유해물질 센서 원천기술 확보 시급

■ 광학적 먹거리 안전 센서 기술

1) 국내 동향

호서대학교에서는 잔류 농약, 항생제 및 각종 위해물질 검출용 휴대용 검출 시스템을 개발하였다. 앱타머를 이용하여 식품 중 위해화학물질에 대한 선택성을 확보하였고 자성 나노입자를 이용하여 위해물질을 식품에서 분리하였다. 형광 단백질을 타깃에 도입하여 형광 신호로 타깃 검출에 성공하였다.

중앙대학교에서는 DNA 수용체를 활용한 휴대용 잔류농약 검출시스템을 개발하였다. 농약 10종 이상에 대한 수용체를 개발하고 고감도의 비색 센서 기술을 적용하여 현장에서 다중 분석용 센서 칩으로 활용하고자 하였다.

한양대학교에서는 면역경쟁반응을 이용하여 곰팡이독소 3종을 검출할 수 있는 표면증강라만산란 센서를 개발하였다. 항체를 사용하여 매트릭스 내에서의 곰팡이 독소에 대한 선택성을 확보하였고 라만프로브 물질을 도입하여 ppb 이하의 곰팡이독소 농도까지 검출할 수 있는 센서 기술을 개발하였다.

또한, 박테리아를 배양 없이 표면증강라만산란 효과로 검출하는 기술을 개발하였다. 플라즈모닉 효과가 있는 나노필라 구조와 박테리아에 선택적으로 결합할 수 있는 귀금속 나노프로브를 도입하여 라만 매핑(mapping)을 실시하였으며, 1시간 내 0-10^6CFU/mL의 박테리아를 검출할 수 있는 성능의 센서를 개발하였다.

재료연에서는 박테리오파지 바이러스 수용체를 은 나노선 표면에 기능화 하여 특정 농약에 대한 선택성을 확보하고, 은 나노선의 표면증강라만산란 효과를 이용하여 고감도 선택적 농약 검출이 가능한 종이 센서를 개발하였다.

아주대학교에서는 살모넬라균의 유전자를 등온증폭 방식으로 증폭하고 야누스 나노입자를 이용하여 타깃 검출 시 형성되는 역반사 광학 신호를 이용하여 102CFU에 해당하는 민감도의 살모넬라균 검출 센서 기술을 개발하였다.

2) 해외 동향

영국 리즈 대학교(University of Leeds) 연구팀에서는 육류의 부패지표 물질인 TMA(trimethylamine)를 검출하기 위해 나노포러스 티타늄 다이옥사이드(nanoporous titanium dioxide)를 이용한 비색 센서 어레이(array)를 개발하였다. 센서 어레이에 TMA와 반응할 수 있는 서로 다른 지표물질을 코팅하고, TMA 발생에 따라 색 변화를 감지하여 TMA를 60ppb 농도까지 검출하였다.

미국 휴렛팩커드(Hewlett-Packard)사 연구소에서는 나노 손가락 모양의 귀금속 나노 구조체 상에서 농약을 표면증강라만산란 효과로 검출하는 소재를 개발하였다. 먹는 물과 사과 세척액 속에서 클로르피리포스(chlorpyrifos, CFP)를 35ppt, 티아벤다졸(thiabendazole, TBZ)을 7ppb 농도까지 각각 검출에 성공하였다. 검출 농약의 고유 라만신호를 측정함으로써 비표지 방식으로 농약 검출이 가능하였다.

중국 난창 대학교(Nanchang University)에서는 형광물질이 도핑된 실리카 나노입자를 개발하고 면역크로마토그래피 검출 스트립에 적용하여 닭고기와 닭고기 추출물에서 항생제인 엔로플록사신(enrofloxacin)을 검출할 수 있는 기술을 개발하였다. 임신 진단 키트와 동일한 원리로 항원이 있는 검체 용액을 샘플 패드에 용적하면 테스트 라인에서 항원항체 반응이 일어나고, 이를 형광신호로 검출하여 항생제 존재여부를 파악하였다.

스페인 카탈란 나노과학 및 나노기술 연구소(ICN2)에서는 항체 수용체가 고정된 양자점과 산화 그래핀을 이용하여 박테리아를 검출할 수 있는 형광 센서를 개발하였다. 산화 그래핀과 양자점이 10nm 이하로 가까워지면 형광이 ㅤㅋㅞㄴ칭(quenching)되는 원리를 이용하였는데, 박테리아가 항체에 고정되게 되면 산화 그래핀이 양자점 대신 박테리아에 붙게 되어 양자점의 형광 신호가 검출된다. 반면, 박테리아가 없는 경우 산화 그래핀이 양자점에 접근하게 되고 형광신호가 퀜칭되는 원리를 이용하여 검체 내 박테리아 존재 여부를 판별한다.

■ 전기화학적 먹거리 안전 센서 기술

1) 국내 동향

한국과학기술원(KAIST)에서는 전기화학적 휴대형 잔류농약 검출 시스템을 개발하였다. 일회용 전기화학 센서 스트립을 개발하고 효소 반응을 유도하는 생화학 시약을 고정한 후 잔류농약의 반응에 따라 생성되는 전기신호를 감지하고자 하였다. 3종의 효소를 이용하여 유기인계, 카바메이트(carbamate)계, 알코올성 농약을 선택적으로 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다.

델트론 사에서는 전기화학적 잔류농약 검출 시스템으로 금 표면에 잔류농약과 반응 할 수 있는 효소를 고정 후 효소 반응에 의해 생성되는 전류를 검출하는 기술을 개발하였다. 유기인계 농약 10종 이상을 목표로 하였으나 상용화된 보고는 없다.

경희대학교에서는 임피던스(impedance)법을 이용한 면역 센서를 개발하여 우유에서 박테리아를 비표지 방식으로 검출하는 기술을 개발하였다. 상용화된 알루미나 나노포러스 멤브레인(alumina nanoporous membrane)에 박테리아를 검출할 수 있는 항체를 고정하고, 박테리아가 포러스 멤브레인에 고정되는 여부에 따라 변화하는 이온 전도도 차이를 이용하여 박테리아를 검출하는 원리이다. 비표지 방식으로 우유 속에서 83.7cfu/mL의 박테리아를 검출하는데 성공하였다.

한양대학교에서는 물에서 비소를 검출할 수 있는 전기화학 센서 소재를 개발하였다. 지르코니아(zirconia) 나노큐브 소재를 합성하고 금 전극을 코팅하여 전기화학 신호를 측정할 수 있게 준비한 후 비소 이온에 의한 산화환원 반응을 순환전압전류법으로 읽어 들여 5ppb 비소 농도까지 검출하는 데 성공하였다.

부산대학교에서는 카바릴(carbaryl) 농약을 검출할 수 있는 전기화학 센서를 개발하였다. ITO 전극 위에 아세틸콜린에스터레이즈(acetylcholinesterase) 효소를 고정시키고 카바릴에 의해 저해되는 일련의 효소반응 유래 산화/환원 신호 변화를 감지하여 0.3pM에 해당하는 농약 검출에 성공하였다.

2) 해외 동향

미국 코네티컷 대학교(University of Connecticut)에서는 유기인계 가수분해 효소와 티타늄 다이옥사이드 나노파이버 및 탄소나노튜브 복합체로 이루어진 소재를 개발하고 유기인계 농약의 피-니트로페닐(p-nitrophenyl) 그룹을 모니터링 할 수 있는 센서를 개발하였다. 티타늄 다이옥사이드 나노파이버는 유기인계 농약을 농축시키는 역할, 탄소나노튜브는 전류 측정 시 전자전달 효율 증진을 위해 사용되었다.

일본 쓰쿠바 대학(University of Tsukuba)에서는 이리듐산화물(IrOx) 전극을 이용하여 유기인계 농약을 검출할 수 있는 전위차 센서를 개발하였다. 농약이 효소 반응에 의해 가수분해 되면서 변화하는 pH의 변화를 센싱하는 원리이고, 다이아지논(diazinon)에 대해 3μM까지 검출이 가능하였다. 기존 효소 저해반응을 유기인계 농약 검출에 사용한 방법과 달리 pH 변화로 유기인계 농약을 보다 직접적으로 검출한 기술이다.

중국 화둥 사범대학(East China Normal University)에서는 환원된 산화 그래핀과 금 나노입자가 코팅된 탄소 전극 소재를 이용하여 멜라민을 검출할 수 있는 전기화학 센서를 개발하였다. 멜라민 농도 증가에 따라 저해되는 전기화학 리포터 신호를 감지하여 멜라민 농도 5에서 50nM을 검출하는 데 성공하였다.

터키 파묵칼레 대학교(Pamukkale University)에서는 곰팡이 독소인 오크라톡신 에이(ochratoxin A)가 각인된 분자각인 고분자와 은 나노입자, 환원된 산화 그래핀이 코팅된 탄소 전극을 이용하여 포도 주스와 와인에서 ochratoxin A를 전기화학적으로 검출하는 데 성공하였다. 분자각인 고분자는 수용체로 사용되었고 전극 상에서의 순환전압전류법을 통해 1.6x10-11의 농도에 해당하는 타깃 검출에 성공하였다.

홍콩 이공대학(The Hong Kong Polytechnic University)에서는 미세 유체 디바이스 내에 나노포러스 알루미나 멤브레인을 도입하여 식품 유래 박테리아를 검출할 수 있는 센서를 개발하였다. 나노포러스 멤브레인에 항체를 고정하고 미세 유체를 통해 박테리아를 흘려보내 주었을 때, 박테리아가 항원에 고정되어 멤브레인을 막게 되면, 통과하던 전해질의 양이 변화하면서 생성되는 전기신호 변화를 감지하여 박테리아를 검출하는 원리를 이용하였다.

■ 국내외 선도기관

농식품 안전은 국민 생활 건강과 직접적인 관련이 있기 때문에 국내외 대부분 국가 산하기관의 감시 체계를 따르게 된다. 국내의 경우 보건복지부 중심으로 농식품 검사 조직체계가 이루어져 있고 식품의약품안전처, 국립검역소, 광역 및 기초 지자체 등이 연결되어 있다. 식품의약품안전처는 식품위생 감시 총괄을 담당하고 국민 다(多)소비 식품을 수거하여 검사, 안전성 평가 연구, 식품 기준·규격 설정을 한다. 지방 식약청의 경우 식품위생 감시, 수입식품 검사, 식품 첨가물 제조업 조사, 처리 및 인허가를 담당한다. 국립 검역소에서는 수입식품 검사를 하고 시, 도 위생과에서는 식품위생 감시를 한다.

식품 유해물질 구성을 보면, 화학성분의 경우 크로마토그래피 질량분석기를 대표적으로 사용하고, 목적에 따라 방사성 동위원소, 근적외선 분광법 등을 이용하여 성분 분석을 한다. 식품 유래 박테리아의 경우 배양, 유전체 분석을 통해 안전성 평가를 한다. 한편, 현재 개발 중인 식품 안전 진단기술은 대부분 현장 적용 가능한 기술개발에 집중되어 있다. 이는 기존에 확립된 안전성 평가 기술들로는 수많은 농식품을 검사하는 데 필요한 시간과 인력, 인프라가 부족하기 때문이다. 현장 적용 가능 기술들은 광학, 전기화학 기술 외에도 다양하게 개발되고 있지만, 농식품 안전은 신뢰도가 가장 우선시 되므로 개발기술이 식약처의 허가를 받아 표준 검출 기술로 인정받기까지 많은 장애물이 존재하고 있다. 따라서 국내의 경우 기업보다는 대학과 연구소 중심으로 기술 연구개발 단계에 머물러 있는 상태이다.

국내, 기업보다 대학·연구소 연구개발 단계 머물러

원천기술 중기 이전 시장 창출, R&D 환경 개선 必

■ 산업 및 시장 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

국내 식품안전 센서 기술은 산업화가 미비한 상태이다. 국내 바이오센서 기업들의 주력 제품 분야 90% 이상이 의료용 바이오센서로 치중되어 있고, 식품 분석, 환경 분석용 센서에 대한 관심도가 낮은 상태이다. 우리나라 식품안전은 식품위생법에 따라 규제 위주로 관리되어 왔고 국가 차원의 식품안전기술 개발 및 연구지원은 선진국보다 부족한 상황이다. 기술적으로도 검출 대상 물질이 농약과 중금속 검출에 치중되어 다른 화학적, 생물학적 식품 위해인자 관리 기술 개발이 저조한 상태이다. 최근 정부 출연기관을 통한 식품안전 센서 기술개발 투자가 이루어지고 있지만, 기반기술이 약한 편이며 주로 단기 과제로 이루어져 개발기술을 통한 시장 형성이 어렵다.

식품 유해물질 제거 기술은 진단 기술에 비해 발전되어 있는 편이며 ‘센서 기술·제거 기술·추적 관리 시스템’으로 통합되어 센서형 식품 안전 관리 시스템으로 개발될 필요성이 있다. <그림 3-4-4-14>는 국내 센서형 식품 안전 관리 시스템 국내 시장규모 및 전망을 나타낸다.

2) 기업 현황

국내 현장형 식품 센서 기술은 대기업보다 중소기업에서 개발 사례를 찾아볼 수 있으며 국가연구개발 과제와 연계하여 기술 개발이 이루어졌다. 하지만 농식품 센서의 특성상 필요한 검출 타깃과 대상 범위가 매우 다양하고, 감시기관에서 유통된 농식품에서 유해물질 검출이 확인되면 즉각 유통 금지, 폐기 처분 방향으로 행정 결정이 이루어져 현장형 유해물질 검출기술이 개발되어도 자체 시장 및 신시장 형성에 한계를 나타내고 있다.

제노프라(GENOPROT)는 2005년 대장균 검사용 바이오센서 기술을 개발하였다. 앱타머 수용체 기반 바이오칩을 이용하여 먹는 물에서 40분 이내에 미생물 100cfu/mL 이상을 표면플라즈몬공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 원리로 검출하고자 하여 현장형 시제품으로 개발하였으나 현재 상용화되지 않고 있다.

케이맥(Korea Materials & Analysis Corp.)은 휴대단말용 잔류농약 검출 센서를 개발하여 유기인계 5가지, 카바메이트계 4가지 총 9가지 농약 성분을 검출 가능한 기기를 개발하였다. 항체가 고정된 소형 SPR 센서를 이용하여 농약 검출에 성공하였으나 현재 상용화되지 않고 있다.

푸드바이오테크는 식품 알레르기 진단 및 측정용 단백질 칩을 개발하였다. 식품에서 추출한 단백질을 슬라이드 위에 부착시켜 혈액이 단백질에 반응하는 정도에 따라 해당 식품 내 알레르기 항원 존재 여부를 파악하는 원리를 이용하였다. 82개 항목의 알레르기 검사를 성공하였으나 현재 상용화되지 않고 있다.

식품 유해균의 경우, 유전자 증폭 기술을 활용한 센서 기술을 바이오니아(BIONEER), 나노바이오시스(NANOBIOSYS INC.), 코젠바이오텍(KOGENBIOTECH) 등에서 개발하여 적용하고 있다.

■ 산업 및 시장 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

세계 농식품 안전 진단 시장은 소비자뿐만 아니라 식품 생산업체, 식품 서비스 산업, 유통 업체 등의 수요 증가로 인해 최근 큰 폭으로 성장하고 있다. 2016년 기준 세계 식품 안전 테스트 시장은 6억 830만 달러, 연평균 성장률 8.9%로 2025년까지 13억 450만 달러로 성장할 것으로 기대된다. 유해 성분별로 구분해 보면, 질병을 유발할 수 있는 박테리아, 바이러스, 곰팡이 검출에 관한 시장이 전체의 42.3%, 유전자 변형식품(Genetically Modified Organisms, GMO)이 23.6%, 유해 화학물질이 18.6%, 기타가 15.6%를 차지하고 있다. 식품 유래 살모넬라균이나 박테리아처럼 질병과 직접적으로 연관된 타깃들이 가장 높은 시장을 차지하였고, GMO의 경우에도 안전성에 대한 소비자의 우려와 정부 규제가 증가함에 따라 시장이 급속도로 성장하고 있다.

2) 기업 현황

미국 네오젠(Neogen)사는 식품 내 살모넬라균을 측방유동방식을 적용하여 검출할 수 있는 래피드 키트(rapid kit)를 개발하였다. 균이 포함된 시료가 판독 띠 상에 하나가 나타나면 음성, 두 개가 나타나면 양성으로 판단하는 방식을 제시하였다. 한편, 배양과 별도의 리더기가 필요한 단점이 있다.

이탈리아 Liofilchem 사는 수 CFU∼수 백 CFU에 해당하는 박테리아를 검출할 수 있는 비색 센서를 개발하였다. 총 8가지 서로 다른 박테리아를 동시에 검출할 수 있고 24시간 안에 눈으로 결과를 확인할 수 있다는 장점이 있다. 박테리아에 의한 키트 안 각 홈(well)색 변화를 통해 타깃을 감지한다.

독일 알-바이오팜(R-biopharm)사는 실시간 유전자 증폭 기술을 기반으로 신속한 DNA 추출을 수행하여 식품 내 박테리아, 알레르기 유발물질, 유전자 변형체(GMO), 바이러스 등을 검출할 수 있는 기술을 개발하였다. 현장형 신속 키트 형식으로 개발되었으나 RNA, DNA의 추출을 별도로 실시해야 한다.

리투아니아 에이알에스 랩(ARS Lab.)은 온도, 습도, 암모니아 및 휘발성 물질의 함량을 측정하는 페레스(Peres)라는 센서를 개발하여 식자재의 부패 여부를 감별할 수 있는 센서를 개발하여 판매하고 있다.

■ 국내외 선도기업

국내에는 식품안전 진단을 주력사업으로 기술 개발한 기업이 거의 없거나 사례가 있더라도 현재 상용화를 하지 않는 중소기업들이 대부분이다. 일부 바이오센서 회사에서 제품 응용 분야 중 하나로 농식품 내 유해물질 검출에 관한 요소 기술을 개발하고 있다. 또한, 완전체 제품보다는 기존 ELISA, 유전체 분석, 분자검출 방법에 적용 가능한 키트 형태가 많다.

해외에서는 이미 휴대용 기기, 스마트폰 연동 가능한 형태의 식품안전 센서가 많이 개발되었고 유해물질 검출뿐만 아니라 칼로리 계산, 구성 성분 정보 표시, 알레르기 유발 물질, 부패 정도 확인 등 소비자의 관심에 따라 다양한 형태로 기술이 개발되고 있다. 국내에서는 하나의 현장형 기기가 기존 기술을 대체하고 한 번에 많은 타깃을 검출할 수 있는 수준의 성능을 요구하지만, 해외의 경우 특정 소비자층을 겨냥하거나 하드웨어에 맞는 소프트웨어 개발을 동시에 이루면서 사업을 확장해 나가고 있다.

■ 미래의 연구방향

현장 적용 가능한 농식품 센서는 의료용 바이오센서보다 고부가가치 산업이 아님에도 불구하고 먹거리 안전이 국민 건강과 안전에 직결되기 때문에 지속적인 기술 수요가 증가하고 있다. 하지만 농식품의 특성상 범위를 잔류농약만 한정해도 검출 대상이 320종 이상 존재하기 때문에 현장에서 동시 검출을 할 수 있는 기술개발이 이루어지지 않으면 결국 기존 표준기술을 활용할 수밖에 없는 한계에 부딪힌다. 따라서 현장에서 반드시 유통 차단이 필요한 고위험군 유해물질을 선정하여 오염이 의심되는 농식품을 스크리닝할 수 있는 개념의 센서 개발 전략을 가져야 한다.

한편, 농식품의 유해물질 검출 기술의 허가는 식약처에서 담당하고 있고 이는 진단기술이 대표성을 가질 수 있을 정도로 높은 신뢰도가 요구됨을 의미한다. 따라서 기존 표준 방법으로 검출할 수 없거나 복잡한 검출 공정이 필요한 유해물질 타깃을 검출할 수 있는 새로운 센서 기술을 개발하는 방법도 좋은 전략이다.

먹거리 안전 센서 기술은 매우 다양한 매트릭스 중에서 타깃 유해물질을 선택적, 고감도로 검출해야 하는 기술적 어려움이 존재한다. 먹거리 안전진단 센서 기술과 함께 반드시 현장 적용 가능한 전처리 기술이 개발되어야 하고, 이는 통합적 전처리 기술보다는 농식품 전처리 특성별로 분류하여 타깃 맞춤형 현장 전처리 기술로 개발되어야 한다.

미래에는 식품 유통과정의 전 주기를 모니터링하고 실시간 네트워킹을 통한 먹거리 품질관리가 가능한 시대가 다가올 것이다. 먹거리 환경 변화와 더불어 유해물질 오염 여부를 실시간으로 검출할 수 있는 식품 관리 시스템 개발이 필요하고, 이를 위해서는 식품 관리 시스템에 적용할 수 있는 유해물질 센서 원천기술을 확보하는 연구개발이 시급하다.

■ 정책 제언

다양한 부처에서 농식품 안전진단 기술개발을 위한 연구투자가 이루어지고 있으나 예산보다 과제 수가 많고 대부분 단기 과제로 추진되어 기반기술 확보 및 원천기술 개발이 어렵다. 농식품 내 잔류 유해물질검출에 대한 표준화 방법이 이미 오랜 기간 동안 정립되어 있기 때문에 기존 표준방법을 개선하는 기술, 타깃의 특성상 검출 방법이 전무한 경우에 신기술에 대한 정부 허가가 고려된다. 따라서 시장 형성이 쉽지 않은 농식품 안전센서 분야에 중소기업이 도전적으로 연구 개발에 투자를 하기는 쉽지 않은 것이 현실이다. 대부분의 농식품 안전 진단 기술의 국가연구개발 투자는 기존 표준화 기술의 단점을 보완할 수 있는 현장형 유해물질 검출기술에 집중되어 있다. 현장 적용을 목표로 하다 보니 실용화 형태의 연구개발이 주를 이루게 되고 원천기술보다는 현장에서의 일부 애로기술을 해결하거나 개념증명, 실용성이 떨어지는 시제품 개발로 과제가 마무리되는 경우가 많다.

정부는 2018년 “제2차 과학기술 기반 국민생활(사회) 문제 해결 종합계획(2018∼2022)(안)”에서 사회문제 10대 분야로 생활 안전을 지정하고 그 중 먹거리 안전을 40개 주요 사회문제 중 하나로 꼽아 농수축산 식품의 생산, 가공, 저장, 유통 등의 단계에서 발생 가능한 음식물 변형, 감염 등의 사고와 식품의 유해성분 등으로 인해 발생하는 문제 해결에 투자하겠다고 밝혔다.

농식품 안전진단 기술은 국민의 안전 및 건강과 직결되는 기술로 공공성을 가지는 만큼, 동시다발적인 실용화 요소기술 개발에 투자하기보다는 정부출연연구소나 국공립 연구소를 통해 현장에서 사용될 수 있는 원천기반기술을 먼저 확립하고, 이를 중소·중견기업에 기술 이전하여 시장을 창출하는 방향으로 R&D 투자 환경을 개선할 필요가 있다.

▲ <그림 3-4-4-10>무배양 살모넬라 표면증강라만산란 검출

▲ <그림 3-4-4-11>육류 부패물질 농도에 따른 비색 센서 색 변화

▲ <그림 3-4-4-12>임피던스법을 이용한 박테리아 검출 나노포러스 센서

▲ <그림 3-4-4-13>효소반응을 이용한 전기화학 센서 예시

▲ <표 3-4-4-1>먹거리 안전 진단 기술-국내 선도연구기관

▲ <표 3-4-4-2>먹거리 안전 진단 기술-해외 선도연구기관

▲ <그림 3-4-4-14>센서형 식품 안전 관리 시스템 국내 시장자료(재구성)

▲ <그림 3-4-4-15>유해 성분별 세계 식품 안전 진단 시장 수입 규모

▲ <그림 3-4-4-16>연도별 세계 식품 안전 진단 시장 수입 예상 규모

▲ <표 3-4-4-3>먹거리 안전 진단 기술-국내 선도기업

▲ <표 3-4-4-4>먹거리 안전 진단 기술-해외 선도기업