발효란 무엇인가?

 안녕하세요 포네입니다

오늘은 예전에 포스팅했던

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허브나 젓갈, 과일주 시리즈에 이어 또 다시 한번 정보를 가지고 왔습니다

발효(fermentation)란?

 

☞ 넓은 뜻으로는 미생물이 자신이 가지고 있는 효소를 이용해 유기물을 분해 또는 변화시켜 각기 특유 한 최종산물을 만들어내는 현상, 좁은 뜻으로는 탄수화물이 무산소적으로 분해되는 복잡한 반응계열 로 이루어지는 과정.

 

▶ 미생물이 산소를 이용하지 않고 에너지원으로부터 ATP를 생성해 내는 것

 

▶ 물질의 종류에 따라 알코올 발효, 유산 발효 등으로 불린다.

 

▶ 호흡과 함께 생물체가 유기물로부터 에너지를 얻는 중요한 방식이다.

 

▶ 효모류, 세균류의 미생물이 유기 화합물을 분해하여 알코올류, 유기산류, 이산화탄소 등을 생기게 하 는 작용.

 

▶ 발효는 산소호흡에서 일어나는 전자전달과정이 생략되었기 때문에 에너지효율이 낮다

⇒ 락트산(lactic acid), 알코올 등의 분해산물이 생성되기 때문에 식용, 혹은 공업용의 목적으로 사용

 

2. 발효의 역사

 

☞ 발효는 유사 이전부터 알려져 있는 현상으로서, 인류에 의해서 과실주 ·맥주 ·빵 ·치즈 등의 제조에 경험적으로 또한 전통적으로 이용되어 왔으나 그 원인은 19세기까지 알지 못하였다.

 

⇒ 근대화학의 시조인 A.L.라부아지에는 1787년에 포도즙 속에 있는 포도당이 정량적으로 알코올과 이 산화탄소로 분해되는 과정이 발효라고 기록하였고, 19세기로 접어들자 J.J.베르셀리우스나 J.리비히 등 유력한 화학자들에 의한 발효의 촉매설과 L.파스퇴르를 중심으로 하는 미생물학자와 세균학자들 에 의한 발효의 효모설 사이에 논쟁이 벌어졌다.

① 파스퇴르는 1857년에 우유의 락트산 발효 및 당의 알코올 발효를 치밀한 실험에 의해서 조사하여, 자연발생설을 부정함과 동시에 발효를 ‘산소 없는 미생물의 생활’이라고 단정하기에 이르렀다. ② 그러나 그가 죽은 후 1897년 E.부흐너가 살아 있는 세포 없이, 즉 효모추출법에 의해서 수크로오스 가 발효하는 것을 발견하여 발효가 효소에 의한 촉매반응임을 실증하였다. ③ 그 후 1900년대 초에 A.하든이나 영을 비롯한 많은 효소화학자에 의하여 효모즙의 발효에 관여하는 효소와 조효소가 잇따라 발견되고 분리되면서 발효의 전모가 밝혀졌다.

 

3. 발효의 메커니즘

 

 

☞ 발효는 호흡과 더불어 생물이 에너지를 얻는 대사반응의 대표적인 형식인데, 산소적 및 무산소적 호흡이 산소 또는 다른 무기물을 산화제로 사용하는 것과는 달리, 발효는 무산소적 조건하에서 유기화합물 자신이 산화되는 기질과 산화제를 겸하는 것이 특징이다.

 

 

- 엄밀한 무산소성 생물은 극히 일부의 세균(예를 들면, 가스 괴저균 등)에 한정되고, 대부분의 미생물은 임의 무산소성이어서 산소적 조건하에서는 에너지 효율이 뛰어난 산소에 의한 완전산화(호흡)를 영위한다.

⇒ 산소가 없는 환경에 놓이면 유기물(특히 당)의 발효적 분해를 일으켜 생명을 유지하려고 한다.

 

- 당의 발효활성과 산소부분압력과의 관계는 파스퇴르의 효모를 사용한 연 구에 의해서 발견되어 파스퇴르효과라고 한다.

 

※ 산소의 존재에 의하여 조직세포의 해당작용이 약화되는 현상.

 

 

 

 

4. 대표적 발효의 종류

 

 

∎ 당 발효

⇒ 주요 반응경로가 해당작용에서의 엠덴-마이어호프계 경로와 같다.

① 먼저 당이 인산화되어 프룩토오스이인산을 생성 ② 분열하여 2분자의 글리세르알데히드인산으로, 다시 산화 ·인산화되어 글리세르산인산이 된다. ③ 이것을 ADP → ATP계와 공액(共)한 형태로 탈인산되어 피루브산이 된다. ④ 피루브산은 각 생물의 특유한 발효에최종생성물이 되는데, 1분자의 헥소오스(육탄당)가 2분자의 피루브산이 되는 전 과정을 통해서 ATP 2분자가 소비되어 4분자가 형성된다.

 

 

∎ 헥소오스 발효

⇒ 이 밖에 포스포글루콘산을 거치는 비해당형 경로에 의하는 것도 있으나, 이것 역시 피루브산에 도달한다.

 

◦ 미생물에 의한 발효형식은 피루브산에서 앞의 종말 반응생성물이 되는 분해에 의하여 여러 가지로 분류된다.

 

ex) 효모에 의한 알코올 발효, 젖산균에 의한 젖산 발효, 장내 세균에 의한 포름산 발효, 클로스트리듐 속 세균에 의한 부티르산-부탄올-아세톤 발효, 프로피온산균에 의한 프로피온산 발효, 메탄 세균에 의한 메탄 발효, 또한 수소 발효와 글리세르 발효 등

 

    

5. 발효의 종류

 

 

 

• 알코올 발효

☞ 산소가 없는 상태에서 미생물에 의하여 당류가 알코올과 이산화탄소로 분 해되어 알코올을 생성하는 발효이다. 주정발효라고도 하며, 미생물에 의 한 탄수화물의 무산소적 발효의 일종으로, 당 또는다당류에서 최종적으로 에탄올과 이산화탄소를 생성하는 것이다.

<반응식> C6H12O6 →­ 2CH3CH2OH ＋ 2CO2

 

    

ex) 효모

- 효모가 효소를 이용해 유기물인 포도당을 분해하고, 이때 뚜껑이 덮여 있기 때문에 산소를 통한 호흡 이 불가능하며 무산소호흡이 이루어진다.

⇒ 효모는 포도당을 완전히 분해시키지 못하고 에탄올을 만든다.

⇒ 글루코스(포도당)·프럭토스(과당)·마노스·말토스(엿당)·슈크로스(설탕)를 발효시킬 수 있다.

 

▷ 알코올발효는 미생물(특히 곰팡이)이나 고등식물에서 볼 수 있으나, 대부분의 동물조직에서는 알코올 발효가 일어나지 않고, 탄수화물은 산소가 없는 상태에서 분해되어 젖산을 생성한다.

 

 

 

• 젖산 발효

 

 

 

6. 식품의 발효

 

 

1.전통적 미생물기법에 의한 향상

 

(1) 발효조건 조절

발효와 관련된 실험을 하여 최적발효조건을 확립하기 위한 정보를 확보할 수 있다. 그에 따라서, 발효배지에 첨가하여야 할 첨가물이 선정될 수 있고, 또한 미생물 증식에 이상적인 조건들을 조성해 줄 수 있는 발효조가 새로이 설계될 수 있다.

 

(2) 좀더 적합한 균주 선정

발효에 관련하는 자연계에 존재하는 균주들로부터 가장 적합한 균주를 분리하여 starter culture로서 이용할 수 있다. 또한 그러한 starter culture내에서 자연발생적으로 일어나는 돌연변이 균주중에서 향상된 균주를 분리할 수 있다.

 

2. 전통적 미생물기법의 한계

 

(1) 초기에 많은 기술적 진전이 있었다.

재래식 미생물기법을 이용하여 초기에 많은 기술적 진전이 있었다. 현대의 대부분의 발효산업에서는 순수배양이 이용되고 있다.

 

(2) 현대에는 재래식 미생물기법을 이용하여 기술적 진전을 기대하기는 어렵다.

한가지 기술적 진전을 이루면 그에 따른 다른 기술적 문제점이 파생되었다.

그러한 한가지 예는 유제품의 starter culture용 bacteriophage에 저항성을 갖는 변이균주를 개발하는 것이다. 왜냐하면 그러한 phage에 내성을 갖는 변이균주는 증식하는데 보다 많은 시간이 요구되기 때문이다.

 

3. 새로운 생명공학기술에 의한 가능한 기술적 향상

특정한 바람직한 생리적 특성을 갖는 균주를 창조하거나, 발효에 이용되는 발효물질들을 변형시킬 수 있는 방법들에 대한 연구가 가능하게 되었다.

 

(1) 향상된 starter culture 창조

ㄱ) bacteriophage 감염에 필요한 유전자들을 제거

ㄴ) lactase 유전자를 증폭

ㄷ) nisin 유전자를 숙주세균에 도입

 

(2) 발효공업에 필요한 효소들을 변형시키거나 대량생산

ㄱ) 어린 소로부터 분리하여 사용하던 rennin을 유전자조작에 의하여 미생물로부터 생산하여 사용

ㄴ) 발효식품내에서 원하는 화학반응을 위하여 발효미생물들을 발효에 직접 관여하는 일련의 효소들로 대체

 

(3) 식품을 발효될 수 있게 변형

발효대상식품들도 생물학적 생산물이므로 그들도 유전자재조합에의하여 변형가능

ㄱ) 유전자 재조합기술을 이용하여 sauerkraut나 김치용 배추를 발효에 적합한 당의 함량을 갖는 형질을 갖도록 형질전환을 한다.

ㄴ) 유전자 재조합기술을 이용하여 부패미생물에 대한 억제제를 자체 생산할 수 있는 배추를 개발한다.

ㄷ) 유전자 재조합기술을 이용하여 소로부터 보다 많은 함량의 casein을 포함한 우유를 생산한다.

 

위의 모든 생명공학 기술들은 바람직한 형질을 나타내는 유전자를 복제하는 기술에 의존한다. 그렇게 하여 복제된 유전자를 숙주세포에 도입시키어 대사기작을 변형시키어 바람직한 발효대사산물을 보다 많이 생산하도록 유도한다.

 

7. 미생물을 이용한 한국의 전통음식

 

 

이제 미생물을 이용한 한국의 전통음식의 내용 및 종류에 대해 알아보기로 한다. 그 종류로는 크게 (1) 장류 (2) 김치류 (3) 젓갈류 (4) 주류 등으로 나누고자 한다. 참고로, 발효에 관여하는 미생물인 세균, 효모, 곰팡이의 종류는 매우 다양하고 재료와 계절에 따라서도 분포가 다양하기 때문에 민족, 지역에 따른 특성이 있다.

 

1. 미생물을 이용한 한국 전통음식의 종류

 

(1) 장류

 

메주 발효관련 미생물 중 곰팡이는 주로 메주 덩어리의 표면에서만 존재하고 세균은 메주 전체에 골고루 조밀하게 분포되어 있으며, 세균의 종류는 Bacillus subtilus, B.pumilus등이다. 메주의 품질은 표면이 잘 말라서 곰팡이가 많고 그 중에서도 털곰팡이(Mucor)와 거미줄 곰팡이(Rhizopus)가 주류를 이루며, 내부에는 주로 고초균(B.subtilis)이 증식하면서 독특한 메주 냄새를 내고 단백질 분해효소 등 각종 효소를 생성한다.

 

ㄱ) 고추장

전분질에 따라 찹쌀고추장, 멥쌀고추장, 보리고추장, 엿고추장 등이 있다. 된장보다 전분질 함량이 많은 것이 특징이며 간장, 된장에 비해 월등히 높은 비타민이 포함하고 있다. 단백질, 지방, V-B2, V-C, 카로틴 등 영양성분 다양하다.

ㄴ) 간장

고농도의 식염과 글루타민산등의 아미노산을 함유한 액상조미료이며, 주원료인 콩과 쌀 등의 곡류를 증자시켜 만든다. 간장 제조용 국균인 Aspergillus oryzae는 간장 제조상 가장 중요한 효소인 Protease를 생산하여 단백질을 분해함으로서 아 미노산을 생성한다. 당류가 발효할 때 알코올과 기타 향기성분들을 만들며 단백질 분해로 아미노산의 구수한 맛, 당화에 의한 단맛, 소금에 의 한 짠맛이 조화를 이룬다

 

(2) 김치류

 

김치는 대표적인 전통 발효식품이며 특히 겨울철에 부족되기 쉬운 비타민류 및 무기 염류의 가장 중요한 공급원이다. 각종 유기산, 아미노산, 비타민, 무기질의 급원하며 건강유지와 영양공급에 중요한 식품이다. 발효과정에 관여하는 미생물의 분비효소에 의한 유기산 생성이 김치에 특유한 향미를 부여하며 주재료인 배추나 무 이외에 여러 가지 부재료와 양념을 첨가 여러 가지 종류가 있으며 소금의 농도, 숙성온도 등이 맛 을 좌우한다.

김치는 젖산 발효식품이다. 김치 속의 젖산균은 채소류에 들어 있는 당을 젖산으로 바꾸어 해로운 균을 사멸시킨다. 김치가 익고 난 뒤 젖산균도 스스로 생산한 유기산 에 견디지 못하고 사멸하기 시작한다. 이렇게 되면 김치 속의 효모나 곰팡이가 다시 자라기 시작해 김치의 맛이 변한다. 김치를 담가서 특유한 맛을 내고 숙성되는 것은 여러 가지 미생물이 관여하기 때문이다. 즉 김치에서 군내가 나고 갈색으로 변하게 되는 것이다.

김치 발효에 젖산균이 작용하지만 젖산균의 종류도 다양하다. 김치는 사용하는 재료 도 다양하지만 자연발효에 의해서 숙성되기 때문에 그 재료의 종류나 계절에 따라 다양한 미생물이 관여한다. 김치 숙성의 주발효균은 젖산균들이지만, 초기에 번식하는호기성 균들도 어느정도 김치 숙성에 관여할 것이며 또 젖산균들도 각각 그들의 작용이 다를것이다. 발효란 생물에 의해서 한 유기화합물이 더 산화될 수 있는 다른 유기화합물로 전환되는 현상으로, 효모에 의해서 포도당이 에탄올로 전환되는 것을 대표적인 예로 들 수 있다.

김치의 숙성에 관여하는 미생물로는 호기성균 (Aerobic bacteria)과 혐기성균(Anaerobic bacteria)이 있다. 혐기성균은 숙성기간 중 점차 증가하고 호기성균은 50일까지 점차 감소하였다가 그 이후에는 점차 증가한다.

 

(3) 젓갈류

 

젓갈은 어류, 패류, 어류의 내장 등에 소금을 가하여 부패균의 번식을 억제하고, 어패류 자체의 효소와 외부미생물의 효소작용으로 육질을 분해시킨 독특한맛과 풍미의 발효식품이다. 젓갈의 종류는 매우 다양하며 여기에서는 세가지 정도만 언급하도록 하겠다.

 

ㄱ)창란젓

창란젓은 10월경 대구가 흔할 때 대구의 내장과 아가미를 소금에 절여두고 대구알을 터뜨

린다음 파, 우, 생강, 마늘 등을 섞어서 7～8일 발효시켜 식용하는 것이 보통이며 창란젓에

는 동태 창자는 사용하지 않는 편이 좋다. 생태 창자만으로 담그는 것이 질이 좋은 젓갈이

며 명태는 버릴 것이 별로 없이 아가미로는 아가미젓을, 창자로는 창란젓을, 알로는 명란젓

을 담근다.

 

ㄴ) 새우젓

소금은 새우중량의 7～10% 새우젓은 담그는 시기에 따라 오젓, 육젓, 추젓, 동백젓으로 구

분, 5월에 담근 것을 오젓, 육월에 담근 것을 육젓이라 하는데, 추젓은 가을에 잡히는 새우

로 담근 것인데, 색깔이 희다. 새우젓은 보통 김장용 젓갈로 많이 이용되나 맛이 담백하고

비린내가 적어 배추김치, 깍두기, 찌개 등에 넣어 먹기도 하고 갖은 양념으로 무쳐 먹기도

한다. 다른 어패류보다 부패하기 쉽기 때문에 많은 양의 소금을 사용하며 여름철에35-40%

가을철 30% 정도 첨가한다.

 

ㄷ) 명란젓

명란젓은 명태 (동태)알을 소금과 고춧가루로 양념한 것으로 동지 전인 11월말이 명란젓

담그는 제철이다. 명태의 알을 소금에 절인 명란젓은 담그는 원료, 처리, 시기에 따라 풍미

가 다르다.

 

(4) 주류

 

술은 오랜 옛날부터 자연발생적으로 생긴 것을 인간이 이용하게 된 것으로 보고 있다. 즉

과일이나 곡류와 같은 당질 원료에 야생의 미생물이 자연적으로 생육하여 알콜이 생성되었

고 이러한 발효산물을 우연한 기회에 사람들이 마신 결과 우리의 기호에적합하다는 것을 알

게 되었다. 따라서 점차적으로 이러한 발효현상을 터득하고 자기가원하는 술을 빚어서 마시

게 되었을 것이다. 세계적으로 술의 발전과정을 보면 아시아의 농경형 문화권에서는 계절풍

의 영향으로 여름이 고온다습하기 때문에 곡류에 곰팡이를 자연적으로 번식시킨 누룩을 사

용하여 담근 술을 이용하여 왔다. 한편 유럽의 목축형 문화권에서는 여름이 건조한 탓으로

누룩을 이용하지 않고 포도에서 직접 술을담근 포도주나 보리에서 싹을 틔워 담근 맥주를

만들어 왔다.

 

ㄱ) 청주

청주는 고대 일본의 대표적인 술로서 그 기원은 신화의 시대로 전해지고있다. 그 이후 여러

기술개발이 진행되어 현재와 같은 청주제조가 가능하게 되었다. 유럽에서는 당화에 맥아를

사용한 것에 대하여 청주양조에서는 찐쌀에 황국균을 생육시킨 국(koji)을 사용한 점, 당화

와 알콜발효를 하나의 술덧 중에서 동시에 평행하여 진행시켜 고농도 알콜을 생성시키는 점

등이 큰 특징이다.

 

ㄴ) Gin

곡류 위스키나 알코올용액에 노가주나무의 방향성분을 첨가, 증류하여 만든술이다. 알코올

농도는 37˜50%이며 영국과 화란 등지에서 많이 만든다.

 

ㄷ) Brandy

일반적으로 포도주를 증류해서 제조한다. 포도 이외의 과실주를 증류한 것도 브랜디라고 한다. 블란서의 코냑(cognac)이 유명하다. 포도주와 같은 방법으로 발효시킨 액을 브랜디용 단식증류기로 증류하여 얻은 알콜올 농도 24˜30%의 증류액을 재증류한 58˜60%의 유액을 5˜10년간 저장 숙성시킨다. 오래 저장될수록 진귀한 것으로 취급된다.

 

ㄹ) Rum

당밀(molasses)이나 사탕수수, 사탕무우의 즙액을 발효시켜서 증류하여 5년 이상 저장

숙성시킨 것이다. 알코올농도는 43˜53%이며 주로 중남미에서 생산되고 있다.

 

8. 발효 미생물의 효능

 

 

발효 미생물을 이용한 식품의 영양적 가치는 매우 우수하다. 먼저 식욕 증진기능을 하며 영양 보급원의 기능을 모범적으로 하며 소화작용을 조장한다. 위장 내의 단백질 분해효소인 펙틴 분비 촉진하여 소화, 흡수 작용 조장 및 장내 미생물 분포를 정상화시킨다. 그리고 항균작용도 뛰어나 해로운 세균의 작용을 억제하며 창자 속의 다른 균을 억제하여 이상 발효와 병원균 억제한다. 또 산중독의 예방 효과를 들 수 있다. 육류나 기타 산성 식품을 과잉 섭취했을 때 혈액의 산성화 방지한다. 최근 중국에서 사스가 발병되면서부터 우리나라 전통 발효식품인 김치가 선풍적인 인기를 얻고 있다. 그만큼 세계의 이목도 예전의 “발효는 곧 부패”라는 인식을 버리고 우리나라의 전통 발효식품을 인정하고있는 추세이다.

발효 미생물의 가장 우수한 효능으로는 항암작용을 들 수 있다.

최근 들어 된장의 효능이 각광 받고있다. 대한 암 예방 협회의 암 예방 15개 수칙 중에는 된장국을 매일 먹으라는 항목이 들어 있을 정도로 된장의 항암효과는 국내외적으로 공식화 되 있다. 푸른곰팡이에 의해 발생되는 발암물질 aflatoxin은 장의 발효과정에서 대부분 파괴된다는 연구결과가 있는데 된장이 이 같은 살균 및 해독작용과 항암 효과등 뛰어난 효력을 지니기 위해서는 제조방법이 반드시 재래식이어야 한다. 그리고 배추 속에는 생리활성물질인 인돌이 풍부한데 이 물질이 여성호르몬인 에스트로겐의 대사를 활성화시킴으로써 유방암을 예방한다. 특히 고추는 폐조직과 표면에 붙어 있는 니코틴을 제거 효과가 뛰어나다. 우리나라가 흡연률은 세계적인 수준이나 폐암 발생률이 낮은 이유는 고추의 간접적인 기능도 한 몫을 담당 하는 것으로 볼 수 있다.

 

9. 발효과학의 미해결점

 

첫째, 식품미생물 유전자원의 확보를 위한 노력이 필요하다. 유전자원 확보라는 측면에서 현재 우수 전통발효식품 중에 존재하는 미생물 자원은 수집되고 보존되어야 한다. 따라서 이러한 우수한 미생물의 수집, 보존을 담당할 수 있는 식품미생물 보존센터의 구축이 바람직하다고 여겨진다.

 

둘째, 식품미생물 동정체계 확립을 위한 많은 분류학자들의 공동적인 연구 노력이 있어야 한다. 현재 분류학의 경향은 현상학적인 고전적인 분류방법에서 환경을 중요시하는 쪽으로 흘러가고 있다. 즉, 식품에 존재하는 미생물을 분류, 동정하고자 할 때, 병원성 미생물이나 토양 미생물의 분류, 동정방법을 그대로 적용하게 되면 오류를 범하기 쉬운 것이다.

 

셋째, 전통발효식품의 품질개선을 위한 우수한 접종균이 개발되어야 한다. 이러한 우수한 접종균 스타터는 단기간에 얻어질 수 없고, 오랜 기간의 응용연구와 생산공정 확립을 위한 많은 시행착오를 통하여 얻어질 수 있는 것이다.

 

넷째, 우수 접종균의 보급시스템이 확립되어야 한다. 아무리 좋은 우수한 접종균이 개발되었다 하더라도 이용하는 사람이 없으면 무의미하다. 외국의 경우, 스위스 및 네델란드에서는 치즈, 요구르트와 같은 발효유제품의 생산을 위한 접종균들이 오랜 기간의 연구결과에 의하여 개발되어져 농민들에게 매일 매일 공급할 수 있는 공급시스템을 갖추고 있는데, 국내에서도 전통발효식품 생산업자가 어렵지 않게 이용할 수 있는 접종균 스타터의 사용방법에대한 연구와 접종균 보급 시스템의 확립이 이루어져야 한다.