발효는 우리 인간이 수천 년 동안 활용해 오고 있는 아주 중요한 화학 현상입니다. 알코올 음료와 빵의 제조에서부터 요구르트와 치즈의 제조에 이르기까지 발효는 우리 일상생활에서 중요한 역할을 합니다. 그렇다면, 이 발효 과정 속에서는 정확히 어떤 일이 일어나고 있는 것인지 궁금할 것입니다. 미생물은 어떻게 단순한 재료를 복잡한 맛과 질감으로 변환시키는 것일까요? 오늘은 발효의 화학적 원리를 알아보고, 발효의 생화학적 기초, 다양한 유형 및 실제 예시에 대해 살펴보겠습니다.
✔️ 발효의 생화학적 기초
발효는 설탕을 산, 가스 또는 알코올로 전환시키는 대사 과정입니다. 이는 효모와 박테리아에서 발생하며 젖산 발효의 경우처럼 산소가 부족한 근육 세포에서도 발생하기도 합니다. 발효의 생화학적 기초에는 여러 단계가 포함되며, 주로 해당과정 과 발효경로가 뒤따릅니다. 해당과정은 일련의 효소 매개 반응을 틍해 한 분자의 포도당이 두 분자의 피루브산으로 분해되는 발효의 초기 단계입니다. 이 과정은 ATP 형태로 소량의 에너지를 생성하고 NAD+를 NADH로 환원시킵니다. 피부르산의 운명은 유기체의 유형과 산소의 유무에 따라 달라집니다. 혐기성 조건(산소의 부재)에서 피루브산은 발효를 거쳐 NAD+를 재생하는데, 이는 해당작용이 계속되는 데 중요합니다. 발효에는 여러 가지 유형이 있지만 가장 잘 알려진 두 가지 발효는 알코올 발효와 젖산 발효입니다. 효모에 의해 수행되는 알코올 발효에서는 피루브산이 에탄올과 이산화탄소로 전환됩니다. 특정 박테리아와 근육 세포에 의해 수행되는 젖산 발효에서 피루브산은 젖산으로 전환됩니다.
✔️ 발효의 종류
발효는 생성되는 최종 산물에 따라 다양한 유형으로 분류될 수 있습니다. 두 가지 주요 유형은 알코올 발효와 젖산 발효이지만 아세트산 발효 및 부티르산 발효와 같은 다른 형태도 있습니다. 알코올 발효는 효모와 일부 유형의 박테리아에 의해 수행됩니다. 여기에는 포도당이 에탄올과 이산화탄소로 전환되는 과정이 포함됩니다. 이 과정은 포도당이 피루브산으로 분해되는 해당과정으로 시작됩니다. 그 다음 피루브산은 탈카르복실화되어 아세트알데히드로 되고, 이는 이후 알코올 탄수소효소에 의해 에탄올로 환원되어 이 과정에서 NAD+를 재생성합니다. 알코올 발효는 맥주, 와인, 증류주와 같은 알코올 음료의 생산뿐만 아니라 이산화탄소가 반죽을 부풀게 만드는 베이킹에서도 널리 사용됩니다. 젖산 발효는 유산균뿐만 아니라 혐기성 조건의 동물 근육 세포에서도 수행됩니다. 격렬한 운동 중에 산소가 부족하면 근육 세포는 유산소 호흡에서 젖산 발효로 전환하여 ATP를 생성합니다. 이 과정에서 피루브산은 NAD+의 재생과 함께 젖산탄수소효소에 의해 젖산으로 직접 환원됩니다. 젖산 발효는 요구르트, 케피르, 치즈와 같은 다양한 유제품뿐만 아니라 사우어 크라우트, 김치와 같은 발효 야채를 생산하는 데 중요합니다. 아세트산 발효는 주로 acetobacter 속의 아세트산 박테리아에 의해 에탄올이 아세트산으로 산화되는 과정을 포함하며, 이는 식초 생산에 사용됩니다. 이 과정은 알코올 발효로 시작하여 에탄올을 생성한 다음 산소가 있는 상태에서 아세트산으로 산화됩니다. 이러한 유형의 발효는 발효 제품 생산에서의 혐기성 공정과 호기성 공정 간의 상호 작용이 중요합니다.
✔️ 일상 예시
발효는 단순한 실험실에서 나타나는 현상이 아닙니다. 이는 우리의 일상생활에 실제로 적용되는 현상입니다. 가장 일반적인 예시 중 하나는 요구르트 만들기입니다. 이 과정에는 'Lactobacillus bulgaricus' 및 'Streptococcus thermophilus'와 같은 특정 박테리아 종을 사용하여 우유를 발효시키는 젖산 발효가 포함됩니다. 요구르트 생산의 첫 단계는 우유를 준비하는 것입니다. 우유는 특정 온도로 가열되어 단백질을 변성시켜 부드러운 질감을 얻는 데 도움이 됩니다. 그런 다음 박테리아 발효에 적합한 온도로 냉각됩니다. 우유가 적절한 온도에 도달하면 'Lactobacillus bulgaricus' 및 'Streptococcus thermophilus'의 살아 있는 배양균을 접종합니다. 이 박테리아는 우유에 존재하는 유당을 발효시켜 젖산으로 전환합니다. 발효 과정은 일반적으로 몇 시간이 소요되며, 이 기간 동안 박테리아가 증식하여 젖산을 생성합니다. 젖산의 증가는 우유의 pH를 낮추어 우유를 응고시키고 걸쭉하게 만들어 요구르트를 형성합니다. 젖산은 또한 요구르트에 특유의 톡 쏘는 맛을 더해줍니다. 요구르트를 만드는 과정은 젖산 발효의 완벽한 예시입니다. 이는 우유를 걸쭉하고 크리미한 제품으로 변화시킬 뿐만 아니라 우유의 영양 프로필과 유통 기한도 향상시킵니다.
✔️ 결론
발효는 생물학과 화학 사이의 복잡한 상호 작용을 보이는 놀라운 화학적 현상입니다. 좋아하는 맥주의 거품이든, 요구르트의 톡 쏘는 맛이든, 빵 반죽의 거품이든, 발효는 많은 요리의 즐거움과 우리 삶의 필수적인 요소로 자리하고 있습니다. 생화학적 원리와 발효 유형을 이해하면 이러한 일상 속 현상에 대해 더 친숙해질 수 있습니다. 발효에 대해 계속 탐구하고 활용하면서 우리는 고대 전통과 연결될 뿐만 아니라 이러한 발효 과정이 지속 가능한 식품 생산, 건강 및 그 이상의 영역에서 점점 더 많은 역할을 하는 미래를 기대할 수 있을 것입니다.