지구온난화로 인해 해수면 상승, 생태계 파괴, 식량안보 등의 문제가 발생함에 따라 주요 온실가스 배출산업 중 하나인 원유를 기반으로 하는 리파이너리를 대체하기 위해 바이오리파이너리(biorefinery)의 중요성이 부각되고 있다. 바이오리파이너리는 "바이오매스로부터 바이오제품을 생산하는 것"으로 정의되며, 최근에는 바이오매스 중에서도 식품 가공 부산물(food processing residue)이 친환경적이고 지속가능한 저비용 바이오매스로 주목받고 있다. 식품가공부산물은 바이오폴리머, 바이오화합물과 같은 바이오제품을 생산하기 위한 생물전환공정의 원료로 활용될 수 있다. 박테리아 셀룰로스(bacterial cellulose)는 생산 과정에서 산림을 벌채할 필요가 없으며, 우수한 물리화학적 특성으로 인해 식물성 셀룰로스를 대체할 친환경 고분자로 큰 주목을 받고 있다.
본 연구의 목적은 박테리아셀룰로스를 생산하기 위한 밤 껍질의 생물전환공정을 개발하는 데 있다. 먼저, 셀룰로스 생산 균주 Gluconacetobacter xylinus ATCC 53524의 발효 퍼포먼스를 개선하기 위해 무작위 돌연변이를 통한 균주 개량을 수행하였다. 그 결과, 돌연변이주 Gluconacetobacter sp. LYP25는 대조군의 박테리아 셀룰로스 생산량(9.9g/L) 대비 41% 개선된 수치(14.0g/L)를 보였으며 가장 우수한 퍼포먼스를 갖는 균주로 선별되었다. Gluconacetobacter sp. LYP25는 박테리아 셀룰로스의 산업적 생산을 위한 후보 균주로서 주목받을 것으로 기대된다. 다음으로, 밤 껍질로부터 발효성 당을 효율적으로 생산하기 위한 글루코스 전환 공정이 설계되었다. 효소 가수분해를 통한 밤 껍질의 글루코스 전환율을 개선하기 위해 알칼리 전처리 공정이 최적화되었으며, 최적 조건은 용매: 1.9%(w/w) NaOH, 전처리 온도: 25.0℃, 반응 시간: 2.8시간으로 도출되었다. 최적 전처리를 통해 밤 껍질 1000g으로부터 총 310g의 글루코스가 생산 가능한 것으로 추정되었으며, 이는 대조군(무처리군) 대비 4.9배 개선된 글루코스 생산량을 나타낸다. 마지막으로, 밤 껍질로부터 회수한 글루코스를 활용하여 Gluconacetobacter sp. LYP25를 통한 박테리아 셀룰로스 발효 공정을 수행하였다. 그 결과, 30g/L 글루코스 및 0.4g/L 아세트산을 함유한 밤 껍질 배지에서는 박테리아 셀룰로스 생산량이 약 17.3g/L였으며, 이는 대조군(30g/L 글루코스 함유)에서 생산된 13.0g/L 대비 1.3배 개선된 수치이다. 결론적으로 밤 껍질은 효율적인 박테리아 셀룰로스 생산을 위한 원료로서 향후 지속가능한 바이오리파이너리에 응용을 기대할 수 있다.
본 연구에서는 원료(식품 가공 부산물)로부터 최종 제품(박테리아 셀룰로스)을 생산하기 위한 생물전환공정 전반에 걸쳐 탄소중립사회를 구현하기 위한 다양한 전략이 반영되었다. 본 연구는 박테리아 셀룰로스를 효율적으로 생산하기 위한 밤 껍질의 생물전환공정을 개발한 첫 번째 사례이며, 균주 개량, 저비용 배지 개발 및 발효 공정 평가 등이 성공적으로 수행되었다는 데 그 의의가 있다.