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생명공학기술2002 I

2002. 12

- 2 -

머 리 말

세기 들어 기업활동의 세계화 기술혁신의 가속화 등 중국의 급부상 등 국21 , (IT, BT, NT ),

제 사회의 환경이 급속하게 변하고 있고 세계 최고가 아니면 살아남을 수 없는 무한 경쟁,

이 현재화 되고 있는 가운데 세계 경제는 지식과 정보의 창출 확산 및 활용을 직접( ) , ,顯在化

기반으로 하는 지식기반 경제로의 이행이 가속화되고 있습니다.

정보는 이미 물자나 에너지보다도 사회를 움직이는 더욱 큰 힘이 되고 있으며 질적 양적, ㆍ

으로 전문화 고도화되면서 종합화 다양화되고 있기 때문에 누가 빨리 보다 정확하게 필,ㆍ ㆍ

요한 정보를 입수하여 얼마나 효과적으로 활용하는가가 국가 경쟁력 강화의 관건이 되고 있

습니다.

이러한 시대적 변화에 능동적으로 대처하기 위하여 한국과학기술정보연구원 은 국내(KISTI)

의 주요 과학 기술 아이템 에 대한 정보를 심층 분석하여 산학연관에 제공함으로써 국가 과· ( )

학 기술정보 확산과 국제경쟁력 강화에 노력하고 있습니다.ㆍ

특히 유전공학 기술로 대표되는 생명공학기술은 동물 식물 미생물 등 유용한 생물체를 대, ,

상으로 보건의료 농업식량 지구환경 자원 및 에너지 등 환경과 인류복지에 직결된 모든, , ,

산업분야에 널리 활용되고 있으며 앞으로도 무한한 발전이 기대되는 분야입니다.

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따라서 생명공학기술 에서는 식물 미생물 미세 조류 로부터 생산되는 다양2002 I , , (algae)

한 유용 생물소재 중 설탕을 대체할 수 있는 천연감미료 화장품 식품 의약품으로 사용, ; , ,

되는 미생물 기능성 다당류 레반 광합성 미세 조류에 의한 건강식품 색소 생리활(levan) ; , ,

성물질 등 유용물질의 생산기술 및 시장 동향을 분석함으로써 관련 연구분야 및 산업계의

사업화를 위한 기본적 자료를 제공하고 또한 환경과 식량문제를 동시에 해결할 수 있는 환,

경스트레스 내성 식물개발기술과 식물을 이용한 환경정화기술의 현황 및 전망을 분석하여

인류가 당면한 식량 건강 환경문제를 해결할 수 있는 새로운 대응 방안을 제시함으로써 생· ·

명공학 관련 산업계의 경쟁력을 제고하고 새로운 사업의 추진에 도움이 되었으면 합니다.

끝으로 본 보고서는 민태익 전문연구위원이 집필한 것으로 노고에 깊이 감사드리며 본 보,

고서에 수록된 내용은 연구자 개인의 의견으로서 한국과학기술정보연구원의 공식의견이 아

님을 밝혀두고자 합니다.

년 월2002 12

한국과학기술정보연구원

원 장 조 화

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목 차

감미료의 생물공학적 생산기술동향 민태익I. ( )

제 장 서언1

제 장 감미료의 종류 및 특성2

천연감미료1.

가 당질계 감미료.

나 비당질계 감미료.

합성 인공 감미료2. ( )

가 사카린. (saccharin)

나 아스파탐. (Aspartame)

다 아세설페임. K(Acesulfame K)

라 수크릴로오스. (sucralose)

제 장 감미료의 생산 및 시장 동향3

천연 감미료의 시장형황1.

가 당류 감미료의 생산 및 시장 현황.

나 당알콜류 감미료의 생산 및 시장 현황.

제 장 특허 동향4

국내 당류관련 특허 동향1.

국내 당알콜 관련 특허 동향2.

- 5 -

제 장 결언5

기능성 생물소재 레반의 기술개발동향 민태익. ( )Ⅱ

제 장 서론1

기술의 개요1.

가 레반이란. ?

나 기술개발의 배경.

기술의 특성2.

가 레반의 화학적 구조.

나 레반의 기우. (Occurrence)

다 레반의 생리학적 기능.

라 레반 관련기술의 문제점.

제 장 레반생산기술 및 특허동향2

레반의 생합성1.

가 효소적 합성.

나 레반 합성의 유전적 기초.

다 레반합성의 조절.

레반의 생분해2.

가 효소에 의한 레반의 분해.

나 레반 분해의 유전적 기초.

다 레반의 분해 조건.

레반의 생산기술3.

가 레반생산균의 분리 및 동정.

나 발효에 의한 레반의 생산.

다 효소에 의한 레반의 생산.

라 레반의 회수 및 정제.

마 레반의 상업적 생산.

- 6 -

바 레반의 상업적 응용.

레반의 생산 및 용도 특허4.

제 장 전망3

미세조류로부터 고부가 유용물질 생산기술동향 민태익. ( )Ⅲ

제 장 서론1

기술의 개요1.

기술의 특성2.

제 장 기술특허동향2

해외1.

가 건강식품.

나 색소.

다 의약용 물질.

국내2.

국내외 기술수준 비교분석3.

가 국내 외 기술수준 비교. ㆍ

나 주요 핵심기술의 검토.

특허동향4.

가 분야별 특허동향.

나 특허분석.

제 장 전망3

- 7 -

식물환경생명공학의 현황과 전망 민태익. ( )Ⅳ

제 장 서론1

제 장 지구 환경문제의 현황2

환경문제 일반현황1.

환경문제와 세계 식량문제2.

중국의 환경문제3.

북한의 환경문제4.

한국의 환경문제5.

제 장 스트레스내성 식물개발 현황3

해외 연구현황1.

국내 연구현황2.

제 장 식물을 이용한 환경정화4 (phytoremediation)

의 시장규모1. Phytoremediation

가 세계시장 규모.

나 국내시장 규모.

다 향후 시장의 방향성.

기술동향2. Phytoremediation

가 해외 기술동향.

나 국내 기술동향.

다 향후 기술전망.

제 장 전망5

- 8 -

감미료의 생물공학적 생산기술동향.Ⅰ

- 9 -

제 장1

서 언

인류 문명의 발달과 더불어 인간의 단맛에 대한 욕구로 인한 물엿 시럽의 제조기술 및 설,

탕의 공업적 생산 등 감미료의 생산 기술도 더불어 발전하여 왔다 인류가 개발한 감미료.

중에서 설탕은 자연에서 얻을 수 있는 가장 훌륭한 천연 감미료로서 오랫동안 식품산업에

이용되어 왔다 그러나 최근에 이르러 소득 수준의 향상과 더불어 건강에 대한 관심이 증가.

함에 따라 설탕의 과다 섭취에 따른 치아우식증 비만증 당뇨병 및 심장질환 등과 같은 성, ,

인병에 시달리는 환자들이 급증함으로써 설탕을 대체할 수 있는 기능성 감미료의 개발이 필

수적으로 요구되고 있다 따라서 세계 각국에서는 설탕을 대체할 수 있는 감미료를 개발하.

기 위하여 연구를 수행하여 왔으나 아직도 설탕을 대체할 수 있는 혁신적인 감미료의 개발

은 요원한 실정이다 더욱이 설탕을 전량 수입해야 하는 우리나라의 실정에서는 설탕을 대.

체할 수 있는 기능성 감미료의 개발은 의학적 가치뿐만 아니라 경제적 가치도 매우 크다고

할 수 있다 설탕을 대체할 다이어트용 감미료는 높은 경제적 부가가치를 지녔다는 점에서.

세계적으로 각광받는 연구과제가 되어 왔다.

따라서 본고에서는 현재 상용화되어 있거나 연구 개발 중인 감미료 중에서 천연 감미료를

중심으로 각 감미료의 특성 비교 개발 현황 및 시장 동향을 분석함으로써 국내의 관련 연,

구 분야 및 사업화를 위한 기본적인 자료를 제공하고자 한다.

- 10 -

제 장2

감미료의 종류 및 특성

현재까지 개발된 감미료는 제조 방식에 따라 천연 감미료와 합성 감미료로 구분되며 천연,

감미료는 다시 사용되는 원료의 특성에 따라 당질계 감미료와 비당질계 감미료로 분류되어

진다 그림 당질계 감미료는 설탕 포도당 맥아당 자(< 2-1>). (sucrose), (glucose), (maltose),

일로스 등의 당류와 솔비톨 자일리톨 에리스리톨 등(xylose) (sorbitol), (xylitol), (erythritol)

의 당알콜류 및 프럭토올리고당 자일로올리고당(sugar alcohol) (fructo-oligosaccharide),

갈락토올리고당 등의 올리고당류들이 포함되어 있다 비당질계 감미료는(xylo-), (galacto-) .

배당체 형태의 글리씨리진 스테비오사이드 와 단백질 형태의 타우(glycyrrizine), (stevioside)

마틴 모넬린 등이 있다 또한 감미도에서 천연감미료에 비해 월등한(thaumatin), (monellin) .

사카린 아스파탐 아세설페임 수크랄로오스(saccharin), (aspartame), (acesulfame-K),

등의 합성 감미료가 있다 일반적으로 합성감미료는 천연감미료에 상당히 우수(sucralose) .

한 감미도를 나타낸다 표(< 2-1>).

또한 감미료는 분류 방식에 따라 다양하게 구분되며 대체적으로 위와 같은 방식으로 분류되

고 있으나 감미료에 의한 에너지의 공급 유무에 따라 와, 'nutritive sweetener'

로 분류되어 질 수도 있다 는 대부분 당질'non-nutritive sweetener' . 'nutritive sweetener'

계 감미료와 저에너지원인 당알콜류가 포함되며 의 경우에는 주, 'non-nutritive sweetener'

로 합성감미료 등을 포함하고 있다.

- 11 -

설탕 과당 자일리톨 및 에리스리톨 등 일부 감미료는, , Generally Recognized As

성분으로 허용되며 사카린 수크랄로오스 등은 식품 첨가제로서만 허용되고Safe(GRAS) , ,

있다 표(< 2-2>).

그림 감미료의 분류 체계< 2-1 >

표 감미료의 종류에 따른 규제 및 특성< 2-1 > (Valerie, et al.,1998)

sweetener

Kcal/gRegulatoryState

Description

Sucrose 4 GRASbSweetens: enhances flavor tenderizes, allowsbrowning, and enhances appearance in baking:adds characteristic flavor with unrefined sugar

Fructose 4 GRAS

Sweetens: functions like sucrose in baking.Some persons experience a laxative responsefrom a load of fructose (greater than or equalto 20g). May produce lower glycemicresponse than sucrose

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sweetener Kcal/gRegulatoryState

Description

Sorbitol 2.6

GRAS(label must warnabout a laxativeeffect)

50% to 70% as sweet assucrose. Some persons mayexperience a laxative effectfrom a load of sorbitol(greaterthan or equal to 50 g)

Fructose 2.4 GRAS As sweet as sucrose

Erythritol 0.2GRAS(affirmations acceptedfor filing)

70% as sweet as sucrose

Lactitol 2GRAS(affirmations acceptedfor filing)

30% to 40% as sweet assucrose: used as a bulkingagent

Maltitol 3GRAS(affirmations acceptedfor filing)

90% as sweet as sucrose

Saccharin 0

Permitted for use oninterim basis (labelmust contain cancerwarning and amountof saccharin in theproduct)

200 to 700 times sweeter thansucrose. Noncariogenic andproduces no glycemicresponse. Synergizes thesweetening power of nutritiveand nonnutritive sweeteners.Sweetening power is not

Aspartame 4aApproved as ageneral- purposesweetener

160 to 220 times sweeter thansucrose. Noncariogenic andproduces limited glycemicresponse. New forms canincrease its sweetening powerin cooking and baking

Aceulfame-K 0

Approved for use asa tabletop sweetenerand as an additive ina variety of dessertsconfections, andalcoholic beverages

200 times sweeter thansucrose. Noncariogenic andproduces no glycemicresponse. Sweetening power isnot reduced with heating. Cansynergize the sweeteningpower of other nutritive andnonnutritive sweeteners

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sweetener

Kcal/g Regulatory State Description

Sucralose 0

Approved for use as atabletop sweetener, and asan additive in a variety ofdesserts, confections, andnonalcoholic beverages

600 times sweeter thansucrose. Noncariogenic andproduces no glycemicresponse. Sweetening poweris not reduced with heating

* aProvides limited energy to products because of its sweetening power.

* bGRAS = Generally Recognized As Safe by the US Food and Drug

표 감미도의 비교< 2-2 >

Sweetener Sweetness Sweetener Sweetness

Sucrose 1 Paratinose 40-45

Lactose 0.4 Lacturose 50-60

Maltose 0.5 Cyclamate 30-80

Galactose 0.6 Acesulfame-K 130

Gulcose 0.7 Glycyrrhizine 100-170

Fructose 1.1 Aspartam 100-200

Xylose 0.7 Dulcine 70-350

Sorbitol 0.5 Saccharine 200-700

Mannitol 0.7 Stevioside 300

Glycerol 0.8 Thaumatin 2,000-3,000

Maltotriol 0.8 Monellin 2,000-2,500

Xylitol 1.0 Perillartine 1,400-2,000

Glycerol 0.7 Alitame 2000

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천연감미료1.

가 당질계 감미료.

당류(1)

물질로 인정된 설탕 와 과당 는 자연으로 얻을 수 있는 가장 훌륭GRAS sucrose( ) fructose( )

한 천연 감미료로서 오랫동안 식품 산업에 이용되어 왔다 이러한 감미료들은 식품에 감미.

나 물리 결정화 점성 화학적 항산화 카라멜화 특성 및 미생물학적 발효 보존 특성을( , ) · ( , ) ( , )

부여할 수 있는 기능을 가지고 있으며(2) 인간의 에너지 대사는 천연 설탕이나 정제된 설탕,

이나 에너지 대사에 특별히 다른 차이를 나타내지 않는다.

는 자연성분으로도 가장 널리 분포되어 있는 감미료이며 우리 식생활에서 일상적Sucrose ,

으로 섭취하는 감미료의 대표적인 물질이다 설탕은 포도당 과 과당 이 결. (glucose) (fructose)

합한 이당류이며 그림 사탕수수나 사탕무우 등에서 추출 정제되어 우리의 음식(< 2-2 >), /

문화에 등장한다 세계적으로 연간 천만톤 이상이 소비되며 감미료 시장의 대부분을 차지. 8

한다 또한 국내의 경우에도 설탕의 원료 수입량 및 전체 소비량은 꾸준히 증가하고 있는.

실정이다 입에서 설탕의 단맛을 느끼게 되는 기전은 혀의 전반부에 풍부하게 분포하고 있.

는 미뢰들의 화학수용 작용 때문이다 미뢰에는 수용기 세포 들이 존재하고. (receptor cells)

이 세포의 막에는 수용기 분자들이 자리잡고 있다 설탕이 이들 수용기 분자에 결합하면 바.

로 옆에 위치한 특정 막단백질 이 활성화되고 곧 이어 수용기 세포 내에서(G-protein) ,

라는 물질이 증가하게 된다cAMP(cyclic adenosine monophosphate) .

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이 는 수용기 세포의cAMP K+ 에 변화를 일으키고 그 결과 단맛을 인지하는 감각channel

정보를 중추신경으로 보내 단맛을 느끼게 된다 설탕을 흡수하면 체내에서는 수크레이즈.

라는 효소의 작용으로 포도당과 과당으로 분해하게 된다 이들은 세포 내 대사 경(sucrase) .

로를 거쳐 중요한 에너지원으로 사용된다 는 과 으로 구성된 이당. Sucrose glucose fructose

류이며 당 의 에너지를 함유하고 있으며 일인당 하루 평균 으로서 전체, g 4Kcal 14 60g∼

에너지원의 약 정도로 보고되어 있다7 11%∼ (3) 그러나 설탕으로 대표되는 전통적인 당질.

감미료는 충치 유발 비만 당뇨병 등의 부정적인 측면이 부각되면서 세계적으로 설탕을 대, ,

체할 수 있는 기능성 감미료의 개발이 주목받고 있다.

그림 당의 구조< 2-2 >

과당은 포도당을 이성화하거나 설탕을 가수분해하여 생성된다 그림 단당류 형태(< 2-2 >).

의 는 와 마찬가지로 당 의 에너지를 함유하고 있으며 의fructose sucrose g 4Kcal sucrose

구성 성분이다.

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는 이나 결정형태의 분말로 음료나 식품에 주로Fructose high fructose corn syrup(HFCS)

사용되고 있다 는 옥수수 전분에 존재하는 의 이성화 반응에 의하여 제. Fructose dextrose

조되고 있으며 향이나 색 및 식품의 안정성 등의 기능성 측면이나 감미도 측면에서 우수하,

기 때문에 설탕의 대용품으로 사용이 증가되고 있다(3,4) 는 인체 내에서 장에서 흡. Fructose

수되며 과량 섭취 시에는 혈당 조절 장내 환경 지방 대사 변화 등과 밀접한 관계가 있는, ,

것으로 보고되고 있다(5).

는 방식으로 장내에서 흡수되기 때문에 에 비해 빠른Fructose facilitated diffusion sucrose

속도로 흡수되지만 급격히 혈당을 증가시키지 않는데 그러한 이유는 혈액 내에서, fructose

의 제거 속도가 빠르게 진행되기 때문이다 또한 이론적으로 의 과량 섭취는 지방. fructose

생합성의 전구체를 증가시켜 고지혈증을 유발시킬 것으로 예상되나 고지혈증 환자의 경우에

서도 그러한 현상은 일어나지 않는 것으로 보고되고 있다(6) 미국 는. Food Guide Pyramid

지방 오일 당 등으로부터 유발되는 에너지 중에서 프락토오스는 가장 적은 비율을 차지한, ,

다고 밝히고 있다(7) 최근 미국이나 유럽 연합은 권고량의 범위 내에서는 다른 양분이나.

미세 양분등의 흡수에 큰 향을 미치지 않는다고 발표함으로써 의 안정성을 입증fructose

하 다(8).

당알콜류(2)

당알콜류은 화학적으로 당의 알데히드기를 알콜기로 환원시킨 다가알콜 인 당의 유(polyol)

도체로 단당류 당알콜과 이당류 당알콜이 있다 알도스 형태의 당인 경우 개의 당. (aldose) 1

알콜이 생성되고 케토스 형태의 당인 경우에는 개의 당알콜이 생성된다, (ketose) 2 .

- 17 -

당알콜의 구조는 그림 에서 보는 바와 같이 당의 유도체로 당알콜은 설탕처럼 많< 2-3 >

은 칼로리로 변환되지 않으면서도 적정한 부피를 갖는 감미료의 일종으로서 당류와 화학구

조상의 특징이 다르기 때문에 식품에 첨가 시 당류와는 다른 기능성을 나타낸다 따라서 당.

알콜은 사용 목적에 따라 식품에 적용 방식을 달리 할 수 있으며 설탕에 비해 화학적 열, ,

역학적으로 다소 안정하고 가공성이 우수하기 때문에 설탕 대용으로 사용 가능성이 대두되

고 있다 따라서 최근에는 솔비톨 자일리톨 이소말톨 락티톨 만니톨 등이 우리나라를 비. , , , ,

롯하여 미국 일본 유럽등지에서 사용이 허가되고 있으며 허가절차가 진행증이다 또한 당, , , .

알콜류는 당류 감미료에 비해 저칼로리이며 혈당 증가나 치아 우식증 등을 유발하지 않기

때문에 설탕 대체 감미료로서 우수성이 많이 입증되고 있다(9) 당알콜은 대부분 식물체에.

주로 분포되어 있으며 표 산업적 생산에서는 추출보다는 주로 합성이나 미생물(< 2-3 >),

에 의한 발효법에 의하여 생산된다 모든 당알콜은 방식으로 장에서 흡수. passive diffusion

되나 흡수되는 속도가 상당히 느려 완전히 흡수되지 않고 배설된다 흡수된 당알콜류는 일.

반적으로 인슐린과 관계없이 대사되며 흡수되지 않는 당알콜은 장 내 미생물에 의해 분해,

되어 일부만 흡수된다 또한 표 는 각종 당알콜의 물리화학적 특성을 비교하여 나. < 2-4 >

타낸 결과이다 당알콜은 일반적으로 산 알칼리에 안정하며 고온에서 갈변화 현상을 유발. , ,

하지 않는 등의 식품첨가물로서 우수한 물성을 가지고 있고 식품 양학적인 측면에서는 저,

칼로리이며 비충치성의 특성 외에도 물에 용해 시 흡열작용으로 청량감을 나타낸다 따라, .

서 당알콜류는 껌 제과 제방 음료수 등의 식품에 주로 사용되고 있으며 보습성 단백질, , , ,

변성 방지 효과를 나타냄으로써 수산물 가공 의약용 공업용 등으로 사용 범위가 크게 증, ,

가하고 있다(22).

- 18 -

그림 당알콜의 구조< 2-3 >

표 당과 당알콜의 비교< 2-3 >

비 교 당 류 당알콜 분 포

당류3 글리세롤

당류4 에리스로오스 에리스리톨 조류 이끼,

당류5리보스 리비톨 식물

자일로오스 자일리톨 귀리나무 딸기,

탄당6

아라비노오스 아라비톨

갈락토오스 갈락티톨 이끼 양송이,

글루코오즈 솔비톨

만노오스 만니톨 사과 배 복숭아, ,

솔보오스 솔비톨 김 해조류,

프락토오스 솔비톨

이당류말토오스 말티톨

락토오스 락티톨

당류3 말토트리오스 말토트리톨

Ref. 16

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표 설탕 및 당알콜의 물리화학적 특성 비교< 2-4 >

Erythritol Lactitol Maltitol Mannitol Sorbitol Xylitol

Carbon 4 12 12 6 6 5

MW 122 344 344 182 182 152

MP( )℃ 126 122 150 165 97 94Heat of Solution -23.3 -13.9 -18.9 -28.5 -26 -36.5

Heatstability( )℃

>160 >160 >160 >160 >160 >160

Raw material Glucose Lactose Maltose Sucrose Glucose Xylose

Calory(Kcal/g)

0.3 1.6 1.8 - 2.8 2.8

Relativesweetness(Sucrose=100)

80 40 90 50 60 100

Ref. 23

올리고당류(3)

올리고당이란 수 개의 단당이 결합으로 탈수 축합된 것으로 수용성의 결정성 물glycoside

질로 최근 각광받고 있는 식품신소재이다(22).

기존의 감미료인 설탕 맥아당 등도 이러한 범주에 속하는 것이지만 이들이 가진 건강상의, ,

단점을 개선할 목적으로 최근에 효소적인 방법으로 만들어진 개의 당으로 구성된 물질2 5∼

을 이른다 공업적으로 개발되어 이용되고 있는 올리고당류는 대개 기능적으로 체내에서. ①

대사가 어려워 저칼로리인 것 충치 예방 장내 유용세균의 증식인자로 이용되는 것, , ,② ③

식이섬유와 유사한 기능 등의 특성이 있다.④

물성면에서는 설탕보다 낮은 감미도 비발효성 보습성 난흡습성 침투성 청량감 변색방, , , , , ,

지 감칠맛 보강 수분활성 저하작용 등의 특성이 있으므로 제품의 목적에 맞게 이용할 수, ,

있다.

- 20 -

비슷한 기능을 가지는 식이섬유와는 물성이 크게 다르고 고분자 물질이 아니므로 식품에 첨

가하여도 물성과 조직감이 크게 달라지지 않는 장점이 있다 현재 사용중이거나 개발중인.

올리고당의 종류 및 기능성 비교에 관하여 표 에 나타내었다< 2-5 > .

표 각종 올리고당의 종류 및 기능< 2-5 > (17)

종 류 구성당수 원료 난소화성 충치유발 기 타

프락토올리고당 3-5 설탕 ○ △ 지질대사개선

갈락토올리고당 2-6 유당 ○ △

대두올리고당 3-4 유청 ○ ○

분지올리고당 2-4 전분 ○ △

자일로올리고당 2- 자일란 × ○

락토올리고당 3 설탕 ○ ○

키토올리고당 2-7 키틴 ○ ○ 항균작용

겐치오올리고당 2- 포도당 ○ ○

프락토올리고당은 사슬말단에 가 부착되어 있는 프락토오스의 형D-glucosyl residue inulin

태의 올리고당이다 표 에서 보는 바와 같이 글루코오스와 프락토오스가 중합된 일. < 2-6 >

반적인 로부터 유도된 상동성 올리고당의 일종이다 프락토올리고당은 흡습성이 강sucrose .

하기 때문에 상온에서 장기간 보관하는 경우 안정성을 유지하는데 큰 어려움이 있다는 단점

이 있다 프락토올리고당 용액의 점성은 같은 농도의 용액보다 높으며 열안정성. sucrose ,

또한 우수하다(10) 또한 식품의 일반적인 의 범위 에서 상당히 안정하며 동. , pH (pH 4.0 7.0)∼

결된 상태에서는 년 이상 안정성을 유지할 수 있다1 .

- 21 -

프락토 올리고당은 타액 아밀라아제 위산 소장 점막 분해효소에 의하여 거의 분해 흡수, , , ,

되지 않으면서 대장에 도달되므로 저대사성 감미료에 속한다.

표 의 구조< 2-6 > Oligosaccharides (20)

ㆍ Neosugar : A mixture of fructo-oligosaccharides such as kestose (G 1-2α F1-2βF),nystose (G 1-2α F1-2βF1-2βF), and fructofuranosyl nystose (G 1-2α F1-2βF1-2βF1-2βF)

ㆍ Galacto-oligosaccharides : 2 type basic bond : (-4Gal 1-4β Gal 1-4β G) (-6Gal 1-6β Galβ1-4G)

ㆍ Xylo-oligosaccharide : (Xyl 1-4β Xyl 1-4β Xyl 1-β )

ㆍ Isomalto-oligosaccharide : A mixture of isomaltotriose (G 1-6α G 1-6α G), panose (Gα1-4G 1-6α G), isomaltose (G 1-6α G), maltose (G 1-4α G), and glucose (G)

ㆍ Soybean oligosaccharide : A mixture of raffinose (G 1-6α G 1-2α F), stachyose (Galα1-6Gal 1-6α Gal 1-2α F), sucrose (Gal 1-2α F), and monosaccharides(G, F)

ㆍ Lactosucrose (Gal 1-4α Gal 1-2α F)

ㆍ Lactulose (Gal 1-4α F)

ㆍ Coupling sugar : A mixture of glucosyl-sucrose (Gal 1-4α Gal 1-2α F) andmaltosyl-sucrose (Gal 1-4α Gal 1-4α Gal 1-2α F)

ㆍ Palatinose (G 1-6α F)

이소말토올리고당 은 전분을 원료로 해서 만들어지며(Isomalto-oligosaccharide) , panose,

등을 주요 구성당으로 하여 이 성분들이 결합을 하고 있isomaltose, isomaltotriose -1,6α

는 올리고당이다 표 이소말토올리고당의 감미도는 설탕의 약 정도의 감미(< 2-5 >). 50%

도를 나타내며 순한 맛과 동시에 감칠맛을 있는 양질의 감미료이다 식품 내 전분의 수소, .

결합을 억제함으로써 노화 방지 이소말토올리고당은 보습성이 우수하여 식품에 첨가시 부드

러운 식감을 나타내므로 식품첨가물로서 특성이 우수하다.

- 22 -

또한 장내 비피더스균 등의 유용한 세균의 성장을 촉진하고 충치 예, (Bifidobacterium sp.) ,

방 기능 등의 우수한 장점을 가지고 있다 이소말토오리고당의 열안정성은 설탕과 거의 유.

사한 수준을 나타내며 구성 성분 중 하나인 성분이 열에 매우 안정하기 때문에 고, panose

온에서도 안정한 상태를 유지할 수 있는 장점이 있다(19).

나 비당질계 감미료.

배당체류(1)

스테비아는 쌍떡잎식물 초롱꽃목 국화과의 여러해살이풀로서 학명은 Stevia rebaudiano

스테비아 레바우디아나 베르토니 이다 병충해에 강한 식물로 농약과 화학비료을Bertoni( ) .

필요로 하지 않는 건강식물이다 스테비아속에 함유된 스테비오사이드 라는 성분. (stevioside)

으로 인하여 천연 감미료소재로 많이 알려져 있는데 당도가 사탕수수에서 추출한 설탕의,

배에 달하면서도 칼로리는 분의 수준에 불과하여 파라과이 브라질 일본 등 여러300 90 1 , ,

나라에서 저칼로리 감미료로 쓰이고 있다 스테비아식물에 함유된 스테비오사이드는. steviol

을 으로 하는 배당체이며 스테비오사이드 외에도 감미성분으로서는aglycon diterpene ,

및 등이 있으며 이들 감미 성분들은 결합된 당의 성rebaudioside A, C, D, E dulcoside ,

분이나 종류에 따라 감미도에 큰 차이를 나타낸다 일반적으로 설탕은 산성 용액에서는 감.

미도가 저하되는 특성을 지니고 있는 반면 스테비오사이드는 이러한 경향을 나타내지 않는,

다 내열성이 우수하여 식품의 가공시 변성되지 않는 장점이 있다. .

- 23 -

또한 스테비오사이드는 생체 내에서 흡수되지 않기 때문에 모두 배설되므로 다이어트 식품

용으로 적합하다.

단백질류(2)

토오마틴 은 서아프리카에서 생육하는 식물(Thaumatin) Thaumatococcus Danielli의 과일에

함유된 단백질로 감미도가 설탕의 배로 감미료와 향증진제로 이용되고 있으2,000 2,500∼

며 국에서는 의약품 식품 동물사료로 사용이 허가되었고 미국에서는 츄잉껌의 향으로, , , ,

사용하고 있다 개 전후의 아미노산 사슬로 이루어진 분자량이 약 의 단백질이며. 200 22,000

냄새와 쓴맛이 없는 청량한 감미를 가졌고 내산성이 우수하다 기본향에 효과가 있으며 불.

쾌한 쓴 맛 떫은 맛 알칼리 맛 냄새를 완화시키는 효과가 있고 물과 알콜에 용해된다, , , .

또한 모넬린은 서아프리카의 의 즙에 존재하는 단백질로서 개의 아미sereridipity berry , 92

노산이 개와 개의 두개의 소단위체를 형성하고 있다 설탕보다 배의 단맛을 가지42 50 . 2500

고 있다.

합성 인공 감미료2. ( )

가 사카린. (saccharin)

사카린 그림 은 라틴어의 설탕을 의미하는 에서 이름을 딴 것으로 독일(< 2-4 >) saccharum

의 유기화학자 콘스탄틴 팔베르크 에 의해 년 발견되었고 이후(Constantin Fahlberg) 1879 ,

팔베르크는 년에 공업적 합성법을 개발하여 특허를 얻었다1885 .

- 24 -

년 이후 상품화되어서 현재까지 사용되고 있으며 년부터 미국에서 식품첨가제로1900 , 1957

인정을 받았다 사카린은 설탕보다 약 배 정도 더 단맛을 가지고 있으며 인간의. 200 700 ,∼

몸에서 대사가 되지 않기 때문에 에너지원으로 사용되지 않는 감미료이다'non-nutritive' .

에서는 만 섭취할 것을 권장하고 있으며FDA 50 /day , JECFA(Joint Expert Committee of㎎

에서는 의 정도의 양만을 허용하고 있다Food Additives) 50 / body/day㎎ ㎏ (11) 그러나 사카.

린을 사용하는데 있어서 이러한 규정에도 불구하고 가격이 저렴하고 감미도가 우수하기 때

문에 사용량이 증가하고 있으며(12) 여 개국 이상에서 사카린의 사용을 허용하고 있다, 100 .

사카린은 목록에 포함되어 식품으로서 사용이 허가되어 있었으나 년 에서GRAS 1977 FDA

는 쥐를 대상으로 한 실험에서 사카린이 발암물질인 것으로 밝혀져 사용 금지 품목으로 지

정되었다 같은 해 미국 의회에서도 사카린의 사용을 현재까지 금지하고 있으며 에서. , FDA

는 현재 일부 품목에서만 사용이 허용되고 있으며 사용량을 규제하고 있다, (13).

나 아스파탐. (Aspartame)

아스파탐의 공식적인 명칭은 로서 아미노산인L-aspartyl-L-phenylalanine methylester

과 으로 구성된 다이펩타이드의 에스터 형태이다 그림L-aspartic acid L-phenyalanine (<

아스파탐은 에 비해 배의 단맛을 나타내며 장내 에 의2-4 >). sucrose 160 220 , esterase∼

해 분해되어 및 로 분해된다 분해된 아미노산L-aspartic acid, L-phenyalanine methanol .

은 인체내 대사과정을 통하여 의 열량을 제공한다 따라서 아스파탐은4kcal/g . 'nutritive

로 구분하지만 감미도가 상당히 높아 사용량이 적기 때문에 아스파탐이 나타내sweetener'

는 열량은 거의 없다.

- 25 -

년 는 아스파탐을 식품첨가제로 사용을 허용하 으며 미국의과학협회 자문위원회1981 FDA ,

에서는 아스파탐은 인체에 무해하며 어떠한 질병의 원인이 되지 않는다라고 공식 발표하‘ , ’

다 이후 아스파탐은 여개국 이상에서 감미료로서 사용되고 있다 아스파탐은 건조상. 100 .

태에서 안정성이 아주 좋아 장기보존 하더라도 변질될 염려가 없으며 일반적으로 온도가 낮

고 의 산성측에서 안정성이 높다 비록 상기한 식품 감미료의 안정성이 비교적 널pH 3 5 .∼

리 알려져 있지만 너무 과다하게 섭취하면 약간의 설사를 유발할 수도 있는 것으로 보고되

어 있다.

그림 인공감미료의 구조< 2-4 >

- 26 -

아스파르템은 아미노산 결합체로 고온에서 사용시 분해되기 때문에 저온 음료 등에 주로 사

용되고 있다 최근에 이 다발성 경화증 전신성 루프스 경련 등의 신경학적인 증. aspartame , ,

상을 일으킨다는 보고가 있어 의 사용에 관한 논의가 있었다 현재의 논란은aspartame .

이 메탄올 독성을 유발해 다발성 경화증과 유사한 증상을 일으킬 수 있다aspartame .

은 와 이 에스테르결합으로 연결된 물질로 체내에 흡Aspartame aspartic acid phenylalanine

수될 때 십분의 일만이 메탄올로 전환되며 이 메탄올은 포름알데히드 포름산을 거쳐 이산,

화탄소와 물로 대사된다 결과적으로 흡수되는 메탄올의 양은 극히 미량이며 대사도 빨리.

진행되어 인체에 유독한 향을 미칠 만큼 축적되지 않는다 또 다른 논란은 이. aspartame

두통 현기증 불안 우울 기억 손상 경련 관절통 다리 저림 망막 장애 당뇨 환자에서의, , , , , , , , ,

혈당 조절 불가능 등의 신경학적인 증상을 일으킬 수 있다는 것이다 이에 대해 는. FDA

과 이러한 부작용 사이에 신뢰할 만한 상관성은 없으며 건강한 사람들을 비롯해aspartame

당뇨 환자 임산부 수유부 어린이에게 사용해도 안전하다고 발표했다 단 에, , , . , aspartame

이 함유되어 있으므로 단백질 제한식이를 해야하는 환자나 페닐케톤뇨증phenlalanine

을 가진 사람은 섭취를 삼가해야 한다고 덧붙 다 또 분해되면 페닐알라(phenylketonuria) .

닌이 생성되기 때문에 페닐케톤뇨증 환자에게는 부작용의 우려가 있는 것(phenylkotonuria)

으로 알려져 있다(14,15).

다 아세설페임. K(Acesulfame K)

아세설페임 칼륨은 년 독일 사의 연구원인 가 발견하 다1967 Hoechst Karl Clauss .

의 화학명은 인Acesulfame K 5,6-dimethyl-1,2,3-oxathiazine-4(3H)-one-2,2,-dioxide

합성 감미료이다.

- 27 -

은 백색의 결정성 분말로 냄새가 없고 강한 감미가 있다 감미도는 설탕Acesulfame K . (3%

용액 의 약 배이며 체내에서 대사가 되지 않는 비열량성 감미료로 그 구조는 그림) 200 , <

와 같다 이 기제의 안정성은 매우 양호하며 통상의 조건에서는 수년간 거의 분해되2-4 > .

지 않는다 또한 인 수용액에서도 단맛의 변화 없이 약 년간 안정한 것으. pH 3 3.5, 20 2∼ ℃

로 밝혀져 있다 또한 높은 온도에서도 매우 안정하여 고압증기멸균을 하더라도 단맛에는.

향을 주지 않는다.

아세설팜칼륨은 생체 내에서 대사되지 않는 비열량성 감미료이므로 당질 감미료 등 칼로리

가 있는 감미료를 아세설팜칼륨으로 대체한 경우에 식품의 칼로리를 줄임으로써 비만이나

당뇨 등에 대하여 설탕에 비해 안전하다 당질감미료가 충치의 원인이 되는 것은 이들이 구.

강내 세균에 의해 불용성 글루칸이나 산을 생성하는 기질로 사용되기 때문인 반면 아세설,

팜칼륨은 구강내 세균에 의해 발효되지 않으므로 산을 생성하지 않아 충치를 유발하지 않는

다 또한 아세설팜칼륨은 혈당치 및 인슐린 분비에 어떠한 향도 주지 않으므로 당뇨병. ,

환자들이 단맛을 즐기면서도 안전하게 사용할 수 있다.

아세설팜칼륨은 년 국에서 사용허가가 난 이후 세계 개국에서 여 제품에1983 100 4000

사용되고 있는 안전한 감미료이다 세계적으로 식품의 안전성에 관여하는 기구들인.

합동 식품첨가물 전문가위원회FAO/WHO (Joint Expert Committee on Food Additives,

와 식품첨가물 과학위원회 에 의해 안전JECFA) (Scientific Committee on Food Additives)

성을 확인 받았으며 미국에서는 가 년에 탁상감미료 츄잉검 분말음료 믹스류에, FDA 1988 , ,

의 사용을 허가하 으며 년에는 탄산음료와 비알코올성 음료에의 사용을 허가하 다, 1998 .

일본에서는 후생성에 의해 년 월에 국내에서는 년 월에 식약청 고시 제2000 4 , 2000 7

호로 식품첨가물 승인을 받았다2000-32 .

- 28 -

라 수크랄로오스. (sucralose)

는 의 화학명을 갖는 합성감미료로서 그림 감Sucralose trichlorogalactosucrose (< 2-4 >)

미도는 설탕의 배에 이르나 전혀 칼로리가 없는 이다600 'non-nutritive sweetener' .

는 인체 내에서 잘 흡수되지 않고 대부분 소변으로 배출된다 또한 는Sucralose . sucralose

열안정성이 우수하여 이나 등에 많이 사용되고 있다 는 용해도에cooking baking . Sucralose

우수하기 때문에 음료 제방 껌 가공 과채품 유제품 등 식품산업에서의 응용범위가 상당, , , ,

히 넓다 에서는 년 월 일부 품목에서 사용을 허가하 고 약 여 개의 인체. FDA 1998 4 , 110

및 동물 실험 결과를 토대로 는 인체의 생식 암 유발 가능성 신경 질환 등에 안sucralose , ,

정하다는 결론을 내렸다 또한 는 년 의 섭취량을 최대. JECFA 1991 sucralose 3.5 /㎎ ㎏

에서 로 상향 조정함으로써 의 안정성을 확인하 다-body 15 / -body sucralose .㎎ ㎏

- 29 -

제 장3

감미료의 생산 및 시장 동향

천연 감미료의 시장현황1.

가 당류 감미료의 생산 및 시장 현황.

감미료의 생산 및 시장 동향은 현재 주로 사용되고 있는 감미료를 중심으로 고찰하 다 국.

내 감미료의 시장의 대부분은 아직까지 설탕이 큰 우위를 점하고 있다 설탕이 국민식생활.

에 빼놓을 수 없는 생활필수품으로 자리를 잡게 되면서 수입에 따른 막대한 외화지출로 제,

당공장의 건설이 절실해졌고 마침 미국 대외원조통합기관 년 월 에서 원당이, (F. O. A : 54 2 )

원조 품목으로 책정되어 도입에 나섬으로써 설탕 생산 여건이 조성되었다 최근 국내 및 세.

계의 설탕 소비는 그림 과 그림 에 나타낸 바와 같다 국내 설탕의 제조현< 3-1 > < 3-2 > .

황을 살펴보면 년 현재 연간 만톤의 생산능력을 보유하고 있다 국내의 경우 설탕, 2001 130 .

의 원료인 원당을 전량 수입에 의존하고 있어 설탕의 가격은 원료의 가격변동에 따라 유동

적이다 현재 급격한 환율 인상에 따른 원화가치의 하락으로 원료를 수입에 의존하는. 100%

우리나라의 실정에는 원가에서 차지하는 원료가의 비중이 큰 산업 특성상 환율의 변동과 같

은 외부 환경의 급격한 변화는 업계에서 제어하기 어려운 요인이다.

- 30 -

또한 설탕과 같은 국가에서 기초 소재 품목으로 정해져 집중적인 물가 관리를 받는 품목은,

가격 인상을 실시하기가 어려운 실정이다 이와 같이 설탕 산업은 특성상 외부 환경 요인의.

변화는 업계의 큰 부담으로 작용되고 있다 또한 설탕 섭취로 인한 과다 칼로리 비만 당. , ,

뇨 치아 우식 등의 질병 증가로 인해 설탕을 대체할 수 있는 대체 감미료의 개발 또한 설,

탕업계의 큰 업계의 큰 부담이 되고 있다 따라서 그림 에서 나타낸 바와 국내의. < 3-3 >

연간 인당 설탕 소비 현황은 년 현재 세계 수준 년 에 비해 약간 상회하고 있1 2001 (21 / )㎏

다 또한 그림 에서 보듯이 우리나라의 인당 평균 설탕 소비 현황은 세계 평균 수. < 3-4 > 1

준과 거의 유사함을 알 수 있으며 다른 나라에 비해 감소하는 추세에 있다.

그림 국내 시장의 설탕 생산 및 소비 현황< 3-1 >

- 31 -

그림 세계 시장의 설탕 생산 및 소비 현황< 3-2 >

그림 국가별 인당 설탕 소비 현황< 3-3 > 1

- 32 -

그림 인당 평균 설탕 소비 현황< 3-4 > 1

또한 표 와 표 에서 보듯이 설탕은 아직까지 감미료 시장의 이상을< 3-2 > < 3-3 > 50%

차지하고 있으나 년을 기점으로 하락세가를 보이고 있다 이는 설탕을 대체할 수 있는1998 .

대체 감미료의 시장이 점차 증가하기 때문이다.

표 당류 감미료의 품목별 점유율 및 신장율 변동 현황< 3-1 > (18)

- 33 -

표 당류 감미료의 품목별 출하액 변동 현황< 3-2 > (18)

표< 3-3 > Global Polyol Market, through 2005

* AAGR : Annual Average Growth Rate

나 담알콜류 감미료의 생산 및 시장 현황.

국내 대체감미료 시장은 지난 년대 후반 건강에 대한 소비자들의 관심고조로 저칼로리80 ·

고감미도를 지닌 대체감미료가 본격적으로 상품화되기 시작하면서 국내 대체감미료 시장이

형성되기 시작했다 설탕을 대체할 수 있는 감미료 시장은 지난 년에 아스파탐 스테비오. 93 ·

사이드 솔비톨 올리고당 등이 전반적인 수요증가로 향후 감미료 시장의 전망을 밝게 해주고· ·

있는 것으로 분석되고 있다.

- 34 -

당알콜의 세계 시장은 년 약 억불을 형성하고 있으며 년에는 성장한2000 1300 , 2005 2.7%

억불의 시장이 형성될 것으로 예측되고 있다 표 그 중에서 솔비톨이 가장 큰166 (< 3-3 >).

시장을 형성하고 있다 국내 솔비톨 시장은 비교적 안정된 수급상황을 보이고 있으며 매년. ,

대의 수요 성장률을 보여 성숙기에 있는 것으로 나타났다 현재 솔비톨은 화학6 7% . LG ,∼

삼양제넥스에서 생산되고 있는데 각각 만 톤 만 톤 정도의 생산능력을 갖추고2 1000 , 1 8000

있어 총 만 톤 생산이 가능하며 약 정도의 안정된 가동률을 보이고 있는 것으로3 9000 , 90%

알려졌다 또한 럭키는 타이의 타이화그룹과 합작으로 타이화럭키케미칼사를 설립해 니콘라.

자시마시에 피미이에 솔비톨 생산공장을 세워 가동하고 있는데 생산능력은 연간 톤 정6000

도로 알려지고 있다 럭키와 타이화그룹이 대 의 비율로 만달러를 투자해 세운. 50 50 1000

솔비톨 공장에서 생산되는 솔비톨은 국내로 수입돼 값싼 원재료와 노동력으로 가격경쟁력이

있는 것으로 나타나 해외시장에서의 입지를 높여가고 있는 것으로 풀이되고 있다 럭키는.

지난 년부터 솔비톨을 생산해 왔는데 연간 만 톤 선일포도당은 지난 년부터 솔74 1 4000 , 88

비톨 생산을 시작해 현재에 이르고 있는데 연간 약 만톤 정도의 솔비톨을 생산하고 있다, 1 .

솔비톨은 치약에 약 정도 첨가되어 습윤조정제의 역할을 하는데 기존에는 개도국30 33% ,∼

및 후진국에서 습윤 조정제로 글리세린을 주로 사용해왔으나 년 하반기 이후 글리세린의94

가격이 이상 급등하면서 솔비톨로 대체됨에 따라 수요가 증가 이 지역에 대한 수출물60% ,

량이 상당량 증가한 것으로 나타났다 솔비톨의 용도별 수요현황을 보면 습윤조정제로 치약.

및 화장품에 약 단백질변성방지제로 수산물가공품에 약 제과 청량제로 음40%, 20%, 10%,

료 및 식품에 의약 공업용 기타 정도인 것으로 나타났다 국내에서 유15%, 5%, 5%, 5% .

통되고 있는 솔비톨 판매가격은 액상이 당 원선에 거래되고 있으며 분말은 식450 600 ,㎏ ∼

품첨가용이 원 의약용이 원으로 나타났다850 , 1200 1300 .∼

- 35 -

한편 세계 솔비톨 생산능력은 약 만톤 정도이며 수요량은 만톤 정도인 것으로 알려120 , 100

졌다 솔비톨은 일반소비재가 아니므로 일반소비재 형태의 솔비톨 개발과 신규 용도 개발. ,

가격경쟁력을 갖춘 고품질 솔비톨 생산이 요구되고 있는 것으로 알려졌다.

이처럼 대체감미료 시장이 평균 이상의 증가가 예상되고 있는 가운데 매년 큰 폭의30%

신장이 예상되고 있다 일본의 경우에는 기능성감미료 시장은 약 년 역사를 가지고 있으. 30

며 여개 업체가 참여중이며 연간 억엔시장을 형성하고 있고 소비자의 건강의, 10 , 160 200 ,∼

식 증대로 향후에도 지속적인 성장이 예상되고 있다 우리나라도 업계와 약업계 의료계에. ,

서 관심을 보이면 적어도 연간 억의 시장이 형성될 수 있다고 추정된다, 150 .

한편 국내 대체감미료 시장이 정착되기도 전에 업체들은 신감미료 개발에 적극 나서 건강,

과 저칼로리 등의 기능성을 요하는 소비자들의 욕구충족을 위해 기능성 감미료로 올리고당

을 선보 다 올리고당은 톤 규모로 년대비 증가가 예상되는데 이는 프락토 가. 3500 93 75% ·

락토 이소말토 등의 각종 제품개발에 따른 것으로 풀이되며 각종 제품개발로 뚜렷한 증가· ,

가 있을 것으로 분석된다 최근 올리고당수요가 급증하고 있는 가운데 제일제당을 비롯한.

선일포도당 미원 등 생산기업들이 본격적인 마케팅전략을 펼칠 계획이어서 시장확대와 함,

께 경쟁이 가열될 전망이다 제일제당 선일포도당 및 미원 개사가 시장확보를 둘러싼 치. , 3

열한 경쟁을 벌이고 있는 올리고당시장은 최근 건강식품선호추세로 매년 이상 성장해50%

왔는데 시장규모가 작아 판매에 적극적이지 않았으나 향후 급성장할 것으로 판단 시장확보,

를 위한 마케팅전략을 활발히 추진하고 있다.

- 36 -

국내에서 올리고당 수요는 지난 년 식음료 첨가물로 처음 시장규모가 작아 판매에 적극87

적이지 않았으나 향후 급성장할 것으로 판단 시장확보를 위한 마케팅전략을 활발히 추진하,

고 있다 국내에서 올리고당 수요는 지난 년 식음료 첨가물로 처음 시작된 이래 유제품을. 87

비롯한 음료 제과 스낵류 건강식품 장류 육가공뿐만 아니라 의약품 등에 이르기까· · · · ·

지 수요가 확대 소비량이 급증해 왔었다, .

올리고당 가격은 함유량에 따라 다소 차이가 있는데 기준 이소말토올리고당은 당30% ㎏

원선에 거래되고 있으며 갈락토올리고당은 당 원선에 거래되고 있다 올550 600 , 2000 .∼ ㎏

리고당은 제법과 원료에 따라 제품에 차이가 있는데 국내에서 생산되는 것은 프락토 올리고

당과 갈락토 올리고당은 제일제당과 선일포도당이 설탕에 효모균을 작용시켜 만드는데 정장

기능이 우수하며 미원이 생산하고 있는 갈락토 올리고당은 맛과 경제성에서 유리한 것으로,

알려져 제품차별화를 통한 시장확보 경쟁이 치열할 것으로 예상되고 있다.

올리고당은 유산균음료와 다이어트식품 유아용식품 건강식품 등에 다양하게 사용되고· ·

있으며 장내에 있는 비피더스균의 양보급원으로 정장작용을 돕고 충치예방에 유리해 향,

후 수요는 이상 성장할 것으로 평가되고 있다 이처럼 올리고당 수요는 건강에 대한50% .

소비자들의 관심고조와 제품의 고급화 경향에 따라 경기위축 등으로 인한 식품개발제조 등

을 감안하더라도 향후 수요는 계속적으로 증가할 것으로 분석되고 있다.

- 37 -

제 장4

특허 동향

감미료와 관련된 특허를 국내 특허를 기준으로 특허 맵핑을 함으로써 감미료의 특허 동향을

분석하 다 특허의 경우 분석 데이터로서 의미가 있는 범위로는 출원연도를 기준으로 할.

경우에는 공개기간과 에 수록되어 있는 기간을 감안하여 년까지의 데이터를 기준으DB 2001

로 분석하 다 대상 는 한국특허정보원. DB (KIPRIS)(26)의 공개특허와 실용신안을 이용하여

분석하 다 국내 특허의 경우 감미료와 관련된 년도부터 년 현재까지의 국내 특. 1996 2002

허는 여건 이상이었으며 이는 다소 적은 정보량이었지만 국내 기술 현황 및 외국 기업100 ,

의 기술 보유 현황을 파악하는데 도움이 될 것으로 판단되었다.

국내 당류관련 특허 동향1.

국내 당류 관련 특허 출원 추이를 보면 그림 에서 보는 바와 같이 년 이후 꾸< 4-1 > 1996

준히 일정한 특허의 건수가 출원되고 있다 이는 당류 관련 연구가 계속 이루어지고 있음을.

의미한다 또한 외국인의 국내 특허가 점차 증가세를 보이고 있으며 이는 외국에서도 당류. ,

관련 연구가 활발히 진행되고 있으며 당류 관련 감미료에 대한 시장이 크게 확대되고 있음,

을 의미한다.

- 38 -

또한 그림 에서 보는 바와 같이 당류 관련 감미료의 제조 및 응용 분야에 대한 특< 4-2 >

허출원 추이를 보면 제조 분야의 출원이 계속 이어지고 있으며 이는 국내 감미료 관련 연,

구가 활발히 진행되고 있음을 의미한다 또한 응용 분야의 경우에서도 계속적인 특허 출원. ,

이 이어지고 있으므로 이는 당류 관련 감미료의 사업화가 진행중임을 의미한다 또한 당류.

관련 국가별 특허 출원 건수는 국내 일본 미국 프랑스 순으로 나타(46%), (42%), (8%), (4%)

났으며 일본의 외국인 출원의 대부분을 차지하고 있다, .

그림 연도별 당류 관련 내 외국인 특허 출원 건수< 4-1 > ·

- 39 -

그림 연도별 당류 관련 제조 및 응용 분야 특허 출원 추이< 4-2 >

그림 당류 관련 국가별 특허 출원 비율< 4-3 > (%)

- 40 -

국내 당알콜 관련 특허 동향2.

국내 당류 관련 특허 출원 추이를 보면 그림 에서 보는 바와 같이 년 이후 일< 4-4 > 1996

정한 특허의 건수가 출원되고 있으며 년도에는 보락 및 바이오앤진에서 당알콜 관련, 2000

연구가 활발히 진행되었기 때문에 특허 출원이 크게 증가하 다 또한 외국인의 국내 특허.

출원이 계속 이어짐으로써 당알콜 관련 사업이 세계적으로 활발히 진행되고 있음을 알 수

있다 그림 에서 보는 바와 같이 당류 관련 감미료의 제조 및 응용 분야에 대한 특. < 4-5 >

허 출원 추이를 보면 제조 분야의 출원이 계속 이어지고 있으나 응용 분야에 상대적으로 낮

은 수의 특허 출원이 이어지고 있으며 이는 당알콜 관련 사업이 크게 진행 중이 아님을 의,

미하며 이는 아직 당알콜 관련 국내 시장이 크게 형성되지 못하고 있음을 시사한다 또한, .

당류 관련 국가별 특허 출원 건수는 국내 일본 독일 미국 덴마크(30%), (13), (8%), (4%),

프랑스 순으로 나타났으며 일본이 외국인 출원의 대부분을 차지하고 있고 각국(4%), (4%) ,

에서 당알콜 관련 사업이 많이 진행되고 있음을 알 수 있다 그림(< 4-6 >).

- 41 -

그림 연도별 당알콜 관련 내 외국인 특허 출원 건수< 4-4 > ·

그림 연도별 당알콜 관련 제조 및 응용 분야 특허 출원 추이< 4-5 >

- 42 -

그림 당알콜 관련 국가별 특허 출원 비율< 4-6 > (%)

당알콜 관련 최근 특허 출원 경향은 년도를 중심으로 대부분 자일리톨에 관한 내용이2000

가장 많았고 그림 이는 현재 국내 자일리톨 시장의 크게 형성된 사실과 부합된(< 4-7 >),

다 또한 대부분 주 보락에서 출원하 으며 그림 주 보락은 한국산업기술진흥협. ( ) (< 4-8 >), ( )

회로부터 장 실상 장은공익재단으로부터 장은기술상 산업자원부로부터 년 대' ', ' ', '2000 10

기술상을 수상하 고 자일리톨 에리스리톨 미국특허획득 미국특허청 한국산업기술진흥' , ' - ' ( ),

협회의 자일리톨 마크획득 에리스리톨 마크 획득 자일리톨 에리스리톨 일본특허' ' KT , ' ' KT , ' - '

획득 일본특허청 등 기능성감미료 개발에 세계적인 인정을 받고 있는 업체이다( ) .

- 43 -

그림 제품별 특허 출원 건수< 4-7 >

그림 국내 희사별 특허 출원 건수< 4-8 >

- 44 -

제 장5

결 언

고도의 경제 성장 및 산업의 발달과 더불어 국민의 음식문화는 예전과 크게 달라졌고 고열,

량의 식품 섭취로 인한 비만 당뇨 성인병 등의 질환이 크게 증가하 다 최근에 이르러 건, , .

강에 대한 관심이 고조되면서 감미료가 건강에 미치는 향에 대한 인식이 높아져 가고 있

다 이에 따라 식생활의 개선 및 건강 지향적 천연소재 감미료에 대한 선호도 날로 증가하.

는 추세에 있으며 설탕을 대체할 수 있는 천연감미료의 개발 및 수요는 점차 증가할 것으,

로 사료된다 식품첨가물로서의 감미료는 식품의 양 및 관능적 측면 등 식품의 품질 향상.

을 위해 사용되기도 하지만 감미료가 건강에 미치는 요인도 배제할 수 없다 다이어트용 감.

미료가 되려면 우선 높은 당도를 지니면서도 설탕보다 열량이 낮은 물질이거나 많이 섭취,

해도 피하지방층의 비대 원인이 되지 않는 물질이어야 한다 따라서 저칼로리 혈중 콜레스. ,

테롤 감소 성인병 예방 효과 및 장내 유익 균총의 증식 등의 효과를 나타내는 올리고당의,

용도 및 수요는 급증할 것이다 기능성 올리고당은 저칼로리 설탕 대체감미료로서 약 억. 20

불에 달하는 세계 시장에 진출할 수 있을 것으로 예상된다 따라서 설탕 대체 저칼로리 천.

연 감미료의 개발은 이후 세기에 인류의 건강을 증진시킬 수 있는 중요한 연구 분야가21

될 것이다.

- 45 -

이에 본지에서는 감미료의 종류와 일반적인 특성을 소개함으로써 감미료에 대한 올바른 인

식과 보다 안전한 사용을 위한 판단에 도움이 되고자 한다 국내 감미료 산업은 외적으로는.

국제 원당 시세의 변동과 내적으로 국민 소득 및 관련 공업의 성장에 크게 좌우되는 경향이

있다 따라서 현재 시판 또는 연구 개발되고 있는 감미료에 대해 고찰함으로써 장기적 관. ,

점에서 감미료 산업은 수출시장의 지속적인 확대와 함께 새로운 제품을 개발함으로써 이에

대처해 나가야 할 것이다.

- 46 -

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- 49 -

기능성 생물소재 레반의 기술개발동향.Ⅱ

- 50 -

제 장1

서 론

기술의 개요1.

가 레반이란. ?

자연계에 존재하는 대표적인 천연 바이오폴리머 중의 하나인 프락탄은(biopolymers)

잔기가 와 결합으로 연결된 다당이다 프락탄은 결합방D-fructofuranosyl -(2,6) -(2,1) .β β

식에 따라 이눌린 타입과 레반 타입으로 분류되고 있다 이눌린은 주로 치커(inulin) (Levan) .

리 다알리아 돼지감자와 같은 식물의 저장 탄수화물로 존재하고 있으며, , (1) 개의, 20 60∼

잔기가 결합으로 연결되어 있고 가지를 갖고 있는데D-fructofuranosyl -(2,1) -(2,6)β β

비하여 레반은 보리 목초와 같은 식물을 포함하여 다양한 종류의 미생물에서 발견되고 있, ,

다(2,3) 식물체 레반 이 개 이내의 과당이 단일결합으. (graminans, phleins) 10 200 -(2,6)β∼

로 연결되어 있는 비교적 저분자라면 미생물 유래의 레반은 수천 수만 개의∼

잔기가 결합으로 연결되어 있고 출처에 따라 서로 다른 비율의D-fructofuranosyl -(2,6)β

가지결합을 갖고 있다-(2,1) .β Bacillus subtilis, Zymononas mobilis, Bacillus

polymyxa, Rhanella aquatilis, Pseudomonas 등과 같은 레반을 생산하는 미생물은 체내외

에 라는 효소를 가지고 있으며 이 효소는 나 를 기질로 이1evansucrase , sucrose raffinose

용하여 레반을 생성한다.

- 51 -

최근까지 레반과 관련된 연구는 학문적인 수준에서 수행된 것이 대부분이었으나 최근에 기

능성 생물소재에 대한 관심이 커지면서 레반은 화장품 식품 의약품 등에 응용할 수 있는, ,

새로운 기능성 생물소재로 부각되고 있다.

나 기술개발의 배경.

레반은 일반적으로 에탄올 발효공정 중에 생성되는 부산물로서 발효액의 점도를 증가시키는

물질로 알려져 있었다 레반은 년 독일의 에 의해 최초로 으로 알. 1881 Lippmann "laevulan"

려지기 시작하 다. Greig-Smith(4)는 존재 하에서sucrose Bacillus에 의해 프락탄이 생산

됨을 보여주었고 이를 근거로 하여 덱스트란의 유사물질로 을 소개하 다 년, "levan" . 1968

과 에 의해 와Edelman Jefford sucrose fructosyltransferase fructan fructosyltransferase

라는 두 효소에 의한 레반의 생합성 메카니즘이 알려진 이후(5) 년 등에 의1976 Chambert

해 과당전이반응 의 효소 상수 가 밝혀졌다(transfructosylation reaction) (kinetics) (6) 이후.

이 효소는 년 등에 의해 로 명명되었고1943 Hestrin levansucrase (7) 으로부터 레반, sucrose

을 생합성하는 것으로 밝혀졌다 이어서 등. Ananthalakshmy (8) 등, Song (9)에 의해

유래 의 분비에 대한 연구가 보고되었고 유래Zymomonas 1evansucrase B. subtilis

의 특성 발현 조절 유전자의 구성 효소의 위치 등에 대한 연구가 수행 되었levansucrase , , ,

다(10) 이와 같이 레반과 관련된 연구와 생물소재로서의 잠재력이 주목을 받기 시작하면서.

다수의 레반생성 미생물들이 보고되고 있다(2,3) 현재는 재조합 의 발현기술이. levansucrase

개발되고(11) 이를 이용한 레반의 대량 생산이 가능하게 되어 농업 화장품 식품 사료 의약, , . ,

품분야에서의 레반의 잠재력이 새롭게 부각되고 있다(12-15).

- 52 -

기술의 특성2.

가 레반의 화학적 구조.

그림 레반의 구조< 1-1 >

화학적으로 레반은 기본 삼당류인 에 잔기가 주로6-ketose -D-fructofuranosyl -(2,6)β β

결합으로 연결되어 있으며 가지를 가지고 있다 그림 레반의 분자형태는-(2,1) (< 1-1 >).β

구성체인이 같은 합성속도에서 방사형으로 뻗어져 나타나는 구형이다(16).

- 53 -

미생물 레반의 분자량은 전형적으로 2×106 10∼ 8 범위이며 최종 분자량은 이온세기 온도, ,

와 같은 생합성 조건에 향을 받는다 미생물 레반이 유사한 구조를 가지고 있co-solutes .

더라도 각각의 레반의 형태는 서로 다르며 이는 중합도 와, (DP: degree of polymerization)

반복되는 단위의 가지 차이 때문이다.

나 레반의 기원. (Occurrence)

레반은 목초 밀 보리(Dactylis glomerate, Poasecunda, Agropyron cristatum), ,

곰팡이 효모서 발견되(Hordeum unlgare), (Aspergillus sydawi, Aspergillus versicolor),

며(2) 레반을 생산하는 대표적인 미생물은 표 에 나타내었다< 1-1 > (2,3) 이외에도.

와 같은 구강세균 중에서도 레반을 생성하는 미생물Streptococcus, Rothtis, Odontomyces

이 발견되고 있다.

표 레반을 생산하는 미생물< 1-1 >

Microorganism Reference

Acetobacter xylinum Tajima et al. (17)Actinomyces naeslundii Bergeron et al. (18)Bacillus circulans Perez Oseguera et al. (19)Bacillus stearothermophilus Li et al. (20)Gluconacetobacter diazotrophicus Arrieta et al. (21)Lactobacillus reuteri Van Geel-Schutten et al. (22)Pseudomonas syringae pv. phaseolicola Hettwer et al. (23)Pseudomonas syringae pv. glycinea Hettwer et al. (24)Rahnella aquatilis Ohksuka et al. (25): Song et al. (26)Serraha levanicum Kojima et al. (27)Zymomonas mobilis Song et al. (28)

- 54 -

다 레반의 생리학적 기능.

가 함유된 배지에서 미생물에 의해 합성된 레반은 전형적인 형태를 하고sucrose mucoid

있다 형태를 한 레반은 저온 및 고온과 건조한 조건에 대한 내성을 제공하는 역할. Mucoid

을 하며(29) 또한 글루칸과 마찬가지로 항암활성을 갖고 있다 식물체 레반은 줄기와 엽초의.

저장 탄수화물로 존재하며 양분이 충분한 상태에서 탄수화물이 식물에 제공되는 성장기

후반에는 레반의 분해가 일어난다 이러한 방어기작으로서 다당류의 생물학적 역할을 완벽.

하게 이해하기는 어려우나 최근 이에 대한 가설이 새롭게 부각되고 있다.

즉 이당류와 지질사이의 상호작용보다 더 광범위한 규모의 명령에 의한 상호작용이 일어난,

후 레반은 단분자 지질층으로 구성된 지질막 안으로 침투하여 지질에 부착되어 지질막에 레

반을 코팅하게 된다 이렇게 레반으로 코팅된 지질막은 단백질 막표면의 접근하기 쉬운 곳.

에 변형을 일으켜 막을 보호하게 된다.

라 레반 관련기술의 문제점.

레반이 수용성이며 저점도 다당류로 다양한 기능 및 효능을 가지고 있음에도 불구하고 이,

들의 이용은 탁도와 낮은 유동성 때문에 제한되어 있다 레반의 적용범위를 확대하고 새로.

운 효소와 관련된 생합성 방법을 개발하기 위해서는 중합도 분자량 와 가지 정도( ) (degree of

를 조절하는 기술과 경제적인 정제기술을 개발하는 것이 가장 중요한 일일 것이branching)

다 상업적 측면에서 좀더 중요한 인자는 다른 경쟁 다당류 특히 치커리 이눌린과 비교될. ,

수 있는 대량생산 공정을 개발하는 것이다.

- 55 -

좀더 경제적으로 레반을 생산하기 위해서는 와sucrose, glucose, fructose

를 함유한 반응액으로부터 경제성이 높은 레반 정제공정이 개발되어fructo-oligosaccharide

야 할 것이며 현재 기술수준에서는 막분리 공정이 레반의 순수분리공정에 적합할 것이다, .

- 56 -

제 장2

레반생산기술 및 특허동향

레반의 생합성1.

레반의 생합성은 에 특이적으로 작용하는 세포외 효소인 의 작용에 의sucrose levansuclase

해 일어난다 이 효소의 유전학적 특성과 레반합성의 조절은 대부분. B. subtilis와 Z.

mobilis로부터 유래된 유전자 등에서 광범위하게 연구되었다levansuclase .

가 효소적 합성.

Levansucrase(sucrose:2,6- -D fructan:6-D-fructosyltransferase, sucroseβ

는 등6-fructosyl-transferase, EC 2.4.1.10.) Hestrin (7)에 의해 최초로 명명되었고 이는,

으로부터 레반을 합성하는 역할을 한다sucrose .

는 세포 내 구성요소로 존재하고 미생물에 의해 만들어져 세포외로 유도된다levansuclase(2) 몇몇의 미생물에서는 세포 내에 위치하는 레반생성 효소의 기능이 아직 밝혀지지 않고.

있다 자연계에서 의 가장 풍부한 기질은 이며 또한 기질로. levansuclase sucrose raffinose

서 사용된다 는 다양한 수용체인 으로부터 기의 전이를 촉매. levansuclase sucrose fructosyl

하는 전이효소 형태이다 이 효소의 촉매반응은 다음과 같다. .

- 57 -

ㆍ 중합(Polymerization)

(Sucrose)n (Glucose)n + Levan + Oligosaccharides→

ㆍ 가수분해(Hydrolysis)

Sucrose + H2O Fructose + Glucose→

(Levan)n + H2O (Levan)n-1 + Fructose→

ㆍ 수용기(Acceptor)

Sucrose + Acceptor Fructosyl-acceptor + Glucose→

ㆍ 교환(Exchange)

Sucrose + [14C]Glucose Fructose-[→ 14C]Glucose + Glucose

ㆍ Disproportionation

[Levan]m + [Levan]n [Levan]m-1 + [Levan]n + 1→

이 효소는 가수분해와 중합반응을 동시에 촉매하고 결과적으로 레반과(Reaction 1)

를 생성한다 이 반응은 이 단일 와 로 동시에 작glucose . sucrose fructosyl donor acceptor

용할 때 일어나며 개시 증식 종료 세단계로 일어난, (initiation), (propagation), (termination)

다(30) 레반 사슬은 생성되는 수용체 분자에 로부터 그룹의 반복되는 전이에. donor hexosyl

의해 단계적으로 만들어진다 이 효소반응에서는 의 가수분해와 핑퐁. sucrose (ping-pong)

메카니즘에 의한 반응이 동시에 일어난다transfructosylation (6) 만약 수분이 수용체로 작.

용하면 가 과 레반으로부터 생성된다, free fructose sucrose (Reaction 2).

이 반응은 모두 의 촉매반응에 의해 일어나며 그 속도는 이 수용체로levansuclase sucrose

작용하는 반응에 비해 매우 느리다 은 가 존재하는 환경에서 일어난다. Reaction 3 acceptor .

이 효소는 내 의 그룹 에 특이적으로 의acceptor aldose hydroxyl C-1 sucrose fructosyl

기를 전이한다.

- 58 -

메탄올 글리세롤 올리고당처럼 기를 포함하는 성분은 로서 역할을, , OH fructosyl acceptor

한다 이러한 반응 메카니즘은 비환원성 구성요소와 올리고당의 생성으로 연결되. sucrose

며 분자가 하나 더 있는 분자는 주 반응 생성물로 존재한다 이 반응은fructose sucrose .

과 라피노우즈와 같은 고농도의 프럭토실 존재하에서 일어난다 반응 는 반sucrose donor . 4

응 와 과 유사하게 여겨지나 높은 에너지 결합을 갖는 의 재생에서와는 차이가2 3 , sucrose

난다 반응인 반응 를 촉매하는 이 효소는 레반과 올리고의 분포도를. Disproportionation 5

변형시킨다 여러가지 부산물과 특이적인 주요 산물이 생성되는 이 다섯 단계의 반응은 서.

로 경쟁적이나 이는 환경 인자에 의해 주로 조절되어진다.

현재까지 식물체 레반의 생합성 메카니즘에 대해서는 거의 알려져 있지 않다(31) 식물체 레.

반 중 하나인 은 결합만으로 구성되어 있으며"Graminan" -(2,6) sucrose: fructanβ

에 의해 합성된다6-fructosyltransferase (6-SFT) .

는 전화효소 와 밀접한 관계가 있으며 우선적으로 으로6-SFT vacuolar (invertase) sucrose

부터 또는 거대한 프락탄에 프럭토실기를 전이한다1-kestose (32).

그러나 식물체에서 프락탄의 생합성은 대부분 두 단계로 일어난다 첫 단계에서는.

에 의하여 분자sucrose:sucrose 1-fructosyltransferase(1-SST; EC 2.4.1.99.) sucrose 2

로부터 와 삼당류인 가 합성되고 둘째 단계에서glucose 1-ketose fructan:fructan

가 의 프락탄으로부터 의 다른1-fructosyltransferase(1-FFT; EC 2.4.1.100.) DP 3 DP 2≥ ≥

프락탄으로 기를 가역적으로 전달하여 서로 다른 길이의 체인을 갖고 있는 프락fructosyl

탄 를 생산한다mixture .

- 59 -

나 레반 합성의 유전적 기초.

유전자는 다음과 같은 개의 그람음성균에서 클로닝되며 생화학적 특성이 밝levansuclase 7

혀졌다. Acetobacter diazotrophicus(21), Acetobacter xylinum(17), Erwinia amylovora(33),

Psyringae pv. glycinea, P. syringae pv. phaseolicola(24), R hnella aquatilisα (26) and Z.

mobilis(28) 일반적으로 유전자는. levansuclase Bacillus(34,20)와 Streptococcus(35)와 같은 그

람양성균에서도 클로닝 되었다 지금까지 알려진 모든 유전자는 효소 활성에. 1evansuclase

중요한 역할을 하는 을 공유하고 있는 것으로 알려져 있다 그러나 이러conserved region .

한 보존된 역이 관찰되더라도 이는 효소의 기원에 따라 상이하게 존재한다 그람음성균으.

로부터 유래된 유전자는 그람양성 기원의 유전자와 비교할 때 높은 상동성levansuclase (

을 보인다 그러나 기원이 서로 다른 유전자들은 매우 낮은 상동성 을 나타> 50%) . ( < 30%)

낸다 유전자들로부터 추정된 아미노산 염기서열의 상동성을 그림 에. levansuclase < 2-1 >

나타내었다.

의 아미노산 서열이 다른 이용과 관련된 효소의 아미노산 서열과의Levansuclase sucrose

상동성이 아주 작아도 세 번째 와 네번째(-EWS/AGT/SP/A-) (-FRDP-) conserved region

은 프락탄 가수분해 효소인 sucrose-phosphate hydrolase, sucrase,

에서 모두 발견되고 있다 이 이glucosyltransferases, fructosyltransferase . region sucrose

관련 효소 모두에 내포되어 있다는 사실은 이 역이 가 가수분해 과정에서 촉매sucrose

적으로 매우 중요한 부분임을 보여주는 것이다 번째 의 잔기. 6 region(-YLFTI/DS-) serine

는 촉매부분의 잔기로 알려져 있다(36).

- 60 -

그림 의 아미노산 서열의 상동성< 2-1 > Levansucrase

주 의 기원은 서열 마지막 부분에 명시되어 있음) Levansucrase .

- 61 -

다 레반합성의 조절.

가수분해효소 유전자들은 상에서 상호간에 연결되어 있지 않은 것Sucrose chromosome

같고 PTS(phosphoenolpyruvate-dependent carbohydrate phosphotransferase) system

과 관련된 단백질들을 코딩하는 유전자들과 연결되어있는 것 같다 이 유전자의 발현은. Z.

mobilis의 glk 과operon B. subtilis 등의 과 같은 많은 단백질 조절 시pleiotropic system

스템에 의해 조절된다.

단백질 수준에서의 조절(1)

미생물에는 세포내 이용과 세포외 이용으로 구분되는 두 가지(intracellular) (extracelluar)

형태의 이용 시스템이 있다 일반적으로 를 흡수하고 이용하는 시스템은sucrose . sucrose

세포 안에 존재한다 즉 가 에 의해서 운반된다 이러한 형태의. , sucrose PST system .

은sucrase system B. subtilis에서 잘 알려져 있다(37) 이에 반하여 을 갖고 있. PTS system

지 않은 Z. mobilis와 같은 세균에서는 세포 외에서 을 단당으로 가수분해 한 후sucrose ,

이 단당이 세포 안으로 운반된다(38).

Z. mobilis의 이용을 위한 두 당분해 효소의 공동 역할은 잘 알려져 있다sucrose . Z.

mobilis의 이용 과 대사적으로 연결되어 있고 에 아주 가까이sucrose system levU operon

위치하고 있는 의 흡수와 이용 또한 밀접하게 연결된 유전자glucose system (glk operon)

발현 메카니즘에 의해서 조절된다(39) 와 사이에 있는 서열에서는. levU glf operon Lrp-like

과 를 코딩하는 두개의 추상적인 가 발견되었regulatory protein aspartate racemase ORFs

다(40).

- 62 -

분자생물학적 측면에서 가수분해 효소를 코딩하는 유전자들은 상에sucrose chromosome

서 서로 연결되어 있지 않고 에 속해있는 단백질을 코딩하는 부수적인 유전자, PTS system

들과 연결되어 있는 것으로 알려져 있다(41) 이 유전자의 발현은 많은 조절단백질이 관련된.

복잡한 조절 네트워크 시스템에 의해 조절되는 또는 과 같은 메anti-termination repression

카니즘에 의해 조절된다(37).

전사 및 번역 수준에서의 조절(2)

현재 세포외 와 를 코딩하는 유전자가 분리되었고 그 특성이 밝혀져levansuclase sucrase

있다. Z. mobilis와 B. subtilis 유래 세포외 와 를 코딩하는 유전자를levansuclase sucrase

포함하고 있는 단편의 염기서열이 최근 보고되었다DNA (42) 이 두 유전자는. chromosome

상에서 한 에 같이 존재하고 있는 것에 반해 다른 박테리아와 효모의 당분해효소를operon

코딩하는 대분분의 유전자는 내에 흩어져 있다chromosome (43). B. subtilis의

유전자는 의 존재 하에서 활성화되며levansuclase inducer(sucrose or fructose) sucrose

의 발현을 조절하는 하에 놓여 있다operon pleiotropic regulatory system (44,45).

degS/degU, degQ(前 sacU, sac 와Q) deg 유전자를 포함하고 있는 은R pleiotropic system

의 발현에 향을 미친다sacB (46) 는. Levansucrase sac 유전자에 의해 인코딩 되고B sacR

가까이에 연결되어 있는 상시 로부터 발현된다locus promoter . sac 는R locus

로서 작용하는 구조를 포함하고 있다 존재transcription terminator palindromic . Sucrose

하에서 한 로, anti-terminator sac 에 속해있는S operon sac 유전자 산물은Y sac 유전자B

의 을 허락한다transcription .

- 63 -

이 유전자의 발현은 two-component system degS/deg 과 같은 다른 조절유전자나U degQ

에 의해 조절된다(47) 그림(< 2-2 >).

그림< 2-2 > B. subtilis의 sac 에 향을 주는B pleiotropic control mechanisms

주) degU: transcriptional regulator of degradation enzyme;degQ: pleiotropic regulatory system: sacX: negativeregulatory protein of sacY: sacY: positive levansucrasesynthesis regulatory protein: sacB: gene encodinglevansucrase.

레반의 생분해2.

가 효소에 의한 레반의 분해.

레반은 미생물과 식물체에 존재하는 의 가levanase, levansucrase, levan fructotranserase

수분해 활성에 의해 또는 저분자 레반D-fructose, levanbiose, sucrose, levan oligomer

으로 분해된다.

- 64 -

가수분해의 형태와 정도는 효소의 기원과 반응조건에 의존한다.

(1) Levanase

대부분의 레반을 생산하는 미생물은 레반 가수분해 효소인 levanase(2,6- -fructanβ

를 생산한다6-levanbiohydrolase, EC 3.2.1.64) (7,48) 특히. Bacillus, Pseudomonas,

Actinomyces, Aerobacter, Clostridium, Streptococcus는 세포외 를 생산한다levanase(49,50) 이 효소는 레반만을 가수분해하고 최종생산물로 를 만들며. levanbiose terminal

를 제거하는 역할을 한다fructosyl unit .

활성을 갖는 효소와2,6- -linkage-specific fructan- -fructosdase exo-hydrolytic 2,1-β β

가 각각 목초의 일종인-linkage-specific exohydrolaseβ Lolium perenne과 돼지감자로부

터 보고되었다(51) 다른. exo-levanase(fructan- -fructosidase, EC 3.2.1.80;β

는 레반을 가수분해하여 를 생산한다-D-fructofuranosidase, EC 3.2.1.26.) D-fructose .

는 레반과 개 이상Endo-levanase (2,6- -D-fructan fructanohydrolase, EC 3.2.1.65.) 3β

의 프럭토실 로 구성된 레반올리고당을 가수분해한다unit .

(2) Levansucrase

레반은 가수분해를 촉진하는 어떠한 조건하에서는 뿐만 아니라 자levanase levansucrase

체에 의해서도 분해된다(52) 레반의 가수분해 정도는 효소의 기원과 반응조건에 의존한다. .

- 65 -

예를 들어, R. aquatilis로부터 유래된 는levansucrase Z. mobilis 유래 보다levansucrase

높은 분해 활성을 나타내며(26) 이 두 효소에 의한 레반의 분해활성은 온도가 에서, 4 30℃ ℃

로 높아질수록 더 높게 나타난다.

레반의 효소합성의 가역성에 대한 간접적 증거가 관찰되었을 지라도 이러한 효소적 분해의

성질에 관해서는 잘 알려져 있지 않다. Smith(53)는 목초에 존재하는 -fructofuranosidaseβ

는 분자만 남을 때까지 를 하나씩 제거하여 레반을 분해한다고 밝혔sucrose fructose unit

다. B. subtilis의 는 저분자 레반을 가수분해하는 효과가 있으며 가수분해 반levansucrase ,

응은 에서 멈춘다branch point . Inulin, inulobiose, inulintriose, methyl

는 와 에 의해서는 가수분해되나D-fructofuranoside inulinase yeast invertase

에 의해서는 분해되지 않는다 대부분의 레반 제품의 분자량이 일정하지 않고levansucrase .

여러 가지 다른 형태의 짧은 체인의 다당류가 포함된 것은 이와 같은 의 가수levansucrase

분해 활성 때문이다.

(3) Levan Fructotransferase

미생물 레반은 와 같은 고부가 가치 올리DFA (di-D-fructose-2,6 :6,2' -dianhydride)Ⅳ ′

고당의 생산원료로 이용될 수 있다(54,55) 는 미생물 효소인. DFA levan fructotransferaseⅣ

와 타입에 의해 레반으로부터 생산되는 올리고당이다(LFTase) levanase (56-58) 최근 두개의.

가LFTase Arthrobacter nicotinovorans GS-9(58)와 A. ureafaciens(56,59)로부터 분리되었

다 이 효소는 바깥 체인의 비환원성 말단으로부터 레반 분자를 분해하고. fructose ,

과 전이반응을 촉매한다intermolecular levanbiosyl levanfructosyl (57).

- 66 -

나 레반 분해의 유전적 기초.

B. subtilis에서 의 발현은 겨 에 의해 유도되며levanase operon f ctose catabolite

을 받는다 에 의해 유도되는 는 를 코딩하는repression . Fructose promoter levanase sacC

유전에서 에 있다 유전자는 개의 유전자2.7kb upstream . sacC 5 (levD, levE, levF, levG,

sac 를 포함하는 의 말단 유전자이며C) operon (60,46), inducible levansucrase leader region

인 의 조절하에 발현된다 처음 개 유전자의 생성물은 에 포함sacR . 4 fructose-PTS system

된 것들이다. Pseudomonas에서 는 레반에 대한 로 가levanase exohydrolase levanbiose

유일한 반응 산물이다 이에 비해. Z. mobilis와 Serratia 에서 유래된 레반의 가수분해도sp.

는 각각 와 가 한계이다65% 80% (61).

다 레반의 분해 조절.

의 의 발현은 다음과 같이 두 단계로 조절된다B.subtilis levanase operon . (1) positive

인 과 이 에 의해 코딩된regulator LevR operon(lev-PTS) fructose phosphotransferase

이 관여하는 에 의한 유도 의 전체적인 조절system fructose : (2) catabolite repression(46) 그림(< 2-3 >).

은LevR protein B. subtilis에서 유래된 의 발현을 위한 이다levanase operon activator .

인 을 포함하고 있는 는 이 의Sigma 54-like factor sigma L RNA polymerase operon

를 인식한다 의 한 은 의 와 유사하며promoter . LevR protein domain NtrC family activator

나머지는 의 과 유사하다BglG family anti-terminator protein (46).

- 67 -

와 유사한 은Anti-terminator domain phosphoenolpyruvate:sugar phosphotransferase

의존형 활성조절의 이 된다 은system(PTS) LevR target . LevR protein levanase operon

에 의해 코딩된 의phosphotransferase system(lev-PTS) fructose-specific enzyme Ⅱ

에 의해 부정적으로 조절될 뿐만 아니라 의 을 포함하A/B (negative control) PTS histidine

고 있는 에 의해 긍정적으로 조절 된다phosphocarrier protein(HPr) (positive control) (62,63).

두 번째 타입의 활성 조절은 을 코딩하는 유전자에서의 으LevR HPr ptsH point mutation

로 설명되는 의 에HPr histidine 15 phosphoenolpyruvate- dependent phosphorylation

의존한다.

그림 로부터 의 조절모델< 2-3 > Bacilius subtilis levanase operon

주) 와 유전자의 산P : fructose-inducible promotor. levD, levE, levF levG물은 fructose-specific phosphoenolpyruvate-dependent

에 해당된다 를 코딩carbohydrate(PTS) . LevR: positive regulator .는 가지 형태로 존재 비활성 인산화 형태 활성형 비인Activator 2 (A-P: , A:

산화 형태)

부분정제된 의LevR In vitro 은 및phosphorylation HPr, enzyme I phosphoenolpyruvate

의 존재하에서 일어난다.

- 68 -

절단된 의 에 의한 자극에 대한 의존성은(truncated) LevR polypeptide HPr

와 유사한 이 의존형 활성 조절의 이라는 사실을anti-terminator domain HPr LevR target

나타내고 있다 이 은 에서 번 나타난다 첫번째의. domain LevR protein 2 .

은 과 활성anti-terminator-like domain enzyme I HPr-dependent phosphorylation, LevR

사이트의 인 것처럼 보인다 반면 은taget , carboxy-terminal anti-terminator-like domain

에 의한 의 이 될 수 있다lev-PTS negative regulation taget (64).

레반의 생산기술3.

레반은 로부터 미생물 발효 또는 효소반응에 의해 생산될 수 있으나 의 레sucrose , sucrose

반으로의 전환수율은 미생물 발효에서 보다 효소 합성 공정에서 더 높다.

가 레반생산균의 분리 및 동정.

레반 생성 균주의 분리에서 미생물의 레반 생성 활성은 를 포함하고 있는 고체배지sucrose

를 사용하여 결정할 수 있다 이어 레반 생성균은 다음과 같은 분석 방법에 따라 분리된다. .

의 존재 여부는 일차적으로 미생물에서 유도되는 점액물의 형태로 확인 가능Levansuclase

하다 다음으로 고체배지로부터 얻은 점액성 다당류를 유기용매를. (methanol, ethanol, or

사용하여 침전시켜 회수한다 레반 여부의 확인은 분리된 다당류를 산가수분isopropanol) .

해 시킨 후 를 이용하여 분석한다 즉 는 에서 단일 으로 나TLC . , fructose TLC plate spot

타난다.

- 69 -

나 발효에 의한 레반의 생산.

미생물 발효에 의한 레반의 생산에서는 고점도 레반용액의 처리가 요구된다 레반생산 발효.

조건은 사용되는 미생물의 종류에 따라 차이가 있다 그러나 이러한 직접발효의 경우 레반.

생산수율은 아주 낮다 표 이는 가 레반생산 원료로서 뿐만 아니라 동시(< 2-1 >). sucrose

에 탄소원으로도 이용되고 다수의 발효 부산물의 생성과 낮은 활성, levansucrase ,

활성에 의한 생성된 레반의 분해 등에 기인한다 더욱이 발효액으로부터 레반의levanase .

회수공정은 레반의 고점도 때문에 대단히 공정을 복잡하게 한다 이론적으로. levansucrase

에 의한 레반 생산수율은 가 기질로 사용될 때 이다 개략적으로 소모된sucrose 50%(w/w) .

의 양을 기준으로 한 레반 생산수율은 발효에 의한 이론수율의 이하에 불과하sucrose 58%

다 표(< 2-1 >).

표 발효공정에 의한 레반의 생산< 2-1 >

StrainsType ofProductiona

SubstrateCon.(%)

LevanYield(%,w/w)b

Authors (year)

Bacillus spp. BF 12 23.5 Elisashvili(65)

Bacillus polymyxa BF 15 26.6 Han(2)

Erwinia herbicola CF 5 19.2 Keith et al.,(66)

G l u c o n o b a c t e roxydans

BF 6.2 23.3 Uchiyama(50)

Rahnella aquatilis BF 10 29 Ohtsuka et al.,(25)

Z y m o m o n a smobillis

CF 12 23 Beker(67)

주) a : BF : batch fermentation, CF : continuous fermentation

b : based on sucrose consumed

- 70 -

다 효소에 의한 레반의 생산.

In vitro 상에서 에 의한 레반의 생물학적 합성에서 는levansuclase sucrose fructosyl

로 작용하고 부산물로 생산되는 는 레반의 합성을 저해한다 효소반응의 저해donor glucose .

작용은 에 있는 분자와의 경쟁에 의해서 향을 받는다 의sucrose glucose . Sucrose

분자는 등에 의해 대체될 수 있다glucose D-xylose, L-arabinose, lactose .

의 촉매적 특성은 에 따라 변화가 있을지라도 기질특이성은 비교적Levansucrase acceptor

광범위하여 로acceptor alcohol, monosaccharides, disaccharides, sugar alcohols, levan

등이 사용될 수 있다 반면 는 로 작용하지. levanbiose, levantriose, levantetraose acceptor

못한다.

In vitro 상에서 레반 합성의 최적온도범위는 이다0 40 .℃∼ ℃ Z. mobilis 유래

의 레반형성 최적온도는 이며levansucrase 0 (Song et al., 1996)℃ B. subtilis는 >10℃

(Elisashvili, 1984), Pseudomonas는 18℃(23) 는, Rahnella 40℃(25)에서 가장 높은 수율을

나타낸다 효소반응 시작 후 처음 시간 동안 에서 최고의 레반형성속도를 나타내고. 3 50℃

이후부터 속도가 서서히 감소하는 R. aquatilis 유래 를 제외하ATCC 33071 levansucrase

고 대부분의 활성은 이상에서 불활성화 된다 흥미롭게도 낮은 온도에levansucrase 45 .℃

서는 의 가수분해보다 반응이 더 잘 일어나고 고온에서는 가수sucrose transfructosylation

분해반응이잘 일어난다 이러한 열에 약한 특성은 레반의 대량생산공정에서 잇점으로 작용.

할 것이다 특히. , Z. mobilis 유래 에 의한 레반의 생성은 가장 낮은 온도levansucrase (0 )℃

에서 가장 잘 일어나며 이는 다른 미생물이나 효소의 오염을 최소화하는 안전한 운전조건,

을 제공하게 된다(11) 식물 의 활성은 최적온도인 에서 보다. fructosyltransferases 20 25∼ ℃

에서 활성이 감소한다5 50%℃ (68).

- 71 -

Z. mobilis 유래 는 에 안정하며 이하와 이상에서는 활성levansucrase pH 4 7 pH 3 pH 9∼

을 잃는데 이는 최적 가 인pH 6.0 Bacillus, Pseudomonas, Rahnalla 유래 와levansucrase

유사하다 그러나. B. licheniformis 로부터 유래한 효소는 와 에NRRL B-18962 55 pH 4℃

서도 최대활성의 를 유지한다50% .

의 를 에 고정화 한 경우 효소적 생화학적 특성은Z. mobilis levansucrase hydroxyapatite ·

의 특성과 유사하다native enzyme (69) 그러나 의 표면에 고정화된 효소는 최적 가. matrix pH

산성 으로 변한다 고정화 효소를 사용하는 에서는 분자량이 서(pH 4.0) . cell-free system

로 다른 두 타입의 레반이 합성된다 고정화 효소에 의해서 생산되는 레반은. native

에 의해 생산되는 레반보다 저분자 레반의 비율이 더 높다 톨루엔으로 처리되어 세enzyme .

포벽이 느슨하게 된 에서도 고정화 효소시스템에서와 유사한 형태의 레whole-cell system

반이 생산된다(70).

라 레반의 회수 및 정제.

미생물에 의한 직접발효로 레반을 생산할 경우에는 수율이 낮으므로 발효액으로부터 레반을

효율적으로 정제할 수 있는 공정개발이 요구된다.

레반외에 등이 포함된 반응액으로부fructo-oligosaccharide, sucrose, glucose, fructose

터 고순도로 레반을 분리정제하는 공정은 어렵고 비효율적이다.

더욱이 용매를 사용하여 레반을 침전 및 분리하는 경우에는 ethanol, methanol,

또는 등과 같은 많은 양의 용매가 요구 된다isopropanol acetone (71).

- 72 -

결과적으로 이 용매는 증류공정에 의해 회수되거나 폐기된다 최근 미세막 분리공정이 발효.

액 또는 효소반응액으로부터 유기폐액 없이 다당류를 분리하기 위해 개발되었다 그러나 최.

종 용액중의 레반농도가 낮아 건조전에 농축공정의 추가가 요구된다( <5% ), .

마 레반의 상업적 생산.

레반은 현재 일본과 한국에서 상업적으로 생산되고 있으며 화장품 보습제 식이섬유 식품, ,

및 사료 첨가물 등으로 생산되고 있다 고순도 레반은 화장품과 기능성식품에 사. ( >99% )

용되며 와 올리고당이 포함되는 저순도 레반 은 사료외에 사용될 수 있다glucose ( <15% ) .

레반이 상업적으로 이용되기 시작한 것은 최근의 일이기 때문에 현재 시장의 규모를 정확히

예측하기는 어렵다 그러나 생물산업에서 레반의 기능과 응용이 매우 다양하기 때문에 이에.

따라 기대되는 시장규모는 대단히 클 것이다.

기존의 여러 종류의 올리고당과 다당류의 시장을 참고로 하여 레반의 잠재적인 시장성을 예

상할 수 있다 식품산업에서 유사한 용도로 사용되고 있는 물질은 키토산 각종 올리고당. , ,

등과 같은 다당류 등이다 특히 레반과 동일한 프럭탄의xanthan gum, pulluan, mannan .

일종인 이눌린과 대비될 수 있다 이눌린은 상온에서 불용성인 인데 반하여 레반은 수용성.

이며 보습력이 큰 프락탄이다 다른 잠재적인 경쟁물질은 화장품산업에서의 히야론산 식품. ,

과 의약산업에서의 덱스트란 사료산업에서의 등이 있다, -glucan .β

- 73 -

그러나 대부분의 상업적으로 사용 가능한 다당류는 미생물 발효 또는 천연물로부터 추출하

여 생산되나 효소반응에 의해 으로부터 생산가능 한 다당류는 레반과 덱one-step sucrose

스트란 얼터난 밖에 없어 레반은 다른 다당류에 비하여 생산단가 측면에서 월등한 가격경,

쟁력을 갖고 있다.

바 레반의 상업적 응용.

레반은 의료 약품 농업 식품 화장품 산업에서 대단히 큰 응용성을 갖고 있다 따라서 레, , , , .

반의 생산원가를 낮출 수만 있다면 가까운 미래에 이용범위가 크게 증가할 수 있을 것이다.

의학용으로서의 레반(1)

미생물 레반은 방사선에 대한 방어작용과 항균활성을 가지고 있을 뿐만 아니라 세포의 투과

성의 변화와 세포막의 변형과 관계가 있는 종양세포에도 직접적인 효과가 있다(72) 레반유.

도체는 근육세포의 증식 억제제 정 제조 부형제 젤안으로 수분을 전달하기 위한제, (tablet) ,

제 등으로 보고되었고 특히 은 모두 항 제제sulfated, phosphated, acetylated levan AIDS

로 보고되었다(12).

약제용으로서의 레반(2)

레반을 포함한 수용성 다당류는 의약산업분야에서도 광범위하게 응용할 수 있다 셀룰로오.

즈 유도체 펙틴 처럼 수용성 다당류는 고체 액체 반고체 형태의 약제 및 의, , carrageenan , ,

약품 전달체의 제조에서 중요한 역할을 한다(73) 레반의 점성은 중합도와 가지정도에 따라.

다르며 이러한 레반은 다양한 방법으로 약제의 조성에 사용될 수 있다, .

- 74 -

중간 점도와 고점도 레반은 에 사용되며 가지가 적controlled-release matrix formulation ,

어 저점도를 나타내는 저분자 레반은 형태에서 정 의 결immediate-release dosage (tablet)

착제로 사용될 수 있다(74) 이외에도 레반은 덱스트란과 마찬가지로 혈장대용제로 사용 가.

능한 것으로 알려져 있다(74).

농업용으로서의 레반(3)

고온 및 저온 지역에서 농작물의 저장량과 수확량을 증대시키기 위해서 미생물 레반이 식물

에 삽입되었다(14). B. subtilis(75) 또는 Z. mobilis(76) 유래의 유전자가 형질전levansuclase

환된 는 가뭄이나 냉해에 대한 내성이 증가하는 것으로 나타났다 프락transgenic tobacco .

탄이 축적된 형질전환 식물은 반추동물의 새로운 양사료로서 제공될 수 있다(77,78) 최근.

효소공정으로 생산된 미생물 레반은 동물 사료와 다양한 종자의 발아율을 개선하는 토양개

선제로서 개발되고 있다(74).

식품용으로서의 레반(4)

레반의 새로운 이용은 특히 식품분야에서 많이 제시되었다(2,10) 레반은 장내미생물 균총을.

변화시키는 으로서 작용하며 그 때문에 식이에 존재할 때 유익한 상승효과를 제prebiotic ,

공한다 레반과 그들의 부분가수분해물은. Bifidobacteria와 Lactobacillus 를 포함하는sp.

장내세균에 의해 발효된다(79-81) 는. Levanheptaose Bifidobacterium adolescentis,

Lactobacillus acidophilus, Eubacterium limosum을 포함하는 선택적인 장내미생물들의 탄

소원으로 사용되는 반면에 Staphylococcus aureus, Clostridium perfringens, E. coli는 레

반을 이용하지 못하는 것으로 알려져 있다(82).

- 75 -

레반의 콜레스테롤 저하 및 중성지방감소효과도 보고되었으며(80) 이러한 레반은 건강식품,

또는 약식으로 개발이 가능할 것으로 여겨진다.

오늘날, Lactobacillus reuteri 가 레반 타입의 를 생산함으로서 레반이 낙농산업에도EPS

이용 가능함이 알려지고 있다. Streptococcus, Lactobacillus, Lactococcus의 균총을 포함

한 젖산균이 생산하는 는 요구르트와 치즈 같은 발효유제품의 질감 조직 을 개선하기EPS ( )

위해 in situ에서 사용된다 이 식용미생물은 특히 새롭게 응용되고 있는 레반을 포함하여.

구조적으로 다른 다양한 다당류를 생산한다 많은 일본회사들은. Lactobacillus 종을 포함하

는 유제품에 첨가물로서 미생물 레반을 사용한다 이에 더하여 비식품용 미생물에 의해 생.

산되는 증점제 또는 안정제로서의 대체제로 레반이 주목을 받고 있다(83).

기타 응용분야(5)

레반의 조밀한 가지구조의 특성중의 하나는 다른 폴리머에 의한 상호침투를 방지하는 효과

이며 이는 결과적으로 거시적인 상분리를 가져온다(84,85) 덱스트란은 생물소재를 특정 상.

으로 선택적으로 분할하여 정제하기 위한 과 같(phase) polyethylene glycol(PEG)/dextran

은 이상 시스템 을 만드는데 사용되어왔다(two phase system) (86) 미생물 레반 또한. pectin,

와 상분리 현상을 나타낸다 레반 용액은locust bean gum, PEG . /locust bean gum

혼합액과 유사하게 점도가 상당히 감소한다 상들은levan/pectin . Levan/locust bean gum

혼합액중에서 상분리가 일어나며 밀도가 큰 레반상이 아래층에 위치한다(84).

- 76 -

은 와 레반 을 혼합하여 만들PEG/levan two-phase system PEG(60%, w/w) (6.77%, w/w)

어진다(85) 이 수상이상분계 시스템에서. horse heart cytochromec, horse hemoglobin,

과horse heart myoglobin, hen egg albumin, bovine serum albumin, hen egg lysozyme

같은 단백질들이 효과적으로 분할될 수 있었다.

레반의 생산 및 용도 특허4.

레반을 기능성 식품에 이용하는 용도 및 효능에 관련된 다수의 특허가 보고되었다 표(<

레반은 콜레스테롤 억제효과가 있는 식품 첨가물로서의 효능이 입증2-2 >). S. salivarius

되어 이와 관련된 용도 특허가 등록되었고(87) 생산원료, DFAW (88) 및 식품과 사료 첨가물(15)로서의 레반의 다양한 용도가 개발되었다 황산화 인산화 또는 아세틸화된 레반 유도. -, -

체는 항 에이즈 제제로 특허권이 부여되었다(89) 우수한 표면활성과 생분해성을 가지고 있.

는 은 가정용 계면활성제로 사용하는 특허와 의 수산화기fructan N-alkylurethane fructose

를 으로 치환하여 산업적으로 이용하는 특허가 나와 있다alkylaminocarbonyloxyl group(90) 시스템을 대체할 수 있는 수상이상분계는 단백질의 분. Glycerol/dextran glycol/levan

획을 위해 개발되었으며(91) 레반과 의 활성을 이용한, levansucrase fructosyltransferase

생산기술도 개발되었다alkyl -D-fructosideβ (92).

레반의 생산과 응용에 대한 많은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고, Z. mobilis(93), R.

aquatilis(94), A. diazotrophicus(95)로부터 분리한 유전자만이 특허를 받아놓은levansucrase

상태이다.

- 77 -

Z. mobilis로부터 유래된 재조합 를 사용한 레반의 생산방법은 이미 특허등록levansuclase

이 되어 있으며(93) 유전자가 포함된 형질전환 식물에 대한 특허는 독일연구, levansucrase

자에 의해 특허가 출원되어 있는 상태이다(96) 의 경우 에 의해 레반. Levansuclase , sucrose

생산이 유도되지 않는 Bacillus로부터 유래된 내산성 의 생산에 대한 특허가levansuclase

등록되었다(97).

표 레반의 생산기술 및 용도와 관련된 주요 특허< 2-2 >

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- 79 -

제 장3

전 망

레반은 식품 화장품 의약품 및 다른 산업분야에서 기능성 생물소재로서 큰 잠재력을 가지, ,

고 있다 그러나 이 폴리머의 사용은 실용화 가능한 대량생산 공정의 미비와 산업적 이용에.

핵심이 되는 중합 특성에 대한 정보 부족 때문에 제한적일 수밖에 없었다.

큰 분자량과 낮은 가지정도를 갖는 프락탄의 개발이 기술적 이용측면에서 바람직할 것이다.

그러나 미생물 레반과 레반 올리고당의 구조적 특성은 탄수화물의 구조분석 기술의 부족으

로 아직 잘 밝혀지지 않았다 수용성 레반을 다방면으로 이용하기 위해서는 레반의 합성과.

분해반응에 폭넓은 이해가 있어야 한다 다당류의 특성은. mass spectrometry, nuclear

magnetic reconance, atomic force microscopy, scanning probe microscopy, small

angle X-ray scattering, small-angle neutron scattering, molecular-mechanic- based

과 같은 효과적인 분석방법의 도입으로 지난 년 동안 상당한 발carbohydrate modeling 20

전을 가져왔다(101) 따라서 레반의 완벽한 특성도 가까운 미래에 밝혀질 것이다 더욱이 레. .

반용액의 점성 요변성 팽창성 탄력성 의사탄성 가탄성 점탄성 등과 같, , , , ( ), (viscoelasticity)

은 기본적인 유동적 특성은 레반의 새로운 응용분야 개발에 중요한 요인으로 작용할 것이

다.

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미세조류로부터 고부가 유용물질 생산기술동향.Ⅲ

- 95 -

제 장1

서 론

기술의 개요1.

조류 는 분류학상 다양한 기원을 갖는 생물군을 포함하고 그 형태는 단세포형 군체(algae) , ,

형 사상형 엽상형 거대한 다세포형으로 다양하며 크기도 매우 작아 현미경으로 관찰되는, , , ,

미세조류 로부터 미역 다시마 등의 대형조류 로 구분된다 해수 중(microalgae) , (macroalgae) .

의 부유성 조류는 지구상에서 전체 광합성의 를 담당하는 것으로 추정되는 생태계의90% 1

차 생산자로서 중요한 위치를 점하고 있다.

조류는 약 종의 많은 종류가 알려져 있는 매우 다양한 특성을 지닌 생물군으로 자연40,000

상태에서 다양한 유용물질을 생산하는 것으로 알려져 있다(Radmer and Parker 1994:

미세조류 유래의 유용물질로는 가장 잘 알려진 건강보조식품 외에도Enoki et al. 2002).

천연색소 의약 원료물질 생화학물질 등으로 매우 다양하다 대표적 유용물질로는, , . vitamin,

등이 있으며 조류의 는 건강보조carotenoid, phycobiliproteins, polysaccharides , biomass

식품 또는 식품첨가물로서 사용된다.

본고에서는 미세조류의 대량배양을 통하여 생산되는 다양한 물질 중에서 고부가가치의 유용

물질을 대상으로 세계적으로 진행되고 있는 연구 및 생산현황을 개관하고 국내에서 수행되,

고 있는 관련기술 개발 현황을 요약하 다 또한 최근 급속히 발전하고 있는 생명공학기술.

을 바탕으로 한 미세조류의 분자생물학적 연구동향 및 전망을 소개하고자 한다.

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기술의 특성2.

미세조류는 수중에서 태양광 이산화탄소 등을 이용하여 비교적 적은 비용으로 대량으로 배,

양할 수 있다(Radmer and Parker 1994; Radmer 1996; Gorenbein et al 미세조. 2001).

류의 대량배양을 통하여 생산된 는 유용물질로 활용되며 주요 유용물질은 표biomass , <

에 정리된 바와 같다1-1 > (Vilchez et al. 1997).

표 미세조류로부터 생산되는 주요 유용물질< 1-1 > (VilCheZ et al. 1997)

유 형 화 합 물

Amino acidsProllne, asparatate, alanine, histidine, serine, threonine,phenylalanine, leucine, ornithine, glutamate

Lipids Lipids, fatty acids, sterols

PharmaceuticalsAlkylguanidine compounds, arachidonic acid, microcystin,anatoxins. gallotannin, aponin, malyngolide

Pigments Carotenoids, astaxanthin, chlorophyll, billiproteins

Polyols/Carbohydrates

Trehalose, glucose, sucrose, sorbitol, glycerol, glycolate,mannitol, mannose

PolysaccharidesContaining D-xylose, D-glucose. D- and L-galactose,methylxylose, D-glucuronic acid, etc.

Primary alcohols Phytol

VitaminsB1, B6, B12. C, E, Biotin, rivoflavin, nicotinic acid.pantothenate

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미세조류의 대량배양시 배지로서 축산폐수를 이용한다면 유용물질의 생산과 동시에 하 폐·

수의 고차처리 중금속이 함유된 폐수처리 대기 중 이산화탄소의 고정화 등 당면한 환경문, ,

제를 해결할 수 있는 환경친화적 기술로 평가되고 있다.

또한 미세조류 배양의 가장 큰 장점은 작물생산에 적합하지 않은 염도 농도가 높거나 강한

알칼리 등의 극한 환경에서도 성장 가능하다는 점이다 지금까지 주로 동물 식물 세균 등. , ,

을 대상으로 가 발전하 으며 근래에는 조류로부터 유용생물자원을 탐색 생biotechnology , ,

산 이용하고자 하는 분야의 발전이 크게 기대된다, algal biotechnology .

이와 같이 미세조류의 배양을 통하여 로부터 유용물질을 대량으로 생산하기 위해서biomass

는 미세조류 탐색 대량배양 분자생물학적 기술을 이용한 미생물 기능 강화 생산되는 물질, , ,

의 정성 정량 분석 미세조류의 경제적 수확기술 등의 핵심 기반기술이 필수적으로 개발되· , ,

어야 한다.

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제 장2

기술특허동향

해외1.

가 건강식품.

이용(1) Biomass

Chlorella와 Spirulina는 비교적 높은 부가가치를 지닌 미세조류로서 다이어트 식품 등의 건

강보조식품으로 현재 상품화되고 있다 (Matsui and Suminmo 1994: Liu et al. 2000;

년 일본과 대만에서는 건강보조식품으로서Kudo and Tsuchida 2002). 1965 Chlorella의

상업적 생산을 시작하 다 년 프랑스는 사상형 남조류인. 1965 Spirulina를 단백질원으로 개

발하기 위하여 대량배양을 시작하 는데 이 종은 단세포성 미세조류에 비하여 대량배양 후,

수확이 비교적 용이하 다.

Spirulina는 단백질함량이 건량의 로 매우 높고 표46 71% (< 2-1 >), GLA, phycocyanin,∼

등 약리작용을 나타내는 물질이 다량 함유되어 있어 사람뿐myxoxanthophyll, zeaxanthin

만 아니라 동물에게까지 단백질이나 을 제공하는 건강보조식품으로 선호되고 있다vitamin

(Ciferri 1983; Kay 1991). Spirulina platensis와 S. maxima의 경우 아프리카에서 예로부,

터 식품으로 사용되어져 왔으며 현재에는 아프리카 중북부 공화국인 와 등지, Chad Mexico

에서도 식품으로 이용되고 있다(Ciferri and Tiboni 1985).

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Nostoc flagelliforme은 중국에서 진미의 음식으로 통한다(Gao 1998: Takenaka et al.

그 외 남조류 중 일부가 인도와 필리핀 등지에서 식품으로 사용된다는 보고가 있다1998).

(Tiwari 1978; Martinez 1988). Spirulina는 축산폐수에서 성장이 가능한데(Wu and Pond

이들이 함유하고 있는 조성은 인간 뿐만 아니라 광합성 유기체에 유용1981), amino acid

한 물질로 작용한다 다른 미세조류와 마찬가지로. Spirulina는 식품의 자연 착색제의 원료가

되며 다이어트 물질로도 사용이 가능하다, (Kay 1991).

표 식품과 조류의 주요 구성 성분 건량의 백분율< 2-1 > ( , Becker 1994)

Spirulina의 경우 옥외배양이 가능하고 고온성 이며 호알 카리성 으로 비, (35-37 ) (pH 10)℃교적 배양이 용이하여 전 세계적으로 다수의 기업이 생산에 참여하고 있다.

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실제로 미국의 에서는 연못 배양을 통하여 톤 년 의Earthrise Farms (pond) 360 (1995 )Spirulina를 생산하 고 이 외에도 미국, Cyanotech Corporation( ), Ballarpur Industries인도 태국 중국 등Ltd( ), Siam Algae Co.( ), Wuhan Microalga Biotechnology Company( )

에서도 많은 양의 Spirulina로부터 건강 보조식품 식품 착색제 어류용 사료 등을 생산, , ,판매하고 있다.

양보충제(2)

양보충제로서 와 같은 긴사슬docosahexaenoic acid(DHA), eicosapentaenoic acid(EPA)

불포화지방산 이 대표적 예가 된다(long-chain polyunsaturated fatty acids) (Erbe et al.

고도 불포화지방산인 의 생산에도 많은 관심1993; Stanner 2000). arachidonic acid(AA)

이 집중되고 있으며 규조류인, Phaeodactylum tricornutum 총지방산의 이상이35% EPA

로 구성되어 있다 등을 다량 포(Veloso et al. 1991). DHA, EPA, -linolenic acid(GLA)γ

함한 해산 미세조류에 대한 연구가 활발히 수행되었다 그 예로 의 연. Iizuka et al. (1996)

구 자료에서 를 함유하는 해산 미세조류를 식품으로 직접 이용하는 것이 가능하다는DHA

보고 등이 있으나 최근에는 단세포 조류에 의한 기름이나 지방산의 생산에 관심이 모아지,

고 있다.

는 개의 탄소원자와 개의 이중결합 으로 이루어졌으며 인간 두뇌의 회백질을DHA 22 6 (22:6) ,

구성하는 지방산의 그리고 망막의 를 차지하는 등 신경조직에 많이 분20 25%, 50 60%∼ ∼

포하는 지방산이다 미세조류 중에서 규조류 황갈조류 갈색편모(Apt and Behrens 1999). , ,

조류 와편모조류 등이 고농도의 긴사슬불포화지방산을 생산하는 것으로 알려져 있다 와편, .

모조류인 Crypthecodinium cohnii의 경우 추출한 지방산의 다량이 성분인 것으로 알DHA

려져 있다(Kyle 1994).

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Crypthecodinium에서 추출한 를 함유한 식물성 오일은 미국에서 건강보조식품으로 널DHA

리 판매되고 있으며(Brower 1998). Botryococcus, Chlorella, Microcystis 등도 NaOH,

KOH, NaCO3, CaOH, MgOH, MgCO3 등의 가 존재하는 조건 하에서alkaline substance

의 고온에서 처리할 경우 이들 물질이 조류를 액상화하여 오일과 유사한 물질250 340∼ ℃

을 생산되게 되며 이 물질이 액상연료로 사용될 수 있다고 보고된 바 있다(Agency of

Industry Science & Technology 1994).

는 개의 탄소와 개의 중결합 을 갖는 이다 미세조류 중에서EPA 20 5 2 (20:5) LCPUFA .

Nitzschia, Nannochloropsis, Navicula, Porphyridium 등이 를 다량 함유한 것으로 알EPA

려져 있다 특히 규조류인. , Phaeodactylum tricornutum은 총 지방산의 이상이 로35% EPA

구성되었음이 보고되었다 의 부족은 혈관계의 이상을 초래할 수 있으(Sivonen 1996). EPA

며 를 포함한 미세조류의 건조체가 상품화되었다 그 외에도 미세조류에서, EPA . ascorbic

와 같은 수용성 항산화제 등을 추출한 사례 등이 보고되고 있다 표acid (< 2-2 >).

표 미세조류의 농도< 2-2 > L-ascorbic acid (Running et al. 1994)

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나 색소.

(1) Carotene

은 식품의 보조색소 산화방지제 및 화장품용 노화방지제로서 널리 사용되어 왔-carotene ,β

으며 미국 에 의한 의 항산화 효과가 인정된 후 항암제 피부병 치료제 등FDA -carotene ,β

의 의약용 수요가 국내 외적으로 급격히 증가하고 있다 은 식물이나 조류에· . -caroteneβ

서 분리할 경우 그 순수성이 낮은 문제점이 있어 치료학에서 이용될 경우 합성, β

을 사용한다-carotene (Anstey 2002).

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Dunaliella salina로부터 추출된 은 이미 상품화된 고부가 달러-carotene (60 ·β ㎏-1 의 조류)

산물로서 호주 미국, (Western Biotechnology Ltd, Betatene Ltd), (Microbio Resources

이스라엘 등에서 생산하고 있으며 이와 관련된 많은 연구가 보고되고 있Inc), (Naturebeta) ,

다(Guanghua et al. 1994; Richheimer et al. 2002).

(2) Astaxanthin

담수조류인 를 이용한 인 의 생산이Haematococcus pluvialis ketocarotenoid astaxanthin

기대를 모으고 있으나 함량이 비교적 낮다는 단점이 해결해야 할 과, astaxanthin (1% dw)

제로 남아 있다 일부 연구에서 배양 온도를 조절하여 이. astaxanthin 200 pg · cell-1 농도

로 생산될 수 있다는 보고도 있다(Higashimaru Shoyu KK 1995).

은 특히Zeaxanthin Spongiococcum 에서 생산이 많이 되는 것으로 알려져 있고 이 속sp. ,

내에서도 S. encentriccum에서 그 생산량이 큰 것으로 보고되고 있다(0.35-2.8 · g㎎ -1,

또Zeagen Inc. 1993). , Nannochloris의 경우에도 과 등의 식품착violaxanthin zeaxanthin

색제로 사용되는 색소를 생산하는 것으로 알려져 있다(Kaiyo Biotechnology Kekyusho

KK 1995).

(3) Phycobilins

과 등의 계 색소는 홍조나Phycocyanin phycoerythrin phycobilin Chlorogleopsis sp.,

Dermocarpa sp., Anabaena sp., Spirulina sp. 등의 남조류로부터 쉽게 분리할 수 있다

(Matsunaga and Mitsubishi Heavy Industry Co Ltd 1994; Mihama 1994: Matsunaga

and Pentel KK 1995).

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과 은 으로서 미생물학적으C-Phycocyanin allophycocyanin phycobiliprotein(Glazer 1988) ,

로 시에 형광표지물질로 이용되거나 고순도의 를 하는데 있어cell sorting , array screening

서 사용되고 있다. Spirulina로부터 이러한 과 을 생산하는allophycocyanin C-phycocyanin

경우 편리하고 비용이 적게 드는 장점을 가진다 배양시 질소화합, (Jung and Dailey 1989).

물을 첨가하여 생산을 증가시킬 수 있으며phycocyanin (Kanebuchi Kagaku Kogyo KK

이들 물질은 식품 화장품의 착색제로 사용되어 시장 확대가 기대된다 다른 연구1994), , .

자료에서는Anabaena의 경우에도 안정한 을 생산하여 유전공학적으로 이용phycobiliprotein

가능하다고 보고한 바 있다(Cai et al. 2001).

다 의약용 물질.

생리활성물질(1)

미세조류는 식물체와 마찬가지로 다양한 종류의 유용물질을 생산하며 총체적으로 차 대사2

산물로 분류할 수 있으며 생리활성물질로 불리기도 한다 이들 대사산물은 일반적으로 차, . 1

생장기 의 마지막으로부터 정지기 로 들어가는 단(primary growth phase) (stationary phase)

계에 합성된다 조류독소 또는 관련 생산물은 유용한 의약원료물질로 사용될. (phycotoxins)

수 있다(Skulberg 2000).

조류독소는 효능 과 작용의 특이성 막의 이온 투과성 등 으로 구분( toxin/ body mass) ( )㎍ ㎏

될 수 있다 주요 조류독소는 등이 있. cyclic peptides, alkaloids, polyethers, glycolipids

다.

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남조류인 Anabaena flos-aquae, Aphanizomenon flos-aque가 생산하는 신경독(anatoxin)

과 Microcystis aeruginosa가 생산하는 간장독 은 가축에 독으로 작용하고 있(microcystin)

다고 알려져 있다 따라서 이들의 생성 조건 등에 대한 연구가 많이 이(Carmichael 1992).

루어지고 있다(Oh et al. 2000)

수많은 화합물이 원핵 또는 진핵 미세조류로부터 분리되었으며 여러 가지 유형의 생리활성,

이 시험되었다 그러나 현재까지는 극히 일부만이 약효가 알려져 있을 뿐이다 따라서 미세. .

조류로부터 유용물질 생산의 장래는 바이러스성 감염 암 항균 등의 활성을 갖는 새로운, ,

약물 개발에 최우선 순위가 있다고 할 수 있다 생리활성물질의 효과 및 그 대표적 예는. <

표 와 같다 미세조류의 차 대사산물은 과학적 연구는 물론이고 인간에 미치는 향2-3 > . 2

등으로 연구전망이 매우 밝다고 할 수 있다.

표 미세조류로부터 분리한 생리활성물질의 분류 및 대표적 예< 2-3 > (Skulberg, 2000)

구 분 생물학적 효과( ) 생리활성물질

Inhibitorpapain-, trypsin-, plasmin-, aminopeptidase-,chymotrypsin-, elastase-, protease inhibitor

Antiviral-carbolines, sulfolipids, cyanovirin, indolcarbozole,βcalcium spirulan

Cytotoxic lyunbyastatin, fischerellin

Fungicide fischerellin A, phenolic, phytoalexin

Algicide glycerolipids

Bactericide kawaguchipeptin B

Cytostatic symploststin

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항종양 항세균 항진균 항바이러스 신경활성과 같은 다양한 생리활성물질들이 미세조류에, , , ,

의하여 생산 가능한 것으로 보고되었다 남조류(Codd 1995: Moore 1996; Sivonen 1996).

인 Tolypothrix byssoidea로부터 추출한 질소화합물인 은 림프성 백혈병tubercidin P-388

에 활성이 있는 것으로 보고되었다 녹조인in vitro . Chlamydomonas로부터 추출한

는 취의 림프육종의 성장을 억제하 다 미국 국립암연구소L-aspinarigenase . (National

는 조류로부터 생리활성물질의 탐색에 중요한 역할을 수행하고 있Cancer Institute, NCI)

으며 가 에 대하여 활성이 있음을 보고한 바 있다 또한 최근, sulfolipids HIV virus in vitro .

에는 남조류 Nostoc ellipsosporum에서 추출한 저분자의 단백질인 이 숙주세포cyanovirin

에 향을 주지 않고 를 불활성화할 수 있음이 보고되었다HIV .

의약용 물질(2)

Spirulina는 피부 대사를 촉진하며 각질화를 막아주고 상처치유에 효과가 있는 것으로 알려

져 있다 이들 효과는 조류가 포함하고 있는 엽록소 카로티노이드 색소(Becker 1994). , ,

등에 의한 것으로 추정되고 있다 또한vitamin B . Spirulina는 사람이나 동물에 의하여 합

성되지 못하는 를 함유하고 있으며 이 는 의 합linolenic acid , linolenic acid prostaglandin

성을 촉진하는 것으로 알려져 있다.

남조류인 Synechococcus의 추출물이 세포 생장을 촉진하는 것으로 보고되었으며 이는,

과 같은 에 의한 것으로 알려져 있다phycocyanin, allophycocyanin phycobiliproteins

(Becker 1994). Cystoseira barbata, Fucus gardnerii, Phyllophora nervosa 등의 해조류

는 혈장의 농도를 낮추어 고혈압이나 심장병을 예방할 수 있으며 이는 이들cholesterol ,

조류에 포함된 에 의한 것으로 알려져 있다betaine .

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또한 담수조류 Scenedesmus obliquus, Spirulina에서도 조류의 섬유질이 농도cholesterol

를 낮추는데 효과가 있음이 보고되었다(Becker 1994).

형광색소(3)

는 남조류와 홍조류 등에 포함된 광합성 보조색소로서 스펙트럼의 특성에Phycobiliproteins

따라 그리고 의 세 가지로 구phycoerythrin(PE), phycocyanin(PC), allophycocyanin(AP)

분된다 이들 색소는 광에너지에 의하여 여기되면서 흡수된 에너지의 이상을 형광으로. 90%

방출할 수 있다 또한 항체 등과 안정된 접합체를 형성하는 특징이 있. , strepavidin, biotin

다 따라서 는 세포의 유형과 단백질을 구분하기 위한 고도의 특이성이 있. phycobiliproteins

는 탐침자로서 형광표지의 기능이 있다 실제로 는 나. phycobiliproteins flow cytometry

에 응용되고 있다fluorescence-activated cell sorting .

방사능 표지물질(4)

미세조류는 상대적으로 저렴한 13CO2,15NO3,

2H2 등과 같은 무기물로부터O 13C, 15N, 2 를H

함유한 고부가의 유기물을 광합성작용으로 합성한다 미세조류는 대사적으로 매우 유연하므.

로 배양조건을 변화시킴으로써 다양한 종류의 화합물을 대량으로 생산할 수 있다 흔히 이.

용되고 있는 조류가 생산하는 방사능으로 표지된 화합물은 와 이다 즉 조glucose glycerol . ,

류가 13CO2의 존재 하에서 성장하면서 표지된 전분을 생산하고 이들은 가수분해되어 결정

형의 13 를 생산하는 것이다C-glucose .

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이와 같이 조류가 유도한 안정된 방사능으로 표지된 화합물은 대사경로를 밝히기 위한 대사

추적물질로 사용된다.

국내2.

국가가 주도적으로 추진하고 있는 선도기술개발사업 등에서 세균 곰팡이와 같은 미생물로,

부터 유용생물자원을 개발하고자 하는 연구가 활발하게 수행되고 있다 또 생물다양성 협. ,

약에 따라 유용자원의 개발에 대한 관심과 연구가 고조되고 있으며 더욱이 생물종의 감소,

로 인하여 생태계 안정성과 자정능력이 감소되고 생물자원의 잠재적 혜택이 감소하고 있다.

뿐만 아니라 항산화 기능성 천연식품 소재 개발기술에 있어 천연 항산화 소재들이 미생물,

버섯류뿐만 아니라 해조류 등에서도 확보할 수 있으며 이는 안전성 면에서 유용한 재료로,

사용되고 있어 그 연구가 진행 중에 있다.

이러한 추세에 의하여 국내에서도 미생물로서 미세조류의 자원화에 대한 관심이 증대되고

있다 한국생명공학연구원 부설 유전자원센터에서는 유용 생물자원확보 및 환경연구를 목적.

으로 부경대학교 한국해양 미세조류은행에서는 해산미세조류를 중심으로 국립환경연구원, ,

은 환경연구의 목적으로 미세조류의 을 근래에 시작하 다 이와 같은 미culture collection .

세조류 자원의 확보는 국내에서 미세조류 생명공학의 발전에 크게 기여하리라고 본다.

건강보조식품으로 이용되는 미세조류로서 수입에 의존하고 있던 Chlorella를 자체 생산하고

국내시장을 확대하기 위하여 대상 주 은 년 연간 톤 규모의 발효조 배양법에 의한( ) 1997 360

Chlorella 생산설비를 갖추었으며 년 제 회 국제, 1999 1 Chlorella 심포지움을 주관하면서

Chlorella를 건강보조식품 색소 양 강화 양식용 플랑크톤의 사료 등으로 본격 개발하여, , ,

시판하기 시작하 다.

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수산양식의 식물먹이로서 Chlorella 등의 배양에 관한 연구 허와 김 조 등 양( 1988; 1997),

식어의 사료용 미세조류의 개발 허 등 배와 허( 1989; 1995), Isochrysis galbana로부터 고

도 불포화지방산인 와 의 생산 오 등 등이 수행된 바 있다 고도 불포화지EPA DHA ( 1997) .

방산으로서 와 의 생산에 관한 연구로서EPA DHA Isochrysis galbana와 Phaeodactylum

tricornutum이 많이 연구되고 있다 오 등 해양 녹조류로부터 생산의 최적 광( 1997). EPA

도에 판한 연구로서 Chlorella phyrenoidosa는 25 , 10 W m℃ ㆍ -2에서 건조중량의 3.52%

를 로 축적하는 것으로 보고되었다 이와 강 또한EPA ( 1989). Dunaliella로부터 -caroteneβ

의 생산에 관해 연구하여 단시간 안에 생산성을 증진시키는 보고 등이 있고 박carotene (

등 정 등 이는 빛에너지로부터 을 생산하는 생물에너지 효율1993; 1996, 1999), carotene

이 의 변환수율을 보여 비교적 효과적인 것으로 증명되었다 과학기술부0.5-1% ( 1989).

천연 은 합성 제품보다 배 이상의 탁월한 항산화 효과 소비자의 천연 제품에-carotene 10 ,β

대한 선호도 및 의약품 규제 강화 등의 원인으로 인하여 배의 고가격을 형성하고 있으3-4

나 국내에서는 전혀 생산 기반이 없고 전량 외국에서 수입하고 있는 실정이다 국내에서는.

미세조류에 대한 연구가 최근 진행되고 있지만 대부분의 경우 사료용 단백질 공급원으로써

또는 환경 정화용으로 연구가 진행되었을 뿐이다 하지만 외국에서는 년대까지 곰팡이. , 80

균을 이용한 연구가 활발히 진행되었으며 그 이후 세포 당 함량이 높은 우수, -caroteneβ

한 미세조류에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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그러나 대부분의 연구가 촉진을 위한 유도기작에 관한 연구에 중점을 두고 있-caroteneβ

다 정 등( 1996).

전반적으로 국내에서 년대에 수산양식용 식물먹이로서 연microalgal biotechnology 1980

구되기 시작하 다 최근 들어 유용물질의 생산 및 환경처리 분야로 그 연구 역을 확대해.

가고 있으나 아직 미세조류주 확보 및 기본기술 개발에 중점을 두고 연구되고 있다고 평가,

된다 항암활성 및 중금속 흡착능과 유류분해능이 뛰어난 해양미생물을 분리하 고 과학기. (

술부 해양생물로부터 신물질과 유용물질의 개발에 대한 연구를 시행 환경부1992), ( 1996)

하여 해양생물에 대한 화학적 연구와 개발의 높은 성공 가능성을 입증하 다.

현재까지 해양 신물질 개발에 관하여 수행완료 또는 수행 중인 중요 연구과제는 한국근해

저서 군체 생물의 천연물 연구 해양미생물로부터 생산 해양생물로부터 신물질 및 유, EPA ,

용물질 개발 해양천연물로부터 효소저해제 탐색 적조독성물질 연구 등이 있다 해양신물질, , .

의전문 연구기관인 한국해양연구소는 고지혈증 억제 심장질환 예방 항암 등 다양한 생리, ,

활성 효과를 가진 등의 대량생산연구에서 이미 를 대량 생산하는 균주 수EPA, DHA EPA

종을 분리한 바 있으나 적조 미세조류에 대해서는 해양연구소 부산 부경대 수산진흥원 등, , ,

에서 비교적 많은 연구노력을 기울여 온 것에 비하여 미세조류의 순수 대량 배양 등의 어려

움으로 인해 우수한 결과를 낳지 못하고 있다 과학기술정책연구원( 1997).

미세조류의 생명공학적 이용은 고부가가치의 의약품 색소 탄수화물 그리고 정밀 화학약품, , ,

등 고부가가치 유용물질의 잠재력 있는 생산원으로서 그 관심이 증가하고 있으며 폐수 처,

리와 농업으로까지 그이용 범위가 확장되고 있다 그러나 적합한 광생물반응기 등 미세조류.

대량배양기술의 부족은 미세조류 유래 물질도 미세조류에 의한 생산보다는 화학적 합성에,

의한 생산이 더 경제적인 경우가 많아 미세조류의 산업적 이용을 저해하는 요인으로 작용,

하 다 이( 2000).

- 111 -

국내외 기술수준 비교분석3.

가 국내 외 기술수준 비교. ·

우리나라가 보유하고 있는 미세조류의 순수분리 및 보존 대량배양 기술은 최근 급격히 발,

전하고 있으며 일부는 선진국 수준에 근접한 것으로 평가된다 또한 세균 및 곰팡이 등의.

미생물로부터 유용물질의 탐색 분리 및 정제 기술은 우리나라에서 선도기술개발사업 등을,

통하여 꾸준히 연구개발 되어 상당한 수준에 있다고 평가된다 따라서 지금까지 개발된 기.

술을 미세조류에 적용하는 응용연구가 필요하다.

한편 미생물의 유전자 분석과 유전체 기능연구를 통한 균주개량 옥외배양 유용물질의 생, ,

산 상품화 기술 등의 실용화 관련 기술수준은 선진국에 비하여 크게 뒤지고 있는 것으로,

평가된다 따라서 이에 대한 집중적 연구가 병행되어야 한다. .

광합성 미생물의 대량배양에 의한 유용물질생산에 수반되는 주요 핵심기술의 최고 선진국

대비 우리나라의 기술수준은 다음과 같이 평가된다 표(< 2-4 >).

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표 미세조류 생명공학분야 핵심기술의 국내 외 기술수준 비교< 2-4 > ·

핵심기술명 선진국 수준 우리나라 수준 기술격차

미세조류의 순수 분리 100 80선진국 수준에 근접, axenic

기술strain

미세조류의 유전체 연구 100 30 유전자 서열 분석

미세조류의 기능강화 100 30 유전체 기능연구

광생물반응기 개발 100 60 광집진장치 설계제작 기술

개방형 배양 기술 100 20오염 방지(contamination)

기술이 핵심

미세조류 대량 배양 100 50 기술 미흡Scale-up

배양공정의 최적화 100 60 미세조류 분야 선행연구 미흡

유용물질 탐색 100 70 ¨

유용물질의 분리 정제, 100 60 ¨

상품화 100 40 ¨

나 주요 핵심기술의 검토.

미세조류의 순수분리 및 개량(1)

세균과 달리 미세조류에 속하는 종은 범위가 매우 다양하므로 아직까지 미세조류의 분리에

대해서는 표준화된 방법이 없으며 단지 종간의 생장특성과 양 요구성의 차이 등에 기반,

을 둔 분리방법이 개발되었다 자주 이용되는 분리 방법으로는. capillary pipette, streak

등이 있다 이와plating, spray plating, isolation on agar (Hoshaw and Rosowski 1973).

같은 방법 중에서 큰 실험기구의 사용이 없이 비교적 손쉽게 많은 양의 시료로부터 동시에

탐색을 실시할 수 있는 선택배지를 이용한 이 주로 사용되고 있다streak plating .

- 113 -

분리된 조류를 무균 상태로 만들기 위해서는 꾸준하면서도 인내성 있는 작업이 계속되어야

한다 실제방법으로는 세척 초음파 항생제 처리 등의 방법이 있으며. , , , potassium tellurite ,

실제로 이와 같은 방법의 복합적 적용에 의하여 무균 조류주 를 유도하고 있(axenic strain)

다(Oh and Rhee 1990; Kim et al. 1999).

분자생물학의 발달은 특정물질의 생산이 우수하여 다른 미생물과 경쟁하여 생존할 수 있는

유전적으로 조작된 미생물 의 개발을 가능(Genetically Engineered Microorganism, GEM)

케 하 다 따라서 자연계로부터 분리한 조류주에 대하여 돌연변이 유발과 같은 재래식 방. ,

법을 사용하거나 외부 유전자의 도입 및 유전자 조작 등을 통하여 세균에 대한 내성이 강하

며 최종적으로 생산수율이 높고 생장이 왕성한 우량 조류주를 만들어 낼 수 있다, .

배양공정의 최적화(2)

미세조류의 산업적 이용이 지연되는 주요 이유는 생산가가 높고 조류 생물량의 보편화에,

어려움이 있기 때문이다 유용물질에 대한 생산연구의 경우 생산기작을 연구하는 경우 외. ,

에는 기존의 생산체계보다 생산가를 낮출 수 있는 대량배양시스뎀을 확립하지 않으면 안된

다 곽 조류생산 시스템은 배양재료 및 조류 생물량의 용도에 따라 크게 세 가지로( 1995).

구분할 수 있다 첫째 특정 조류를 담수 무기 양염류 탄소원을 이용하는 소위 청정공정. , , ,

에서 배양하는 것으로 생산된 생물량은 수로 식품 첨가물로 이용된다 둘째는 무기염류나.

탄소의 첨가없이 하수나 산업폐수를 배지로 이용하는 시스템이다 이러한 시스템에서 조류.

개체군은 다양한 종으로 구성되며 세균과 공존하게 된다.

- 114 -

이때 조류와 세균 사이의 공생적 양계가 성립하게 된다 즉 조류는 산소와 광합성 산물. ,

을 생산하여 방출하게 되고 세균에 의하여 유기화합물의 호기적 분해에 이용된다 이러한.

과정에서 유기탄소화합물은 부분적으로 이산화탄소로 산화되고 조류에 의하여 고정된다 추.

가적으로 조류는 배지로부터 용존 질소와 인을 이용하여 생물량으로 전환하게 되므로 세포

대사에 필요로 하는 것보다 많은 양의 질소와 인이 소모 되어 폐수처리(luxury metabolism)

기능을 갖게 된다 이러한 시스템에서 생산된 생물량은 조류 세균 동물플랑크톤으로 구성. , ,

된다 셋째는 태양광이나 인공광을 이용하여 폐쇄계에서 조류를 배양하는 것으로 독립 양.

배지에서 배양된다.

년대 이전의 미세조류 배양은 실험실 수준의 규모에 머물렀으나 독일과 미국의 실험1940 ,

적 배양 설비의 공동 개발과 더불어 년대 후반에 미세조류의 옥외 배양에 대한 실험이1940

진행되었다 그 후 년 동안 미세조류의 옥외 대량배양은 미세조류 생물공학 분야에서 가. , 20

장 활발히 연구되었다 그러나 옥외 대량배양은 적도에 가까운 나라에서만 가능하며 고농. ,

도 배양이 어려워 최근에는 여러가지 밀폐형 광생물 반응기가 개발 보고 되고 있다 조류· .

의 대량배양에 흔히 사용되는 옥외배양의 경우는 일부 타 생물에 의한 오염을 피할 수 없

다 오염의 주요 형태는 세균 이외에도 다른 조류 동물플랑크톤 바이러스 곰팡이 곤충 등. , , , ,

이 있으며 이들 오염의 방지 및 제거에 대한 기술개발이 필요하다 이 의 연구에 따, . (2000)

르면 미세조류의 대량배양방법은 크게 두 가지로 분류할 수 있는데 화학적 합성법 등의, ,

다른 생산 방법들에 경쟁력을 갖기 위하여 운전비나 유지비가 저렴한 단순한 개방형 장치와

고가의 생리활성물질을 생산하는 특정 미세조류의 배양을 위한 복잡한 밀폐형 광생물반응기

로 구분 지을 수 있다.

- 115 -

미세조류의 대량 고농도 배양을 위해서는 많은 연구가 수행되어야 하며 적당한 광생물반응,

기를 선택하거나 설계할 경우 광원의 종류 광생물반응기의 기하학적 모양 배양액의 깊이, , ,

그 외의 향인자 들을 충분히 고려하여야 한다 더불어 미세조류의 배양시에는 조류의 성. ,

장 및 생산가능 물질의 특성을 잘 고려하여 수행되어야 하는데 그 예로, Spirulina

의 경우plantensis 5-60cm · sec-1의 로 시키면서 배양하는 것이 좋고flow rate rotation

에(Hitachi Ltd and Zh Chikyu Kankyo Sangyo Gijitsu Kekyu 1995a), 4000-6000 Lux

서 배양할 경우 조류 수확물이 많아진다고 보고되어 있다 특(Sechadri and Umesh 1994).

히 이 종의 경우 고순도 물질을 생산하기 위해서는 배양조건을 조절하여, polysaccharide

성장속도를 충분히 낮추어야 한다(Daito and Norinsho 1992).

미세조류의 수확(3)

조류의 대량배양을 통한 유용물질의 생산과정에서 해결되어야 할 중요한 과제 중의 하나가

경제적인 수확법의 개발이다 배양된 조류의 수확은 원심분리 여과 침전 부유 등과 같은. , , ,

복잡한 과정을 통해 이루어진다 원심분리나 여과방법은 미세조류의 질적 상태를 잘 유지할.

수 있으나 비용이 높은 반면 화학응집에 의한 방법은 미세조류의 질을 변형시키는 단점은,

있으나 경제적이다 표 따라서 미세조류의 수확 방법은 사용 목적과 세포의 특성에( 2-5 ).

따라서 조절되어야 한다. Spirulina와 같이 사슬 형태를 형성하는 남조류는 배양 후 공기를

중단하면 세포가 무거워 자연히 밑으로 가라앉는다 따라서 위의 상등액은 새로 접종하는데.

사용하고 바닥의 세포는 여과 또는 원심분리하는 방법으로 쉽게 수확할 수 있다.

- 116 -

반면, Chlorella와 같이 각 세포가 분리된 미세한 부유성 조류는 수확하는 데 있어 원심분

리방법을 이용해야 하므로 비용이 많이 든다 허( 2001). Synechococcus 와sp. Spirulina

의 분리법도 특허화 되어 있다sp. (Hitachi Ltd and Zh Chikyu Kankyo Sangyo Gijitsu

Kekyu 1995).

표 미세조류 수확법의 장단점 비교< 2-5 > (Noue and Pauw 1988).

수확법 확실성 에너지 요구성 전환성

원심분리 좋음 아주 좋음 좋음

화학응집 좋음 아주 좋음 나쁨

모래여과 보통 낮음 나쁨

한외여과 좋음 아주 좋음 좋음

미세체 나쁨 낮음 나쁨

생물응집 나쁨 낮음 좋음

결국 미세조류 생산의 경제성은 조류 배양액의 수확과 농축기술에 의존한다고 할 수 있다.

대부분의 미세조류는 배양액에서의 농도가 낮으며 크기가 이하이고 물의 밀도보다, 30 ,㎛

약간 크다는 이유로부터 분리하기가 용이하지 않다 적합한 수확방법은 조류의 종 및 조류.

로부터 얻어질 유용물질의 용도에 따라 달라지게 된다 그 예로(Lee et al. 1998), ,

Dunaliella salina로부터 를 얻고자 하는 경우 을 설치하여 수중carotenoids , bubble column

부유물질과 조류를 분리하고 유용물질을 효과적으로 수확할 수 있는 방법 등이 특허화 되었

다(Guelcher and Kanel 1999; Kanel and Guelcher 1999).

- 117 -

분자생물학적 연구(4)

광합성 효소인 내로 무기탄소의 운송은 광합성능을 결정하는 중요한 요인이다Rubisco .

인 의 탄소농축기작Cyanobacteria Synechococcus sp. (Carbon Concentrating

은 에너지 의존적 수송체에 의한 무기탄소의 세포내 축적과 대부분의Mechanisms, CCMs)

가 위치한 내에서 에 의한Rubisco carboxysome carbonic anhydrase CO2 고정의 두 단계

로 구분될 수 있으며 이에 관여하는 유전자의 분석이 이루어진 바 있다 분자생물학의 발, .

달은 특정물질의 생산이 우수하며 다른 미생물과 경쟁하여 생존할 수 있는 유전적으로 조작

된 미생물 의 개발을 가능하게 하 다(Genetically Engineered Microorganisms, GEMs) .

따라서 자연계로부터 분리한 에 대하여 돌연변이 유발과 같은 재래식 방법을cyanobacteria

사용하거나 외부 유전자의 도입 및 유전자 조작 등을 통하여 세균에 대한 내성이 강하며,

최종적으로 생산수율이 높고 생장이 왕성한 우량 의 개발에 대한 연구가 수cyanobacteria

행되고 있다.

단세포와 사상형 용으로 여러 가지 와 유전적 기법이 개발되었다cyanobacteria vectors .

형질전환 전기천공법 그리고 접합 이 유전자(transformation), (electroporation) (conjugation)

전이에 사용되고 있다 지금까지 유전체 염기서열이 완전 분석된 는 단세포성. cyanobacteria

의 Synechocystsis 과 사상형으로 이형세포를 형성하는sp. strain PCC 6803 Anabaena

이다sp. strain PCC 7120 . Nostoc punctiforme strain PCC 73102(ATCC 29133),

Synechococcus, Prochlorococcus, Gloeobacter 등에 대한 유전체 염기서열 분석작업이

진행 중에 있다.

부 양수계에서 대량으로 증식하여 수화 를 형성하는 는 독소를(algal bloom) cyanobacteria

생산하기도 한다 이들 독소의 일부는 의약용으로 사용되기도 한다. .

- 118 -

불포화지방산의 일종인 는 치어의 생육에 필수적eicosapentaenoic acid(20:5n-3, EPA)

양분이며 사람의 건강 유지에도 중요한 물질로 알려져 있다, . Yu et al 은 를. (2000) EPA

생산하는 세균인 Shewanella 의 생합성 유전자군을 해산sp. SCRC-2738 EPA

인cyanobacteria Synechococcus 에 접합에 의하여 전이하 다sp. strain NKBG15041c .

형질전환된 는 다량의 와 전구물질인 을 생산하 다cyanobacteria EPA 20:4n-3 .

Spirulina는 사람과 가축의 단백질 및 공급원으로 사용되고 있다vitamins . S. platensis와

S. maxima는 아프리카의 와 에서 음식으로 이용되고 있다 이들 종은 건량의Chad Mexico .

약 에 이르는 정도의 높은 단백질 함량을 보인다 중국에서70% . Nostoc flagelliforme는 맛

있는 것으로 알려져 있다. Spirulina는 식품용 천연 색소로 사용되고 있다 유전공학적으로.

조작된 Anabaena 은 별도의 화학적 처리 없이 그대로 형광 표지로 사용될 수 있는7120

순도가 높은 을 세포내에서 생산할 수 있다phycobiliprotein (Cai et al., 2001).

특허동향4.

가 분야별 특허동향.

항생물질 탐색(1)

Helicobacter 감염의 예방 및 치료제 개발(WO 98/37874, Wadstrom and Aletung,

이 특허는1998): Helicobacter 에 기인하는 포유동물 위점막의 염증 예방 및 치료제에sp.

관한 것이다.

- 119 -

이 조제는 Haematococcus 가 생산하는 지방산 에스테르화sp. xanthophyll( astaxanthin),

조류의 세포벽으로부터 추출한 와 같은 수용성 항산화제와 같은 탄수화물 등ascorbic acid

을 포함하고 있다.

조류추출물로부터 항생물질 개발 녹조인(World Patent 98/10656, Moigne, 1998):

Asparagopsis armata의 추출물로부터 항균 활성이 있는 물질의 제조에 관한 것이다 이 추.

출물은 여과 과정을 통하여 분자량 이상의 할로겐화 유기분자를 포함하(filtration) 10,000

도록 하 다.

Spirulina와 지방산의 염증과 통증 치료효과omega (USA Patent 5,709,855 Bockow,

본 특허는 지방산과1998): omega Spirulina의 혼합물로 구성되었다 이러한 조제는 염증.

과 통증의 국소적 예방 및 치료에 사용될 수 있다.

분자생물학적 방법(2)

생합성 조류의 생명공학적 개량 이 특허Astaxanthin (WO 98/18910, Mann et al, 1998):

는 Haematococcus pluvialis를 대상으로 활성을 갖는 와beta-C-4-oxygenas peptide

절편 절편 재조합 분자 이를 포함하는 생물 그리고 이들 생물을 이용하DNA , RNA , DNA ,

여 을 생합성하는 방법에 대하여 기술하 다astaxanthin .

해산 규조류의 형질전환 방법 해산 진핵 미(World Patent 97/39106, Allnutt et al, 1997):

세조류인 Phaeodactylum tricornutum과 같은 규조류를 대상으로 항생제 내성유전Zeocin

자를 포함한 DNA(shble)의 형질전환에 대한 방법을 개발하 다 항생제 내성 유전자는 광.

수확 에 의해 조절된다promoter .

- 120 -

Chlorella 추출액으로부터 섬유세포증식 개발promoter (Japan Patent 9,040,523,

Chikamatsu et al., 본 특허는 섬유세포증식 를 포함하는 녹조류1997): promoter

Chlorella의 수용성 추출액에 관한 것이다 이와 같은 추출액은 습진 가려움증 피부 갈라. , ,

짐 등에 의한 염증예방과 치료에 사용될 수 있다.

나 특허분석.

조류로부터 유용물질 생산 조류의 배양 조류를 이용한 환경개선 등의 응용분야에 대한 특, ,

허동향을 파악하기 위하여 최근 년부터 년에 걸쳐 년간1991 2000 10 Journal of Applied

Phycology에 보고된 특허자료를 종합적으로 분석하 다.

지난 년간 보고된 특허는 건으로 조사되었으며 년대 중반에 많이 분포하 다10 587 1990 .

년대에 제출된 미세조류의 특허분야별 분포는 그림 과 같다 특허분야별로는1990 < 2-1 > .

유용물질 및 생리활성물질 분야가 전체의 에 해당하는 건으로 가장 많았다 그 다28.1% 165 .

음으로 항생물질 분야가 로 건 미세조류의 배양기술 분야가 로 건에 달19.4% 114 , 11.1% 65

하 다 이외에도 광생물반응기 개발 폐수처리 등 환경개선에 활용하는 분야. (9.0%), (8.5%),

건강보조식품 생산분야 등으로 조사되었다(6.0%) .

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그림 미세조류의 분야별 특허 현황 년< 2-1 > (1991-2000 )

유용 활성물질 등 항생제 등 건강식품 등 의약원료 등 사료1. , : 2. : 3. : 4. : 5.등 펄프원료 등 반응기 제작 등 배양기술 등 수확기술 등: 6. : 7. : 8. : 9. :

환경연구 이산화탄소 저감 등 토양개량 등 분자생물학적10. : 11. : 12. : 13.연구 등

년대 년간 제출된 미세조류의 특허 국가별 분포는 그림 와 같다 일본이1990 10 < 2-2 > .

건으로 전체의 로 가장 많았으며 미국이 위로 건 전 세계 특허가216 37.3% , 2 119 (20.6%),

건 으로 조사되었다 개별 국가별로는 유럽에서 독일 러시아 국 등에서 비교적96 (16.6%) . , ,

많은 특허를 보유하고 있었다.

특기할 내용으로는 미세조류의 특허는 년까지 일본의 특허가 주를 이루었으나 년1995 1996

부터 미국 특허가 크게 증가하 으며 아울러 세계 특허가 증가하는 경향을 보 다.

- 122 -

그림 미세조류의 국가별 특허 현황 년< 2-2 > (1991-2000 )

- 123 -

제 장3

전 망

전 세계적으로 지구환경문제가 중요 쟁점으로 등장하 으며 동시에 생물다양성협약 등 생,

물자원의 보존 및 확보가 무엇보다도 중요한 시점이라 할 수 있다 이러한 때에 미세조류에.

의한 녹조 적조와 같은 환경문제의 발생기작을 이해하고 미세조류를 이용하여 수질오염과, ,

지구온난화 등의 환경문제를 근원적으로 해결함과 동시에 생산된 미세조류의 를, biomass

유용 생물자원으로 이용하는 것은 당면한 지구환경문제의 해결뿐만이 아니라 앞으로 우리

인류의 지속적인 번 을 위해 반드시 필요하다고 판단된다.

지금까지 알려진 여종의 조류종 중에서 오직 일부를 대상으로 경제적 가치 여부가40,000

조사되었을 따름이다 현재 조류로부터 물질 생산은 작물로부터의 생산에 비하여 경제성을.

비교하기는 어렵지만 물질의 생산비용을 비교해 볼 때 를 응용한 것이, algal biotechnology

경제적으로 매우 유리하고 조류배양의 비용이 점차 저렴해지고 있을 뿐만 아니라 이것을,

수요로 하는 시장이 점차 확대되고 있는 추세이다.

실제로 최근에 미세조류에 대한 탐색기술의 발달로 생산성이 우수한 조류주의 분리 및 확보

가 가능하게 되었고 분자생물학의 발달에 따라 조류주의 유전공학적 기법에 의한 개량이,

가능해졌다 조류의 배양액으로 축산폐수나 위생처리장의 폐수 등 폐기물 자원을 활용하고. ,

효율적 반응기의 개발 등 배양공정의 개선을 이룩한다면 미세조류의 생산원가는 충분히 낮

출 수 있다고 판단된다.

- 124 -

미세조류 배양의 가장 큰 장점은 대부분의 작물생산에 적합하지 않는 높은 염도 강한 알칼,

리 등의 극한 환경에서도 성장하는 조류가 있다는 점이다 또한 근래에 급속히 발전한 미생.

물 탐색 미생물 배양 유전공학적 균주개량 유용물질 탐색 등 생명공학기술의 기반 핵심, , , ·

기술을 이용한다면 앞으로 미세조류를 이용한 천연색소의 생산 유용 의약품 원료 생산 건, ,

강보조식품 생산 등의 분야에도 직결되어 생물산업 분야의 큰 발전이 기대된다.

결론적으로 미세조류는 다양한 서식환경 분류군 종조성 등의 특징을 갖는 미생물군이며, , ,

이들은 각종 유용물질을 생산하는 것으로 알려지고 있다 최근 유용 미생물 탐색 미생물. ,

배양 유용물질 탐색기술등의 기반 기술이 크게 발달하면서 미세조류 배양 및 물질생산 비,

용은 점차 저렴해지고 있다 또한 최근 급격히 발달된 생명공학기술을 이용한 유전공학적.

조류주 개량 유용물질 생산 등이 가능하게 되었다 따라서 미세조류의 대량배양을 통한 천, .

연색소의 생산 유용 의약품 원료 생산 건강보조식품 생산 등은 고부가 유용물질생산과 함, ,

께 부수적으로 생물학적 이산화탄소 고정을 통한 대기 중 농도감소 등의 지구환경문제의 해

결에도 기여할 수 있는 환경친화적 생물산업으로서 앞으로 큰 발전이 기대된다.

- 125 -

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- 133 -

식물환경생명공학의 현황과 전망.Ⅳ

- 134 -

제 장1

서 론

식물은 태양에너지를 이용하여 이산화탄소를 고정하고 인간 생존에 필수인 산소와 식량 뿐

아니라 각종 의약품과 산업용소재를 생산하는 지구상에 가장 효율적인 공장(plant, factory)

이다 그러나 지금 식물공장이 지구온난화 오존층의 파괴 산성비 삼림파괴 사막화 등 지. , , , ,

구규모의 환경문제에 의해 위기에 처해 있다 따라서 이러한 위기에 처한 식물생태계를 보.

전하는 일은 우리 인류가 해결하여야 할 최우선의 과제이다.

인구증가와 산업화에 따른 석탄 석유 등 화석에너지 의 소비량은 비약적으로, (fuel energy)

증가하고 있다 년 전후한 산업혁명 이후 화석에너지의 연소에 따라 대기 중의 이산화. 1800

탄소 농도가 급격히 상승하게 되었고 이것이 지구온난화 등 지구환경문제를 일으킨 중요한,

원인이 되고 있다 그림 특히 년대 이후의 화석에너지의 급격한 사용은 지구(< 1-1 >). 1950

환경을 심각한 상태로 만들고 있으며 이러한 추세라면 세기 초기에는 인류생존을 크게, 21

위협할 것이 설득력 있게 예측되고 있다 유엔환경계획 은 년 월 일 지난. (UNEP) 2002 5 22

년 간 지구 환경변화를 평가하고 향후 년 동안 지구환경에 향을 끼칠 정책방향을 담30 30

은 보고서 를 발표했다 보고서에서는 무분별한(Global Environmental Outlook 3, GEO-3) .

개발로 인한 산림파괴와 물 부족 등에 대한 비상대책이 마련되지 않으면 향후 년 내에30

지구의 모습은 매우 황폐할 것이라고 경고했다.

- 135 -

보고서에서는 년 환경파괴에 따른 홍수 가뭄 등 각종 자연재해로 피해를 입GEO-3 1990 ,

은 사람의 수는 억 만 명 수준이며 자연재해로 인한 세계의 재산 손실액은 억2 1100 , 1000

달러가 넘는 것으로 추산하 다.

그림 심각해지는 지구환경 문제< 1-1 >

그림 는 년 현재 세계 이산화탄소 배출량이 많은 국가별 배출량을 나타낸 것< 1-2 > 1999

이다 가장 많이 배출하는 미국조차도 세계 환경협약에 사인을 하지 않은 것이 현실이며. ,

우리나라의 인접국인 중국의 배출량도 막대하여 향후 중국이 급속도로 산업화가 진전됨에,

따라 이산화탄소 배출량은 더욱 많아질 것이며 지구환경악화를 가속화시킬 것으로 예측된

다.

- 136 -

그림 년 현재 이산화탄소 주요 배출국가와 배출량< 1-2 > 1999

년은 황사 때문에 초등학교가 휴교하는 등 최악의 모래폭풍을 경험하 으나 앞으로2002 ,

더 심각할 것으로 전망된다 황사의 원인은 지나친 개간과 방목이 원인이며 매년 제주도 넓.

이만큼 사막화가 진행되고 있는 실정이다 확산되고 있는 황사를 포함한 지구생태계를 복원.

하는 일의 근본적인 해결책은 환경파괴를 일으키는 각종 원인들을 제거하고 예방하는 일이

다 현대사회의 환경문제는 인간만 이 지구의 주인이라고 생각하는 이기적인 생명관 에 기. " "

인한다 지구에는 모든 생명체가 더불어 살아야 하며 생명체가 살아가는데 필요한 서식처. ,

를 이루는 무생물체도 생태계에서 중요한 역할을 하고 있다.

그렇다면 세기 우리 인류가 당면한 최대의 난제인 지구규모의 환경문제를 해결하기 위해21

서 무엇을 어떻게 하여야 하는가는 매우 중요한 문제로 생각된다.

- 137 -

환경문제 때문에 식량문제가 심각해지고 새로운 질병이 발생하고 에너지문제가 심각해지는

것은 자명한 일이다 이러한 관점에서 사막 등 열악한 환경에서도 잘 적응하는 식물개발. ,

환경오염지역을 정화하는 식물개발 등 식물환경생명공학기술 개발은 절실히 요구된다 이러.

한 관점에서 본고에서는 지구규모의 환경문제의 심각성을 먼저 자세하게 기술하고 환경생,

명공학분야의 중요기술인 스트레스내성 식물 개발과 식물을 이용한(stress-tolerant plant)

정화 에 대한 연구현황과 전망에 대하여 기술하고자 한다(phytoremediation) .

- 138 -

제 장2

지구 환경문제의 현황

환경문제 일반현황1.

급속한 산업화와 인구증가에 의한 지구규모의 생태계 파괴는 세기 인류생존의 최대 현안21

문제로 대두되고 있다 특히 중국 사막화에 의한 황사 등 환경문제는 우리나라에 막대한 산.

업적인 피해를 주고 있는 실정이며 북한의 환경문제 또한 보통 심각한 문제가 아니고 그,

피해규모가 매년 증가하고 있다.

급속한 인구증가와 산업화에 따른 석탄 석유 등 화석에너지 의 소비량은 비약, , (fuel energy)

적으로 증가하고 있다 년 전후한 산업혁명 이후 화석에너지의 연소에 따라 대기 중의. 1800

이산화탄소 농도가 급격히 상승하게 되었고 이것이 지구온난화 등 지구환경문제를 일으킨,

원인이 되고 있다 특히 년대 이후 화석에너지의 급격한 사용은 지구환경문제를 심각. 1950

한 상태로 만들고 있으며 이러한 추세라면 인류생존을 크게 위협할 것이 자명한 일이다, .

유엔환경계획 은 년 월 일 최근 지난 년 간 지구환경변화를 평가하고 향(UNEP) 2002 5 22 30

후 년 동안 지구환경에 향을 끼칠 정책방향을 담은 보고서30 (Global Environmental

를 발표했다Outlook 3, GEO-3) .

- 139 -

보고서에서는 무분별한 개발로 인한 산림파괴와 물 부족 등에 대한 비상대책이 마련되지 않

으면 향후 년 내에 지구의 모습은 매우 황폐할 것이라고 경고하고 있다30 .

보고서에서는 년 환경파괴에 따른 홍수 가뭄 등 각종 자연재해로 피해를 입GEO-3 1990 ,

은 사람의 수는 억 만 명 수준이며 자연재해로 인한 세계의 재산 손실액은 억2 1100 , 1000

달러가 넘는 것으로 추산하고 있다.

전 세계적으로 극심한 가뭄과 폭우 등 기상이변을 몰고 오는 엘리뇨가 년에 이어 올97-98

해 다시 발생할 가능성이 높다고 세계기상기구 가 최근 전망하 다 는(WMO) . WMO 97-98

년에 발생한 엘리뇨로 세계 곳곳에서 억 달러 약 조 억 원 에 이르는 경제적 피해32 ( 41 6000 )

가 발생하 다고 추산하고 있다.

당시 한국도 엘리뇨와 관련된 각종 재해로 모두 억 원의 재산피해를 보았다 지구온난2000 .

화로 년 이후 남극대륙 개 거대 빙봉에서 만1974 7 1 3500km2의 빙산이 소실된 것으로 추산

되고 있으며 히말라야의 설원도 녹기 시작하 다고 유엔 환경탐사팀이 최근 보고하 다, .

년 로마클럽은 지구성장의 한계 에서 인구의 폭증과 산업혁명으로 시작된 가속적인1972 " "

경제발전은 세기 초반을 고비로 에너지자원의 고갈과 심각한 공해문제로 지구가 성장한21

계를 맞음으로써 산업 및 식량생산에 급격한 감소를 비롯한 인류의 생존이 위협받게 될 것

이라고 강도 높게 예측하고 있다 그림(< 2-1 >).

- 140 -

그림 지구성장의 한계< 2-1 >

환경문제와 세계 식량문제2.

현재 세계인구는 억이며 년에는 억이 될 것으로 추정하고 있어 억의 인구60 , 2030 100 , 100

를 부양하기 위해서는 현재 식량생산량의 이상의 증수가 필요하다80% .

소득증대에 따른 의 변화 곡물중심에서 육류중심으로 로 세계 식량수급은 큰 위Food chain ( )

기에 당면하고 있다 즉 동물성 단백질의 생산은 사료용 곡물수급에 의존하고 있어 쇠고기. , ,

돼지고기 닭고기 을 생산하기 위해서는 각각 의 곡물이 필요하며 물고기, 1 7 , 4 , 2 ,㎏ ㎏ ㎏ ㎏

메기 잉어 을 생산하기 위해서는 의 곡물이 필요하다고 한다( , ) 1 2 .㎏ ㎏

세계인구는 매년 천만 명이 증가하나 곡물생산성은 정체되어 있다9 .

- 141 -

특히 개도국 인구증가에 따른 식량문제는 심각함 현재 세계인구중 억 이상이 기아상태이. 8

며 매년 천 백만명 하루에 명 이 굶주림으로 죽어가고 있다 생활보호대상자 기준에1 8 ( 3,500 ) .

따르면 우리나라 전체국민의 에 달하는 만명이 절대빈곤인구이다4 5% 200 .∼

급속한 산업화와 인구증가에 따른 지구환경의 악화는 지구온난화와 엘리뇨 등 기상이변과

자연재해로 세계 식량수급의 구조적인 문제를 초래하고 있다.

년 이후 곡물가격은 상승경향을 나타내고 있으며 년말 세계곡물재고율은1993 , 1996 13.4%

에 불과하여 권고 적정 재고수준 식량 절대부족시 곡물시장은 공급국가에 의해(FAO : 18%),

결정될 것이며 상황에 따라 곡물수출의 제한 및 금지조치가 예상된다, .

표 세기 세계 식량 곡물 수급 전망< 2-1 > 21 ( )

- 142 -

연구소는Worldwatch Full house (1994), Who will feed China ? (1995), Tough

등의 보고서에서 환경문제의 심choices: Facing the challenges of food security (1996)

각성 등으로 지구규모의 식량위기가 조만간 올 것이라고 설득력 있게 전망하고 있다 표(<

2-1 >).

는 년 월 로마에서 열린 세계식량정상회담 을 위해 준비한 것Tough Choices 1996 11 (WFS)

으로 급증하는 식량수요 심화되는 농지부족, (Demand for Grain Soaring), (Land Hunger

확산되는 물 부족 한계에 달한 토지생산성Intensifying), (Water Scarcity Spreading), (Rise

지구환경문제 등을 고려in Land Productivity Slowing), (Global Environmental Problem)

하여 연구소는 곡물의 생산량증가의 둔화로 년에는 억톤 이상의 식량이Worldwatch 2030 5

부족되는 식량위기 를 전망하고 있다“ ” .

세계은행 과 유엔식량농업기구 는 지금까지의 식량수급의 추세를 연장해(World Bank) (FAO)

서 미래의 식량생산량을 예측하 기 때문에 곡물생산량을 과대평가하 고 세계은행은 자신,

들의 예측에 문제점을 시인한 바 있다.

표 는 연구소가 설정한 식량안전보장 지표로서 환경문제가 인류식량 문< 2-2> Worldwatch

제에 대단히 중요한 요인임을 알 수 있다.

표 연구소가 설정한 식량안전보장 지표< 2-2 > Worldwatch

지 표구시대

년경부터 년경까지(1950 90 )신시대

년경부터 무한의 미래(1990 )

인당 곡물생산량1상승 년에 증: 1950-80 40%가

하락 년 년에 감소: '84 -‘95 15%

인당 어획량1상승 년에 배 증: 1950-89 2가

하락 년에 감소: 1989-95 7% .인구증가가 지속되면 계속 감소

- 143 -

지 표구시대

년경부터 년경까지(1950 90 )신시대

년경부터 무한의 미래(1990 )

곡물가격하락 년에 실질적 하: 1950-93락

상승 등락은 하지만 년: 1993이후 상승경향

곡물비축량 풍부 때때로 과잉: 적음 때때로 불충분:

휴경농지있음 이 기간 전체를 통해서:농지의 일부는 휴경

없음 년 중반이후 휴경: 1990지는 거의 혹은 전혀 없음

인당 경지면적1축소 년까지 완만하게: 1981축소하고 그후 가속화 됨

급속히 축소 인구증가가 지속:되면 급속한 축소 지속

인당 관개면적1 확대 년에 증대: 1950-79 28%축소 년이후 축소 시작: 1980 .인구증가가 지속되면 축소

인당 화학비료1사용량

증대 년에 배 증가: 1950-89 5

감소 년 이후 감소 인: 1980 . 1당 경지면적과 관개용수가 감소하고 있기 때문에 늘어나지않을 것임

기후변동의 향년 이후의 기온상승과 함1979

께 향이 나타나기 시작함

더욱 심한 고온현상이 생산확대의 노력을 저해할 가능성이 높음

미활용 식량증산기술의 존재

감소 이 기간의: 초기에는 많이존재 시간이 흐르면서 감소,

대폭감소 극적인 진보전망은:전무함

물의 정치학시간이 경과하면서 이해대립이점차 격화됨

국가간 및 농촌 도시 간에對격렬한 경쟁이 발생

식량의 정치학잉여가 지배 수출국이 시장을:둘러싸고 경쟁

희소성이 지배 수입국이 식량:수입을 둘러싸고 경쟁

뉴욕타임스 년 월 일자 보도에 의하면 동남아프리카 개국 말라위 짐바브웨 잠비2002 5 23 , 6 ( , ,

아 레소토 스와질란드 은 최근 년간 가뭄과 홍수가 겹치는 바람에 주식인 옥수수 수확량, , ) 2

이 감소하여 만 명이 기아위기에 있다고 한다50-70% 700 .

- 144 -

하루가 멀다하고 여기저기서 수백명씩 말라리아와 콜레라로 숨지고 있으며 말라위의 양,

실조로 인한 환자는 지난해에 비해 증가하 다고 한다 유엔 식량프로그램에 참여하고80% .

있는 한 관리는 시골 농민들의 식량창고가 가량 빈 것으로 나타나고 있다 며 다음 수“ 75% ” ,

확기가 시작되는 월까지 국제사회의 도움이 절실한 실정 이라고 말하고 있다 이처럼 환경9 “ .

문제는 결국 식량문제와 보건문제의 원인이 되고 있다.

중국의 환경문제3.

갈수록 심각해지는 황사는 중국의 무리한 개간과 방목이 초래한 인재이다 중국정부 추정에.

따르면 현재 한반도의 배에 달하는 사막과 황토고원이 내몽고 간쑤 신장을 중심으로 매4 , ,

년 2330km3씩 늘어나고 있다 즉 한해에 제주도보다 넓은 면적이 사막화되는 것이다 몽골. .

은 국토의 가 사막화위기에 처한 가운데 과거 년 동안 목초는 만90% 30 6 9000km2 감소하고

식물종류도 분의 로 감소하 다 국제농업기구 는 중국의 인구가 억 명으로 불어4 1 . (FAO) 13

나면서 소 염소 양 등 가축은 년 억 만 마리에서 년 억 만 마리로 늘, , 1961 1 7100 2000 4 700

어나 사막화가 가속되고 있다고 보고 있다 즉 소득이 증가하면서 식물성단백질에서 동물성.

단백질로의 식생활패턴 변화가 식량문제 뿐 아니라 사막화를 가속시키고 있다 중국 정부는.

오염으로 죽어 가는 보하이 발해 만을 년까지 청정해역으로 되살리기 위해 년부터( ) 2015 2001

백억위안 약 조원 을 투입한다는 보하이 벽해 행동계획을 세웠으나 아직 효과를 보지6 ( 9 ) ‘ ’

못하고 있다.

- 145 -

년은 전국을 뒤덮은 황사현상으로 호흡기 환자의 급증 일부 학교의 휴교령 양봉 채2002 , , ·

소업 등의 작황감소 산업 활동의 위축 등 피해가 급속도로 증가하여 황사로 인한 피해액이,

조원에 이를 것으로 추정하고 있다 황사 등 미세 먼지로 인해 국내에서 보는 피해는 연간1 .

조 억 원에 이르는 것으로 한국환경정책 평가원이 보고하 다 이는 년 기준으11 8000 · . ‘99

로 대기오염 물질 배출량에 따른 사회적 비용을 계산한 결과 그 피해비용이 조 억 원5 8000

에서 최고 조 억 원으로 조사되었다 황사만의 피해금액은 계산되지 않았으나 그 규17 8000 .

모는 태풍만큼은 돼 황사 회당 최소 수천억원에 이를 것이라고 전문가들은 보고 있다 중, 1 .

국의 황사를 포함한 환경문제는 바로 인접국 인 우리의 문제이다 이러한 점에서 환경공동.

운명체인 한국 중국 일본 등 동북아시아 국가의 협력연구를 통한 환경내성식물 개발이 요, ,

구된다 일차적으로 건조와 고온으로 사막화가 급속도로 진전되고 있는 중국과 몽골지역에.

나무를 심는 일부터 시작되어야 할 것이다 이를 위하여 생명공학기술을 통하여 건조 등 복.

합재해에 강한 식물을 개발하여야 할 것이다.

필자는 지난해 황사의 최대 진원지인 중국 신장위구르자치구 대한민국 면적의 약 배 에( 17 )

있는 다클라마칸사막을 방문한 적이 있다 다클라마칸사막은 동서문화의 통로인 비단길로.

우리에게 잘 알려져 있다 사막지역이라 농작물 재배를 위한 관개사업과 강한 바람을 막기.

위한 방풍 방사림 조성사업이 대대적으로 이루어지고 있었다 그럼에도 불구하고 현지 안내/ .

인은 계속적인 가뭄과 바람으로 매년 사막지역이 눈에 띄게 확대되고 있다고 말했다.

- 146 -

중국 황사에 최대 피해국가는 인접국인 우리나라라고 생각된다 따라서 중국황사를 막기 위.

한 국가차원에서의 노력이 절실히 요구되며 당사국인 중국과 인접국인 일본 등과의 국제협,

력연구가 절실히 요구된다.

북한의 환경문제4.

북한의 환경문제는 보통 심각한 게 아니다 북한의 환경오염은 북한만의 문제에 그치지 않.

는다 오늘날 환경오염은 국경을 넘나들며 광범위한 지역에 향을 미치는 국제적이고 광역.

적인 문제가 되었다 북한의 환경문제 해결을 위해서는 에너지협력과 환경인프라 지원이 필.

요하다.

광복전 북한은 남한보다 더 좋은 산림자원을 보유하고 있었으나 년대 이후 산림황폐가1980

가속됐다 년 북한의 산림면적은 만 천. 1970 9 8 km2에서 년은 만 천1998 7 5 km2로 감소하 다.

북한은 년 내에 만 정보의 산림을 복구한다는 계획을 세운 것으로 알려져 있으나 종10 150 ,

자 묘목 장비 기술 경험이 절대적으로 부족한 실정이다, / , / .

북한의 훼손된 산림복구는 식량과 물 문제 해결을 위해 가장 시급하게 이루어져야 할 일이

다 나아가 북한의 산림이 울창한 나무로 녹화됨으로써 통일비용의 절감효과를 가져올 수.

있고 한반도 생태계가 보다 효율적으로 보전 관리될 수 있을 것이다 지금부터 북에 나무, , .

를 심어주는 것이 년 뒤에 시작하는 것보다 훨씬 비용이 적게 든다 한번 황폐화된 국토20 .

를 다시 되살리는 데 걸리는 시간과 비용은 엄청나기 때문이다.

- 147 -

한국의 환경문제5.

과거엔 먹고사는 문제가 급했으니까 환경을 다소 희생하더라도 산업을 일으켜 세우는 것이

급선무 다 년대까지 한국은 환경을 팔아 수출을 한 것이지만 이제 환경문제는 피. 70 80 ,∼

해서 지나갈 수 없는 역이 되었다.

우리도 기후협약의 적용을 받을 것으로 예상되므로 배출가스를 대폭 줄이지 않으면 안된‘ ’

다 우리나라 산업구조는 에너지 효율면에서 취약한 엄청난 에너지 낭비형이다 큰 문제라. .

는 것을 알면서도 그때그때 눈앞만 모면하고 보자는 식으로 넘겨왔다 이제 더 이상 피할.

수 없는 막다른 상황에 닥쳤다.

우리가 기후협약의 적용을 받게 되면 선택은 두 가지뿐이다 경제활동을 지금의 절반 수준‘ ’ .

으로 줄이든지 아니면 돈을 주고 다른 나라에서 가스 배출권을 사오든지 해야 한다 미래, .

를 생각하면 환경문제란 싫고 좋음이 없이 해야만 하는 의무사항이다 환경문제 해결에는.

선진국과 대기업조차도 소홀히 하고 있으나 환경악화로 인한 보건문제 식량문제 에너지문, , ,

제가 가속되고 있음을 고려할 때 국가 생존차원에서 산학연관이 하나가 되어 조속히 적절한

대응을 세워야 할 것이다.

- 148 -

제 장3

스트레스내성 식물개발 현황

스트레스내성 식물 분야는 나빠지는 지구생태계의 예방 정화 뿐(stress-tolerant plants) ,

아니라 식량 문제 해결에 중요한 분야로 대두되고 있어 최근 식물의 환경스트레스 극복기구

에 대한 생명공학연구가 활발히 국내외적으로 진행되고 있다.

가뭄 냉해 높은 염분농도 등의 환경스트레스는 작물의 생산성을 저하시키는 주요 요인 중, ,

의 하나로 병충해에 의한 손실의 약 배 정도가 매년 환경스트레스에 의해 유실되고 있다10 .

지구상에서 농경 가능한 토지는 지구면적의 약 이지만 이 중에서 환경스트레스가 적은10%

지역은 에 불과하고 이상의 농지가 스트레스를 받고 있다 이들 중10-20% 80% . 80% 26%

가 건조스트레스 지역이며 무기 양분 결핍지대가 토심층이 얇아 경작이 힘든 토양, 24%,

이 저온지대가 를 차지한다15%, 4% .

년1998 “Beyond the horizon of the science: Can plant biotechnology save the

라는 주제의 국제심포지엄에서 세기 인류가global crises of food and environmental ?” 21

당면한 환경문제 및 식량문제의 해결은 식물스트레스에 초점을 두어야 한다는 결론을 내렸

다 년 월 국 에서 개최되는 의 주제가. 2002 7 Oxford Gordon Research Conference

인 점으로 미루어 지“Cellular basis of adaptation to salt and water stress in plants”

구환경문제로 인한 식물의 환경적응기구에 대한 이해와 스트레스내성 식물 개발의 중요성이

강조되고 있다.

- 149 -

지금까지 건조스트레스 등 특정 스트레스에 대한 내성기구 규명에 관한 연구가 국내외적으

로 이루어져 왔다 그러나 열악한 환경지역은 복합적인 재해를 받기 때문에 복합재해에 강. ,

한 유전자와 발현 프로모터를 이용한 발현기술 개발이 요구된다 최근 스트레스 유도성 유.

전자의 전사인자 를 이용한 형질전환체가 여러가지 스트레스에 내성을(transcription factor)

갖는다는 보고가 주목을 받고 있다 일본 이화학연구소 의 박사 연구팀은. (RIKEN) Shinozaki

건조에 반응하는 를 분리하여cis-element dehydration responsive element(DRE) , rd29

에 결합단백질인 를 도입한 애기장대stress-inducible promoter DRF DREB1A (Arabidopsis

thaliana 식물체가 건조 염류 냉해에 강한 내성을 갖는 다는 것을 발표하여 분자육종에) , ,

의한 복합재해 내성식물 개발에 가능성이 시사되었다.

우리나라의 경우 환경의 주무부처인 환경부에서는 토목공학 중심의 환경문제 해결에 대한

연구가 주류이며 생명공학기술을 이용한 환경문제 해결은 아직 초보적인 단계이다 과학기, .

술부와 농촌진흥청이 주관하는 사업단에는 스트레스내성 유전자 발굴 및 재해내성 농작물

개발에 대한 연구가 시도되고 있다 년 농업식물 스트레스 연구센터 가 신규 로. 2001 “ ” SRC

선정된 것은 시대의 흐름을 반 하고 있다고 하겠다.

경상대학교 윤대진교수는 유전자를 애기장대에 도nucleoside diphosphate kinase (NDPK)

입한 결과 저온 염류 등 복합스트레스에 내성을 갖는 것을 밝혔으며 조무제교수팀이 개발, ,

한 를 도입한식물체도 여러가지 스트레스에 내성을 갖는다는 것을 최근 보고하calmodulin

다 필자의 연구팀은 사막지역 간척지역 공장지역 등 여러가지 스트레스가 존재하는 지. , ,

역에 적응할 수 있는 복합재해내성 식물을 개발하기 위한 기반기술 을(platform technology)

개발하고 있다.

- 150 -

이를 위해 스트레스에 강하게 발현되는 유전자 프로모터를 개발한 바 있고 엽록(SWPA2) ,

체의 항산화기구를 제어하는 발현시스템을 확립하여 복합재해에 잘 견디는 농작물을 개발하

는 중이며 향후 사막녹화에 필요한 수목과 초본식물 개발에 노력하고 있다, .

해외 연구현황1.

인구증가와 산업화에 따른 심각한 환경문제에 대한 식물의 적응기구 규명과 재해내성 유전

자를 이용한 분자육종에 의한 환경내성 식물개발에 관한 연구가 활발히 수행되고 있고 관,

련 학술행사가 자주 개최되고 있어 이 분야의 중요성을 잘 대변하고 있다.

년 월에 국 에서 개최된 에서는2002 7 Oxford Gordon Research Conference “Salt and

를 주제로 확산되고 있는 사막화의 원인인 건조와 염에 대한 식물Water Stress in Plants"

의 분자적응기구와 이를 이용한 재해내성 식물개발에 대한 활발한 논의가 있었다 또한 유.

럽식물생리연합회 가 주관하여 년 월 러시아 모스크바에서 개최된 심포지엄(FESPP) 2001 10

의 주제가 다”Plant under Environmental Stress" .

일본은 산업혁명 이후 년간 나빠진 지구환경을 복원시키기 위한 노력으로 재단법인 지200

구환경산업기술연구기구(Research Institute of Innovative Technology for the Earth,

를 년 설립하 다 혁신적 환경기술의 개발과 이산화탄소 흡수원의 확대 를 추RITE) 1990 . “ ”

진하기위하여 지구환경시스템연구실 식물분자생리연구실 미생물분자기능연구실 환경촉매, , ,

연구실 등 개 연구실이 있다10 .

- 151 -

식물과 미생물의 이산화탄소 고정능력 향상 내건조와 내염성 등의 환경스트레스내성을 지,

닌 식물개발에 의한 이산화탄소 흡수원의 증대에 관한 연구 등 환경생명공학연구를 수행하

고 있다.

일본 는 밀레니엄프로젝트의 일환으로 년 월에 설립되RIKEN Plant Science Center 2000 4

었으며 식물환경연구그룹에서는 이산화탄소 농도상승에 따른 지구온난화에 대한 대책연구,

와 식물을 이용한 환경정화 에 관한 연구를 수행하고 있다(Phytoremediation) . RIKEN

연구실에서는 건조스트레스에 대한 식물의 적응기구와 건조내성Plant Molecular Biology

식물개발에 관한 선각자적인 연구를 수행하고 있다.

미국 대학 식물환경스트레스연구센터 대학 등에서는 식물의 염 스트Purdue , Arizona (salt)

레스에 대한 적응기구를 체계적으로 연구하고 있다 주립대학에서는 저온내성에. Michigan

관한 연구를 수행하고 있다.

국내 연구현황2.

국내에서는 심각한 환경문제에 대응하기 위한 환경내성 식물개발에 관한 연구가 재해내성

농작물 개발 등에서 일부 진행되고 있으나 연구의 중요성에 비하여 연구비 지원이 미흡한

실정이다.

과학기술부가 주관하는 국책 생명공학실용화사업단 일명 사업 에서 환경내( Biotech 2000 ) “

성 식물 개발 과제가 년부터 년까지 수행된 바 있다” 1995 2001 .

현재는 과학기술부가 주관하는 세기 프론티어사업의 하나인 작물유전첵능연구사업단21 “ ”,

농촌진흥청 바이오그린 사업단 등에서 스트레스내성 유전자 발굴 등이 이루어지고 있으“ 21 ”

나 지구온난화 방지 사막녹화 등 당면한 환경문제 해결을 위한 본격적인 환경생명공학기, , “

술개발 에 대한 정부의 과감한 투자가 요구된다” .

- 152 -

환경부가 주관하는 차세대 핵심환경기술개발사업에서도 환경생명공학에 관한 기술개발은 거

의 없는 실정이다.

기초기술연구회에서는 산학연관의 전문가로 구성된 환경생명공학 을 작성하고 있어“ TRM"

환경생명공학 분야의 중요성이 국가차원에서 인식되고 있어 고무적인 현상이며 적절하고도

과감한 투자가 요구된다.

환경생명공학에 관한 기술개발을 수행하고 있는 국내 연구기관으로는 한국생명공학연구원

환경생명공학연구실 전남대 농업식물스트레스연구센터 임업연구원 임목육종부 포항, (SRC), ,

공과대학 생명과학부 경상대학교 응용생명과학부 금호생명환경과학연구소 등이 있다, , .

- 153 -

제 장4

식물을 이용한 환경정화 개발 현황(phytoremediation)

식물을 이용한 환경정화 는 식물을 이용하여 중금속 방사성원소 유기용(phytoremediation) , ,

매 비료 농약 등으로 오염된 토양과 물에서 오염원을 제거하거나 무독화시켜 토양의 본래, ,

기능을 회복시키는 기술이다 종래에는 자연적으로 존재하는 식물 중에서 환경을 정화할 수.

있는 것들을 선발하여 사용하 으나 현재 선진국에서는 유전공학적인 기술을 이용하여 자,

생식물보다 우수한 정화능력을 지닌 식물을 개발하여 이용하고자 연구를 진행시키고 있다.

유독물질을 보다 더 많이 빨리 흡수하고 그들의 독성에 잘 견디는 식물을 개발하는 것이,

기술의 경쟁의 초점이다phytoremediation .

식물을 이용한 환경정화는 전통적인 토양복원 기술인 물리 화학적인 기술에 비해 비용이.

에 지나지 않는다 이는 식물이 정화에 필요한 에너지를 궁극적으로 태양에너지1/6 1/10 .∼

에서 얻기 때문이다 또한 물리적 토양복원의 대표적인 굴착법은 자연을 훼손시키며 화학. ,

적 처리나 미생물 이용은 차 오염의 위험이 있다 이에 비하여 식물을 이용한 환경정화는2 .

생태계와 생물다양성을 보호하며 부차적인 오염을 일으키지 않는 환경친화적이라는 특징이,

있다.

- 154 -

식물환경정화는 사람들이 선호하는 방법이며 세기에는 쾌적한 환경의 요구도가 계속 높, 21

아지고 있으므로 앞으로 시장이 계속 커질 것이다 이 기술은 여년 정도의 짧은 역사를. 10

갖고 있으며 식물학에 많은 비중을 두고 있다 우리나라의 식물학 분야는 선진국 수준에, .

근접하고 있기 때문에 이 기술 개발에서 국제경쟁력이 있다.

은 뿌리 잎 줄기 등 수확 가능한 식물의 조직에 오염물질을 축적시켜서Pytoremediation , , ,

식물을 수확함으로써 오염물질을 제거하는 식물의 뿌리를 이용하여 오염phytoextraction,

물질을 걸러내거나 농축 침전 흡수시키는 복잡한 유기물질을 단순한 분자, rhizofiltration,

로 분해시켜 식물조직 구성물질로 전환시키는 뿌리로부터 유용물질을phytotransformation,

분비하여 미생물이나 곰팡이의 분해과정을 촉진시키는 식물에 의한 금속phytostimulation,

오염물질들의 침전이나 흡수로 오염물질들이 지하수로 이동하거나 먹이사슬로 들어오는 것

을 억제하는 등으로 세분할 수 있다phytostabilization .

일본에서 발행하는 바이오전문지 년 월호 특집호에서 지구환경과 바이Bioindustry 2002 1 "

오테크놀러지 에서는 의 새로운 전개와 시장성에 대하여 자세하게 보고하" phytoremediation

고 있다 현재 미국에는 만 천 장소가 오염되어 있으며 이를 종래의 물리화학적인 방법. 21 7 ,

으로 오염지역을 복원하는 데는 약 조 억엔이 소요된다고 한다 년 세계22 4,00 . 2000

시장은 억엔 규모이나 년에는 배 이상 증가할 것으로 전망하고phytoremediation 60 2005 5

있다 년 미국의 시장은 적어도 억엔 넘었으며 년에는 배. 2000 phytoremediation 50 , 2005 5

이상 성장하여 최대 억엔으로 추산하고 있다 일본에서는 년 억엔 규모이나440 . 2000 1.8

년에는 억엔을 상회할 것으로 전망하고 있다 현재 미국에서 을 전2005 8 . phytoremediation

문하는 기업이 개사에 달하고 있다10 (http://www.

mobot.org/jwcross/phytoremediation/pytorem_sponsors-corp.htm).

- 155 -

표 북미의 을 전문하는 대표적 기업< 4-1 > phytoremediation

기업명 소재지 주요 정화대상

The Bioengineering Group, Inc. Salem, MA 폐수 토양,

Biotechnik North York Ontario, CA 토양 지하수 등,

CH2M HILL Portland, OR 토양 생활폐수 등,

Ecolotree Inc. Iowa City, IO 매립지 등

ERIN Consulting Ltd. Saskatchewan, CA

Living Technologies Taos, NM 도시폐수

Occidental Petroleum Corp. Los Angeles, CA 석유오염토양

Edenspace Systems Corp. Reaton, VA 토양

Phytokinetics, Inc. North Logan, UT 늪지 지하수,

Tree Tec Environmental Corp. Boston, MA 토양 물 대기, ,

우리나라는 국가기관 및 대학에서 실험수준의 연구를 수행하고 있으며 일부 demonstration

가 진행되고 있다 특히 축산폐수의 정화를 위해 포플러를 이용하는 시험 연구가 이project .

미 완결되어 현장적용 단계에 와있다 국내에서 자생하는 포플러를 유전학적인 조작을 통해.

중금속 흡수의 극대화를 도모하는 연구가 진행되고 있다 산림청 임업연구소에서 올챙이에.

서 분리한 철을 저장하는 단백질의 유전자를 포플러에 발현시켜서 중금속 흡수능력이 보통

포플러의 배까지 증가한 포플러를 개발하 다 또한 수은을 무독화시키는 유전자인3 . , merA

와 도 포플러에 형질전환을 시켜서 수은 저항성이 향상된 것을 보았다merB (2001, winter

포항 공대주최 난지도 쓰레기 매립지의 포플러 식재로 침출수 중 질소 인conference, ). ,

등 다양한 오염물질의 함량이 감소됨이 확인되었고 부산의 을숙도 및 석대 쓰레30 50%∼

기 매립지에 년부터 포플러 식재 준비에 들어가고 있다2002 .

- 156 -

의 시장규모1. Phytoremediation

가 세계시장 규모.

미국시장이 주류를 이루고 있으며 년 만 달러로 추정되며 유럽 캐나다 등지에서1999 5,000 ,

는 만 달러의 시장이 형성된 것으로 추정된다 미국의 경우 당 식물 식재에200 500 . 1acre∼

만 달러로 추산하고 있고 유지 을 포함할 경우10,000 , monitoring, verification testing

달러로 추산된다60,000 100,000 .∼

유럽연합의 경우 현재 서부유럽에는 오염된 지역이 곳이 있으며 앞으로, 400,000 , 20 25∼

년간 유럽인들은 조원 이상의 경비를 들여서 이 지역들을 정화할 것으로 보인다 동부600 .

유럽의 오염지는 아직 산출도 되지 않았으므로 이 경비는 최소일 뿐이다 실제로 유럽에서, .

는 현재 매년 조원 정도의 경비를 들여 환경정화를 하고 있다5 .

네덜란드와 스웨덴 국에서는 오염의 생산자가 정화비용을 부담해야 한다는 법률이 시행,

되고 있다 유럽연합의 환경지침에 따라 다른 여러 나라도 역시 앞으로 이러한 원칙을 적용.

하게 될 것으로 보이며 따라서 유럽의 시장은 더 커질 가능성이 있다, .

일본은 광산 활동으로 인한 중금속 기준 초과지역이 에 달한다고 하며 이것7,050ha (1992),

을 종래의 방법으로 미국의 시장가로 처리한다면 최소 또는 천억원 최대, 4 billon dollar 5 ,

로는 그의 배의 경비가 소요될 것이다10 .

세계적으로는 만 달러에 이른 것으로 추정된다 현재로는 시장이 빈약한 편이지만 구6,000 .

소련이나 동구권 아시아 각국 등 산업화가 추진되어온 국가의 경우 매립지 및 오염지역에,

대한 처리가 미흡하기 때문에 그 시장 규모는 앞으로 큰 폭으로 증가될 것으로 추정되며 현

재는 그 시장규모가 매년 배가되는 추세이다.

- 157 -

나 국내시장 규모.

국내시장의 경우 쓰레기 매립지 폐광지 등이 국가나 지방 자치단체의 관리하에 있기 때문,

에 사업은 국가주도로 이루어져야 하는 형편이다 쓰레기 매립지의 경우 년 현재 전국. 2002

에 개소284 , 28,450,000m2로 알려져 있다 환경부에서 연간 곳씩 억원을 투입. 30 350 400∼

할 계획이므로 적어도 억원이 소요될 것으로 예상된다 전국의 쓰레기 매립지3500 4,000 .∼

의 를 대상으로 을 적용할 경우 하부식생을 포함한 식물식재비용만50% phytoremediation

억원 식재를 위한 입지정리 을 포함할 경우 억원 이상이 필요할 것으600 , , monitoring 5000

로 추정된다.

폐광산의 경우 농림부 환경부가 다 같이 토양개량 및 복원사업을 실시하고 있는데 현재는,

미관상 문제를 해결하기 위한 복토 등 소극적인 방법을 이용하고 있으나 근본적인 오염해결

을 위해서는 개념이 도입되어 적용되어야 할 것으로 예상된다phytoremediation .

다 향후 시장의 방향성.

식물을 이용한 환경정화는 기본적으로 매우 넓은 면적이면서 시간적으로 덜 시급하며 오염

의 정도가 아주 심하지 않은 지역에 한정된다 현재 환경부 농림부 산업자원부의 장기적인. , ,

토양복원 프로그램을 고려할 때 가장 유력한 시장은 쓰레기 매립지와 축산폐수 폐탄광 등,

의 복원을 꼽을 수 있으나 앞으로는 민간기업의 고농도의 오염지가 포함될 것으로 예상되어

식물을 이용한 다양한 정화방법이 개발 적용될 것으로 전망된다.

- 158 -

전담 시스템 등장으로 매립지의 침출수 축산단지의 오폐수 농약 등 유기약제Landcover , , ,

폐광지의 중금속 등에 활용될 것으로 기대된다 매립지의 침출수의 경우 일차적으로 뿌리. ,

가 깊게 뻗는 수목류에 토양미생물 활성을 위한 유기물 분비 중금속 등의 스트레스 저항성,

등과 관련된 다양한 유전자를 도입시킨 형질전환 제품이 개발되어 적용될 전망이다 축산단.

지의 오폐수의 경우 암모니아나 인을 효율적으로 흡수하여 생장하는 형질전환체가 개발되,

어 하천변 축산단지에 식재 적용될 것으로 전망된다, .

수질 정화시스템 등장으로 뿌리의 여과기능을 이용한 축산단지 공단지역 등 오염지역의 지,

하수 정화 시스템이 등장하고 농업용수 등의 하천 유입시 오염 농약 양료의 흡수 제거를,

위한 고기능 형질전환 수생식물 이용 시스템이 등장할 것이다.

토양복원용 단지 등장으로 공단지역의 중금속 유기용제 등으로 오염이 심한 소면적의 토양,

은 전체를 하층에 을 설치한 곳으로 옮겨 적정 양료 수분을 공급함으로써 식물의geofilm ,

흡수능력을 최대한 증가시키고 수목과 초본류를 혼식한 시스템이 개발될 것이다.

기술동향2. Phytoremediation

가 해외 기술동향.

- 159 -

미국을 중심으로 한 해외에서의 관계 연구는 중금속 과축적 식물의Phytoremediation 1)

동정 식물학적 정화공정의 기본적인 을 밝혀내는 연구 식물의 철 아연 흡수, 2) mechanism ( ,

단백질의 유전자 발견 식물의 금속흡수를 촉진시키는 방법 개발 식물이 독성금속을 흡수, ,

하고도 자신은 독을 입지 않을 수 있는 기작연구 흡수된 중금속이 줄기와 잎으로 이동하는,

기작연구 독성물질을 격리시켜서 식물을 보호하는 기능을 하는 수송체 유전자들이 발견, 3)

되었고 특허화되었다, .

벤처기업 의뢰지역의 토양성질 및 기후 조건 등을 종합하여Phytoremediation ;

의 실현가능성 최적 식물종 등을 평가 선정하고 실제로 토양을 정화시키phytoremediation ,

는 기술을 판매하고 있다.

의 경우 각 오염물질별 최적의 추출 분해 제거 식물 탐색 단계이며 포플Phytoextraction , ,

러 버드나무류 등 가 크면서 흡수력이 뛰어난 식물을 다양한 오염원 제거에 적용, biomass

시키고 있다 지금까지는 주로 중금속 방사능 함유물. (Cd, Cr(VI), Pb, Co, Cu, Ni, Se, Zn),

질 유기용매 석유계열 탄화수소(Cs, Sr, Ur), Chlorinated (TCE, PCE), (BTEX),

Polychlorinated biphenyls(PCBs), Polynuclear aromatic hydrocarbons(PAHs),

폭탄류Chlorinated pesticides, organo-phosphate insecticides, (YNT, DNT, TNB, RDX,

등의 심각한 오염물질을 흡수 제거하는HMX), nutrients(nitrate, ammonium, phosphate)

식물을 집중적으로 탐색하고 있다.

의 경우 은 년 체르노빌에서 있었던 핵발전소 사고의 정화에Rhizofiltration , Phytotech 1986

참여하여 좋은 성과를 거두었다 이 때는 뿌리의 가 큰 해바라기를 오염된 호수에. biomass

띄어 방사성원소를 제거하 다(http://www.phytotech.com).

토양내 중금속 등과 결합하여 이러한 오염물질이 식물로 용이하게 흡수되도록 하는

증가 기술이 개발되고 있다bioavailability .

- 160 -

다양한 종류의 를 분비하는 식물을 탐색하거나 유전자도입으로 과량생산하게 하는chelator

기술이 개발되고 있다 토양에 직접 뿌려줄 수 있는 물질도 개발 중이다. .

각종 오염물질 흡수 분해 생장 능력이 강화된 형질전환 식물이 개발되고 있다 카드뮴 납, , . , ,

수은 등의 대사 유전자 생산 유전자 등을 도입한 형질전환체가 개발되고 있다 이, phytase .

들의 오염물질에 대한 내성 및 축적성에 관한 논문들이 출판되었다.

식물의 뿌리를 이용하여 지하수오염을 방지하고 개구리밥 등 수생식물을 이용하여 농업용수

에 포함된 과량의 질소 인 농약 등을 제거하는 기술이 개발되고 있다, , .

오염된 토양을 거대한 위에 옮겨 놓은 후 식물 식재로 오염된 토양자체를 완전복geofilm

원하는 시스템이 개발되어 적용되고 있다.

나 국내 기술동향.

국가기관 및 대학에서 실험수준의 연구를 수행하고 있고 일부 가 진demonstration project

행되고 있으며 축산폐수의 정화를 위해 포플러를 이용하는 시험 연구가 이미 완결되어 현,

장적용 단계에 와있다.

국내에서 자생하는 포플러를 유전학적인 조작을 통해 중금속 흡수의 극대화를 도모하는 연

구가 진행되고 있다 산림청 임업연구소에서 올챙이에서 분리한 철을 저장하는 단백질의 유.

전자를 포플러에 발현시켜서 중금속 흡수능력이 보통 포플러의 배까지 증가한 포플러를3

개발하 다 또한 수은을 무독화시키는 유전자인 와 도 포플러에 형질전환을 시. , merA merB

켜서 수은 저항성이 향상된 것을 보고하고 있다.

- 161 -

난지도 쓰레기 매립지의 포플러 식재로 침출수 중 질소 인 등 다양한 오염물질의 함량이,

감소됨을 확인되었고 부산의 을숙도 및 석대 쓰레기 매립지에 년부터 포플30 50% 2002∼

러 식재 준비에 들어가고 있다.

중금속의 흡착 대사에 관련된 유전자 과발현을 목적으로 한 형질전환 식물체가 개발되고 있

다 국내 몇 실험실에서 중금속 제초제와 같은 유기화합물의 축적과 내성에 뛰어난 식물들. ,

을 스크리닝하고 관련 유전자들을 여러가지 발견하 다, .

우리나라 오염지역에 생육하고 있는 식물들에 대한 채취 분석을 근간으로 하는 현장조사와,

몇가지 식물에 대하여 인공적으로 중금속을 투여하 을 때 흡수량을 분석하는 연구가 진행

되었다 중금속 축적종을 조사하는 연구는 대체로 광산지역을 중심으로 시행되고 있다 예. .

를 들어 카드뮴은 고사리과 식물 구리는 속새과 식물 아연은 마디풀과 식물이 대체로 높, ,

은 체내함량을 나타낸다는 연구결과가 있었다.

다 향후 기술전망.

환경정화용 자생식물 발굴 를 가진 식물 탐색 을 위해서는 저항성 검정(Hypertolerance ) ①

기술 등 기술 세포 혹(hydroponic culture, cell culture, soil toxicity test bioassay ), ②

은 조직내 오염물질의 분포 이동경로 분해과정 검정기술 세포내 오염물질 대사 관련효, , , ③

소의 활성검정 기술 개발이 기대된다.

환경정화용 유전자의 발굴 및 특허화를 위해서는 중금속 동위원소 농약 유기화합물 등, , ,①

의 결합 분해 수송 배출 관련 효소 및 그 유전자 탐색 질소 인산기 포함 화합물의 흡, , , , ,②

수촉진 혹은 분해 유전자 유기산 혹은 배출 관, , (organic acids, amino acids) chelator③

련 유전자 개발이 기대된다.

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유전자 도입을 통해 흡수 정화 능력이 개선된 유용식물개발을 위해서 식물형질전환기, ①

술 유전자의 조직 혹은 기관 특이적 발현 유도기술 증대기술 개발이 기대, , biomass② ③

된다.

조성기술을 확보하기 위해서는 토양 분석 관리 기술 입지조성 기술Field plot , , ,① ② ③

상부 및 하부 식생조성 기술 식생관리 기술 등이 필요하다, .④

생태계 기술을 위해서는 토양 및 식생 변화 분석기술 스트레스 분석기Monitoring ,① ②

술 정화효과 분석 기술 등의 개발이 기대된다, .③

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제 장5

전 망

황사문제를 포함한 지구환경문제를 해결하기 위해서는 우리는 구체적으로 무엇을 하여야 하

는가 세기는 인류가 당면한 환경문제 식량문제 보건문제 및 에너지문제를 해결할 수? 21 , ,

있는 생명공학시대라 한다 특히 식물생명공학은 이들 모든 문제를 동시에 해결할 수 있는.

유일한 분야이다 가뭄 자외선 온도변화 환경오염물질 등 열악한 환경에도 잘 견디는 환. , , ,

경내성유전자를 분리하여 이용하는 식물분자육종 방법은 기존의 육종방법으로는 거의 해결

이 불가능한 복합재해에 강한 새로운 식물 개발이 가능하게 되었다 특히 건조지역 환경오. ,

염지역 등 척박한 토양에도 잘 적응하는 우수한 농작물과 나무의 개발이 기대된다 복합재.

해에 강한 농작물 개발은 식량자급률이 를 밑도는 우리나라의 식량자급률 향상에도 기30%

여할 수 있고 사막화가 진전되고 있는 중국과 북한의 척박한 토양에도 잘 자랄 수 있는 농,

작물 개발로 연계되어 동북아시아의 안정적인 식량공급에도 크게 기여할 것이라 기대된다.

정부는 과학기술부 작물유전체기능연구사업단 농촌진흥청 바이오그린 사업단에서 재해내, 21

성 식물개발에 필요한 연구가 시작되고 있어 다행스러운 일이다 나아가 한국 중국 일본은. , ,

환경공동운명체라는 점을 인식하고 환경문제의 원인을 제거하는 일과 복합재해내성 식물개

발에 공동의 노력을 기울여야 할 것이다.

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지구적으로 벌어지는 환경문제 해결을 위해서는 이웃나라와의 국제적 공조가 필수적이며,

늦다고 생각될 때가 가장 빠르다 는 마음가짐으로 정부와 국민은 적극적으로 임해야 한다“ ” .

일본은 사막이라고는 없지만 오래 전부터 정부와 민간단체가 중심이 되어 중국의 사막화방

지에 관한 연구와 녹화사업을 대대적으로 추진하고 있다 동경대학 명예교수 한분은 정년이.

후 중국 사막화지역을 누비면서 나무를 심는 일에 여생을 바치고 있어 우리에게 시사하는

바가 크다 우리 정부와 기업 나아가 국민모두가 지구환경문제를 해결하는 일은 더 이상 미.

룰 일이 아니며 인간 생존에 최우선과제로 생각하고 적극적인 대응책이 제시되어야 할 것이

다.

이제 우리 사회의 모든 분야에서 생태계를 먼저 생각하는 발상의 전환이 필요한 때이다 인.

간중심의 생명관 에서 지구는 인간 뿐 아니라 다양한 종류의 동(ethics of antropocentrism)

물 식물 미생물 등의 생명체가 공존하는 생물중심의 생명관 으로, , (ethics of biocentrism)

바뀌어야 한다 나아가 지구상에 존재하는 무생물도 함께 존재할 가치가 있는 생태중심의.

생명관 으로까지 모두의 생명관이 확대되어야 위기에 처한 지구환경(ethics of ecocentrism)

을 복원할 수 있을 것으로 기대된다.

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