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1. 개요

21세기 건강기능식품 구매 비율을 보면 홍삼과 프로바이오틱스 비타민이 top3로 판매되고 있다. 이 소재들은 건강 유지를 보조해주는 가장 범용적이고 가장 필수적인 역할을 하는 것으로 알려져 있기 때문이다. 그런데 최근 몇 년간 루테인과 지아잔틴 제품군의 괄목할 성장률이 눈에 띈다. 카로티노이드 계열 잔토필 물질인 루테인과 지아잔틴은 황반 노화에 대비할 수 있는 가장 효과적인 소재로 최근 스마트폰과 같은 전자제품 사용 증가에 따라 청색광에 의해 손상되는 황반을 보호하기 위한 소비자의 인식이 커진 것이 주원인으로 분석되고 있다.

카로티노이드는 식물, 조류, 광합성 박테리아가 가지고 있는 밝은 노란색, 주황색, 빨간색의 색소로 진드기과 거미진드기를 제외하고 동물은 체내에서 생산할 수 없기 때문에 반드시 외부 섭취를 통해 체내에 공급할 수 있다. 초식동물은 식물 섭취를 통해 지방 조직에 저장하고, 육식동물은 오직 동물성 지방으로만 카로티노이드를 얻게 된다. 카로티노이드는 지용성 화합물로 지방과 함께 가장 잘 흡수되며 참마, 케일, 시금치, 수박, 멜론, 피망, 토마토, 당근, 망고, 오렌지는 카로티노이드가 풍부한 식품으로 잘 알려져 있다.

카로티노이드는 크게 산소를 포함하지 않는 순수한 탄화수소인 카로틴과 산소를 포함하는 잔토필(옥시카로티노이드)로 분류된다. 카로틴은 탄소 원자 사이에 단일 결합과 이중 결합이 번갈아 나타나는 구조로, 분광학적으로 푸른 빛을 흡수하고 붉은 빛을 반사하기 때문에 오렌지 색을 띈다. 카로틴 양쪽 끝 모양에 따라 α, β, γ, δ, ε, ζ-카로틴으로 불리는데 생체에는 주로 존재하는 형태인 β-카로틴은 비타민A 공급에 필수적인 물질로 알려져 있다. 비타민A는 레티놀로 불리며 피부 주름 개선에 탁월한 효과를 보이므로 아모레퍼시픽에서 고가의 화장품으로 판매하고 있으며 최근에는 LG생활건강에서 레티놀의 산화된 형태인 레티날을 포함하는 주름개선 화장품을 출시하여 선풍적인 인기를 끌고 있다. 한편 β-카로틴의 전구체인 리코핀은 토마토에 풍부한 빨간색 색소로 항산화 작용이 비타민E 보다 100배 뛰어나 건강과 미용에 이용된다.

그림 1. 잔토필 제품군들 (출처: Calabs, 올로아36, 휴럼 기업 홈페이지)

2. 주요 내용

2.1. 효능

루테인과 지아잔틴은 현재 가장 많이 시판되고 있는 잔토필 소재로 안구보호 및 안과질병 예방에 탁월한 효과를 가지고 있다. 눈 안쪽 망막 중심부에는 황반이 위치하고 있는데 연령이 증가함에 따라 황반색소 밀도가 현저히 감소하고 있는 것으로 알려져 있다. 최근 눈 건강을 위협하는 3대 요인중에 하나로 황반변성이 보고되기도 했으며 관련한 환자수가 60% 이상 증가되는 것으로 보고되고 있다. 황반의 중심부에는 지아잔틴이 높은 밀도로 채워져 있으며 주변부에는 루테인으로 이루어져 있고 그 함량은 대략 4:1의 비율로 알려져 있다. 따라서 루테인과 지아잔틴은 눈 황반색소 밀도 향상 및 고령에 따른 시력 저하의 노인성 황반변성 예방·개선에 탁월한 효과를 보이고 있으며 1일 최대 20mg 섭취가 권장되고 있다.

아스타잔틴은 새우, 연어가 띄는 붉은색을 색소를 구성하는 물질로 잘 알려져 있다. 지용성 물질이므로 수용성 항산화 성분이 통과하지 못하는 혈액과 뇌 사이의 장벽이나 혈액과 눈 사이의 장벽을 통과할 수 있고 일중항산소의 산화반응과 체내의 조직에 연쇄적으로 장해를 주는 과산화지질의 생성 억제와 같은 항산화 효과를 나타낸다. 산술적으로 비타민C의 6000배, 폴리페놀의 2000배, CoQ10의 800배, 안토시아닌의 150배, 비타민E의 550배, 비타민B의 54배, 녹차 카테킨 550배의 뛰어난 항산화 작용에 따라 차세대 항산화 제재로 각광받고 있다.

푸코잔틴은 미역이나 톳과 같은 갈색 해조류에서 풍부하게 분포하고 있는 물질로 다중 탄소-탄소 이중결합, 탄소-산소 이중결합과 엑폭시기, 수산화기를 가지는 독특한 구조를 통해 강력한 항산화 활성을 가지고 있다. 최근에는 암세포에 대한 직접적인 독성이 없는 농도에서도 암세포 전이와 관련된 MMP-9, CXCR-4, CD44 등의 발현 억제 및 암세포 이동과 침윤, 혈관내비에 대한 접창 등의 주요 암전이 과정 억제, 폐 전이 억제 및 백색 지방세포를 비롯 내장 지방 세포의 생성 억제·감소 효과에 따른 항암 활성이 보고되고 있으며 혈중 지질 구성을 개선하고 인슐린 저항성을 감소시키며 체중 매개변수를 개선하는 효과를 통한 항비만 효과에 활성이 있는 것으로 알려져 있다.

2.2. 생합성

잔토필은 테트라터핀의 종류로 기본 단위체인 IPP(isopentenyl pyrophosphate)와 DMAPP(dimethylallyl pyrophosphate)로부터 만들어진 GGPP(geranygeranylgeranylpyrophosphate)가 중합되어 공동 전구체인 파이토엔이 합성된다. 파이토엔은 desaturase에 의해 물질 구조에 이중결합이 추가되어 리코핀을 형성하고 이후 각각 알파카로틴과 베타카로틴으로 생합성된다. 알파카로틴으로부터 두 효소에 의해 루테인이 합성되며, 베타카로틴으로부터 지아잔틴, 칸타잔틴을 거쳐 4개 연쇄반응에 의해 아스타잔틴이 합성된다. 베타카로틴은 네오잔틴의 전구체로써 이후 디노잔틴, 디아디노잔틴을 거쳐 푸코잔틴을 합성하는 것으로 예측되고 있다. 특히 푸코잔틴은 다른 잔토필과는 달리 생합성 경로가 아직 밝혀져 있지 않고 있으므로 많은 과학자들이 관련 효소들을 발굴하는데 관심을 가지고 있는 상황이다. 잔토필은 카로틴 골격에서 산소가 첨가되어 형성되므로 대부분의 반응이 산화촉매효소인 CYP450에 의해 촉매되는 것으로 알려져 있다 (그림 2).

그림 2. 잔토필 생합성 경로

2.3. 국내외 잔토필 생산 및 제품화 기술 현황

루테인과 지아잔틴은 주로 마리골드 꽃에서 추출하여 제품에 사용된다. 화학적 합성방법으로도 지아잔틴을 생산하는데 주로 루테인에 강한 열과 알칼리를 반응하여 합성된다. 천연 지아잔틴과 합성 지아잔틴은 구조 이성질체로 각각 트랜스 지아잔틴, 메조 지아잔틴으로 불린다. 기존에는 두 물질을 구분하지 않았지만 FDA에서는 이미 2011년부터 두 물질을 구분하여 표기하고 있다. 아직 우리나라에서는 두 물질을 구분하여 표기하지 않는다. 국내 눈 건강 기능성식품은 주원료인 루테인 단독 상품도 있으나, EPA/DHA, 아스타잔틴, 비타민A, 빌베리 추출물 등의 고시 원료를 포함하는 제품이 많다. 가장 이상적인 함량은 지아잔틴:루테인(16:4)의 비율로 하루 20mg 섭취하는 것이 권장되고 있다. 대부분 원료를 수입에 의존하고 있으나 올해 국내 기업인 우리바이오가 수경재배 기반의 수직형 식물공장에서 마리골드 대량 재배에 성공하여 국내산 녹황생 채소 및 식물공장 기반 마리골드 꽃을 활용한 루테인 소재 개발에 밝은 빛을 던져주고 있다. 특히 1년에 최대 4번 마리골드를 재배할 수 있어 노지재배와 대비하여 최대 10배 이상의 수확물 생산이 가능한 것으로 알려져 있다. 마리골드 꽃 추출물은 지난 2017년 947억원 규모에서 2019년 1586억원을 기록할 정도로 성장세가 뚜렷하다.

아스타잔틴은 Algatechnologies Ltd.(이스라엘), AstaReal Inc.(하와이, 미국), Fuji Chemical Industry의 자회사(도야마, 일본), BGG(Beijing Ginko Group)(윈난성, 중국), Cyanotech Corporation(하와이, 미국), Parry’s Pharmaceuticals(인도) 등의 세계 유수한 기업들이 원료를 생산하고 있으며 95% 이상 석유화학원료 유래의 합성 아스타잔틴 형태로 제조한다. 아스타잔틴은 US FDA와 EFSA에 인정받은 아스타잔틴만 양식어업에 사료 첨가제로 활용 가능하며 합성 아스타잔틴의 생산원가 약 1000 달러/kg, 시장가격은 2000 달러/kg 이상으로 평가받고 있다. 사람 섭취용으로는 건강과 환경에 대한 소비자들의 우려로 인해 높은 비용에도 불구하고 자연 유래 천연 아스타잔틴 선호하고 있으며 헤마토코쿠스 유래의 천연 아스타잔틴의 생산원가는 약 1800 달러/kg이며 시장가격은 7000 달러/kg 이상으로 거래되고 있다. 또한 천연 아스타잔틴은 새우, 연어, 송어 및 관상어류 등의 상업적인 가치를 향상시키기 위한 고부가가치 색소로 활용되어 수생동물 염색료 및 생존기간 연장, 생식력, 생장력 향상, 스트레스 내성 개선, 면역 관련 유전자 발현, 질병 내성 강화 등 생물학적 특성 개선에 활용 중에 있다. 특히 일본에서 최근 고가에 판매되고 있는 아스타잔틴 함유 항산화 화장품이(아스타로스) 선풍적인 인기를 끌고 있고 2018년 시장규모가 600백만 달러를 초과하였고 2026년도에는 880만 달러로 추정되고 있어 향후 관련 시장 성장세가 기대되고 있다. 특히 아스타잔틴을 안정화하는 인지질 복합체인 리포좀 기술이 국내 기업인 더마펌과 일본기업에서 개발된 후 제품의 효능을 배가하고 있어 제형화 기술 개발과의 접목에 대한 중요성이 인식되고 있다. 국내로 눈을 돌려보면 2007년 식약청으로부터 건강기능식품의 기능성원료로 인정되어 헤마토코쿠스(Haematococcus pluvialis) 건조분말을 에탄올, 아세톤 또는 CO₂ 초임계 추출로 생산하고 2009년에 헤마토코쿠스 추출물 규격기준을 신설한 후 2010년, 아스타잔틴 시험법 신설하였다. 지난 2018년 전북대 농생명융합기술연구센터 연구팀과 (주)아스타바이오, 국내산 종균을 활용해 고품질 아스타잔틴 대량생산이 가능한 LED컨테이너 시스템 개발하였고 2021년 클라우드에어, 미세조류를 활용한 고부가가치 아스타잔틴 추출 기술 기반의 이산화탄소 저감 기술 보유을 보유하고 있다.

푸코잔틴은 Oryza Oil & Fat Chemical, Yangling Ciyuan Biotech(중국), Polifenoles Naturales SL(스페인), Amicogen Inc(대한민국), Yigeda Bio-Technology(중국), Ningbo Tianhong Biotech(중국), Changsha Vigorous-Tech(중국), Agrochemi(일본) 등에서 제조하고 있는 소재이다. 현재는 푸코잔틴의 낮은 수용성과 안정성 및 제한된 생체 접근성을 개선하고 다양한 분야의 활용을 위한 안정성 향상 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 푸코잔틴은 현재 당뇨, 암, 심혈관 질환 및 만성질환의 치료와 예방 등에도 활용되지만, 항비만 체중조절용 식이보충제의 상업적 활용도가 높은 것으로 알려져 있다. 2018년 시장규모가 8천 800만 달러로 측정되었으며 연 평균 3% 가량의 성장세를 보이고 있다. 국내 푸코잔틴 관련 산업적 개발 제품은 대부분 거대조류(미역, 다시마)에서 추출한 항비만의 체지방 감소를 위한 기능성식품이 주류를 이루고 있다. 한국과학기술연구원 김상민 박사 연구팀에서는 2015년도에 해양미세조류에서 푸코잔틴 추출 및 대량생산 기술 공정을 개발하였고 주식회사 알지텍에 기술이전을 하여 항비만 건강기능식품 원료 사용을 위한 식약처의 건강기능식품 인정을 신청한 상태이다. 하지만 대부분 거대조류에 의존하고 있는 푸코잔틴 소재는 낮은 순도와 높은 점성으로 식품 외 분야의 활용 제한되어 있으나 최근 미세조류 추출물은 기존 거대조류 추출물 대비 5배 이상 높은 푸코잔틴 함량과 낮은 점성으로 식품 외 화장품·의약품 등 다양한 산업분야 활용 전망되고 있어 미세조류를 기반으로 푸코잔틴을 생산하는 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 다만 생합성 연구의 미비로 인해 합성생물학적인 접근은 용이하지 않은 상황이다. 현재 네추럴에프앤피(Natural F&P)에서는 푸코잔틴 2.5% 이상 함유한 추출물의 대량생산 및 추출기술 확보와 상용화를 목적으로 제주 용암해수에서 분리한 미세조류 `멜로시라(Melosira)` 대량 배양의 제주도 기업 제이디케이바이오(JDK bio) 및 제주 테크노파크와 함께 미세조류로부터 푸코잔틴 추출기술 개발 중에 있어 향후 미세조류 기반의 원료 생산에 기대가 한층 가열되고 있는 상황이다.

3. 잔토필 생산 연구의 필요성

잔토필은 뛰어난 유해 활성산소 (Reactive oxygen species) 제거 및 강력한 항산화능으로 항염, 항암 및 자외선에 의한 피부자극 저감 등탁월한 효능을 지니고 있어 건강보조식품, 화장품, 제약 등 다양한 산업분야에 활용되고 있으며 매년 5.7%의 고성장으로 2022년 기준 20억 달러 규모의 세계시장을 형성하고 있다. 하지만 잔토필은 대부분 식물에서 추출하기 때문에 매우 고가임에도 불구하고 소비자의 수요가 매우 높기 때문에 원료의 대부분을 해외수입에 의존하고 있어 원료 수급 안정성이 낮고, 제조 상품의 단가를 낮추기가 어려우며 정치적, 사회적 변수에 따라 원료의 가격 변동폭이 크기 때문에 소재 생산의 국산화가 필요하다. 따라서 점차 증가하고 있는 잔토필의 수요 충족 및 생산 기술의 자립을 위해 기존 아스타잔틴 및 루테인 등을 대체할 수 있는 뛰어난 효능의 미생물 유래 잔토필 대량 생산 기술 개발이 필요한 상황이다. 특히 잔토필 공급은 식물이나 해양 조류 추출물에만 의존하여 추출 기술개발만으로는 생산량을 극대화하는데 한계가 있고 근본적으로 자연계에 미량 존재하여 생산량이 적고 단가가 높아 원료 공급 다각화가 불가능하다. 또한 천연제품을 선호하는 소비자의 트렌드에 따라 자연에 존재하는 화학구조로 원료가 생산되어야 한다. 따라서 자연계 존재하는 적은 함량의 한계를 극복하고 세포내 잔토필 생산성을 근원적으로 증가하여 대량 생산 공정을 구축하기 위해 잔토필 바이오부품을 개발하고, 모듈화하여 조립하는 합성생물학적 방법을 통해 미생물 세포공장을 개발이 반드시 필요하다고 할 수 있다. 이를 통해 기능성 잔토필 소재 수요 국산화와 안정적 수급을 기대할 수 있게 되어 국내 기능성 소재 산업 및 식의약품 산업의 경쟁력 강화에 기여하게 되며 특히 케미포비아 현상과 그린 산업의 발전에 따라 전세계적으로 천연물질 수요 및 관련 시장이 확대될 것으로 기대된다.

References

1.     건강기능식품 인덱스 (2018), 닐슨코리아

2.     산업정보 (2021), 한국건강기능식품협회

3.     Science advances (2020), 6: eaaw9183

4.     Biochemical Systematics and Ecology (2020), 89: 104001

5.     Market research report, Global Astaxanthin Market Size study, by Source, Form, Method of Production, Application and Regional Forecasts 2020-2027 (2021), Bizwit Research & Consulting LLP

6.     Marine Drugs (2014), 12:3487-3515

7.     Microorganisms (2021), 9: 44