광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 권인찬 신소재공학과 교수팀이 사탕수수 정제 과정에서 나오는 부산물 '당밀(molasses)'을 효소 반응만으로 고부가가치 물질인 'D-만니톨(D-mannitol)'로 전환하는 친환경 바이오 전환 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.
D-만니톨은 천연 당알코올의 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 점성 높은 부산물이다. 하지만 대부분 가축 사료나 저가의 에탄올 원료로만 이용되어, 고부가가치 활용은 이뤄지지 못했다. 이러한 부산물을 새로운 자원으로 전환하는 기술은 환경 문제 해결과 산업 경쟁력 강화를 동시에 달성할 핵심 전략으로 주목받고 있다.
특히 당밀은 당 함량이 높아 바이오화학 원료로 재활용할 잠재력이 매우 크며 이를 활용한 D-만니톨 생산은 버려지는 부산물을 산업 자원으로 되살리는 대표적인 예가 될 수 있다.
기존에는 주로 미생물 발효법으로 당밀에서 D-만니톨을 생산하는 연구가 진행돼 왔으나 과당의 일부가 미생물 성장과 유지에 소비되어 전환율이 떨어지고 젖산·에탄올 등 불필요한 부산물이 함께 만들어지는 문제가 있었다. 실제로 기존 발효법의 효율은 이론적 최대치(100%)의 60~90% 수준에 머물렀다.
연구팀은 화학 처리 없이 효소 반응만으로 당밀을 D-만니톨로 전환하는 '3단계 효소 반응 시스템'을 새롭게 설계했다. 인버타아제, 만니톨 환원 효소(MDH), 포도당 환원 효소(GDH) 등 3가지 효소가 자연의 촉매 역할을 하며 단계적으로 작용해 '자당→포도당·과당→D-만니톨'로 이어지는 연쇄 반응을 유도한다.
연구팀은 반응 과정에서 소비되는 보조인자(NADH)를 포도당 환원 효소(GDH)가 포도당을 산화시키며 실시간으로 재생하도록 설계함으로써 외부에서 추가적인 보조인자를 공급할 필요가 없는 자급형 시스템을 구현했다. 3가지 효소가 단계적으로 작용하는 연쇄 반응 시스템으로 당밀내 다양한 당 성분을 효율적으로 활용할 수 있었다. 그 결과, 고가의 화학물질을 쓰거나 원료를 미리 처리하는 복잡한 공정 없이도 친환경적이고 경제적인 바이오 전환이 가능하다는 사실을 규명했다.
새로 개발한 효소 기반 기술은 기존 미생물 발효 기반 생산 방식보다 반응 속도와 선택성이 높고, 불필요한 부산물이 거의 없어 공정 단순화·경제성·환경성을 모두 확보한 지속가능형 바이오제조 기술로 평가된다.
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.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
