농업 부산물과 식품 폐기물 활용, 2025년 최신 연구 동향과 기술 혁신

현재 기술 및 연구 동향

농업 부산물과 식품 폐기물을 처리하고 자원으로 재활용하기 위해 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 기술이 개발되어 왔습니다. 최근에는 이러한 전통적 방법에 더해 첨단 공정 기술과 통합 바이오리파이너리 개념이 도입되어, 폐기물로부터 식품 원료, 에너지, 소재를 동시에 생산하는 방향으로 연구가 진전되고 있습니다.

 

 

 

1. 물리적, 화학적, 생물학적 처리 기술

세계 각국에서는 농식품 폐자원을 효율적으로 회수하고 valorization하기 위해 물리화학적(추출, 가수분해, 건조, 등), 생물학적(효소 분해, 발효, 혐기성 소화 등), 열화학적(직접 연소, 열분해 등) 처리 공정을 적용하고 있습니다​. 전통적으로 널리 쓰이는 기술들로는 다음과 같습니다:

• 물리적 전처리: 분쇄, 여과, 원심분리, 탈수 및 건조 등의 공정으로 폐기물 부피를 줄이고 성분 추출을 용이하게 합니다. 예를 들어 폐기물의 건조 및 분쇄를 통해 사료나 연료로의 활용 효율을 높이고, 초음파 처리 등의 물리적 방법은 이후 생물학적 분해 효율을 증대시킵니다.
• 화학적 처리: 산·알칼리 가수분해를 통해 농업 폐자원의 리그노셀룰로오스 구조를 분해함으로써 당류를 얻어내고, 이를 발효 기질로 사용합니다. 식품 폐유나 지방 함유 폐기물로부터 바이오디젤을 생산하는 화학적 전환(전이에스테르화) 공법이 그 예로, 곰팡이 효소로 음식물 폐기물을 당화하여 지질을 추출한 후 연료로 전환한 연구가 보고되었습니다​. 이처럼 화학 촉매나 효소를 활용한 공정은 연료뿐 아니라 플랫폼 화합물 생산에도 응용됩니다.
• 생물학적 처리: 미생물이나 효소를 이용한 생물공정은 폐기물 유기물을 분해하거나 새로운 물질로 전환하는 핵심 기술입니다. 대표적으로 혐기성 소화(anaerobic digestion)를 통해 바이오가스(메탄 등)를 생산하고, 호기성 발효 및 고체 발효를 통해 유용한 생화학물질이나 사료, 비료를 얻습니다. 예를 들어, 음식물 폐기물에 초음파 전처리를 적용하면 미생물 분해가 촉진되어 바이오가스 수율이 단기간에 15% 이상 향상될 수 있음이 보고되었고​, 물과 에너지 소모를 크게 줄인 고체상 미소 혐기소화 공정을 통해 킬로그램당 143리터의 메탄 생산을 달성한 사례도 제시되었습니다​. 또한 곡물 폐기물이나 과일찌꺼기를 효모나 세균으로 발효하여 바이오에탄올을 생산하는 연구도 진행 중이며, 피자나 햄버거 등의 패스트푸드 폐기물 1g당 약 0.27~0.29g의 에탄올을 얻은 실험 결과도 보고되었습니다​.

이와 같이 물리·화학·생물학적 처리기술은 단독 또는 조합되어 폐자원 처리를 최적화하는데 활용됩니다. 최근에는 이러한 공정에 펄스 전기장(PEF), 초음파 보조 추출(UAE), 마이크로파 및 초임계 유체 추출 등 혁신 기술을 접목함으로써, 폐기물로부터 영양성분과 기능성 물질을 더욱 효율적으로 회수하려는 연구개발이 활발합니다​. 예를 들어, 펄스 전기장은 세포막을 붕괴시켜 리코펜, 폴리페놀, 카로티노이드 등 식품 부산물에 함유된 천연 색소와 바이오액티브 화합물의 추출을 용이하게 했고​, 오믹가열 보조 증류공정은 아로마틱 허브 폐기물로부터 에센셜 오일을 추출할 때 에너지 효율을 향상시킨 사례가 있습니다​.

2. 식품 부산물 및 폐기물의 재활용 및 가치 창출 사례

식품 부산물(food by-product)과 가공 후 남은 부분은 적절한 공정을 거쳐 부가가치 제품으로 전환되고 있습니다. 국가별로 다양한 재활용 사례가 존재하는데, 특히 한국은 음식물 쓰레기의 98%를 사료, 퇴비, 바이오가스 등으로 재활용하는 시스템을 구축하여 국제적인 주목을 받았습니다​. 이러한 접근을 통해 음식물 폐기물의 직매립을 금지하고 순환 자원화율을 극대화한 것이 특징입니다. 

• 사료 및 식품 원료화: 곡물 주정박, 과실 착즙박 등은 가축 사료로 전통적으로 활용되어 왔고, 최근에는 식품 가공부산물을 인체에 유용한 식품 원료로 전환하는 시도가 늘고 있습니다. 예를 들어, 양파 껍질 분말을 빵 반죽에 첨가하여 항산화 물질을 강화하거나 (항산화 활성 증가, 라이소포당지질 산화 억제 등)​, 상추 폐기물 가루를 밀가루에 혼합해 식이섬유를 보강한 제빵 연구가 이루어졌습니다​. 이러한 부산물 유래 식품은 기능성 식품으로서 부가가치를 지니며, 소비자 수용성을 높이기 위한 관능적 품질 개선 연구도 병행되고 있습니다. 또한 유청(whey)과 같은 낙농 부산물은 단백질 보충음료나 분말로 재가공되고, 맥주 양조박은 과자, 시리얼 등의 원료나 버섯 배지로 활용되어 식품으로 재탄생하는 사례가 있습니다.
• 퇴비 및 바이오비료: 과일 껍질, 채소 잔재, 커피 찌꺼기 등은 퇴비화(composting)를 통해 농업용 비료로 많이 사용됩니다. 특히 미생물 접종이나 사전 전처리를 통해 퇴비화 기간을 단축하고 영양분 함량을 조절하는 기술 개발이 진행 중입니다. 예를 들어, 한국에서는 음식물 폐기물로 양질의 퇴비와 액상 비료를 생산하여 농가에 공급하고 있으며, 그 결과 화학비료 사용을 줄이는 효과를 보고하고 있습니다. 또한 혐기성 소화 공정의 부산물인 소화액(digestate)을 정제하여 인, 질소 등의 친환경 비료를 회수하는 기술도 실증 단계에 있습니다.
• 재생 에너지 생산: 식품 폐기물은 에너지 자원으로서도 가치가 높습니다. 앞서 언급한 혐기성 소화를 통한 바이오메탄 생산이 대표적이며, 고형 폐기물의 건류로 생성되는 바이오차(biochar)는 흡착제, 토양개량제 또는 연료로 활용됩니다. 바이오차는 250℃ 이상 산소가 거의 없는 조건에서 바이오매스를 열분해하여 얻는 탄소 고정 물질로서, 토양의 pH 조정, 보수력 및 양분 보유력 향상에 기여하며​, 그 자체로 탄소 포집 및 활용(CCU) 수단이 되기도 합니다. 최근 연구에서는 이러한 바이오차를 초고용량 커패시터(supercapacitor)의 전극 재료로 사용해 녹색 에너지 저장장치의 성능을 높이는 등 새로운 부가가치 용도를 개척하고 있습니다​.

이 외에도 폐식용유 및 유지 성분 폐기물을 변환한 바이오디젤 상용화 사례(예: 식당 폐유 수거 연료화)가 전 세계적으로 증가하고 있으며, 커피박을 원료로 난방용 고형 연료나 버섯 재배 배지로 활용하는 등 지역 단위의 혁신 사례들도 보고되고 있습니다. 이러한 다양한 가치창출 사례는 폐기물 유형에 따라 최적화된 처리 공정과 시장 수요를 매칭함으로써 실현되고 있습니다.

3. 바이오 기반 소재 및 기능성 식품 원료로의 활용

농업 부산물과 식품 폐기물은 바이오 기반 산업의 원료로도 주목받고 있습니다. 이는 화석자원 대신 재생 가능한 생물자원으로부터 소재를 얻는 순환 바이오경제의 핵심 전략 중 하나입니다. 

• 바이오폴리머 및 바이오플라스틱: 전분, 셀룰로오스, 지방 등 폐기물에서 추출한 성분을 이용해 생분해성 고분자를 생산하는 기술이 발전하고 있습니다. 음식물 폐기물을 미생물에 발효시켜 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)나 폴리하이드록시부티레이트(PHB)와 같은 바이오플라스틱을 생산하는 공정이 대표적이며​, 이는 제품 사용 후 수개월 내 자연 분해되어 환경에 무해하다는 장점이 있습니다. EU의 NoAW 등 연구 프로젝트에서도 볏짚, 거름, 포도찌꺼기 등으로부터 생분해성 플라스틱 소재를 만들고자 하며, 이를 통해 화석 기반 플라스틱을 대체하고 폐기물 누적을 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다​. 실제로 버섯 균사체(mycelium)를 농업 폐기물과 결합하여 발포체 대체 포장재로 활용하는 스타트업 사례처럼, 바이오매스와 생물체의 융합으로 새로운 친환경 소재를 개발하는 시도가 이어지고 있습니다.
• 천연 화합물 추출 및 기능성 소재화: 과일껍질, 씨앗, 곡물 껍질 등에는 폴리페놀, 식이섬유, 색소 등 건강 증진에 유용한 파이토케미컬이 풍부하여, 이를 추출해 기능성 식품이나 의약품 원료로 이용하려는 연구가 활발합니다. 기존에는 유기용매를 이용한 침출, 증류 등의 전통 추출법이 주로 사용되었으나, 에너지 효율과 환경 친화성을 높이기 위해 마이크로파, 초임계 CO₂, 효소 가수분해 보조 추출 등 신기술 추출법이 도입되고 있습니다​. 이러한 기술로 오렌지 껍질에서 펙틴을 추출해 식품 첨가제로 사용하거나, 포도주 제조 부산물에서 레스베라트롤과 안토시아닌을 회수해 항산화 보충제로 판매하는 등 상업적 사례도 나타났습니다. 다만 고부가 성분 추출의 경제성 확보를 위해서는 공정 최적화를 통해 여러 유용 성분을 통합적으로 분획하는 접근이 중요하다고 지적되고 있습니다​.
• 기능성 식품 원료 및 첨가물: 식품 폐기물 유래 분말이나 추출물은 식품 산업에서 영양 강화제나 천연 첨가물로 활용될 잠재력이 큽니다. 예를 들어 과일 착즙 후 남은 과육 찌꺼기(pomace)를 건조 분쇄하여 제빵용 섬유 강화재로 사용하거나, 포도씨 추출물을 음료에 첨가해 폴리페놀 함량을 높이는 제품 개발이 진행 중입니다. 또, 채소류 부산물로부터 얻은 천연 색소(비트 폐줄기의 베타인 등)는 합성 착색료를 대체할 수 있는 소재로 연구되고 있습니다. 이러한 업사이클링 식품 개발은 식품 폐기물의 양을 줄이는 동시에 소비자에게 부가적인 건강 가치를 제공한다는 이점이 있어 최신 연구 트렌드로 부상했습니다​.

4. 최신 연구 논문 및 학계·산업계 기술 동향

최근 5년간 식품 폐기물 업사이클링과 바이오리파이너리에 대한 연구 출판이 급증하고 있으며, 학계와 산업계 모두에서 지속가능한 폐기물 관리를 위한 새로운 접근법들이 보고되고 있습니다. 몇 가지 두드러진 동향은 다음과 같습니다.

• 나노기술과 생명공학의 융합: 나노입자, 나노셀룰로오스 등의 나노소재 기술과 유전자공학을 접목하여 폐기물로부터 기능성 물질의 추출과 안정화를 돕는 연구가 진행되고 있습니다​. 예를 들어, 폐식품에서 추출한 바이오액티브 성분을 나노에멀젼이나 나노캡슐 형태로 제조하여 식품이나 화장품에 적용하면 효능과 안정성을 높일 수 있다는 연구결과들이 있습니다. 또한 미생물의 대사 경로를 공학적으로 개량하여 폐자원으로부터 고수율로 목표 산물을 생산하는 대사공학 연구도 증가하고 있습니다.
• 통합 바이오리파이너리 시범: 하나의 폐기물 원료에서 다양한 제품(에너지, 화학물, 소재)을 동시 생산하는 바이오리파이너리 개념이 실증 연구로 나타나고 있습니다. 예컨대, 과일류 폐기물을 가지고 먼저 주정발효로 에탄올을 얻고, 남은 고형분은 메탄 발효로 에너지를 생산하며, 잔류물은 바이오차로 전환하는 다중 공정 통합 실험이 보고되었습니다. 이러한 접근은 폐기물의 완전한 자원화를 목표로 하며, 무폐기물 공정(zero-waste process)에 한 걸음 다가서는 기술로 평가받습니다.
• 산업계 오픈이노베이션과 스타트업: 식품 대기업 및 농산업 분야에서도 폐기물 자원화 기술을 적극 도입하는 추세입니다. 예를 들어, 글로벌 주스 제조사는 착즙 부산물에서 식이섬유와 천연 향미료를 추출하는 스타트업과 협업하고, 커피 체인들은 커피박 재자원화 (예: 컵 제조 원료, 벽돌 제조 등)에 투자하고 있습니다. 또한 블랙솔저플라이(BSF)와 같은 곤충을 활용해 음식물폐기물을 단백질 사료로 전환하는 벤처 기업들이 각국에서 성장하여, 이미 상업 생산시설을 가동한 사례도 등장했습니다​. 이러한 산업계 움직임은 기술 성숙도(TRL)가 높아진 솔루션을 시장에 안착시키는 중요한 역할을 하고 있습니다.

요약하면, 현재 기술 및 연구는 폐기물 감축과 고부가 제품 창출의 두 축을 중심으로, 전통 공정의 효율 향상과 혁신 기술의 도입으로 발전하고 있습니다. 특히 지속가능성 및 순환경제에 대한 전 사회적 관심으로 인해 학술 연구뿐 아니라 산업계 적용 사례가 빠르게 증가하는 추세입니다.