I. 서 론

β-글루칸(β-glucan)은 곰팡이, 효모, 해조류, 곡류 및 다양한 식용·약용 버섯의 세포벽에 존재하는 대표적인 천연 다당류이다. 이 다당류는 β-(1→3)-글루칸 주쇄에 β-(1→6)-글루칸 가지가 결합된 구조를 가지며, 이러한 구조적 특성과 원료의 기원에 따라 생리활성과 기능성이 달라지는 특징을 나타낸다(Chan et al. 2009;Goodridge et al. 2009).

β-글루칸은 면역조절, 항종양, 항산화 및 대사조절과 같은 다양한 생리활성을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 기능성 식품 및 의약 소재로서 활용 가능성이 지속적으로 제시되고 있다(Dalonso et al. 2015). 초기 연구는 주로 귀리 및 보리 유래 β-글루칸의 콜레스테롤 저하 및 혈당 조절 효과에 초점이 맞추어져 있었으나, 이후 효모 및 버섯 유래 β-글루칸이 강한 면역조절 및 항종양 활성을 나타내는 것으로 보고되면서 연구의 중심이 균류로 확장되었다.

특히 버섯 유래 β-글루칸은 고분자량, 높은 분지 구조 및 점성 특성을 가지며, 이러한 특성은 면역세포와의 상호작용을 강화하여 곡물 유래 β-글루칸과 차별화된 기능적 특성을 나타내는 것으로 이해된다.

이러한 생리활성을 산업적으로 활용하기 위해서는 β-글루칸을 효율적으로 추출하고 정제하는 공정의 확립이 필수적이다. 현재까지 온수 추출(hot water extraction) 및 알칼리 추출(alkaline extraction)과 같은 전통적 공정이 널리 사용되어 왔으나, 낮은 수율과 긴 처리 시간, 공정 효율 저하 등의 한계를 가진다(Wasser 2002;Dalonso et al. 2015). 이를 보완하기 위해 다양한 물리적·화학적 및 생물학적 추출 기술이 제안되고 있으나, 공정 효율성과 구조 안정성을 동시에 확보하는 데에는 여전히 어려움이 존재한다.

또한 β-글루칸은 원료의 종류와 구조적 특성에 따라 물리·화학적 거동이 크게 달라지기 때문에, 범용적으로 적용 가능한 표준 공정의 확립이 어려운 실정이다. 이러한 문제는 산업적 생산뿐만 아니라 연구 간 결과 비교와 품질 관리 측면에서도 중요한 제약 요인으로 작용한다.

특히 꽃송이버섯(Sparassis crispa)은 건조 중량 기준 약 40% 이상의 β-글루칸을 함유하는 고함량 자원으로 보고되어, β-글루칸의 효율적 생산을 위한 유망한 원료로 평가된다(Ohno et al. 2000). 또한 고도로 분지된 구조를 가지는 β-글루칸을 포함하고 있어 면역조절 및 항종양 활성 측면에서 높은 잠재력을 가진다. 그러나 높은 점도와 겔 형성 특성으로 인해 추출 및 정제 공정에서 공정 저항이 증가하고, 대량 생산 시 효율 저하가 발생하는 문제가 제기되고 있다.

따라서 β-글루칸의 산업적 활용을 위해서는 원료 특성을 고려한 맞춤형 추출 공정의 설계, 구조적 특성과 생리활성 간 상관성 규명, 공정 표준화 및 품질 지표 확립이 중요한 과제로 제시된다.

따라서 본 논문에서는 β-글루칸 추출 방법을 기술 발전 단계(전통적, 보조, 고도화, 차세대)에 따라 체계적으로 분류하고, 각 공정의 원리와 공정 조건, 장단점을 정량적 지표와 함께 통합적으로 비교·분석하고자 한다. 특히 기존의 개별 공정 중심의 리뷰와 달리, 공정 간 기술적 진화 흐름과 기능적 특성 간의 연계성을 중심으로 정리하고, 고함량 β-글루칸 자원인 꽃송이버섯(Sparassis crispa)의 구조적 특성과 추출 공정 간의 상호작용을 반영하여 향후 공정 설계 방향을 제시하고자 한다. 또한 최근 연구 동향을 반영하여 친환경 공정 및 고효율 추출 기술의 발전 방향을 함께 고찰함으로써, β-글루칸의 산업적 활용을 위한 통합적 분석 틀을 제공하고자 한다.

II. 연구내용

1. β-글루칸의 생리활성

β-글루칸은 β-D-glucose 단위가 β-(1→3) 결합을 중심으로 연결되고, 일부는 β-(1→6) 결합에 의해 가지 구조를 형성하는 고분자 다당류이다. 이러한 구조적 특성은 원료의 종류(곡류, 효모, 버섯 등)에 따라 분자량, 용해도, 점도 및 분지 정도의 차이를 나타내며, 이로 인해 다양한 물리적·화학적 특성이 발현된다.

특히 곡류 유래 β-글루칸은 수용성이 높고 점성을 형성하는 특성을 가지며, 귀리와 보리가 대표적인 공급원으로 알려져 있다. 이러한 특성으로 인해 식품 시스템 내에서 증점제, 안정제 및 식이섬유로서 기능한다(Ahn et al. 2020). 반면 버섯 및 효모 유래 β-글루칸은 상대적으로 불용성이거나 입체적 삼중나선 구조를 형성하는 경우가 많으며, 꽃송이버섯(Sparassis crispa), 영지버섯(Ganoderma lucidum), 표고버섯(Lentinula edodes), 상황버섯(Phellinus linteus) 등이 주요 공급원으로 보고된다. 이러한 구조적 특성은 생리활성과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다.

β-글루칸의 생리활성은 면역조절, 항종양, 항산화, 대사조절 및 장내 미생물 조절 기능으로 구분되며, 각 기능은 상호 연관된 기전을 통해 발현된다.

가장 대표적인 생리활성은 면역조절 작용이다. 선천면역세포인 대식세포, 수지상세포 및 호중구는 β-글루칸을 인식하여 면역 반응을 활성화하며(Brown & Gordon 2003), 이 과정에서 Dectin-1과 complement receptor 3 (CR3)와 같은 수용체가 중요한 역할을 한다(Goodridge et al. 2009). 이러한 수용체-리간드 상호작용은 NF-<B 및 MAPK 신호전달 경로를 활성화시켜 사이토카인 분비, 식세포 작용 및 항원 제시 기능을 증진시키고, 나아가 적응면역 반응 조절로 이어진다(Chan et al. 2009).

항종양 활성은 주로 면역계 활성화를 매개로 간접적으로 발현된다. β-글루칸은 자연살해세포와 대식세포의 활성을 증가시켜 종양세포에 대한 면역 감시 기능을 강화하며, 이러한 면역 반응 증강은 종양 성장 억제와 밀접하게 관련된다(Chan et al. 2009;Goodridge et al. 2009). 특히 버섯 유래 β-글루칸은 다양한 연구에서 항종양 활성을 나타내는 것으로 보고되어 왔다. 예를 들어, 표고버섯(Lentinula edodes) 유래 lentinan은 종양 성장 억제 및 면역 증강 효과를 나타내는 대표적인 다당류로 보고되었으며, 영지버섯(Ganoderma lucidum) 및 상황버섯(Phellinus linteus) 유래 다당류 또한 면역세포 활성화를 통해 항종양 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다(Chen & Seviour 2007). 이러한 결과는 버섯 유래 β-글루칸이 면역 기반 항종양 소재로서 활용될 수 있음을 뒷받침한다.

항산화 활성 또한 중요한 기능으로 작용한다. β-글루칸은 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)의 제거 및 산화 스트레스 완화에 기여하며, 이러한 작용은 세포 손상 억제와 밀접하게 관련된다. 특히 β-글루칸은 항산화 효소계(superoxide dismutase, catalase 등)의 활성 조절을 통해 세포 내 산화환원 균형을 유지하는 데 관여하며, 지질 과산화 억제 및 단백질 산화 방지에도 기여하는 것으로 알려져 있다(Volman et al. 2008). 이러한 항산화 작용은 염증 반응 억제 및 면역 조절과도 연계되며, 결과적으로 세포 보호 및 조직 손상 완화에 기여하는 것으로 이해된다(Chan et al. 2009).

장내 미생물 조절 기능 또한 β-글루칸의 중요한 생리활성 중 하나로 주목받고 있다. β-글루칸은 소장에서 소화되지 않고 대장으로 전달되어 장내 미생물에 의해 발효되며, 이 과정에서 단쇄지방산(short-chain fatty acids, SCFA)을 생성하고 장내 환경 개선에 기여한다(Ho et al. 2016). 특히 생성된 acetate, propionate 및 butyrate는 장 상피세포의 주요 에너지원으로 활용되며, 장내 pH를 낮추어 유해 미생물의 증식을 억제하는 데 기여한다. 또한 이러한 SCFA는 장 점막 장벽 기능을 강화하고 염증 반응을 조절하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Koh et al. 2016). 이와 함께 β-글루칸은 장내 미생물 군집의 조성을 변화시켜 Bifidobacterium 및 Lactobacillus와 같은 유익균의 증식을 촉진하고, 잠재적 병원성 미생물의 비율을 감소시키는 것으로 보고되었다(Duysburgh et al., 2021). 이러한 미생물 조성의 변화는 에너지 대사, 지질 대사 및 면역 반응 조절과 밀접하게 연관되며, 결과적으로 대사질환 예방 및 면역 항상성 유지에 기여하는 것으로 이해된다.

이와 같이 β-글루칸의 다양한 생리활성은 구조적 특성, 원료의 종류, 분자량 및 생체 내 상호작용에 의해 결정된다. 따라서 기능성을 안정적으로 확보하고 산업적 활용을 확대하기 위해서는 생리활성과 구조 간의 관계를 고려한 체계적인 연구가 필요하다. 이러한 구조적 특성은 추출공정 조건에 따라 크게 영향을 받을 수 있으며, 특히 추출 과정에서의 온도, pH, 압력 및 물리적 처리 방식은 β-글루칸의 구조적 변화를 유도하여 생리활성의 발현 양상에 차이를 초래할 수 있다. 따라서 β-글루칸의 기능성을 효과적으로 활용하기 위해서는 추출 공정과 구조적 특성, 그리고 생리활성 간의 상호 연계를 고려한 통합적 접근이 필요하다.

2. β-글루칸 추출 공정의 최신 연구 동향

β-글루칸은 다양한 생리활성을 지닌 기능성 다당류로서 식품, 의약 및 바이오 소재 분야에서 활용 가치가 높다. 그러나 원료의 종류와 구조적 특성에 따라 추출 효율과 물리·화학적 특성이 크게 달라지므로, 이를 효과적으로 분리·정제하기 위한 공정 기술의 개발이 중요한 연구 과제로 제시된다.

β-글루칸의 추출 공정은 기술 발전 수준과 적용 원리에 따라 크게 전통적 추출법(Conventional), 보조 추출법(Assisted), 고도화 추출법(Advanced), 차세대 추출법(Emerging)으로 구분할 수 있다. 전통적 추출법은 온수, 산, 알칼리 등을 이용한 용매 기반 공정으로서 구조가 단순하고 산업적 적용이 용이하다는 장점이 있다. 그러나 높은 에너지 소비, 긴 추출 시간, β-글루칸의 구조적 손상 가능성 등의 한계를 가진다. 이러한 한계를 극복하기 위해 물리적·화학적 보조 수단을 도입한 보조 추출법이 개발되었으며, 이후 추출 효율 향상과 기능적 특성 보존을 동시에 고려한 고도화 추출법으로 기술이 발전하였다. 최근에는 친환경성, 에너지 효율성 및 지속가능성을 고려한 차세대 추출법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 기술적 진화는 단순한 추출 수율 향상을 넘어 β-글루칸의 분자량, 용해도, 점도 및 생리활성과 같은 기능적 특성을 유지하거나 제어하려는 요구에 기반한다. 따라서 β-글루칸 추출 공정은 원료 특성에 적합한 공정 선택과 기능성 유지의 균형을 고려하는 방향으로 발전하고 있다.

따라서 본 절에서는 β-글루칸 추출 공정을 기술 발전 단계에 따라 체계적으로 분류하고, 먼저 전통적 추출법을 중심으로 각 공정의 원리와 특성을 고찰한 후, 보조 추출법, 고도화 추출법 및 차세대 추출법으로의 발전 흐름을 단계적으로 정리하고자 한다.

(1) 전통적 추출법(Conventional extraction methods)

전통적 추출법은 열, 산, 알칼리 등의 용매를 이용하여 세포벽을 파괴하거나 용해시켜 β-글루칸을 용출하는 가장 기본적인 추출 기술이다. 이 방법은 공정이 단순하고 별도의 고가 장비가 필요하지 않아 산업적 적용성이 높다는 장점이 있다. 그러나 높은 온도와 장시간 처리 조건이 요구되며, 이로 인해 β-글루칸의 분자량 감소 및 구조적 변형이 발생할 수 있다. 또한 추출 효율이 제한적이며, 단백질, 지질 및 기타 다당류와 같은 불순물이 함께 추출될 가능성이 있어 추가적인 정제 공정이 필요하다. 그럼에도 불구하고 공정의 안정성과 재현성이 높아 현재까지도 널리 활용되고 있다 (Zhu et al. 2015). 전통적 추출법의 주요 원리, 공정 조건 및 특성은 <Table 1>에 제시하였다.

1) Hot water extraction (HWE)

온수 추출법은 β-글루칸의 수용성을 이용하여 고온의 물에서 다당류를 용출하는 가장 대표적인 방법이다. 일반적으로 80~100℃ 범위에서 약 2~6 hr 동안 추출이 이루어지며, 약 5~20% 수준의 수율이 보고되고 있으며(Zhu et al. 2015), 비교적 안전하고 친환경적인 공정으로 평가된다. 특히 곡류 유래 β-글루칸은 수용성이 높아 온수 추출이 효과적으로 적용될 수 있다. 그러나 세포벽 구조가 치밀한 버섯이나 효모의 경우 추출 효율이 낮고, 고온 조건에서 일부 β-글루칸의 구조가 변형될 가능성이 있다. 또한 고농도 용액 형성으로 점도가 증가하여 여과 및 정제 과정이 어려워질 수 있다(Lazaridou & Biliaderis 2007).

2) Alkaline extraction

알칼리 추출법은 NaOH 등의 알칼리 용액을 이용하여 세포벽 구성 성분을 화학적으로 분해하고 β-글루칸을 용출하는 방법이다. 특히 버섯 및 효모 유래 β-글루칸과 같이 세포벽 결합력이 강한 경우 높은 추출 효율을 나타내며, 불용성 β-글루칸의 용해에 효과적인 것으로 보고되어 있다(Wasser 2002). 알칼리 조건에서는 β-(1→3), β-(1→6) 결합 구조의 분리가 용이하여 세포벽으로부터 β-글루칸을 효과적으로 회수할 수 있다. 또한 효모 유래 β-글루칸의 경우 산-염기 복합 공정을 적용하여 추출 효율과 생리활성을 향상시키려는 연구가 보고된 바 있다(Lee et al. 2017). 그러나 강한 알칼리 조건은 다당류의 탈중합을 유발하여 분자량 감소 및 기능성 저하를 초래할 수 있으며, 중화 및 세척 과정이 필수적으로 수반되어 공정이 복잡해지는 단점이 있다.

3) Acid extraction

산 추출법은 산 용액을 이용하여 세포벽 구성 성분을 가수분해함으로써 β-글루칸을 분리하는 방법이다. 일반적으로 황산이나 염산과 같은 무기산이 사용되며, 세포벽의 구조적 결합을 분해하여 β-글루칸의 용출을 촉진한다. 이 방법은 비교적 짧은 시간 내에 추출이 가능하다는 장점이 있으나, 강산 조건에서 β-글루칸의 구조적 손상 및 기능성 감소가 발생할 가능성이 높다. 또한 산 처리 과정에서 생성되는 부산물과 장비 부식 문제로 인해 산업적 적용에는 제한이 있다(Chen & Seviour 2007).

(2) 보조 추출법(Assisted extraction methods)

보조 추출법은 전통적 추출법의 한계를 보완하기 위해 물리적 또는 생화학적 처리 방법을 결합하여 추출 효율을 향상시키는 기술이다. 이러한 방법은 세포벽 구조를 효과적으로 붕괴시키거나 용매 침투를 촉진함으로써 β-글루칸의 용출을 증가시키는 데 기여한다. 또한 추출 시간 단축, 에너지 소비 감소 및 기능성 성분의 구조적 안정성 유지 측면에서 전통적 추출법보다 우수한 것으로 평가된다. 대표적인 보조 추출법으로는 초음파 추출법, 마이크로파 추출법 및 효소 추출법이 있으며, 최근에는 초음파와 마이크로파를 결합한 하이브리드 공정 및 기계적 밀링과 용매 추출을 결합한 전처리 기술도 활용되고 있다. 이러한 방법들은 세포벽 파괴 효율을 향상시켜 β-글루칸의 용출을 효과적으로 증가시키는 것으로 알려져 있다. 보조 추출법의 주요 원리, 공정 조건 및 특성은 <Table 2>에 제시하였다.

1) Ultrasound-assisted extraction (UAE)

초음파 추출법은 초음파의 공동현상(cavitation)에 의해 생성된 미세 기포의 형성과 붕괴를 통해 세포벽을 물리적으로 파괴하고, 용매의 침투를 촉진하여 β-글루칸의 용출을 증가시키는 방법이다. 이 과정에서 세포 조직이 효과적으로 분해되어 추출 수율이 향상되며, 비교적 낮은 온도 조건에서도 추출이 가능하다는 장점이 있다. 일반적으로 100~500 W 출력 조건에서 30~80℃ 범위에서 10~60 min 동안 수행되며, 약 10~35% 수준의 수율이 보고되고 있다 (Chemat et al. 2017). 또한 추출 시간이 단축되고 용매 사용량이 감소하여 공정 효율성이 향상되는 특징을 보인다. 그러나 초음파 강도 및 처리 시간이 과도할 경우 β-글루칸의 분자 구조가 손상될 가능성이 있으며, 공정의 균일성 확보와 대규모 공정 적용에 한계가 존재한다.

2) Microwave-assisted extraction (MAE)

마이크로파 추출법은 전자기파에 의해 물 분자의 진동과 회전을 유도하여 내부 열을 발생시키고, 이로 인해 세포벽 구조를 빠르게 파괴하여 β-글루칸의 용출을 촉진하는 방법이다. 이 과정은 내부 가열(internal heating)에 의해 효율적으로 진행되며, 짧은 시간 내에 높은 추출 효율을 달성할 수 있다는 장점이 있다. 일반적으로 300~800 W 출력 조건에서 50~100℃ 범위에서 5~30 min 동안 수행되며, 약 15~40% 수준의 수율이 보고되고 있다 (Azmir et al. 2013). 또한 용매 사용량을 줄일 수 있어 에너지 효율성이 높은 공정으로 평가된다. 그러나 과도한 마이크로파 처리 시 국부적 과열(localized overheating)이 발생하여 β-글루칸의 구조적 변형이 유발될 수 있으며, 장비 비용이 상대적으로 높은 단점이 있다.

3) Enzyme-assisted extraction (EAE)

효소 추출법은 셀룰라아제(cellulase), 헤미셀룰라아제(hemicellulase) 및 프로테아제(protease)와 같은 효소를 이용하여 세포벽 구성 성분을 선택적으로 분해함으로써 β-글루칸의 용출을 촉진하는 방법이다. 이 방법은 비교적 온화한 조건에서 수행되므로 β-글루칸의 구조적 안정성을 유지할 수 있으며, 높은 선택성을 기반으로 불순물 함량을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 일반적으로 pH 4~7, 30~60℃ 조건에서 1~6 hr 동안 수행되며, 약 15~45% 수준의 수율이 보고되고 있다(Zhu et al. 2016). 또한 특정 기질에 대한 효소의 작용을 통해 추출 효율을 정밀하게 제어할 수 있는 특징을 가진다. 그러나 효소 비용이 높고 반응 조건(pH, 온도 등)에 대한 정밀한 제어가 필요하며, 공정 시간이 상대적으로 길어질 수 있다는 단점이 있다.

4) Ultrasound – microwave-assisted extraction (UMAE)

초음파와 마이크로파를 결합한 추출법은 공동현상에 의한 물리적 세포 파괴와 마이크로파에 의한 내부 가열 효과를 동시에 활용하여 추출 효율을 향상시키는 방법이다. 초음파에 의해 세포벽 구조가 효과적으로 붕괴되고, 마이크로파에 의해 용매의 침투와 열 전달이 촉진되어 단일 공정 대비 높은 효율을 나타낸다. 일반적으로 초음파(100~500 W)와 마이크로파(300~800 W)를 병행하여 50~100℃ 범위에서 단시간(5~20 min) 내에 수행되며, 약 20~50% 수준의 수율이 보고되고 있다 (Chemat et al. 2017;Routray & Orsat 2012). 이러한 공정은 용매 침투와 세포벽 붕괴가 동시에 이루어지는 시너지 효과를 통해 추출 속도와 효율을 향상시키는 특징을 가진다. 그러나 공정 조건의 정밀한 제어가 요구되며, 장비 구성 및 운영 비용이 증가하고 공정 최적화가 복잡하다는 단점이 있다.

5) Mechanical milling-assisted extraction

기계적 밀링은 원료를 미세화하여 표면적을 증가시키고 세포벽 구조를 물리적으로 파괴함으로써 용매 접근성을 향상시키는 전처리 기술이다. 이 방법은 단독 공정보다는 다른 추출 공정과 병행하여 적용되는 경우가 많으며, β-글루칸의 용출 효율을 향상시키는 보조적 역할을 수행한다. 일반적으로 상온 또는 저온 조건에서 전처리 단계로 수행되며, 약 5~15% 수준의 수율 향상 효과가 보고되고 있다(Zhu et al. 2016). 특히 분쇄를 통해 입자 크기를 감소시킴으로써 용매와의 접촉 면적이 증가하여 이후 추출 공정의 효율을 개선하는 특징을 가진다. 그러나 단독 공정으로는 β-글루칸의 충분한 추출이 어려우며, 추가적인 용매 추출 또는 보조 공정이 필요하다는 한계가 있다.

(3) 고도화 추출법(Advanced extraction methods)

고도화 추출법은 보조 추출법을 기반으로 공정 제어 기술과 용매 특성 조절을 결합하여 β-글루칸의 추출 효율과 선택성을 동시에 향상시키기 위한 기술이다. 이러한 방법은 온도와 압력 조건을 정밀하게 제어하거나 특수 용매를 활용함으로써 세포벽 구조를 효과적으로 붕괴시키고, β-글루칸의 용출을 촉진하는 동시에 기능적 특성의 손상을 최소화하는 데 목적이 있다. 특히 고도화 추출법은 추출 수율 향상뿐만 아니라 분자량 유지, 용해도 조절 및 생리활성 보존 측면에서 전통적 및 보조 추출법보다 우수한 성능을 나타내는 것으로 보고되어 있다. 대표적인 방법으로는 초임계 유체 추출법과 아임계수 추출법이 있으며, 최근에는 고압 균질화기(high-pressure homogenization) 및 미세 유동화(microfluidization) 기술이 도입되어 세포벽 파괴 효율을 향상시키는 공정으로 활용되고 있다. 고도화 추출법의 주요 원리, 공정 조건 및 특성은 <Table 3>에 비교하여 정리하였다.

1) Supercritical fluid extraction (SFE)

초임계 유체 추출법은 임계점 이상의 온도와 압력 조건에서 기체와 액체의 성질을 동시에 가지는 초임계 유체를 용매로 사용하는 방법이다. 일반적으로 이산화탄소(CO₂)가 사용되며, 낮은 점도와 높은 확산성을 통해 세포 내부로의 침투가 용이하여 효율적인 추출이 가능하다. 일반적으로 40~80℃, 10~40 MPa 조건에서 수행되며, 보조 용매(co-solvent)를 병행할 경우 약 5~20% 수준의 수율이 보고되고 있다(Herrero et al. 2006). 특히 용매 잔류가 거의 없고 친환경적인 공정으로 평가되며, 선택적 추출이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 β-글루칸과 같은 고분자 친수성 물질의 경우 단독 CO₂로는 용해도가 낮아 보조 용매의 사용이 필요하며, 고압 장비가 요구되어 공정 비용이 높은 단점이 있다.

2) Subcritical water extraction (SWE)

아임계수 추출법은 임계점 이하(100~374℃)의 고온•고압 조건에서 물의 유전율을 변화시켜 유기용매와 유사한 성질을 갖도록 하여 추출 효율을 향상시키는 방법이다. 이러한 조건에서 물은 비극성 물질에 대한 용해도가 증가하고, 세포벽 구성 성분의 분해를 촉진하여 β-글루칸의 용출을 효과적으로 유도할 수 있다. 일반적으로 100~250℃, 5~20 MPa 조건에서 단시간 내에 수행되며, 약 10~30% 수준의 수율이 보고되고 있다 (Plaza & Turner 2015). 또한 유기용매를 사용하지 않는 친환경 공정으로 주목받고 있으며, 추출 시간이 짧고 효율이 높은 장점이 있다. 그러나 고온 조건에서 β-글루칸의 열적 분해가 발생할 수 있으며, 고압 장비가 필요하여 공정 설계가 복잡해질 수 있다.

3) High-pressure homogenization / microfluidization

고압 균질화 및 미세유동화 공정은 고압 하에서 유체를 미세한 노즐을 통과시키며 강한 전단력과 충격력을 발생시켜 세포벽을 물리적으로 파괴하는 방법이다. 이러한 공정은 세포 구조를 효과적으로 분해하여 β-글루칸의 용출을 촉진할 수 있으며, 연속 공정으로 적용이 가능하다는 장점이 있다. 일반적으로 50~200 MPa 범위에서 수행되며, 약 15~40% 수준의 수율이 보고되고 있다(Zhu et al. 2016). 특히 연속 공정 적용이 가능하여 산업적 확장성이 높은 것으로 평가된다. 그러나 장비 비용이 높고 에너지 소비가 크며, 공정 조건에 따라 과도한 분해가 발생할 수 있다는 단점이 있다. 각 추출 공정은 원리와 조건에 따라 수율, 분자량 유지, 용해 특성 및 생리활성 보존 측면에서 상이한 특성을 나타낸다. 특히 단일 공정보다는 초음파–효소 처리, 마이크로파–용매 추출 등 복합 공정을 적용할 경우 세포벽 파괴와 용출 효율이 동시에 향상되는 경향이 보고되고 있다. 따라서 β-글루칸 추출 공정의 선택은 단순한 수율 향상을 넘어 최종 제품의 기능적 특성을 고려한 통합적 관점에서 이루어질 필요가 있다.

(4) 차세대 추출법(Emerging extraction methods)

차세대 추출법은 기존 추출 공정의 한계를 극복하고, 친환경성, 에너지 효율성 및 기능성 유지 측면을 동시에 고려하여 개발된 최신 기술이다. 이러한 방법은 새로운 용매 시스템이나 물리적 자극을 활용하여 β-글루칸의 용출을 향상시키는 동시에 구조적 안정성을 유지하는 데 목적이 있다. 특히 최근에는 유기용매 사용을 최소화하고 공정의 지속가능성을 확보하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 선택적 추출과 고순도 회수가 가능한 기술로 주목받고 있다. 대표적인 차세대 추출법으로는 딥유텍틱 용매 추출법과 펄스 전기장 추출법이 있으며, 최근에는 나노나이프(Nanoknife, irreversible electroporation) 기술도 연구되고 있다. 다만 해당 기술은 β-글루칸 추출 분야에서는 적용 사례가 제한적인 것으로 보고되고 있다. 차세대 추출법의 주요 원리, 공정 조건 및 특성은 <Table 4>에 비교하여 정리하였다.

1) Deep eutectic solvent extraction (DES)

딥유텍틱 용매 추출법은 수소 결합 공여체와 수용체가 혼합되어 형성되는 저융점 용매를 활용하는 방법으로, 기존 유기용매를 대체할 수 있는 친환경 용매 시스템으로 주목받고 있다. 이러한 용매는 높은 용해력과 낮은 독성을 가지며, β-글루칸과 같은 다당류의 선택적 용출에 효과적인 것으로 알려져 있다. 일반적으로 40~80℃ 범위에서 용매 조성을 조절하여 수행되며, 약 10~35% 수준의 수율이 보고되고 있다(Abbott et al. 2003). 또한 용매 조성의 조절을 통해 추출 선택성을 제어할 수 있어 기능성 성분의 손상을 최소화할 수 있다. 그러나 용매 점도가 높아 물질 전달이 제한될 수 있으며, 용매 회수 및 재사용 공정이 복잡하다는 단점이 있다.

2) Pulsed electric field extraction (PEF)

펄스 전기장 추출법은 고전압의 짧은 전기 펄스를 세포에 적용하여 세포막의 전기천공(electroporation)을 유도하고, 이를 통해 세포 내 성분의 용출을 촉진하는 방법이다(Barba et al. 2015). 이 방법은 비열적 공정으로서 β-글루칸의 열적 변성을 최소화할 수 있으며, 에너지 효율이 높고 처리 시간이 짧다는 장점이 있다. 일반적으로 1~10 kV/cm 범위의 전기장을 적용하여 단시간 내에 수행되며, 약 10~30% 수준의 수율이 보고되고 있다(Barba et al. 2015). 또한 세포 구조를 선택적으로 파괴할 수 있어 기능성 성분의 손실을 줄일 수 있다. 그러나 장비 비용이 높고 공정 조건의 최적화가 필요하며, 대규모 공정으로의 적용에는 추가적인 연구가 요구된다.

3) Nanoknife (Irreversible electroporation)

나노나이프 기술은 고전압 전기 펄스를 이용하여 세포막에 비가역적 전기천공을 유도하는 방법이다. 일반적으로 고전압 펄스를 단시간 적용하여 수행되며, 약 5~20% 수준의 수율이 제한적으로 보고되고 있다(Neal et al. 2013). 그러나 현재까지 β-글루칸 추출 분야에서의 적용 사례는 제한적이며, 공정 최적화 및 산업적 적용 가능성에 대한 추가 연구가 필요한 단계이다.

(5) β-글루칸 정제 공정(Purification methods)

β-글루칸은 추출 공정을 통해 용출된 이후 단백질, 지질 및 기타 다당류와 같은 불순물이 함께 존재하기 때문에 고순도의 β-글루칸을 확보하기 위해서는 추가적인 정제 공정이 필요하다. 이러한 정제 공정은 β-글루칸의 용해도, 분자량 및 화학적 특성 차이를 기반으로 수행되며, 추출 공정과 연계하여 최종 제품의 품질과 기능성을 결정하는 중요한 단계이다. 특히 정제 과정은 β-글루칸의 구조적 안정성을 유지하면서 불순물을 제거하는 것을 목표로 하며, 공정 조건에 따라 최종 물성 및 생리활성에 영향을 미칠 수 있다. 대표적인 정제 방법으로는 에탄올 침전법, Sevage 방법 및 크로마토그래피가 있으며, 각 방법은 목적에 따라 단독 또는 병행하여 적용된다. β-글루칸 정제 공정의 주요 원리와 특성은 <Table 5>에 정리하였다.

1) 에탄올 침전법

에탄올 침전법은 용매의 극성을 변화시켜 β-글루칸의 용해도를 감소시키고 이를 침전시키는 방법으로, 비교적 간단하고 대량 처리에 적합한 정제 기술이다. 일반적으로 60~90% 농도의 에탄올을 첨가하여 수행되며, 다당류를 선택적으로 침전시키는 과정에서 단백질이나 기타 불순물이 함께 침전될 가능성이 있다. 따라서 추가적인 정제 공정과 병행하여 사용하는 것이 일반적이다(Kwon et al. 2022).

2) 유기용매 기반 탈단백 방법

유기용매 기반 탈단백 방법은 클로로포름과 부탄올 혼합 용매를 이용하여 단백질을 제거하는 정제 기술로, 단백질과 유기용매 간의 상분리를 이용하여 β-글루칸 용액에서 단백질을 효과적으로 제거할 수 있다. 이 방법은 단백질 제거 효율이 높아 β-글루칸의 순도를 향상시키는 데 유리하나, 유기용매를 사용하기 때문에 공정 안전성과 환경적 측면에서 주의가 필요하다 (Kim et 2019).

3) 크로마토그래피법

크로마토그래피는 분자량, 전하 및 극성 차이를 이용하여 β-글루칸을 정밀하게 분리•정제하는 방법으로, 겔 여과 및 이온 교환 크로마토그래피가 대표적으로 활용된다. 이 방법은 높은 선택성과 분리 효율을 통해 고순도의 β-글루칸을 확보할 수 있으며, 연구용 및 고부가가치 소재 생산에 적합하다. 그러나 장비 비용이 높고 공정 시간이 길어 산업적 대량 생산에는 제한이 있다(Zhu et al. 2015).

3. 꽃송이버섯(Sparassis crispa)의 특성 및 생리활성

꽃송이버섯(Sparassis crispa)은 주로 침엽수의 뿌리 주변에서 자생하는 담자균류로, 꽃 모양의 독특한 자실체를 형성하는 것이 특징이다. 이 버섯은 유럽, 북미 및 동아시아 지역에 분포하며 식용 및 약용 자원으로 활용되어 왔다(Wasser 2002). 형태적으로 꽃송이버섯은 얇고 물결 모양의 주름 구조가 반복적으로 중첩된 자실체를 가지며, 이러한 구조는 비표면적이 넓고 다공성 조직을 형성하는 특징을 나타낸다. 이러한 구조적 특성은 수분 보유 및 물질 확산에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

꽃송이버섯은 자연 채취뿐 아니라 인공 재배가 가능한 종으로, 톱밥 배지를 이용한 고체 배양을 통해 생산된다. 재배 조건에 따라 생육 특성과 수율이 달라지며, 특히 온도 및 배지 조건은 자실체 형성에 중요한 영향을 미치는 것으로 보고되었다(Cho et al. 2015). 식용 측면에서 꽃송이버섯은 부드러운 조직과 독특한 식감을 가지며, 볶음, 탕류 등 다양한 형태로 이용된다. 또한 건조 및 분말화가 용이하여 기능성 식품 소재로서의 활용 가능성이 높은 것으로 평가된다.

꽃송이버섯의 가장 중요한 특징은 높은 β-글루칸 함량이다. 특히 건조 중량 기준 약 40% 이상의 β-글루칸을 함유하는 것으로 보고되었으며, 이는 다른 식용버섯에 비해 높은 수준이다(Choi et al. 2013). 이러한 고함량 β-글루칸은 다양한 생리활성과 밀접한 관련이 있다. 꽃송이버섯 유래 β-글루칸은 항종양 활성을 나타내는 것으로 보고되었으며, 이는 면역세포 활성화와 관련된 기전을 통해 발현되는 것으로 알려져 있다(Ohno et al. 2000). 또한 버섯 다당류는 면역조절 및 항염증 효과를 나타내는 것으로 보고되어 왔으며, 꽃송이버섯 역시 이러한 기능적 특성을 공유하는 것으로 이해된다(Wasser 2002).

꽃송이버섯은 독특한 형태적 특성, 재배 가능성, 식용 활용성, 그리고 고함량 β-글루칸에 기반한 생리활성을 동시에 갖춘 자원으로, β-글루칸의 주요 공급원으로서 높은 학술적 및 산업적 가치를 지닌다. 특히 꽃송이버섯은 다른 식용버섯에 비해 높은 β-글루칸 함량과 복잡한 분지 구조를 동시에 가지며, 이러한 특성은 추출 공정에서 높은 점도 및 겔 형성으로 인한 물질 전달 저항을 증가시키는 요인으로 작용한다. 따라서 일반적인 추출 공정보다는 물리적 전처리, 효소 처리 또는 복합 공정을 적용하여 세포 구조를 효과적으로 붕괴시키고 용출 효율을 향상시키는 전략이 필요하다. 이러한 점에서 꽃송이버섯은 단순한 고함량 자원을 넘어, 구조적 특성을 고려한 맞춤형 추출 공정 설계가 요구되는 대표적인 사례로 볼 수 있다.

4. 꽃송이버섯(Sparassis crispa)에서 β-글루칸 추출에 대한 연구의 필요성

꽃송이버섯(Sparassis crispa)은 건조중량 기준 약 40% 이상의 β-글루칸을 함유하는 것으로 보고되어, 기존 식용 및 약용 버섯류에 비해 높은 수준의 함량을 나타낸다(Ohno et al. 2000). 이러한 특성은 동일한 원료 대비 높은 회수율을 기대할 수 있어 산업적 생산 측면에서 경제적 이점을 제공하는 중요한 요인으로 작용한다.

또한 꽃송이버섯 유래 β-글루칸은 β-(1→3)-결합 주쇄와 β-(1→6)-결합 가지로 이루어진 고도로 분지된 구조를 가지며, 이는 곡물 및 효모 유래 β-글루칸과 구별되는 특징이다. 이러한 구조적 특성은 면역세포 수용체와의 결합 친화도에 영향을 미쳐 생리활성 발현에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Chan et al. 2009;Goodridge et al. 2009).

버섯 유래 β-글루칸은 면역세포 활성화를 통해 항종양 효과를 나타내는 것으로 보고되어 왔으며(Wasser 2002), 꽃송이버섯에서 분리된 β-글루칸 역시 종양 성장 억제와 관련된 생리활성을 나타내는 것으로 확인된 바 있다(Ohno et al. 2000). 이러한 결과는 꽃송이버섯이 단순한 고함량 β-글루칸 공급원을 넘어, 구조적 특성과 기능성 측면에서 차별화된 고부가가치 소재임을 시사한다.

그러나 이러한 잠재적 가치에도 불구하고, 꽃송이버섯을 대상으로 한 β-글루칸 추출 공정은 여전히 해결해야 할 기술적 과제를 포함하고 있다. 꽃송이버섯의 세포벽은 높은 점도와 겔 형성 특성을 나타내며, 이는 추출 및 후처리 공정에서 물질 이동을 제한하고 공정 효율을 저하시킬 수 있다. 특히 여과, 농축 및 건조 단계에서 공정 저항이 증가하여 대량 생산 시 생산성 저하로 이어질 가능성이 있다.

이와 같은 물리적 특성으로 인해 기존의 온수 추출(hot water extraction) 및 알칼리 추출과 같은 전통적 공정을 그대로 적용하기에는 한계가 있으며, 물리적 전처리 또는 효소 기반 공정을 병행하는 접근이 필요하다. 그러나 꽃송이버섯의 구조적 특성을 반영한 공정 최적화 연구는 아직 제한적으로 수행된 수준에 머물러 있다.

또한 꽃송이버섯 유래 β-글루칸의 추출 및 정제 과정에 대한 표준화된 공정 조건과 품질 평가 기준이 확립되어 있지 않아, 연구 간 결과 비교와 산업적 재현성 확보에 어려움이 존재한다. β-글루칸의 분자량, 분지율, 용해도 등 구조적 특성은 생리활성과 밀접하게 연관되어 있음에도 불구하고, 이에 대한 체계적인 분석과 표준화 연구는 아직 충분히 이루어지지 않은 상황이다.

최근 β-글루칸은 장내 미생물 조절 및 대사질환 예방과 관련된 기능성을 나타내는 것으로 보고되고 있으며, 이러한 연구 결과는 꽃송이버섯 기반 β-글루칸이 면역조절을 넘어 다양한 기능성 소재로 확장될 수 있음을 시사한다(Koh et al. 2016). 이에 따라 꽃송이버섯은 건강기능식품 및 기능성 소재로서 활용이 확대되고 있으며, 임상적 효능에 대한 검증 요구 또한 증가하고 있다.

따라서 향후 연구에서는 꽃송이버섯의 물리적 특성을 고려한 맞춤형 추출⋅정제 통합 공정의 확립과 함께, β-글루칸의 구조적 특성과 생리활성 간 상관성 규명, 품질 지표 설정 및 국제적 표준화가 병행되어야 한다. 이러한 연구는 꽃송이버섯 유래 β-글루칸의 기능성을 과학적으로 규명하고, 식품 및 의약 소재로서의 활용 가능성을 확대하기 위한 핵심 기반이 될 것이다.

III. 요약 및 결론

β-글루칸은 곰팡이, 효모, 곡류 및 버섯 등 다양한 생물 자원에서 유래하는 기능성 다당류로서, 면역조절, 항종양, 항산화 및 대사조절 등 다양한 생리활성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 이러한 기능적 특성은 β-(1→3)-글루칸 주쇄와 β-(1→6)-글루칸 가지 구조로 대표되는 분자 구조와 밀접하게 관련되어 있으며, 원료의 종류와 분자량, 분지 구조, 용해 특성 등에 따라 생리활성의 발현 양상이 달라진다.

본 연구는 β-글루칸의 생리활성과 구조적 특성을 바탕으로, 추출 공정을 기술 발전 단계에 따라 전통적 추출법, 보조 추출법, 고도화 추출법 및 차세대 추출법으로 구분하고, 각 공정의 원리와 공정 조건, 장단점 및 한계를 체계적으로 정리하였다. 전통적 추출법은 온수, 산 및 알칼리 용매를 기반으로 공정이 단순하고 산업적 적용이 용이하다는 장점이 있으나, 낮은 추출 효율과 긴 처리 시간, 구조적 손상의 가능성을 내포하고 있다. 이를 보완하기 위해 초음파, 마이크로파 및 효소를 활용한 보조 추출법이 개발되었으며, 추출 효율 향상과 공정 시간 단축 측면에서 개선된 성능을 보인다. 나아가 초임계 유체 및 아임계수 추출과 같은 고도화 추출법은 선택성과 기능성 유지 측면에서 우수한 특성을 나타내며, 최근에는 딥유텍틱 용매 및 펄스 전기장과 같은 차세대 추출 기술이 친환경성과 에너지 효율성을 고려한 대안으로 제시되고 있다.

특히 꽃송이버섯(Sparassis crispa)은 건조 중량 기준 약 40% 이상의 β-글루칸을 함유하는 고함량 자원으로서, 고도로 분지된 β-(1→3)/(1→6) 구조를 기반으로 강한 면역조절 및 항종양 활성을 나타내는 유망한 소재로 평가된다. 그러나 높은 점도와 겔 형성 특성으로 인해 추출 및 정제 공정에서 물질 전달이 제한되고 공정 저항이 증가하는 문제를 가지며, 이는 대량 생산 공정에서 효율 저하로 이어질 수 있다.

따라서 β-글루칸의 산업적 활용을 위해서는 원료의 구조적 특성을 반영한 맞춤형 추출 공정의 설계가 필요하며, 특히 물리적 전처리, 효소 기반 처리 및 고도화 추출 기술을 유기적으로 결합한 공정 최적화 전략이 요구된다. 또한 대량 생산에 적용 가능한 공정 시스템 및 장비 개발과 함께, β-글루칸의 품질을 결정하는 분자량, 분지 구조 및 용해 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 공정 설계가 이루어져야 한다. 아울러 구조적 특성과 생리활성 간의 상관성을 체계적으로 규명하고, 품질 지표의 표준화 및 공정 재현성 확보를 위한 기준 정립이 병행되어야 한다. 이러한 연구는 꽃송이버섯 유래 β-글루칸의 기능성을 과학적으로 규명하고, 식품 및 의약 소재로서의 활용 가능성을 확대하는 데 중요한 기반이 될 것이다.

향후 연구에서는 β-글루칸의 구조적 특성과 생리활성 간의 상관성을 정량적으로 규명하고, 원료 특성에 적합한 맞춤형 추출 및 정제 공정을 통합적으로 설계하는 것이 우선적으로 요구된다. 또한 공정 조건에 따른 분자량, 분지 구조 및 용해 특성의 변화를 정밀하게 제어할 수 있는 기술 개발과 함께, 산업적 적용을 위한 공정 재현성 확보 및 표준화된 품질 평가 기준의 확립이 중요하다. 나아가 친환경 공정 기술과 복합 추출 공정의 활용을 통해 β-글루칸의 기능성과 생산 효율을 동시에 향상시키는 전략이 필요하며, 이러한 접근은 향후 건강기능식품 및 바이오 소재로서의 활용 확대에 중요한 기반이 될 것이다.