[에세이] 대체육 시장의 현재와 미래 모습 전망

[인류와 식량 최종 과제]

2022.12.15

이 글은 필자가 2022년, 대학교 1학년 때 작성한 글입니다. 내용은 실제 경험과 참고 문헌을 바탕으로 하고 있습니다.

 

0. 서론

우리가 먹는 음식이 어떻게 만들어지는지 고민해본 적 있는가? 식량 생산 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 하나는 자연에서 직접 채집하는 것이고, 하나는 우리가 환경을 만들고 관리하여 직접 식량을 기르는 것이다. 물론 산업화가 많이 이루어진 현대 사회에서는, 식량은 대부분 길러서 생산하는 ‘농업’의 형태를 가지고 있다.

단, 모든 산업화가 그렇듯이 식량 생산의 산업화 역시 환경에 대한 문제점을 가지고 왔다. 대표적으로 일단 작물과 가축을 기르기 위해서는 상당한 양의 토지가 필요하며, 이에 따라 현재 빙하나 사막이 없는, 생존이 가능한 육지 중에서 숲이 37%인 반면 무려 50%가 농업에 이용되고 있다.1) 또한 농지를 넓히기 위해 많은 양의 숲이 개간되어왔으며, 지금도 아마존 밀림 등 많은 숲이 농업을 위해 개간되고 있다.2)

또한, 많은 산업화의 결과처럼 농업 역시 온실가스 배출과 무관하지 않다. 단순히 농축산물의 관리와 수확, 운송에 이용되는 에너지와 화석 연료뿐만 아니라, 기존의 밀림과 사바나 등 탄소가 저장된 환경을 개간하는 과정에서도 온실가스가 발생하며, 비료 사용이나 논에서의 혐기성 발효 등에서도 질소산화물, 메탄 등의 온실가스가 발생한다. 이에 따라 전체 온실가스 배출 중 26%가 식량 생산과 연관되어있다고 한다.3)

흥미로운 것은, 육류의 경우 이러한 문제들이 일반적인 곡물에 비해 평균 10배 이상 심하다는 것이다. 이는 육류의 생산 과정을 생각해보면 쉽게 알 수 있는데, 일단 육류를 생산하기 위해 육류보다 열량 비 5~30배의 곡물이 이용된다는 점이 있다.4) 육류는 전체 공급 식량 중 18%의 열량과 37%의 단백질만을 제공하지만, 이용하는 토지는 전체 농지 중 77%에 달한다.5) 게다가 이용하는 수자원도 전체 수자원 중 29%로 곡물(27%)보다 많으며,6) 그 외에도 냉장/냉동 운송과 가축 자체의 호흡 및 발효 등에서 온실가스가 추가로 발생한다.7)

육류보다 곡물은 환경에 대해 훨씬 효율적이다. 하지만, 인류가 과연 육류 섭취를 곡물로 대신하고자 할까? 이에 따라 나타난 대안이 바로 대체육이다. 말 그대로 실제 가축을 기르지 않고 얻어내는, 육류와 유사한 영양소와 맛을 가지는 대체재를 이용하면, 가축을 기름으로써 나타나는 여러 환경 문제를 해결할 수 있을 것이다. 이러한 필요성에 의해 많은 기업과 연구실에서 더 효율적이면서 육류와 유사한 영양분과 맛을 가지는 대체육을 연구하고 있지만, 아직 소비자들로부터 육류를 대체할 완전한 대체육은 시장에 존재하지 않는다.8)

이에 따라, 이 글에서는 현재 대체육의 여러 개발 방향성과 각 방향의 장단점, 현재 연구 및 상용화 단계와 해결되어야 할 문제점에 대해, 그리고 앞으로 대체육 시장이 어떠한 형태로 성장할 것인지를 다뤄보고자 한다.

 

1. 식물성, 균사체성 대체육 기술의 현재와 미래

식물성 대체육은 식물에서 얻어낸 물질을 기반으로 육류와 비슷한 맛, 향, 식감, 그리고 영양성분을 가지도록 만든 식품이고, 균사체성 대체육은 이를 버섯과 같은 균사체에서 얻어낸 물질을 기반으로 만든 식품을 의미한다. 두 대체육은 그 육류를 이루는 물질들을 동물세포에서 얻어내지 않았다는 점에서 같으며, 식물성 재료와 균사체성 재료, 그 외 동물 외의 생물에서 얻은 재료를 혼합하여 만든 대체육을 포함한다.

이러한 대체육은 주로 다음과 같은 구성성분을 가진다. 먼저 대체육 질량의 대부분을 이루는 단백질과 지질, 그리고 이외의 다른 성분들을 함께 묶어줄 수 있는 결합제(binder)가 있다. 이들은 전체적으로 육류의 촉촉하면서 적당히 질긴 식감을 만들고, 겉으로 보이는 형태를 육류 혹은 가공육과 비슷하게 해주는 역할을 한다. 여기에 추가로 실제 육류의 맛과 향, 형태를 내게 해주는 재료가 소량 추가되어, 실제 대체육을 이루게 된다9).

단백질원의 경우, 식물성 대체육에서는 주로 콩 단백질이나 밀의 글루텐 단백질을 이용한다. 특히 콩의 경우 식용유로 이용된 다음 나오는 부산물이, 높은 단백질 함량과 균일한 아미노산 분포, 그리고 저렴한 가격 때문에 주로 이용된다. 그 외에도 해바라기씨, 유채씨, 쌀, 감자, 땅콩 등과 같은 재료들에서도 연구가 진행되고 있다고 한다. 식물성 단백질을 이용하는 경우는 단백질이 주로 결정화되어있어 식감이 대부분 딱딱하고 수분이 적기 때문에, 추가 조리(찜 혹은 압출 등)의 필요가 있다10).

반대로 균사체성 대체육에서는 단백질원으로 단백질이 풍부한 균류 종의 균사체 자체를 이용한다. 균류의 균사체를 이루는 단백질은 식물에서 얻는 것보다도 더욱 육류의 단백질과 비슷한 형태를 가지기 때문에, 식물성 단백질과 같은 추가적인 조리 과정이 생략된다. 키우는 과정에는 식물성 자원이 들어가겠지만, 동물에 비해 훨씬 빠르게, 훨씬 좁은 공간에서 성장하기 때문에 매우 효율적이다11).

지질의 경우, 육류의 부드러운 식감과 약간의 풍미에 영향을 주기 때문에 필요하며, 추가할 때는 쉽게 얻을 수 있는 식물성 식용유를 이용한다. 하지만 조리 과정에서 대체육의 전체적인 물성이 친수성인 만큼, 지질을 넣어주기 위해서는 유화 과정을 거쳐야 한다12).

결합제는 주로 식물성 유화제로, 지질을 안정적으로 추가해주는 역할이 주를 이룬다. 물론 일부 대체육의 단백질 섬유, 특히 균사체성 섬유의 경우에는 지질에 대한 유화 능력을 어느 정도 가지고 있기도 하지만, 더 부드러운 식감을 만드는 등의 필요에 따라 결합제가 추가된다.13) 그 외에도 육류 단백질 사이의 연결을 위해, 검이나 알긴산, 메틸셀룰로오스 등의 탄수화물이 섬유형 결합제로 이용된다고 한다.14)

맛과 향, 색상 등을 맞추기 위한 재료도 많이 연구되어있다. 대체육의 색상을 실제 고기와 비슷하게 하기 위해서는, 가열 전에는 붉은색, 가열 후에는 갈색을 가지도록 만들어야 한다. 이러한 색소로서 카로티노이드 계열 색소와 카라멜 계열 색소와 함께, 최근에는 실제 근육의 미오글로빈과 유사한 레그헤모글로빈이 이용되고 있다.15)

맛의 경우, 색을 유지하기 위해 pH가 산성으로 유지되어야 하고, 그 결과로 시트르산 등의 산이 포함된다. 또한 글리코사이드에 의한 쓴맛, 지방 산화에 의한 풀-맛 등도 존재할 수 있다. 이를 줄이거나 제거하기 위해, 특정 효소를 저해하거나 발효 과정을 거치는 등의 방식이 이용되고 있다고 한다. 그 외에도 추가로 육류와 비슷한 향을 내는 물질을 탐색하여 대체육에 추가하는 연구가 진행되고 있다.16) 하지만 여전히 실제 육류의 비용과 맛을 따라잡지 못하고 있다.17)

 

2. 배양육 기술의 현재와 미래

배양육 기술은 실제 육류를 이루는 동물세포를 배양하여, 실제 개체를 모두 키울 필요 없이 육류로 이용하는 골격근 조직을 얻어내는 형태를 가진다. 이는 세포 연구 및 의료용으로 이용하던 동물세포 및 조직 배양 기술을 이용한다. 일단 실제 육류를 이루는 동물세포와 조직을 이용하기 때문에 식감과 맛은 식물성 및 균사체성 대체육보다는 실제 육류와 훨씬 유사하게 만들 수 있다.18)

실제로 근섬유를 배양하고 모아서 배양육을 만들 수는 있다는 점이 알려져 있다. 하지만 그 단가가 너무 비싸, 상용화가 어려웠다. 배양육 기술을 상용화하기 위해서는 근육세포와 지방세포의 분리 및 배양, 세포의 3차원 배양을 위한 구조체인 스캐폴드(scaffold) 제작, 비-동물성 배양액 형성, 그리고 대량 생산을 가능하게 하는 자동화 배양조(bioreactor) 설계가 있다.19)

단순히 단일세포가 분열하여 만들어지는 지방세포와 달리 근육세포, 근섬유(myotube)는 여러 세포가 합쳐진 다핵성 섬유이고, 그렇게 만들어진 섬유는 더 이상 분열하지 않는다. 이에 따라 근육을 배양하기 위해서는 근원세포(myoblast) 혹은 근위성세포(myosatellite cells)의 수를 먼저 늘리고, 다시 그 세포들이 스스로 근섬유를 형성하도록 하는 과정이 필요하다. 이는 농도가 늘어나면 스스로 근섬유로 분화하는 근위성세포 등의 특징에 따라 쉽게 가능하며, 일부 세포 계열은 분열 속도가 빨라 더욱 선호되고 있기도 하다.20)

특히 두 종류의 세포를 같은 공간에 두고, 투과성 막으로 막아서 서로 접촉하지 않도록 배양하는 공배양(Co -culture) 기술이 적용되기도 한다. 이에 따라 근위성세포를 대식세포와 함께 공배양하면 근위성세포의 분열과 근섬유 재생이 빨라지고, 지방세포와 지방원세포(preadipocyte)를 공배양하면 지방원세포의 분열과 분화가 빨라진다는 사실이 알려져 있다. 특히 근원세포와 섬유아세포를 함께 배양했을 때의 결과가 골격근 조직과 상당히 유사한 형태를 나타낸다. 또한 이러한 실험을 통해 각 세포의 분화 및 분열을 촉진하는 성장 호르몬의 종류 역시 잘 알려져 있다21). 특히 다공성 스캐폴드의 존재 아래 내피세포와 근육세포를 함께 배양하여, 모세혈관 구조를 만드는 데에 성공했다는 내용도 존재한다22) . 다만 아직 완전한 조직을 지속적으로 생산하기에는 어려운 상태이다.

3차원 조직을 배양하기 위해 이용하는 스캐폴드에 대해서도 많은 연구 결과가 있다. 배양조 안에 주로 콜라겐 기반의 스캐폴드를 넣어, 세포가 그 안에 부착하고 성장하게 하는 경우가 주를 이룬다. 그 외의 비-동물성(유기 폴리머, 식물성 등등) 스캐폴드 역시 다양한 연구가 진행되고 있다. 아직 그 결과로 나타난 생성물이 실제 육류와 비슷하지는 않아, 결과적으로는 세포를 더욱 좁은 공간에서 빠르게 효율적으로 배양하는 효과만을 가질 뿐이고, 여기서 세포 혹은 단백질을 추출하여 가공육 형태의 배양육을 생산하는 것이다.23)

하지만 실제 생체 조직은 따로 주어진 스캐폴드 없이 스스로 3차원 구조를 형성하므로, 이를 따라한 방법 역시 존재한다. 기본적인 방식은 이미 만들어진 골격근을 근원세포 배양액에 넣어주는 것이고, 이에 따라 근원세포가 골격근을 스캐폴드 삼아 그 위로 더 많은 근섬유를 쌓는 형태가 된다. 이때 골격근의 근섬유를 해리해서 넣어준 경우는 그 성장이 더 효과적이었다고 한다.24) 하지만 아직 이러한 방법으로 혈관계를 형성하지는 못했으므로 그 크기에 제한이 있으며, 실제 조직을 3차원으로 생산하는 것은 아직 어렵다.

배양육이 가지는 가장 큰 문제 중 하나로는, 그 배양액에 주로 이용되는 FBS(Fatal Bovine Serum; 일반적인 동물세포 배양은 DMEM 액체 배지에 10% 정도의 FBS를 넣어 영양분 및 성장 인자를 제공한다)가 도축 과정에서 나오는 소 태아에서 유래하기 때문이다. 배양액 자체도 동물성 성분을 가지고 있지 않아야 하며, 기존의 배양액도 저렴하지 않아 비용 문제가 따라붙게 된다.25)

이에 따라 FBS와 그 외 액체 배지가 가지는, 세포 배양에 필수적인 성분인 필수 영양성분과 미네랄, 그리고 특히 호르몬성 성장 인자를 가지는 배지를, 동물이 아닌 기반에서 더 저렴하게 얻어낼 필요가 있다. 이에 따라 주로 단량체로 존재하는 영양성분을 미생물의 발효 등을 통해서, 성장 인자를 유전자 재조합 미생물의 발현을 통해서 혹은 다른 비-동물성 기반에서 얻어내어 배양액을 만들고, 완전히 물질 농도를 통제하는 실험 등급 수준이 아닌, 조금 더 오차에 대해 관용적일 수 있는 식품-등급의 배양액 표준을 이용하는 방법으로, 또한 재활용이 어느 정도 가능하게 하여 가격을 저렴하게 만드는 방법이 연구되고 있다.26)

다른 기술들에 비해, 배양조와 관련된 기술은 따로 잘 연구된 바가 없으며, 위의 기술들이 충분히 뒷받침되어야, 그리고 확고한 방향성을 가지고 나서야 제대로 된 연구 및 최적화가 이루어질 것으로 보인다. 다만 현존하는 배양조는 단클론항체나 (배양육을 포함한)세포농업 계열에서 많이 이용되고 있으며, 주요한 목적은 세포의 틈 사이로 배양액이 갈 수 있도록 하여 세포가 죽지 않게 하는, 환경을 유지하고 영양분을 제공하며 노폐물을 치우는 것이다27). 배양육의 상업화 과정에서 배양조의 목적이 큰 축에서 변화하지는 않겠으나, 스캐폴드의 부착 여부나 층류 형성 방식과 정도 등에 대해서는 차이가 나타날 것으로 예상된다.

 

3. 곤충성 대체육 기술의 현재와 미래

곤충성 대체육은 직접 곤충을 섭취하는 형태인 경우도 있지만, 여기서는 곤충에서 얻은 단백질 등의 물질을 이용해서 실제 대체육을 이루는 경우를 이야기하겠다. 곤충은 식물이나 균류보다 더욱 척추동물과 계통학적으로 가깝고, 이에 따라 이를 이루는 단백질과 같은 성분들도 유사하다. 새우와 가재, 랍스터, 게 등이 동물보다 곤충에 가까운 절지동물이며, 이에 따라 실제 곤충은 이들과 비슷한 맛이 날 것이고, 실제로도 그렇다는 점이 잘 알려져 있다. 따라서 곤충성 단백질은 실제 육류의 그것과 다른 무엇보다도 유사하고, 따라서 쉽게 이용할 수 있다.28)

곤충은 생활사가 짧고 성장이 빠르며 번식력이 강하기 때문에, 적은 비용으로 많은 단백질을 생산할 수 있다. 물론 규모가 크지 않다면, 상당히 적은 비용으로 야생에서 채집하는 것도 가능하다. 이때 곤충에서 얻어낸 조직은 단백질과 불포화지방 등의 영양소가 비교적 풍부하다는 특징이 있다.29)

단, 이 경우에는 내장 기관 자체를 따로 구분할 수 없으므로, 동물과 마찬가지로 미생물 혹은 기생충의 오염을 처리하는 것이 필요하다. 알러지를 일으키는 물질, 중금속 등의 존재와 같은 문제도 해결해야 한다. 그 외에는 특별한 문제를 가지지 않으며, 실제로 식품으로 쉽게 이용될 수 있다.30)

문제는 소비자의 시각이다. 일반적으로 곤충을 섭취하는 것은, 곤충에 대한 공포와 혐오 등에 의해 주요 문화권에서 상당히 거부하는 편이다. 하지만 그 해결 방안으로 곤충을 다지거나 가루 형태로 이용하여 이미 존재하는 육류 및 대체육과 섞는 등의 방식으로, 실제 그 형태는 드러나지 않지만 유의미한 비율을 차지하면서 맛 자체는 익숙한 상황을 형성하면 될 것이라는 가설이 있었고, 실제로 검증되기도 했다.31)

 

4. 결론

앞에서 다룬 바와 같이 가축을 이용하여 얻는 육류에는 실제로 문제점이 존재하며, 그 규모는 육류에 대한 수요만큼이나 거대하다. 특히 그 문제에는 공유지의 비극으로 정의되는, 환경 오염과 지구온난화, 기후 위기가 모두 함께 연관되어있으며, 그 비중도 크다는 점을 알아보았다.

식량 생산이 불가피한 활동이라고 할 수는 있지만, 육류 생산은 실제 동물 개체를 이용하기 때문에, 곡물 생산보다도 평균 약 5~10배에 달하는 온실 기체 방출, 토지 이용, 수자원 소모를 일으킨다. 이런 문제점을 막기 위해, 살아있는 동물이 아닌 근원으로부터 육류를 얻고자 하는, 대체육을 개발하고자 하는 노력이 이어지고 있다.

 

먼저, 식물성 대체육의 경우, 재료를 얻고 가공하는 과정은 기존의 육류보다 훨씬 효율적임이 잘 알려져 있다. 특히 주재료의 경우 식용유 압착 후 남은 부산물을 이용할 수도 있다는 장점이 있고, 그 외의 재료들 역시 대부분 생산에 비용이 많이 들지 않아 상당히 효율적이다. 이에 다른 방법들보다는 시장에 쉽게 등장했고, 비건 소비자들을 중심으로 판매되고 있다.

하지만 식물성 대체육의 가장 치명적인 약점은 바로 ‘식감’과 ‘맛’이다. 식감의 경우, 식물성 단백질은 상당히 덩어리져, ‘딱딱한’ 식감을 나타낸다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 많은 조리 및 처리 방법이 연구되고 있다. ‘맛’의 경우도 ‘육즙’과 같은 기름 성분, 고기의 맛을 나타내는 헴 분자 등의 추가, 쓴맛 물질 제거 등 다양한 접근법의 적용이 있었다. 하지만 아직은 실제 육류의 맛을 따라잡지 못하고 있다.

맛을 형성하는 분자의 조합은 복잡하며, 육류의 맛을 만드는 분자들을 모두 알아야만 완전한 모방이 가능하다. 따라서 아직은 상당한 시간이 필요할 것으로 보인다.

비슷한 방법으로 균사체를 이용하는 방법이 있다. 균사체는 육류의 식감을 모방하는 것이 쉽지만, 마찬가지로 맛을 완벽하게 모방하기 어렵다는 문제가 있어, 식물성 대체육과 함께 시간과 자원이 더 투자되어야 할 것이다.

 

배양육의 경우, 실제 육류를 구성하는 세포를 배양하여 이용하기 때문에, 육류의 식감과 맛을 모방하기 쉽다. 문제는 그 조직 배양 자체가 어렵고, 비용이 많이 든다는 점이 있다. 3차원 구조로 세포를 배양하는 것도, 그 구조에서 세포가 서로 반복되는 구조로, 여러 종류의 세포가 형태 질서에 맞춰서 배양하기도 쉽지 않다. 세포들을 분열 후 분화시키는 것도, 가능하다면 모세혈관 등의 구조를 갖추기도 어렵다.

지금까지 관습적으로 이용되던 동물성 배양액을 대체하는 것도 주요 과제이다. 배양액은 영양분뿐만 아니라 성장유도인자를 포함하고 있어야 하며, 배양액을 따로 만드는 경우는 해당 호르몬과 영양소를 따로 만들어 넣어주어야 한다.

이에 따라 배양육은 3차원 조직 배양 기술, 비-동물 유래 배양액 사용, 그리고 전체적인 과정에서의 비용 절약을 통해 실제 시장에 등장할 수 있다. 아직 시장에 등장하지는 못했지만, 만약 그렇게 된다면 다른 대체육보다 더욱 실제 고기에 가까운 맛과 형태, 식감을 가지고 있어, 수요가 더욱 많을 것임을 기대해볼 수 있다.

 

곤충성 단백질의 경우, 풀로도 살 수 있기 때문에 동물보다 생산 비용이 훨씬 낮다. 게다가 균류나 식물보다는 육류에 가까워, 식감이나 맛 역시 비교적 비슷하게 나타난다는 것이 설문에서 확인되었다.

다만, 곤충성 단백질이 가진 가장 큰 문제라면, 소비자의 기피 심리가 있을 것이다. 그 외에도 곤충성 단백질 역시 실제 육류의 식감과 맛과는 조금 다르므로, 식물성 대체육처럼 실제 육류를 모방하는 방법의 연구가 필요할 것이다.

 

전체적인 데이터를 바탕으로 필자가 생각하는 대체육의 미래는 이러하다. 우선 식물성 및 균사체성 대체육(이하 대체육)이 한동안 대체육 시장을 우점할 것이다. 하지만 실제 육류의 형태와는 달라서 주로 가공육의 형태로 시장에 존재할 것이고, 그마저도 맛이나 식감 때문에 대체육 시장 자체는 전체 육류 시장의 10~20%에 미치지 못할 것이다.

물론 비건 운동이 더욱 활발해지거나, 기후 위기의 심각성으로 탄소세가 더욱 심해지는 경우, 기존 육류보다는 대체육을 선호하는 비중이 높아질 것이다. 대체육의 가격이 기존 육류보다 저렴하게 나타날 수도 있고, 인구 증가 등에 의해 대체육에 대한 수요도 함께 증가할 것으로 생각할 수 있다.

이때 곤충성 단백질은 맛이나 식감이 육류와 비슷하더라도 소비자의 반발이 심할 것이다. 게다가 배양육이 상용화된 후에는 시장에서 없어질 것으로 추측된다.

이후 궁극적으로는 배양육의 기술 개발이 상용화 수준으로 발전할 것이다. 이 시점에서는 맛의 차이에 의해 대체육이 배양육에 시장 대부분을 쉽게 빼앗길 수 있다. 물론 기본적으로 대체육이 배양육보다 저렴할 것으로 예상되며, 대체육 시장이 가격대에 따라 나뉘는 형태를 기대할 수 있다.

 

육류의 대체제로서 배양육이 존재하게 되면, 각 국가는 육류의 소비에 의한 탄소 배출에 더 많은 제재를 걸 수 있게 된다. 이는 기존 육류에 세금이 붙거나, 대체육에 보조금이 붙는 형태가 될 수 있다. 이를 통해 기존의 육류는 고급의 식단으로서 취급될 것이고, 배양육은 그보다 더 실용적인 육류로 취급될 가능성이 크며, 대체육은 배양육의 가격이 떨어짐에 따라 시장에서 자취를 감추거나, 비건 등의 수요에 의해 독자적인 식품군이 될 것이다.

기존의 축산업의 경우, 반드시 이러한 변화에 반발하고자 할 것이다. 현재도 대체육에 ‘육류’라는 표기를 쓰지 못하도록 하는 법안 요청 사례가 있었다. 앞으로 대체육과 배양육의 가격이 저렴해지고, 시장 점유율이 올라가며 반발은 더욱 심해질 것이다.

하지만 궁극적으로는 탄소세 등의 법안에 의해, 기존 축산업에 제재가 있을 것으로 예상된다. 점차 축산업 농가는 사라져갈 것이고, 수요층의 변화를 보고 고급화 전략을 취한 몇 농가만이 축산업을 이어갈 수 있을 것이다.

이에 따라 점차 목축과 사료 작물 생산 등에 이용된 농지는, 탄소세 등의 영향으로 숲으로 복원될 가능성이 크다. 대체육의 개발로 탄소 배출이 감소하고, 생태계의 복구도 가능해질 것으로 보인다.

그날을 소망하며 글을 줄인다.

 

- 참고문헌

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