대체 단백질 기술, 식품 관련 Fermentation (발효) 에 대해 소개하고자 합니다.
출처: PEXELS, Fermentor 사진
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fERMENTATION 이란?
발효란 효소의 작용을 통해 유기 물질에 화학적 변화를 일으키는 대사 과정을 의미합니다.
미생물이 먹이와 함께 배양해 대사 과정에서 나오는 목표 단백질을 추출하는 기술입니다. 다양한 미생물 (곰팡이, 진균류, 효모 박테리아 등)을 활용하며, 대사 활동을 극대화 하는 먹이, 환경(온도, PH농도, 산소 농도, 압력 등) 조건을 구현하여야 합니다.
생화학에서는 산소가 없는 상태에서 탄수화물로부터 에너지를 추출하는 것으로 좁게 정의 되나 식품 생산에서는 미생물의 활동이 식품이나 음료에 바람직한 변화를 가져오는 모든 공정을 더 광범위하게 지칭할 수 있습니다.
발효 과학은 효소학(zymology)으로 알려져 있습니다.
인류는 오래전부터 발효를 이용해 식품과 음료를 생산해왔습니다. 예를 들어, 발효는 김치, 요구르트와 같은 신맛이 나는 식품에서 발견되는 젖산을 생성하는 과정에서 보존하거나 와인, 맥주와 같은 알코올 음료를 생산하는 데 사용 되었습니다.
기술이 발전함에 따라 전통적인 발효 이외에 진화된 발효 기술이 나오고 있습니다.
정밀 (Precision) 발효의 경우 얻고자 하는 ‘타겟/목표 단백질’에 적합한 Base 미생물을 찾고 발효 기술이나 유전자 변형 등으로 더욱 효과적인 미생물을 만들어 내는 수준에 이르고 있습니다.
발효 기술은 대체 단백질 생산을 위한 다양하고 지속 가능한 접근 방식이라고 할 수 있습니다. 이는 식품 산업의 다양한 응용 분야에서 효율적이고 제어된 단백질 합성을 가능하게 하여 환경 친화적이고 윤리적인 단백질 공급원 개발에 기여할 수 있습니다.
또한 발효는 종종 단백질 생산을 위한 전통적인 농업보다 더 지속 가능한 것으로 간주 되기도 합니다. 토지, 물, 자원이 상대적으로 덜 필요하고 온실가스 배출량도 적기 때문입니다.
식품 관점에서 대체 단백질 생산의 기술로서 발효에 대해 내용들을 알려 드리고자 합니다.
Tech (기술) 종류
발효 기술에는 크게 Traditional, Biomass, Precision 3가지가 있으며, 각각의 특징은 아래와 같습니다.
Traditional
식품 원재료를 Feedstock으로 활용하여, 발효 과정에서 화학적으로 변형된 Feedstock을 제품으로 소비하는 방식입니다.
예로는 치즈, 요거트, 맥주, 식초 등이 있으며 최종 제품에 따라 미생물 포함 여부가 다릅니다.
주요 특징은 오랜 역사로 시장이 형성되어 있어 소비자의 거부감이 적으며, 자연상태의 물질로 GMO (유전자 조작) 이슈가 없습니다.
Biomass
영양적으로 우수하며 독성이 없어 식용으로 사용 가능한 미생물을 대량으로 키워 식품으로 소비하는 방식입니다.
미생물 성장을 최적화함으로서 빠른 생산 규모 확대가 가능하며, 자연상태 물질로 GMO 이슈가 없습니다.
식품화가 가능한 특정 미생물 발견 및 성장 최적화 기술이 필요하며, 희소성 높은 미생물 발견 자체가 진입장벽으로 작용합니다.
대표적인 기업으로는 미국의 Nature’s Fynd (=The Fynder Group)가 있으며, 미국 Yellow Stone 국립공원에서 발견한 미생물과 자체 발효 기술로 단백질 제품을 생산하고 있습니다.
Precision
미생물이 자체적으로 생산해내는 단백질 배양을 촉진시키고 정제하여 제품으로 생산하는 기술입니다. 실제 동물성 단백질과 유사한 특징을 가진 제품 생산이 가능합니다.
주로 High Performing 프리미엄 물질을 생산하는데 활용 되나, 발효 재조합 기술 기반이기에 기술적 장벽이 있고, 유전자조작(Strain Engineering, Gene Editing) 기술 활용 하기에 상업화를 위해서는 국가별 인증을 받아야 하는 어려움이 있습니다.
고비용 기술로써 제품의 가격 경쟁력 달성을 위한 규모의 경제 달성이 전제 되어야 합니다.
대표적인 기업으로는 미국의 Perfect Day가 있습니다.
요약적인 발효 과정은 아래와 같습니다.
- Upstream Process: 초기 단계에서 미생물은 성장과 단백질 생산에 최적화된 영양분, 온도, pH 조건을 갖춘 통제된 환경에서 배양합니다.
- Downstream Process: 초기 발효 후, 단백질 함유액 은 여과, 원심분리, 크로마토그래피와 같은 단계를 포함하여 표적 단백질을 분리하고 정제하는 처리를 거칩니다.
발효를 통한 단백질 생산을 위해 미생물을 최적화하기 위해 유전자 변형이 종종 사용됩니다. (Precision 영역) 여기에는 관심 있는 특정 단백질을 코딩하는 유전자를 삽입하여 단백질 발현 및 분비의 효율성을 향상 시키는 것이 포함될 수 있습니다.
활용 범위 확대
발효 기반의 단백질은 자체가 완제품이 될 수 있을 뿐만 아니라, 식물육, 배양육과 같은 다른 대체 단백질(Alternative Protein)의 핵심 요소로도 적용 확대 중입니다.
기존 사례로는 영국 회사 QUARN은 버섯과 유사한 균류의 미생물을 활용하여 생산한 Plant Based Meat 제품을 만들어 상업적으로 판매 중입니다.
앞으로 타 영역에 활동될 예는, Plant Based Meat에서 식물성 오일/지방으로는 일반육류와 비슷한 맛을 내기 어려워 Fermentation 기반으로 생산되 Oil/Fat을 활용하여 제품을 생산하는 등의 콜라보가 이루어지고 있습니다.
FERMENTATION 자체가 완제품 뿐만 아니라 PBM (식물육) 및 CBM (배양육)에 동물 단백질과 유사한 식감/맛을 제공하는 보완재 역할을 하는 것입니다.
미래에는 PBM, CBM 및 발효가 서로 장점이 있는 부분에 대해 HYBRID 형태로 접목된 대체 단백질 식품들이 많이 나올 것으로 전망 됩니다.
감사합니다.