박철환 교수(화학공학과) 연구팀, 

“갈조류 기반 고효율 젖산 생산으로 지속가능한 바이오 가치사슬 실현”

- 세계적 학술지 Global Change Biology Bioenergy 게재 (JCR JIF Percentile 상위 4.4%) -

- 발효 저해물질의 영향 규명 및 산 가수분해 전처리 전략 제시 -

- 친환경 해조류 바이오 전환 기술을 통한 산업적 활용 가능성 제시 -

본교 박철환 교수(화학공학과) 연구팀이 블루카본(해양생물이나 해양 생태계가 흡수하는 탄소)으로 주목받는 해조류 바이오매스(다시마, Saccharina japonica)를 고부가가치 바이오소재인 젖산(lactic acid)으로 전환하는 친환경 바이오리파이너리 공정을 개발하여 바이오 가치사슬 실현할 수 있는 계기를 제시하였다.

연구팀은 다시마의 희석 산 가수분해를 통해 발효성 당을 회수하고, 이를 미국 식약처(FDA)에서 가장 안전한 등급인 GRAS(generally recognized as safe) 등급을 획득한 유산균 Lacticaseibacillus rhamnosus의 탄소원으로 활용하여 지속가능한 젖산 생산 공정을 구축하였다. 특히 다시마 산 가수분해 공정에서 발생할 수 있는 저해물질이 L. rhamnosus의 발효 성능에 미치는 영향을 조사하였으며, 발효 저해물질 생성을 최소화할 수 있는 가수분해 조건(5% 황산)을 결정하였다. 본 연구는 해양 바이오매스의 자원화와 효율적인 유기산 생산 시스템을 결합한 공정 전략을 마련하였다.

(좌측부터) 배지현(제1저자), 이정호(공동제1저자), 유하영(공동교신저자), 박철환(지도교수/교신저자)

해조류는 풍부한 탄수화물을 함유한 해양 유래 바이오매스로서, 바이오리파이너리 원료로 각광받고 있다. 특히 다시마는 만니톨 등 발효 가능 당을 다량 포함한 갈조류로, 젖산 생산에 적합한 탄소원으로 주목된다. 연구팀은 S. japonica 가수분해물에 존재하는 acetic acid, formic acid, furfural, 5-HMF 등 발효 저해물질의 영향을 정량적으로 분석하였고, 산의 종류와 농도에 따른 당 회수율과 저해물질 생성량을 체계적으로 비교함으로써 최적의 가수분해 조건을 도출하였다. 본 연구는 S. japonica 유래 저해 인자를 식별하고 L. rhamnosus에 대한 영향을 조사한 최초 연구이다.

실험 결과, S. japonica에 5% 황산을 적용한 가수분해 조건에서 23.23 g/L의 만니톨 회수와 함께 acetic acid 0.21 g/L, formic acid 0.14 g/L 수준의 저해물질 생성이라는 최적의 결과가 도출되었다. 이 조건에서 얻은 가수분해물을 탄소원으로 활용한 발효 공정에서는 18.26 g/L의 젖산이 생산, 대조군 대비 105.4%에 해당하는 높은 수율을 기록하였다. 이 성과는 갈조류 기반 바이오리파이너리 공정의 기술적 실현 가능성을 입증함과 동시에, 해양 바이오매스를 활용한 지속 가능한 생분해성 유기산 생산 기반 마련에 기여할 수 있는 중요한 결과로 평가된다.

갈조류는 젖산과 같은 유기산 생산에 적합한 당 성분을 다량 함유하고 있으며, 젖산은 생분해성 고분자인 폴리젖산(PLA)의 원료로 활용되어 환경친화적 소재 산업에서 수요가 증가하고 있다. 식품, 화장품, 제약 등 다양한 분야에서의 활용 가능성도 크다. 그러나 해조류 가수분해 시 발생하는 발효 저해물질은 미생물의 생장과 대사에 영향을 주어 생산성을 저해해 왔다. 이번 연구는 해양 바이오매스를 활용한 젖산 생산의 기술적 가능성을 제시했을 뿐 아니라, 기존 리그노셀룰로오스 중심의 바이오매스 연구와 차별화된 갈조류 특화 공정 전략을 확립했다는 점에서 그 의미가 크다.

연구의 주저자인 배지현 석사과정생은 본 연구의 실험 전략을 주도적으로 설계하고 수행하였으며, 한국생물공학회 학술발표대회 및 국제심포지엄에서 우수논문발표상을 수상한 경력과 본교에서 주최한 ‘제16회 공과대학 학술제’에서 우수상 (학장상)을 수상한 바 있다.

지도교수인 박철환 교수는 현재까지 SCI(E) 논문 277편, 국내학술논문 57편, 특허등록 53건 및 학술발표 420건 등의 활발한 연구성과(총인용 11,450회, h-index 50, i10-index 214)를 쌓아오고 있으며, 광운대학교 창업패키지사업단장, 한국생물공학회 기획사업이사, 한국화학공학회 기술정보지 부편집장, 아시아생물공학연합체 한국지회 이사, 바이오 분야의 SCIE 저널 Editor 등의 대내외 활동도 활발히 수행 중에 있다.

갈조류 기반 젖산 생산 전략 및 산업적 응용 가능성

본 연구는 해양수산부 해양수산과학기술진흥원(KIMST)과 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원(KEIT)의 지원을 받아 수행되었다. 그 성과는 국제 저명 학술지인 ‘Global Change Biology Bioenergy’에 2025년 5월호에 “Sustainable Bio-Value Chain Development: Algal Biomass Utilization Without Inhibitory Effects on Lactic Acid Production via Efficient Diluted Acid Hydrolysis of Brown Macroalga”의 제목으로 게재되었다. 해당 저널은 JCR(Journal Citation Reports) 기준 ‘Agronomy’ 분야에서 상위 4.4%에 해당하는 권위 있는 과학 저널로, 연구의 학술적 가치를 높이 평가받고 있다.

Web link : http://dx.doi.org/10.1111/gcbb.70038