연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀이 천연 고분자의 가교 조절을 통해 다양한 도축 부위의 관능 특성을 구현할 수 있는 배양육 소재를 개발했다.

배양육은 실험실에서 인공적으로 생산하는 육류로, 도축과 자원 소모를 최소화할 수 있는 지속 가능한 육류로 떠오르고 있다. 배양육의 궁극적인 목표는 도축육이 갖는 다양한 물리적, 생물학적 특성을 모사하여 체외 배양으로 도축육의 감각적 특성을 달성하는 것이다. 그러나 아직까지 세포 배양을 통해 여러 조직이 결합되어 복합적인 향미와 식감을 발현하는  도축육의 관능적인 특징을 구현하는 데에는 한계가 있다.

이에 연세대 홍진기 교수 연구팀은 콜라겐 유래 고분자인 젤라틴과 갈조류 유래 다당류인 알긴산으로 구성된 세포 배양 지지체를 개발했다. 특히 알긴산의 카르복실기와 양이온이 만나 이온결합을 형성하여 알긴산 사슬의 구조 변화가 나타나는 .점을 활용해 지지체의 기계적 강도를 달리하였다. 알긴산의 이온 가교도가 조절되면 하이드로겔의 기계적 강도가 달라지는데, 이를 이용하여 근육 조직의 영률 (~12 kPa)에 도달한 지지체와 지방 조직의 영률 (~3 kPa)에 도달한 지지체를 제조하고, 근육 세포와 지방 세포의 분화 거동을 조절하였다.

도축육의 식감과 향미 등의 관능적 특성과 영양항적 특성은 근조직과 지방 조직의 생물학적 특성에서 기인하기 때문에, 연세대 홍진기 교수 연구팀은 지지체를 이용해 조절된 세포의 분화 거동이 다양한 관능 및 영양학적 특성에도 영향을 줄 것으로 가정하였다. 결과적으로, 물성에 따라 근분화와 지방분화 정도가 다른 배양육을 제조하였을 때 식감과 향미, 영양학적 특성이 유의미하게 달라지며 두 세포의 분화 정도가 최대화된 배양육에서 도축 소고기의 특성이 나타남을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로, 근분화가 증가된 배양육과 지방분화가 증가된 배양육의 공유 결합을 유도하여 다양한 도축 부위의 관능 특성을 구현할 수 있는 배양육 제조 기술을 개발했다.

연세대 홍진기 교수 연구팀은 이번 연구가 기존 배양육 연구에서 집중하지 않았던 도축육의 관능 특성 구현을 최초로 보고하였다는 점에서 차별성이 있으며, 향후 배양육 생산에 폭넓게 적용될 수 있는 초석기술로 기대한다고 밝혔다.

연세대 홍진기 교수는 “이번 연구는 고분자 기반 소재의 특성을 조절하는 화학공학 기술이 생명공학 기술, 식품 공학 기술과 융합되어 미래 식품 분야에도 적용될 수 있음을 보여주었다”고 전하며, “앞으로도 우리 연구팀의 다양한 소재 기술을 활용해 배양육 산업의 발전에 기여할 수 있는 연구를 이어 나갈 것" 이라고 덧붙였다.

본 연구는 대한민국 산업통상자원부(MOTIE), 한국연구재단(NRF), 국방기술진흥연구소의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 홍진기 교수 연구팀의 이미래 박사과정생(제 1저자)가 진행했으며, 국제 학술 권위지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 1월 2일자(현지시간)로 게재됐다.

A research team led by Prof. Jinkee Hong of the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at Yonsei University (President Seung-Hwan Seo) has developed a cultured meat material that can mimic the sensorial characteristics of various slaughtered cuts of meat through controlling the cross-linking degree of alginic acid.

Cultured meat, produced artificially in laboratories, is emerging as a sustainable meat that minimizes slaughter and resource consumption. The ultimate goal of cultured meat is to achieve the sensorial characteristics and nutritional value of slaughtered meat through in vitro cultivation, mimicking the diverse physical and biological properties of slaughtered meat. However, there are limitations in replicating these features of slaughtered meat through cell cultivation, because the properties of slaughtered meat involve the complex interplay of various tissues.

To address this challenge, Prof. Jinkee Hong’s research team at Yonsei University developed a cell culture scaffold composed of collagen-derived polymer gelatin and alginic acid, a polysaccharide derived from algae. They specifically manipulated the mechanical strength of the scaffold by utilizing the interaction between carboxyl groups in alginic acid and cations, causing structural changes in the alginic acid chain. By adjusting the ionic cross-linking of alginic acid, they developed the scaffolds reaching the mechanical stiffnesses of muscle tissue (~12 kPa) and fat tissue (~3 kPa). Using these scaffolds, the differentiation behaviors of bovine muscle cells and fat cells were precisely regulated.

Since the organoleptic and nutritional characteristics of slaughtered meat originate from the biological properties of muscle and fat tissues, the research team hypothesized that the controlled differentiation behavior of cells using the scaffolds would impact various sensorial and nutritional attributes. Consequently, they confirmed significant differences in texture, flavor, and nutritional characteristics when producing cultured meat with different degrees of muscle and fat differentiation. Finally, covalent cross-linking was induced between the cultured meats containing increased muscle differentiation and increased fat differentiation, resulting a novel assembled cultured meat which can mimic the organoleptic characteristics of diverse slaughtered meat cuts.

Prof. Jinkee Hong stated, "This study demonstrates the integration of chemical engineering technology in adjusting the properties of polymer-based materials with the fields of life sciences and food engineering. It highlights the potential application of our diverse material technologies to contribute to the advancement of the cultured meat industry.“

This research was conducted with the support of the Ministry of Trade, Industry, and Energy (MOTIE), the National Research Foundation (NRF), and the Agency for Defense Development. The study was conducted by Milae Lee (first author, PI: Prof. Jinkee Hong) and was published in the prestigious journal, Nature Communications, on January 2nd, 2024 (local time).

Nature Communications (2023) (IF: 16.6)
Published: January 2nd, 2024
https://www.nature.com/articles/s41467-023-44359-9