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효소enzyme 기능성 효소의 산업적 응용현황에대해 살펴보자.
2013-08-22 16:19:22
이엠생명과학연구원

기능성 효소의 산업적 응용현황

효소는 고도의 초정밀성, 특이성, 선택성 및 고효율성의 특성을 가져서 인간이 영위하고 있는 다양한 산업에 이용이 확대되고 있을 뿐 아니라, 기능면에서는 산화환원, 전이, 가수분해, 이탈 및 부가, 이성화와 합성반응을 촉매하는 일반적인 기능은 물론이고 고온, 고압, 유기용매하의 반응 등 특수한 상황에서도 반응하는 특성으로 산업적 적용범위가 무한하기 때문에 미래 산업용제제로 활용가치가 높은 품목이다. 효소의 산업적 이용은 약 130여 년전 송아지의 위에서 치즈 제조시 사용되던 응유효소인 rennet를 제조하는 데에서 기인되었고, 이외에 전분을 당화시키는 당분해를 이용한 식품제조에 주로 사용하다가, 근래에는 의약품제조, 정밀화학품제조, 특수용도의 식품의약품(Nutraceuticals) 및 화학품을 제조하는데 사용되면서, 그 사용범위가 확대되었다. 주변기술의 획기적인 개발은 종래에 가격적인 차원에서 사용 불가능했던 효소를 산업적으로 사용 가능하게 했는데, 대표적인 기술로 유전자 조작기술, 단백질공학기술 및 기타 생물공학기술의 획기적 발전을 예로 들 수 있다.

신개발된 기술에 의한 효소의 획기적인 생산은 의약 및 정밀 화학산업의 효소이용이 화학적 및 물리적 방법에 비해서 상대적으로 값비싼 공정인 단점을 극복할 수 있을 뿐 아니라, 효소 이용 공정이 인류가 요구하는 무공해, 저에너지 공정을 실현시킬 수 있기 때문에 효소이용 산업은 반드시 개발되어야 분야로 평가받고 이에 따른 기술의 활용 범위도 확대되고 있다.

효소이용 신공정을 개발하려면 종래에 기존효소에 대한 연구가 주로 고역가 효소원의 탐색기술이라면 첨단산업요건을 추가하기 위해서는 기존효소의 고역가탐색에 신반응성, 신특성, 및 신이용성이 추가된 신기능효소의 탐색과 탐색된 효소의 대량생산기술 및 효소를 이용한 신효소 이용 공정개발이 중요하다. 이러한 신기능 효소를 이용한 연구결과는 초정밀화학 제품생산을 하는 화학공업, 신기능 의약품개발의 의료산업, 기능성식품 및 고부가가치식품소재를 개발하는 식품산업, 난분해물질을 처리하는 환경산업, 그외 Biosensor등의 특수산업을 창출하는 등 산업적 응용이 큰 과제로 차세대 산업을 선도하는 중요한 범위로 판단한다.

 

 

① 식품용 효소

효소의 산업적 응용이 대부분 식품용 효소의 응용에서 시작되었기 때문에 이 분야에 대한 연구는 많이 되어 왔다. 효소의 식품가공에의 사용은 syrup 제조, 맥주 등 알콜발효, 낙농, 제빵, 과일 및 야채쥬스, 곡물가공, 식품보존, 계란가공, 식품유지가공, 생선가공, 향기 및 맛 제조, 동물사료 등 많은 분야에 사용되고 있는데, 여기에 대표적으로 사용되는 효소는 표 3-1.에 나타난 바와 같다.

한편, 세계 식품효소시장은 평균 4% 성장세를 기록하고 있다(Decision Resources사 예측). 식품용도별 효소의 시장점유 상황은 옥수수 가공용이 약 40%, 낙농산업용이 약 34%, 음료산업이 약 10%를 차지하여, 이들 분야가 전체 식품효소의 약 84%를 점유하고 있다. 그 나머지는 주류산업 및 기타 식품산업 등의 용도에 분포해 있다.

 

 

식품공업에 사용되는 효소의 종류

사용용도

사용되는 효소

효소원

물엿, 포도당,

syrup

α-amylase,β-amylase,dextranase glucoamylase, glucose isomerase

세균, 곰팡이

방선균

알콜발효

(맥주, 주정)

α-amylase,β-amylase,dextranase glucoamylase,cellulase, pectinase

세균,곰팡이

낙농제품

rennet, chymotrypsin, lactase, lipase, penicillinase, invertase

동물, 세균

곰팡이, 효모

제빵 및 제과

α-amylase,β-amylase, protease

glucoamylase, lactase

곰팡이

과일 및 야채쥬스

pectinase, naringinase, hesperinase

곰팡이

육류가공

papain, bromelain

식물

계란가공

glucose oxidase, catalase,

곰팡이, 방선균

식품유지

lipase,

세균, 곰팡이

생선가공

protease, amylase, cellulase

식물, 세균

향료 및 맛제조

protease, amylase, lipase,

식물, 세균

동물사료

amylase, cellulase, protease,

lipase, phytase, hemicellulase

곰팡이, 세균

 

 

또한, 국내 식품용 효소 시장규모는 전체효소시장의 22%의 비중을 보이고 있는데, 이 가운데 양조공업용 효소는 식품용 효소시장의 33%의 비중을 차지한 것으로 분석된다. 이처럼 양조공업에는 곰팡이와 세균에서 얻어진 여러 종류의 α-amylase, glucoamylase, glucanase, protease 등이 사용되며, cellulase, pullulanase, pentosanase 등은 제조수율 증대시 또는 밀?수수 등을 보조원료로 사용할 때 이용된다. 주정용 효소는 대부분 조효소 형태이며, 정제효소 사용 시에도 주로 다른 효소와 혼합해 사용되고 있다. 이는 순수 알콜 제조만이 목적이 아니고 특색 있는 맛과 향을 내기 위한 것으로 풀이된다.

그러나, 이러한 조효소제품과 자체제조 koji를 사용하는 것은 전체 공정관리측면에서 바람직하지 못하고, 발효기간의 단축, 처리공정개선 등 발효공정 개선과 원가를 절감하기 위해 공정상 생화학적인 특성을 검토, 정제효소 사용법으로 대체가 필요한 것으로 분석되고 있다. 특히, 주정공업에서 요구되는 개발방향은 먼저 발효수율 향상을 위해 비발효성 당 생성이 적은 효소개발이 요구되며, 공정을 단축할 수 있는 내열성 효소 개발과 공정이 간단하고 비용이 적게 드는 무 증자 알콜발효용 효소의 개발이 시급하다는 지적이 지배적이다. 전분당공업용 효소시장은 식품공업용 효소시장의 57%를 차지해 높은 비중을 보인 것으로 분석되고 있다.

전분당공업은 전분원료를 산 또는 효소처리로 가수분해 또는 전환시켜 포도당, 과당, maltose 및 이들의 혼합물을 제조하는 것으로 최종산물은 제과, 제빵, 양조, 알콜공업 및 감미료 원료로 사용된다. 전분당화공정은 액화, 당화 및 이성화공정으로 나눌 수 있는데 전분당공업에 상용되는 α-amylase, glucoamylase 등은 국산효소가 주로 사용되고 있다. 그러나, 내열성 α-amylase, 이성화효소 등은 전량 수입에 의존하고 있는 가운데 내열성 α-amylase는 지속적으로 수요량이 증가하고 있는 것으로 나타났다. 이는 효소처리시 95~100℃를 유지함으로서 전분노화에 의한 효소분해 저해작용을 방지하는 효과가 있으며, 전분당공업에 사용되는 효소는 25~30%가 내열성 α-amylase인 점을 감안하면 그 중요성은 높아질 것으로 평가되고 있으며, 따라서 활발한 연구활동이 필요하다는 전문가들의 지적이다.

또 감미료 원료로서 수요가 높아지는 과당 제조용 이성화효소, glucoamylase 와 pulluanase의 특성을 혼합한 dextranase 등의 제품개발도 신속히 이뤄져야 한다는 지적이다. 제과?제빵 및 육가공 공업용에는 주로 papain, bromelain, neutral protease가 사용되고 alkaline protease와 amylase는 거의 사용되고 있지 않는 것으로 나타났다.

한편, 제과?제빵 및 육가공 공업용에는 효소작용에 의해 밀가루내의 전분 및 단백질인 글루텐을 분해, 가공시켜 제과?제빵의 품질인 글루텐을 분해, 가공시켜 제과?제빵의 품질을 향상시키며 이외에 필요에 따라 발효성 당을 증가시키는 glucoamylase, 전분노화 방지를 위한 내열성 α-amylae, 기타 cellulase, hemicellulase, glucanase, pentosanase 등의 사용이 가능한 것을 평가된다.

쥬스공업용 효소시장에서는 주로 pectinase 등이 사용되고 있다. 유가공 공업용 효소시장에서는 주로 rennet, chymotrypsin, lactase 등이 사용되고 있다. 지금까지 양조공업용, 전분당공업용 등의 용도로 사용되는 효소이외에는 malic acid, succinic acid, tartaric acid 등의 유기산 제조용 효소와 각종 올리고당 제조 및 스케비아 감미료의 쓴맛 제거시에 사용되는 전이효소류 등이 있는 것으로 알려지고 있다.

 

 




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