해양 바이오매스로부터 유용 생리활성 물질의 친환경 추출법 제시

광운대학교 화학공학과 박철환 교수 연구팀(사진)은 국내에서 버려지는 해양 바이오매스로부터 유용물질을 추출하는 경제적이며 친환경적인 기술을 고안함과 동시에, 바이오리파이너리를 통한 해양 바이오매스의 지속 가능한 활용 방안을 제시하였다.

지구온난화의 심화에 따라, 탄소 중립이라는 키워드가 연구의 중요 목표로 떠오르고 있다. 해조류는 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하며 고농도의 탄수화물과 생리활성 물질을 포함하고 있어 바이오리파이너리의 원료로 적합한 저탄소 바이오에너지원이다. 해조류 중에서도 대형 조류는 수확 및 가공 단계에서 발생하는 폐기물이 많고, 폐기물들은 바로 바다에 버려져 해양 환경을 오염시킨다. 이러한 폐바이오매스로부터 높은 활성물질 등을 회수하고 활용함으로써 바이오리파이너리의 경제적 실현 가능성을 향상시킬 수 있다. 바이오리파이너리에서는 추출 과정이 주로 첫 단계로 선택되며, 추출 후에도 가치있는 성분들이 잔여 물질로 남아있어 수열 액화 및 열분해와 같은 추가 공정을 통해 가치를 창출할 수 있다.

국내에 풍부하게 서식하고 있는 대형 조류인 감태 (Ecklonia cava ,EC)는 dieckol을 함유하고 있다. Dieckol은 항미생물, 항염증, 항암 및 항혈전 등의 효능을 지닌 고부가가치의 생리활성물질이다. Dieckol의 생리 활성 평가에 관한 연구는 진행되고 있으나 이를 효율적으로 회수하기 위한 공정 설계와 최적화에 관한 연구는 매우 한정적이다. 따라서 본 연구팀에서는 EC의 효율적인 활용을 위하여 dieckol 추출 공정의 설계와 최적화를 진행하였다. 상세하게는 일반적으로 안전하다고 여겨지는 GRAS (Generally Recognized As Safe) 용매를 활용하여 감태로부터의 dieckol 고수율 회수를 위한 바이오프로세스를 설계하였다. GRAS 용매가 dieckol 추출 수율에 미치는 영향을 조사하였으며, 최대의 추출 효율을 갖는 최적 용매를 결정하였다. 이후 실험 설계, 모델링과 최적화를 통해 효율적인 추출 공정을 마련하였으며 EC의 dieckol 생산용 원료로의 잠재력을 평가하였다.

예측 모델을 기반으로 한 수치 최적화 결과, 최적의 추출 조건은 62.6%의 에탄올 농도, 54.2°C의 온도, 13.2분의 반응 시간으로 결정되었다. 결정된 조건에서 EC로부터의 dieckol 수율은 6.4 mg dieckol/g EC로 나타났으며, 이는 예측 값과 95.5% 매우 유사한 결과로, 신뢰할 수 있는 공정을 설계함을 확인하였다. 이 연구는 GRAS 용매 기반의 dieckol 추출 수율을 최대화하기 위한 최초의 시도로서 경제적 실현 가능성과 인체 안전성을 달성하는 데 목표를 두었다. 결과적으로, 본 연구에서는 이전 연구들과 비교하여 단축된 추출 시간 (13.2분) 및 최대의 dieckol 회수율을 갖는 높은 수율의 공정을 이끌어 냈다. 또한 잠재적으로 인체에 사용이 가능한 GRAS 용매의 활용한 공정을 설계하여 EC의 활용 가능성을 향상하였다.

본 연구는 해양수산부에서 지원하는 국립해양과학기술원(KIMST)의 지원을 받아 수행되었으며, 국제 저명 학술지인 ‘Frontiers in Marine Science’에 2023년 12월 8일자 온라인판에 “Enhancement of dieckol extraction yield from Ecklonia cava through optimization of major variables in generally recognized as safe solvent-based process”의 제목으로 게재되었다. 이 저널은 JCR (Journal Citation Reports) 학문 분야별 ‘해양 및 담수생물학 (Marine & Freshwater Biology)’ 분야의 상위 7.8%에 해당하는 권위있는 학술지다.

Web link : https://doi.org/10.3389/fmars.2023.1287047

<갈조류 Ecklonia cava로부터의 dieckol 추출 최적화 과정>