전통발효식품 제조

최근 부각되고 있는 생명공학이나 생물공학을 이용하는 생물 산업에서 미생물은 중요한 소재로 여러 면에서 큰 비중을 차지하고 있다. 미생물 균주 자체가 최종 산물을 생산하는 직접적인 도구가 되거나 효소 또는 유전자원으로 이용되고 있다. 미생물을 소재로 하는 연구나 산업의 경우, 그 목적에 알맞은 미생물을 분리하고 배양하는 것이 가장 먼저 해야 할 일이다.

이것이 연구 개발의 성패를 좌우한다. 미세한 생명체인 미생물은 다른 생물보다 종류가 많고 증식 속도가 빠르며 환경에 대한 적응력이 좋다. 인류는 미생물과 직간접적으로 밀접한 관계를 유지하면서 문명의 발달을 가져오고 있다. 인류가 이러한 미생물의 존재를 인식하고 과학적으로 이용하기 시작한 역사는 그리 오래되지 않았다.

미생물이 비록 질병을 일으키거나 음식물을 부패하게 하는 등 해로운 면도 있으나 미생물의 능력을 잘 이용하면 유익한 부분이 많다. 프랑스의 과학자 파스퇴르가 미생물에 의한 발효 현상을 규명한 이래 미생물은 주류, 장류, 김치류, 유기산, 아미노산, 핵산, 효소, 비타민, 다당류 및 항생물질 등 다양한 생물산업에 이용되어 왔다.

이와 같은 미생물은 분류학적으로 곰팡이에서 최근 연구되기 시작한 고세균(Archaebacteria)에 이르기까지 범위가 넓고 같은 속(Genus)이나 종(Species)에 있어서도 다양성이 풍부하다. 미생물의 분리와 배양은 기본적으로 종류에 따라 분리법과 배양법이 다를 수밖에 없다. 따라서 모든 미생물을 언급할 수 없다. 여기서는 일반적인 내용과 더불어 산업적으로 중요한 미생물인 양조용 곰팡이에 국한하여 서술하기로 한다.

가. 균 분리원 선정

채취 방법은 긴 시약 스푼 등 채취 기구를 이용하여 대상 샘플을 50~100g을 채취하여 비닐봉지에 담는다. 운반 용구는 폴리 비닐봉지가 가장 적당하다. 한 번 채취한 후, 다음 시료를 채취하기 전 시료 간 오염을 방지하기 위해 티슈나 물로 시약 스푼을 깨끗이 세척한다. 채집된 시료를 효율적으로 보존하기 위해서는 채취 한 후에 냉장 보존한다.

냉장 보존이 어려울 경우, 시료의 온도가 높아지거나 너무 낮아 얼지 않도록 주의해야 한다. 특히 자동차를 이용하여 시료 채집을 하거나 자동차 안에서 시료를 장시간 보관할 때는 차 안의 온도가 너무 높아지지 않도록 주의해야 한다.

나. 미생물 분리

미생물을 자연계로부터 분리할 때는 두 가지 경우로 나뉜다. 미생물과 서식지 간 상호관계, 미생물과 식물 간 상호관계 등 생태학적인 관점에서 관심을 가지는 경우와 특정한 종(種)이나 군(群)을 목적으로 하는 경우다. 전자는 가능한 한 많은 미생물을 분리해야 하므로 비선택적 분리 배지를 사용하고 배양 온도나 pH에 있어 넓은 범위에서 미생물이 생육하도록 유도해야 한다.

후자는 특정한 배양 환경이나 조건을 설정하여 목적으로 하는 미생물만 생육시켜 분리한다. 이와 같이 목적에 따라 미생물을 분리하는 방법이 나뉜다. 따라서 앞에서 언급한 균 분리원 선정도 달라져야 한다.

다. 미생물 분리할 때 고려 사항

미생물의 종류·수·생리활성 등을 정확하게 파악하는 것은 미생물과 환경 간 상호관계, 미생물과 미생물 간 상호관계를 이해하는 데 중요하다. 보통은 곰팡이, 효모, 세균에 적합한 분리용 배지를 적용해 희석 평판법으로 분리한다. 하지만 시료의 희석으로 인해 생긴 미생물이 콜로니(Colony)를 형성하고 분리되기는 어렵다.

어느 정도의 밀도로 존재하는 미생물도 생육이 느릴 경우 분리가 어렵다. 따라서 전체 미생물을 분리하는 건 어렵다. 결국 특정 미생물의 종류나 활성을 중심으로 파악해야 한다. 미생물을 분리하는 방법은 연구 목적과 연결하여 적용한다. 미생물을 분리할 때, 위생학적 관점에서 연구하거나 생태학적 측면에서 연구한다.

또한 미생물을 조성할 때 수에 중점을 두어 관찰하고자 할 때는 분류학적 관점에서 특정 미생물을 분리하거나 응용·개발 연구를 위해 특정한 활성을 지닌 미생물을 분리하기도 한다. 중요한 건 분리하는 방법이다. 이때는 미생물의 생태, 생활환, 생리·생화학적 활성, 균 분리원의 성질 등을 종합적으로 검토하고 분리 조건을 잘 설정해야 한다.

지금까지 알고 있는 지식에 대해서 면밀히 검토하고 여러가지 방법을 시도하곤 하는데 이를 주의해야 한다. 또한 특정 활성과 성질 등이 선택적 분리조건으로 이용될 수 없는 경우가 있다. 이러한 경우에는 미생물을 분리한 후에 그 활성을 스크리닝(Screening)하여 활성이 강한 것을 선발한다.

이때도 적절한 균 분리원의 선정, 예상되는 미생물 군(群)의 선정, 목적 미생물을 효율적으로 분리하는 방법, 정확하고 신속하고 간편하게 스크리닝할 수 있는 방법 개발 등 연구가 필수적이다. 자연계로부터 미생물을 분리하는 일반적인 방법은 다음과 같다.

(1) 생육 조건을 이용한 분리 방법

(가) 비선택적 분리

미생물상의 해석, 미생물의 분리 및 활성 스크리닝

(나) 선택적 분리

평판 배양: 생세포, 단일 영양원(C, N).

·집적 배양: 단일 에너지원(S·Fe·He·Light), 산소, 물리·화학적 인자(온도·pH·압력·Aw·방사선), 항생물질, 약제, 중금속 등.

(2) 생물학적 특성을 이용한 분리 방법

(가) 채집

버섯, 변형균, 병반 부위 등.

(나) 운동성 이용

주화성, 주광성, 주자성 등.

(다) 성장 특징을 이용

균사의 신장(곰팡이, 방선균).

(라) 포자 전파 방법

포자의 사출 또는 유리(수생균).

(마) 생활환, 천이 등을 이용

저온 처리, 자실체 형성 유무, 용균반, 습실법, 열, 알칼리, 알코올 처리

(3) 물리적 조작을 이용한 분리 방법

(가) 단포자 분리법

현미경 조작(Micro manipulation).

(나)농축법

막 여과기, 면(솜), 흡입 등.

(다) 분병 원심법

원심분리기

(라) 분산법

시료 분쇄, 세제 사용.

라. 미생물 배양

자연계로부터 목적 미생물을 분리한 경우, 이 미생물 균주가 효율적으로 배양될 수 있는 배양조건을 검토해야 한다. 인위적 조건에서 미생물을 효율적으로 증식 시키는 것을 목적으로 하고 배양 산물을 얻을 수 있는 최적의 배양조건을 확립하는 것이 무엇보다도 중요하다.

자연계에는 다양한 미생물이 존재하며 산업적으로 단일 미생물을 순수 배양하는 경우가 대부분이다(그림 1-10). 특히 세균, 곰팡이, 효모 등 미생물은 종에 따라 배양 기술이 달라진다. 미생물의 영양원에 있어서도 고체·기체·액체상으로, 배양 기질의 상태에 따라서도 고체배양과 액체배양 등 으로 달라진다.

여기서는 일반적인 증식 특성·배양 조작·배양 장치 등 기본적인 사항에 대하여 간단히 언급하고, 주로 방선균을 대상으로 하여 생리활성 물질을 스크리닝하고자 할 때 고려할 사항에 대해 살펴보고자 한다.

마. 미생물의 증식 특성

미생물의 증식 속도와 생산되는 대사산물의 생산 속도는 미생물 배양 시 적용하는 여러 환경 조건의 영향을 받는다. 중요한 인자로는 영양원, 온도, pH, 삼투압, 압력, 습도, 광선, 용존 산소 등이 있다. 이런 환경인자의 영향을 정량적으로 파악 하여 정확하게 조절해야만 최적의 배양 조건을 실현할 수 있다.

바. 배양 조작

산업적으로 이용되는 미생물의 경우 산소를 필요로 하는 절대 호기성균에 속한다. 절대 호기성균인 경우에는 호기 배양을 하며 산소를 필요로 하지 않는 경우에는 혐기 배양을 한다. 또한 영양원을 포함하는 액체배지에서 미생물을 배양하는 액체배양과 적당히 수분을 함유하는 고체배지의 표면에서 미생물을 배양하는 고체 배양으로 나눌 수 있다.

산업적인 배양 공정에 있어서는 몇 차례에 걸쳐 전배양한 후에 주발효조에 접종하여 본 발효하는 방법을 사용한다. 본 발효 방법으로는 회분 배양법과 연속 배양법이 있다.

사. 배양 장치

미생물 배양 장치로는 여러 가지가 있다. 순수 배양할 때 중요한 것이 잡균의 오염을 방지하는 것이다. 이를 위해서는 배양 용기를 쉽게 세척할 수 있어야 하며 구조가 간단해야 한다. 전체의 재질이 가압 살균에 적절하도록 내압성이 우수해야 하고 호기 조건에서 배양하는 경우에는 적은 동력 비용으로 산소 공급이 충분히 이루어지도록 설계되어야 한다.