사탕수수 정제과정에서 나오는 처지곤란한 부산물을 친환경 원료로 전환시킬 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다.
광주과학기술원(GIST) 신소재공학과 권인찬 교수 연구팀은 사탕수수 정제 과정에서 나오는 부산물 '당밀'을 효소 반응만으로 'D-만니톨(D-mannitol)'로 전환하는 친환경 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.
D-만니톨은 천연 당알코올(sugar alcohol)의 일종으로, 식품·의약·화장품 등 다양한 산업에서 감미료·안정제·치료제 등으로 쓰이는 고부가가치 기능성 물질이다.
설탕 산업은 매년 막대한 양의 부산물을 배출한다. 사탕수수나 사탕무를 가공할 때 생성되는 당밀은 설탕 외에도 포도당, 과당, 무기물 등이 섞인 점성이 높은 부산물이다. 당 함량이 높아 바이오화학 원료로 재활용할 잠재력이 매우 크지만, 대부분 가축 사료나 저가의 에탄올 원료로만 이용된다.
이런 부산물을 새로운 자원으로 전환하는 기술은 환경 문제 해결과 산업 경쟁력 강화를 동시에 달성할 핵심 전략으로 주목받고 있다.
기존에는 주로 미생물 발효법으로 당밀에서 D-만니톨을 생산하는 연구가 이뤄졌으나, 과당 일부가 미생물 성장과 유지에 소비돼 전환 효율이 약 60%에 머물고, 젖산·에탄올 등 불필요한 부산물이 함께 만들어지는 문제가 있었다.
연구팀은 화학처리 없이 효소반응만으로 당밀을 D-만니톨로 전환하는 '3단계 효소반응 시스템'을 설계했다. 이 시스템은 인버타아제, 만니톨 환원 효소(MDH), 포도당 환원 효소(GDH) 등 세 가지 효소가 자연의 촉매 역할을 하며 단계적으로 작용해 자당→포도당·과당→D-만니톨로 전환한다.
또 반응 과정에서 소비되는 보조인자(NADH)를 포도당 환원 효소(GDH)가 포도당을 산화시키며 실시간으로 재생하도록 설계해 외부에서 보조인자를 공급할 필요가 없는 자급형 시스템을 구현했다. 보조인자는 효소 반응이 원활히 일어나도록 돕는 분자다.
D-만니톨 전환률도 각 효소가 가장 잘 작동하는 조건을 단계별로 적용한 2단계 공정에서 92%, 모든 효소를 한 번에 섞는 원팟(one-pot) 공정에서는 95%로 효율이 높았다.
반응 과정에서 만들어지는 또다른 부산물인 D-글루코노락톤(D-gluconolactone)도 고부가가치 화합물로 활용될 수 있다고 연구팀은 덧붙였다.
이번 기술은 기존 미생물 발효 기반 생산 방식보다 반응 속도와 선택성이 높고, 불필요한 부산물이 거의 없어 공정 단순화·경제성·환경성을 모두 확보한 지속가능형 바이오제조 기술이라고 연구팀은 평가했다.
권인찬 교수는 "이번 연구는 폐기되던 산업 부산물로부터 고부가가치 화합물을 얻을 수 있는 업사이클링 기술로, 환경친화성과 경제성을 동시에 확보했다"며 "향후 식품·의약·에너지 등 다양한 산업 분야에서 지속 가능한 바이오생산 공정으로 확대될 것으로 기대된다"고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 'Industrial Crops and Products'에 게재됐다. 기술이전 관련 협의는 기술사업화센터(hgmoon@gist.ac.kr)를 통해 진행할 수 있다.
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