미세조류의 기능성 - 미세조류의 생산품과 향후 전망

[무정묵향]

미세조류

1. 미세조류(micro-algae)의 생산품(개요)

미세조류는 그 종이 상당히 다양한 생물이여 이러한 다양성은 이들의 화학성분에도 반영되고 있다. 따라서 미세조류는 거의 무제한의 화학물질의 寶庫라고 할 수 있다. 현재 상업적으로 생산되고 있거나 생산이 고려되고 있는 주요 화학물질은 카로틴, phycobillin, 지방산, 다당, 비타민, 스테롤 및 사람과 가축에 이용될 수 있는 생리활성물질이다.(Table 2)

(Table 2. Market Comparison and Alternative Sources of  Selected Microalgae Products )

2. 미세조류(micro-algae)의 생산품-카로틴

카로틴류인 β-카로틴과 astaxanthin(Fig. 1)은 시장에서 각각 Kg당 600 및 3,000$를 호가하고 있어 상당히 부가가치가 높은 조류 생산물질로 주목을 끌고 있다.(Table 2)

(Figure 1. Chemical Structures of β-Caroteone and Astaxanthin )

Dunaliera salina의 β-카로틴은 상품화된 미세조류의 최초 산물이며 현재 오스트레일리아, 미국 및 이스라엘에 주 생산회사가 있다. 오스트레일리아의 생산자는 5ha 이상의 shallow pond를 그대로 이용하고 있으며 미국과 이스라엘의 경우에는 조류의 생장을 위해 paddle-wheel mixed race way pond를 이용하고 있다. β-카로틴은 주로 엑기스분 혹은 야채오일 현탁액 혹은 β-카로틴함량이 높은 건조 조류분말형태로 출하되고 있으며 이는 천연제품, 건강식품, 암예방, 유리 라디칼 소거제, 양식어류의 체색개선제 등 다양한 산업분야에서 이용되고 있다.

Dunaliera salina의 β-카로틴 생산공정은 조류가공에서 여러 장점이 있다. Dunaliera salina는 호염성이 가장 큰 진핵생물로 최적 염도는 해수의 7-8배인 22%이며 30%이상의 염에도 견딜 수 있어 광범위한 open-culture가 가능하며 이 조류는 건조물 중량당 14%라는 높은 β-카로틴함량을 보여 부가가치가 매우 높은 생물이라고 할 수 있다.

한편 조류의 생산에 문제가 되는 것은 growth pond에 biomass가 1g/1에 불과하고 밀도 역시 배지의 밀도와 유사하다는 점이며 이에 따라 양식이 복잡하고 cost가 높다는 점이다. 또한 대부분의 세계시장은 합성 β-카로틴이 점하고 있으며 생산성도 합성 β-카로틴이 높다는 점이다.

그러나 Dunaliera salina의 β-카로틴이 합성품에 대해 경쟁력을 가지는 것은 이것이 천연품이라는 사실이다. 최근 FDA가 식품착색제의 표시를 의무화함에 따라 생산자 및 소비자 모두 천연품에 대한 요구가 증가되고 있는 추세임을 감안할 때 천연 β-카로틴의 수요는 대단할 것으로 전망된다. 또한 Dunaliera salina의 β-카로틴은 대부분이 trans형인 합성품과는 달리 cis와 trans형의 혼합형이어서 생리활성이 훨씬 강하고 더욱이 β-카로틴의 암예방 효과, 특히 피부암의 예방에 대한 증거는 β-카로틴의 수요를 증폭시키고 있는 추세이다. 현재 β-카로틴 생산자에게 직면한 주요 문제는 조류 배양공정을 개선하는 것이다. 이는 β-카로틴의 함량을 높이는데 있으며 이를 위해서는 생산 plant의 design의 개선, Dunaliera의 생리적 특성의 이해, 우수유전자 탐색 혹은 변이, 유전자공학 등을 통한 우수유전자의 개발이 필요하다.

담수조류인 Haematoccus pluvalis를 이용한 astaxanthin(ketocarotene)의 생산은 연어, 송어 및 보리새우의 체색개선, 항산화물질, 착색제로서 또한 주목을 끌고 있으나 상업적인 배양에 여러 문제점이 있다.

첫 번째로 Haematoccus pluvalis는 담수조류이며 따라서 open-air배양은 많은 불필요한 조류에 의한 오염으로 인해 상당히 어렵다. 따라서 Haematoccus pluvalis배양은 tubular photo bio reactor와 같은 밀폐형 배양체계를 요구하며 몇 가지 pilot scale단위를 시험한 바 있으나 이러한 체계는 여전히 몇 가지 섬세한 고안을 요구하고 있다.

(Table 3. Comparison of Dunaliella salina β-carotene Process with Haematococcus pluvalis Astaxanthin Process)

두 번째로 Dunaliera와는 달리 Haematococcus pluvalis는 동적이고 편모가 달린 세포에서 growth cycle동안에는 정적이고 세포벽이 두터운 aplanospore로 변하는데 여기에 astaxanthin이 축적된다. 이러한 현상은 세포의 물리적 성질 및 영양요구가 배양과정중에 변화하고 있음을 의미하며 이러한 변화는 성장회전(growth cycle) 동안 성장에 필요한 최적조건을 변화시킨다.

세 번째로 aplanospore의 astaxanthin의 함량은 건물중량당 단지 1-2%에 불과하며 이 포자의 두터운 세포벽은 astaxanthin의 추출이나 동물 등의 소화 흡수를 위해 사전에 파괴시켜야 할 필요가 있다. Haematoccus의 aplanospoer를 분쇄하여 사료로서 이용시 연어와 송어의 훌륭한 체색개선효과가 있음이 보여진 바 있고 tocopherol보다 훨씬 높은 항산화력을 보이는 특징이 있다.

한편 astaxanthin의 높은 가격과 급속한 양식어산업의 성장은 astaxanthin의 장래를 밝게 해주고 있다. 주요 경쟁품은 합성 astaxanthin이지만 이것 역시 천연품이라는 특성을 가지고 있다. 현재 천연 astaxanthin은 가재, 크릴 등 갑각류로부터 생산되고 있지만 astaxanthin의 함량이 낮아 고농도의 함량을 가지는 우수조류를 이용한 astaxanthin의 생산가능성에 대한 기대가 모아지고 있다.

상업적 수준의 조류 astaxanthin의 생산기술개발은 높은 색소함량을 가지고 고온에 견딜 수 있는 조류의 선발과 효과적인 폐쇄 배양체계의 개발을 필요로 하고 있다. Table 3에서 Dunaliera의 카로틴과 Haematococcus의 astaxanthin의 생산공정을 비교해 놓은 것이다. 이 표에서는 다양한 조류와 생산물은 다양한 접근을 요구하고 있음을 보여주고 있다.

한편 또 다른 루테인이나 칸타잔신과 같은 조류 카로틴류는 현재로서는 전망이 밝지 않다. 어육의 색소개선제로 주로 사용되어 온 칸타잔신은 현재는 사용되지 않는 추세이며 계란의 색소개선을 위해 사료로서 사용된 루테인의 경우는 Marigold petal로부터 싸게 얻을 수 있다.

조류 xanthophyll인 peridinine이나 fucoxanthin 등은 양계산업에 있어 난황 착색제로서 유망하며 특히 α- 및 β-카로틴과 더불어 발암억제력이 높은 것으로 보고된 바 있어 향후 암예방제로서의 이용이 기대되고 있다.

3. 미세조류(micro-algae)의 생산품 - 지방산

카로틴류와는 달리 장쇄 지방산인 아라키돈산, EPA, DHA는 상당히 주목을 받고 있다. 예로 적색의 단위세포인 Porphyridum cruentum은 아라키돈산으로서 이상의 총 지방산의 30% 이상을 함유하고 있으며 35% 이상이 EPA인 규조류인 Phaeodactylum tricornutum에 필적한 양의 EPA를 함유하고 있다. 한편 DHA는 Isochrysis와 Pavlova와 같은 prymnesiophytes와 Cryptomonad인 Chroomonas salina에 풍부하다.

지방산의 함량은 종에 따라 다양할 뿐 아니라 총 지방산 함량도 역시 다르다. 더욱이 지방산의 함량과 조성은 배양조건을 변화시킴으로서 조절이 가능하다. 원하는 지방산의 생산을 위한 유전 공학적 방법이 머지 않은 장래에 도래할 것이다.

조류의 지방산을 상업화하는데 있어서의 장벽은 비록 Porphyridium cruentum, Phaeodactylum tricornutum 및 Nanochloropsis salina가 지방산을 많이 함유하고 있을 것으로 생각되지만 어떤 단일종이 다른 종보다 분명히 우수한 지방산 생산자가 되지 못한다는 사실에 있다.

의약산업용 고순도 지방산 및 조류 지질의 생산은 효과적인 지질의 추출 및 정제기술을 요구하고 있으나 현재까지 이 분야에 뚜렷한 성과는 없다.

ω-3, EPA, DHA는 순환기계 질환 및 관절염의 예방기능을 가지고 있으며 또한 어린이의 필수지방산이기도 하다. 이와 같은 지방산류의 시장규모는 약 7억9천만불 수준이며 현재 魚油가 EPA 및 DHA의 주요 자원이지만 적절한 어유의 공급이 제한되고 있으며 품질 역시 변동적이다.

이상의 필수지방산은 양식 연체류, 갑각류 및 어류 등의 영양에도 중요하므로 이를 충족시키려는 일환으로 고품질의 조류 사료에 대한 요구가 높아지고 있다. 대부분의 부화장에서는 살아있는 사료를 선호하기 때문에 자체적으로 조류를 배양하고 있지만 이와 같은 규모의 조류배양은 일반적으로 불안하고 배양에 실패한 사례 역시 많은데 이것은 주로 기본적인 배양 system이 사용되고 운영자의 경험 부족 때문인 것으로 생각되고 있다.

만일 상당한 지방산 함량을 가지는 미세조류를 합리적인 비용으로 생산할 수 있다면 이런 문제는 극복될 수 있을 것이다. 이러한 예로 독립 영양적으로 배양된 Tetraselmis가 한동안 이용되었으며 사료로서 효과적이었다. 그러나 조류의 조성이 양식어의 영양에 대해 최적화되지 못하였고 또한 생산비가 높은 것이 문제로 남아있다.

4. 미세조류(micro-algae)의 생산품 - 다당과 sterol

미세조류는 다양한 종류의 다당을 생산하고 있지만 그중 일부는 귀중한 성질을 보이고 있으나 관련분야의 연구 미비로 아직은 상업성을 평가할 수는 없는 상황이다.

아마도 특성이 규명된 것은 적색의 단위세포인 Porphyridium cruentum이 생산하는 다당이며 이 조류의 배양 system은 개발되어 있다. 또 다른 조류는 Rhodella recticulata 및 남조류이다.

조류다당의 상업화에 있어서의 문제는 대부분의 다당 생산비보다 훨씬 높은 Kg당 10-20$이 소요된다는 것이다. 특별히 독특한 성질을 가진 다당이 발견되지 않거나 다당을 저가로 생산하는 것이 확립되지 않았다면 조류로부터의 다당 생산은 가능하지 않을 것이다. 그러나 체계가 바로 고정화 조류를 이용하는 연속배양 system으로 세포 외 다당을 생산하는 것인데 이러한 공정을 위해서는 단순하고 싼 추출 및 정제 공정이 필요할 것이다. Sterol 역시 다당과 유사한 상황이다. 조류는 일정량의 sterol을 생성하며 상당부분이 기존의 sterol과는 다르다. 함량은 건물의 0.1%이며 상업화된다면 고가일 것이다.

5. 미세조류(micro-algae)의 생산품 - phycobillin

Phycobillin과 phycoerythrin은 홍조 혹은 남조류에서 쉽게 분리될 수 있다. 고순도 phycobillin이 의약품과 면역실험용 형광 label체로 이용되고 있다. 이러한 phycobillin은 kg당 1,000$ 이상으로 판매되고 있지만 현재는 시장규모가 적은 편이다.

Phycobillin은 특히 아이스크림, 요구르트 같은 식품에 천연색소로서 사용될 수 있으며 현재 일본에서는 이와 같은 용도로 phycocyanin을 이용하고 있다. 또한 이들 색소물질은 화장품에도 이용될 수 있는데 이럴 경우 이상의 색소물질에 대한 시장규모가 크게 확대될 것으로 예상된다.

6. 미세조류(micro-algae)의 생산품 - 생활성 물질

최근 하나의 관심분야는 조류에 의한 사람과 동물에 적용할 수 있는 생리활성물질의 생산이다. 지금까지 조류의 탐색은 제한적이었지만 항암, 항균성을 가지는 물질들이 남조류로부터 분리되었으며 다른 약리적 성질을 가진 물질들도 발견되었다. 이러한 물질들이 의약으로서 적절하다고 확인된다면 이중 상당수는 합성에 의해 생산될 것이다. 그러나 몇몇 복잡한 화합물의 경우는 조류배양에 의한 생산이 필요할 것이다. 보편적으로 함량이 낮은 이러한 물질들은 부가가치가 높을 것으로 생각되는 바, 보다 싼 배양법과 추출기술의 개발이 요구되고 있다.

조류 특히 Dinoflagellate와 남조류는 또한 다양한 toxin을 생산하며 이중 어떤 것은 유용한 연구도구가 되고 있다. 예로 Dinoflagellate가 생성하는 saxitoxin은 신경의 Na channel 연구에 사용되고 있어 연구용 혹은 어류의 독을 분석하는데 표준물질로서 사용가치가 있다.

7. 조류 생산물의 상업화를 계속하기 위한 앞으로의 과제

귀중한 화학물질과 기타의 물질 생산을 위한 조류의 이용은 아직은 초보단계이다.

Dunaliera의 β-카로틴 생산 plant는 아직 10년이 채 안되었으며 Haematococcus의 astaxanthin은 이제 겨우 초보적 단계이다. 따라서 조류 생산물의 상업화를 계속하기 위해서는 보다 많은 연구가 필요하며 이를 위해서는 새로운 종의 조류와 이에 대한 심도 있는 생물학적, 생리학적 연구가 필요하다.

현재 대규모로 조류를 배양할 수 있는 체계는 paddle-wheel pond에 국한되고 있다. 그러나 Haemotococcus에 대한 경험으로부터 이러한 체계가 많은 조류에 대해 부적절하다는 사실을 알게 되었으며 이것이 최근 closed system인 tubular photobioreactor에의 관심을 불러 일으키고 있으며 다양한 디자인의 배양 system이 지금 검토 중에 있다. 일부 조류 생산물 중에는 고정화 조류 system이 적당할 것으로 생각되지만 scale up test가 남아있고 또 하나의 system으로서 투석 배양 system이 시험되고 있다.

이와 같은 다양한 system의 개발은 궁극적으로 생성량이 많고 배양 cost down이라는 공통의 목표를 가지고 있다. Bacteria나 yeast와 달리 조류는 빛을 요구하며 이것이 대규모의 배양 system의 설계에 제한요인이 되고 있다. 상당수의 조류는 fragile하므로 배양액을 교반하거나 순환시킬 수 없이 가스교환이나 영양분의 공급을 어렵게 하고 있는 것이다.

현재까지 개척되지 않은 유일한 방법은 조류의 독립영양적인 배양이다. 모든 조류가 독립영양은 아니며 모든 조류 생산물이 이와 같은 독립영양적 환경에서 생산되는 것이 아니지만 잘 짜여진 독립영양 배양조를 이용한 독립영양 생장은 어떤 조류의 생성물을 생산하는데 사용될 수 있을 것이다.

조류 연구자에게 또 하나의 문제는 조류를 수확하는 일이다. 조류배양물은 보통 낮은 고형물 함량을 보이며 또한 많은 조류 세포는 그 크기가 매우 작다. 이는 조류로부터 생성물을 추출하는데 많은 비용이 소요됨을 의미한다. 조류 수확의 방법으로서는 원심분리, 여과 및 침전법을 들 수 있다. 이 같은 방법 중 선택할 수 있는 수확법은 조류의 성질과 추출하고자 하는 최종물질 및 상대적인 자본과 운전비용에 달려있다고 볼 수 있다.

이와 같이 조류 biomass를 수확하기 위한 방법과 적정조건에 대한 연구는 상당히 필요하며 또한 조류생산물의 추출과 정제에 관한 연구 역시 필요하다.

어느 면에서는 이러한 추출 정제방법은 조류의 생장과 수확에 관한 연구보다 더 잘 이해되어 있다. 왜냐하면 추출 정제방법은 식물세포, 효모 및 세균으로부터 추출하는 방법과 유사하기 때문이다. 그러나 조류는 몇 가지 특별한 문제를 남기고 있으며 경제성 있고 효율적인 추출법의 개발이 필요하다고 생각된다.

8. 미세조류(micro-algae)의 이용 및 전망

최근 해양 생화학자원의 개발에 대한 관심이 집중되면서 다양한 미세조류의 화학성분에 관한 연구가 활발하게 되었으며 의약품 및 연구시약의 개발과 관계된 생리활성물질, 식품첨가물, 화장품소재, 화학공업 원료로서 이용될 수 있는 색소, 엑기스, 향기성분, 점질다당, 지방산 및 석유대체연료 가능성을 가지는 액상 탄화수소 등 흥미로운 성분을 만들어 내는 조류가 점차 발견되고 있다. 미세조류는 종류가 극히 많지만 현재 연구는 걸음마 수준이라고 하여도 과언은 아닐 것이다. 특히 바다 조류에 관한 연구는 극히 미비한 상태이며 향후 기초연구와 주변기술의 개발이 병행된다면 커다란 성과가 기대된다.

원래 미세조류의 이용은 식량문제 해결에 도움을 줄 수 있는 사회적 필요성이 발단이 되었지만 식량원으로서 뿐만 아니라 폐수처리 및 대기중의 이산화탄소의 감소 등 환경문제에도 미세조류를 이용하려는 구상이 오래 전부터 있어 왔다. 최근에는 우주공간에서의 이용에 관한 기초연구도 행하여지고 있다.

조류를 이용한 생물공학 산업은 모든 조류생산물의 계속적인 시장확대를 필요로 하고 있다. 그러기 위해서는 조류생산물이 다른 생산물보다 우수하다는 의식의 고취 뿐 아니라 조류생산물의 표준규격이 설정되고 적절한 허가가 이루어져야함을 필요로 하고 있다.

이상과 같이 극복해야 할 여러 가지 한계성에도 불구하고 조류는 귀중한 화학물질원으로서 향후 상업적인 생산이 기대되고 있다.