발효와 숙성

숙 성

식품 속의 단백질 ·지방 ·탄수화물 등이 효소 ·미생물 ·염류(鹽類) 등의 작용에 의하여 부패하지 않고 알맞게 분해되어 특유한 맛과 향기를 갖게 만드는 일.

청주 ·맥주 ·포도주 ·된장 ·간장 ·식초 ·치즈 등은 그 제조 과정에서 반드시 특정한 시간 ·온도 ·습도 등의 조건하에서 숙성시켜 각각 특수한 향기와 조직을 가진 것을 얻을 수 있다. 또 도살 직후의 조수육(鳥獸肉)은 살이 단단하고 풍미(風味)도 없으나, 일정시간 찬 곳에 두면 자체 소화에 의하여 살이 부드러워지고, 보수성(保水性)도 증가하여 맛 ·향기도 좋아진다. 이것을 육류의 숙성이라 한다. 이 반응 메커니즘이나 성분변화 등은 각 식품에 따라 다르다.

 

2. 발 효

 

넓은 뜻으로는 미생물이 자신의 효소로 유기물을 분해 또는 변화시켜 각기 특유한 최종산물을 만들어내는 현상, 좁은 뜻으로는 탄수화물이 무산소적으로 분해되는 복잡한 반응계열로 이루어지는 과정.

발효는 유사(有史) 이전부터 알려져 있는 현상으로서, 인류에 의해서 과실주 ·맥주 ·빵 ·치즈 등의 제조에 경험적으로 또한 전통적으로 이용되어 왔다. 그러나 그 원인은 19세기까지 알지 못하였다. 근대화학의 시조인 A.L.라부아지에는 1787년에 포도즙 속에 있는 포도당이 정량적(定量的)으로 알코올과 이산화탄소로 분해되는 과정이 발효라고 기록하였고, 19세기로 접어들자 J.J.베르셀리우스나 J.리비히 등 유력한 화학자들에 의한 발효의 촉매설(觸媒說)과 L.파스퇴르를 중심으로 하는 미생물학자와 세균학자들에 의한 발효의 효모설(酵母說) 사이에 격렬한 논쟁이 벌어졌다.

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

 

1) 메커니즘

발효는 호흡과 더불어 생물이 에너지를 얻는 대사반응(代謝反應)의 대표적인 형식인데, 산소적 및 무산소적 호흡이 산소 또는 다른 무기물을 산화제로 사용하는 것과는 달리, 발효는 무산소적 조건하에서 유기화합물 자신이 산화되는 기질(基質)과 산화제를 겸하는 것이 특징이다.

엄밀한 무산소성 생물은 극히 일부의 세균(예를 들면, 가스 괴저균 등)에 한정되고, 대부분의 미생물은 임의(任意) 무산소성이어서 산소적 조건하에서는 에너지 효율이 뛰어난 산소에 의한 완전산화(호흡)를 영위하지만, 산소가 없는 환경에 놓이면 유기물(특히 당)의 발효적 분해를 일으켜 생명을 유지하려고 한다. 당의 발효활성과 산소부분압력과의 관계는 파스퇴르의 효모를 사용한 연구에 의해서 발견되어 파스퇴르효과라고 한다.

즉, 산소의 존재에 의하여 조직세포의 해당작용이 약화되는 현상을 말하며, 외계(外界)의 조건에 적응하는 생체의 조절기능의 하나로 생각되고 있다.

 

2. 종류

전형적인 당(糖) 발효는 그 주요 반응경로가 해당작용에서의 엠덴-마이어호프계 경로와 같다. 간단히 설명하면 ① 먼저 당이 인산화되어 프룩토오스이인산을 생성하고, ② 이것이 분열하여 2분자의 글리세르알데히드인산으로, 다시 산화 ·인산화되어 글리세르산인산이 되며, 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 발효에는 이 밖에 포스포글루콘산을 거치는 비해당형 경로(非解糖型經路)에 의하는 것도 있으나, 이것 역시 피루브산에 도달한다. 여하튼 미생물에 의한 발효형식은 피루브산에서 앞의 종말 반응생성물이 되는 분해에 의하여 여러 가지로 분류된다. 대표적인 것으로는 효모에 의한 알코올 발효, 젖산균에 의한 젖산 발효, 장내(腸內) 세균에 의한 포름산 발효, 클로스트리듐속(屬) 세균에 의한 부티르산-부탄올-아세톤 발효, 프로피온산균에 의한 프로피온산 발효, 메탄 세균에 의한 메탄 발효, 또한 수소 발효와 글리세르 발효 등을 들 수 있다.

멕시코의 용설란술을 만드는 세균Zymomonas lindueri는 세균에 의해 순수알코올 발효를 하는 유일한 종류이다. 이 밖에 엄밀한 뜻에서의 발효는 아니나, 분자상(分子狀) 산소가 관여하는 발효적 불완전분해로서 산화 발효가 있는데, 이것도 역시 축적되는 생성물의 이름을 앞에 붙여 부르며, 아세트산 ·글루콘산 ·코지산 ·이타콘산 ·시트르산 ·푸마르산 ·옥살산 등의 발효가 있다. 또, 당류(糖類)가 환원적 아미노화 작용을 받아 아미노산을 생성하는 아미노산 발효가 Micrococcus glutamicus에 의해 알려져 있고, 또 아미노산 자신도 탈(脫)아미노를 수반하여 발효되는 경우가 있다.

 

3. 이용

발효는 여러 가지 생리현상 중에서 그 대사양식 ·기서(機序)가 가장 깊이 밝혀진 것 중 하나이며, 복잡한 여러 반응경로의 상관성(相關性), ATP계와의 공액과 에너지 생산, 효소활성의 유도 ·조절, 나아가서 개개 효소의 정제(精製)와 그 작용메커니즘의 효소화학적 해석이 진전되고 있다. 보조인자(補助因子)로는 티아민피로인산 ·NAD(조효소1) ·ATP 외에 마그네슘 ·칼슘 ·칼륨 등의 이온이나 무기인산 등이 관여하고 있는 것이 알려져 있다.

생물 진화의 입장에서 보면 원시생물은 산소가 없는 조건하에서 무산소적 발효에 의해서 에너지를 얻었다고 생각된다. 그 후 진화과정에서 지상에 산소가 출현하는 것과 함께 산소를 이용하는 갖가지 산소적 에너지 획득 형식으로 이행하였을 것이다. 그러나 오늘날의 어떠한 산소적 생물도 에너지 생성의 제1단계로서 먼저 유기물의 무산소적 분해과정(해당 또는 발효)을 거쳐야 한다는 것은 흥미있는 일이다. 발효는 미생물 이용공업, 발효공업으로서 널리 인류에게 활용되고 있다.

공업약품 ·의약품으로서의 에탄올 ·부탄올 ·아세톤 ·시트르산 ·이타곤산 외에 글루탐산이나 리신 등 아미노산의 제조, 발효양조 식품으로서 갖가지 알코올성 음료, 조미료, 유제품(乳製品), 빵의 제조(이 경우는 발효에 의해서 생기는 이산화탄소를 이용한다) 등이 있다. 알코올성 음료의 경우는 에탄올이 생길 때 생성하는 미량의 갖가지 알코올성 물질(푸젤油)이 각 음료에 특유한 냄새와 맛을 제공한다. 맥주의 고미(苦味) 성분은 티로졸이라는 일종의 알코올이며, 티로신의 발효 생성물이다.

발효는 식품이 부패하는 원인이기도 하나, 한편 락트산처럼 다른 미생물에 의한 오염 ·부패를 방지하는 뜻에서 피클스나 사일로 안의 목초(牧草)의 보존에 락트산균이 이용된다. 이 밖에 엄밀히 따지면 발효라고 할 수는 없으나 편의상 미생물 발효공업에 포함시키고 있는 것에 페니실린 ·스트렙토마이신 등 항생물질을 비롯하여 비타민 B2 ·C 또는 코티존의 조제 등을 들 수 있다.