공기에서 단백질을 만든다? Air Protein 기술과 지속 가능한 식량 혁명

1. 개요 및 배경

공기 단백질(Air Protein)은 이산화탄소(CO₂), 수소(H₂), 질소(N₂), 산소(O₂)와 같은 기체 성분을 기반으로 미생물 발효 과정을 통해 단백질을 생산하는 혁신적 기술이다. 이 기술은 1960년대 NASA에서 우주 비행사의 식량 문제를 해결하기 위한 연구에서 처음 개념화되었으며, 최근 지속 가능한 식품 생산에 대한 관심과 함께 상업적 발전을 이루고 있다. 대표적인 기업으로는 미국의 Solar Foods(Solein®), Air Protein, Deep Branch 등이 있으며, 이들은 C1 발효(C1 fermentation) 기술을 활용해 식품 등급의 고단백 소재를 생산하고 있다.

 

TIME, "Solar Foods Solein", 2020.

 

2. 핵심 기술 원리

공기 단백질의 생산은 C1 발효를 기반으로 한다. C1 발효는 단일 탄소(C1) 화합물인 CO₂를 미생물의 탄소원으로 활용하는 발효 과정이다. 이 과정은 다음과 같이 진행된다:

1. 기질 공급:
   • CO₂: 발효의 주요 탄소원으로, 산업 공정에서 발생하는 배출가스를 직접 활용할 수도 있다.
   • H₂: 수소는 미생물의 환원 반응에 필요한 전자를 제공하는 역할을 한다.
   • O₂ 및 N₂: 미생물의 호흡과 생장에 필수적이다.
2. 미생물 배양:
   • 공기 단백질 생산에는 수소영양세균(Hydrogenotrophs)을 주로 사용한다. 대표적인 균주로는 Cupriavidus necator, Ralstonia eutropha, Xanthobacter 등이 있다. 이 미생물들은 CO₂를 고정하고, H₂의 전자를 이용해 ATP를 생성하며, 이를 통해 단백질과 바이오매스를 합성한다.
3. 합성 대사:
   • 미생물은 Calvin-Benson-Bassham(CBB) 경로, Wood-Ljungdahl 경로, 또는 Reverse TCA 경로를 통해 CO₂를 고정하고, 아미노산과 단백질로 전환한다.
4. 단백질 회수:
   • 발효 후, 미생물의 바이오매스를 회수하고, 세포벽을 파쇄(세포 용해)하여 단백질을 추출한다. 이후, 원심분리, 여과, 건조 단계를 거쳐 최종 제품인 단백질 파우더를 생산한다.

3. 성분 및 영양 특성

공기 단백질은 완전 단백질(complete protein)로, 필수 아미노산 9종을 모두 포함하고 있다. 주된 성분과 특징은 다음과 같다:

1. 단백질 함량: 건조 중량 기준으로 70%에 이른다. 이는 대두 단백질(60%)과 완두콩 단백질(40~50%)보다 높은 수준이다.
2. 아미노산 구성: 리신(Lysine), 메티오닌(Methionine), 페닐알라닌(Phenylalanine) 등 필수 아미노산이 균형 있게 함유되어 있으며, 생물학적 가치(Biological Value, BV)가 높다.
3. 지방과 탄수화물: 지방과 탄수화물 함량은 5% 미만으로, 대부분의 에너지는 단백질과 미량 영양소에서 제공된다.
4. 비타민과 미네랄: 철(Fe), 칼슘(Ca), 비타민 B군(B12 포함) 등이 자연적으로 포함되어 있다. 특히, 비타민 B12는 식물성 단백질에는 없는 영양소로, 공기 단백질의 경쟁력을 높인다.

4. 생산 공정과 에너지 효율성

공기 단백질의 생산은 저에너지, 저자원 시스템을 기반으로 진행되며, 다음과 같은 단계로 구성된다:

1. 원료 준비: 재생에너지(태양광, 풍력 등)로 전기 분해를 통해 수소(H₂)와 산소(O₂)를 생성하고, 외부에서 CO₂를 공급한다.
2. 발효: 바이오리액터 내에서 수소영양세균을 이용해 CO₂를 고정하고 단백질을 합성한다. 이 과정에서 온도(30°C)와 pH(7.5)가 제어된다.
3. 단백질 회수: 배양된 미생물을 원심분리하고, 세포를 파쇄한 후 단백질을 추출, 정제한다.
4. 건조 및 분말화: 최종적으로 단백질을 건조하여 파우더 형태로 가공한다.

이 과정은 전통적인 농업 기반 단백질 생산과 비교했을 때 다음과 같은 장점을 가진다:

• 물 사용량: 대두 단백질 대비 99% 절감.
• 토지 사용량: 1kg의 공기 단백질 생산에 필요한 면적은 콩 재배 대비 1% 미만.
• 에너지 사용량: 재생에너지 기반 시스템을 활용하여 탄소 발자국을 최소화.

5. 응용 및 산업적 활용

공기 단백질(Air Protein)은 지속 가능한 단백질원으로 다양한 산업 분야에서 실질적인 응용 사례가 늘어나고 있다. 특히 식품, 사료, 기능성 제품, 산업 소재 분야에서 기술 상용화가 활발하게 진행되고 있다.

 

1. 식품 산업

공기 단백질은 영양학적 우수성과 기능성을 기반으로 다양한 식품 제품에 활용되고 있다. 대표적으로 대체육, 베이커리, 기능성 식품, 유제품 대체품 등에서 응용되고 있다.

• 대체육: 공기 단백질은 대체육의 주요 성분으로 사용되며, 식물성 대체육과는 달리 완전 단백질의 아미노산 구성을 제공한다. Air Protein과 Solar Foods는 공기 단백질을 활용해 텍스처화된 단백질을 생산하고, 이를 기반으로 햄버거 패티, 소시지 등 다양한 제품을 개발하고 있다.
• 베이커리 제품: 빵, 크래커, 파스타와 같은 베이커리 제품에서도 공기 단백질을 활용해 단백질 함량을 높인 제품이 출시되고 있다. 이는 식이 요구가 다양한 소비자에게 적합한 솔루션을 제공한다.
• 기능성 식품: 고단백 식단을 선호하는 소비자들을 위해 단백질 강화 스낵, 음료, 에너지바와 같은 제품에서도 사용된다.
• 유제품 대체품: 공기 단백질은 요거트, 치즈 등과 같은 유제품의 식물성 대체품에도 사용되며, 특히 비타민 B12와 철분과 같은 필수 영양소를 포함하는 장점이 있다.

2. 사료 산업

축산과 양식 산업에서도 공기 단백질의 활용이 증가하고 있다. 기존 어분(Fishmeal)과 대두 단백질의 지속 가능성 문제가 대두되면서, 환경 친화적이면서도 고단백의 사료 성분으로 각광받고 있다.

• 양식 사료: Deep Branch는 공기 단백질을 기반으로 한 사료 제품인 Proton™을 개발하여 양식 산업에 공급하고 있다. 이는 어류 성장률을 높이면서도 해양 생태계에 미치는 영향을 줄이는 대안으로 평가받고 있다.
• 가축 사료: 공기 단백질은 가금류, 돼지 등의 사료 성분으로 활용되며, 기존 대두 기반 사료보다 높은 단백질 함량과 소화율을 제공한다.

3. 기능성 제품

공기 단백질은 비타민과 미네랄을 강화한 건강기능식품과 스포츠 영양 보충제에도 사용된다.

• 단백질 보충제: 미국의 Air Protein은 단백질 파우더와 건강 보조 식품을 출시하고 있으며, 이는 체중 관리, 근육 강화, 면역력 증진을 위한 제품군에서 인기를 끌고 있다.
• 스포츠 영양식품: Solein은 고단백, 저지방 특성을 지녀 운동 선수와 피트니스 애호가를 위한 단백질 쉐이크, 바 등에 적용되고 있다.

4. 산업 소재

식품 외에도 공기 단백질은 바이오 기반 소재로 활용되어 지속 가능한 산업 제품 개발에도 기여하고 있다.

• 생분해성 포장재: 공기 단백질은 바이오폴리머와 결합해 생분해성 포장재를 제작하는 데 사용된다. 이는 플라스틱 사용을 줄이고, 폐기 시 환경에 미치는 영향을 최소화하는 데 기여한다.
• 의약 및 화장품: 공기 단백질에서 추출된 특정 펩타이드는 피부 보습과 재생을 촉진하는 성분으로 화장품 산업에서 활용되고 있다.

 

6. 지속 가능성 및 환경 영향

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공기 단백질 생산의 가장 큰 강점은 탄소 중립성과 환경 지속성이다. 주요 환경적 이점은 다음과 같다:

1. 탄소 저감: 1kg의 공기 단백질 생산 시 약 1.5~2kg의 CO₂를 흡수하며, 이는 식물성 단백질과 비교해 탄소 배출량이 80% 이상 낮다.
2. 물 절약: 전통적인 콩 단백질 생산과 비교 시 물 사용량 99% 절감.
3. 토지 이용 최소화: 농경지 없이 도심 내에서도 생산 가능, 식량 자급률 개선에 기여.
4. 생물다양성 보존: 산림 파괴와 서식지 감소 없이 단백질 생산이 가능하다.

7. 기술적 과제 및 전망

공기 단백질 기술은 지속 가능성과 영양 측면에서 우수하지만, 상용화를 위한 몇 가지 과제가 남아 있다.

1. 생산 비용: 초기 설비 투자와 재생에너지 활용 비용이 높다. 다만, 기술 발전과 생산 규모 확대를 통해 단가가 점진적으로 하락할 전망이다.
2. 소비자 수용성: 아직 소비자 인식이 낮아 마케팅과 교육을 통한 수요 확대가 필요하다.
3. 규제와 안전성: 식품 등급의 단백질 생산을 위한 식품 안전성 검증과 규제 승인이 필요하다.

8. 결론

공기 단백질은 지속 가능성, 영양학적 가치, 생산 효율성을 동시에 충족하는 차세대 식품 소재로, 탄소 중립과 식량 안보 문제 해결에 기여할 잠재력이 크다. 향후 바이오리액터 기술 최적화, 재생에너지 기반 확대, 비용 절감 등을 통해 상용화가 가속화될 것으로 기대된다. 특히, 식품, 사료, 건강 보조 식품 등 다양한 산업에서 활용될 수 있으며, 탄소 중립 사회 실현을 위한 핵심 솔루션으로 자리 잡을 것이다.