광주과학기술원(GIST·지스트) 연구팀이 사탕수수 부산물을 활용해 고부가가치 물질 ‘D-만니톨’을 친환경적으로 생산하는 효소 기반 바이오 전환 기술을 개발했다.

22일 지스트에 따르면 권인찬 신소재공학과 교수 연구팀은 사탕수수 정제 과정에서 나오는 부산물 ‘당밀(molasses)’을 효소 반응만으로 ‘D-만니톨(D-mannitol)’로 전환하는 친환경 공정을 구현했다.

D-만니톨은 천연 당알코올(sugar alcohol)의 일종으로, 식품·의약·화장품 산업에서 감미료·안정제·치료제 등으로 활용되는 고부가가치 기능성 물질이다.

이번 성과는 버려지는 농업 부산물을 새 자원으로 업사이클링해 순환경제 실현과 산업 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다.

연구팀은 인버타아제(Invertase), 만니톨 환원 효소(Mannitol dehydrogenase·MDH), 포도당 환원 효소(Glucose dehydrogenase·GDH) 등 3종 효소를 이용한 3단계 효소 반응 시스템을 구축했다.

이 시스템은 자당이 포도당과 과당으로 분해된 뒤 과당이 D-만니톨로 전환되는 연쇄 반응을 유도한다.

GDH가 포도당을 산화시키며 보조인자 NADH를 실시간 재생해 외부 보조물질 없이 반응이 지속되도록 설계됐다.

실험 결과 단계별 최적 조건을 적용한 2단계 공정(two-step)에서는 D-만니톨 137 mM(millimolar concentration·밀리 농도), 전환 효율 92%를 기록했고 모든 효소를 동시에 반응시킨 원팟 공정(one-pot)에서도 123 mM, 약 95%의 효율을 달성했다.

효소들은 당밀 내 다양한 성분 속에서도 안정적으로 작용했으며 불순물 제거·희석 등 별도 전처리 없이도 당밀 원료 그대로의 전환이 가능함을 입증했다.

기존 발효법이 이론적 최대치의 60-90% 수준에 머물렀던 데 비해 이번 효소 시스템은 최대 95%의 전환 효율과 높은 효소 안정성을 확보했다.

또한 반응 중 생성된 D-글루코노락톤(D-gluconolactone)이 부가가치 화합물로 활용될 수 있음이 확인돼 하나의 공정으로 두 가지 고부가 물질을 동시 생산할 수 있는 가능성도 제시됐다.

권인찬 교수는 “이번 연구는 폐기되던 산업 부산물을 자원화해 환경성과 경제성을 동시에 확보한 업사이클링 기술”이라며 “향후 식품·의약·에너지 산업 등 다양한 분야로 확장될 것”이라고 말했다./박현진 기자