김정회 교수 사진     미생물균주(캔디다 트로피칼리스) 사진     2.5리터 실험실용 발효기

  KAIST(총장 서남표)는 생명과학과 김정회(金政會, 55) 교수팀이 첨단 바이오 기술을 이용하여 세계 최고 수율의 자일리톨 생산 미생물 균주(캔디다 트로피칼리스, Candida tropicallis) 및 생산공정을 개발했다고 발표했다.

金 교수팀이 개발한 고수율 자일리톨 생산 균주는 유전공학 기술을 통해 생물학적 자일리톨 생산방법이 가진 친환경 및 인체무해 특성은 유지하면서 기존 균주들의 생산성 제한 요인은 개선된 균주다. 또한 생산수율을 이론치에 근접한 98% 이상으로 향상시켜 원가절감을 통한 우수한 경제성을 확보하게 되어 기존 화학적 자일리톨 생산방법을 대체할 수 있게 됐다.

지금까지의 자일리톨 생산방법은 자작나무와 옥수수 속대 등과 같은 원재료를 가수분해하여 자일로스를 추출한 후 이를 고온 고압 하에서 중금속인 니켈을 촉매로 사용, 수소첨가반응을 이용하는 화학적 방법을 사용해 왔다. 그러나, 이러한 화학적 방법은 환경오염 문제와 더불어 니켈과 같은 중금속 사용으로 인해 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있으며, 고온고압의 수소를 사용하기 때문에 대형폭발이나 화재의 위험이 있다. 또한 원재료에서 추출한 자일로스를 다른 부산물들과 분리하여 고순도로 정제하는 공정이 반드시 필요하기 때문에 생산비용이 크게 증가할 뿐만 아니라, 정제 과정에서 발생하는 자일로스의 유실로 인해 최종수율이 50~60% 수준에 불과하다. 이러한 화학적 방법의 문제들을 해결하기 위해 자일리톨 제조업체들은 대량생산 적용이 가능한 생물학적 방법에 필요한 고수율 자일리톨 생산 균주 개발에 지속적인 관심을 보여 왔다.

金 교수팀이 개발한 고수율 자일리톨 생산 균주를 적용할 경우, 원재료로부터 추출한 자일로스를 정제과정 필요 없이 직접 미생물 반응을 통해 98%이상 자일리톨로 전환할 수 있어 화학적 방법보다 높은 자일리톨 전환수율을 달성할 수 있다. 또한 화학적 방법에서와 같이 자일로스를 고순도로 정제할 필요가 없어 생산원가 절감은 물론 정제로 인한 자일로스 유실이 없어 생산성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 전환된 자일리톨을 제품화하기 위한 결정화 공정에 영향을 미치는 아라비톨 등과 같은 부산물의 생성을 억제함으로써 결정수율을 화학적 공정보다 20~30% 이상 향상시킬 수 있다. 특히, 기존 균주 사용시 필요했던 용존산소농도 조절 등과 같은 까다로운 관리 공정을 필요로 하지 않아 생물학적 방법을 통한 대량생산에 적용할 수 있는 길을 열었다. 이에 따라 최근 자일리톨 수요 급증과 더불어 생산시설 확대를 추진하고 있는 자일리톨 제조업체들로부터 상당한 관심을 모으고 있다.

金 교수는 “화학적 자일리톨 생산방법을 대체하기 위해 다양한 균주들을 개발해 왔으나 대량생산에 실제 적용이 가능한 고수율 자일리톨 생산 균주의 개발은 세계 최초”라면서 “특히 기존의 화학적 방법보다 25% 이상의 생산 수율 향상과 함께 20% 이상의 원가절감을 달성할 수 있어 지배적인 자일리톨 생산기술로 자리 잡을 것으로 기대한다” 고 밝혔다.

현재, 金 교수팀은 고수율 자일리톨 생산 균주 및 생산공정 관련 기술에 대한 국내특허 1건을 등록하였으며, 추가적으로 국제특허 5건과 국내특허 1건을 출원하였다. 또한 국내 바이오 전문업체와 협력하여 대량생산 적용을 위한 시험생산 테스트를 이미 완료하였으며, 이를 바탕으로 중국, 미국, 유럽, 호주, 남미 등의 주요 자일리톨 제조업체 및 신규시장진출업체들을 대상으로 기술이전 및 상용화를 추진하고 있다.

천연감미료인 자일리톨은 충치 억제 효과로 인해 롯데, 오리온 등을 비롯한 국내 제과업체들이 껌과 캔디 등의 제품에 사용하면서 국내에 널리 알려졌다. 자일리톨은 저칼로리 특성과 함께 당도, 용해도 등에서 설탕과 가장 유사한 감미료, 그리고 FAO(국제연합식량농업기구)와 WHO(세계보건기구)의 합동 식품규격위원회가 “일일 허용섭취량을 제한하지 않음”으로 분류할 정도로 식품으로서의 높은 안전성 등으로 인해 설탕 대체감미료로서 제과, 음료수, 유제품, 제빵 등 다양한 식품 분야로 그 활용이 급속히 확대되고 있다. 특히 업계 전문가들은 비만이 사회적 문제로 부각되면서 비만 유발 성분 중 하나인 설탕 사용에 대한 규제가 지난 2000년부터 전 세계적으로 본격화되면서 자일리톨을 비롯한 설탕 대체감미료에 대한 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 전망하고 있다.

세계 자일리톨 시장은 최근 2~3년간 연평균 35% 이상의 시장성장률을 기록하고 있으며, 2007년에는 전세계적으로 6,000억원 이상의 시장을 형성하고 있다. 현재 자일리톨 생산량의 50%가 EU 국가들에서 소비되고 있으며, 아시아가 30%, 나머지 20% 정도가 미국 등에서 소비되고 있다. 특히 최근에는 중국에서의 자일리톨 수요가 급증하면서 시장 성장을 가속화시키고 있다. 이러한 자일리톨 시장은 설탕 사용에 대한 규제가 각국에서 본격화되고 원재료의 다양화를 통한 주요 업체들의 생산능력이 확대가 본격화되는 2010년 이후에는 연평균 50% 이상 성장할 것으로 보인다.