감귤류 과피 셀룰로오스 나노섬유의 특성 규명 및 용도 개발 및 응용 개발

연구 개요

셀룰로오스 나노섬유(CNF)는 머리카락의 1/1000~1/30000 정도의 폭을 가진 초미세 셀룰로오스 섬유로, 다양한 기능을 가진 식물 바이오매스 유래의 신소재이다.
한편, 감귤 왕국으로 유명한 에히메현은 감귤 재배와 과일 가공 과정에서 셀룰로오스를 포함한 폐기물이 발생한다. 예를 들어 감귤 주스 착즙 후 잔여물은 에히메현 내에서 연간 약 18만 톤이 발생하여 약 30%가 산업 폐기물로 처리되고 있어, 그 유효 활용이 요구되고 있다. 현재 CNF의 원료로는 목재 펄프가 주류를 이루고 있지만, 식품이나 화장품 등 용도에 따라서는 안전성이 확보된 원료가 바람직하며, 감귤류 과피가 적합할 것으로 생각된다.
우리는 감귤 주스 착즙 잔여물(감귤 과피)을 원료로 펙티나제라는 효소를 이용한 순하고 간편한 CNF 제조법을 확립함과 동시에 감귤 과피 CNF에 유화능과 겔화능이 높다는 것을 발견하고, 화장품류와 식품류 등의 용도를 논문과 서적으로 제안해 왔습니다. 논문으로 발표한 우리의 성과가 직접적으로 사용되지는 않았지만, 이후 참여한 산학연계 사업을 통해 2021년에는 에히메현 내 기업에서 감귤류 과피 CNF와 이를 이용한 화장품류가 제품화되었습니다.

연구의 특징

감귤류 과피 CNF는 ① 원료의 집적 용이성, ② 나노화 용이성, ③ 높은 유화능, ④ 높은 겔화능 등 크게 4가지 특징이 있다.

①②는 원료의 특성입니다. 감귤주스 제조공정에서 배출되는 잔여물(과피)을 사용하고 있습니다(그림 1). 원래는 비싼 비용을 들여 처리하던 산업 폐기물을 이용하기 때문에 비용이 저렴하고, 이미 공장에 집적된 상태로 경제성이 있으며, 운송에 따른 비용과 에너지를 억제할 수 있습니다. 다음으로 CNF의 원료로 많이 연구되고 있는 목재 펄프에 비해 감귤 껍질에 포함된 섬유가 가늘고, 나노화(미세화)가 용이하기 때문에 가공 공정에서도 상대적으로 에너지를 절약할 수 있다. 우리는 또한 나노섬유를 얻기 위한 전처리로 식품 가공에도 사용되는 펙티나아제라는 효소를 이용하여 CNF를 쉽게 만들 수 있는 방법을 찾아냈다(그림 2).

3~4는 우리가 발견한 감귤류 과피 CNF의 특성이다. 일반적으로 물과 기름은 섞이지 않지만, CNF는 물속에 기름을 미세한 기름방울로 분산시켜 유지하는 효과(유화)가 있다. 게다가 감귤껍질 CNF는 목재펄프 유래 CNF에 비해 물속에서 미세한 기름방울로 장기간 유지되어 유화능력이 높은 소재입니다(그림 3).

이 성질을 활용하여 보습 오일을 유화시킨 핸드젤을 시제품으로 만들어 전시회에서 소개되었다(그림 4). 대학 자체적으로 시제품을 만든 본 제품은 실용화되지 못했지만, 앞서 언급한 산학연계 사업에서 유사한 성질을 이용한 감귤껍질 CNF가 함유된 화장품이 제품화되었다(그림 5).

4)의 겔화능에 대해서는 현재 에히메대학교 사회공공창의학부 학생들과 함께 연구 중이라 자세한 내용은 말씀드릴 수 없지만, 유산균을 위산으로부터 보호하는 효과를 확인하고 있습니다. 지금까지 CNF에 관한 연구에서 유익한 미생물을 활용한 연구는 없었습니다. 우리는 에히메현 특유의 원료로 제조한 안전성이 높은 감귤류 과피 CNF를 이용하여 유익한 미생물을 활용하는 연구를 진행하고 있습니다.

연구의 매력

에히메현 특유의 바이오매스인 감귤류 과피로 만든 CNF는 지금까지 연구된 목재 펄프 유래 CNF와는 다른 특성을 가지고 있어 새로운 용도 개발을 기대할 수 있습니다. 감귤류 과피 CNF의 유화능 및 겔화능의 발견과 응용 등 지금까지 남들이 하지 않은 새로운 테마를 고안(발견)하고, 실험에서 가설대로 결과가 나왔을 때 연구자로서 기쁘다(예상치 못한 결과라면 더더욱). 비록 소박하고 작은 시도이지만, 그 순간은 우리만이 확인할 수 있는 ‘세계 최초’의 사건입니다.

또한 앞서 말씀드린 산관학 연계 사업은 저희와 같은 대학의 연구자들이 감귤류 과피의 유효 활용에 대해 “0”에서 “1”을 낳는 자세로 연구를 하고 논문과 책으로 발표하던 중 사업 의 멤버로 참여하게 되었습니다. 이 사업은 에히메현에서 현내 제지기업과 대학, 국가 연구기관을 연결하여 만든 사업입니다. 우리가 발표한 성과가 직접적으로 제품화까지 이어진 것은 아니지만, 다양한 관계자들이 협업함으로써 각각의 성과가 직간접적으로 융합되어 ‘1’에서 ’10’으로 발전하고 있습니다, “100”으로 발전하여 실용화에 이르는 모습은 참여하면서 즐거운 시간을 보냈습니다.

향후 전망

CNF 관련 연구 분야는 다양한 용도 개발이 이루어지고 있지만, 미생물과 관련된 연구는 거의 없는 실정이다. 현재 우리는 감귤류 과피 CNF의 겔화능에 착안하여 미생물 소재 개발에 힘쓰고 있다. 프로바이오틱스의 일종인 유산균은 사균으로도 면역 활성화 작용 등이 있지만, 생균으로 장까지 도달하면 더욱 유익한 효과를 기대할 수 있다. 하지만 종류에 따라서는 위산에 의해 거의 죽기 때문에 보호가 필요하다. 감귤껍질 CNF는 식용 경험이 있는 원료로 만들어져 상대적으로 안전성이 높고 겔화능이 우수하여 프로바이오틱스의 보호재로 사용할 수 있는 가능성이 있다. 지역 바이오매스를 유효하게 활용하여 얻은 CNF를 이용하여 미생물을 활용함으로써 결과적으로 인간과 지역 산업을 살리는 연구를 목표로 하고 있습니다.

이 연구를 희망하는 사람들에게 메시지

광합성을 통해 CO2를 고정하는 식물 바이오매스의 활용은 2015년 유엔 총회에서 설정한 ‘지속가능발전목표(SDGs: Sustainable Development Goals)’의 여러 항목을 달성할 수 있는 수단 중 하나가 될 수 있다.

예를 들어 제지산업은 목재라는 식물 바이오매스를 활용한 산업이다. 최근 디지털화, 인구 감소와 직결되는 저출산 등의 요인으로 인해 종이 소비량이 줄어들면서 종이 이외의 용도를 포함한 새로운 바이오매스 활용 산업을 창출해야 할 필요성이 대두되고 있습니다. 국내 유수의 제지회사가 감귤껍질 CNF의 제품화에 나선 것이 좋은 예가 될 수 있을 것이다.
우리는 지역에 있는 바이오매스의 효율적 활용을 목표로 효소, 미생물 등의 생물기능을 이용하여 식물 바이오매스에서 CNF를 대표하는 유용한 소재와 물질로 전환하고, 이를 이용하여 생물기능을 향상시키는 연구를 수행하고 있습니다. 지역의 식물 바이오매스를 효과적으로 활용하여 새로운 바이오매스 산업을 창출하기 위해 함께 연구하지 않으시겠습니까?