cosmetics, and pharmaceuticals. First, a new form of melanin was synthesized using 5-hydroxyindole as a substrate along with the enzymes MaFMO (a monooxygenase) and MelC (a tyrosinase). Production efficiency was optimized at a substrate concentration of 10 mM, yielding 0.43 g/L of OH- melanin. OH-melanin exhibited high solubility in a strong alkaline environment, such as NaOH, and showed a maximum absorption peak at 230 nm in UV-vis analysis, clearly indicating specific chemical characteristics. Structural analysis through XRD, FT-IR, SEM, and EDS confirmed the presence of various functional groups and indicated differences in elemental composition compared to conventional melanin. Thermogravimetric analysis (TGA) revealed significant thermal stability, retaining 48.3% of its mass at 800°C and 24.0% at 1000°C, supporting its potential use in high-temperature applications. Antioxidant testing revealed an IC50 value of 0.03 mg/mL, indicating over ten times the antioxidant activity of conventional melanin. In antibacterial tests, OH-melanin demonstrated effectiveness against gram-positive bacteria, showing inhibition rates of 9.83% for E. coli and 66.18% for C. albicans. Additionally, to enhance its application as a biosensor, heat treatment was conducted at 800°C for one hour, resulting in an improved electrical conductivity of up to 0.46 S/cm. These properties highlight OH melanin's potential for use in biosensors, protective coatings, and other advanced material applications. Next, Indirubin shares the same biosynthetic pathway as indigo, but it is produced through an asymmetric dimerization process. Notably, Indigo undergoes photodegradation, producing isatin, which can subsequently act as essential precursor in indirubin synthesis. This study proposes a sustainable approach to producing indirubin from recycled waste denim, offering a valuable method for resource circulation and environmentally friendly chemical processes. The optimal conditions for indirubin synthesis were identified, achieving a concentration of approximately 40 mg/L with 2 mM isatin and 3 mM tryptophan. The selective degradation process enabled the isolation of high-purity indirubin by inducing the light-driven degradation of indigo. Over 90% of indigo decomposed within one day, reducing to approximately 3.69 µM after five days, whereas indirubin remained stable, indicating its higher resistance to light-induced degradation. Furthermore, by extracting indigo from discarded denim and converting it to indirubin, we obtained a yield of 5.95 mg of indirubin per piece of denim. This research indicates the potential to upcycle waste denim into worthwhile precursors suitable for anticancer drug development. Keywords: Melanin, Indirubin, Antioxidant, Photodegradation, Recycle
more초록/요약
지속 가능한 소재에 대한 관심이 증가함에 따라 바이오 기반 염료와 색소에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 새로운 종류의 멜라닌 합성 및 인디루빈의 지속 가능한 생산량 증대 방안을 다루었다. 이러한 소재는 바이오센서, 화장품, 의약품 등 다양한 산업에서 잠재적 응용 가능성을 가진다. 먼저, 본 연구에서는 5-하이드록시인돌을 기질로 하고 MaFMO(모노옥시게나제)와 MelC(티로시네이스) 효소를 이용하여 새로운 멜라닌을 합성하였다. 생산 효율은 기질 농도를 10 mM으로 최적화하여 0.6 g/L의 OH-멜라닌을 생산할 수 있었다. 기질 농도 10mM에서 생산 효율이 최적화됨을 확인하였으며, 이를 통해 0.6g/L의 OH-멜라닌을 합성할 수 있었다. UV-Vis 분석에서 230 nm에서 최대 흡수 피크를 나타내었고, XRD, FT-IR, SEM, EDS 등의 구조 분석을 통해 다양한 작용기가 존재함을 확인하였다. 열중량 분석에서는 800°C에서 48.3%, 1000°C에서 24.0%의 질량을 유지하며 높은 열적 안정성을 보였고, 이는 고온 응용에 잠재적 사용 가능성을 보여준다. 항산화 능력 평가 결과 IC50이 0.03mg/mL로, 기존의 멜라닌보다 10배 이상 높은 항산화 활성을 나타냈다. 항균 테스트 결과, E. coli에 대해서는 9.83%, C. albicans에 대해서는 66.18%의 항균 효과를 확인하였다. 또한, 바이오센서로서의 응용을 높이기 위해 800°C에서 1시간 동안 열처리한 결과, 전기 전도도가 최대 0.46 S/cm까지 향상되었다. 이러한 특성은 OH-멜라닌이 바이오센서, 보호 코팅 및 기타 고급 소재 응용에 적합할 가능성을 강조한다. 다음으로, 인디루빈은 청바지 염료로 사용되는 인디고와 동일한 생합성 경로를 갖지만 비대칭 다이머화 과정을 통해 합성된다. 인디고는 광분해를 통해 이사틴을 생성하며, 이는 인디루빈 합성의 중요한 전구체로 작용할 수 있다. 본 연구에서는 폐 데님을 재활용하여 인디루빈을 생산하는 지속 가능한 접근을 시도했으며, 자원 순환과 친환경 화학 공정에 유용한 방법을 제안한다. 최적의 합성을 위해 이사틴 2mM과 트립토판 3mM에서 인디루빈이 약 40mg/L 합성됨을 확인하였다. 선택적 분해 과정을 통해 인디고의 빛에 의한 분해를 유도하여 고순도의 인디루빈을 분리할 수 있었다. 인디고는 하루 이내에 90% 이상 분해되어 5일 후 약 3.69 µM로 감소한 반면, 인디루빈은 안정적으로 유지되어 빛에 의한 분해에 대한 더 높은 저항성을 나타냈다. 또한 폐청바지에서 추출한 인디고를 광분해 후 인디루빈으로 전환하여 청바지 한 벌당 5.95 mg의 인디루빈을 생산할 수 있었다. 본 연구는 폐 데님을 재활용하여 항암제 개발에 적합한 유용한 전구체로 활용할 수 있는 가능성을 제시한다.
more목차
Chapter 1. Biosynthesis of Novel Melanin, OH Melanin, and Its Physiobiological and Electrical Properties 1
A. Introduction 2
B. Materials and Methods 5
1. Materials 5
2. Bacterial species and cultivation conditions 5
3. Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel (SDS-PAGE) 6
4. Melanin extraction and solubility test 7
5 Characterization of Melanin 7
6. ABTS test 8
7. Antibacterial test. 8
8. Four-point prove 9
C. Results and discussion 10
1. Predicted pathway for OH Melanin synthesis in E. coli system 10
2. Melanin Production according to Substrate Concentration 13
3. Melanin Characterization and Structural Analysis 15
3.1. Solubility and Absorbance Measurement 15
3.2. Analysis of structural features of melanin 18
4. Thermal properties of OH melanin through TGA 21
5. Biological properties of OH melanin 22
5.1. Antioxidant activity 22
5.2 Antimicrobial activity test 24
6. Electrical application potential of OH Melanin 25
D. Conclusion 28
Chapter 2. Indirubin Production from Degraded Indigo with Isatin as a Key Intermediate 31
A. Introduction 32
B. Materials and Methods 36
1. Materials 36
2. Bacterial strains for indirubin production 36
3. Optimizations of indirubin production with isatin 37
4. Quantification of indirubin, indigo, and isatin 37
5. Production of Indirubin using degraded indigo 38
6. Production of indirubin using degraded indigo extracted from indigo jean 39
C. Result and Discussion 40
1. Effect of isatin concentration on indirubin production 40
2. Effect of tryptophan concentration on Indirubin Production with fixed isatin concentration 44
3. Impact of Photodegradation on Indigo and Indirubin Content 47
4. Production of Indirubin by re-fermentation of Degraded Indigo 49
5. Production of Indirubin by re-fermentation of Degraded Denim Extract 51
D. Conclusion 55
References 57
Appendix 60
국문 초록 72
