미생물 발효가 대체 단백질 생산에 미치는 영향

 

1. 미생물 발효를 통한 대체 단백질 생산의 원리: 발효 미생물의 단백질 대사와 증식

미생물 발효는 균류, 효모, 세균 등 다양한 미생물의 대사 작용을 활용해 유용 물질을 생산하는 과정을 말한다. 대체 단백질 생산에서도 미생물 발효 기술이 핵심적인 역할을 하고 있다. 발효 미생물은 탄수화물 등의 영양분을 소비하면서 단백질을 합성하고 증식하는데, 이때 생산된 단백질을 추출, 정제함으로써 식품, 사료 등의 원료로 활용할 수 있다.

대체 단백질 생산에 주로 이용되는 발효 미생물로는 효모, 곰팡이, 세균 등이 있다. 이 중 효모는 단백질 함량이 50% 이상으로 매우 높고 필수 아미노산 조성도 우수해 가장 각광받는 소재다. 곰팡이는 균사체를 형성하며 자라기 때문에 식물성 고기의 조직감을 모사하는 데 적합하다. 세균은 증식 속도가 빨라 단시간 내 대량의 단백질을 생산할 수 있다는 장점이 있다. 

발효 미생물이 대사 과정에서 생산하는 효소는 기질 단백질을 가수분해해 펩타이드, 아미노산 등으로 분해한다. 이는 소화 흡수율을 높이고 알레르기 저감에도 도움이 된다. 또한 미생물 자체의 단백질은 식이섬유, 비타민 등 다양한 영양소를 함유하고 있어 영양학적 가치가 높다. 나아가 일부 발효 미생물은 항산화, 면역 증강 등의 생리활성 물질을 생산하기도 한다.

이처럼 발효 미생물은 그 자체로 양질의 단백질 공급원일 뿐 아니라, 기능성 향상에도 기여함으로써 대체 단백질 소재로서의 가치를 높이고 있다. 발효 미생물의 종류와 대사 특성에 따라 생산되는 단백질의 영양가와 기능성이 달라지기 때문에, 용도에 맞는 최적의 균주를 선별하고 배양 조건을 제어하는 것이 무엇보다 중요하다. 

2. 미생물 발효 단백질의 영양학적 우수성: 고단백, 고소화율, 고기능성

미생물 발효를 통해 생산된 단백질은 영양학적 품질 면에서 기존의 식물성 단백질을 능가하는 것으로 평가받고 있다. 발효 미생물 단백질의 가장 큰 장점은 높은 단백질 함량이다. 효모, 곰팡이 등 상용 발효 미생물의 단백질 함량은 40~70%에 달하는데, 이는 콩(35~40%)이나 밀(10~15%)에 비해 월등히 높은 수준이다. 이는 발효 미생물의 건조 중량 대비 단백질 생산성이 매우 높기 때문이다.

발효 미생물 단백질의 아미노산 조성은 동물성 단백질에 필적할 만큼 우수하다. 특히 라이신, 메티오닌 등 식물성 단백질에서 부족하기 쉬운 필수 아미노산이 풍부하게 함유되어 있다. 뿐만 아니라 미생물 단백질은 소화 흡수율도 90% 이상으로 매우 높아 체내 이용 효율 측면에서도 뛰어나다. 이는 발효 과정에서 미생물이 분비한 효소에 의해 단백질 소화율이 개선되기 때문이다.

여기에 발효 미생물 단백질은 식이섬유, 비타민, 미네랄 등 다양한 영양소를 함유하고 있어 영양균형 측면에서도 우수하다. 효모의 경우 베타글루칸 등의 기능성 다당류를 다량 함유하고 있어 면역 증강, 콜레스테롤 개선 등의 효과가 기대된다. 비타민 B군이 풍부한 것도 장점이다. 한편 곰팡이 균사체에는 식이섬유가 풍부할 뿐 아니라 항산화, 항암 물질 등이 다량 함유된 것으로 알려져 있다.    

이처럼 발효 미생물 단백질은 함량, 아미노산 조성, 소화 흡수율 등 모든 면에서 우수한 단백질 공급원이다. 여기에 기능성 성분이 풍부해 건강 증진에도 기여할 수 있다. 향후 유전공학, 대사공학 등의 기술이 접목된다면 발효 단백질의 영양가와 기능성은 더욱 향상될 수 있을 것으로 기대된다.

 

 

3. 발효 미생물을 활용한 대체 단백질 생산의 지속 가능성: 자원 효율성과 환경 친화성 

미생물 발효 기반의 대체 단백질 생산은 자원 효율성과 환경 친화성 측면에서도 큰 장점이 있다. 발효 단백질 생산에 소요되는 토지, 물, 에너지 등의 자원 사용량은 축산 대비 현저히 낮은 수준이다. 실제로 효모 단백질의 경우 쇠고기 생산 대비 토지 사용량은 1/1500, 물 사용량은 1/15, 온실가스 배출량은 1/25에 불과한 것으로 조사되었다. 

이는 발효조를 이용한 집약적 생산이 가능하고 증식 속도가 빨라 단위 면적, 단위 시간당 단백질 생산성이 매우 높기 때문이다. 또한 당밀, 농산 부산물 등 다양한 바이오매스를 원료로 활용할 수 있어 식량자원과의 경합 문제도 피할 수 있다. 나아가 배양액을 순환 이용하고 부산물도 비료, 사료 등으로 재활용함으로써 자원 이용 효율을 극대화할 수 있다.  

특히 메탄 발효 기술을 활용할 경우 에너지 자립적인 발효 단백질 생산이 가능하다. 메탄 발효는 유기성 폐기물로부터 바이오가스를 생산하는 기술로, 이를 통해 발효조 가동에 필요한 열과 전기를 자체적으로 충당할 수 있다. 온실가스 감축 효과도 기대할 수 있어 탄소중립 달성에도 기여할 수 있다. 일부에서는 이산화탄소를 활용해 미세조류를 배양하는 기술도 연구되고 있다.

발효 미생물은 유전공학 기술을 통해 생산성과 기능성을 향상시키기 쉽다는 점도 지속 가능성 제고에 유리하게 작용한다. 실제로 최근에는 유전자 재조합, 대사공학 기술 등을 활용해 아미노산 조성 최적화, 항영양인자 저감 등 맞춤형 발효 단백질 생산이 시도되고 있다. 자연계에 존재하는 다양한 미생물 소재 발굴도 활발히 이뤄지고 있다. 이는 발효 단백질의 지속 가능성을 보다 공고히 하는 토대가 될 것으로 기대된다.  

4. 발효 단백질 소재의 산업적 적용 현황과 전망: 식품, 사료 분야의 새로운 패러다임

미생물 발효를 통해 생산된 대체 단백질은 식품, 사료 등 다양한 산업 분야에서 활용되기 시작했다. 그 중에서도 식품 산업에서의 적용 사례가 가장 활발하다. 효모, 곰팡이 등의 발효 단백질은 대체육, 베이커리, 스낵 등 다양한 식품의 단백질 강화 소재로 주목받고 있다. 고단백, 저지방 식품에 대한 수요 증가로 발효 단백질의 활용 폭은 더욱 확대되는 추세다.

대표적으로 네덜란드의 스타트업 Enough사는 곰팡이 발효를 통해 식물성 고기 소재인 Abunda 마이코프로틴을 생산하고 있다. 미국의 Nature's Fynd사는 옐로우스톤 국립공원 온천에서 채취한 극한 미생물을 활용해 영양가 높은 단백질을 생산, 식품 소재로 판매하고 있다. 국내에서도 발효 공법으로 생산한 효모 단백질을 식품에 적용하려는 시도가 본격화되고 있다. 

한편 배합사료 분야에서도 발효 단백질의 도입이 확대되고 있다. 어분 대체와 사료 효율 개선을 위해 효모, 미세조류 등의 발효 단백질 소재가 적극 활용되고 있다. 실제로 효모 단백질은 어분에 버금가는 단백질 품질과 소화율을 자랑한다. 사료 내 면역 증강, 장내 환경 개선을 통해 가축의 건강과 생산성 향상에도 기여하는 것으로 알려져 있다.

시장조사기관 마켓앤마켓은 발효 공법으로 생산한 미생물 단백질 시장이 2020년 약 6억 달러에서 2026년 11억 달러 규모로 성장할 것으로 전망했다. 이는 연평균 9% 이상의 고성장이 예상된다는 의미다. 유엔식량농업기구(FAO) 역시 2030년 전 세계 단백질 수요의 10~15%를 미생물 단백질이 감당할 것으로 내다보고 있다.

발효 단백질 시장의 확대에 대응해 글로벌 식품, 사료 기업들의 투자 경쟁도 더욱 치열해질 전망이다. 다국적 식품 기업 네슬레, 유니레버 등은 발효 단백질 기반의 식물성 고기 개발을 적극 추진하고 있다. 사료 업계에서도 발효단백질 도입 비중을 지속 확대해 나가는 상황이다. 원천 기술 선점을 위한 바이오 벤처 인수, 제휴도 활발하다.

결론적으로 미생물 발효로 생산되는 대체 단백질은 지속 가능한 미래 식량 자원으로서 무한한 잠재력을 갖고 있다. 우수한 영양 품질과 생산 효율성, 자원 절감 효과 등으로 인해 식품, 사료 등 관련 산업의 새로운 패러다임을 열어갈 것으로 기대된다. 핵심 기술 고도화와 상용화 속도를 높인다면 발효 단백질은 단순한 대안이 아닌, 산업의 게임 체인저로 자리매김할 수 있을 것이다.