나노기술은 장차 수년 내 제품 혁신에 큰 영향을 줄 것으로 기대되는 신생기술이다. 현재 이 기술은 이미 화장품이나 의약 제품의 혁신을 위해 사용되고 있다. 식품산업에서도 나노기술과 나노입자를 이용하여 제품과 공정을 혁신할 수 있는 가능성이 분명히 있으며, 실제로 나노기술을 적용한 식품과 식품포장재가 판매되고 있다. 향후 나노식품산업의 급성장이 예측되는 가운데 나노식품의 안전성 문제도 제기되고 있다. 본고에서는 식품산업에서 나노기술이 적용되는 사례를 살펴보고, 나노식품의 안전성 문제와 향후 시장 전망에 대해 기술한다.
● 나노식품(nanofood)이란 나노기술적 기법이나 수단으로 재배, 생산, 가공, 포장된 식품 또는 제조 나노물질이 첨가된 식품을 말함.
● 제조 나노물질, 나노에멀션, 나노캡슐이 향미제, 영양강화제, 식품신선도 유지, 장기저장 등의 목적으로 가공식품, 식품포장, 식품접촉재료(식품저장용기, 포크나이프류, 도마 등) 등에 사용되고 있으며, 그러한 식품들이 시판되고 있음.
● 식품제조업체들은 자사 제품에 나노기술 및 나노물질의 사용 여부를 밝히기를 꺼리고 있는데, 이는 라벨표시의무를 부과하는 규제법이 없기 때문임. 따라서 특정 제품이 나노 성분을 함유하고 있는지의 여부는 확실히 알기는 불가능하나, 나노기술 전문가들은 현재 판매되고 있는 나노식품의 수를 나노식품 600여종, 나노식품포장 400~500종으로 추산함.
● Heinz, Nestle, Unilever, Kraft 등 세계 굴지의 식품기업들이 식품가공 및 포장에 나노기술의 응용을 연구하고 있으며, 농약관련 회사들도 나노기술 연구개발 개발프로그램을 진행함.
● 나노기술은 농업, 식품가공, 식품포장, 식품모니터링 등 식품사슬의 전분야에 무한한 잠재적 응용 가능성이 있음.
● 지방, 탄수화물, 칼로리 함량을 줄이거나, 단백질,섬유질, 비타민 함량을 증가시킴으로써 소프트 드링크, 아이스크림, 초콜릿과 같은 식품을 건강식품으로 판매 가능한 방법을 제공
● 강화된 향미제, 색소, 영양 첨가제의 제조, 생산성의 증가 및 가공비용의 저감
● 개인의 기호(색, 맛, 감촉)와 건강(알러지 등) 및 영양조건(필요 영양성분)에 맞춘 개인화 식품의 개발 가능
● 부패, 세균, 영양분 손실을 탐지하여 포장 및 식품변질에 대응하고(항균제, 향미제, 색소, 영양 보조제를 방출하는 포장) 식품 유통기간 연장
● 나노포장 시스템은 나노입자를 포장재나 병(bottle)에 첨가함으로써 식품포장의 차단 특성(기계적, 열적, 화학적, 미생물적 등)을 향상시키고, 온도, 습도, 가스, UV 노출 등 환경조건에 대응하고, 병원균 및 미생물의 침입을 막아 식품의 안전과 선도를 유지하고, 맛과 향을 증진시키며 제품의 유통기한을 연장함.
● 나노포장은 내장된 센서를 통해 미생물 및 화학적 변화에 의한 식품의 변질, 오염 여부나 영양성분의 함량을 감지하고 신호를 발생할 수 있는 태깅(tagging), 모니터링(monitoring), 추적기능(tracking and tracing)이 향상된 스마트 포장(smart packaging)을 제공함.
1. 나노센서(nanosensor)의 이용 예
- Rutgers University와 함께 포장재용‘전자혀’(electronic tongue)를 개발하고 있음. 이것은 식품이 부패될 때 방출하는 가스에 매우 민감한 나노센스 어레이로 구성되어 있어, 식품의 신선도에 이상 징후(신호)가 있으면 센서 스트립의 색깔이 변함.
- 화학물질의 맛을 ppt 농도로 분별할 수 있고, 개별소비자의 기호에 맞추어 식품 중으로 냄새, 맛, 건강영양성분(nutraceutical)을 방출, 제어할 수 있음.
- 또 소비자의 식품 프로파일을 인지하는 나노센서를 혼입한 제품을 생산하고 있으며, 개별 소비자의 선호/비선호, 알러지, 영양 결핍 등을 추적할 수 있음.
- 다양한 색깔의 형광을 내는 나노입자나 자성재료 나노입자를 사용하여 나노센서를 개발하고 있으며, 이들 나노입자는 식품 병원균에 선택적으로 스스로 부착될 수 있음. 작업자들이 적외선 또는 자성재료를 채용한 휴대용 센서를 사용하여 유해한 병원균의 미세한 흔적도 감지할 수 있음.
- 이러한 시스템의 이점은 실제로 수백 또는 수천 개의 나노입자가 단일 나노센서에 매설되어 있어 신속,정확하게 다양한 박테리아와 병원균의 존재를 감지할 수 있음.
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- 식품 중의 화학물질, 병원균, 독소를 탐지하기 위한 휴대용 나노센서를 개발했으며, 현장(농장, 도축장, 수송 및 가공, 포장공장 등)에서 식품의 안전 및 품질에 대한 분석이 가능. 이 프로젝트에서는 병원균을 탐지하는 DNA 바이오칩을 사용하는 소자의 개발도 진행 중
- 이 기술은 또한 과일에 해를 주는 곰팡이 균이나 고기나 생선 중에 다양한 종류의 유해 박테리아의 존재를 검출하는 데도 응용될 수 있음. 또 과일, 채소 중의 살충제의 존재를 탐지할 수 있을 뿐 아니라, 농장의환경 조건을 관찰할 수 있는 마이크로 어레이 센서(“Good Food sensors”)의 개발 계획도 갖고 있음.
(호주)>
- Salmonella나 E. coli.와 같은 미생물의 표면에 부착하도록 고안된 발광 단백질을 함유하는 NanoBioluminescence Detection Spray를 개발. 이 단백질은 일단 미생물과 결합하면 빛을 발하여 오염된 식품이나 음료를 용이하게 식별(빛의 강도가 셀수록 세균의 오염이 심각). 동사는 이 제품을 BioMark라는 상품으로 판매할 예정
- RFID(radio frequency identification, 무선 주파수 식별) 기술은 50여년 전에 군사용으로 개발되었지만 현재 개별 식품의 모니터링 및 태깅(tagging)에도 응용 잠재력이 있음.
- 초기의 RFID 태그와는 달리, 나노기술에 의한 RFID 태그는 훨씬 소형이고, 유연하며, 얇은 라벨에 인쇄될 수 있음. 이는 태그의 다양성을 증가시키며 (예, 보이지 않는 라벨의 사용이 가능), 따라서 훨씬 저렴한 제조가 가능
- 이 기술은 마이크로프로세서와 데이터를 무선 수신기에 전송할 수 있는 안테나로 구성되어 있으며, 창고에서 소비자의 손에 이르기까지 식품을 관찰하는데 사용될 수 있음.
- 수작업으로 스캔하고 개별적으로 읽혀지는 바코드와는 달리, RFID 태그는 순간적으로 수백 개의 태그를 자동으로 읽을 수 있음. Wal-Mart, HomeDepot, Metro group, Tesco 와 같은 소매 체인점은 이미 이 기술을 시험하였음.
- 주된 단점은 실리콘 제조비용의 증가이지만, 나노기술과 전자의 융합으로 이들 태그가 더 저렴해지고, 사용이 편리하고 효율이 보다 높아질 것으로 기대됨.
- 광흡수 이산화 티타늄(TiO2) 나노입자로 구성되며 산소의 존재를 탐지할 수 있는 스마트잉크(Smart ink)를 개발하고 있음. 이 잉크에 자외선(UV)을 조사하면 잉크는 산소에 민감하게 반응하여 산소분자를 만나면 색깔이 변함. 이 잉크를 라벨에 인쇄하여 공장 출하 바로 전에 라벨을 UV로 활성화시키면 라벨은 산소 민감성으로 되며, 만약 포장이 흠집이 나거나 공기가 침입하면 라벨의 색깔이 변하게 됨.
- 나노크기 이산화 티타늄은 UV 에너지를 흡수하여 입자의 표면에 전달되어 화학반응을 수행하는 전자-정공 쌍을 만드는 반도체임. 이 기술에 기반한 스마트 잉크는 식품에 무슨 일이 일어나고 있는 지를 기록. 시간-온도 잉크를 다른 세균 탐지 센서와 결합하면 식품의 안전성을 확보할 수 있음.
2. 항균성 나노입자의 이용
● 세균 성장, 습도 또는 다른 변화 상태에 응답해 화학 물질을 방출하도록 설계된 포장과는 달리, 포장재 그 자체가 항균 나노물질을 함유하고 있어 항균제로 작용.
이러한 제품은 보통 은 나노입자를 사용하며, 나노 산화아연이나 나노 이산화염소도 일부 사용
● 산화마그네슘, 산화구리, 이산화티타늄의 나노입자 및 탄소나노튜브도 항균 식품 포장에 장차 사용될 것으로 예측
- 포장재료에 항균성 재료(은 나노입자)를 코팅한 Nanosilver를 생산하고 있으며, 이것은 간단히 고분자나 유체 중에 첨가될 수 있음.
- 식품산업에서는 작업환경(환기 필터, 항균 페인트, 바닥 깔개), 장치(나이프, 스프레이, wipe), 작업자(보호의, 헤어 커버, 양말) 및 식품포장(레디 밀 트레이, 식품용기, 랩) 등에 응용될 수 있음.
- 산화마그네슘과 산화아연의 나노입자들이 미생물을 파괴하는데 매우 효과적이라는 결론을 얻었음. 은나노입자보다 생산비용이 저렴해 식품 포장에 많은 응용이 기대됨.
- 연잎 효과를 이용하여 포장재용 오염물질의 부착을 방지하는 코팅제를 개발하고 있으며, 특히 도축장이나 육가공 공장들이 이 기술의 혜택을 볼 수 있을 것으로 기대
3. 나노클레이(nanoclays)-플라스틱 복합재의 이용 예
● 가장 널리 응용되고 있는 것 중의 하나가 박리 점토(exfoliated caly, montmorillonite)의 나노 입자의 사용임. 플라스틱 복합재에 사용되는 나노클레이는 매우 작은 불규칙한 판상으로, 두께 약 1 nm, 직경 100 nm 이다. 이 판상 클레이가 플라스틱에 첨가되면 가스의 흐름 속도를 크게 낮춤.
(미국)>
- 세 등급의 나노클레이/나일론 6 수지(Aegis OX,HFX, CSD)를 공급
- Aegis OX 수지는 플라스틱 맥주병의 고 산소 차단성 요구에 부응해 산소를 제거하는 나일론 복합재로, 나노클레이는 소극적(passive) 차단재로서 작용하며 나일론은 적극적(active) 산소 제거제로 작용.
Aegis OX는 층간박리(delamination)에 대해 우수한 내성이 있으며, 쉽게 가공될 수 있고, 탁월한 투명도, 재활용가능성, 가격경쟁력을 갖고 있는 것으로 알려짐.
- Aegis HFX는 hot-fill(고온 충전) 병에 있어 층간 박리 저항을 향상시키기 위해 특별히 배합된 것으로, 식품에 보다 많은 산소 저항을 증대하는 소극적-적극적 시스템임.
- Ageis CDS는 층간박리 저항성을 부여하며, 탄산음료용의 단일층 PET에 비해 고도의 소극적 이산화탄소 차단재를 제공
(미국)>
- Nanocor는 Mitsubishi Gas Chemical Company Inc.와 제휴를 통하여 동사의 나노클레이 첨가제와 Mitsubishi의 MXD6 나일론을 용융 혼합하여, 차단성 PET 병과“M9”라는 필름을 생산하고 있음.
- MXD6는 식품 및 음료의 유해성 가스 차단에 탁월한 특징이 있으며, 가공이 용이하고 고 투명 포장이 가능해 다른 차단성 플라스틱에 비해 우수. M9는 표준 MXD6의 CO2 및 O2 차단성을 각각 50%, 75% 향상시키며, 또 MXD6와 동등한 고 투명도와 층간박리 저항을 갖고 있음. 현재 3중층 16온스 비살균 PET 맥주병의 코어재로 사용되 있음.
(독일)>
- Nanocor의 클레이를 사용하여 하이브리드 시스템인 나일론 6 나노복합재를 개발하고 있음. 이 나노복합재는 경도가 2배로 증가되었으며, 광택과 투명성이 고가의 고투명 폴리아미드 필름과 맞먹는다고 함.
- 나노입자를 함유하는 이 새로운 필름은 EVOH와 폴리아미드 6의 장점을 결합하고 있어 가스가 필름 내로 침투하는 것을 막으며, 습기가 새어나가는 것을 방지
- Bayer의 Durethan KU 2-2601은 쥬스 용기 (paperboard)의 플라스틱 코팅에 이상적인 후보 재료로, 저렴한 비용으로 산소 민감성 포장 내용물(오렌지 쥬스 등)을 보호할 수 있음.
- Nanocor, Inc와 제휴해 점토 나노입자를 함유하는 나노복합재(상품명: Imperm)를 개발. 이로부터 만든 병은 유리보다 더 가볍고 강고하며 파손되기 어려움. 이 나노복합재 구조는 맥주로부터 이산화탄소의 손실과 병속으로 산소의 진입을 최소화하고 있으며, 맥주를 보다 신선하게 유지해 최장 6개월의 유통 기한을 보장. Miller Brewing Co. 등 일부 회사가 이 기술을 채용하고 있음.
- 유통기한을 최장 26주로 연장해주는 나노복합재를 혼입한 플라스틱 맥주병을 성공적으로 제조. Aegis 나일론 6가 이 3중층 구조의 가스차단층이며, 2003년 후반부터 1.6 리터 Hite Pitcher 맥주 병(한국 Hite Brewery Co.)에 사용되어 오고 있음. 플라스틱에 나노결정을 혼입함으로써 산소가 빠져나가는 것을 막는 분자 차단층을 형성하였음.
● 유제품, 시리얼, 빵, 음료수는 현재 비타민, 미네랄(철, 마그네슘, 아연 등), 생균제(probiotics), 생물활성 펩타이드, 항산화제, 식물성 스테롤(plant sterol), 콩 등으로 강화. 이 활성성분의 일부는 현재 나노입자로서 식품에 첨가되고 있으며, 비타민, 지방산을 포함한 나노 캡슐화 활성 성분들이 음료, 고기, 치즈 등의 가공과 보존에 사용할 목적으로 현재 상업적 판매가 되고 있음.
● 나노입자(TiO2, SiO2 등)는 영양분의 전달 기능 외에도 식품 가공 시 유동성, 색깔, 안정성을 향상시키거나 유통기간의 연장을 위해서 나노입자들이 가공보조제로 많은 식품에 의도적으로 첨가되고 있음.
* 알루미노 실리케이트(alumino-silicate): 과립 또는 분말 가공 식품에서 고결방지제(anti-caking agent)로서 흔히 사용됨.
* 아나타제 이산화티타늄(anatase titanium dioxide): 통상의 식품 미백제(whitener) 및 증백제(brightener)로 과자, 치즈 및 소스에 사용됨.
- 활성성분, 영양강화 첨가제(nutraceuticals)를 함유한 나노캡슐이 식품에서의 사용이 증가하고 있음.
이들은 최근까지 마이크로 캡슐화된 식품에 첨가되어 왔지만, 현재는 효능을 높이기 위해 수천 배나 작은 나노캡슐로 생산되고 있음.
* 미 National Academy of Sciences의 의학연구원(Institute of Medicine)은 기능성 식품(nutraceutical:nutrition과 pharmaceutical의 결합어)의 정의를 식품이 함유하고 있는 전통적인 영양성분을 넘어서 건강 이익을 가져다주는 식품으로 규정
* 세계의 기능성 식품 시장은 급성장하고 있으며 2005년 735억 달러에 이르렀다(Just-Food.com). 미국에서만 기능성 식품의 시장은 2003년 230억 달러에 달했으며, 2008년 400억 달러를 능가할 것으로 예상되고 있음.
* nutraceutical 성분의 유효성은 생체이용율에 따라 다르며, 나노크기 또는 나노캡슐화된 활성 성분은 마이크로 캡슐화된 것에 비해 생체이용율, 용해도, 효능의 향상을 가져옴.
(1) 식용 나노코팅
- 식용 나노 코팅제는 육류, 치즈, 과일, 야채, 과자,빵, 패스트푸드 등에 사용되어 습기나 가스 교환에 대한 차단을 제공하며, 색소제, 향미제, 항산화제, 효소, 갈변억제제(anti-browning agent)로 작용할 수 있으며, 또한 포장 개봉 후에라도 제조 식품의 유통 기간을 증대할 수 있음.
- 2007년 초에 빵 제품에 직접 적용할 수 있는 식용 항균 나노코팅제를 개발하고 현재 시험 중
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- 무기 코팅제(SiO2, TiO2 등)를 함유하는 식용 제품에 대해 미국 특허를 출원. 이 코팅은 산소나 수분이 코팅된 제품에 도달하는 것을 막는 장벽을 만들어 유통기간을 연장시키고 있음.
- 특허는 최적 코팅 두께가 0.5~20 nm라고 밝히고 있으며, 코팅제는 어떤 무기 재료로부터도 만들 수 있지만 발명자들은 이미 FDA에 의해 승인된(GRAS) SiO2나 TiO2와 같은 재료를 사용하는 것이 바람직하고 말함.
- 특허는 이 코팅이 딱딱한 캔디가 끈적해지는 것을 방지하고, 쿠기가 부패하는 것을 방지하며, 시리얼이밀크 중에서 수분에 젖어 눅눅해지는 것을 방지한다고 주장. 특허출원서의 실시예에서 M&Ms, Twix,Skittles 등의 자사 제품에 무기 나노 필름을 코팅했다고 함.
(2) 나노필터 기술
- 식품의 색과 맛을 추출하는 나노필터에 대해 연구하고 있음. 예컨대, 근대뿌리(beetroot)는 잘 알려진 조색 재료이지만, 동시에 약간 흙냄새의 맛을 갖고 있다. 그러나 나노필터기술을 이용하면 색깔만을 여과하고 맛을 없앨 수 있음.
- 또 다른 실험에서 연구자들은 나노여과법을 사용해 레드 와인을 화이트 와인으로 변화시켰으며, 붉은 양배추와 양파로부터 색소들을 추출해 pH 지시약 염료(잠재적 발암물질로 비난받고 있는 페놀프탈레인 등의 대체제)를 만들었음. 색과 맛의 나노여과와 나노농축공정은 상변화나 많은 열 또는 화학추출을 수 반 않는 온화하고 저렴한 공정임.
- 현재 나노여과를 이용해 유장(milky whey)을 농축하고 있는데, 이는 분무건조(spray dry) 전에 많은 수분을 제거하여 분무건조 비용을 상당히 줄이고 있음. 또한 락토스(lactose)가 맞지 않는 소비자들에게 락토스를 다른 당류로 대체하기 위해 우유로부터 락토스의 제거에 나노여과를 이용할 수 있음.
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- 알러지 반응을 일으키는 분자들은 가두고 적합한 분자만을 소비자에게 도달하게 하는 '스마트' 나노필터에 대해 연구하고 있음.
- 예컨대 골다공증(osteoporosis)을 앓고 있는 사람들에게 적정량의 칼슘 분자를 방출하는 스마트 포장에 대해 연구하고 있음.
- 커피를 끓일 때 커피로부터 카페인을 제거하는 여과지를 개발하고 있음. 필터의 수를 변화함으로써 카페인 제거농도가 다른 커피를 끓일 수 있음. 분자 임프린팅 공정(Molecular imprinting process)으로 필터 표면에 수십억 개의 카페인 분자의 미소 족문(footprint)을 만들어 커피가 필터를 통과할 때 이 족문들은 카페인 분자는 포착하고 나머지는 통과시킴.
연구자들은 셀룰로스 섬유와 실리카를 혼합하여 카페인 함유 용액 중에서 족문을 생성
(3) 나노 에멀션/캡슐화 기술
(스위스)와>
- 지방 감촉과 향미를 유지하면서도 나노 에멀션 기반의 저지방 아이스크림을 개발하고 있다고 알려져있으며, 일부 가공 식품의 비타민 및 미네랄 함량을 강화하고 가공육의 제조 속도를 높이기 위해 나노 영양강화 첨가물이 사용
(독일)>
- Aquanova사는 비타민 C, E, 코엔자임 Q10, isoflavone, flavonoid, cartenoid, phytoextract(식물 추출물), 정유(essential oil), 방부제, 식품색소제 및 기타 생물 활성 성분을 캡슐화하기 위하여 30nm 미셀(micelle)을 사용하여 나노기술 기반의 캐리어(carrier) 시스템을 개발. 특히 이 기술은 지방감량을 위해 CoQ10을, 포만감을 위해 알파-lipoic acid을 사용하고 있음. 이 미셀은 NovaSol이란 상표로 2006년 이래 판매되고 있으며, 이 나노 캐리어 시스템은 활성 성분의 효능과 생체이용율을 증가시킨다고 함.
- ‘Tip Top-up’이라는 인기있는 빵을 판매하고 있는데, 이 빵은 Omega 3 지방산이 풍부한 참치 어유의 마이크로캡슐(140~180㎛, 상품명: Nu-Mega Driphorm)을 함유. 참치 오일이 마이크로캡슐로 싸여있기 때문에 소비자는 그 어유의 맛을 느끼지 못하지만, 일단 위에 이르면 소화시 방출. 그러나 Aquanova, Zymes와 같은 기업은 Nu-Mega 보다 크기가 4000 배나 작은 30~40 nm 나노캡슐의 Omega 3를 제공.
이와 동일한 기술들이 요구르트와 유아 식품에서도 적용
(이스라엘)>
- 예루살렘 Hebrew University의 연구자들이 창업한 Nutralease사는 영양분을 세포에 전달하기 위해 나노 자기조립 액상 구조(Nano-sized Selfassembled Liquid Structures, NSSL) 기술을 사용. 입자들은 직경 약 30 nm의 팽창된 미셀(micelle, 수용액 내부가 있는 지방으로 만든 속이 빈 구)이며, 영양분은 수용액 내부에 함유
- 혼입되는 영양분에는 lycopene, beta-carotene, lutein, phytoserol, CoQ10, DHA/EPA 등이 있으며, Nutralease 입자는 이들 화합물이 소화관으로부터 혈류 중으로 보다 쉽게 들어갈 수 있도록 해 이들의 생체흡수율을 증가시킴.
- 이 기술은 이미 Shemen Industries(이스라엘)에 의해 채용되어 Canola Activa oil에 상용화되고 있으며, 이 오일은 신체 내의 콜레스테롤 흡수를 14% 줄인다고 함. Nutralease는 핫도그에 약간의 영양분을 혼입하기를 원하는 이스라엘 회사와 계약을 체결했고, 또 아이스크림 제조회사와도 계약을 체결했음.
이 기술은 의약산업에서도 응용 전망이 밝음.
- nanocochleate를 개발하고 특허출원을 했으며, 이것은 콩과 칼슘으로부터 유도된 직경 50 nm의 코일형 나노입자로 의약품과 영양분(비타민, 리코펜, 오메가 지방산 등)을 직접 세포로 실어 나를 수 있음.
nanocochleate는 오메가-3 지방산을 제품의 향이나 맛을 변화시키지 않고 케이크, 머핀, 파스타, 수프, 쿠키 등에 혼입될 수 있다고 함.
- Salvona Technologies는‘MultiSal’(상품명)이라는 다성분 전달 시스템을 개발. 이 시스템은 통상 잘 혼합되지 않는 복수의 활성성분(수용성 및 지용성 성분)을 전달하여 성공적으로 방출. 이것은 광범위한 영양분과 기타 성분의 안정성 및 생체 흡수율을 향상시키며, 이들 성분의 방출 특성을 제어하고, 구강에서의 체류 시간을 연장하여 입안에서의 미감을 연장
- 동사의 독자적인 현탁 기술로 직경 약 0.01-0.5마이크론의 소수성 나노 구(nanosphere)를 제조한 후, 나노 구는 직경 20~50 마이크론의 마이크로 구(수분
2008년도 나노기술에 대한 미국의 인식도 및 태도조사