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합성생물학 기반 정밀 발효의 최신 연구 동향과 식품 산업에서의 응용 가능성 검토(2024-19)

[KBCH브리핑]

 ◈본문

1. 검토배경

□ 정밀 발효는 미생물 대사공학 및 합성생물학 기술을 접목하여 특정 영양성분이나 기능성 성분을 효율적으로 생산할 수 있는 기술임. 기존 발효 기술이 주로 자연적으로 자생하는 미생물 또는 전통식품 미생물에 의존하여 식품의 맛과 저장성을 개선하는 데 초점을 두었다면, 정밀 발효는 유전자 편집을 통해 더욱 구체적이고 정교한 미생물의 대사 경로 조정이 가능함. 특히, 미생물이 지니는 고효율 /고생산성/유전자조작의 용이성 등과 같은 장점은 향후 도래하게 될 식량 안보 위기 해결을 위한 방안 중 하나로도 각광을 받고 있음

ㅇ 2084년 전 세계 인구가 100억 명에 이르게 되면, 현재 수준에 비해 세계 식량 수요가 50~80% 증가할 것으로 예상됨 (Depenbusch and Klasen 2019). 지속 가능한 미래 식량 공급을 보장하기 위해 식량 자원 및 생산방법을 다방면에서 재평가할 필요성이 시급함

□ 본 브리핑은 정밀 발효 기술이 식품의 향미, 안전성, 지속 가능성에 기여하는 방안을 중심으로, 최신 연구 내용을 요약함. 이는 향후 식품 산업의 혁신에 기여하고, 환경적 지속가능성을 높이는 데 중요한 역할을 할 수 있음

 2. 주요 개념 및 현황 

□ 정밀 발효는 유전자 편집을 통해 발효 미생물의 대사 경로를 조정함으로써, 특정 성분의 품질과 생산 효율성을 높일 수 있음. 미생물의 대사 경로를 최적화하여 환경적 영향은 줄이면서도 생산성과 경제성을 확보할 수 있음. 그러나 유전자조작이 된 (Genetically Modified, GM) 미생물이 제품에 잔류하게 될 시, 매우 엄격한 규제를 받기 때문에 대부분은 Generally Recognized as Safe (GRAS) 인증을 받은 최종 산물을 정제하고 GM 미생물을 완벽히 제거하는 경우에 한하여 제한적으로 허용되고 있음

3. 주요 검토 내용

□ 식품의 향미 증진 연구 예시

ㅇ 대표적인 식품 미생물인 Saccharomyces cerevisisiae는 와인, 맥주, 빵 발효 시 이용되는 효모임. S. cerevisisiae에 사과산 transporter, malic enzyme 유전자 도입을 통해 알코올 발효 뿐 아니라 와인 발효 시 산도를 낮추고 특유의 시큼한 향을 부드럽게 전환시키는 말로락틱 발효(malolactic fermentation)를 동시에 가능하게 함 (Husnik et al. 2006)

ㅇ 맥주 발효 시, 미생물에 의한 부패 방지 및 맥주 특유의 아로마를 부여하기 위해 홉을 첨가함. 홉에 함유된 대표적인 아로마틱 화합물인 리날룰 및 제라니올을 생합성할 수 있도록 재설계된 S. cerevisisiae를 사용하면 맥주 제조 과정 중 홉을 첨가하지 않고도 홉의 향이 나는 맥주를 생산할 수 있음 (Denby et al. 2018). 이를 통해 홉을 경작하고 수확하기 위해 사용되는 비용을 절감 할 수 있으므로 경제적인 생산이 가능함

□ 식품의 안전성 개선

ㅇ 식품 생산 공정에서 잠재적 화학 독소를 제거하는 것은 매우 중요함. 특히, 인공착색제는 심각한 건강 문제를 일으키는 것으로 알려진 합성 화학물질에서 주로 파생이 되기 때문에 이를 대체할 방안으로 미생물 발효를 통해 생산되는 생물학적 색소를 사용할 수 있음. 합성 식품착색제를 대체할 수 있는 생물학적 색소로는 카로테노이드, 안토시아닌, 인디오이딘, 비올라세인 및 베탈라인 등이 있으며 (Yang et al. 2021), 해당 색소들의 경제적인 생산을 위해서는 미생물 대사공학 및 합성생물학 기술이 요구됨. 특히, 이들은 천연 식품 첨가물이므로 합성 착색제에 비해 소비가 인식 측면에서 매우 큰 이점을 제공할 수 있음

ㅇ 또 다른 화학 독소의 예로는, 발암물질로 알려진 아크릴아마이드가 있음. 아크릴아마이드는 아스파라긴 아미노산과 당이 고온에서 메일라드 반응(maillard reaction)에 의해 생성이 되는데, 특히 감자에 아스파라긴이 많이 함유되어 있어 감자칩을 만드는 공정에서 아크릴아마이드가 생성될 수 있음. 이를 제거하기 위하여 아스파라긴을 분해하는 효소인 asparagenase를 과발현 시킨 식품미생물 또는 정제한 재조합 asparagenase를 처리하여 아크릴 아마이드의 생성을 획기적으로 감소시킬 수 있음 (Lee et al. 2022)

□ 식품의 지속가능성 개선

ㅇ 비동물성 식품 및 단백질에 대한 수요가 늘어남에 따라 비건 식품 시장도 활성화 되고 있음. 식품 생산의 지속 가능성을 더욱 개선하기 위한 전략으로 정밀 발효는 기존 농업의 환경적 부담을 완화할 수 있음. GRAS 인증을 받은 필라멘트 곰팡이 균은 단백질 번역 후 변형 및 단백질 분비 기능으로 인하여 동물성 단백질, 특히 재조합 우유 단백질을 대량 생산을 위한 숙주(host)로 많이 사용되고 있음 (Aro et al. 2023). 미국 캘리포이나 버클리에 본사를 둔 식품 기술 스타트업 회사인 Perfect Day, Inc.은 생물 반응기에서 재조합 곰팡이인 Trichoderma reesei (GRN 863)를 발효하여 우유 단백질을 생성하는 공정을 개발함 (Geistlinger et al. 2023)

ㅇ 또 다른 측면에서는 지구 온난화를 일으키는 이산화탄소 저감화를 위한 방안으로 대기 중의 이산화탄소를 이용하여 단백질과 같은 식품 소재를 생산하는 시도를 하고 있음 (Bachleitner et al. 2023). 이산화탄소를 식품 소재로 전환하는 기술은 아직 매우 초기 단계이며 당장에 실현 가능성은 낮은 도전적인 아이디어이기는 하나 향후 미래 식품 산업에서 합성생물학 기반 정밀 발효 기술의 사회적/환경적 가치를 고려했을 때 추구해야 할 유망한 기술 중 하나임

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