2.1.1. 배양육에 사용되는 세포

2.1.2. 배양액: 소태아혈청과 무혈청 배지

배양액은 세포의 먹이라고 할 수 있으며, 그만큼 세포 배양에 있어서 중요한 부분이다. 배양액에는 세포의 배양을 원활하게 하기 위한 여러 가지 물질이 첨가되는데, 이때 소태아혈청(Fatal Bovine Serum, FBS)이 주로 사용되어 왔다. FBS는 호르몬, 성장인자 및 부착인자 등 세포 배양에 필요한 물질들이 포함되어 있고, 산화스트레스 등으로부터 세포를 안정적으로 성장시켜 줄 수 있는 단백질을 가지고 있다. 또한, 출산되기 이전의 소태아에서 분리되어 면역 거부 반응을 적게 유발한다는 장점이 있다[34].

하지만 FBS가 갖는 여러 장점들보다 더 큰 문제점들이 존재한다. 먼저, FBS는 임신우의 자궁을 적출해 소태아의 심장에 바늘을 꽂아서 채취하기 때문에 동물 복지에 일조한다는 배양육의 장점과 상충한다. 또한, 임신우의 품종, 개체, 임신 기간에 따라 FBS의 품질이 달라질 수 있으므로 대량생산에 적합하지 않으며, 규명되지 않은 성분이 포함될 수 있고 가축 질병 오염원에 대한 위험성이 존재한다. 그뿐만 아니라 FBS는 전 세계적으로 연간 80만 L가 생산되는데, 이는 현재 기술력으로는 2,240 kg의 배양육을 만들 수 있는 양이며[35] 2020년 기준 전 세계 육류 소비량이 연간 312백만 톤인 것을 감안하면 매우 적은 양이다. 경제적인 문제도 존재하는데, FBS의 가격은 2020년 12월 기준 $1,000/L(한화 약 110만 원)으로 이는 배양육 생산 비용을 높이는 요인 중 하나이다[32].

이러한 이유로 최근 FBS를 대체하기 위해 혈청을 첨가하지 않은 배양액인 무혈청 배지(serum-free media)에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 무혈청 배지는 제조과정에서 동물복지 문제가 발생하지 않으며 FBS에 비해 가격이 저렴하다. 또한, 무혈청 배지의 혈청 대체 물질들은 정량되어 첨가되므로 구성 성분이 명확하며, 외부로부터의 오염이 차단된 상태에서 만들어지기 때문에 안전하다는 장점이 있다[36]. 하지만 세포 종류마다 다른 배지와 다른 배양 방식을 사용해야 하므로 적용 가능한 세포주가 매우 한정적이고 혈청 배지에 비해 분열 및 성장 속도가 느려지는 경우가 있다. 또한, FBS에는 포함되어 있던 세포 성장에 필수적인 물질들을 추가로 첨가해 줘야 하며 이에 따라 비용이 증가한다는 단점이 존재한다[34].

2.1.3. 배양방식: 부유 배양과 부착 배양

대부분의 동물 세포는 부착하여 증식하며, 배양육에 사용되는 근육 세포 또한 부착성 세포이다. 배양육 생산 시 사용되는 배양 방식으로는 부유 배양 방식, 부착 배양 방식이 있다.

세포를 부착시키지 않고 배양하는 부유 배양 방식은 부착 배양 방식에 비해 성장 속도가 느려지지만, 의약품 개발을 위한 세포 배양에 이미 사용하고 있는 방식이므로 대량생산이 쉽다는 장점이 있다[37]. 하지만 부유 배양 방식을 사용하면 근육으로의 분화가 일어나지 않아 실제 육류의 식감을 그대로 재현하는 데 한계가 있고 영양성분 또한 달라질 수 있다[33]. 배양육 생산 기업인 잇저스트와 퓨처미트는 부유 배양 방식을 사용하여 배양육을 생산하고 있는 것으로 알려져 있다.

부착 배양 방식은 세포가 붙어 자랄 수 있는 지지체인 스캐폴드(Scaffold)를 이용하는 방식이다. 부착 배양 방식으로 세포를 배양할 때 세포가 스캐폴드 내의 모든 공간을 채우지 않고 일부 공간은 남게 되는데, 이 공간이 모세혈관과 같은 역할을 하여 배양액이 세포에 영양분을 공급하고 노폐물을 제거할 수 있게 한다. 스캐폴드를 이용하여 생산한 배양육은 단순한 분쇄육(mined meat)이 아니라 덩어리 고기처럼 씹는 맛이 있기 때문에 식감의 측면에서 강점을 가진다. 하지만 기존에 사용하던 부유 배양 방식의 배양기를 사용할 수 없으므로 다른 방식의 배양기를 처음부터 고안해 내야 한다는 단점이 있다[37].

부착 배양의 또 다른 방법으로는 마이크로캐리어(microcarrier)에 세포를 부착시키는 방법이 있다. 마이크로캐리어는 통상적으로 100~400 μm 내외의 덩어리 형태의 지지체이며 매우 작기 때문에 이미 개발되어 있는 부유 배양 방식의 배양기를 사용할 수 있다. 하지만 마이크로캐리어를 이용하면 최종산물인 배양육에서 마이크로캐리어가 차지하는 부분이 세포보다 더 많아진다. 또한, 장기 배양할 때 종종 마이크로캐리어끼리 붙어 동일한 품질의 배양육을 얻기 어려우며 심지어는 접합 부위의 세포가 괴사하는 경우도 있다[37].

2.1.4. 배양육의 환경영향

배양육은 환경오염에 미치는 영향이 적어 친환경적인 육류라는 인식이 강하며, 영어로 ‘clean meat’라고도 부른다. 앞서 언급했듯이 실제로도 배양육은 전통적인 축산업보다 온실가스 배출량을 96% 줄일 수 있다. 하지만 이 수치는 배출‘량’에만 중심을 둔 수치이다. 각각의 온실가스는 지구온난화에 기여하는 정도가 다르며 축산업에서 가장 큰 문제로 대두되고 있는 메탄가스의 경우, 지구온난화지수(GWP)가 이산화탄소보다 21배 크지만 대기 중 체류 시간이 12년으로 짧다. 반면 배양육 생산에서는 화석연료의 사용으로 이산화탄소가 배출되는데, 이산화탄소는 대기 중 체류시간이 5~200년이므로 메탄보다 훨씬 오랜 기간 온실효과를 일으킨다. 옥스퍼드 마틴스쿨의 존 린치(John Lynch) 박사 연구팀은 이러한 온실가스의 특성을 언급하며 배양육과 기존 소고기 생산방식이 지구온난화에 미치는 영향을 비교한 연구 결과를 내놓았다. 결과는 일반적으로 기존 소고기 생산 방식이 배양육에 비해 더 큰 지구온난화를 초래하지만, 기존 소고기 생산과정에서 발생하는 메탄가스에 의한 지구온난화는 시간이 지남에 따라 지구온난화 정도가 감소하고 안정화되는 반면, 배양육 생산과정에서 배출되는 이산화탄소는 대기에 축적되어 지구온난화가 비교적 오랜 기간 지속되므로 일부 시나리오에서는 기존 축산업보다 지구온난화에 기여하는 정도가 크다고 발표했다. 따라서 존 린치 박사 연구팀은 현재로서는 기후적인 측면에서 배양육이 기존 축산업보다 우월하다고 할 수 없으며, 배양육이 환경에 미치는 영향은 탄소 배출이 없는 에너지의 이용 가능성 등에 달려있다고 결론지었다[38]. 이 연구는 미래에 개발될 수 있는 친환경적인 배양육 생산방식을 고려하지 않았지만, 배양육이 친환경적이라는 인식을 검토해야 할 필요성을 제기한다는 점에서 의의를 가진다.

2.1.5. 국내외 산업 현황

2.2.1. 식용 곤충의 환경/영양적 특성

곤충은 기존 육류에 비해 높은 토지 이용 효율을 보인다. 사육장 면적이 100배까지 작으며, 번식률 또한 높아 빠른 기간 내에 대량 생산이 가능하다. 같은 양의 단백질 대비 필요한 사료의 양이 육류의 10배 정도 적으며, 물 소비량은 1500배까지 적다. 곤충은 기존의 가축보다 60배 적게 온실가스를 배출한다[46]. 단백질 함유량은 소고기, 달걀과 비슷한 정도이며(Fig. 2), 불포화 지방산의 비율이 높고, 무기질 함량 또한 높아 영양적으로도 뛰어난 것으로 평가된다.

Fig. 2.

The protein content of edible insect [47].

2.2.2. 식용 곤충 사육 방법과 가공 기술

곤충을 식용을 목적으로 가공하기 위해서는 안전성이 입증되어야 한다. 야생에서 채집한 곤충은 먹이와 서식 환경을 파악하기 어렵기 때문에 실내 사육장에서 키운 곤충을 이용해야 한다. 곤충은 종류 별로 특성이 다르기 때문에 사육 방법이 다르다. 국내에 식용 곤충으로 등록된 종류 중 하나인 흰점박이꽃무지의 사육 방법은 다음과 같다.

사육장의 온도는 25~27℃를 유지하며, 발효 톱밥의 수분 함량은 60~65%를 유지한다. 애벌레 단계일 때는 영양 발효 톱밥을 먹이로 주며, 질병을 예방하기 위해 사육 상자 내 환기가 매우 중요하다. 번데기 단계에서는 번데기방이 훼손되지 않도록 주의한다. 성충 단계에서는 과일, 곤충 제리포, 인공먹이 등을 먹이로 주며, LED 등을 설치하여 2일에 한 번씩 점등해야 한다[48].

식용 곤충 가공 기술의 대표적인 예로는 단백질 추출 기술이 있다. 곤충의 단단한 피부와 껍질을 형성하는 주성분인 키틴은 무기질과 비타민 등의 함량이 높지만 섭취 시 체내 소화가 잘되지 않아 식품 가공에 대한 어려움이 있었다. 2020년 한국식품연구원 가공공정연구단 최윤상 박사 연구팀은 곤충의 키틴을 제거하는 단백질 추출 기술을 개발했다. 곤충의 수분과 지방을 제거한 후, 단백질의 용해와 원심분리를 활용하여 단백질을 분리하는 기술이다. 이로 인해 키틴을 제거하고, 필수 아미노산 지수를 향상시킬 수 있었다. 식용 곤충은 혐오적인 외관으로 인해 섭취에 대한 소비자들의 부정적인 인식이 강했다. 하지만 단백질 추출 기술을 이용해 식용 곤충의 단백질 추출물을 뽑아 다양한 형태로 개발할 수 있게 되었다[49].

2.2.3. 식용 곤충의 국내외 현황

곤충 관련 산업 규모는 국내 시장은 5,373억 원에 이르며, 세계 시장 규모는 38조 원에 이른다. 네덜란드의 식용 곤충 유통회사인 ‘Sligro’는 현재 식용 곤충을 제조 및 판매하고 있다. 그 외에도 다양한 국가에서 곤충을 사용한 제품을 제조해서 판매하고 있으며, 곤충 식품을 판매하는 식품점과 식당이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다[47]. 국내에서도 식용 곤충에 대한 관심이 증가하고 있다. 2021년 스타트업 기업인 ‘에쓰푸드’는 갈색거저리 유충으로 만든 단백질바를 출시했다. 추가로 앞으로도 식용 곤충을 이용한 여러 제품을 개발할 것이라는 계획을 발표했다[50]. 또한 롯데제과는 식용 곤충 기술 제휴와 상품 개발 협업을 위해 캐나다의 식용 곤충 제조기업 중 하나인 ‘아스파이어 푸드 그룹’에 100억 원을 투자했다[51].

2020년 기준 곤충사업장은 2873개소로 2019년 대비 13.3% 증가하였다. 생산업 2683개소, 가공업 570개, 유통 1404개소이며 지역별로는 경기, 경북, 충남 순으로 높았다.

곤충 별 생산 현황은 흰점박이꽃무지(1242개소) > 장수풍뎅이(407개소) > 귀뚜라미(279개소) > 갈색거저기(274개소) > 동애등에(166개소) > 사슴벌레(152개소) > 누에(33개소) > 기타(153개소) 순이다[52].

2.2.4. 식용 곤충의 해결해야 할 과제

기존 육류와 비교했을 때 더 뛰어나다는 평가를 받은 식용 곤충이 국내에서 저조한 성적을 보이는 이유는 무엇일까. 우선, 식용 곤충은 국내에서 알레르기 원인 식품 표시 대상으로 등록되어 있지 않다. 식용 곤충에는 ‘트로포미오신’이라는 갑각류 알레르기를 유발하는 성분이 함유되어 있다. 한국소비자원에서는 2013-2016년 동안 식용 곤충을 섭취한 경험자들 중 9.2%가 식용 곤충으로 인해 불편한 점을 겪었는데 그중 알레르기 증상이 26.1%를 차지하며 가장 높은 비율을 보였다. 신촌 세브란스 병원 알레르기 내과 박경희 교수는 “알레르기가 심하면 사망을 유발하는 아나필락시스 쇼크를 유발할 수 있다”라고 말했다[53]. 한국소비자원은 식품의약품안전처에 식용 곤충을 알레르기 원인 식품으로 표기해 달라는 요청을 하였으나, 식용 곤충은 아직까지는 알레르기 발생 빈도가 높지 않고, 상용화까지 시간이 걸릴 것으로 예상되기 때문에 표시 대상으로 등록하기에 시기상조라는 결론이 났다[53].

식용 곤충이 상용화되기 위해서는 원활한 원재료 공급이 이루어져야 하는데, 현재 국내에서 식용이 가능한 곤충은 극히 적으며, 님비현상으로 인해 사육장 설치에 어려움이 있는 경우가 있다. 실제로 2021년 지렁이 사육장이 들어서는 것을 반대하기 위해 경북 봉화군청 앞에서 주민들이 집회를 나섰다. 주민들은 사육장이 들어서면 악취와 각종 환경오염을 일으킬 것이라며 사육장 설치 반대를 주장했다. 지렁이의 사료로 음식물 쓰레기와 같은 폐기물을 사용하기 때문에 악취가 날 것이며, 혐오감을 불러일으키는 시설이 집 근처에 들어서선 안된다는 이유였다[54].

곤충 사육장은 폐수 처리장, 음식물 쓰레기 처리장 등의 다른 혐오시설들과는 다르게 필수적인 시설이 아니다. 또한 국내에서는 식용 곤충이 아직 상용화되지 않아 사육장 설치가 급한 문제는 아니지만 대체 단백질에 대한 관심과 산업 규모가 매년 증가하고 있기 때문에 멀지 않은 미래에 해결해야 할 과제이다. 지역 주민들이 곤충 사육장을 혐오시설로 여기는 이유 중 곤충의 먹이가 음식물 쓰레기이기 때문에 악취를 유발할 것이라는 주장이 있었다. 실제로 음식물 쓰레기(혹은 식품공장 등의 배출 폐기물)를 먹이로 사용하는 곤충 사육장이 있지만 곤충 사육과 폐기물 처리를 동시에 해결할 수 있다는 이점이 있다. 악취가 발생할 경우 폐수처리장이나 음식물 쓰레기 처리장 등에서 사용하는 악취 제거 설비를 설치하는 해결 방법이 있다. 하지만 사육장 설치 비용보다 악취 제거 설비 설치에 비용이 더 많이 소요되는 배보다 배꼽이 더 큰 경우가 발생할 수 있다.

다른 해결 방법으로는 정식 곤충 사료를 제작하는 방법이 있다. 경북 예천군에서 흰점박이꽃무지를 사육하고 있는 한 사업자는 ‘소, 돼지 등의 가축과는 다르게 곤충은 시판되는 정식 사료가 없다’고 말했다. ‘곤충 사료 판매 업체가 전국에 3~4군데 있지만 품질이 균일하지 않아 애를 먹고 있다’고 덧붙였다[54]. 곤충의 종류마다 사육방법이 다른 것처럼 각 종류에 맞는 사료의 개발도 중요하다. 곤충 사육장에서 정식 사료를 사용한다면 악취가 날 것이라는 인식을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 곤충의 생육 기간이 단축될 것이다.

식용 곤충은 아직 상용화되지 않았다는 이유로 알레르기 표시 제한 대상에서 제외된 것처럼 식용 곤충 산업에 대한 지자체 지원 기준이 명확하지 않다. 농림축산식품부에 따르면 2020년 곤충 산업에 투입된 지원금은 165억 원이다. 곤충 사육 시설, 장비 지원, 곤충 관련 행사, 유통 활성화 등을 지원했다. 지자체 지원의 예시로 충북은 2021년 곤충 사육 시설 확대를 위해 농가당 3억 원 안팎의 지원금을 지급하였다. 또한 곤충종자보급센터를 건립하였고, 농업기술센터에서 곤충 사육 전문 인력을 양성하고 있다. 그에 반해 부산시는 부산 강서구와 기장군에 11개의 곤충 사육 농가가 있었으나, 곤충 산업에 대한 지원이 미미해 대부분이 경영난으로 폐업을 하였다. 경기지역은 곤충 산업에 대한 지원 사례를 찾아보기 힘들고, 울산시 역시 대규모인 곤충 산업 농가 두 군데 중 한 군데는 폐업하였다[54]. 축산법의 개정으로 곤충이 가축으로 분류된 지 4년이 지났지만 사육 시설이나 산업 규모 등이 법에 명확히 명시되어 있지 않다. 이러한 문제가 해결된다면 식용 곤충이 상용화될 시기가 더욱 앞당겨질 것이다.

2.2.5. 식용 곤충의 전망

식용 곤충은 아직 상용화되지 않았으며 부정적인 인식이 강하지만, 곤충을 보다 안전한 식품으로 만들기 위한 기술 개발이 활발히 진행 중이다. 식용 곤충 기술 관련 특허는 2019년 기준 167건의 특허가 출원되었으며, 식용 곤충 기술 관련 논문은 2010년 이후로 꾸준히 증가하여 2019년 기준 423건이 발표되었다.

국내에서는 곤충산업의 규모를 증가시키고, 사육환경과 사료 표준화, 가공, 유통 등의 경쟁력을 확보하기 위해 올해 괴산군 사리면 이곡리에 곤충 산업 단지 조성을 추진하고 있다. 정식 사료 개발에 70억 원, 식용 곤충 분야에 200억 원의 예산이 확보되었다. 곤충사업장은 2012년 908개소에서 연평균 21.8% 성장하였으며, 2020년 기준 2873개소로 증가하였다. 산업 규모 역시 2012년 60억 원에서 2020년 기준 414억 원으로 추정될 정도로 성장하였다. 또한 지역별로 곤충 산업을 지원하기 위해 경기도, 경남도, 경북도 등에 지역곤충자원화센터를 구축할 계획이다.

곤충산업 거점 단지의 조성은 식용 곤충이 미래 식량으로 정착할 수 있는 기반 마련을 위해 필수적이다. 곤충의 생산, 사육, 가공시설 및 유통 시스템 등 구축을 통해 곤충산업의 체계를 마련할 필요가 있다. 곤충 사료 가공시설 및 R&D 시설 등을 구축하고, ICT 사육사, 가공, 유통 및 질병검사, 안정성 거마 등의 시스템을 구축할 예정이다. 표준화된 시스템을 통해 균일한 품질의 곤충을 생산, 가공, 유통하여 국내 곤충산업의 시장규모가 확대될 것으로 기대된다[52].

인구 증가로 인한 식량 부족과 기존 육류의 대체 단백질로서 식용 곤충에 대한 관심은 꾸준히 증가하고 있다. 세계적으로 식용 곤충을 섭취하는 인구는 2억 명으로 예상되며, 이후 10년간 식용 곤충 섭취 인구는 10억 명이 넘을 것으로 전망된다. 글로벌 마켓 인사이트는 곤충산업의 규모는 이후 큰 폭으로 성장해 2026년에 약 7억 달러 이상의 규모에 이를 것이라고 예상하였다. 태국의 경우 식용 곤충 7,500톤/년을 생산하고 있으며, 중국의 HaoCheng Mealworm은 50톤/월을 생산하여 전 세계에 200톤을 수출하고 있다[55]. 식용 곤충 시장은 전 세계적으로 증가하고 있으며, 관련 기술과 제품 종류 역시 성장하고 있다. 현재는 혐오스러운 외관과 부정적인 인식으로 인해 분말가루나 단백질바의 형태로 제품을 생산 및 판매하고 있다. 하지만 식용 곤충 시장의 규모가 커지고 가공 기술에 대한 연구가 더욱 활발히 이루어진다면 기존 육류를 대체할 수 있는 미래 단백질원의 중추 역할을 할 것이라고 예상된다.

2.3.1. 식물성 대체육의 특징

식물성 대체육은 식물에서 추출한 단백질을 공정 과정을 거쳐 육류와 유사한 맛과 형태가 나도록 제조한 고기를 의미한다. 주로 이용되는 원료는 밀과 대두이며, 밀에는 글루텐 단백질이 포함되어 있다. 글루텐 단백질은 간단한 처리 공정이 장점이며, 콩 단백질과의 결합을 통해 육류량을 증대할 수 있으며 모양 형성 또한 편리하다. 대두 단백질은 주로 성분 보강과 식감 개선 등의 부원료로 이용된다[56].

식물성 대체육은 기존 육류와 비교했을 때 낮은 지방의 함량과 높은 단백질 함량이 큰 특징이다(Table 1). 또한 제조과정 중에 첨가되는 부원료가 많은 편이므로, 부원료와 단백질의 종류, 그리고 조직화 기술 등에 따라 다양하게 제품을 제조할 수 있다.

Table 1.

Result of comparison of soybean and animal protien [57]

2.3.2. 식물성 대체육의 공정 및 구분

식물성 단백질을 통해 육류 대체 식품을 만드는데, 생산공정 및 사용 목적에 따라 육류 보완 제품과 육류 유사 제품으로 나뉜다. 육류 보완 제품은 압출성형공정을 이용하여 제조하며, 부풀어지고 기포를 갖는 비연속적인 망 형태의 식물성 조직 단백을 통칭한다. 육류 보완 제품은 단독으로 이용하기보다는 기존 육류에 증량제로 활용하는 경우가 많으며, 구조를 더 해주거나 수분과 향미를 흡착하여 원료비용을 낮출 수 있다.

육류 유사 제품은 기존 육류 제품을 대체하여 사용할 수 있는 제품을 통칭한다. 육류 유사 제품은 육류 보완 제품보다 복잡한 공정을 거쳐 기포도 없고 더 치밀한 관상 섬유조직을 가진다[57]. 대체하려는 대상 육류 제품과 같은 형태와 맛, 조직감을 가져야 한다. 조리 후에도 육류와 유사한 식감과 촉감을 유지할 수 있도록 제조된 제품이다[57,58].

공정에서 요구하는 육조 식감은 씹힘성, 탄력성, 연화, 다즙성 등이 복합적으로 내재한 개념으로, 근육섬유 단백질과 결합조직 단백질의 물리적 요소로 섬유상을 유사하게 만들었을 때 충족된다. 식물성 단백질은 일반적으로 무결정 조직을 갖고 있기 때문에 단백질을 변형시키고 조직을 형성해 주는 조직화 공정이 필요하다. 조직화 공정에는 방사법, 증기법, 효소 사용, 응고법 등이 있지만, 일반적으로 사용하는 주공 정법은 압출성형공정이다.

압출성형공정은 식물성 단백질을 적당량의 물과 혼합하여 콩 단백질이 수화되고, 층을 형성하여 씹힘성을 만족할 수 있다. 탈지 대두분과 농축대두단백 등을 물과 혼합하여 압출기에서 가열하면, 압출기 내에서 원료의 탄수화물, 단백질 등의 영양소가 압력과 열, 기계적 전단력의 복합 작용으로 가소성을 갖게 된다[57]. 이 방법을 통해 콩 단백질 분자가 어느 정도의 방향성을 가지게 되며, 응고되어 육류와 비슷한 조직이 생겨 씹힘성을 준다. 압출성형공정은 에너지 소비가 적고, 가공 원가가 낮으며, 다양한 원료를 사용하여 다양한 제품을 생산하는 것이 특징이다[57].

압출 공정으로 제조한 제품은 층이 균일하고 평행하며, 꼬임이 없고 스폰지성이 없는 조직을 얻게 된다. 단백질이 50% 이상이고, 지방 함량이 6~7%가 적당하다. 탄수화물 함량이 높을수록 육류의 조직을 형성하는 단백질 분자의 결합이나 상호작용에 방해를 받으므로 조직화에 어려움이 있어, 탄수화물 함량은 낮은 편이 좋다[57].

2.3.3. 식물성 대체육 원료의 기능비교

그렇다면 대체육에 사용되는 식물성 단백질은 무엇이 있으며, 어떤 종류가 가장 효율이 높을까? 식물성 단백질의 종류와 함량은 최종 식품의 기능적, 이화학적 품질에 영향을 미친다[59]. 흔히 쓰이는 식물성 단백질은 분리대두단백, 활성 글루텐, 완두콩 단백질, 쌀 단백, 녹두 등이 있다. 분리대두단백은 콩에 포함된 올리고당과 수용성 다당류가 제거되어 높은 단백질 함량을 가지는 단백이다. 활성 글루텐은 밀 전분을 생산할 때 발생하는 부산물로, 불용성 단백질이다. 글루텐은 이중구조를 가져 분리대두단백과 함께 가공할 때 이황화 결합을 촉진하여 조직화를 강화한다[59]. 완두콩 단백질은 다른 두류에 비해 비교적 높은 겔화 능력을 가지며, 유화 안정성이 있어 현재 햄버거 패티의 주원료나 식육 가공품의 부원료로 많이 사용된다. 쌀 단백은 밀과 비교하여 필수 아미노산인 라이신 함량과 소화율이 높다. 치킨 너깃 등에 첨가했을 시 함량의 증가에 따라 보수력이 향상하고, 감열 감량은 감소하여, 기존 가공육의 조직감을 개선한다. 녹두는 플라보노이드계 물질 등 기능성 물질을 다량 함유하고, 탄수화물과 단백질이 많다. 또한, 압출성형을 통한 대체육의 재료로 사용되며, 완두나 밀 소재보다 높은 단백질 용해도와 수분 흡수율을 보인다[59]. 우수한 대체육의 제조를 위해 실험을 진행한 결과 조직감 및 기능성 면에서 차이를 볼 수 있었다.

수분 흡수력은 단백질 분자의 구조적 특성과 단백질 분자 내 아미노산의 소수성 및 친수성의 균형 등에 영향을 받는다[60,61]. 유지 흡수력은 농축 단백 내 비공유결합, 소수성과 같은 지질과 단백질 분자의 상호작용에 영향을 받는다[59]. 위의 재료들을 수분 흡수력과 유지 흡수력을 비교한 결과, 수분 흡수력은 분리대두단백이, 유지 흡수력은 글루텐이 가장 높은 수치를 나타냈다(Fig. 3).

Fig. 3.

Water or oil absorption capacity [59].

분리대두단백의 높은 용해도와 친수성 아미노산의 함량이 영향을 미쳤으며, 글루텐의 친유성 아미노산 함량이 높아 유지와 강한 상호작용이 있었기에 높은 수치를 기록할 수 있다. 그 밖에도 분리완두단백을 보면 같은 소재여도 분자 간의 밀도가 상대적으로 낮고, 분자의 크기가 크면 유지 흡수력이 더 높게 나온다는 사실을 알 수 있다[59]. 높은 탄수화물 함량을 가진 소재는 탄수화물이 단백질 분자의 조밀성에 영향을 줘서 수분 흡수력과 유지 흡수력이 낮게 나왔다.

유화 안정성은 지방과 수분이 분리되지 않고 본연의 성질을 유지하려는 성질이다. 유화 활성이나 유화 안정성을 비교한 결과, 글루텐이 가장 높은 값이 나왔다(Fig. 4).

Fig. 4.

emulsifying properties [59].

완두 단백이나 글루텐의 경우 응고나 침전이 적은 특성을 가지는 유화성이 높은 소재이다. 같은 소재라도 높은 유분 흡수력을 지닌 단백질 분자가 유지방과 강한 상호작용을 통해 단백질 막을 조밀하게 형성하여 응집과 유착의 정도가 감소하여 유화 활성, 유화 안정성 수치가 높게 나온다[59]. 수용성 질소 지수는 물에 용해 및 분산되는 수용성 단백질의 측정을 위해 널리 사용된다(Fig. 5). 대체육의 소화 및 조직감과 깊은 상관관계를 지니며 대체육의 품질에 영향을 준다. 이는 녹두가 가장 높은 수치를 기록했다(Fig. 5).

Fig. 5.

DPPH radical scavenging activity [59].

앞서 5가지 품질 특성을 비교해 본 결과 분리대두단백이 대체육 소재로 가장 우세하며, 식물성 단백질의 종류에 따른 차이뿐만 아니라 동일 종의 단백질도 품질에 차이가 있음을 확인할 수 있었다[62]. 이러한 다양성은 원료의 기능적 특성을 가공하는 가공법에 따라 최종제품에 영향을 미칠 것이다.

2.3.4. 식물성 단백질의 한계점

밀 또는 대두를 이용하여 식물성 대체육을 제조하면 글루텐 단백질 알레르기나 대두 알레르기 등이 있는 소비자들에게 섭취가 제한될 수 있다[56]. 콩이나 귀리 등은 자연 상태로 섭취할 경우 식이 섬유나 트립신 저해제, 피틴산 등의 소화 방해 인자 탓에 소화 흡수율이 떨어지므로 식물성 단백질을 분리하여 정제한 후 농축하는 과정을 거쳐야 한다[56].

미국 듀크대 연구팀의 제품 비교 연구 결과에 따르면 축산육과 식물성 단백질로 제조한 대체육의 탄수화물, 단백질, 지방 등의 함량은 큰 차이가 없었다[59]. 차이는 대사산물에서 나타났는데, 가공한 대체육과 축산육을 비교 연구해 보니 특정할 수 있는 190개의 대사산물 중 171개의 함유량이 차이가 있었다[59]. 영양학적만이 아닌 풍미도 부족한 것으로 조사되어 추가적인 연구가 필요하다는 의견이 다분하다.

식물성 대체육 제품은 실제 고기와 유사한 맛을 내기 위해서 여러 첨가물이 들어간 가공식품이다. 주로 이질감을 없애기 위해 양념 맛을 살리는 과정에서 나트륨 함량이 높아지는데, 실제 한국 소비자원이 식물성 대체육으로 가공한 15개 제품의 품질과 안정성 등을 시험한 결과 일부 제품은 나트륨과 포화지방 함량을 낮출 필요가 있다는 것으로 나타났다[63]. 또한 고기의 육즙을 재현하기 위해 사용되는 야자유, 카놀라유 등의 산업적 생산은 생물다양성이 풍부한 열대 지역의 삼림 벌채 및 생태계 교란 문제와 연결된다.

2.4.1. 곰팡이 대체 단백질

대체육을 제조할 때, 사료자원이 부족하여 필요한 자원을 전량 수입하고 있는 우리나라 실정에 적합한 사료 형태는 발효를 시켜 고수분의 유기물 사료를 활용하는 것이다. 일반적으로 발효 조건이 좋지 않을 경우 발효를 신속히 일어나게 하고 단백질 변질을 막기 위하여 미생물을 추가 접종할 필요가 있다[64]. 그러나 호기적 변질은 일반적으로 효모에 의해 시작되고, 많은 수의 효모를 가진 사료일수록 공기 중에 노출될 시 불안정하다.

이때, 곰팡이는 다양한 탄수화물 및 단백질 분해 효소를 생산하여 배양 추출물이 널리 활용되고 있고, 곰팡이가 생산하는 효소는 xylanase, protease 및 amylase 등으로, 이 효소들은 기질 이용성을 증가시킴으로써 동물의 체내에서 생성되는 내인성 효소의 작용을 보충하고, 사료적 가치를 향상시켜 영양소의 소화와 체내 흡수를 용이하게 한다[65].

2.4.2. 마이코프로틴의 시장 확대

마이코프로틴(mycoprotein)은 상업적으로 생산한 고단백질의 진균 바이오매스로, 식품 재료로 쓰는 곰팡이 균사체이다. 최근 한 시장조사 전문기관이 발표한 ‘글로벌 식품 시장 2022년 분석 및 2023년 전망’에서는 육류 대용식품 시장이 2016년 37억 달러 규모에서 연평균 7.5%씩 성장하여 2022년에는 58억 달러 규모로 확대될 것이라 하였고, 그중 마이코프로틴 관련 제품의 성장에 주목하고 있다고 한다.

마이코프로틴은 버섯 곰팡이류 중 하나인 섬유형 균류(Fusarium vemematum)가 만들어 내는 단백질이다. 마이코프로틴을 주원료로 하는 대표적인 식품기업은 영국의 말로우푸드(Marlow Foods Ltd.) 사의 브랜드인 ‘퀸’이다. 1985년 첫 선을 보인 퀸은 초기에 버섯으로 만든 식품으로 소개되기도 하였으나, 현재는 마이코프로틴을 주원료로 만드는 육류 대용 식품의 대명사로 알려지고 있다. 국내에서는 아직 생소하지만 이러한 제품을 이용한 햄버거 패티, 델리, 스테이크, 라비올리, 라자냐 등의 제품이 유럽과 호주, 남아프리카 공화국, 미국을 비롯한 20여 개국에 판매되고 있다.

2.4.3. 마이코프로틴의 특징

마이코프로틴은 실처럼 가느다란 사상균의 형태이며, 닭가슴살 구조와 비슷하고, 실제 고기와 같은 질감을 주어 육류 대용식품의 주성분으로 활용된다. 마이코프로틴 자체는 순수한 균류 단백질이므로 비건이라 할 수 있으나, 대부분의 시판 제품들은 가공 과정에서 우유 성분이나 달걀 흰자가 사용된 경우가 많아 비건보다 미트프리(meat free)에 가깝다.

마이코프로틴은 건조 중량 100 g당 단백질 45 g, 탄수화물 10 g, 섬유질 25 g, 지방 13 g 및 다양한 비타민과 무기질이 들어 있어 영양학적 특성은 육류를 능가한다. 필수아미노산을 모두 갖춘 단백질(PDCAAS 0.996)로, 특히 라이신과 루신의 함량이 높다. 또한 식이섬유소(키틴과 β-글루칸의 혼합물)가 많은 저지방 식품으로, 트랜스지방이나 콜레스테롤을 함유하고 있지 않다는 장점이 있다. 이와 같은 특징이 체내의 혈중 LDL-콜레스테롤과 총 콜레스테롤을 낮추고, 포만감 및 혈당 조절에도 도움을 준다는 연구 결과도 보도된 바가 있다.

2.4.4. 마이코프로틴 제조

마이코프로틴은 섬유형 균류로, 푸사리움(Fusarium) 배양으로부터 제작을 시작한다. 배양종균을 발효 탱크에 넣어 단백질을 만들어 낼 수 있도록 먹이로 미량 무기질과 포도당을 공급하고, 이어 암모니아와 공기를 주입한다.

공기의 산소에 암모니아의 질산염이 더해지면 균의 성장이 활발해진다. 균류의 대사과정에서 발생하는 폐기체는 관으로 배출시킨다. 온도를 유지하기 위한 용도인 냉각수 코일을 이용하여 약 6주간 발효시키면 증식된 균류 단백질이 배양실에 쌓인다. 이를 수집하여 건조 및 열처리, 냉동한 후 풍미와 외관을 더하는 가공 과정을 거친다. 이로써 고기가 들어가지 않은 슬라이스 햄이나 소시지 등의 육류 대용품이 만들어진다.