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[이준정의 미래탐험] 미생물 단백질이 미래식량 공급원이다
   

젊은이들은 체지방을 빼고 근육질 체격을 갖길 원한다. 근육을 만들기 위해 무산소 운동을 하는 사람들이나 균형 잡힌 식단을 관리하기 힘든 사람들이 흔히 찾는 것이 단백질 보충제다. 이 단백질 가루의 원천은 콩, 우유, 계란, 소고기라고 주장하지만 대부분 제조원가가 저렴한 유청 단백질이거나 맥주 발효에 사용하고 남은 이스트(효모) 분말일 가능성이 높다. 유당을 체내에서 분해하지 못하는 기질을 가진 사람들은 특별히 콩 단백이나 계란 단백을 구해서 섭취하기도 한다. 단백질 가루는 탄수화물 섭취량을 줄이고 단백질 섭취량을 늘리는 효과가 있다. 일반적으로 건강한 체력을 유지하기 위해선 지방을 뺀 마른 체중을 기준으로 일일섭취량이 0.8g/㎏, 청소년기와 운동을 열심히 한다면 1.3g/㎏, 운동선수나 보디빌더와 같이 격렬한 운동을 한다면 1.8g/㎏ 정도의 단백질 섭취가 필요하다. 대략 체중에서 근육이 차지하는 비중이 40~50%이므로 70㎏의 체중이라면 30~35㎏ 정도의 근육에 단백질을 충분히 공급해주면 된다. 1.5g/㎏을 기준으로 하면 매일 달걀 6~7개가 함유한 단백질 양이 필요하다. 닭 가슴살로는 160g 정도를 섭취해야 한다. 자연식으로 단백질을 보충하려면 식사량이 많아지고 탄수화물 섭취량이 더불어 증가하므로 단백질 보충제를 사용하면 먹기 간편한 장점이 있다. 하지만 많은 양의 단백질을 섭취하면 과잉의 단백질은 체내에서 배출되는데, 이때 단백질에서 분리된 질소계 노폐물이 신장결석을 일으키거나 간에 부담을 주므로 건강에 별 도움이 안 된다.

 

고품질 단세포 단백질은 건조된 미생물이다

시판되는 단백질 가루들은 천연물에서 추출된 고품질 단세포 단백질(Single Cell Protein)이다. 단세포 단백질은 엄밀하게 구분하면 천연물이지만 효모, 박테리아, 곰팡이, 조류들을 번식시켜 건조한 미생물 시체들이라 미생물 단백질이라고도 부른다. 아미노산이 풍부하고 비타민 B, 핵산, 생리 활성 펩티드(Bioactive Petide) 및 면역당과 같은 활성 성분이 풍부할 뿐만 아니라 동물에 필요한 식이섬유가 풍부하다. 예를 들면 맥주발효 과정에서 생산된 잔여 효모를 건조해서 생산하는 양조 효모는 오염물이나 잔유물을 남기지 않는 건강한 식품이다. 성장을 촉진하고 온도에 따라 변질되지 않고 알약으로 잘 뭉쳐진다. 동물 사료에 첨가하면 동물들이 좋아할 뿐만 아니라 사료에 결핍되기 쉬운 단백질을 보충해주는 훌륭한 성분이다. 가축 및 가금류의 소화 시스템에서의 미생물 환경을 개선하고, 유익한 박테리아의 번식을 촉진하며, 위장병의 발병률을 감소시켜준다. 순수한 효모 단백질과 탄수화물은 어분 및 유청 분말의 복용량을 감소시킬 수 있다. 가축생산성, 사료 전환율, 그리고 사료 절감 비용을 효과적으로 높여준다. 일반적으로 권장 첨가량은 닭이나 오리용 사료엔 3~5%, 돼지는 4~6%, 양식새우나 물고기엔 5~10%, 소나 양에는 6~8%이다.

미생물 단백질은 생태학적으로도 유익하며 생산과 분리가 쉽다는 장점이 있다. 미생물 단백질의 생산은 미생물의 선정-발효-수확-후 처리-미생물 단백질 처리의 순서를 밟는다. 미생물을 선택하는 일은 매우 중요하다. 미생물이 독성이 없어 인체나 동물에 해를 끼치지 않아야 한다. 미생물 자체가 단백질 함유량이 많아야 한다. 성장이 빠르고 분리하기 쉬워야 한다. 선택된 미생물을 유리나 스테인리스강으로 만든 발효기에 넣어 멸균된 상태로 발효시킨다. 이때 필요한 온도, 압력, 습도, pH 등을 조절해준다. 일반적으로 미생물 발효를 위해서 배양 배지를 공급해준다. 발효가 일어나면 단일 세포로부터 생성되는 많은 수의 미생물 덩어리(군체)가 생긴다. 이 덩어리들을 각 세포로부터 분리하는데 이를 디칸테이션(Decantation)이라 부른다. 원심분리, 세탁, 건조 등 다양한 방법으로 미생물 덩어리들이 분리된다. 생산된 단백질은 탄수화물, 핵산, 지질, 소금 등 불순물들이 함유되어 있다. 순수한 단백질을 얻으려면 동결과 해빙을 반복하거나 열 충격을 가하거나 분쇄작업을 해준다.

미생물 단백질을 생산할 수 있는 미생물은 효모 이외에도 미세 조류(Algae), 사상구균(곰팡이류), 박테리아가 있다. 미생물은 번식 주기가 조류는 2~6시간, 효모는 1~3시간, 박테리아는 0.5~2시간으로 매우 빠르므로 짧은 시간 내에 많은 양을 번식시켜 생산할 수가 있다. 단백질을 구성하는 아미노산의 조성을 유전적으로 바꿔줄 수도 있다. 건조 질량을 기준으로 단백질 함량이 30~70%로 매우 높다. 미생물들은 번식하기 위해서 대기 중의 탄소나 질소를 흡수하는데 이는 대기 환경오염물질을 제거하는 효과도 있다.

미생물 중에서 효모는 박테리아에 비해 크기가 크므로 쉽게 수확할 수 있지만 번식 속도가 느리고 단백질 함량이 45~55%로 약간 낮다. 미세 조류는 번식 속도가 빨라 대량생산에 유리하고 좋은 아미노산이 포함된 단백질 함량이 30~60% 정도다. 미세 조류에서 생산된 클로렐라(Chlorella)와 스피루리나(Spirulina) 등은 대만, 태국, 일본, 이스라엘, 멕시코, 미국 등에서 환이나 가루로 생산된다. 클로로필이 많이 함유되면 사람에겐 나쁘다는 분석이 있고 번식 과정에서 오염될 가능성도 있다고 한다. 하지만 스피루리나는 세계보건기구(WHO)에서 지구상에서 가장 훌륭한 슈퍼푸드로 평가받았다. NASA 과학자들은 1㎏의 스피루리나가 1t의 다양한 채소와 영양효과가 같다는 분석보고서를 발표하기도 했다. 곰팡이는 번식 속도가 빠르고 단백질 함량이 높지만 곰팡이의 2차 대사산물로 독소를 내품어서 식품이나 사료를 오염시킬 우려가 높다. 한편 박테리아는 pH 5~7의 산성분위기가 필요하고 35~45℃의 고온조건이 필요하다. 박테리아의 장점은 성장 속도가 매우 빠르고 단백질 함량이 45~65%로 높고 탄소 공급원으로 무엇을 사용해도 괜찮은 장점이 있다.

 

미생물 단백질이 식량문제를 해결해준다

미생물 먹이로 폐기물을 사용하면 원료비가 마이너스이지만 유용한 성분을 골라 공급하면 미생물 단백질 가격이 높아지는 영향인자가 된다. 또 미생물 단백질을 어디에 사용하는가에 따라서도 가격이 확 달라진다. 동물 사료로 공급하는 것보다 사람의 영양제로 사용하려면 고순도로 정제하기 때문에 가격이 10배 이상 뛴다. 미생물 단백질의 영양 가치는 영양소 성분, 아미노산 함유분포, 비타민, 핵산량에 따라서 달라진다. 이밖에도 소화흡수성, 생물학적 가치, 단백질 효율, 순 단백질 활용도에 따라서도 가격이 달라진다. 동물사료 첨가제로 사용되는 경우엔 송아지, 가금류, 돼지, 양식 어류의 성장을 돕는다. 식품산업에선 아로마, 비타민, 유화보조제, 구이제품, 스프, 인스턴트 식품, 다이어트 식단 등에 널리 사용되고 있다. 산업용으론 종이가공이나 가죽가공 그리고 거품안정제로 사용된다.

미생물 단백질의 장점은 단백질 함량이 매우 높고 저지방 함량이라는 점이다. 비타민 B복합제의 좋은 공급원이며 계절에 관계없이 생산할 수 있다. 미생물 먹이로 폐물질을 사용할 수도 있고 자원재활용을 통해 환경오염을 줄이는 효과도 있다. 같은 양의 단백질을 자연적으로 생산하는 것보다 적은 토지와 시간으로 대량생산이 가능하다. 특히 유전공학의 발달로 필수아미노산이 함유된 단백질을 쉽게 생산할 수가 있다.

 

미생물 단백질의 맛을 허브나 양념으로 조절한다

미생물 단백질 생산기술은 동물사료 보충제보다도 인구증가에 따른 식량부족 문제를 해결할 수 있는 방법으로 입증된 기술이다. 자연에서 생산되는 육류 대신 대량으로 두부와 같이 단백질을 공급할 수 있다. 육류와 어족 자원이 고갈되는 경우 이들을 대신해서 단백질을 공급해 줄 수 있다. 이미 쿠언(Quorn) 식품은 육류 대체 식품으로 판매되는 대표적인 미생물 단백질로 단백질 함량이 높은 진균류(Fusarium Venenatum)로 제조한 제품이다. 채식주의자들의 아침 시리얼 및 간식의 대체식품으로 주로 판매된다. 진균류는 쿠언 공정(Quorn Process)으로 알려진 발효용기에서 호기성 조건하에서 재배된다. 약 50m 높이의 발효기는 연속공정으로 단백질을 제조한다. 멸균된 발효기에 물과 옥수수 전분으로 만든 95% 포도당 용액을 채우고 진균류를 넣어준다. 균이 증식하기 시작하면 칼슘, 마그네슘, 인산염 등의 미네랄도 첨가한다. 이들 영양분이 함유된 배지는 pH 6, 온도 28~30℃의 조건에서 리터당 15g의 바이오매스 밀도를 갖는다. 호흡과 단백질 생산에 필요한 산소와 질소를 공급하기 위해서 공기와 암모니아 가스도 주입해준다. 미생물과 영양소가 결합되어 단백질(Mycoprotein) 고형물이 형성되는데 평균 5~6시간 후부터 연속적으로 용기에서 빼낸다. 이 고형물을 65℃로 가열해 핵산을 분해하고 원심분리기로 건조하면 생과자 반죽 같은 단백질이 얻어진다. 이 단백질에 허브, 양념, 달걀흰자 또는 감자추출물 등을 배합해서 증기로 삶은 다음에 동결한다. 이 얼린 단백질에 섬유질을 섞어서 고기와 같은 질감을 주어 소시지, 잘게 썬 고기, 필레, 기타 다양한 음식으로 제조하고 있다.

미생물은 유전자 변형을 통해서 생명 공학, 의약품, 농업, 가금류 사료 등 용도에 맞는 미생물 단백질을 설계할 수 있다. 동물 육류를 구성하는 단백질들을 기본으로 닭가슴살 맛이 나는 단백질, 소고기 갈비살 맛이 나는 단백질을 미생물 속에 설계해 넣는 일이 가능할지는 모르겠지만, 만약 육류 부족 사태가 발생하면 단백질 공급방식으로 충분한 고려 대상이다. 최근 동물의 줄기세포를 직접 실험실에서 배양하는 기술이 성공했다는 기사를 가끔 보는데 줄기세포 배양은 동물 장기생산이나 가능하지 식용 육류제조기술로는 너무 비용이 많이 드는 고급기술이다. 미래에 식량부족 사태가 온다면 특히 육류소비량 증가에 대비하려면 미생물 단백질 생산기술에 주력해야만 한다.

이준정 미래탐험연구소 대표  |  2040ironman@gmail.com  |  승인 2017.10.23  07:20:40
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