“‘그린다이올’은 천연 발효 공법으로 만든 지속가능 원료입니다”

“GS칼텍스 미생물 발효팀의 한 연구원이 대덕연구단지 인근 산 기슭에서 반쪽은 메마르고 바로 옆은 수풀이 우거진 것을 보았다. 그는 각각의 토양을 채집하여 미생물을 살펴보았는데, 유독 수풀이 우거진 토양에서만 존재하는 미생물을 발견했다. 그 미생물을 통해 2,3-부탄다이올^{butanediol, 2,3-BDO}을 생산할 수 있다는 것을 확인했다. 이를 이용해 대량으로 2,3-부탄다이올을 생산할 수 있는 GS칼텍스 특화 기술을 개발하게 되었다.”

GS칼텍스가 2,3-부탄다이올을 생산할 수 있었던 미생물 발견 스토리다.

이수진 GS칼텍스 기술연구소 화이트바이오개발센터 책임연구원에게 천연 발효 공법으로 생산한 생체 친화적인 폴리올 2,3-부탄다이올 생산 및 피부 효능 효과에 대해 들었다.

Q. 이번 발표의 주요 내용을 설명해주세요. 

2,3-부탄다이올은 화장품에 적용 가능한 부탄다이올 중 유일하게 자연계에 존재하는 자연 물질입니다. GS칼텍스는 2011년부터 친환경적인 방법을 통해 이 물질의 생산 최적화에 대해서 꾸준히 연구했어요. 그 결과 미생물 발효 및 분리 정제 기술을 접목하여 세계에서 유일하게 대량 생산할 수 있는 친환경 바이오 공정을 개발했습니다. 이렇게 개발된 2,3-부탄다이올은 현재 화장품 원료 ‘그린다이올^GreenDiol’이라는 이름으로 유통되고 있습니다. GS칼텍스는 이 물질을 화장품에 적용하여 항염, 항산화, 피부 보습, 진정 등의 다양한 피부 효능이 있음을 확인했습니다. 피부 효능 뿐만 아니라 제형 내에서 난용성 효능 물질을 안정화 시키는 역할을 하여 기존 화장품 제형에서 흔히 사용되던 폴리올과의 차별성을 지니고 있습니다. 

Q. 2,3-부탄다이올을 개발한 이유는 무엇인지요? 

최근 환경오염, 화학물질의 안전성 등의 이슈로 인해 생물자원인 ‘바이오매스’를 원료로 미생물 발효를 통해 다양한 물질을 생산하는 ‘바이오리파이너리^Biorefinery’ 기술이 주목받고 있습니다. 석유화학 공정으로 이미 대량 생산되고 있는 연료, 고분자 단량체 등의 물질(Bulk 또는 Commodity)을 바이오 공정으로 생산하는 것은 원가 측면에서 경쟁력을 확보하기 어렵기 때문에 화장품, 농업 제품, 식품 등 고부가 시장의 물질^Specialty에 먼저 집중하게 되었습니다. 또한, 석유화학 공정으로 만드는 것보다 미생물 발효를 통한 바이오 공정으로 생산하는 것이 더 수월한 물질이 몇 개 있는데 그 중 하나가 2,3-부탄다이올입니다. GS칼텍스는 미생물 발효 및 분리정제, 생명공학 기술 등을 접목하여 세계에서 유일하게 2,3-부탄다이올을 대량생산할 수 있는 친환경 바이오 공정을 개발했습니다. 

Q. 이 연구가 중요한 이유는 무엇인가요? 

2,3-부탄다이올은 미국, 일본, 중국 등에서 수입에 의존하던 기존 석유화학 유래 폴리올(프로필렌 글라이콜, 부틸렌글라이콜 등)을 대체할 수 있고, 이러한 소재들을 국산화하여 국가 경쟁력 향상에 기여할 수 있는 물질입니다. GS칼텍스는 ‘Value No.1 Energy & Chemical Partner’라는 비전을 바탕으로 국내 바이오화학산업의 생태계 조성을 위해 지난 10여 년 간 지속적인 노력을 기울여 왔어요. GS칼텍스에서 생산하는 2,3-부탄다이올은 ‘지속가능성^{Sustainability}’이 키워드가 되고 있는 메가 트렌드^{Mega Trend}에 가장 잘 부합하는 원료 중 하나이며, 특히 자연 유래, 친환경 등이 매우 중요한 트렌드가 되고 있는 화장품 원료로의 적용이 적합한 물질입니다. 

Q. 2,3-부탄다이올은 어떤 기능이 있나요?

2,3-부탄다이올은 사람의 혈액에 존재하면서 면역세포를 강화하는 역할을 하며, 간에서는 독성을 없애는 작용을 합니다. 우리가 섭취하고 있는 식품에도 2,3-부탄다이올이 존재해요. 특히, 와인, 맥주, 막걸리, 된장, 간장, 김치 등 미생물 발효에 의해 만들어지는 발효 식품에는 2,3-부탄다이올이 함유되어 있습니다. 이들 식품들의 발효에 사용되는 미생물들이 대부분 젖산, 에탄올 등과 더불어 2,3-부탄다이올도 생산하기 때문이에요. 2,3-부탄다이올은 벌이나 벌꿀, 그리고 프로폴리스에서도 검출되는데, 이는 벌들이 군집 생활을 하는 과정에서 수없이 부딪히면서 빈번하게 발생할 수 있는 염증을 완화해 주는 역할을 하기 위한 것으로 알려져 있습니다. 즉, 2,3-부탄다이올은 식품, 자연계에 광범위하게 존재하고 있는 안전한 천연물질입니다.

Q. 자연에 2,3-부탄다이올이 존재해도 이 물질만을 순수하게 얻는 것이 어렵지 않나요? 

2,3-부탄다이올은 구조적인 특징으로 인해 석유화학공정을 통해 생산하는 것보다 바이오공정을 통해 생산하는 것이 유리한 몇 안 되는 물질입니다. 석유화학공정으로도 2,3-부탄다이올을 생산할 수 있지만, 복잡한 고온고압의 공정이고 이성질체를 구분하여 생산해야 한다면 3가지 이성질체가 비선택적으로 동시에 생성되기 때문에 분리정제 비용이 높아지게 됩니다. 이러한 이유들로 대량 생산이 힘들어 아직 2,3-부탄다이올이 전세계적으로 사업화되지 못했습니다. 하지만 상온상압의 바이오공정은 석유화학공정보다 간단하고, 원하는 2,3-부탄다이올 이성질체를 선택적으로 생산할 수 있기 때문에 석유화학공정에 비해 경제적 측면과 환경적 측면 모두 유리합니다. 석유화학공정의 촉매 역할을 하는 미생물 (바이오촉매)은 화학 촉매보다 더 정교하기 때문에 이성질체를 구분하여 생산할 수 있습니다. GS칼텍스는 지난 12년 간 연구 개발을 수행하여 경제적으로 2,3-부탄다이올을 생산할 수 있는 기술력을 갖추었습니다.

Q. 2,3-부탄다이올을 생산할 수 있는 미생물을 어떻게 발견하고 연구를 시작했나요? 

가뭄과 같은 척박한 환경을 견뎌내고 자라는 식물들이 있었고, 연구자들은 이 현상에 주목했습니다. 그 식물이 자라는 뿌리의 환경과 토양을 연구하였고, 그 비밀은 바로 미생물에 의해 생산되는 2,3-부탄다이올이었습니다. 2,3-부탄다이올은 자연에 널리 존재하며 천연 보습제, 보존제, 항염제, 작물 보호제 등의 기능을 하고 있었던 것이지요. GS칼텍스 연구원들은 토양, 목장 등에서 다양한 샘플을 채취하여 2,3-부탄다이올을 만드는 후보 미생물을 수천 종 이상을 확보했어요. 그 후 미생물 스크리닝 기법, 미생물 배양 평가 등을 통해 2,3-부탄다이올을 가장 잘 만들 수 있는 미생물을 찾았습니다. 자연이나 식품에서 흔하게 접할 수 있는 Enterobacter나 Bacillus 계열의 미생물이며 GS칼텍스의 바이오기술(Non-LMO기법)을 접목하여 2,3-부탄다이올 생산 효율을 개선할 수 있었습니다. 

Q. 발효를 통한 2,3-부탄다이올 생산 기술의 장점이 무엇인가요? 

GS칼텍스의 2,3-부탄다이올 생산 공정은 친환경적이고 안전한 공정입니다. Non-GMO^{Genetically Modified Organism, 유전자변형생물체}인 바이오매스 원료(카사바나 사탕수수)를 사용하고 있어요. 화장품 원료로 사용되어야 하기 때문에 생산 공정에는 일체의 유전자변형생물체가 적용되지 않고 있고, 원료에서 2,3-부탄다이올로 전환되어 생산되는 경로도 인위적인 경로가 아닌 LMO-free 미생물을 통한 자연 대사 경로^{Natural metabolic pathway}를 이용하고 있습니다. 또한, Solvent 등 유해한 물질을 사용하지 않고 이온교환, 증류 등 물리적인 방법만을 분리정제 공정에 적용하여 고순도 2,3-부탄다 이올을 생산합니다. GS칼텍스는 이 공정을 ‘Non- GMO, Non-LMO, Non-toxic chemical process’ 즉, ‘3-free process’라고 부르고 있습니다. 

Q. 항염증 및 피부보습 측면에서 효능은 어떤가요. 

2,3-부탄다이올은 피부 보습, 피부 장벽, 진정 및 항염에 효과가 있으며 P/O 제형에서의 비타민 C 안정화, 그리고 세라마이드 및 알란토인과 같은 난용성 성분의 우수한 가용화력을 가집니다. 

그 중에서 2,3-부탄다이올의 항염 및 피부 진정 효능을 살펴보면, in vitro 방법을 통해 항염 관련 인자인 TNF-α와 IL-6의 발현량 측정 결과를 보면 2,3-부탄다이올의 함량에 비례하여 각 인자 생성 억제율이 증가하는 것을 확인할 수 있었습니다. 추가적으로 아토피 관련 인자인 TARC의 생성 억제능을 in vitro 평가하였을 때 적용량에 비례하여 생성 억제능이 증가했습니다. 이를 통해 항염 효과뿐만 아니라 아토피 증상에 2,3-부탄다이올이 긍정적인 효능을 가지고 있다는 것을 예상할 수 있었습니다. 피부 진정 효과를 확인하기 위해 진행한 1,3-Butanediol^1,3-BG, Propanediol^PDO, 그리고 2,3-부탄다이올 10% 솔루션을 각 피험자 11명으로 이루어진 세 그룹에게 2% SLS 패치를 전박부에 부착하여 피부 자극을 유도한 뒤 4주동안 하루에 두번씩 바르게 하였습니다. 제품 사용 2주, 4주차에 2,3-부탄다이올의 개선율이 다른 시료에 비해 높게 나타났으며 특히 2,3-부탄다이올이 PDO 대비 통계적으로 유의하게 개선율이 높게 확인되었습니다.

Q. 2,3-부탄다이올의 글로벌 시장 현황은 어떤가요? 

클린뷰티의 선도주자인 유럽 시장에서는 이미 기존 화학공정으로 생산된 폴리올을 2,3-부탄다이올로 대체하는 움직임이 있습니다.

GS칼텍스의 2,3-부탄다이올은 현재 국내 화장품 브랜드를 중심으로 제품에 적용된 사례가 200건 이상이며, 유명 해외 글로벌 브랜드의 제품에도 적용되어 신제품 출시가 이루어지고 있어요. 또 화장품 트렌드를 선도하는 프랑스를 시작으로 유럽 전역, 미국, 남미, 아시아 등 세계 화장품 시장에 진입했습니다. 

2,3-부탄다이올은 지속가능성, 친환경, 안전한 화학물질 등의 키워드로 대표되는 메가 트렌드에 가장 잘 부합되는 물질로 유럽 수출에 있어 필수적인 관문인 EU-REACH^{유럽연합 신화학물질 관리제도} 등록이 완료된 물질입니다. GS칼텍스는 이 물질에 대해서 유일하게 등록하여 대표등록의 권리를 보유하고 있습니다. 친환경 화장품 및 원료에 대한 국제적인 인증 기준인 COSMOS^{COSMetic Organic and Natural Standard} 인증, 미국 농무부 100% 바이오제품^{USDA Certified 100% Biobased Product} 인증, 비동물성 물질 등에 주어지는 비건^Vegan 인증, EWG 1등급 그리고 기술과 제품에 대한 우수성을 인정받아 산업통상자원부 신기술 NET와 신제품 NEP 인증을 받았습니다.

Q. 화장품 마케터를 위해 2,3-부탄다이올의 필요성과 적용 방법을 설명해주세요.

2,3-부탄다이올은 기존의 화학공정으로 생산된 폴리올을 대체할 뿐만 아니라 피부 효능을 지닌 차별화된 사용감을 가진 물질입니다. 기존 제형에 많이 사용하던 propanediol과 1,3-butanediol은 폴리올 특유의 끈적이는 마무리감을 갖는 반면에 이 물질은 풍성한 첫 사용감 대비 매우 산뜻하고 깔끔한 마무리감을 지니고 있어요. 이와 동시에 피부장벽개선 및 보습효과를 가지므로 기존 폴리올을 사용하면서 해결하지 못했던 사용감을 개선하는 데 꼭 필요한 장점을 지닌 원료입니다.

Q. 2,3-부탄다이올을 적용한 화장품 출시 계획은요? 

식품 첨가제 등에도 적용 계획이 있나요? 

이미 국내외로 기초와 색조 화장품에는 다수 적용 중이며, 헤어 및 클렌징 제품에도 적용되었습니다. 이 외에도 2,3-부탄다이올은 식품첨가제, 고분자 첨가제, 의약품 첨가제 등으로 다양한 분야에 적용이 가능한 잠재력이 높은 물질입니다. 향후 지속적으로 수요처 개발 및 추가 연구를 적극적으로 시행할 계획입니다. 또한, 농업제품의 원료로서 식물병 방지제, 생장 촉진, 수확량 증가, 가뭄과 냉해 등 환경 스트레스 저항성에 우수한 효능을 보여 작물보호제, 식물 면역 증강제, 환경 스트레스 저감제 등 여러 분야에 활용될 가능성이 있어 시장 확대가 기대되는 제품입니다. 

Edited by 안용찬