3D 프린터(6) : 3D 푸드

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한국에도 3D의 여파가 밀려오지 않을리 없다. <생산기술연구원>은 생체 이식용 두개골을 3D 프린터로 정교하게 제작하여 성공적으로 환자에게 이식했다. 이 두개골은 티타늄 원료를 사용하여 기존에 사용되던 합금 인공 두개골의 95% 강도를 가진다.

<티앤알바이오팹>은 다양한 생체재료를 프린팅하고 본연의 조직이 갖고 있는 특수한 미세환경을 모사하여 피부, 심장, 간 등 인공장기를 만들어 냈다. 이들은 손상된 연골을 3D 프린팅으로 출력하여 이식하는데도 성공했다. 또한 <로킷헬스케어>는 CES2019에서 3D프린터 ‘인비보’를 활용해 줄기세포 출력 기술을 시연하기도 했다.

 

농업진흥청 3D 프린팅시스템

<농촌진흥청>은 누에고치에서 추출한 천연 소재인 실크단백질을 이용하여 부작용 없이 인체에 사용할 수 있는 부품 및 시스템 개발에 성공했다. 실크단백질로 고정판과 나사 등을 만드는데 성공한 것으로 고정판과 나사 등은 뼈 골절 시 사용하는 의료용 부품으로, 골절 부위가 다시 붙을 때까지 뼈를 고정해주는 역할을 한다. 현재 의료 현장에서 사용되고 있는 뼈 고정판은 주로 금속이나 합성고분자로 만들므로 골절된 뼈가 완치된 뒤 이를 제거하는 2차 수술이 필요하다.

또한 합성고분자로 만든 고정판의 경우 체내에서 생분해돼서 2차 수술은 필요 없지만, 뼈를 고정해주는 힘이 약해서 뼈가 어긋나거나 벌어질 수 있으며 가격도 비싸다. 그런데 실크단백질로 만든 뼈 고정판은 압축 강도와 굽힘 강도가 합성고분자로 만든 것보다 강해서 뼈를 잡아주는 힘이 우수할 뿐 아니라, 생분해되는 특성까지 있어서 2차 제거 수술이 필요 없다. 가장 중요한 것은 환자 맞춤형으로 제작할 수 있다는 점이다.

 

동물뼈에적용된실크단백질고정클립

3D 프린팅은 맞춤형 신약개발 분야에도 진출하고 있다. 동물실험의 문제점을 해결할 수 있는 조직유사체를 만들어 신약 임상실험에 사용할 수 있기 때문이다. 윤원수 한국산업기술대 교수는 이 분야가 획기적으로 발전할 것으로 다음과 같이 예상했다.

 

‘생체 세포에서 줄기 세포로 응용 재료가 확대되면서 뼈와 피부, 연골 등에서 간과 심장, 인공혈관 등으로 3D 프린팅의 적용 영역이 확대되고 있다. 또한 인공지자체에서 재생치료제로 작용 기전 역시 확대되고 있기 때문에 앞으로 3D 바이오 프린팅 기술의 발전 가능성은 높다.’

 

이를 보다 업그레이드 시키면 보통의 인간 능력을 뛰어넘는 슈퍼인간 출현도 가능하다.

1970년대 대단한 호평을 받은 「600만 불의 사나이」, 「소머즈」에서 주인공들은 사이보그인데 「소머즈」의 주인공인 린제이 와그너가 실제로 오른쪽 귀를 생체공학 수술로 이식받아 뛰어난 청각 능력을 갖고 있다고 알려진다.

영국 케임브리지대 연구팀은 눈 조직을 인공적으로 만들기 위한 연구를 진행 중이다. 이들은 3D 프린팅 기술을 이용해 다 자란 쥐의 망막에서 채취한 신경교세포와 신경절세포를 산 채로 인쇄하기도 했다.

 

③ 3D 푸드

3D 프린터의 놀라운 점은 식품 분야로의 진출도 가능하다는 점이다.

이것이 가능한 것은 3D 프린터의 동작 방식이 케이크 위에 초콜릿 장식을 하는 것과 유사하기 때문이다. 한마디로 식품 분야에서 사용하는데 문제점이 없다는 뜻으로 밀가루와 설탕, 초콜릿으로 장미 모양이나 사람의 얼굴 모양을 한 입체 초콜릿을 만들 수 있고 쿠키, 라면과 같은 패스트푸드를 만들 수도 있다.

식품 3D 프린팅은 최종 제품을 만들기 위해 여러 층의 원료를 배치한다는 점에서 다른 재료를 3D 프린팅으로 만드는 것과 같다. 식품의 바탕이 되는 재료를 컴퓨터 설계를 통해 출력하는 기술로 균일한 품질의 식품을 생산할 수 있고, 식품안전성과 가격 및 품질의 안정성을 기할 수 있다.

또한 다품종 소량생산이 가능해 체질이나 연령, 알레르기, 영양조절, 기호성 등을 고려한 소비자 맞춤형 식품 제조가 가능하다. 가공 방법이 단순하고 기능성 재료와 대체 재료 등을 사용해 친환경적인 식품 제조가 가능한 것도 큰 장점이다. 음식 쓰레기 및 음식 저장과 수송에 드는 비용을 크게 줄일 수 있는 부가적인 이점도 있다.

 

초콜릿-피자 3D푸드프린터

2011년, 영국의 엑스터 대학(Exeter Universtiy)은 초콜릿을 재료로 하는 3D프린터를 개발했다. 컴퓨터에서 디자인된 3차원 설계에 따라, 초콜릿을 녹이고 짜내 얇은 층을 쌓아가는 방식이었다. 3D 프린팅으로 막상 먹을 수 있는 음식을 만들었지만 원료로 초콜릿만 쓸 수 있고, 프린팅 속도가 느리다는 점이 한계로 지적됐다. 하지만 3D푸드 프린터는 계속 업그레이드 되어 이런 단점들이 개선되자 거의 어떤 음식도 만들 수 있는 단계로 발전했다.

2012년, 네덜란드 응용과학연구소(TNO)는 ‘스파이스 바이트(Spice bites)’ 프로젝트를 진행했다. 이는 밀가루, 설탕, 지방으로 이루어진 파우더에 각각 카레, 계피, 파프리카, 생강을 첨가해 정육면체, 정사면체, 원기둥, 오각기둥 모양의 과자를 만드는 것이다.

이 프로젝트에서는 SLS 방식이 사용됐다. 레이저가 파우더에 열을 가하면 파우더 속의 설탕과 지방이 녹아 층층이 결합하는 방식이므로 조형이 끝나면 굽는 과정 없이 겉의 가루만 털어내고 먹을 수 있었다. TNO는 3D 파스타 프린터를 선보였다. 이 프린터는 FDM 방식으로 2분에 파스타 4개를 프린트했다. 특히, 다른 첨가제 없이 듀럼 세몰리나 밀가루(Durum wheat semolina)와 물만으로 일반 파스타와 똑같은 3 차원 모양을 표현해냈다.

미국의 3D시스템즈(3D Systems)도 설탕을 정교한 모양의 사탕으로 만들어내는 프린터, 셰프젯(Chefjet)을 개발했다. 어떤 모양이라도 설계된 대로 프린트하는 것이 가능하며, 고급형의 경우 색상도 다양하게 입힐 수 있다. 가격도 저렴하여 일반형이 1,000달러, 고급형은 5,000달러 선이다.

스페인에서는 내추럴 머신(Natural Machine)사가 ‘푸디니(Foodini)’를 선보였다. 이는 반죽이나 페이스트를 넣어 다양한 종류의 파스타와 빵을 만들 수 있는 3D 푸드 프린터로, 보통의 3D 푸드 프린터들은 음식의 재료가 프린터 안에 장착되는 반면, 푸디니는 음식의 재료를 프린터 안의 캡슐에 채워 넣는 방식이다. 따라서 사용자가 원하는 재료나 영양을 고려해 자유롭게 반죽을 선택할 수 있다는 장점이 있는 동시에, 사용자가 반죽을 직접 만들고 프린트된 재료를 다시 조리해야 하는 단점도 존재한다. 즉, 요리 과정에서 손으로 빚기 어려운 모양을 대신 만들 순 있지만, 그 자체로 크게 일거리가 줄지 않는다는 단점이 있지만 가격이 약 1,500달러로 시장성이 높다.

3D 푸드 프린터가 업그레이드되면 음식을 보다 자유롭게 디자인할 수 있다는 장점이 생긴다. 다양한 3차원 형태의 구상 및 설계를 바탕으로 이전에는 구현하기 어려웠던 음식의 구성, 구조, 질감을 표현할 수 있게 된다.

3D 푸드 프린터를 이용한 자유로운 디자인의 대표적인 사례가 네덜란드 디자이너 끌로에 루저벨트(Chloe Rutzerveld)의 ‘먹을 수 있는 성장(Edible Growth)’ 프로젝트다. 루저벨트는 3D 프린터를 이용해 포자와 효모, 씨앗의 혼합물을 담은 구멍 뚫린 동그란 형태의 과자를 개발했다. 약 5일 정도가 지나면, 이 과자 안에서 씨앗이 새싹을 틔우고, 이후 버섯이 자라나기 때문에 고객은 새로운 풍미와 영양을 즐기며 과자를 먹을 수 있다.

 

3D프린터로 만든 음식

3D 푸드 프린팅은 개인의 취향과 필요에 따라 외적인 부분뿐 아니라 내용물과 영양소, 맛이 완전히 다른 개별적인 음식을 만들어낼 수 있다는 장점도 있다. 가령 특정 영양소나 물질에 취약한 병을 앓고 있는 사람이라면, 3D 푸드 프린팅을 통해 이를 정교하게 제거해내는 것도 가능하다. 특정 음식을 먹고 싶지만 그 안에 들어 있는 몇몇 재료에 대한 알레르기가 있어서 먹지 못했던 사람 역시 해당 재료만 말끔히 제거해 음식을 마음껏 먹을 수 있게 만든다.

음식을 씹거나 삼키기 어려운 노인과 환자를 위해 개별적인 영양식의 개발도 가능하다. 씹거나 삼키는 데 문제가 있는 사람들은 대개 퓨레 형식의 음식을 섭취하는데, 죽 같은 모양은 식욕을 떨어뜨리기 십상이다. 따라서 고기 같은 성분을 씹기 수월한 형태를 가진 닭다리 모양으로 프린트하거나, 당근 퓨레를 당근 모양으로 만든다면, 음식을 훨씬 친숙하게 섭취할 수 있다. 향후에는 3D 프린터를 이용해 모양뿐만 아니라 칼로리, 단백질, 비타민 오메가 3 등의 영양소를 얼마나 넣을지 정하는 것은 물론, 음식의 농도 역시 조절 가능할 것으로 기대된다.

학자들이 더욱 큰 관심을 보이는 것은 3D 푸드 프린팅 기술이 시공간을 뛰어넘어 수많은 사람들이 완벽하게 같은 질과 맛의 음식을 맛볼 수 있게 할 수 있다는 점이다. 조리법이 동일하다고 해도 어떤 사람이 어디에서 어떤 방식으로 요리했는가에 따라 음식의 질과 맛은 천차만별이 된다. 하지만 3D 푸드 프린팅 기술을 통해 시간과 공간의 제약을 뛰어넘어 언제 어디서라도 정확한 조리법, 즉 동일한 설계를 바탕으로 같은 수준의 질과 맛을 가진 음식을 만들어 여러 사람이 즐길 수 있다.

학자들이 3D프린터에 주목하는 것은 급증하는 세계 인구의 식량 수요를 충족시키는 데도 도움이 될 수 있다고 생각하기 때문이다. 바다에 많이 서식하는 해조류나 대량 번식시킨 곤충의 단백질 등을 활용해 식자재를 가루 형태 등으로 장기간 보관할 수 있으므로 재난 지역에 긴급 우송이 가능하다. 환경에 해를 끼치지 않는다는 것은 덤이다.

식품블록 제조를 위해 사용되는 프린팅 기술은 식품의 맛과 식감, 영양학적 가치를 고려한 재료에 픽셀 단위의 미세한 공정을 가해 식품을 재성형 또는 가공하는 방식으로, 실제의 식품을 모방하고 구현한다. 문제는 맛이나 식감이 제대로 표현되느냐는 점인데 이 문제는 앞으로의 연구로 얼마든지 개선될 수 있다고 생각한다.

2016년 영국 런던에 위치한 ‘푸드잉크(Food Ink)’란 레스토랑의 개업식에 전 세계 식품업계의 이목이 집중되었다. 이 레스토랑이 주목을 끈 이유는 전 세계 최초의 3D 프린팅 전문 음식점이었기 때문이다.

푸드잉크 레스토랑은 방문한 손님들에게 애피타이저에서부터 디저트에 이르기까지 모든 요리를 3D 프린터로 출력한 음식으로 제공했다. 특히 3D 프린팅 과정을 고객들이 직접 볼 수 있도록 주방을 공개하여 객관성을 강조했다.

3D 식품 프린팅 기술은 3D 스캐너를 통해 만들어낸 3차원의 디지털 영상을 바탕으로 식품구성 비율과 영양학적 데이터 등을 반영한다. 이후 투입되는 식품 재료를 한 층씩 적층하여 3차원으로 재구성하는 것이 핵심이다.

그동안의 조리법 즉 데치거나 볶는 것과 같은 전통적 요리법의 과정이 아니라 출력을 통해 음식이 만들어지는 만큼, 새로운 형태와 질감을 느낄 수 있는 것이 3D 식품 프린팅 기술의 특징이다. 다시 말해 곡류나 육류, 또는 채소류와 같은 필수적인 식품 재료와 3D 프린팅을 통한 새로운 구조적 특징을 결합하여, 시너지 효과를 만들어 내는 것이다.

3D 식품 프린팅 기술은 기존 식품들과는 달리, 형태와 질감을 자유롭게 디자인할 수 있는 것이 특징이므로 식품의 구성 성분은 물론 맛과 향미 등이 완전히 다른 개별적인 식품을 생산할 수 있다. 한마디로 다양한 식품 산업에 응용할 수 있다는 뜻이다.

더불어 원하는 맛이나 성상이 아닌 음식이 나왔을 경우 3D 식품 프린터에서 프로그램을 조금만 수정하면 즉시 다른 음식을 만들 수 있으므로 다품종 소량생산으로 큰 매력을 가질 수 있다는 것이다.

 

3D프린터로 만든 음식

물론 먹는 것을 기계로 만들어낸다는 것에 대한 우려가 있는 것은 사실이다. 특히 손에 들고 사용하는 물건과 달리, 몸으로 섭취해야 하는 것이 프린트된다는 것에 대한 거부감이다. 그러나 3D 푸드 프린팅 기술이 오히려 다양한 음식에 대해 개별적 차원의 접근성을 높여 재료와 음식에 대한 투명성을 키우는 계기가 될 수 있다는 주장도 있다. 슈퍼마케트와 재래 시장에서 반조리된 음식을 구입해 전자레인지로 음식을 만들어 먹는 것처럼, 조만간 프로그래밍된 조리법을 프린터에서 다운로드받고, 재료를 투입해 요리로 만드는 것이다.