Optimization of lactic acid production from dairy whey using indigenous lactic acid bacteria

치즈가 만들어질 때마다 막대한 양의 액체가 뒤에 남습니다. 치즈 1kg이 생산될 때마다, '스위트 웨이(sweet whey)'라고 불리는 이 수성 부산물이 약 10리터씩 생성됩니다. 이것은 물처럼 보이지만, 실제로는 치즈 제조 과정에서 포착되지 않은 당분, 단백질, 비타민이 풍가득한 물질입니다. 많은 곳에서 이 영양분이 풍부한 액체는 폐기물로 취급됩니다. 이를 강에 버리거나 그대로 방치하면 물속의 산소를 소비하여 심각한 환경적 부담을 초래합니다. 그러나 이 동일한 액체에는 숨겨진 잠재력이 있습니다. 그 안의 당분을 미세한 천연 미생물에게 먹여 젖산을 만들어낼 수 있다는 점입니다. 이 물질은 식품 보존제와 화장품부터 생분해성 플라스틱에 이르기까지 모든 것을 만드는 데 사용되는 다재다능한 기초 원료입니다. 오염을 일으키는 폐기물을 가치 있는 재료로 바꾸는 것은, 아무것도 낭비되지 않고 모든 출력이 새로운 투입물이 되는 순환 경제를 향한 변화를 의미합니다.

낙농업이 급격히 성장한 르완다 북부 고원 지대에서, 연구자들은 지역 치즈 제조업자들이 생산하는 대량의 웨이 문제를 관리해야 하는 과제에 직면했습니다. INES-Ruhengeri의 한 팀은 지역에 이미 서식하고 있는 박테리아를 사용하여 이 폐기물을 젖산으로 변환할 수 있을지 알아보기 위해 착수했습니다. 해외에서 특수 배양균을 수입하는 대신, 그들은 적절한 미생물을 찾기 위해 지역의 전통 발효 식품인 요거트를 주목했습니다. 그들은 탐색을 시작하기 위해 세 곳의 서로 다른 치즈 가공업체로부터 웨이 샘-플을 수집했고, 현지 시장에서 요거트를 구했습니다. 테스트된 웨이는 우유에 들어있는 당인 유당(lactose)과 함께 소량의 단백질 및 미네랄이 포함된 풍부한 수프임이 확인되었으며, 이는 발효를 위한 이상적인 먹이가 되었습니다.

연구진은 먼저 현지 요거트에서 몇 가지 젖산균 균주를 분리했습니다. 이들은 우유를 요거트로 만드는 데 책임이 있는 친숙한 미생물들과 같은 종류입니다. 멸균된 웨이에서 이들을 테스트한 후, 연구진은 특정 균주가 웨이의 당을 산으로 전환하는 데 가장 효율적임을 입증했기에 그 균주를 'LAB-4'라고 명명하고 선택했습니다. 이 균주는 3일 이내에 웨이의 pH를 상당히 낮추었는데, 이는 균이 활발하게 작동하고 있다는 신호였습니다. 이 토착 박테리아를 확보한 후, 팀은 다음 단계인 해당 박테리아가 활동하기에 완벽한 환경을 찾는 단계로 넘어갔습니다. 그들은 온도, 초기 산도, 그리고 첨가된 박테리아의 양이 모두 결과에 영향을 미칠 것임을 알고 있었기에, 최적의 지점을 찾기 위해 수백 가지의 조합을 체계적인 방법으로 테스트했습니다.

이 세심한 테스트를 통해 과학자들은 박테리아가 섭씨 37도의 따뜻한 온도와 pH 6.0의 초기 상태에서, 그리고 특정 양의 박테리아 배양액이 포함되었을 때 가장 잘 작동한다는 것을 발견했습니다. 이러한 최적화된 조건 하에서 공정은 놀라울 정도로 효과적이었습니다. 단 48시간 만에 박테리아는 웨이 속의 유당을 젖산으로 전환하여 리터당 43.2g의 농도에 도달했습니다. 이 결과는 박테리아가 소비한 당 1g당 거의 0.87g의 젖산을 생산했음을 의미하며, 이는 수입된 상업용 박테리아를 사용하는 방식과 견줄 만한 높은 효율성입니다. 또한 이 공정은 폐수를 정화하기도 했습니다. 오염도를 나타내는 척도인 화학적 산소 요구량(COD)이 3분의 2 이상 감소했는데, 이는 발효가 폐수를 처리하는 동시에 제품을 만들어냈음을 증명합니다.

발효가 완료된 후, 팀은 액체에서 젖산을 분리해야 했습니다. 그들은 수산화칼슘을 사용하여 산을 고체 염으로 변화시킨 뒤, 이를 여과하고 다시 산으로 처리하여 순수한 젖산을 추출하는 간단한 방법을 사용했습니다. 이 회수 단계는 약 82.5%의 순도로 가용 산의 약 75%를 얻어내며 성공적으로 마무리되었습니다. 비록 이 순도가 첨단 산업용 기계가 달성하는 수준보다는 낮지만, 많은 식품 및 기술적 용도로 사용하기에 충분합니다. 연구진은 또한 소규모 규모에서의 경제성을 검토하였는데, 이 젖산 1kg을 생산하는 데 약 2.10달러가 들 것으로 추정했습니다. 이 가격대는 이 방법이 현지 낙농업자들에게 재정적으로 실행 가능하다는 것을 시사하며, 환경적 부채를 수익원으로 바꿀 수 있는 길을 제시합니다.

이 연구는 지역적인 해결책이 어떻게 글로벌한 문제를 해결할 수 있는지를 보여줍니다. 지역 토착 박테리아를 사용하고 현지 폐기물에서 그들의 성장을 최적화함으로써, 연구진은 르완다의 낙농업자들이 웨이를 더 지속 가능한 방식으로 관리할 수 있음을 보여주었습니다. 이 작업은 스위트 웨이가 젖산 생산을 위한 적절한 기질이 될 수 있으며, 토착 박테리아가 값비싼 수입 배양균 없이도 효율적으로 그 역할을 수행할 수 있음을 확인시켜 줍니다. 현재의 실험은 플라스크 단위에서 수행되었고 회수 방법도 기초적인 수준이었지만, 그 결과는 향후 발전을 위한 강력한 토대를 제공합니다. 이 공정은 폐기물의 가치화(valorization)를 위한 실용적이고 저렴한 경로를 제공하며, 환경 보호와 경제 성장이라는 국가적 목표와 궤를 같이하며 잠재적 오염원을 가치 있는 자원으로 탈바꿈시킵니다.