@ 발효<fermentation>(醱酵)

넓은 뜻으로는 미생물이 자신의 효소로 유기물을 분해 또는 변화시켜 각기 특유한 최종산물을 만들어내는 현상을 말하나, 좁은 뜻으로는 탄수화물이 무산소적으로 분해되는 복잡한 반응계열로 이루어지는 과정을 말한다.

【발견과 역사】 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 97년 E.부흐너가 살아 있는 세포 없이, 즉 효모추출법에 의해서 수크로오스[蔗糖]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.

【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.

【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 발효에 최종생성물이 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.

【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(조효소 Ⅰ)·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.

@ 발효공업(醱酵工業)

미생물로 이루어지는 화학변화를 이용한 공업. 발효공업은 고대부터 포도주·맥주 등과 같은 알코올, 주류제조 및 간장·된장·빵효모·치즈·요구르트·식초 등과 같은 발효식품제조에 이용되었다.

발효공업의 급진적인 발전으로 항생물질 및 항암물질 생산공업, 유기산 발효공업, 아미노산 발효공업, 효소생산공업, 균체 제조공업이 생겨났다. 그 밖에 메탄발효, 폐액처리, 공해방지, 탈황, 채광 등에 발효가 응용되고 있다.

항생물질의 연구는 A.플레밍의 페니실린의 발견으로 시작되었고, 그 후 크게 발전되어 인류복지에 공헌하고 있다. 항생물질의 종류는 100가지가 넘지만 페니실린과 스트렙토마이신이 주로 생산된다.

유기산 발효공업의 대표적인 생산물질은 시트르산(구연산)·젖산·초산으로, 시트르산은 청량음료의 제조원료로 수요가 증가하고 있다. 젖산은 식품공업·음료·피혁공업·의약 및 기타 여러 곳에 사용되고 있고, 아세트산은 주로 식용에 사용된다.

아미노산 공업은 특히 일본에서 개발된 미생물 공업으로 미생물의 생체 내에서 이루어지는 생합성의 대사조절메커니즘을 인위적으로 개변 및 제어함으로써 생합성의 중간생산물을 대량으로 축적시키는 데 성공한 획기적인 발효공업이다.

미생물로 생산되는 아미노산은 글루타민(glutamine), 리신(lysine), 호모세린(homoserine), 트레오닌(threonine), 페닐알라닌(phenylalanine), 티로신(tyrosin), 메티오닌(methionine), 트립토판(tryptophane), 히스티딘(histidine), 류신(leucine), 이소류신(isoleucine) 등이다. 효소공업은 아밀라아제(amylase) 제조공업의 발전과 더불어 가수분해효소를 주축으로 하여 산화효소·이성질체화효소·응유효소 등 여러 효소의 생산기술 및 정제기술이 발전되어 간다.

현재는 아밀라아제·프로테아제(protease)뿐만 아니라 글루코오스(glucose)·이소메라아제(isomerase:이성질화효소)·리파아제(lipase)·라이소자임(lysozyme)·인베르타아제(invertase) 등이 생산되고 있다. 핵산관계의 발효생산물로서는 5'-IMP, 5'-GMP와 같은 핵산조미료가 생성되고 있다. 세계적인 식량부족의 해결을 위해 미생물균체 단백질을 이용하는 연구가 관심의 대상이 되고 있다.

발효공업은 다른 공업과는 달리 생명체가 일으키는 화학반응을 이용한 공업으로 다음과 같은 특징이 있다.
첫째, 발효반응은 생화학반응으로 보통 상온상압에서 진행되므로 폭발의 위험성이 적다. 따라서 장치설비에 폭발의 위험을 고려하지 않아도 된다.
둘째, 원료는 당밀·녹말 등과 같은 탄수화물을 주체로 하고 여기에 유기·무기의 질소원을 소량 가한다. 원료는 일반적으로 독성이 함유되지 않는 한 정제할 필요가 없다.
셋째, 반응이 생체의 자기제어작용에 의하여 진행되므로 수십 가지의 반응공정을 단일반응과 같이 쉽게 진행시킬 수 있으므로 발효조라는 단일장치 안에서 진행된다.
넷째, 복잡한 고분자 화합물을 쉽게 생산할 수 있고 효소류의 생산 및 광학활성체의 선택적인 생산 등은 발효공업의 가장 큰 특색이다.
다섯째, 생체특유의 반응 메커니즘에 의하여 고도의 선택반응을 가능케 한다.
여섯째, 발효산물을 만드는 미생물균체 자체도 단백질·효소 등을 함유한 유용발효산물이 된다.
마지막으로 발효공업에서 작업상 주의해야 할 것은 잡균오염의 방지이다. 멸균과정에서 멸균에 실패할 경우 발효공정은 큰 손해를 보게 되며, 특히 바이러스가 발효공정에서 일어나면 치명적이다.

@ 발효균<fermentation fungi>(醱酵菌)

발효작용을 일으키는 미생물. 발효란 미생물이 비교적 큰 분자의 유기산을 분해하는 현상이며, 그것에 의해 발생하는 에너지는 생물이 생활하는 원동력으로 사용된다. 이러한 작용은 동식물계에서 모두 볼 수 있는 현상으로, 균류에서는 특히 그 작용이 강한 것이 있어 이를 인간생활에 이용하는 경우가 있다. 이러한 균류를 통틀어 발효균이라고 한다.

발효균 중에서 가장 오래 전부터 인간이 사용한 것은 알코올 발효에 관한 균류이다. 예를 들면, 맥주를 양조할 때 사용하는 맥주효모균(Saccharomyces cerevisiae)이나 포도주를 양조할 때 사용하는 포도주효모균(S. ellipsoides) 등이 있다.

그 밖에 글루콘산 발효를 일으키는 검은곰팡이 및 푸른곰팡이속의 일종, 푸마르산 발효를 일으키는 거미줄곰광이속의 일종, 시트르산·옥살산·갈산·이타콘산·젖산 등의 발효를 일으키는 곰팡이류 등도 알려져 있다. 또한, 효모균을 특수한 상태하에서 배양하면 글리세린이 다량으로 생기는 것이 발견되어, 그 방법이 공업화되었다.

또, 알코올 발효에 관한 조균류에 속하는 털곰팡이속이나 거미줄곰팡이속에 속하는 어떤 종류의 곰팡이는 단일(單一) 곰팡이가 녹말의 당화와 그 당분의 알코올화를 일으키므로 이것을 아밀로법이라 하여 양조에 사용되고 있다. 코올 음료 외에 된장·간장도 발효에 의하여 제조되는데, 이 때에는 누룩곰팡이뿐만 아니라 효모균류, 세균류가 함께 작용하여 복잡한 변화를 거친 결과 목적물이 생긴다.

@ 발효소시지<fermented sausage>(醱酵-)

젖산균[乳酸菌]을 순수배양한 후 냉동건조시킨 것을 스타터로 사용, 발효시켜서 만든 반건조 소시지 또는 건조 소시지. 젖산균으로는 소시지의 품질을 향상시켜 주는 Micrococcus M-53과 Pediococcus cerevisiae를 사용한다.

원료로는 쇠고기·돼지고기로서 신선한 것을 선택한다. 또 전체 제조과정을 통하여 젖산균의 번식을 촉진하고 잡균의 번식을 억제하기 위하여 온도관리에 주의한다. 원료고기를 미트 초퍼(meat chopper)로 갈고 이에 젖산균의 스타터 및 다른 원료를 가하여 혼합기로 잘 섞는다.

이런 과정이 끝난 다음 통기성이 있는 케이싱에 채워 20 ℃에서 3∼5일 발효, 건조시킨 후 20 ℃에서 5∼7일 훈연(燻煙)한다. 마지막으로 10 ℃의 건조실에서 약 10일간 건조시켜 제품으로 완성한다.

@ 발효식품<fermented food>(醱酵食品)

젖산균이나 효모 등 미생물의 발효 작용을 이용하여 만든 식품. 미생물의 종류, 식품의 재료에 따라 발효식품의 종류는 다양하며, 각기 독특한 특징과 풍미를 지닌다.

농산물·수산물·축산물·임산물 식품들이 재료로 쓰이는데 그 특유의 성분들이 미생물의 작용으로 분해되고 새로운 성분이 합성되어 영양가가 향상되고 기호성·저장성이 우수해진다.

주류, 빵류, 식초, 콩발효식품(간장·된장·고추장 등), 발효유제품(치즈·버터·요구르트 등), 소금절임류(김치·젓갈)가 모두 발효식품으로 오래 전부터 애용된다. 발효식품은 한 가지, 또는 둘 이상의 미생물을 사용하여 만든다.

@ 발효유<fermented milk>(醱酵乳)

우유·염소젖·말젖 등에 젖산균 또는 효모를 배양하고, 젖당(락토오스)을 발효시켜 젖산이나 알코올을 생성시켜서 특수한 풍미를 가지도록 만든 음료. 주로 젖산균을 배양하여 젖산만을 함유하는 산성우유(acid milk)와 젖산균 및 효모의 작용에 의하여 젖산발효 및 알코올 발효를 동시에 일으킨 알코올 발효유로 크게 나눈다.

산성우유에는 요구르트(yoghurt), 발효 버터밀크, 아시도필루스 밀크(acidophilus milk) 등이 있다. 알코올 발효유에는 양젖·염소젖을 원료로 하는 케퍼(kefir), 말젖을 원료로 하는 쿠미스(kumyz) 등이 있는데, 1∼3 % 정도의 알코올을 함유하므로 젖술(milk wine)이라고도 하며 중앙아시아·카프카스 지방에서 애용하고 있다.

산성우유는 두부와 같이 응고되어 있으므로 요구르트와 같이 그대로 마시기도 하지만, 이것을 부수어 설탕·향료 등을 가하고 젖산균이 살아남도록 가공한 젖산균 음료, 또는 가공 후 살균하여 저장성을 가지게 한 칼피스(calpis)와 같은 젖산음료로 이용된다. 또 마가린에 천연 버터와 같은 풍미를 주기 위하여 산성우유를 유상액(乳狀液) 상태로 혼합하는 경우도 있다.