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미생물 유래 친환경 액상 계란 대체물 개발

- KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀, 미생물 유래 친환경 액상 계란 대체물 개발 

- 난액(卵液)의 영양과 핵심 기능적 특성을 모두 가진 비동물성 대체제 구현에 성공. 

 

이상엽 KAIST 특훈교수

현재까지 비동물성 단백질을 기반으로 한 계란 대체제 개발이 진행돼왔으나, 계란의 온전한 영양을 제공하는 동시에 젤화, 거품 형성 등 난액(卵液)이 요리 재료로서 지니는 중요한 핵심 기능적 특성을 함께 구현하는 대체제는 개발되지 못했다. 이러한 배경에서, 연구진은 단위 건조 질량당 단백질 함량이 육류에 비견될 정도로 많은 미생물 바이오매스를 난액 대체제로 개발하고자 했다.

국내 연구진이 미생물로 계란의 대체제를 개발하는 논문을 발표해서 화제가 되고 있다. 비동물성 원료를 활용한 계란 대체재 개발을 통해 온실가스 배출 및 폐기물 문제 등을 가져오는 공장식 축산의 문제를 해결하고 손쉽게 단백질 섭취가 가능한 지속가능한 식량 체계 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

KAIST 생물공정연구센터 최경록 연구교수와 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 ‘미생물 유래 친환경 액상 계란 대체물 개발’논문을 발표했다.연구진은 미생물 용해물의 가열을 통해 형성된 젤이 삶은 계란과 유사한 미시적 구조와 물리적인 특성을 가지는 것을 확인하였고, 미생물 유래의 식용 효소나 식물성 재료를 첨가하여 다양한 식감을 구현할 수 있음을 밝혔다. 더 나아가, 액체 상태인 용해물을 이용하여 머랭 쿠키를 굽는 등, 미생물 용해물이 난액을 기능적으로 대체할 수 있음을 규명하였다.

특히, 인류의 오랜 섭취 경험을 통해 효모, 고초균, 유산균 및 기타 프로바이오틱스 균주 등 다양한 미생물들의 안정성이 검증됐고, 미생물 바이오매스는 생산 시 발생하는 이산화탄소뿐만 아니라 물, 토지 등 요구되는 자원이 적으면서도 고품질의 영양성분을 가지고 있기에, 연구진은 미생물 바이오매스를 대체 난액으로 활용하는 기술을 개발할 수 있다면 지속 가능한 미래 식량자원의 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대했다.

 

미생물 펠렛과 미생물 용해물의 열처리 결과 비교

하지만 미생물 배양을 통해 회수한 반고체 상태의 미생물 바이오매스를 가열하면 난액과 달리 액상으로 변하는 것이 관찰됐다. 이에 연구진은 계란찜을 만들기 위해선 먼저 계란의 껍데기[난각(卵殼)]를 깨트리고 난액을 모아야 한다는 사실에 착안해 미생물의 세포 구조 중 난각에 상응하는 세포벽과 세포막을 파쇄해 미생물 용해물을 제조했고, 이를 가열할 경우 난액처럼 단백질이 응고돼 젤 형태로 변하는 것을 확인했다.

이상엽 특훈교수는 “영양 측면에서도 우수한 성분들을 갖추고 있어 평소 식량에도 사용될 수 있지만, 특히 미래 장거리 우주여행 식량, 전시 상황 등 긴급 상황 시의 대비를 위한 비상식량 등으로도 활용할 수 있으며, 무엇보다 지속 가능한 식량 체계 확보에 도움이 된다”고 말했다.

이번 논문은 네이처(Nature) 誌가 발행하는 'npj 식품 과학(npj Science of Food)'에 6월 19일자 온라인 게재됐다. 논문명 : Microbial lysates repurposed as liquid egg substitutes이며 저자는 저자는 최경록(한국과학기술원, 제1 저자), 안다희(한국과학기술원, 제2 저자), 정석영(한국과학기술원, 제3 저자), 이유현(한국과학기술원, 제4 저자) 및 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 5명이다.

이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제 (과제책임자 KAIST 이상엽 특훈교수)와 농촌진흥청이 지원하는 농업미생물사업단(단장 장판식 교수)의 ‘미생물 대사시스템 제어를 통한 무기물로부터의 단백질 생산 기술 개발’ 과제 (과제책임자 KAIST 최경록 연구교수) 및 의 지원을 받아 수행됐다.

 

미생물 용해물의 거품 형성 능력 및 머랭 쿠키 제작 예시
미생물 용해물의 거품 형성 능력 및 머랭 쿠키 제작 예시

 

 

□ 연구 배경

ㅇ 기후 변화로 인한 농업 생산성 감소와 가파른 인구 증가로 인해 전 세계적으로 식량 위기가 심화되고 있다. 하지만 막대한 양의 이산화탄소를 배출하며 기후 변화를 가속화시키고 있는 현재의 식량 생산 체계만으로는 증가하는 식량 수요를 충당할 수 없다. 따라서 환경적 부담이 적으면서도 기존의 식량을 대체할 수 있는 영양가 높은 식품과 혁신적인 생산 플랫폼이 미래를 위한 필수 요소로 부각되고 있다.

ㅇ 미생물 바이오매스는 육류에 비견될 정도로 많은 양의 단백질을 함유하고 있다. 동시에 단위 질량의 바이오매스를 생산하는 데 있어 동식물보다 적은 양의 이산화탄소를 배출하고, 필요로 하는 물의 양과 토지의 면적도 적은 등 보다 지속가능하고 친환경적인 생산이 가능하다는 장점을 지니고 있다. 이러한 특징으로 말미암아 미생물을 이용해 생산된 식품인 ‘미생물 식품’이 지속가능한 고영양 미래 식량자원으로서 주목받고 있다.

ㅇ 달걀은 영양학적 우수성 이외에도, 젤화, 거품 형성, 유화 등의 기능적 특성을 지니고 있어 각종 요리, 제빵 등에 널리 사용되고 있다. 그러나 전통적인 계란 생산 방식은 윤리적 문제를 초래할 뿐만 아니라, 자원 소모가 많고 환경에 큰 부담을 초래한다. 또한, 전쟁과 무역 규제로 인해 계란의 안정적인 공급이 위협받고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 계란의 영양과 기능을 모두 충족시킬 수 있는 대체제가 요구되고 있다.

 

□ 연구내용

ㅇ 본 연구에서는 미생물 용해물을 가열했을 때 젤화가 진행되며, 달걀과 유사한 물리적 성질을 가짐을 확인하였다.

ㅇ 더 나아가 본 연구진은 용해물에 화학적, 효소적 처리를 진행함으로써, 가열 후 생성되는 겔의 특성을 추가적으로 조절할 수 있음을 보였다.

ㅇ 더불어 미생물 용해물을 이용해 제빵에 널리 활용되는 머랭(난백 기반의 안정적인 거품)을 형성할 수 있음을 확인하였고, 이를 활용해 머랭 쿠키 등을 제작하는 등 미생물 용해물이 난액을 기능적으로 대체할 수 있음을 제시했다.

□용어해설

용해물 (lysate)

○ 용해물은 세포나 조직을 다양한 물리·화학·생물학적 방법을 활용해 파쇄하여 얻어진 액체를 의미한다. 세포의 용해 과정 중에는 세포를 둘러싸고 있는 세포막이나 세포벽, 세포 소기관, 세포 골결 등이 부분적 또는 완전히 파괴되어 세포 내외에 위치하던 각종 물질들이 모두 혼합된 용애물이 얻어지게 된다.

세포 펠렛 (cell pellet)

○ 세포 펠렛은 세포 배양(영양분을 포함한 액체 매체)을 통해 얻어진 바이오매스를 각종 물리적인 방식을 통해 회수하여 얻어진 반고상(半固相)의 세포 덩어리를 지칭한다.

3. 미생물 식품 (microbial food)

○ 미생물 식품은 미생물을 이용해 생산된 각종 식품 및 식품 원료들의 총칭이다. 발효식품은 가장 익숙하면서도 원시적인 형태의 미생물 식품이라 할 수 있으며, 글루탐산나트륨이나 각종 아미노산, 식품용 효소 및 단백질과 같이 미생물 배양을 통해 얻어진 미생물 바이오매스나 배양액으로부터 분리·정제한 식품 원료 역시 미생물 식품의 한 갈래이다. 단세포단백질과 같이 미생물 바이오매스나 추출물, 혹은 이를 이용해 조리한 식품은 가장 궁극적인 형태의 미생물 식품이라 할 수 있다.

4. 바이오매스 (biomass)

○ 바이오매스란 생물의 생장을 통해 얻어진, 세포를 포함하고 있는 일정한 부피를 지니는 (반)고상의 물질을 뜻한다.

KAIST 홍보실 제공 

노벨사이언스  science@nobelscience.co.kr

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