지속가능한 화장품 소재 개발의 열쇠 ‘PCA 유도체’

‘EUBCE(European Biomass Conference & Exhibition)’. 

화장품업계에선 다소 낯설은 이 행사는 ETA Flo-rence Renewable Energies(ETA Srl)가 주최하는 세계 최대 규모의 바이오매스 컨퍼런스이자 전시회다. 매년 바이오매스 관련 분야의 최신 토픽 및 연구 결과들을 접할 수 있을뿐 아니라 전시회를 통해 바이오매스와 관련된 업체들이 서로 교류할 수 있는 기회의 장이다. 올해로 31회째인 이번 행사에는 전 세계 79개국에서 1500명이 참여했다. 컨퍼런스는 △SUSTAINABLE RESOURCES FOR DECARBONISING THE ECONOMY △SUSTAINABILITY, IMPACTS AND POLICIES △BIOMASS, BIO-BASED PRODUCTS AND BIOENERGY INTE-GRATION △BIOMASS CONVERSION FOR BIOENERGY △BIOMASS CONVERSION TO INTERMEDIATE BIOE-NERGY CARRIERS AND SUSTAINABLE BIOFUELS △BIOMASS CONVERSION TO BIO-BASED PRODUCTS AND CHEMICALS △INDUSTRY TRACK 등 7개 주제로, 78개 세션이 열렸다. 

‘지속가능한 그린 앤 바이오(Green & Bio) 플랫폼 소재 개발 기업’을 지향하는 엑티브온(대표 조윤기)은 지난 6월 5~8일 이탈리아 볼로냐에서 열린 ‘2023년 EUBCE’에 참여해 프로토카테츄산(Protocatechuic acid, PCA) 유도체에 관한 포스터 논문을 발표했다. 

이 논문은 발효 프로토카테츄산의 사용 및 다양한 알코올의 에스터화 반응을 통한 프로토카테츄산 유도체 생산과 이를 통해 나타내는 항염, 항산화, 미백, 항산화 효능에 대한 내용을 담고 있다. 특히 지속가능한 화장품 소재 개발을 위한 PCA 유도체의 잠재력을 확인했다. 

이탈리아 현지에서 이번 논문을 소개한 레이첼 이브 클라란스(Rachel Eve Clarence) 엑티브온 R&D CENTER Core Technology(C.T.P) 연구원에게 이번 행사에 다녀온 소감과 연구 내용을 서면으로 들었다. 레이첼 연구원은 말레이시아 출신으로 한국에 거주한지 올해로 12년째이다. 성균관대학교 화학공학과에서 공부하고, Offenburg University of Applied Sciences 생명공학과에서 석사학위를 받았다. 

레이첼 연구원은 “엑티브온은 탄소저감 친환경 지속가능 소재 개발 기술에 초점을 맞추고 다양한 관련 학회에 참여하고 있는데, 이번 행사를 통해 글로벌 트렌드의 흐름을 파악하고, 폭넓은 정보를 두루 배울 수 있는 기회가 됐다”고 말했다. 

Q. EUBCE에 참가한 배경이 궁금합니다. 

엑티브온은 식물 및 여러 바이오매스 자원의 활용과 바이오 기반 기술을 통해 지속가능한 소재에 대한 연구 및 개발을 진행하고 있습니다. 따라서 바이오매스 기반 지속가능 그린 케미컬과 관련된 최신 연구 및 기술동향을 파악하기 위해 이번에 처음 EUBCE에 참가했습니다. 

이번 EUBCE에서 미생물 발효를 통해 생산된 PCA를 유도체화하여 기능성화장품 원료로서의 가능성을 확인한 연구결과에 대한 포스터 논문을 발표했습니다. 포스터장에서 발표자가 포스터 앞에서 직접 서서 발표하는 식으로 진행했습니다. 비슷한 분야를 연구하는 참가자들과 모여 정보와 지식을 교류할 수 있는 좋은 기회가 되었습니다. 

Q. 프로토카테츄산(PCA)에 대해 설명해주세요. 

화학적으로 3,4-dihydrobenzoic acid로 알려진 PCA는 채소 및 과일과 같은 식물 기반 물질에서 발견되는 페놀산의 주요 2차 대사산물 중 하나입니다. 노화와 관련된 질병을 예방하는 항산화, 항염증, 그리고 항골다공증 효능을 갖고 있는 것으로 잘 알려져 있습니다. PCA는 in-vitro 및 in-vivo 실험에서 항산화 효능을 통해 주름 방지 및 피부 노화 방지와 같은 기능적 특징을 보입니다. 또한 항산화 및 노화 억제 작용이 있는 화장품의 미용 성분으로 자주 사용되는 것으로 알려져 있습니다. 

Q. PCA 물질 자체는 어떤 한계가 있으며, 이를 어떻게 해결했나요? 

PCA 그 자체로 여러 효능이 있으나 광범위한 항균 스펙트럼, 저농도 효과, 제형 적용성 등의 문제로 화장품 방부 소재로서는 적합하지 않습니다. 그래서 유도체화를 통해 이를 개선하고자 하였고, 적용 결과 광범위한 항균 스펙트럼, 저농도 효과, 제형 적용성 등의 문제를 해결할 수 있었고, 또 다른 기능성 효과를 가지게 된 것을 확인하였습니다. 

Q. PCA의 유도체를 소재로 개발하게 된 배경은 무엇인가요? 

PCA는 산성을 가지고 있어서 완제화장품의 pH에 영향을 주기 때문에 화장품 제형을 바꿔야합니다. 그러다 보니 완제품회사에서는 꺼리는 추세입니다. 하지만 유도체화를 통한 PCA의 물성 변화를 통하여 용해도, 고농도 사용 및 제형의 안정성이 증가하는 효과를 줄 수 있어 유도체화가 효과적인 방법으로 생각하고 있습니다. 

또한, PCA 자체로도 다양한 기능성을 가지고 있으나, 유도체화를 통하여 저농도 적용 및 다양한 기능성의 변화를 가져올 수 있습니다. 이러한 변화는 꼭 모든 기능성 효능이 상승한다고는 단언할 수 없으나, 자사의 선행연구 결과 유도체화 진행시에 항균력의 증대를 확인하였습니다. 이렇듯 다양한 유도체화를 통하여 기존의 PCA보다 기능성이 증대된 후보물질을 도출하여 이를 부각하는 제품화가 가능할 것이라고 예상되어 PCA유도체를 개발하게 되었습니다.

Q. PCA 생산 및 유도체 개발 과정을 소개해주세요.

일반적으로 PCA는 천연에 존재하는 소재로 화학 합성이나 식물 추출을 통해 생산됩니다. 엑티브온은 이 방법이 아닌 미생물 발효공정을 이용하여 PCA를 생산하였고, 이 후 esterification 방법을 통해서 다양한 알코올과의 유도체화를 진행하여 여러 종류의 PCA 유도체를 개발하였습니다. 

Q. PCA 유도체는 어떤 효능이 있나요?

in-vitro 실험을 통해 항균, 항산화, 미백 및 항염 효능을 확인할 수 있었습니다. 특히 Ethyl PCA 및 butyl PCA는 PCA와 대비해 24.7% 및 31.6% 이상의 높은 항산화 능력을 확인했습니다. 

Ethanol과 Butanol의 경우, 천연유래로 생산이 가능한 알코올로 이를 통해서 ethyl PCA 유도체 및 butyl PCA 유도체는 천연유래의 화장품 원료소재 생산이 가능합니다. 

또한 PCA 유도체는 PCA에 비해 미백 효능이 있는 것으로 확인되었습니다. 특히 미백 효능을 가지고 있는 Kojic acid와 비교 시 낮은 농도임에도 불구하고 높은 미백 효능을 나타내는 것을 확인할 수 있었습니다. (Kojic acid 100ug/ml 농도에서 control 대비 멜라닌 55% 감소한 것으로 확인). 

또한, 항노화 실험을 통해 Ethyl PCA 및 Butyl PCA의 경우 농도가 낮아질수록 항노화 효능이 증가하는 경향을 확인하였습니다. 농도가 낮아질수록 항노화 효능이 좋아지는 경향을 볼 때, 더 낮은 농도에서 더 좋은 효과가 나올 것으로 기대됩니다.

또한 유도체 중 ethyl PCA 및 butyl PCA는 Pseudomonas aeruginosa 균주를 제외한 3종의 균주에서 0.4% 이하의 MIC 농도를 확인했으며 유도체의 항균력을 확인할 수 있었습니다.

Q. PCA 유도체를 지속가능한 성분의 유망주로 보는 이유가 무엇인가요?

화장품 산업의 최신 트렌드는 환경 친화, 안전성 및 지속가능성으로 최근 소비자들은 이같은 콘셉트의 제품을 구매하기 위해 많은 관심과 다양한 정보를 원하고 있습니다. 기존 석유화학 유래 소재에서 천연 유래 소재로, 화학공정보다는 친환경 바이오 공정으로 생산된 소재에 대한선호도가 높아지고 있으며 이에 따라 화장품 완제품 회사도 천연,바이오 항균소재에 대한 니즈가 높아지고 있는 추세입니다. 따라서 바이오매스로부터 발효를 통해 생산된 PCA 유도체는 지속가능한 소재로 화장품 시장에서 좋은 반응을 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 

Q. 임상시험 및 제품 적용 계획이 있나요? 

엑티브온은 현재 바이오 기반 화장품 원료를 공급할 수 있는 바이오 PCA 유도체의 생산 공정을 개발 중이며 안정적인 스케일업 공정 확립 후 임상 시험 단계로 넘어갈 계획입니다. 

Q. 논문 발표 후 반응은 어떤가요? 

바이오 PCA 및 PCA 유도체의 대량 생산관련 문의도 있었지만, 천연 유래인 알코올의 소싱과 물질에 대한 LCA(Life Cycle Assessment) 및 TEA(Techno-economic Assessment) 평가와 관련된 문의도 있었습니다. 바이오매스 관련 행사인 만큼 지속가능발전에 대한 많은 관심을 가지고 있고, 연구 기술도 중요하게 생각하지만 개발 물질 관련 생산 프로세스 및 소싱뿐만 아니라 물질에 대한 지속가능성을 판단할 수 있는 수단과 방법에 대한 의견을 나눌 수 있었습니다. 

Q. 올해 EUBCE 학회에 참여하지 못한 연구원을 위해 이번 행사의 주요 흐름을 소개해 주세요. 

이번 행사는 전체적으로 sustainability, circular economy, Carbon-neutrality 등에 관한 이슈가 돋보였습니다. 단순한 research 프로젝트 소개도 있었지만 바이오매스 기반 제품화를 위한 노력 및 가고자 하는 명확한 목표(e.g. Net Zero future by 2050, 2030년까지 350억 bcm의 바이오메탄-RNG 생산 등) 제시와 이러한 목표의 달성을 위해 과학, 정책 및 시장 주제를 논의하기에 좋은 환경이라고 생각했습니다. 

또 ‘리그노셀룰로스 바이오매스’ 키워드가 많이 언급되는 것을 확인할 수 있었습니다. 리그노셀룰로스 바이오매스 공법을 활용하여 고부가가치 케미컬 및 제품을 개발하는 것이 대세라고 생각합니다. 예를 들어, 스웨덴의 Biobased 회사인 Ecohelix는 VEHICLE 프로젝트를 발표했는데, 이 프로젝트의 목표는 많은 양의 헤미셀룰로스 및 셀룰로스당을 리그노셀룰로스 바이오매스 공법을 통해 고부가가치화하는 것입니다. VEHICLE 프로젝트의 결과 중 하나는 MEG(monoethylene glycol), MPG(monopropylene glycol), diol, 바이오 플라스틱, 생분해성 폴리에스테르와 같은 6가지 새로운 바이오 기반 화학 물질 및 화합물을 생산한 것입니다. 이 프로젝트를 통해 바이오 기반 가치 사슬의 격차를 해소하기 위한 노력을 보여줬으며, 화장품 원료에 많이 쓰이는 MEG, MPG와 diols 같은 플랫폼 케미컬을 리그노셀룰로스 바이오매스 공법을 통한 생산 가능성을 보여줬습니다.