Ultrasound assisted enzymatic protein hydrolysis by defatted Protaetia brevitarsis larvae powder

세계는 지구의 자원을 고갈시키지 않으면서 늘어나는 인구를 먹여 살릴 새로운 방법을 찾고 있습니다. 이러한 탐구 과정에서 곤충은 미래의 식량으로서 놀라운 후보로 떠올랐습니다. 곤충은 소나 돼지와 같은 전통적인 가축보다 훨씬 적은 토지와 물을 필요로 하며, 온실가스도 현저히 적게 배출합니다. 이러한 곤충 중에서도 아시아 일부 지역이 원산지인 흰점박이꽃무지 유충은 높은 단백질 함량으로 주목받고 있습니다. 하지만 영양가가 높더라도 곤충을 통째로 먹는 것은 많은 사람에게 심리적 장벽이 되는데, 벌레의 외형이 종종 거부감을 주기 때문입니다. 이 곤충들을 먹기 좋고 유용하게 만들기 위해, 과학자들은 이들을 근본적인 구성 요소로 분해하는 방법을 연구합니다. '가수분해'라고 알려진 이 과정은 분자 가위와 같은 생물학적 도구인 효소를 사용하여 긴 단백질 사슬을 아주 작고 맛이 없는 조각인 펩타이드로 잘라내는 과정을 포함합니다. 이렇게 만들어진 조각들은 곤충의 원래 형태를 숨기면서도 영양적 힘은 그대로 유지한 채 다른 식품의 원료로 사용될 수 있습니다.

대한민국의 제주대학교 연구진은 이 분해 과정을 개선하기 위한 연구를 수행했습니다. 그들은 특정 물리적 기법이 효소를 더 효과적이고 빠르게 작동하게 만들 수 있는지 알고 싶었습니다. 그들이 테스트한 방법은 의료 영상에 사용되는 것과 동일한 고주파 음파인 초음파입니다. 액체 혼합물 속에서 이 음파는 작은 기포를 생성하고 이를 격렬하게 붕괴시킵니다. 이 붕괴는 강렬한 국소적 힘을 발생시켜 단백질의 단단한 구조를 흔들어 분해함으로써, 효소가 더 쉽게 접근하여 자를 수 있도록 만듭니다. 연구팀은 탈지된 흰점박이꽃무지 유충 분말을 가져와 효소인 알칼라아제(Alcalase)와 뉴트라아제(Neutrase)라는 두 종류의 효소를 첨가하기 전에 이 초음파 처리를 거쳤습니다. 그들의 목표는 이 조합이 물에 얼마나 잘 녹는지, 체내의 해로운 산화 스트레스를 얼마나 효과적으로 차단하는지, 그리고 어떤 종류의 미세한 단백질 조각들을 만들어내는지 측면에서 더 나은 최종 생성물을 만드는지 확인하는 것이었습니다.

결과에 따르면 초음파 처리는 실제로 혼합물의 성질을 변화시켰습니다. 음파를 적용하기 전에는 곤충 분말이 눈에 보이는 덩어리가 있는 어둡고 탁한 액체를 형성하여 물과 완전히 섞이지 않았습니다. 초음파 처리 후에는 혼합물이 더 균일하고 탁해졌는데, 이는 음파가 고체 입자들을 성공적으로 분해하고 이들이 잘 분산되도록 도왔음을 시사합니다. 연구진이 공정 후 단백질 분말의 최종 수율을 측정했을 때, 초음파 사용 여부나 선택된 효소의 종류와 관계없이 회수된 물질의 양은 일정했습니다. 이는 음파가 혼합물의 물리적 상태를 변화시키기는 했지만, 반드시 전체 단백질 양을 늘린 것이 아니라 기존의 단백질을 더 접근하기 쉽게 만들었음을 나타냅니다.

가장 유의미한 변화는 결과물인 액체의 화학적 및 기능적 특성에서 나타났습니다. 단백질을 분해하는 과정은 자연스럽게 용액의 pH를 낮추어 더 산성으로 만들었는데, 이는 이러한 유형의 반응에서 나타나는 일반적인 결과입니다. 그러나 단백질이 분해되는 속도는 두 효소 사이에 큰 차이를 보였습니다. 알칼라아제는 단 30분 만에 최대 절단 효율에 도달하여 훨씬 빠르게 작동한 반면, 다른 효소인 뉴트라아제는 유사한 수준의 분해를 달성하는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸습니다. 연구진은 초음파 전처리와 효소를 결합했을 때, 음파가 반응 시작 단계에서 효소가 더 빨리 작동하도록 돕는다는 것을 발견했습니다. 이는 초음파가 효소가 본격적으로 반응하기 전에 이미 단백질 구조의 꽉 짜인 접힘을 느슨하게 하여 절단 부위를 효소에 노출시켰기 때문입니다.

건강상의 이점 측면에서, 이 연구는 결과물인 액체의 항산리 성질에 초점을 맞췄습니다. 항산화제는 세포를 손상시키는 체내의 해로운 분자들을 중화할 수 있는 물질입니다. 연구진은 세 가지 다른 유형의 해로운 분자를 중화하는 액체의 능력을 테스트했습니다. 그들은 알칼라아제 효소로 만들어진 액체가 뉴트라아제로 만든 액체보다 두 가지 유형의 분자를 제거하는 데 특히 효과적이라는 것을 발견했습니다. 흥кси로운 점은 초음파 처리가 효소가 스스로 달성한 것 이상의 항산화 능력을 극적으로 높이지는 않았다는 것입니다. 이는 효소가 건강상의 이점을 이끄는 주요 동력이며, 초음파는 주로 과정을 가속화하고 시작 물질의 품질을 개선하는 역할을 한다는 것을 시사합니다. 또한, 이 액체는 특히 효소 단계 이전에 초음파를 사용했을 때 흔한 산화제인 과산화수소를 중화하는 강력한 능력을 보여주었습니다.

최종 생성물의 물리적 특성 또한 식품 제조에 유용할 수 있는 방식으로 변화했습니다. 연구진은 건조된 단백질 분말의 얇은 층에 물이 어떻게 상호작용하는지 측정했습니다. 그들은 가수분해된 단백질이 처리되지 않은 분말보다 물이 표면에 훨씬 더 잘 퍼진다는 것을 발견했습니다. 이는 단백질이 더 친수성, 즉 물을 좋아하는 성질로 변했음을 의미합니다. 이 특성은 샐러드 드레싱이나 크리미한 소스처럼 원래는 분리되는 기름과 물의 혼합물인 에멀션(emulsion)을 만드는 데 매우 중요합니다. 단백질이 더 작은 조각으로 분해되면서 물과 기름을 더 효과적으로 붙잡아 둘 수 있는 표면을 만들어냈으며, 이는 이 곤충 유래 성분이 다양한 식품 제품에서 천연 안정제로 쓰일 수 있음을 시사합니다.

마지막으로, 연구팀은 단백질의 구성 요소인 아미노산이 어떤 종류로 존재하는지 확인하기 위해 액체의 영양 구성을 분석했습니다. 그들은 이 과정이 인체가 스스로 만들 수 없어 반드시 음식으로부터 섭취해야 하는 다양한 필수 아미노산을 성공적으로 방출했다는 것을 발견했습니다. 이 액체는 근육 성장과 에너지 생산을 돕는 것으로 알려진 특정 아미노산이 풍부했습니다. 연구는 효소가 작용하는 시간이 길어질수록 이러한 유익한 성분들이 더 많이 방출된다는 것을 확인했습니다. 초음파와 효소 가수분해의 결합은 곤충 유충을 고품질의 수용성 성분으로 변환하는 효율적인 방법임이 입증되었으며, 이 성분은 영양이 풍부하고 세포 손상을 방지할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 이러한 접근 방식은 시각적으로는 매력이 없을 수 있는 지속 가능한 곤충을 인간의 식단에 쉽게 통합될 수 있는 다재다능하고 건강한 식품 원료로 바꾸는 유망한 경로를 제시합니다.