[위즈덤 아고라 / 김정윤 기자] 한 번쯤 요구르트를 마실 때 톡 쏘는 느낌을 느껴봤을 것이다. 달콤한 요구르트 향으로 시작해 톡 쏘는 끝맛이 느껴진다. 요구르트 뿐만 아니라 잘 익은 신김치를 먹을 때나 술빵을 먹을 때 입 안에서 나는 특유의 묘한 냄새가 나는데, 흔히 발효식품이라고도 잘 알려진 이 음식들은 사실 보이지 않는 미생물의 같은 화학적 반응을 통해 만들어진다. 많은 사람들은 특유의 쿰쿰한 냄새 탓에 발효된 음식을 부패한 것으로 착각하기도 하지만, 사실 발효는 인체에 유익한 미생물을 분해하여 새로운 물질을 생성하는 과정이라는 점에서 차이가 있다. 과연 우리가 먹는 미생물은 어떻게 발효되는 것일까? 이번 칼럼에서는 발효식품의 원리와 종류, 그리고 식품 외 일상에서 어떻게 활용될 수 있는지에 대해서 얘기해보고자 한다.
기본적으로 발효는 세균과 곰팡이 같은 미생물이 효소를 이용하여 유기물을 분해하는 과정이다. 미생물은 아주 작지만 살아있는 생물이기 때문에 우리처럼 살아가기 위한 에너지가 필요하다. 대체로 미생물의 에너지는 먹이에서 만들어지며 주로 포도당, 설탕과 같은 당을 섭취한다. 예를 들어, 요구르트 안에 들어있는 유산균은 우유 속 당을 먹으며, 김치 속 유산균은 채소 속 당을 먹고, 또 빵에 있는 효모는 밀가루 속 당을 먹는다. 미생물은 당을 먹음과 동시에 이를 분해함으로써 에너지를 얻는다. 하지만 당 분해 과정에서 단순히 당이 사라지는 것이 아니라 다른 물질로 바뀌게 되는데, 이 물질이 바로 미생물 속 에너지 역할을 하는 ATP이다. 빵 속의 효모에서도 유산균이 포도당을 먹으면 젖산 (lactic acid), 그리고 에너지 (ATP)가 함께 생성된다. 젖산은 이름에서도 알 수 있다시피 산이기 때문에 물에 녹으면 수소 이온(H+)을 잃고 pH를 낮추게 되며, 때문에 우리가 맛 보았을 때 신맛을 느끼게 된다. 베이킹 과정에서 빵 반죽을 부풀게 하는 ‘이스트’라고도 잘 알려진 효모 역시 발효과정을 거치는 미생물 종류 중 하나다.
효모가 중요한 이유는 바로 발효를 수행하기 때문이다. 효모는 곰팡이의 한 종류인 미생물이지만 이 중에서도 세균보다 더 큰 단세포 생물에 해당되며, 유산균과 다르게 효모는 산소가 부족한 환경에서 당을 분해하여 에너지를 얻고, 이 과정에서 특이 부산물이 생성된다. 효모가 당을 분해하는 화학 반응은 이렇게 된다: C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2
효모의 생성물은 C2H5OH – 에탄올(알코올)과 CO2 – 이산화탄소로 변한다. 젖산과 에너지를 생성한 유산균과 다르게 효모는 알코올과 이산화탄소를 만든다. 빵 반죽이 부푸는 이유는 효모가 화학적 반응을 통해 이산화탄소 (CO2) 생성하는 과정이기 때문이다. 보리를 발효해서 만드는 맥주, 쌀을 발효해서 만드는 막걸리도 효모의 발효과정을 통해 술의 핵심 성분인 에탄올(알코올)이 만들어지는 것이다. 술 제조 관점에서 보면 효모는 단순히 알코올을 만들기 위한 화학반응이라고 볼 수 있지만 사실 효모의 핵심 목적은 바로 ATP (에너지) 생성이다. 첫 번째로, 효모는 설명을 먹어서 포도당을 세포 안으로 흡수시키고, 이후 당을 분해시키는 해당 과정을 (glycolysis) 통해 포도당을 잘게 부순다. 이 때 당 분해 반응을 빠르게 촉진시키기 위해 효소가 사용되는데, 효소는 생체 촉매로, 화학 반응이 시작되기 위해 필요한 최소한의 에너지인 활성화 에너지를 낮춰주어 빠르게 새로운 물질을 생성할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 큰 포도당이 작은 조각들로 분해되는 과정에서 소량의 에너지인 ATP가 생성된다.
해당과정 이후 효모는 산소 유무에 따라 달라진다. 산소가 주변에 충분히 있다면 효모는 산소를 이용해서 에너지는 얻는 방식을 택하고, 부산물로는 물과 이산화탄소가 배출된다. 하지만 만약 산소가 부족하거나 없다면 효모는 첫 번째 단계에서 분해한 포도당을 계속을 잘게 부수면서 에너지를 조금이라도 얻는 방식으로 바꾼다. 이 과정을 발효라고 한다. 이렇게 해서 산소가 부족할 때 나오는 부산물은 에탄올 (알코올)과 이산화탄소이다. 산소 유무에 따라 다른 두 방식을 비교했을 때, 상대적으로 산소가 있을 때 효모의 에너지 효율이 산소가 없을 때보다 더 좋다. 그 이유인 즉슨 산소는 마지막 단계에서 전자를 받아주는 역할을 하기 때문에 산소가 있으면 포도당을 완전히 분해할 수 있기 때문이다. 반면 산소가 부족할 경우 진행되는 발효는 효모가 포도당을 완전히 분해하지 못하기 때문에 결국 에너지가 적게 생성되는 것이다.
그렇다면 발효는 왜 일부러 비효율적인 방식을 쓰는 걸까? 이 질문에 대한 답을 알기 위해서는 효모의 관점에서 봐야 한다. 효모 입장에서 목표는 에너지를 최대한 많이 만드는 것이 아니라 생명 유지이다. 효모도 결국 미생물이기 때문에 아무리 산소가 부족해도 궁극적으로 살기 위한 임시 전략으로 발효를 선택한다고 보면 된다. 발효는 비효율적이지만 이조차 하지 않으면 생존할 수 없기에 어쩔 수 없이 진행되는 생존용 시스템과 비슷하다. 또한, 효모는 에너지 생성을 위해 포도당을 분해하고 에너지를 얻는 과정에서 NAD+라는 물질이 필요한데, 이 물질은 전자를 주고 받는 운반체 역할을 한다. 포도당 분해 과정에서 전자가 빠져나오면 NAD+가 그 전자를 받아서 NADH가 된다. 그런데 NAD+가 다 없어지면 반응이 멈추기 때문에 효모는 NADH를 다시 NAD+로 되돌리기 위해 발효 된다. NAD+는 발효 과정이 계속 돌아가게 하는 핵심 시스템이다.
발효는 미생물의 종류에 따라 생성되는 물질과 결과가 달라진다. 전반적으로 봤을 때 발효 유형을 나누는 기준은 ‘어떤 미생물이 어떤 물질을 만들었는가?’ 이다. 같은 당을 이용하는 발효라도 미생물의 종류에 따라 다른 발효 과정이 진행되는데 발효의 두 가지 대표 유형인 유산 발효와 알코올 발효가 있다. 두 유형은 같은 포도당을 사용하지만 화학적 결과, 즉 생성물은 다르게 나온다. 앞서 언급한 유산균의 생성물은 젖산이기 때문에 유산 발효인 반면, 효모의 생성물은 알코올이 있기 때문에 알코올 발효가 된다. 효모가 발효하는 이유는 알코올보다 에너지를 계속 얻기 위해 이 반응을 유지하는 것이기 때문에 사실상 사람들은 생성물 중 하나인 알코올을 식품 성분으로 소비하는 셈이다.유산 발효는 항상 산성 물질인 젖산이 나오지만 알코올 발효는 젖산 대신 에탄올과 이산화탄소가 생성된다. 아무리 같은 포도당을 분해하는 과정을 거쳐도 미생물에 따라 다른 대사 경로로 가게 되고 결국 다른 결과물이 나온다.
뿐만 아니라 생성물 때문에 음식에서 나타나는 변화가 달라지기도 한다. 예를 들어 유산 발효가 된 김치는 젖산의 산성이 신맛을 만들고 산성화로 인해 pH가 감소한다. 신김치 특유의 시큼하고 톡 쏘는 맛은 오랜기간 신선하게 보관할 수 있는 보존효과가 있으며, 이는 곧 부패를 억제시킨다. 이에 반해 알코올 발효로 만들어진 빵과 와인은 이산화탄소와 에탄올에 의한 만들어진다. 이산화탄소는 기체기 때문에 효모가 반죽 안에서 활동하면서 CO2를 계속 만들어내면 기체가 작은 공기 방울처럼 생겨 반죽 안에 갇히게 되는데, 이 방울이 점점 많아지면서 반죽이 부풀어 오른다. 정리하자면, 효모가 만든 기체가 반죽을 안에서 풍선처럼 밀어 올리기 때문에 빵이 폭신해지고 구멍이 부풀어오르게 되는 것이다.
알코올 발효에서는 효모가 발효할 때 같이 만들어지지만 에탄올(알코올)은 액체이기 때문에 빵이 굽는 과정에서 휘발되지만 술에서는 그대로 남아있게 된다. 에탄올(알코올)과 이산화탄소가 생성되는 이유는 포도당에 있다. 포도당의 화학식을 보면 탄소가 6개 들어있는데, 알코올 발효가 끝나면 생성물은 에탄올 1분자가 탄소 2개, 에탄올 2분자는 탄소 4개, 그리고 이산화탄소 2분자가 탄소 2개를 만들어 총 6개다. 그런데 포도당 6개를 전부 에탄올로 만들지 않는 이유는 무엇일까? 그 이유는 효모가 포도당을 분해하면서 에너지를 얻는 과정에서 탄소 일부를 이산화탄소 형태로 내보내야 하기 때문이다. 탄소 6개를 전부 에탄올을 만들지 않는 또 다른 이유는 전자 균형 때문이다. 포도당을 분해하면 전자가 이동하는데, 효모는 그 전자를 사용해서 다시 NAD+를 만들어야 한다. 이 과정에서 일부 탄소는 이산화탄소로 방출되고, 나머지 탄소는 에탄올로 변환된다. 에탄올를 생성하는 과정은 NADH를 NAD+로 재생시키는 중요한 역할을 하며, 이를 통해 효모는 포도당 분해를 계속하여 에너지를 생성할 수 있게 된다. NAD+가 재생되지 않으면 포도당 분해 과정이 멈추게 되어 효모는 더 이상 ATP를 생산할 수 없게 되기 때문에 에탄올 생성 과정은 꼭 필요하다.
발효는 단순히 음식의 맛을 변화시키는 것뿐만 아니라 다양한 산업과 일상생활에서도 활용된다. 냉장고가 없던 시절에는 발효를 이용해서 음식을 오래 보관했다. 발효가 음식이 부패되는 걸 막아주는 이유는 유산균이 젖산을 만들면 pH가 감소되어 산성 환경을 만들게 되고 이는 부패균들이 증식되는 걸 방지한다. 우리가 먹는 김치, 요구르트, 치즈, 그리고 피클 모두 오랜시간 저장이 가능한 이유다. 또한, 발효는 최근에 많이 나오는 개념인 프로바이오틱스과와도 연관된다. 프로바이틱스는 인체에 도움을 주는 살아있는 미생물로, 대표적으로 락토바실러스와 비피도박테리움 등의 유산균이 있다. 우리 장에는 수많은 미생물이 있는데 유산균을 섭취하면 유익균이 많아지고 유익균이 많을수록 소화와 면역 기능 지원에 효과적이다. 이처럼 발효는 인체 건강과 같은 생물학적 영역뿐만 아니라, 다양한 산업 분야로도 확장되어 활용된다.
발효의 활용 범위는 식품에만 국한되지 않는다. 발효는 에너지와 생명공학 분야에서도 중요한 역할을 한다. 효모가 옥수수, 사탕수수, 곡물 속 당을 발효하면 에탄올이 생성되는데, 이 에탄올을 연료로 사용할 수 있다. 이렇게 해서 생산된 에탄올을 바이오에탄올이라고 한다. 연합뉴스에 따르면 미국은 2007년과 2007년 휘발유에 바이오 에탄올을 혼합하는 재생 연료 의무화 정책을 도입했는데, 이는 유가 급등 때 중동에 대한 석유 의존도를 낮추기 위해서였다. 또한, 미 환경보호청 (EPA)에 따르면 바이오 에탄올 연료는 100% 휘발유에 비해 온실가스를 무려 45%나 줄일 수 있다. 바이오 에탄올은 석유보다 비교적 저렴하기 때문에 미래 친환경 연료 후보로 연구되고 있는 추세이며, 미국을 포함한 유럽연합, 브라질 등 60여 개국은 바이오 에탄올 연료 정책을 도입했다. 더불어 발효는 제약 산업에서도 중요한 역할을 하는데, 특정 물질을 대량 생산하여 의료 목적으로 사용될 수 있다. 대표적으로 페니실린이라는 항생제는 은 곰팡이의 대사 산물을 이용해 개발됐다. 이와 같은 발효는 항생제, 백신 등을 생산하는데 필요한 과정이며, 때문에 현대 바이오 산업에서는 효모와 세균을 이용해 의약품을 개발한다. 조선 경제에 따르면, 지난 2023년 스텐포드대 스몰케 교수는 양귀비의 유전자에서 나온 진통제 성분을 효모에서 생산하는 기술을 개발하는데 성공했다.
결론적으로 발효는 단순한 음식 제조 과정이나 음식 보관 방법이 아니라 미생물이 에너지를 얻고 생존하기 위해 수행하는 생화학적 현상이다. 우리가 일상에서 접하는 요구르트, 김치, 빵, 술뿐만 아니라 발효는 앞으로 미래에 사용될 수 있는 바이오 에탄올 등 친환경 연료와 의약품 생산까지도 연결되어 있다. 보이지 않는 미생물의 작은 활동이 우리의 식생활과 산업 발전에 큰 영향을 미치고 있는 셈이다.
