최근 식품 및 음료 산업에서는 석유계 합성 색소를 대체할 수 있는 천연 식품 색소에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

미국 FDA와 보건복지부(HHS)는 식품 공급망에서 일부 석유계 합성 색소를 단계적으로 퇴출하겠다는 계획을 발표했습니다. 이러한 변화는 식품 제조업체들이 천연 색소 개발과 적용에 더 많은 관심을 가지게 되는 계기가 되고 있습니다.

하지만 천연 색소로의 전환은 단순히 기존 합성 색소를 천연 원료로 바꾸는 문제만은 아닙니다.
천연 색소는 원료 특성상 추출, 정제, 농축 과정에서 품질과 색상 안정성을 일정하게 유지하는 것이 중요합니다.

천연 식품 색소 생산에서 발생하는 주요 과제

천연 식품 색소는 다양한 생물학적 원료에서 얻어집니다. 예를 들어 나비완두콩꽃 추출물, 치자 청색소, 조류 유래 청색 색소, 강황 유래 커큐미노이드, 안토시아닌이 풍부한 과일 추출물 등이 대표적입니다.

이러한 천연 원료에는 목표 색소 성분 외에도 여러 성분이 함께 포함될 수 있습니다.

예를 들면 다음과 같습니다.

• 고형물
• 단백질
• 다당류
• 당류
• 염류
• 기타 저분자 불순물

이러한 성분들은 색소의 정제 효율, 안정성, 최종 제품의 품질에 영향을 줄 수 있습니다.

또한 천연 색소는 합성 색소에 비해 온도, pH, 산화, 빛에 더 민감한 경우가 많습니다. 이로 인해 색이 쉽게 바래거나, 색조가 변하거나, 보관 안정성이 낮아지는 문제가 발생할 수 있습니다.

따라서 천연 식품 색소를 산업적으로 활용하기 위해서는 색소 성분을 효과적으로 분리하고, 불필요한 성분을 제거하며, 열 손상을 최소화하면서 농축할 수 있는 공정이 필요합니다.

왜 분리막 기술이 중요할까?

분리막 기술은 천연 식품 색소 생산 공정에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.

일반적인 열 농축 방식은 고온 조건에서 색소 성분이 손상될 가능성이 있습니다. 반면 분리막 공정은 비교적 온화한 조건에서 정제와 농축이 가능하기 때문에, 열에 민감한 천연 색소의 기능성과 색상 안정성을 유지하는 데 유리합니다.

분리막 공정은 목적에 따라 다음과 같이 활용될 수 있습니다.

1. 정밀여과, MF

정밀여과(Microfiltration, MF)는 원료 추출액에 포함된 부유 고형물, 세포 잔해, 큰 입자성 물질을 제거하는 데 활용됩니다.

식물성 원료나 발효 유래 추출물에는 미세한 고형물과 입자가 포함되어 있을 수 있습니다. 이러한 성분을 초기에 제거하면 이후 공정의 효율을 높이고, 분리막 오염을 줄이는 데 도움이 됩니다.

2. 한외여과, UF

한외여과(Ultrafiltration, UF)는 단백질, 콜로이드, 고분자 불순물 등을 제거하는 데 사용될 수 있습니다.

천연 색소 추출액에는 목표 색소 외에도 단백질이나 고분자 성분이 함께 존재할 수 있습니다. UF 공정을 적용하면 상대적으로 저분자 색소 성분은 통과시키면서, 고분자 불순물을 분리하는 방식으로 공정을 설계할 수 있습니다.

3. 나노여과, NF

나노여과(Nanofiltration, NF)는 색소 성분을 농축하면서 일부 염류, 당류, 저분자 불순물을 제거하는 데 활용될 수 있습니다.

NF 공정은 분리막의 선택성에 따라 특정 색소 성분은 유지하고, 불필요한 저분자 성분은 제거할 수 있기 때문에 천연 색소 정제 및 농축 공정에서 중요한 선택지가 될 수 있습니다.

4. 역삼투, RO

역삼투(Reverse Osmosis, RO)는 정제된 색소 용액에서 물을 제거하여 추가 농축하는 데 사용할 수 있습니다.

RO 공정은 열을 가하지 않고도 농축이 가능하기 때문에, 열에 민감한 천연 색소의 품질 저하를 줄이는 데 도움이 됩니다.

천연 색소별로 적합한 분리막 조건은 달라집니다

천연 식품 색소는 원료와 색소 성분에 따라 특성이 크게 다릅니다.

같은 천연 색소라고 하더라도 원료의 종류, 추출 방식, 포함된 불순물, 점도, pH, 분자량 특성 등이 모두 다를 수 있습니다. 따라서 특정 분리막 하나로 모든 천연 색소 공정에 동일하게 적용하기는 어렵습니다.

이 때문에 상업 생산 설비를 도입하기 전에는 실험실 규모에서 다양한 분리막과 운전 조건을 비교하는 과정이 필요합니다.

이 단계에서는 다음과 같은 항목을 평가하게 됩니다.

• 색소 성분의 유지율
• 불순물 제거 효율
• 투과 유속
• 농축 배율
• 분리막 오염 정도
• 세척 가능성
• 장기 운전 안정성

이러한 데이터를 확보해야 실제 생산 공정으로 확대할 때 공정 효율과 운영 비용을 보다 정확하게 예측할 수 있습니다.

Sterlitech 분리막 공정 개발 장비의 활용

Sterlitech의 분리막 공정 개발 장비는 연구자와 제조업체가 실험실 조건에서 다양한 분리막 성능을 평가할 수 있도록 설계되어 있습니다.

대표적으로 HP4750, Cross Flow Cell, Benchtop Cross Flow System, Skid Mounted System 등을 활용하여 다양한 분리막 재질과 MWCO 범위를 테스트할 수 있습니다.

이를 통해 사용자는 천연 색소 정제 및 농축 공정에 적합한 조건을 검토할 수 있습니다.

주요 평가 항목은 다음과 같습니다.

• 목표 색소의 유지 성능
• 불순물 통과 또는 제거 특성
• 투과 유속 변화
• 농축 가능성
• 운전 중 분리막 오염 양상
• 전처리 및 세척 조건의 효과

특히 천연 색소 추출물은 단백질, 다당류, 미세 입자, 유기물 등에 의해 분리막 오염이 발생하기 쉽습니다. 따라서 상업 공정으로 확대하기 전, 실험실 단계에서 오염 특성을 파악하고 적합한 전처리 및 세척 전략을 수립하는 것이 중요합니다.

천연 식품 색소 생산의 핵심은 안정적인 공정 개발

천연 식품 색소에 대한 수요는 앞으로 더욱 증가할 것으로 예상됩니다. 그러나 천연 색소를 안정적으로 적용하기 위해서는 원료 확보뿐만 아니라, 색소를 일정한 품질로 추출·정제·농축할 수 있는 공정 기술이 함께 필요합니다.

분리막 기술은 비가열 조건에서 정제, 분획, 농축, 탈염을 수행할 수 있어 천연 색소와 같이 민감한 성분을 다루는 공정에 적합한 선택지가 될 수 있습니다.

천연 색소의 품질 일관성, 색상 안정성, 생산 효율을 확보하기 위해서는 초기 연구 단계에서 적절한 분리막을 선별하고, 오염 특성과 스케일업 가능성을 검토하는 과정이 중요합니다.

Sterlitech의 다양한 분리막 공정 개발 장비는 연구실 규모의 가능성 평가부터 파일럿 공정 개발까지 천연 식품 색소 생산 공정 최적화에 활용될 수 있습니다.

참고자료

[1] U.S. Food and Drug Administration, “HHS, FDA to phase out Petroleum-Based synthetic dyes in nation’s food supply,” Apr. 22, 2025.

[2] W. M. Neal, A. G. Osman, I. A. Khan, and A. G. Chittiboyina, “Natural product-based colorants as substitutes for petroleum-based synthetic food dyes: sources, chemistry, and characteristics,” Food Chemistry, vol. 501, p. 147561, Dec. 2025.