음식물 쓰레기는 농장에서 식품 제조업체 및 가정에 이르기까지 식품 수명주기 전반에 걸쳐 매년 약 13억 톤의 음식물이 낭비되는 세계적인 문제이다.

식품 공급망 전반에 걸쳐 호주인들은 매년 약 760만 톤의 식품을 낭비한다. 이로 인해 호주의 경우는 매년 약 366억 호주 달러(A$)의 비용을 지출하게 된다.

Bioresource Technology Reports에 발표된 최근 연구에서 나노셀룰로오스라고 알려진 다용도 물질을 만들기 위해 음식물 쓰레기를 사용하는 방법을 발견했다. 특히, 일반적으로 처리하기 어려운 중요한 유제품 생산 폐기물인 산성 유청을 사용했다.

폐기물을 박테리아와 혼합

나노셀룰로오스는 생체고분자이다. 즉, 자연적으로 생성된 긴 사슬의 당을 의미한다. 이는 놀라운 특성을 가지고 있다. 박테리아 나노셀룰로오스는 강력하고 화학적으로 안정적이며 생체 적합성이 있어 인간 세포에 해롭지 않다. 이로 인해 포장, 상처 치료, 약물 전달 또는 식품 생산에 응용할 수 있는 시장성이 높은 제품이 된다.

나노셀룰로오스를 제조하는 전통적인 접근 방식은 비용이 많이 들고, 많은 양의 에너지를 사용하며 오랜 시간이 걸릴 수 있다. 일부 유형의 나노셀룰로오스 생산에서는 원치 않는 폐기물 부산물을 생성하는 화학 공정도 사용한다.

대조적으로, 페더레이션 유니버시티 오스트레일리아 (Federation University Australia)의 새로운 접근 방식은 음식물 쓰레기와 박테리아와 효모의 공생 배양(SCOBY)을 사용한다. 이는 여러분이 콤부차 스타터로서 익숙할 수도 있다. 이 새로운 공정은 비용이 저렴하고 에너지를 거의 소비하지 않으며 폐기물도 발생하지 않는다.

이들은 호주 멜버른에 있는 현지 치즈 제조업체의 산성 유청으로 알려진 흐르는 폐액을 사용했다. 유제품 산업에서 산성 유청은 탄수화물과 단백질이 풍부함에도 불구하고 대량으로 폐수로 폐기되는 경우가 많다(호주에서만 연간 1억 리터 이상의 산성 유청이 생산됨). 젖산 함량이 높아 다른 제품으로 가공하기 어렵기 때문이다.

액체를 열처리하고 설탕과 효모 추출물을 첨가한 후 핵심 성분인 SCOBY(멜버른 소재 콤부차 회사에서 상업적으로 구입)를 첨가했다.

4일 동안 혼합물이 발효되면서 박테리아는 나노셀룰로오스 물질을 생성하여 표면에 떠오른다. 집에서 만든 콤부차를 좋아하는 사람들은 실제로 나노셀룰로오스 원료에 대해 잘 알고 있을 것이다. 이는 펠리클이라고 불리는 떠다니는 회백색 구조로 형성된다. 어떤 사람들은 이미 이 콤부차 부산물을 비건 가죽으로 사용하고 있다.) 유사한 펠리클이 산성 유청 혼합물에도 형성되었다.

집에서 만든 콤부차 맥주 위에 자라는 흰색 물질인 펠리클은 실제로 일종의 나노셀룰로오스이다. Shutterstock

성장하는 시장

나노셀룰로오스에 대한 수요는 전 세계적으로 증가하고 있다. 글로벌 시장의 가치는 2022년에 4억 달러(6억 호주 달러)로 평가되었으며 2030년에는 20억 달러(31억 호주 달러)로 성장할 것으로 예상된다. 음식물 쓰레기에서 생산된 박테리아 나노셀룰로오스는 이러한 수요를 충족시키는 데 도움이 될 수 있다.

이러한 성장은 부분적으로 포장과 같은 분야에서 석유 기반 및 기타 재생 불가능한 재료 대신 나노셀룰로오스를 사용할 수 있는 방법에 기인한다. 바람직한 특성 중 나노셀룰로오스는 또한 완전히 생분해된다.

전 세계 제조업체들은 다양한 특성을 지닌 복합 재료를 생산하기 위해 지속 가능한 원료 공급원을 찾고 있다. 나노셀룰로오스는 이러한 방식으로 쉽게 맞춤화된다. 예를 들어, 나노셀룰로오스에 글리세롤이라는 화합물을 주입하면 유연성이 향상되고 더욱 유연해진다. 식품 안전 소재로서 이제 식품이 더 이상 먹기에 안전하지 않을 때 신호를 보내는 지표를 나노셀룰로오스에 주입하여 "스마트" 포장재로서 나노셀룰로오스를 연구하고 있다.

또한 단일 소스의 음식물 쓰레기(예: 산성 유장)를 사용하면 고순도 나노셀룰로오스를 생산할 수 있으며 이는 상처 드레싱, 의약품 합성 및 세포 배양과 같은 생물 의학 응용 분야에 이상적이다.

상처 드레싱에 사용될 수 있는 나노셀룰로오스 소재의 예. Shutterstock

효율적인 순환경제

순환경제는 폐기물을 최소화하고 제품의 수명주기를 최대한 연장하려고 시도한다. 이 새로운 연구는 낙농 산업 폐기물을 지속 가능한 나노셀룰로오스로 업사이클링하기 위한 효율적인 순환 경제 접근 방식을 보여준다.

또한, 생산한 퇴적물 잔류물은 영양가가 높아 비료나 동물 사료로서 상업적 가치가 있을 가능성이 있으며, 액체 배양물은 다음 배치에 재사용할 수 있다.

이 연구는 실험실 환경 내 음식물 쓰레기의 단일 소스로 제한되었다. 미래의 과제는 이 접근 방식을 실험실에서 벗어나 상업적 용도로 확장하는 것이다. 여기에는 폐기물 수집 및 운송부터 상업 생산까지 가치 사슬 전체에 걸쳐 일련의 단계가 포함된다.

또한 혼합 음식물 쓰레기와 같은 대체 매체를 탐구하기를 희망한다. 다양한 유형의 식품 포장과 같은 다양한 응용 분야에 나노셀룰로오스를 가장 효과적으로 맞춤화할 수 있는 방법에 대한 더 많은 연구가 필요하다.

전반적으로, 이 개념 증명 연구는 음식물 쓰레기에서 상당한 가치에 이르기까지 지속 가능하고 환경적으로 건전한 방식으로 나노셀룰로오스를 생산할 수 있는 잠재력을 보여준다.

글쓴이: Misha Ketchell