- KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀-(주)실리코바이오(KAIST 교원창업기업) 공동연구, 제조·시장·규제 아우르는 미생물 식품 산업화 전략 국제학술지 One Earth 게재
- '미생물 식품을 만들 수 있는 기술'에서 '미생물 식품 산업을 성공시키는 전략'으로 패러다임 전환… 미래 바이오제조 플랫폼 방향 제안

'미생물 식품을 만들 수 있느냐'의 시대는 끝났다. 이제는 '누가 먼저 산업으로 만들 수 있느냐'의 시대다. KAIST 연구진이 미생물 식품 산업의 성공 조건을 제조·시장·규제 측면에서 종합적으로 분석하고, 차세대 단백질 산업의 성장 전략을 제시했다.

KAIST(총장 배충식)는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀과 교원창업기업 (주)실리코바이오(SilicoBio) 공동 연구진이 미생물 식품 산업의 성공 조건을 제조·시장·규제 측면에서 종합적으로 분석하고, 산업화 전략과 로드맵을 제시했다고 31일 밝혔다.

이번 연구는 새로운 미생물이나 생산기술을 개발한 것이 아니라, 연구실의 원천기술을 실제 산업으로 연결하기 위한 핵심 과제를 체계적으로 분석했다는 점에서 의미가 있다. 특히 제조 준비성(Manufacturing Readiness, 연구실 기술을 산업 규모에서도 안정적으로 생산할 수 있는 수준으로 확보하는 것)과 시장 진입 전략, 규제 대응을 아우르는 통합적 관점을 제시함으로써 미생물 식품을 차세대 단백질 산업을 넘어 미래 바이오제조 플랫폼으로 발전시키기 위한 방향을 제안했다. 이는 향후 국가 바이오제조 경쟁력 강화와 글로벌 지속가능 식품 산업 육성에도 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다.

연구진은 미생물 식품 산업의 경쟁력이 연구실 수준의 생산성 경쟁에서 제조 준비성(Manufacturing Readiness) 경쟁으로 이동하고 있다고 분석했다. 원료의 안정적 수급과 품질 관리, 비모델 미생물(Non-model Microorganism, 산업적 활용 가능성은 높지만 연구 기반이 충분히 축적되지 않은 미생물)의 제어와 안전성 확보, 후공정(Downstream Processing, 발효 후 원하는 성분을 분리·정제·농축·건조하는 공정) 비용 절감, 부산물 재활용에 대한 규제 적합성 등이 실제 상용화 속도를 좌우하는 핵심 요소라는 것이다.

연구진은 특히 앞으로의 경쟁력이 단일 기술의 우수성보다 통합 제조 플랫폼(Integrated Manufacturing Platform, 균주 개발부터 대량 발효, 정제, 품질관리, 제품화까지 하나의 체계로 운영하는 생산 시스템) 구축 능력에서 갈릴 것으로 전망했다. 같은 미생물 식품이라도 어떤 원료를 사용하는지에 따라 전처리 비용과 품질 변동성이 달라지고, 어떤 균주와 발효 공정을 적용하는지에 따라 생산 원가와 에너지 사용량, 제품 품질이 크게 달라질 수 있기 때문이다. 연구진은 향후 산업 경쟁력이 개별 기술이 아니라 이러한 요소를 통합적으로 최적화하는 제조 플랫폼을 얼마나 빠르게 구축하느냐에 달려 있다고 분석했다.

시장 측면에서도 연구진은 미생물 식품 산업의 성공 조건을 제시했다. 소비자 조사와 산업 사례를 종합한 결과, 미생물 식품의 확산은 단순한 친환경성만으로 이루어지지 않는다고 분석했다. 소비자는 맛과 식감, 친숙성, 안전성을 중요하게 평가하고, 식품 제조기업은 실제 제품에 적용 가능한 기능성을, 기업과 투자자는 허가 절차의 예측 가능성과 시장 진입 속도를 더욱 중요하게 고려하는 것으로 나타났다. 즉, 미생물 식품 시장은 기술 경쟁을 넘어 제품화 역량과 규제 대응 능력까지 함께 평가받는 산업 단계에 들어섰다는 것이다.

연구진은 또한 미생물 식품을 단순한 대체 단백질 산업으로 보지 않았다. 정밀발효(Precision Fermentation, 미생물을 이용해 특정 단백질이나 기능성 물질을 선택적으로 생산하는 기술) 기반의 기능성 식품 원료와 고부가가치 바이오소재, 나아가 순환형 바이오제조(Circular Biomanufacturing, 부산물과 재생 가능한 자원을 활용해 새로운 바이오 제품을 생산하는 지속가능한 제조 시스템)를 구현하는 핵심 플랫폼으로 발전할 가능성을 제시했다. 이는 미생물 식품이 미래 먹거리를 넘어 글로벌 식품·소재·바이오 제조 산업을 연결하는 새로운 생산 체계가 될 수 있음을 의미한다.

이번 연구에서 제시한 산업화 전략은 공동 연구에 참여한 실리코바이오의 사업화 방향과도 맞닿아 있다. 실리코바이오는 이번 연구에서 제시한 제조 준비성 확보 전략을 바탕으로 미생물 기반 단백질과 기능성 식품 원료를 실제 산업 규모 발효와 스케일업(Scale-up, 실험실 규모 생산을 산업 규모 생산으로 확대하는 과정), 제품화까지 연결하는 플랫폼 구축을 추진하고 있다.

이상엽 KAIST 특훈교수는 “합성생물학(Synthetic Biology)과 바이오제조(Biomanufacturing)를 둘러싼 글로벌 경쟁이 치열해지는 가운데, 미생물 식품은 미래 식량을 넘어 국가 바이오제조 경쟁력을 좌우할 핵심 산업으로 성장하고 있다”며 “앞으로는 원천기술보다 이를 실제 생산과 시장으로 연결하는 산업화 생태계를 얼마나 빠르게 구축하느냐가 경쟁력을 결정할 것”이라고 말했다.

실리코바이오 관계자는 “이번 연구에서 제시한 산업화 전략을 실제 생산과 사업화로 연결하는 것이 목표” 라며 “미생물 기반 차세대 식품과 기능성 바이오소재를 안정적으로 생산할 수 있는 플랫폼을 구축해 나가겠다” 고 밝혔다.

이번 연구는 생명화학공학과 정석영 박사과정생이 제1저자로, 실리코바이오 연구진이 공동 연구자로 참여하여, 국제학술지 '원 어스(One Earth)'(Impact Factor 15.3, JCR 상위 2.07%)에 7월 17일 게재되었다.

* 논문명 : Microbial foods as scalable platforms toward a circular protein economy for sustainable nutrition
* 저자 : 이상엽(KAIST, 교신저자), 정석영(KAIST, 제1저자), 최솔(실리코바이오, 제2저자), 김준우(실리코바이오·인하대, 제3저자) 외 2명

실리코바이오는 합성생물학의 세계적 석학인 KAIST 이상엽 특훈교수가 2025년 6월 설립한 교원창업기업으로, 연구실 수준의 시스템대사공학 성과를 실제 산업화 단계로 연결하는 데 초점을 두고 있다. KAIST 연구진의 원천기술에 CJ BIO 출신 인력의 산업화 경험이 더해져, 균주 설계뿐 아니라 산업 규모 발효와 스케일업, 소재 정제와 제품화, 파일럿 생산과 공정 검증까지 함께 검토할 수 있는 팀 구성을 갖춘 것이 특징이다. 이를 바탕으로 실리코바이오는 차세대 단백질 제품에서 출발해 기능성 원료, 나아가 신약·신물질 후보로 이어지는 단계적 사업화를 추진하고 있다.

한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제, 과학기술사업화진흥원이 지원하는 딥사이언스 창업 활성화 지원사업의 ‘합성생물학 기반 산업용 세포공장 플랫폼 고도화 및 고부가가치 기능성 바이오소재 사업화’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.

연구 배경
전 세계 단백질 수요는 빠르게 증가하고 있지만, 현재 공급 구조는 여전히 동물성 생산 방식에 크게 의존하고 있다. 이 구조는 토지·물·에너지 사용과 온실가스 배출 측면에서 부담이 크고, 기후위기와 공급망 불안이 겹치며 새로운 생산 플랫폼의 필요성이 커지고 있다.

미생물 식품은 미생물 바이오매스 자체를 식품으로 활용하거나, 발효를 통해 단백질·기능성 식품 원료·풍미 성분 등을 생산하는 방식 전반을 아우르는 개념으로, 차세대 단백질 산업의 유력한 대안으로 주목받고 있다. 실제로 일부 정밀발효 기반 성분은 이미 상업화 단계에 진입하고 있다.

그러나 미생물 식품이 미래 식량의 가능성을 넘어 실제 산업으로 성장하기 위해서는, 생산성 자체보다 제조 준비성, 식품 수준의 품질 확보, 시장 진입 전략, 규제 적합성 등 보다 복합적인 조건이 요구된다. 이에 연구진은 미생물 식품의 상용화와 시장 확장을 좌우하는 핵심 조건을 산업화 관점에서 체계적으로 정리하고자 했다.

연구내용
연구진은 미생물 식품 산업화를 좌우하는 핵심 축을 ▲원료 활용(feedstock utilization) ▲균주 개발(strain development) ▲공정 설계 및 스케일업(bioprocess design and scale-up) ▲부산물 업사이클링(by-product upcycling)의 네 가지로 구조화했다. 이를 통해 미생물 식품 산업의 병목이 단순한 기술 가능성 입증에서 제조 준비성 확보로 이동하고 있음을 제시했다.

원료 측면에서는 정제 탄수화물, 식품·농업 부산물, C1 원료 등 다양한 탄소원 활용 가능성을 비교하고, 실제 산업화 과정에서는 원료의 수급 안정성, 성상 변동, 저해물질과 오염 관리, 전처리 부담이 핵심 변수로 작용함을 분석했다.

균주와 공정 측면에서는 비모델 미생물의 제어 가능성과 식품 수준의 안전성 검증, 정제·농축·건조 등 후공정의 비용 및 에너지 부담, 반복 생산 시 품질 규격 유지 문제를 핵심 상용화 과제로 제시했다. 아울러 미생물 식품 기업, 생산시설, CDMO 현황을 비교해 기술 성장 속도에 비해 식품용 제조 인프라가 충분히 따라오지 못하는 ‘capacity gap’의 존재도 함께 분석했다.

연구진은 또한 미생물 식품의 확산이 단순한 기술 성능만으로 결정되지 않는다고 보고, 소비자 수용성과 실제 식품 내 기능성, 규제·정책 환경까지 함께 검토했다. 소비자 측면에서는 맛·식감·신뢰·친숙성이 반복 구매를 좌우하는 핵심 변수로 작용하며, 기능성 측면에서는 유화·기포·겔 형성·보수력 등 실제 식품 제조 과정에서의 성능이 중요하다고 보았다. 규제 측면에서는 국가별 심사 체계와 허가 일정의 불확실성이 시장 진입 속도를 좌우할 수 있음을 정리했다.

이번 논문은 미생물 식품을 단순한 대체 단백질이 아니라, 기능성 식품 원료와 정밀발효 기반 고부가가치 성분, 나아가 식품·소재·바이오 제조 산업을 잇는 순환형 바이오제조 플랫폼으로 해석했다는 점에서 의미가 있다. 연구진은 미생물 식품 시장이 향후 범용 단백질 대체재에 앞서 기능성 원료, 고부가가치 식품 성분, 저포함량 응용 분야를 중심으로 먼저 확장될 가능성이 크다고 전망했다.

용어 설명
1. 미생물 식품 (Microbial foods)
미생물 식품은 미생물을 이용해 생산되는 식품과 식품 원료를 통칭한다. 발효식품처럼 미생물이 식품의 맛과 품질을 바꾸는 경우뿐 아니라, 미생물 바이오매스 자체를 식품으로 활용하거나, 발효를 통해 단백질·기능성 성분·풍미 성분 등을 생산하는 경우까지 폭넓게 포함하는 개념이다.

2. 정밀발효 (Precision fermentation)
정밀발효는 미생물을 세포공장처럼 활용해 특정 단백질이나 기능성 성분을 선택적으로 생산하는 기술이다. 우유·달걀 유래 단백질과 유사한 성분이나 고부가가치 식품 원료를 생산하는 데 활용될 수 있으며, 미생물 식품 산업의 핵심 기술 중 하나로 주목받고 있다.

3. 합성생물학 (Synthetic biology)
합성생물학은 생명체의 유전자와 대사 경로를 설계·조합·최적화해 원하는 기능을 구현하는 기술 분야다. 식품, 의약, 소재, 화학산업 등에서 필요한 물질을 미생물이 보다 효율적으로 생산하도록 만드는 핵심 기반기술로 주목받고 있다.

연구결과 Q&A

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
전 세계 단백질 수요는 빠르게 증가하고 있지만, 현재 공급 구조는 여전히 동물성 생산 방식에 크게 의존하고 있습니다. 이러한 구조는 토지, 물, 에너지 사용과 온실가스 배출 측면에서 부담이 크고, 기후위기와 공급망 불안이 겹치며 새로운 생산 플랫폼의 필요성이 커지고 있습니다. 미생물 식품은 이러한 한계를 보완할 수 있는 차세대 대안으로 주목받고 있지만, 기술적 가능성에 비해 실제 산업화 조건은 아직 충분히 정리되지 않았습니다. 이에 연구진은 미생물 식품이 단순한 미래 식량 담론을 넘어 실제 산업으로 성장하기 위해 무엇이 필요한지를 체계적으로 정리하고자 했습니다.

□ 이번 연구성과의 핵심은 무엇인가?
이번 논문의 핵심은 미생물 식품의 경쟁력이 단순한 생산 가능성에 있는 것이 아니라, 실제 산업으로 연결될 수 있는 제조 준비성(manufacturing readiness) 에 달려 있음을 구조적으로 제시한 것입니다. 연구진은 미생물 식품 산업화를 좌우하는 핵심 축을 원료 활용, 균주 개발, 공정 설계 및 스케일업, 부산물 업사이클링의 네 가지로 정리하고, 소비자 수용성, 실제 식품 내 기능성, 규제·정책 환경까지 함께 검토했습니다. 이를 통해 미생물 식품이 단순한 대체 단백질이 아니라 기능성 식품 원료와 정밀발효 기반 고부가가치 성분, 나아가 순환형 바이오제조 플랫폼으로 확장될 수 있다는 점을 제시했습니다.

□ 기존 연구·기술과 비교했을 때 차별점은?
기존 논의들은 미생물 식품의 지속가능성이나 영양학적 장점, 또는 개별 생산기술 자체에 초점을 맞추는 경우가 많았습니다. 반면 이번 논문은 기술 자체의 우수성을 나열하는 데서 그치지 않고, 실제 상용화와 시장 확장을 가로막는 병목이 무엇인지 산업 관점에서 구조적으로 분석했다는 점에서 차별성이 있습니다. 같은 미생물 식품이라도 어떤 원료를 쓰느냐에 따라 전처리 부담과 품질 변동성이 달라지고, 어떤 균주와 공정을 택하느냐에 따라 식품 수준의 규격, 원가, 에너지 사용량이 크게 달라질 수 있습니다. 연구진은 이처럼 개별 기술이 아니라 원료·균주·공정·규제·시장 조건이 함께 맞물리는 산업 구조 전체를 분석 대상으로 삼았습니다.

□ 이번 연구에서 가장 중요한 발견은 무엇인가?
이번 논문에서 가장 중요한 지점은, 미생물 식품 산업의 병목이 연구실 수준의 생산성 경쟁에서 제조 시스템 구축과 시장 진입 조건으로 이동하고 있다는 점을 분명히 보여준 것입니다. 연구진은 원료 수급과 성상 변동, 비모델 미생물의 제어 가능성과 안전성 검증, 정제·농축·건조 같은 후공정의 비용과 에너지 부담, 부산물 재활용의 규제 적합성이 실제 상용화 속도를 가르는 핵심 변수라고 분석했습니다. 또한 소비자에게는 맛·식감·친숙성·신뢰가, 식품 제조사에는 실제 제품 내 기능성이, 기업과 투자자에게는 허가 절차의 예측 가능성과 시장 진입 속도가 직접적인 변수로 작용한다는 점도 함께 정리했습니다.

□ 연구 과정에서 가장 어려웠던 점은?
가장 어려웠던 점은 미생물 식품 분야를 기술, 제조, 소비자, 규제라는 서로 다른 층위에서 동시에 바라봐야 했다는 점입니다. 미생물 식품은 단순히 생산기술 하나로 설명되는 분야가 아니라, 원료 조달과 전처리, 균주 설계, 공정 확장, 품질 규격, 소비자 수용성, 각국의 허가 체계가 모두 연결되어 있습니다. 따라서 개별 기술의 성과를 정리하는 것보다, 어떤 요소들이 실제 산업화 병목으로 작동하는지를 일관된 틀 안에서 분석하는 데 더 많은 노력이 필요했습니다. 또 빠르게 변하는 산업과 정책 환경을 반영하면서도 과도한 낙관이나 단순한 전망에 머물지 않도록 균형 있게 정리하는 것도 중요한 과제였습니다.

□ 응용 가능 분야는?
이번 논문은 미생물 식품을 단순한 미래 식량이 아니라, 향후 식품·소재·바이오 제조 산업을 연결하는 생산 플랫폼으로 해석했다는 점에서 응용 범위가 넓습니다. 단기적으로는 대체 단백질, 기능성 식품 원료, 풍미·색소·유화제와 같은 고부가가치 식품 성분 분야에서 의미가 크며, 중장기적으로는 정밀발효 기반 바이오 소재, 산업 부산물 기반 바이오제조, 순환형 단백질 경제와 연계된 제조 전략으로 확장될 수 있습니다. 특히 식품 기업, 발효 기업, CDMO, 규제 대응 기업, 공정 설계 및 스케일업 관련 산업 전반에 실질적인 시사점을 줄 수 있습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? (실용화 계획 포함)
이번 논문은 특정 제품 하나의 상용화 계획을 제시하기보다, 미생물 식품 산업 전반이 어떤 경로로 시장에 진입하고 확장될 수 있는지를 정리한 성격의 연구입니다. 연구진은 미생물 식품 시장이 곧바로 범용 단백질 대체재로 열리기보다는, 기능성 원료, 고부가가치 식품 성분, 저포함량 응용 분야에서 먼저 성장할 가능성이 크다고 봤습니다. 산업적 관점에서는 식품용 제조 인프라, 파일럿 및 데모 설비, 데이터 기반 품질관리, 규제 명확성 확보가 함께 진전될 경우, 미생물 식품이 실제 공급망 안에서 반복 가능한 생산 시스템으로 자리 잡을 수 있을 것으로 기대됩니다.

□ 기대효과와 향후 계획은?
이번 논문은 미생물 식품을 둘러싼 논의를 ‘미래에 가능할 수 있는 기술’에서 ‘어떤 조건에서 실제 산업으로 성립하는가’라는 단계로 끌어올렸다는 점에서 의미가 있습니다. 특히 원료, 균주, 공정, 부산물, 소비자 수용성, 규제 환경을 함께 보는 분석 틀을 제시함으로써, 향후 미생물 식품 분야의 연구개발과 산업화 전략 수립에 참고가 될 수 있습니다. 연구진은 앞으로 미생물 식품이 단순한 대체 단백질 범주를 넘어, 기능성 식품 원료와 정밀발효 기반 고부가가치 성분, 나아가 순환형 바이오제조 플랫폼으로 발전할 가능성이 크다고 보고 있으며, 이를 바탕으로 실리코바이오를 통해 실제적인 미생물 식품 상용화를 단계적으로 추진할 계획입니다. 이를 위해서는 원천기술뿐 아니라 제조 인프라, 품질관리 체계, 규제 대응, 산·학·연 협력이 함께 강화될 필요가 있습니다.