국산 미강의 새로운 이용가치

농업부산물 미강이 가져다주는 다양한 식의약 소재들

   미강은 현미를 백미로 도정할 때 발생하는 부산물로서, 쌀겨라고도 불린다. 미강은 국내에서 매년 36만톤 가량이 생산되며 사료나 퇴비, 또는 기타 친환경 자재용도로 사용중이다. 오래전부터 미강이 가지고 있는 우수한 영양성과 기능성에 주목하여 이를 활용하기 위해 다양한 연구와 시도가 있었으나 아직까지는 실용화에 크게 성공한 사례는 없다. 해외서는 미강과 같은 1차산업 부산물이 귀한 바이오매스 자원으로 평가되어 재활용되는 사례가 존재한다. 예를 들어, 펄프부산물 또는 먹고남은 옥수수 빈속대로부터 자일리톨을 생산하며, 밀껍질, 귀리껍질 또는 콩비지에서 식이섬유를 추출하여 기능성 신소재로서 상품화한 바 있다. 이를 참고하면 국내 바이오매스 자원에서도 이와 같은 기능성 소재들을 개발해 볼 수 있는데, 대표적인 후보소재가  미강이다.   

  

고른 영양소 분포, 높은 소재활용가치

국내에서 생산되는 쌀 부산물은 매년 발생하나 활용은 극히 제한적 규모에 그치고 있다. 통계청자료 따르면, 연간 쌀 부산물은 2012년 기준으로 볏짚 565만톤, 왕겨 80만톤, 미강 36만톤으로 추산된다. 이들 부산물은 주로 퇴비나 사료, 축사깔개 등으로 이용되며, 식용으로의 활용은 부진한 상태이다.

<표 1 > 쌀부산물 이용형태  (출처 : 한국농촌경제연구원 수도작 조사결과, 2006)

     

이중 미강은 시가로 환산시 매년 약 1,000억원 정도 생산되며, 판매되지 못하고 버려지는 물량은 이중 절반인 483억원 정도로 추산된다. 현재는 단순히 사료용도로만 이용해서 kg당 300원정도에 거래되고 있으나, 식품원료 및 소재로 개발할 경우 10~100배로 가격이 상승하며, 여기에 다시 효소발효 또는 분리정제 등 첨단 바이오 기술을 적용할 시 50~100배의 가격 상승을 기대할 수 있는 등 다양한 융복합기술을 적용함에 따라 막대한 부가가치 상승이 기대된다. 한해 동안 폐기되는 미강 중 단 10%정도만 이런 방식으로 활용할 경우에도 연간 900억원 이상의 신규 부가가치를 창출할 수 있다. 

미강은 단백질, 식이섬유, 식물성오일, 비타민과 미네랄 등 미량원소가 고르게 분포되어 있어 영양적으로 잘 균형잡힌 소재이다. 미강내 단백질 함량은 약 13~15%, 식이섬유 함량이 20~25%, 식물성오일은 15~17%, 회분이 10~13% 로서, 미강은 어느 영양성분에 치우치지 않는 좋은 영양적 균형을 보인다. 이러한 특징으로 인해 미강은 좋은 바이오매스 자원으로 평가되어 높은 활용가치를 가질 수 있는 것이다. 다음 그림은 미강 유래 다양한 바이오 소재들의 개발 프로세스의 예이다.

< 그림. 1 > 미강 유래 신소재의 개발 Flow Chart

고부가가치화의 시작, 안정화미강

   미강의 대표적 특징은 변질이 매우 빠르다는 점이다. 미강은 생산즉시 지방분해효소가 활성화되어 미강내 지방이 유리지방산으로 즉시 분해되고 산패가 시작된다. 온도가 낮은 겨울엔 이 반응이 비교적 더디게 일어나나 고온다습한 여름엔 단 하루만에 이 반응이 진행되어 산패된 지방 냄새 때문에 식용으로 이용하기 힘든 경우도 있다. 이 점 때문에 높은 이용가치에도 불구하고 산업적 이용이 더디다. 미강의 변질을 제어하는 기술은 안정화기술이라고 부르며, 국토가 넓어 미강 수거 및 이용이 즉시 이뤄지지 않는 미국에서 많이 연구되었고 실제 제품으로 활용되고 있다. 안정화미강은 우수한 영양밸런스와 함께 가공성이 뛰어나고 비교적 저렴한 가격에 활용할 수 있는 식이섬유원이라는 점에서 주목을 받고 있으며, 미국이나 유럽에서는 시리얼이나 베이커리, 육가공품, 튀김가루 등으로 점점 사용범위를 넓혀가고 있다. 안정화미강을 공급하고 있는 회사는 미국의 Rice Bran Technology가 대표적이며, 전 세계 각 지역별로 소규모 공급회사들이 산재되어 있다.

  반면, 일본, 중국, 인도, 태국등의 동양권에서는 안정화처리 대신 오일을 추출함으로써 미강의 산패를 방지하는데, 수거시스템이 발달되어 있지 않을 경우 품질관리에 어려움이 있어 미강으로부터 고부가소재를 추출하는데 어려움이 있다. 국내에서도 과거 안정화장치가 보급된 적이 있었으나 유지추출용도로만 사용하기에는 원료비 상승 및 품질관리의 어려움 등으로 인해 현재는 이용되고 있지 않다. 최근 국내에서는 건강과 웰빙에 대한 관심을 타고 미강이 조금씩 식용으로 이용되고 있으며, 쌀눈쌀에 대한 관심과 함께 미강속 쌀눈도 분리해내어 건강컨셉 식품용도로 판매되고 있다. 

    

동양의 올리브유, 현미유

현미유(미강유)는 미강부위에서 추출해낸 식물성 식용유로서 불포화지방이 많고 포화지방이 적은 편이라 전세계적으로 건강에 좋은 기름으로 널리 알려져 있다. 특히, 현미유는 구성 지방산중 포화지방산, 다중불포화지방산, 단일불포화지방산 비율이 각각 1:1:1로서, 모든 식물성 유지중에서도 미국심장협회(American Heart Association)에서 심혈관계질환 예방을 위해 권장하는 지방산 조성에 제일 가깝다. 

     

< 표 2 > 유종별 지방산 조성 비교  (출처 : California Rice Oil Co. 홈페이지)

현미유는 LDL 콜레스테롤 저하효과 및 고지혈증 억제 효능, 자율신경실조증 완화, 높은 산화안전성 및 품질보존 기능 등의 우수한 건강기능성 외 맛품질도 우수하다는 장점이 있다. 일찍이 일본에서는 이러한 현미유의 좋은 건강기능적 특성에 주목하여 현미유를 가리켜 “동양의 올리브유”라고 재정의한 바가 있으며 최근에는 인도, 미국 등 전세계에 걸쳐 이와 같은 켐페인이 확산되고 있다.

현미유는 높은 산화안정성과 발연점, 오래 사용해도 풍미가 변하지 않는 장점으로 인해 고급 튀김유종으로 인식되고 있다. AOM, Rancimat 등 산화안정성 관련 분석시험에서도 현미유는 최고 품질을 보이고 있으며, 튀김중 아크로레인 같은 이취 유발 물질의 생성이 적고, 튀김시 거품량과 부착물질 생성량등이 적어 다른 유정에 비해 기름흡유가 적다는 장점을 보유하고 있다. 이러한 특장점들로 인해  오래전부터 일본에서는 고급튀김유 및 부착유, 샐러드, 드레싱유 등으로 널리 사용해왔고, 최근 일식의 글로벌화 추세에 따라 미국 시장에서도 현미유 사용이 지속적으로 증가하고 있다.

전 세계 식용유지 소비량은 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 천연 유지를 공급할 수 있는 자원확보를 위한 각국의 노력 또한 증가하고 있는 추세다. 미강 역시 전 세계적으로 점점 식용유지 자원으로서 이용과 중요도가 늘고 있으며, 최근 인도에서는 수입 팜유 대체 목적으로 현미유를 사용하자는 운동이 펼쳐지고 있다. 전 세계적으로 현미유 수요가 늘고 있음에도 불구하고 현미유를 수출할 수 있는 국가는 태국, 인도, 브라질, 중국 등 극히 일부분에 지나지 않으며, 전 세계에서 현미유를 수입하는 국가 또한 일본과 한국 단 2개국 뿐이다. 일본은 연간 7만톤 가량의 현미유를 소비하고 있는데, 이중 4만5천톤 가량은 자국산 미강으로부터 생산하고 나머지는 태국, 인도, 브라질 등지에서 원유를 수입, 정제하여 충당하고 있다. 반면, 한국은 현미유가 2012년 기준 전체 식용유종 중 6번째, 연간 1만2천톤 가량이 소비되지만, 전량 수입산에 의존하고 있다. 현미유는 쌀 품종에 따라 그 조성이 다른데, 미국의 F.D.Goffman 교수 연구팀이 2003년 미국 오일화학협회지(JAOCS)에 발표한 바에 따르면 장립종보다는 국내산과 같은 단립종 Japonica 계열의 쌀의 불포화지방 함량이 더 높아 지방산 조성이 더 우수하다고 한다. 현재 국내에 수입되는 현미유는 주로 태국산으로 장립종 유래 현미유인데, 이런 연구결과는 시사하는 바가 크다.

     

< 그림 2 > 2012년 유종별 국내 유지 생산량 통계  (출처 : atfis database)

저알레르기성 다목적 단백질, 미강단백질

미강단백질은 1980년대 중반 미국 농무성 연구를 통해 그 영양적 이용 가치가 주목받아왔으며, 특히 아미노산가가 1에 달해 동물성 단백질을 대체할 수 있을 정도로 균형잡힌 필수 아미노산 조성과 함께 용해도가 높아 현재까지 알려진 식물성 단백질 중에서 우유단백질 대체 가능성이 매우 높은 자원이다. 무엇보다도 저알레르기성이라는 특징은 다른 단백질에 비해 대체 불가한 장점이며, 아토피, 천식 등 면역질환이 있는 환자나 어린이, 노인 등 면역력이 약한 취약계층에게도 도움이 될 수 있다. 미강단백은 단백이용률(Protein Efficiency Ratio, PER)이 2.2~2.4로 카제인(PER 2.5)에 거의 필적하는 수준이고, 미국 농무성과 FDA에서 단백질평가기준으로 삼는 PDCAAS 수치도 1로서 완벽한 영양균형을 보이며, 수용성 단백질 비율이 약 70%에 달해 식물성 단백질 중에서는 최고 수준을 보인다. 특히, 미강단백질은 식물성단백질 중에서 성장기 필수 아미노산인 아르기닌의 함량이 매우 높은 특징을 보이는데, 이로 인해 어린이들의 성장을 돕고, 혈액순환을 원활하게 하여 환자들의 상처치유와 원기회복에도 좋은 영향을 줄 수 있다.

     

< 표 3 > 미강단백질과 타 단백질간 필수아미노산 비교

  글로벌 시장조사기관인 “Frost & Sullivan”에서 2013년 『Global Food Forum』에 발표한 자료에 따르면 전 세계 단백질 시장은 연간 400만톤 규모로서 연 20조달러에 달하는 어마어마한 시장이며 이중 동물성 단백질은 230만톤, 식물성 단백질은 170만톤 정도 된다고 한다. 전체 단백질 시장은 2018년까지 연간 5~6%씩 성장 추세를 보이고 있으며 최근들어 원유가격상승으로 인해 유청단백, 카제인등 우유관련 단백질이 지속적으로 상승하는 추세라 이를 대체할 신규 단백질 공급원 발굴 경쟁이 심화되고 있다. 국산 자원인 미강단백질은 용해도가 높고 영양 밸런스가 좋아 이들 동물성 단백질을 대체할 가능성이 매우 높으므로 향후 시장 전망 역시 매우 밝다.

  미강단백질을 효소등으로 가수분해하면 펩타이드가 생성되는데, 미강단백질이 당 단백질로서 면역조절 등의 생리활성이 좋은 축에 속하기 때문에 미강펩타이드 역시 각종 건강기능성 소재로 기대를 받고 있다. 특히, 지금까지의 연구를 통해 항비만, 고지혈증 개선, 항당뇨, 항고혈압 등 각종 생리활성 결과가 논문으로 도출된 바 있어 향후 건강기능성 식품용 소재로서의 사용이 유망하다. 또한, 미강단백질을 가수분해하면 조미료로서도 사용이 가능한데, 미강단백질이 가지고 있는 저알레르기성이라는 장점 외에도 글리신, 알라닌 등의 단맛 내는 아미노산이 많아 기존의 식물성 단백질 가수분해물과는 다른 독특한 맛을 내는 특징을 가지고 있다.     

천연 식물성 Fiber, 미강식이섬유

탈지미강에서 미강단백질을 추출해낸 후 남는 부분을 정제하여 생산하는 미강식이섬유는 2011년 미국 FDA에서 GRAS인증을 획득한 천연 식이섬유 소재이다. 일반 미강에 비해 약 2배가량의 식이섬유 함량을 가지고 있으며, 시리얼과 쿠키, 케익 등의 제과, 제빵 등에 첨가하여 식이섬유 강화 효과 및 수분보유효과를 나타낸다. 특히, 미국에서는 글루텐을 멀리하는 동향과 맞물려 글루텐 프리 식이섬유 소재로서 주목을 받은 바 있다. 미강식이섬유는 귀리나 밀등 다른 식이섬유원과는 달리 헤미셀룰로스가 풍부하여 연한 조직 특성을 나타내며, 소재 자체의 기능성보다는 저렴한 가격과 적용의 편리성 때문에 높은 평가를 받았다. 식품용도 외에도 사료용, 발효용 배지, 화장품용 보습소재로 사용이 가능하며, 특히 수분을 머금는 효과가 강해 팩용 소재로서도 활용이 가능한 다목적 소재이다.     

높은 항산화성과 기능성을 갖는 비검화물 추출 소재

     

< 그림 3 > 현미유 내 다양한 기능성 물질들

미강의 대표적인 기능성 소재는 감마오리자놀(γ-oryzanol)이다. 감마오리자놀은 천연 토코페롤의 약 200배 가량의 높은 항산화력을 가지고 있으며, 보리, 귀리 등의 다른 곡류에도 존재하나 미강에 특히 더 많이 존재한다. 일반적인 현미유에는 약 2% 내외의 함량을 보이나, 세부 부위별로 분석해보면 미강보다는 쌀눈에 약 5배정도 더 많이 존재한다. 정제된 감마오리자놀은 해외에서 건강기능식품으로 판매되고 있으며 주요 효능은 혈압저하, 신장기능 활성화, 항비만, 대사촉진 등이다.

옥타코사놀(Octacosanol)은 미강 또는 사탕수수에서 기능성 유지로서 철새의 날개부위에 다량 축적되어 수천km를 날아갈 수 있는 힘을 준다고 해서 스태미너 증진에 우수한 것으로 알려져 있다. 이런 효능때문에   국내 건강식품시장에서는 오래전부터 고시형 건강기능식품소재로서 판매중이다(옥타코사놀 7~40mg 섭취시 지구력 증진에 도움 표현 가능).

세라마이드(Ceramide)는 세포막을 구성하는 인지질중 스핑고지질의 일종으로서 세포간 지질의 약 50%를 형성하고 있는 주요한 인지질 성분이다. 세라마이드의 기능은 세포막 구성 외에도 세포의 자기소멸에 영향을 주는 신호전달물질로서의 기능도 하는데, 특히 미강에 존재하는 세라마이드는 당 세라마이드로서 신호전달물질로서의 기능이 더 우수하다고 알려져 있다. 세라마이드 합성 장애시 피부괴사나 아토피성 피부염 등을 일으킬 수 있으며, kg당 30만원 이상의 고가의 화장품 소재로 일본 등지에서 널리 사용되고 있다.

토코트리에놀(Tocotrienol) 역시 매우 우수한 천연 항산화제로서 감마오리자놀과 함께 현미유의 높은 항산화력에 크게 기여하고 있으며, 그 외 베타 시토스테롤(β-sitosterol)등 각종 식물성 스테롤이 풍부하여 혈중 중성지방 및 콜레스테롤 수치를 크게 낮추는 효능을 보여 일본에서는 이들을 정제하여 건강기능성 소재로도 판매하고 있다.          

미강내 천연 폴리페놀, 페룰산과 피틴산

     

< 그림 4 > 미강 내 다양한 폴리페놀들

미강내엔 감마오리자놀과 같은 친유성 항산화물질 외에도 천연 폴리페놀성분이 풍부하다. 이 중에서 페룰산과 피틴산은 대표적인 미강내 천연 폴리페놀 물질로서 항균, 항산화, 항암, 면역조절 등 다양한 생리활성을 갖는다.

페룰산은 미강내 리그닌에서 분리되어 생성된 것으로 미강외에도 밀, 보리, 커피, 사과 등에 풍부하게 존재하며 천연 항균제로서 오래전부터 식품첨가물로 사용된바 있다. 피틴산은 myo-이노시톨에 6개의 인산기가 결합한 화합물로서 현미, 통밀 등 비정제 곡류와 콩류에 다량함유되어 있는 성분이다. 이 물질은 칼슘, 철, 마그네슘등 금속이온과 강하게 결합하는 특징이 있어 과거에는 칼슘 및 철과 결합하여 이들의 흡수를 방해하고 배출을 촉진시킨다하여 영양학자들 사이에서 제거되어야할 나쁜 성분으로 인식되었다. 그러나, 이노시톨의 면역증강효능이 밝혀지면서 기능성 소재로서 주목받게 되었고, 최근엔 항균, 항산화, 항종양 등 다양한 생리적 기능이 밝혀지며 예전과 같은 나쁜 이미지에서 벗어나게 되었다.

오래전부터 미강추출물은 미백, 보습, 탈모방지의 효능을 갖고 있다고 알려져 있어, 화장품, 비누, 샴푸, 로션등 다양한 형태로 이용되어 왔다. 미강추출물의 이러한 효능들 중 상당수는 폴리페놀에 기인하는 경우가 많으며, 이 때문에 미강 폴리페놀은 미강 효능의 핵심적인 성분으로 매우 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다.

     

면역을 증가시켜주는 복합다당체

미강내 식이섬유를 일정한 크기로 분해하여 정제하면, 일정한 패턴의 구조를 갖는 복합다당체를 얻을 수 있는데 이중 대표적인 것이 아라비노자일란(arabinoxylan)이라는 물질이다. 아라비노자일란은 쌀, 밀, 호밀, 보리, 귀리, 수수 등 곡류의 세포벽에 존재하는 헤미셀룰로스에 포함된 대표적인 비전분 다당체이다. 수용성 다당과 올리고당의 복합체로서, 혈중 콜레스테롤 감소효능 및 인슐린 분비 저해능력을 가지고 있다. 그러나, 아라비노자일란의 대표적인 기능성은 자연살해세포(Natural Killer Cell, NK Cell)의 활성을 증가시켜, 암세포 독성 효과를 늘이는데 있다. 이러한 미강 아라비노자일란의 면역증가 및 항암효능에 주목하여 1990년대 말 일본 다이와제약에서는 비슷한 면역활성기능을 가진 표고버섯추출물(AHCC), 베타글루칸 등의 식물추출 다당체들에 비해 우수한 효능을 갖고 있는 미강 유래 아라비노자일란 분획(상품명 : BioBran MGN-3)을 상품화 출시한 바가 있다. 국내 연구진에 의해서도 미강으로부터 면역활성을 갖는 아라비노자일란을 독자적 기술에 의해 추출하려는 시도가 있었으나 아직 상업화에 성공하진 못했다. 

    

미강 연관 산업은 친환경, 바이오화학, 바이오에너지까지 다양

미강은 탄수화물, 식이섬유, 단백질, 지방, 그리고 각종 항산화물질과 폴리페놀까지 고르게 분포되어 있어 이를 순서대로 하나씩 추출, 분리, 정제하면 식품, 화장품, 의약품등에 사용가능한 새로운 바이오 신소재들을 만들어 낼 수 있다. 그러나 미강의 진정한 이용가치는 나노, 복합, 발효기술 등 다른 종류의 첨단기술과 결합했을 때 또다시 새로운 용도의 소재를 만들어낼 수 있다는 점이다. 예를 들면, 2000년대초 일본에서는 탈지미강과 페놀수지를 혼합 후, 고온에서 탄화시켜 세라믹분체를 제조하는 기술을 개발하였다. 미강유래 세라믹은 담금질한 철강과 동등한 수준의 높은 경도, 우수한 압축강도, 낮은 밀도, 다공성 구조, 우수한 내마찰성등 베어링 소재로서 우수한 물성을 보여, 주로 윤활유 없는 타입의 베어링 소재로 사용되고 있다. 나아가 미강식이섬유를 고순도로 정제하면 페인트, 제지, 건축자재 등에 사용되는 친환경 증점제로 사용할 수도 있고, 미강내 식이섬유에 풍부한 포도당은 적절한 발효전환기술만 개발된다면 바이오에탄올 소재로도 사용가능할 정도로 다양한 활용성을 보인다.

미강 관련 산업은 국내 바이오매스 자원을 재활용한다는 면에서 볼 때 친환경적인 성격도 띄고 있다. 매년 막대한 양의 농업부산물과 식품가공부산물이 쏟아지지만 사료, 비료, 또는 폐기 외엔 별달리 대응 방법이 없던 국내 시장을 생각해보면 미강 유래 신소재 산업은 고부가가치 창출외에도 환경산업계에 시사하는 바가 크다고 할 수 있겠다.     

< 표 4 > 미강 유래 다양한 소재들노란색 : 현재 이용 범위,  붉은색점선내부 : 식의약화장품용 미강소재