전통주제조 기초편

미생물은 공기나 토양, 땅 속과 바다뿐만 아니라 사람이나 동물의 장관 내에도 살고 있으며, 그 종류나 수도 매우 다양한다. 예를 들어 토양 1g 중에는 약 1억마리의 미생물개체가 존재하며, 사람의 창자 속 에는 100조 마리의 세균이 살고 있다.

미생물의 크기는 종류에 따라서 차이가 있으며, 그림 1에서처럼 각종 미생물들의 크기는 매우 다양한다. 대부분의 미생물들은 인간의 생활과 밀접한 관계를 가지며, 특히 식품에 작용하여 유용한 물질을 만들거나변패시킬수도 있다.

즉, 식품에 작용하는 미생물들은 부패(decomposition)와 발효(fermentation)에 관여할 수 있다. 발효식품 제조에 관여하는 미생물들은 곰팡이, 효모 및 세균들로 분류된다.

막걸리, 청주, 맥주, 와인, 위스키 등의 알코올 음료의 양조와 된장, 간장, 고추장, 청국장,식초 등 조미료의 양조 및 빵의 발효, 각종 침채류, 치즈, 요구르트제조 등은 모두 미생물에 의한 발효식품들이다.

현재 미생물들은 아미노산, 비타민류, 효소류의 생산 등에 널리 이용되고 있으며, 최근의 생명공학에서 중요한 역할을 하고 있다. 미생물 중에서 균체 그 자체를 식용하는 경우는 식용버섯류, 클로렐라 등의 녹조류 및 효모 등이다.

이들 미생물들은 생물분류학상으로 그림 2와 같이 분류되며 동.식물 어느계에도 속하지 않는 제3의 생물계인 원생생물계에 포함된다. 이 분류방법에 있어서 미생물은 식물이나 동물과 완전히 구별되며, 원핵세포생물인 하등미생물과 진핵세포생물인 고등미생물로 구별된다.

무수히 많은 미생물중에서 식품의 발효에 관련된 중요한 미생물들인 곰팡이, 효모, 세균(고초균, 유산균, 초산균) 등에 대하여 살펴 보기로 한다.

가.곰팡이

곰팡이(molds, fungi)는 수분이나 pH 등에 대하여 내성을 가지면서, 주위에서 가장 쉽게 볼 수 있는 미생물이다. 일반적으로 진균류에 속하는 곰팡이는 조균류, 자낭균류, 담자균류 및 불완전균류의 4가지 강으로 분류되며, 균체가 실모양을 이루는 미생물을 지칭한다.

이같은 분류는 주로 곰팡이의 형태나 구조 또는 생활사를 주로 현미경으로 관찰하고 그들의 차이에 의하여 분류하고 있다. 곰팡이는 사상으로 분지한 균사가 집합하여 균사체(mycelium)를 이루고 있기 때문에 사상균이라고도 부른다.

균사체는 음식물 속을 식물의 뿌리처럼 뻗어나가면서 영양섭취를 하는 영양균사와 표면으로 자라면서 공기중으로 뻗어 나가는 생식세포나 포자를 형성하는 기균사로 구별된다.

곰팡이의 포자(spore)나 균사(hypha)는 작아서 눈으로는 볼 수 없지만, 포자가 번식하여 집락(colony)을 만들고 있는 상태에서는 잘 볼 수 있다. 곰팡이의 종류에 따라 포자의 색은 황색, 녹색, 갈색, 흑색 등 여러가지 색을 띠게 되며, 이들에 의해서 곰팡이의 종류가 분류될 수 있다.

곰팡이는 옛날부터 각종 양조 및 발효식품공업에 주로 이용되어 왔다. 동양에서는 전통적으로 술, 된장, 간장들의 제조에 이용하였으며, 서양에서는 치즈제조 및 효소 생산에 이용되어 왔다.

① 누룩곰팡이 (Aspergillus 속)

Aspergillus속 곰팡이의 집락은 황색, 녹색, 갈색, 흑색 또는 백색 등 균종에 따라서 차이가 많으며, 그림 3에서 전형적인 분생포자의 모양을 보여주고 있다.

Aspergillus속 곰팡이는 동양의 양조공업에 있어서 가장 중요한 곰팡이의 하나이며, 한국, 일본, 중국, 인도에서 전통발효식품의 제조에 널리 이용되고 있다. 대표적인 균종으로는 Aspergillus oryzae, Aspergillus niger 및 Aspergillus sojaer가 있다.

또한 Aspergillus 속 중에서 Aspergillus flavus는 땅콩 등에 번식하여 사람이나 동물에게 치명적인 발암물질인 Aflatoxin를 생산하는 균주도 있다.

Aspergillus oryzae는 황국균이라고도 하며, amylase와 protease 생산능력이 강하여 곡류와 콩을 이용한 양조 및 장류제조 등에서 이용되고 있다. Aspergillus niger는 흑국균의 대표적인 균종으로 포자는 흑색이며 구형이다.

강한 산성에도 내성이 있어 귤 등에 잘 생육하고 pecticenzymes의생산으로 pectin 분해력이 강하다. 또한 전분 당화력도 강해 당화액을 발효하여 수산(oxalic acid), 글루콘산(gluconic acid), 구연산(citricacid) 등의 유기산 제조에도 이용되고 있다.

또한 cellulase와a mylase 등의 강력한 내산성 당화효소를 생산하며, 내산성의 a-amylase는 최적 pH가 2.0으로 다른 출처의 a-amylase보다 매우 낮은 특성이 있다. Aspergillus kawachii는 백국균으로도 불리우며, 흑국균인 Aspergillus niger에서 변이된 변이주의 일종이다.

산생성력이 매우 높아 탁주용 입국의 제조에 많이 사용하며, 높은 산생성력으로 밑술의 잡균 오염을 방지하는 역할을 한다. Aspergillus sojae는 당화력과 단백질 분해력이 강한 효소를 생산하여 장류제조에 많이 이용되고 있다.

② 거미줄곰팡이 (Rhizopus 속)

대표적인 접합균로 격벽이 없는 균사가 공기 중으로 길게 신장하고 거미줄상의 집락을 만드는 것이 특징이다(그림4). 거미줄곰팡이 속 곰팡이의 포자낭은 거의 구형이며, 과실, 야채, 곡물 등에 잘 생육한다.

전분이나 단백질을 분해하는 효소인 amylase 및 protease의 활성이 강한 것이 많고 glucoamylase의 생산에 이용된다. Rhizopus oryzae는 누룩에서 분리되는 대표적인 균주로 곡류, 빵, 과실 등에 잘 번식한다.

③ 털곰팡이 (Mucor 속)

Mucor 속 곰팡이 중에서 양조공업에 널리 이용되는 Mucor rouxii 는 대표적인 털곰팡이로서 전분당화력이 강하고 알코올 발효력이 있다.

④ 푸른곰팡이 (Penicillium 속)

Penicillium 속은 불완전균류에 속하는 곰팡이로 penicilli라고 하는 빗자루모양을 의미하는 데서 붙여진 이름이다. 푸른곰팡이 과실, 빵, 떡에 잘 번식하며, 일반양조에 있어서는 유해 곰팡이로 취급된다.

발효 유제품 제조에 관여하는 Penicillium rouqueforti는 블루치즈 숙성시에 우유단백질인 카제인을 분해하고 지방분해효소에 의해서 지방산을 생성함으로써 고유한 향과 맛을 부여하는 역할을 한다.

나.효모

효모란 알코올 발효 때 생기는 거품이라는 뜻의 네덜란드 말인 ‘gast’ 에서 유래되었다. 효모는 곰팡이군과 같은 균류중의 진정균류에 속하며, 외견상 달걀형, 구형의 단세포로 생육하는 자낭균류에 속한다. 효모는 태고적부터 술을 만드는데 관여했으며, 발효식품에 관여하는 효모들은 매우 다양하다.

빵효모, 멕주효모, 청주효모, 와인효모, 식용효모 등으로 분류된다. 효모는 공기중, 과실, 토양, 식물 등 자연계에 널리 분포되어 있으며, 모세포의 일부가 출아하여 딸세포를 만들면서 증식한다. 효모는 공기가 충분하면 호흡작용을 하는데 당은 주로 효모증식시에 에너지 공급원으로 이용된다.

그러나 혐기적 환경에서는 당류를 분해하여 에탄을과 탄산가스를 만든다. 효모의 생육 최적온도는 25~30℃이며,일반적으로 40℃를 넘으면 사멸하는 것이 많다.

효모의 영양원으로서 단당류인 glucose, fructose, mannose 및 galactose는 양조효모에 의하여 탄소원으로 이용되는 발효성당으로서 알코올 발효된다. 이당류중 설당과 maltose는 대부분 효모에 의해서 발효되나, 유당(lactose)은 일부 효모에 의해서만 이용 된다.

삼당류인 raffinose는 하면효모(bottom-fermentingyeast, S. carsbergensis)에 의해서는 모두 발효되나 상면효모(top-fermentingyeast, S. cerevisiae)로는 1/3 밖에 발효되지 않는다.

① Saccharomyces 속

발효식품 및 발효공업에 가장 밀접한 관계가 있는 유용효모의 대부분이 여기에 속하며, 발효성 당을 이용하여 알코올을 생성하는 알코올 발효효모로서 이용된다. S. cerevisiae는 전형적인 맥주의 상면발효 효모로서 생육중에 덩어리가 지면서 C0₂와 더불어 발효액의 위로 떠오른다.

Clucose, maltose, sucrose, galactose, fructose, mannose, raffinose(1/3)를 발효시키며, lactose는 발효되지 않는다.

S. carlsbergensis는 맥주의 하면발효 효모로 형태는 난형으로 S. cerevisiae와 비슷 하지만 발효 중에 뭉쳐진 효모의 균체가 밑으로 가라앉는 점과 raffinose를 완전히 발효 시키는점이 다르다.

전형적인 포도주 발효효모인 S. cerevisiae var ellipsoideus는 S. cerevisiae보다 약 2배 크고 세포는 타원형이다. S. rouxii와 S. mellis는 내삼 투압성 효모이며, 전자는 간장 숙성과정에서 지방질을 분해하여 특유의 향미를 주는 유익한 효모이다. 반면 후자는 고농도 당을 함유하는 벌꿀, 잼 등에서 생육하여 품질을 저하시킨다.

② Schizosaccharomyces 속

아프리카 토속주인 pombe라는 술에서 분리된 Schiz. pombe가 대표적인 효모이다. 과실, 당밀, 설탕, 벌꿀 등에 분포하며, 생육적온이 다른 효모보다 높은 37℃이다. Glucose, maltose, sucrose외에 dextrin, inulin 등을 발효시키며 알코올발효능이 강하다.

③ Pichia 속

발효액면에 건조한 분상피막을 만들어 생육하는 산막효모로서 당의 발효능은 전혀 없던가 미약하다. 알코올을 탄소원으로 이용하여 분해 소화시키는 유해균이 대부분이지만 알코올과 유기산으로부터 에스터를 생성하여 포도주에 특유의 향기를 주는 균주도 있다.

다.세균

세균은 곰팡이와 효모에 비해 작고, 주로 분열에 의해서 증식하는 분열균이다. 세균은 미생물적 변화에 관여하면서 유용한 발효를 유발하거나 또는 식중독의 원인이 되기도 한다. 한편, 전통적인 식품발효, 양조산업 또는 아미노산발효 등 근대적 발효산업에 있어 세균은 중요한 역할을 하고 있다.

세균의 크기는 종류에 따라 다르지만, 간균의 경우 2.0~1.5 x 1.0~0.5 ㎛정도이다. 세균 10억개의 무게가 lmg 정도인 것을 감안 할때 그 크기를 짐작 할 수 있다. 세균은 원핵세포생물이며, 주로 분열법의 세포분열에 의해 증식하는 단세포생물이다.

분열후의 모양이나 집합상태에 따라서 구균, 간균, 나선균으로 분류된다. 구균은 단구균(Monococcus), 쌍구균(Diplococcus), 4연구균(Pediococcus), 8연구균(Sarcina), 연쇄상구균(Streptococcus), 포도상구균(Staphylococcus)이 있다.

간균의 길이가 폭의 2개 이상인 것을 장간균이라하고, 그 이하인 인 것을 단간균이라 한다. 미생 생육에서의 산소요구성에 따라서 산소를 필요로 하는 세균(호기성균), 산소를 필요로 하지 않는 세균(편성혐기성균, 절대혐기성균), 또는 산소의 유무와 관계 없이 생육 가능한 세균(통성혐기성균)이 있다.

호기성균이 Acetobacter 속과 통성혐기성균인 젖산균들은 각각 식초생산과 lactic acid를 생산하여 발효식품에 맛과 저장성 및 기능성을 부여한다.

대표적인 호기성균인 Bacillus 속과 혐기성균인 Clostridium 속은 고온에서도 내성이 있는 포자를 형성하기 때문에 식품위생상 문제를 야기할 수 있으며, Clostridium 속의 포자는 통조림식품 살균의 기준이 된다.

① 젖산균

당질을 분해하여 대사산물로서 주로 젖산을 생성하는 세균을 말하며, 그람 양성(gram positive)의 통성혐기성균이다. 식품과 중요한 젖산균은Lactobacillus 속, Streptococcus 속,Leuconostoc 속, Pediococcus 속, Staphylococcus 속 등이 있다.

Leuconostoc 속은 당액, 야채,과실, 우유 등에 주로 분포하는 hetero 형 유산구균으로 glucose를 발효하여 젖산과 에탄을, 탄산가스를 생산한다. Leu. mesenteriodes 가 대표적인 균주로 생육온도는 비교적 낮은 20~22℃이며, 청주 제조에 중요한 역할을 한다.

김치 발효에서는 숙성에 관여하는 균주로 알려져 있으며, 야채 발효시에 설탕을 이용하여 젖산 및 포도당으로 구성된 고분자인 dextran을 만든다. 젖산균은 포도당의 발효형식에 정상젖산균(homo type)과 이상젖산균(hetero type)으로 구별되고, 발효생성물은 아래와 같다.

Lactobacillus 속의 경우 정상발효균은 증식 최적온도가 28~32°C 정도로 낮은 반면, L. bulgaricus의 우유 발효적온은 40~45°C이며, 유당으로부터 다량의 젖산을 생성하므로 요구르트 제조에 널리 이용된다.

L. acidophilus는 내산성이 강하여 장내에서 생육하고 정장작용이 강하여 젖산균제제나 발효유의 일종인 acidophilus milk 제조에 이용된다. 젖산균은 프로바이오틱(probiotic)으로서 항생제 대체물로 이용될 수 있다.

프로바이오틱은 사람이나 동물의 장내균총을 개선하여 유익한 영향을 주는 단일 또는 복합균주 형태의 생균을 말하며, 병원성 세균의 억제능, 콜레스테롤 저하능, 면역증강 및 항암효과 등의 생리활성 및 기능성을 가진다.

따라서 프로바이오틱 유산균은 발효유, 유아식, 화장품, 건강보조식품 등에 사용되고 있다. L. sake는 청주의 양조에 관여하며, L. homohiochii와 L. heterohiochii는 저장 중의 청주를 산패시킨다.

② Bacillus 속

Bacillus 속의 세균은 그람 양성 호기성이고 자연계에 널리 분포하고 있으며, 부적합한 환경에서 내열성 포자를 형성하고 적당한 조건이 주어지면 출아하여 영양세포로 된다.

대표적인 균인 고초균(Bacillus subtilis)은 강력한 단백질분해효소(protease)와 전분분해효소(amylase)를 생산하기 때문에 효소제의 생산균 또는 콩을 원료로 하는 장류나 청국장의 제조에 이용되어 왔다. 납두에서 분리된 납두균(Bacillus natto)은 이 고초균의 biotin 요구성 변종이다.

③ Acetobater 속

무포자, 그람 음성의 호기성 간균이며, 에탄올을 호기적으로 산화하여 초산을 만드는 세균이므로 초산균으로 불린다. Acetobater aceti는 식초 양조에 이용되는 대표적인 초산균이다. 포도주초 양조에 이용되는 Acetobater orleanense, Acetobater rancens 도 있다.

Acetobater xylinum 은 발효액 표면에 cellulose의 두꺼운 피막(microbial cellulose pellicle)을 만드는 식초양조의 유해균이지만, 필리핀에서는 야자수나 파인애플 주스로부터 식용의 cellulose pellicle인 nata를 생산하는데 이용되는 유용한 균이다.

Gluconobacter 속은 주로 과실에서 분리되며, 얇은 피막을 만드는 간균으로 에탄을을 호기적으로 산화하여 초산을 만드는 균이다.