바이오인

• ○식물기반의 대체 식품소재(Plant-based alternative)

• ╶︎식물기반의 식품소재는 건강, 환경, 동물복지, 종교적 신념 등 다양한 이유로 동물 유래의 식품을 대체하는 소재로, 식품가공기술로 동물 유래의 육류, 낙농제품, 달걀 등을 유사한 맛, 풍미, 식감 등을 유사하게 재현시킬 수 있어 최근 급격하게 성장하는 분야임. 2020년에 보고된 전세계시장은 294억 달러 규모였으며, 2030년까지 1,620억 달러로 5배 이상 시장이 확대될 것으로 예상하고 있음

• ╶︎식물기반의 대체소재는 환경*과 영양학**적 2가지 측면에서 다른 식품 소재에 비해 가장 주목받고 있는 분야임

• ⁎︎환경 이슈에 있어 축산산업은 지구온난화 가스 방출, 토양침식, 과다한 물 사용, 동물 배설물에 의한 수계의 부영양화 등의 문제로 인해 환경부하가 적은 식품 유래의 대체 소재가 부각되고 있음. 다양한 식품 소재 중에서 특히 콩 대체소재가 영양학적 측면에서 고함량의 단백질원뿐 아니라 환경 중 질소고정을 통해 토양의 비옥도(soil fertility)를 증가시킨다는 점에서 주목받고 있는 소재임

• ⁎︎* 영양학적 측면에서는 식물유래의 소재는 고함량의 식이섬유가 포함되어 있어 동물 유래의 식품에 비해 소화계 질병을 현저히 저감시킨다는 보고가 있음. 하지만 식물 유래의 대체 소재에 포함된 영양소가 동물유래의 단백질과 완전히 동일하지 않으며, 특정 영양소, 미네랄의 부족 또는 가공시 상대적으로 높은 염의 함량 등에 대한 논쟁이 있음

• ╶︎단백질원으로 식품소재는 견과류, 씨앗, 씨리얼, 식물의 덩이줄기(tubers)가 있으며, 추가적으로 버섯 소재가 포함되며 균사체 곰팡이인 Fusarium veneatum 유래의 mycoproteins이 대표적 사례로 알려짐. 지질(fat) 소재로는 카놀라유, 코코넛버터, 코코넛오일, 해바라기씨유 등이 사용되거나 이들의 혼합제재가 사용됨. 특이적으로 식물기반의 대체육 성형 소재로 메틸셀룰로즈(methylcellulose) 고분자가 식물성 단백질의 성형이나 유화(emulsifier)를 위해 사용되고 있음

• ╶︎식물기반 소재는 다른 대체 소재와 달리 많은 식용식물을 이용할 수 있어 식품 가공기술을 활용하여 소비자의 기호에 부합하는 다양한 비타민, 미네랄, 폴리페놀 등과 같은 다양한 첨가물을 추가할 수 있으며, 식물 고유의 색상을 사용하여 유사한 육가공제품을 대체 할 수 있는 기능성 바이오식품 개발을 개발할 수 있음

• ╶︎단점으로는 식물 유래의 소재를 사용하기 때문에 포자를 생성하는 Bacillus spp.와 Clostridium spp.의 오염 가능성이 존재함. 특히, 탄수화물 및 단백질로 존재하는 영양원을 추출하여 가공하는 프로세스가 동물유래의 소재 가공보다 복잡하고, 영양소, 맛, 식감, 풍미 등을 위해 저온가공이 필요하여 공정상 미생물 감염에 노출될 위험이 있음

• ╶︎또한 식물 유래의 식품에 존재하는 곰팡이로부터 분비되는 곰팡이독소[Mycotoxins], 식물 유래의 잠재적 알레르기 인자들, 그리고 영양소 흡수를 방해하는 phytic acid, 단백질저해제, 렉틴, 사포닌, 이소플라빈 및 유도체들은 anti-nutrient의 성분으로 작용할 가능성이 있음. 또한 식물 유래의 소재들은 농업에서 얻어지는 소재로 수확량 증대를 위해 사용되는 화학적 농약, 비료 성분 오염과 토양으로 부터 식물내 중금속 축적에 대한 우려가 있음

• ╶︎하지만 현재 단계에서 식품 유래의 소재는 동물유래의 단백질소재를 대체하는 대안으로 인식되고 있으며, 전세계적인 시장규모나 소비자 선호도가 점진적으로 증가하고 있는 추세임

• ○해조류(Seaweeds)

• ╶︎해조류가 대체 식품소재로 주목받는 가장 큰 이유는 지구온난화의 원인인 이산화탄소를 광합성으로 고정화하여 바이오매스를 만들 수 있을 뿐 아니라 담수 수계가 아닌 해수를 사용하기 때문에 물이용 저감, 그리고 육지가 아닌 바다를 사용하여 제한된 농경지 해결이라는 점에서 지속가능한 인류의 발전을 이룰 수 있는 미래푸드 소재이기 때문임

• ╶︎식품소재뿐 아니라 해안 근처의 거대조류는 어패족 자원의 먹이와 산란-서식지를 제공함으로써 해양바이오 생태계의 복원을 가능하게 한다는 점과 최근 기후변화로 빈번하게 발생하는 거대 태풍이나 폭풍시 조류에 의해 파괴, 유실되는 인공양식시설에 비해 안전한 구조물로 사용되어 어족자원의 보호에 도움이 된다는 장점도 있음. 또한 해조류는 해양에서 대기중의 이산화탄소 흡수를 통해 이산화탄소의 저감과 해양의 산성화를 방지해 급속한 기후변화를 완화할 수 있으며, 폭우, 태풍, 폭풍과 같은 급격한 육지 담수의 해양으로 유입과정에서 과량의 인과 질소를 제거하여 유해 미세조류의 번식을 막아주는 환경정화 작용을 수행함

• ╶︎한국을 비롯한 일본, 중국의 동북아시아 문화에서는 해조류가 식품으로 오랫동안 사용되고 있으나 서구권에서는 최근 들어 해조류가 건강식품으로 부각됨에 따라 점진적으로 소비량이 증가하고 있는 추세임

• ⁎︎※ 2016년 해조류 생산 통계자료에 따르면 전세계적으로 약 3천만 톤의 해조류가 생산되었으며 국가별로는 중국 47.5%, 인도네시아 38.7%, 필리핀 4.7%, 한국 4.5%, 대만 1.6%, 일본 1.3%, 말레이시아 0.7% 순으로 전세계에 공급되고 있는 해조류의 거의 대부분이 태평양의 아시아 국가에서 생산되는 것으로 보고됨

• ╶︎해조류는 다양한 미네랄(철, 칼슘, 요오드, 칼륨, 셀레늄)과 비타민(특히 바티만 A,C,B-12)을 포함하고 있을 뿐 아니라 비-어류성 오메가-3 장쇄지방산, 수용성 다당체, 그리고 유용한 다양한 단백질을 포함하고 있음

• ╶︎또한 해조류는 종류에 따라 항염증, 프리바이오틱, 항산화 등 다양한 생리활성물질을 포함하고 있어 건강증진에 효능이 우수한 것으로 알려짐. 이 외에도 축산사료로 활용할 경우 80% 이상의 메탄가스의 저감 효과가 있는 것으로 보고되어, 지구온난화 방지에 도움이 될 수 있음

• ╶︎또한 중금속 흡착, 제거를 통해 해양의 중금속을 감소시킬 뿐 아니라 해수중의 중금속 함량 분석에 인디케이터로 활용될 수 있음.

• ╶︎식품 소재 측면에서는 해조류 다당체의 특이한 물성은 식품, 음료, 의약, 의료, 화학 등 다양한 소재로 활용 가능하며, 특히 생체적합도가 뛰어나 식품 이외에 바이오의료용 소재로 활용이 증가할 것으로 판단됨. 농업소재로는 비료로 사용시 토양세균 및 곰팡이에 저항성이 높고, 보습력, 영양 성분이 뛰어나 토양의 비옥도를 증가시킬 수 있음

• ╶︎하지만 해조류도 다른 식품소재와 마찬가지로 Vibrio vulnificus와 Vibrio parahaemolyticus와 같은 해양 감염성 미생물에 대한 오염가능성이 있으며, 우수한 중금속 흡착능으로 인한 중금속 및 요오드 과다 축적에 대한 우려가 있음. 더불어 해양조류 유래 톡신(toxin)이나 식물독소[phytotoxin]에 대한 노출 가능성이 있어 지속적인 모니터링이 요구되고 있음. 또한 해조류 단백질에 대한 알레르기 및 2011년 일본 후쿠시마 사고 이후에 방사능물질의 해양유출에 따른 해조류의 특정 핵종 물질의 축적, 그리고 해양오염 중의 하나인 거대 및 미세 플라스틱에 혼합 우려가 지속적으로 제기되고 있음

• ○세포기반의 인공배양 식품소재(Cell-based food production)

• ╶︎세포기반의 인공배양 식품소재는 전통적인 육상이나 수계의 식품소재를 대규모 사육이나 양식 그리고 도축과 같은 프로세스를 거치지 않고 in vitro 상에서 동물세포 배양과 같은 방법을 통해 하나의 완전한 가축 개체 없이 원하는 부분의 육류만을 얻는 방법임

• ⁎︎※ 세포기반의 육류소재는 animal-free, artificial, cell-based, cell-cultured, cellular, cuelty-free, cultivated, in vitro, lab-grown, staughter-free, synthetic, test tube, vat-grown과 같은 수식어로 알려져 있으며, 통일된 명칭 없이 ‘cultured, cell-based, cultivated’란 수식어들이 따라다니는데, 이는 ‘무동물(animal-free)’, ‘청정(clean)’, 또는 ‘무도축(slaughter-free)’의 육류라는 의미를 포함함

• ╶︎세포기반의 육류는 다음과 같은 일련의 단계를 거쳐 일반적인 육류와 동일한 형태의 세포로부터 배양한 육류로 생산됨: (1) 원하는 동물로부터 원하는 부분의 세포 채취; (2) 세포 준비, 증식, 분화; (3) 3D 형태의 조직형성을 위해 마이크로캐리어나 주형에 세포부가 및 생물반응기를 통한 대량 배양; (4) 최종 세포로 만들어진 조직 회수;(5) 성형 및 첨가제 추가를 통한 식품 가공

• ╶︎세포로부터 육류 형태의 완제품 생산시 각 단계별 잠재적인 위험과 고려사항은 첫째, 동물감염 질병의 교차오염, 둘째, 잔여물과 부산물 발생, 셋째, 외부소재의 이입, 넷째, 미생물에 의한 오염이 있음(표1)

[표 1] 배양육 생산시 잠재적 위험 및 고려할 단계

출처: FAO, Thinking about the future of food safety (2022)

• (1)세포 선정시: 배양육에 사용되는 세포 채취시 살아있거나 도축된 동물로부터 동물 감염 질병의 교차오염이 있을 수 있으며, 특히 세포배양시 사용되는 동물유래의 배지는 바이러스, 미생물, 원생동물, 프리온 등의 감염 위험성이 상재함으로 우수위생관리(GHP, Good Hygiene Practices) 준수가 필요함. 특히 세포배양시 항생제를 사용하기 때문에 잔류 항생제에 대한 논쟁 요소가 존재함

• (2)성장배지 요소: 동물혈청 기반의 배양 배지는 항상 미생물 오염에 대한 우려가 항상 존재함. 해당 문제 해결을 위해 무혈청 배지 또는 이와 유사한 100여종의 배지가 사용되고 있음

• (3)3D 지지체 부가: 세포배양을 통해 일정 크기로 성장시키기 위해서는 3D 지지체가 필요한데 세포 성장 후에는 제거가 불가능하기 때문에 식용 가능한 재질이어야 하며, 잠재적인 알레르기 반응에 대한 평가가 필요함

• (4)물리화학적 특성 변화: 일정한 수준까지 세포가 세대를 계속하여 성장하는 과정에서 세포의 유전형 또는 후생유전적 변화가 나타날 가능성이 있어 상시 모니터링 필요함

• (5)동결보존제: 세포주 보관시 사용되는 이뉼린이나 소비톨 같은 동결보존제 물질이 세포 배양시 포함된 가능성이 있기 때문에 최종 배양육에 포함여부 확인 필요함

• (6)공정 과정 중 미생물의 오염: 식품 가공이나 세포의 배양 등 공정상에는 항상 미생물의 오염 가능성이 내재하고 있어 GMP 및 GHP 수준의 가이드라인 준수 여부와 최종 배양육 제품 제작시 사용되는 첨가제의 위해요소분석(Hazard Analysis)과 중요관리점(Critical Control Point), 즉 해썹(HACCP)을 고려할 필요가 있음

• ╶︎최종 산물의 안전성 평가의 경우, 배양육을 사용한 식품제조에 대한 국제 가이드라인 제작을 위하여 2021년부터 유엔 식량농업기구(Food and Agriculture Organization, FAO)와 국제보건기구(World Health Organization, WHO)는 화학적 첨가제, 잔류물과 오염물질, 미생물 오염 평가, 독성과 알레르기 평가를 위한 화학, 생화학, 물리적 성분분석, 영양분 분석 등 다양한 관점에서 개별적인 배양육 사례별 분석이 시작되고 있으나, 현재까지 공식적인 가이드라인, 규정 등은 제시되지 않은 상황임

2.2 배양육 생산 최신 기술 동향

2.3 배양육의 환경·사회적 영향

□ 배양육 산업의 환경적 영향 전망

• ○지구적 환경 부하를 최소화할 수 있는 배양육 산업

• ╶︎2018년에 FAO(Food and agriculture Organization)에 보고된 바에 따르면, 배양육은 소고기, 돼지고기, 닭고기에 비해 토지사용이나 온실가스 배출량은 낮으나, 생물배양기를 통해 생산될 때 각각의 육류 제품에 비해 에너지 소비가 2~6배 이상 높은 것으로 조사되어, 아직까지는 에너지 소비 비율이 높은 제품으로 여겨지고 있음

• ╶︎배양육이 기존 육류와 비교하여 환경부하를 얼마 줄일 수 있는지에 관한 또 다른 연구로는 영국의 Bath 대학과 미국의 오하이오주립대학에서 수행한 ’22년에 배양육에 대한 전과정평가(LCA) 보고가 있음

• ╶︎영국 Bath 대학에서는 실험실 규모의 Hallow fiber bioreactor를 사용하여, 환경적 부하를 줄이기 위해 최적 배양배지, 최적 대사 세포주, 식물 가수분해 아미노산 소스, 재생에너지를 사용한 발효기 배양을 모델로 하였으며, 미국 오하이오주립대는 파일럿 스케일의 발효기에서 생산된 배양육 17%와 10%의 콩 단백질, 코코넛오일 그리고 다른 식품첨가제를 넣은 하이브리드 햄버거를 최종 제품으로 모델로 하였을 때, 일반적으로 87%의 온실가스 저감효과와 90%의 경작지 사용 저감, 96% 물 사용 저감을 할 수 있다는 것을 확인함

• ╶︎2023년도 배양육에 관련된 15개사의 데이터로 다시 업데이트된 전과정평가에서 환경부하에 대한 영향을 온실가스배출 총량(carbon footprint), 토지이용도(land use), 대기오염(air pollution), 토양산성화(soil acidification), 해양부영양화(marine eutrophication)에 대한 가금류, 돼지, 소 유래의 육류와 배양육을 비교 조사한 결과에 따르면 월등하게 배양육이 환경부하를 줄여줄 수 있는 제품으로 확인됨

• ╶︎하지만 이들 보고서의 경우는 환경친화적인 다양한 변수(예를 들어 재생에너지의 사용이나 식물성 단백질) 등을 사용하여 이론적으로 환경친화적인 배양육 생산이 가능하다는 점을 강조하고 있음

□ 배양육 제품의 사회적 허용에 대한 전망

• ○소비자의 구매 및 대중의 수요에 대한 전망

• ╶︎일반적인 유전자 조작 식품이나 인공적인 감미료에 대한 사회적 호감도를 고려할 때 ‘in vitro’나 ‘lab-grown’이라는 개념을 갖는 배양육에 대해 소비자가 호감적이지 않은 것이 사실임

• ╶︎2018년에 조사된 바에 의하면 배양육과 식물성 고기(vegetarian meat)에 대한 호감도를 조사했을 때 배양육에 대한 이미지는 현저히 낮게 나타남. 다만 최근 지구적인 급격한 환경변화에 대한 우려에 따라 배양육에 대한 인식 변화가 시작되고 있음

• ╶︎하지만 최근 글로벌 경기 둔화와 물가 상승으로 인해 전통적인 육류 제품보다 가격이 상대적으로 높은 배양육 제품에 대한 선호도가 감소하는 것으로 알려져, 해당 제품을 생산하는 회사의 실적 저하로 인한 투자저하에 대한 우려가 있음

• ○미래 배양육 산업에 대한 불확실성 존재

• ╶︎현재까지 배양육 제품이 소비자에게 판매되고 있는 국가는 미국과 싱가포르에 한정되어 있어, 소비자의 평가에 의한 육류 제품과의 비교가 가능한 상태가 아니며, 기존에 육류제품에 비해 안전성이나 식품으로써의 영양, 그리고 환경문제, 가격경쟁, 문화적인 수용 등 다양한 요소들에 대한 평가가 이루어지지 않아 해당 제품의 사회적 수용 여부는 아직까지는 불확실함

• ╶︎또한 해당 제품의 규제나 국제적인 표준화 등이 확립되지 않고 개별국가에서 자율적인 기술 개발 단계에 있는 상황이라, 향후 각국의 규제 여부나 국제표준화, 가이드라인에 따라 개발된 기술의 방향이나 최종 제품의 허가나 시장 점유 여부가 결정될 것으로 예상되기 때문에 시장의 불확실성이 존재하고 있음

• ╶︎하지만 현재의 기술 발전 추이와 국가별 투자 추세를 볼 때 배양육 산업과 해당 분야의 연구는 급속하게 성장할 것으로 전망되며, 다양한 국가에서 출판된 보고서와 논문들의 전망에 따르면 2050년에 배양육 제품이 범용적으로 상업화될 것으로 예상하고 있음

3. 결론 및 시사점

□ 앞으로의 전망

• ○미래푸드 분야는 인류의 생존을 위한 선택이 아닌 필수 개발 기술

• ╶︎미래푸드 분야는 인구증가와 전세계적 기후의 급격한 변화, 그리고 미세먼지, 플라스틱의 해양 오염 등과 같은 글로벌 환경문제로 미래를 위한 선택이 아닌 식량의 안전과 안보를 위해 확보해야할 우선 기술로 부각되고 있음

• ╶︎과다한 육류 소비에 기인한 온실가스 배출양의 증대가 가져오는 부작용으로 탈육류 소비를 위한 방법으로 대체식품소재의 개발이 향후 점차 증대할 것으로 예상됨

• ╶︎특히 2030년을 목표로 미국과 유럽 등의 선진국에서 식물유래의 대체 식품 개발에 대한 투자와 제품 개발이 매년 급격한 성장을 하고 있는 것을 고려할 때, 동물 유래의 대체 단백질 또는 식품 분야는 향후 5~7년 내에 일정 수준의 시장 점유율을 차지할 것으로 예상되고 있음

• ╶︎배양육 기술의 경우 다수의 보고서와 리뷰논문에서 2050년에 대한 상업화 전망을 내놓고 있으나, 현재의 기술 발전 추이나 기존 식물유래의 단백질 소재 분야와 배양육 기술의 하이브리드 제품 개발이 이미 진행되고 있어 예상보다 빠른 기간에 배양육 제품 또한 시장에 나올 가능성이 있음

• ○미래푸드 분야는 지속가능한 미래를 위한 융합 학문을 활용한 기술

• ╶︎미래푸드 분야 기술 중 배양육 기술은 현재 바이오분야의 첨단기술인 줄기세포 연구나 오가노이드 분야를 인간이나 실험용 동물에 국한하는 것이 아니라, 식품으로 활용되는 축산동물에서 해양 어류, 패류, 갑각류 등의 세포를 사용하여 해당 동물의 조직을 만드는 미래푸드 기술로 활용하는 것임. 이는 역으로 해양동물 유래의 세포를 활용한 과학적 발견 또는 응용기술이 줄기세포나 오가노이드 분야에 교차 활용할 수 있는 가능성이 있음

• ╶︎특히 배양육 개발의 기본 기술인 세포 분리, 배양, 배양기 제작, 스케일 업 등은 기존의 동물세포 배양을 통한 치료용 세포주, 단백질 의약품 생산 등에도 적용 가능한 기술이므로 배양육 생산가격을 낮추기 위한 소재나 공정 기술 개발은 바이오 의료소재 생산 기술에도 활용될 수 있을 것으로 판단됨

• ╶︎또한 생체친화도를 갖는 바이오 소재(Biomaterials) 개발과 이를 활용한 바이오잉크, 바이오 프린터 등 3차원 형태를 만들어 내는 기반 기술도 다양한 식물이나 미생물 유래의 바이오화학 소재, 재조합단백질, 생리활성물질 등과의 합성으로 원하는 형태의 세포기반의 기능성 푸드 소재 개발이 가능할 것으로 예상되며, 바이오의약품 인허가에 비해 규제나 시장 진입이 비교적 용이한 식품기술에 적용을 통해 급격한 성장을 할 것으로 예상됨

□ 해결해야할 문제점

• ○미래푸드 제품의 불확실성 존재

• ╶︎현재 미래푸드 제품의 경우 국제적인 가이드라인 명확하게 정립된 것이 아니고, 개별국가에서 개별 제품에 따라 식품의 안전성을 확인하는 상황임. 향후 정부나 국제기관의 규제나 가이드라인에 따라 특정 제품의 시장 출시여부가 결정될 것으로 예상되기 떄문에 관련 기술 개발이나 제품 개발이 민감한 측면이 있음

• ╶︎또한 식품은 사회적으로 소비자의 선호도나 기호에 따라 상품의 수용 여부가 결정되는데, 현재는 미래푸드 제품이 시장에 출시되지 않은 상태이므로, 향후 제품 출시 이후 미래에 대한 불확실성이 항상 내재되어 있음

• ╶︎따라서 미래푸드 제품 개발을 위해서는 기존에 존재하는 가이드라인이나 표준화된 분석, 평가 기술 등을 통하여, 향후 인허가를 위한 제품 개발이나 품질, 생산공정 등의 정성, 정량 표준화 방법 및 국제 표준화 규정 준수 등을 미리 대비하는 것이 필요할 것으로 예상됨