Valorization of kitchen waste via garbage enzyme fermentation: optimization and formulation of a sustainable bio-shampoo

매일 전 세계의 가정에서는 과일 껍질, 채소 조각, 남은 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물이 꾸준히 발생합니다. 이러한 물질이 매립지에 버려지면 산소 없이 분해되는데, 이 과정에서 이산화탄소보다 훨씬 더 효과적으로 대기 중의 열을 가두는 강력한 온실가스인 메탄이 방출됩니다. 수십 년 동안 과학자들과 환경론자들은 이 문제를 해결책으로 바꾸는 방법, 즉 단순한 폐기를 넘어 폐기물이 자원이 되는 시스템으로 나아가기 위한 방법을 모색해 왔습니다. 그러한 접근 방식 중 하나로 '가비지 엔자임(garbage enzyme) 발효'라고 알려진 기술이 있습니다. 이 방법은 유기성 폐기물, 당분 공급원, 그리고 물을 혼합하여 밀폐된 용기에 담아 두는 간단한 방식에 의존합니다. 시간이 흐르면서 천연 미생물들이 음식물 쓰레기의 복잡한 구조를 분해하여, 유기산과 효소가 풍부한 액체로 변형시킵니다. 이러한 생물학적 도구들은 오염을 녹이고, 지방을 분해하며, 심지어 세정제로도 작용할 수 있어, 가정의 쓰레기를 집과 환경에 유용한 것으로 재활용하는 방법을 제시합니다.

베트남 호치민시의 고등학교(High School for the Gifted)에 재직 중인 한 연구자는 최근 이 과정을 정교하게 다듬고, 그 결과물인 액체를 퍼스널 케어 제품으로 바꿀 수 있는지 확인하기 위해 연구를 시작했습니다. 목표는 석유 기반의 독한 화학 물질을 사용하지 않고 머리카락을 세정하는 샴푸를 만드는 동시에, 주방 폐기물이 고품질의 안전하고 효과적인 소비자 제품으로 전환될 수 있음을 증명하는 것이었습니다. 이 연구는 두 가지 주요 질문에 초점을 맞췄습니다: 어떻게 하면 발효 과정을 더 빠르고 안정적으로 만들 수 있는가, 그리고 최종 액체가 인간이 사용하기에 충분히 순한 샴푸로 제조될 수 있는가 하는 점입니다.

이 질문들에 답하기 위해, 연구자는 먼저 재료를 준비하는 다양한 방법을 테스트하는 것부터 시작했습니다. 이 유형의 발효를 위한 표준 레시피는 설탕, 폐기물, 물의 특정 비율을 요구하지만, 폐기물의 물리적 상태와 사용하는 당의 종류는 엄격하게 비교된 적이 없었습니다. 연구자는 첫 번째 실험 단계에서 네 가지 변형을 테스트했습니다. 어떤 것은 껍질을 깎지 않은 통째의 과일 껍질과 채소 조각을 사용했고, 다른 것들은 약 0.5~1센티미터 크기의 작은 입방체 형태로 잘게 썬 것을 사용했습니다. 당 공급원 또한 다양하게 설정하여, 일부 배치에는 정제된 백설탕을 사용했고 다른 배치에는 설탕 생산 후 남은 걸쭉하고 어두운 시럽인 당밀을 사용했습니다. 이 초기 배치들에는 어떤 박테리아나 효모도 추가되지 않았으며, 오로지 음식물 쓰레기에 자연적으로 존재하는 미생물에만 의존했습니다. 30일 후, 결과는 실망스러웠습니다. 깎지 않은 통째의 폐기물을 사용한 혼합물은 분해의 징후가 거의 보이지 않았습니다. 잘게 썬 폐기물조차 매우 느리게 발효되어, 성공적인 변화를 나타내는 강하고 신맛 나는 냄새를 발산하지 못했습니다. 폐기물에 있는 자연 미생물만으로는 한 달 이내에 과정을 효율적으로 추진하기에 역부족이었습니다.

연구자는 그다음 실험에서 각 배치에 '엠제오(Emzeo)'라고 불리는 상업용 미생물 스타터를 소량 첨가하는 두 번째 실험을 도입했습니다. 이 제제는 식물 섬유와 전분을 분해하는 것으로 알려진 특정 균주들을 포함하고 있습니다. 이 첨가물과 함께하자 결과는 극적으로 변했습니다. 잘게 썬 폐기물과 당밀을 사용한 혼합물이 가장 빠르고 완전하게 변형되었습니다. 이 용기 안에서 고체 형태의 음식물 쓰레기는 완전히 녹아 사라졌고, 그 자리에는 투명하고 밝은 갈색 액체와 표면에 떠 있는 두꺼운 흰색 미생물 층이 남았습니다. 이 액체는 과일 식초처럼 달콤하면서도 새콤한 뚜렷하고 기분 좋은 향을 풍겼습니다. 통째의 폐기물이나 백설탕을 사용한 다른 조합들은 여전히 불완전한 분해나 약한 미생물 성장의 징후를 보였습니다. 데이터는 폐기물을 작은 조각으로 써는 것이 미생물이 작업할 수 있는 표면적을 넓혀준다는 점과, 당밀이 정제된 설탕보다 더 풍부한 영양소와 미네랄을 제공하여 유익한 박테리아가 30일 만에 빠르게 증식하고 원하는 효소와 산을 생성할 수 있게 한다는 점을 확인해주었습니다.

최적의 발효 과정이 확인되자, 연구자는 결과 액체의 세정력을 테스트했습니다. 액체를 여과하여 고체 입자를 제거한 후, 엔진 오일, 조리용 기름, 그리고 합성 피지(sebum)로 오염된 유리, 세라믹 타일, 스테인리스 스틸 표면에 적용했습니다. 액체는 놀라운 성능을 보여주었습니다. 5분 이내에 격렬한 문지름 없이도 세 가지 유형의 끈질긴 얼룩을 모두 제거했습니다. 세정 작용은 여러 요인의 결합에서 기인한 것으로 보이는데, 액체 속의 효소가 먼지의 지방과 단백질을 분해하고, 천연 산 성분이 미네랄 침전물을 녹여 오염물을 들어 올리는 역할을 했습니다. 이는 발효된 폐기물이 단순히 이론적인 해결책이 아니라 실질적이고 효과적인 세정제임을 입증했습니다.

마지막 단계는 이 세정 액체를 샴푸로 만드는 것이었습니다. 연구자는 가장 성능이 좋았던 발효 액체를 가져와 글레디치아(gleditsia) 열매, 레몬 껍질, 레몬그라스 추출물을 포함한 천연 식물 추출물과 혼합했습니다. 혼합물에 적절한 질감과 농도를 주기 위해 소량의 천연 증점제와 소금을 첨가했습니다. 그 결과는 신선한 허브-시트러스 향을 지닌 투명한 밝은 갈색 액체였습니다. 테스트 결과, 이 샴푸는 안정적이고 풍부한 거품을 만들어냈으며, 무엇보다도 pH 수치가 5.5였습니다. 이 특정한 산도는 인간의 두피 자연 pH와 일치하기 때문에 매우 중요한데, 이는 피부를 건강하게 유지하고 모발의 큐티클을 매끄럽게 유지하는 데 도움을 줍니다. 많은 시판 샴푸는 더 알칼리성을 띠어 자연 유분을 제거하고 피부를 자극할 수 있습니다. 그러나 이 새로운 배합은 대부분의 시중 샴푸에 들어있는, 석유에서 유래한 독한 세제인 설페이트(sulfates)가 전혀 들어있지 않았습니다. 이 제품은 머리카락을 효과적으로 세정하면서도 건조하거나 손상된 느낌을 남기지 않았습니다.

본 연구는 폐기물의 크기를 세심하게 조절하고, 적절한 당원을 선택하며, 특정 미생물 스타터를 추가함으로써, 한 달 만에 주방 쓰레기를 고성능 친환경 샴푸로 바꿀 수 있다는 것을 결론짓습니다. 이 과정은 이중적인 이점을 제공합니다. 유기성 폐기물을 매립지로 보내는 것을 차단하여 해로운 온실가스 배출을 줄이는 동시에, 합성 화학 물질과 관련된 환경 및 건강 문제를 피할 수 있는 지속 가능한 제품을 만들어냅니다. 이 연구는 폐기물이 새로운 가치를 창출하기 위해 지속적으로 재사용되는 순환 경제의 원리가, 일상적인 사용에 효과적이면서도 지구에 무해한 제품을 생산하기 위해 가정 내 소규모 단위에서도 적용될 수 있음을 시사합니다. 향후 연구는 액체 내의 정확한 효소 수치를 측정하고 샴푸의 유통 기한 안정성을 테스트하는 데 집중할 것이지만, 초기 결과는 지속 가능한 퍼스널 케어를 향한 명확하고 유망한 길을 제시하고 있습니다.