Brewer’s spent grain valorization by Yarrowia lipolytica for protease production: Process optimization and enzyme characterization

현대 양조업의 세계에서는 맥주를 한 배치 만들 때마다 막대한 양의 고체 폐기물이 발생합니다. 이 잔여물은 맥주 제조 후 액체를 추출하고 남은 보리의 껍질과 섬유질인 브루어스 스펜트 그레인(brewer's spent grain, 맥주 부산물)으로 알려져 있습니다. 수십 년 동안 이 물질은 단백질과 섬유질이 풍려함에도 불구하고, 종종 버려지거나 저품질 동물 사료로 사용되는 등 골칫거리로 취급되어 왔습니다. 동시에 전 세계 식품 및 화학 산업은 반응 속도를 높이는 생물학적 도구 역할을 하는 특화된 단백질인 효소에 크게 의존하고 있습니다. 특히 프로테아제(protease)라고 불리는 특정 유형의 효소는 다른 단백질을 분해하는 능력이 있어 세제 제조부터 음료의 투명도를 높이는 과정에 이르기까지 매우 가치 있게 쓰입니다. 과학자들의 과제는 값비싼 합성 성분에 의존하지 않고 이러한 가치 있는 효소를 저렴하게 생산하는 방법과, 양조장에서 매일 쏟아져 나오는 엄청난 양의 곡물 폐기물을 어떻게 처리할 것인가라는 문제를 동시에 해결하는 것이었습니다.

리우데자네이루 연방 대학교의 연구팀은 특정 유형의 효모를 사용하여 이 폐기물을 고부가가치 제품으로 바꿀 수 있는 방법을 찾아냈습니다. 그들은 현지 양조장에서 나온 남은 곡물을 '야로위아 리폴리티카(Yarrowia lipolytica)'라는 미생물의 주요 먹이원으로 사용했습니다. 이 효모는 소화하기 어려운 물질에서도 잘 번식하고 강력한 효소를 분비하는 능력으로 잘 알려져 있습니다. 과학자들은 이 효모를 스펜트 그레인에서 배양하여 다량의 프로테아제를 생산함으로써, 맥주 제조의 폐기물이 새로운 유용한 효소를 만드는 공장이 되는 시스템을 구축할 수 있는지 확인하고자 했습니다.

이를 실현하기 위해 연구진은 완벽한 레시피를 찾아내야 했습니다. 그들은 효모에게 먹이를 주는 다양한 방법을 테스트하며, 스펜트 그레인을 효모의 성장과 효소 생산에 필수적인 영양소인 다양한 질소원으로 혼합했습니다. 그들은 곡물만으로도 어느 정도의 효소 생산이 가능하지만, 유레아(urea)라고 불리는 특정 단순 질소원을 추가했을 때 결과가 크게 향상된다는 것을 발견했습니다. 그러나 이 첨가물을 너무 많이 넣으면 오히려 과정이 저해된다는 사실도 발견했습니다. 양을 정밀하게 조절함으로써, 그들은 효소가 가장 많이 생산되는 '최적의 지점'을 찾아냈습니다. 가장 우수한 설정에서 그들은 물 1리터당 25그램의 스한트 그레인과 단 0.6그램/리터라는 매우 적은 양의 유레아를 사용했습니다. 이러한 조건 하에서 효모는 단 24시간 만에 엄청난 양의 프로테아제를 생산해 냈는데, 이는 최적화되지 않았을 때와 비교하여 5배나 증가한 수치였습니다.

연구진은 이후 작은 실험실 플라스크를 넘어 산업 현장을 모사한 4리터 규모의 대형 장치로 옮겨갔습니다. 여기서 그들은 동일한 최적화된 조건에서 효모를 배양하고 효소를 포함한 액체를 수확했습니다. 그 결과는 작은 플라스크에서보다 더욱 인상적이었으며, 매우 활성도가 높은 조효소 추출물을 얻었습니다. 그 후 연구진은 이 새로운 효소가 어떻게 작용하는지 이해하는 데 시간을 할애했습니다. 그들은 이 효소가 섭씨 25도의 온화한 온도에서 가장 잘 작동하며, 산성도나 알칼리성이 어느 한쪽으로 치우치지 않은 중성 환경에서 최적의 성능을 보인다는 것을 발견했습니다. 이는 이 유형의 효모가 생산하는 많은 유사 효소들이 고알칼리 조건에서 가장 잘 작동하는 것으로 알려진 것과는 대조적인 특징입니다. 또한 이 효소는 상당히 견고하여, 냉장 보관 시 최대 120일 동안 안정성과 활성을 유지할 수 있었는데, 이는 산업용 제품으로서 매우 중요한 특성입니다.

아마도 가장 놀라운 발견은 열에 대한 효소의 반응이었을 것입니다. 이 효소는 고온에서는 효과를 빠르게 잃었지만, 많은 식품 가공 단계에서 사용되는 온화한 온도에서는 강한 활성을 유지했습니다. 연구진은 또한 효소가 목표물에 얼마나 효율적으로 결합하는지도 측정했습니다. 그들은 이 효소가 먹이원에 매우 높은 효율로 결합한다는 것을 발견했는데, 이는 일단 단백질을 찾으면 매우 빠르게 분해할 수 있음을 의미합니다. 이러한 높은 속도, 효율성, 그리고 온화한 온도에서의 안정성의 조합은 이 효소가 식품 및 음료 산업, 특히 극심한 열을 가하지 않는 공정에 매우 유용할 수 있음을 시사합니다.

이 연구는 또한 무엇이 효과가 없는지도 명확히 했습니다. 연구진은 혼합물에 단순히 질소를 더 많이 추가한다고 해서 효소가 더 많이 생성되는 것이 아니라, 오히려 과도한 질소가 프로테아제 생산 능력을 억제한다는 것을 입증했습니다. 이는 효모가 더 많은 먹이를 찾아 헤매도록 유도하기 위해 질소가 약간 제한된 상태에서 효소를 생산하도록 자극받는다는 것을 시사합니다. 이 발견은 영양분이 풍부하고 질소가 많은 환경이 이 특정 유형의 생산에 가장 좋다는 가설을 배제합니다.

궁극적으로 이 연구는 양조 산업의 폐기물이 단순한 쓰레기가 아니라 가치 있는 바이오 제품을 만들기 위한 실행 가능한 원료임을 보여줍니다. 스펜트 그레인과 같은 간단하고 저렴한 기질을 사용함으로써, 연구진은 강력하고 안정적이며 효율적인 프로테아제를 생산하는 효모를 배양할 수 있었습니다. 그들이 만든 효소는 음료를 투명하게 만들거나 식품의 단백질을 손상시키지 않고 변형하는 작업과 같이 부드러운 공정 조건이 필요한 응용 분야에 적합합니다. 이 접근 방식은 한 산업의 출력이 다른 산업의 필수적인 입력물이 되어, 폐기 문제를 지속 가능한 자원으로 바꾸는 순환 경제를 향한 실질적인 경로를 제시합니다.