발효학

발효학은 영어로 zymology로 그리스어 ζύμωσις(발효) + ἔργον(일)을 어원으로 하고 있으며, 미생물이 가지고 있는 대사경로를 이해하고 대사산물이 만들어지는 과정을 규명하는 기초연구에서 부터 알려진 대사과정을 이용하여 목적으로 하는 유용한 물질의 생산을 높이고 경제적인 발효 생산을 연구하는 응용연구까지 광범위하게 포함. 발효를 통한 생산 산물은 전통적인 알코올 발효, 유제품 발효와 같은 식품 제조뿐 아니라 현대에는 항생제, 생리활성물질, 폐수처리, 바이오에너지 등의 다양한 물질들의 생산을 포함함.

목차

발효를 의미하는 fermentation은 발효과정 중에 발생하는 기포가 마치 물이 끊는 것 같다고 하여 "끓는다"라는 뜻을 가진 라틴어 fevere에서 유래하였다. 발효는 미생물의 생리적 활성을 이용하여 포도당 같은 탄수화물을 해당과정(glycolysis)을 통해 생산된 최종산물인 pyruvate로 부터 에탄올, 아세톤, 부탄올, 초산, 젖산 등으로 전환되는 과정을 의미함.

^{포도당 + 2 ADP + 2 NAD+ + 2 P}_i ^{→ 2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+}

전통적인 발효는 미생물의 존재가 알려지기 전부터 세계 각 지역별로 기후, 풍토, 지역별 생산 곡물 등의 요인에 따라 발생하였다. 서양에서는 주로 맥주, 포도주, 치즈, 요구르트 등을 발효를 통해 얻었고, 동양에서는 청주, 된장, 간장 등을 만드는데 이용하였다. 이렇게 전통적 발효는 실생활에서 주로 식품과 주류를 만드는데 이용되는데 그 역사가 매우 오래된 것으로 알려져 있다. 고대 이집트 벽화에 이미 맥주와 빵을 만드는 과정에 대한 그림이 그려져 있고, 멕시코에서도 선인장 즙을 발효하여 과일주를 만들어 마신 기록이 있다. 또한 3000년 전 중국에서는 곰팡이가 자란 두부를 피부병 치료에 사용했다는 기록이 있는 것으로 보아 고대부터 발효의 효능을 인식하고 이를 이용하는 기술이 개발되어 왔던 것으로 보인다.

현대적 발효학은 1675년 네덜란드의 Antony Van Leeuwenhoek(1632-1723)의 현미경 관찰에 의해 미생물의 존재가 알려지고, 그 후 약 200년 후인 1857년 Louis Pasteur(1822-1895)에 의해 모든 발효과정은 살아있는 미생물의 작용에 의해서 일어난다는 것이 밝혀지면서 발효에 대한 연구가 시작되었다. Louis Pasteur는 그 후 많은 연구를 진행하였으며 백조목 플라스크 실험을 통해 생명체가 스스로 자연에서 생길 수 있다는 자연발생설을 실험적 결과를 근거로 하여 부정하였으며, 음식물의 발효와 부패 모두 미생물 발효에 의한 것이라는 것을 증명하였다. 현대적인 발효학은 미생물의 발견에 의해 시작되었으며 전통적인 발효와 달리 주로 순수분리된 단일 균주를 이용하여 발효기와 같은 상업시설을 이용하여 대량 생산을 위주로 개발되었다.

그림 1. Louis Pasteur 1822 ~ 1895 (출처: Gettyimages, SPL_C030_1989)

발효학은 Alexander Fleming이 우연히 발견한 항생제인 penicillin의 대량 배양기술을 개발하면서 발전하게 되었다. 초기 발효공정에서 생산되는 penicillin의 최종 농도는 1 ppm으로 매우 낮은 농도였으며, 배지와 배양방법의 개선과 생산력이 높은 균주의 분리, 그리고 외부 균주에 대한 오염을 막을 수 있는 멸균 방법의 개발로 50 g/L까지 생산량이 증가되었으며 이러한 과정을 통해 균주의 개발, 배지 성분에 대한 이해, 반응기 설계와 배양 조절 인자 등에 대한 지식이 크게 확대 되면서 현대와 같은 발효 기술들이 개발 되었다.

발효학은 미생물 세포 내에서 유용한 산물이 대량으로 생합성 되는 원리를 정립하고 이를 활용하여 목적으로 하는 유용한 산물을 효율적으로 대량생산하고 정제하는 기술을 다루는 분야로 발전해왔다.

발효는 미생물이 이용할 수 있는 다양한 탄소원과 질소원 등을 다양한 대사과정을 통해 다른 물질로 전환하는 과정이다. 포도당과 같은 탄소원은 해당과정(glycolysis)를 통해서 pyruvate로 전환되고 다양한 효소의 활성에 의해 또 다른 유기물로 전환 된다. 이때 산소가 존재하면 호기성 대사에 의해 TCA(Tri–Carboxylic Acid) 회로와 전자전달계를 거쳐서 ATP를 생산한다. 이러한 호흡과정을 산화적 인산화(oxidative phosphorylation) 라고 하고 혐기성 대사보다 훨씬 많은 ATP를 생산하는 반응이다. 호기적 상태에서의 발효는 유기산, 아미노산, 항생물질, 생리활성 물질 등의 생산에 이용된다.

호기성 대사

포도당 + 36 P_i + 36 ADP + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 36 ATP

혐기성 대사(예: 에탄올 생산)

포도당 + 2 P_i + 2 ADP → 2 CO₂ + 2 C₂H₅OH + 2 ATP

또한 에탄올 같은 발효산물은 산소가 제한적인 혐기성 반응에 의해 일어나게 된다. 이러한 혐기적 상태에서의 반응을 기질수준의 인산화(substrate level phosphorylation)라고 하며 이 과정에서 에탄올, 부탄올, 아세톤, 젖산 등을 생성하게 된다. 그러나 이러한 반응은 ATP의 생산이 매우 제한적이기 때문에 일부 절대 혐기성 미생물을 제외하고는 미량의 산소 공급을 통해 ATP 생산을 필요로 하는 경우도 있다. 따라서 발효는 미생물이 가지고 있는 다양한 효소를 이용하여 복잡한 대사경로를 통해서 일어나는 반응으로 이 때 미생물은 하나의 살아있는 유기체로 이루어진 복잡한 공정이 이루어지는 공장과도 같은 역할을 한다.

그림 2. 대사경로 (출처: Gettyimages, SPL_C023_8580)

에탄올 발효는 주로 탄수화물로 이루어진 곡물을 이용하여 이루어지며, Aspergillus 속과 같은 곰팡이에 의한 당화과정과 Saccharomyces 속과 같은 효모에 의해 발효과정을 거쳐서 생산되게 된다. 당화과정을 통해 생성된 단당류는 2개의 pyruvate로 전환되고 최종적으로 2개의 에탄올 분자가 생산된다.

(C₆H₁₀O₅)n + nH₂O → n(C₆H₁₂O₆) → 2n(C₂H₅OH) + 2n(CO₂)

주로 주류나 식품에 이용되기 위한 주정의 생산에 주로 이용되었으나 최근에는 석유에너지를 대체하기 위해 옥수수와 사탕수수를 이용하여 생산된 에탄올이 휘발유를 대신해 내연기관의 연료로 사용되고 있다.

젖산 발효는 젖산균에 의해 우유의 산패과정에서 발견되었으며, 치즈 등의 유제품 생산에 이용된다. 젖산 발효는 lactic acid만을 생산하는 homolactic fermentation과 에탄올, 초산 등의 다른 유기물을 함께 생산하는 heterolactic fermentation이 있다.

Homolactic fermentation: C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CHOHCOOH

Heterolactic fermentation: C6H12O6 → CH3CHOHCOOH + C2H5OH + CO2

항생물질은 미생물이 다른 미생물의 생장 또는 대사를 막기 위해 생산하는 물질로 Fleming의 penicillin 분리와 상용화된 생산을 하면서 다양한 항생물질이 발견되었다. 최초의 항생물질은 penicillin은 푸른곰팡이(Penicilium notatum)에서 분리되었으나 현재 생산되는 항생물질의 대부분은 방선균을 이용하여 생산되고 있다. 이러한 항생제는 다양한 계열이 알려져 있다. penicillin, cephalosporin 그리고 carbapenem 등과 같은 그람양성균에 효과가 있는 β-lactam 계열의 항생제가 있고 aminoglycoside 계열의 항생제인 streptomycin, kanamycin, gentamicin 등이 있다. 그 외에 peptide 계열의 항생제와 tetracycline, vancomycin 등 수많은 항생제들이 생산되고 있다. 그러나 이러한 항생제에 내성을 가진 병원성 미생물들이 계속 발견되면서 보다 더 강하고 효과적인 항생제를 만들어내기 위한 연구가 진행되고 있다.

그림 3. 산업현장에서 사용되는 발효기 (출처: Gettyimages, SPL_C029_9529)