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KNUmbl

발효미생물

발효미생물

2019-09-02 KNU Microbial Biotechnology Laboratory 4

발효(fermentation)의의미

- fervere(발효한다는의미)에서유래 -미생물의생활작용

-최초의발효 :알코올발효 -당으로부터알코올과 CO2생성

세계의발효식품들

발효미생물

* 미생물에의해식품재료의성분이분해되고새로운성분합성

1. 식품소재의향, 풍미, 조직감향상 -기호성

-발효에의해생기는향 : 부케(bouquet)

* 식품소재자체의향 : 아로마(aroma)

2. 식품의저장성향상 -저장성

-특히젖산, 초산, 알코올발효등

3. 영양이풍부한식품의제조 -영양가

-미생물에의한영양분의생성 : 단백질, 필수아미노산, 필수지방산, 비타민등

4. 발효를통한독성물질파괴, 기능성및소화성증진 -기능성

-미생물에의한독성물질파괴및생리활성물질생산

-난소화성물질의분해및효소의생산

5. 식품의요리시간단축및에너지소비감소 -편이성


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포도당, 과당 함유

에탄올, CO2 생성

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포도제경, 파쇄

아황산첨가

담금 발효 앙금질 여과저장, 숙성

병입 제품

•색소추출을 위해 껍질채 담금

•비교적 고온에서 단시간 발효

•주발효 후 압착 여과하여 후발효

적포도주

•착즙하여 과즙상태로 담금

•비교적 저온에서 장시간 발효

•후발효 없고 발효 후 바로 암금질

백포도주

착즙주모

배양

와인 : 최상의포도가공기술→저장성, 기호성, 기능성, 상품성년간약 750ml 기준 370억병생산

발효미생물


발효

-주로 와인효모

-일부 야생효모

-때에 따라 유산균

-때에 따라 곰팡이

당분 주로 함유(포도당, 과당)

알코올 함유

* 년간 세계 포도 생산량 : 약 6천만톤-이태리 : 739만-중 국 : 679만-미 국 : 638만-프랑스 : 602만-스페인 : 596만-터 키 : 361만

* 2014년 년간 세계 와인 생산량: 약 2.8천만톤/년 = 750ml 370억병

* 시장 규모 : 230조원* 주요생산국- 이태리 60억병- 프랑스 60억병- 스페인 55억병- 미국 30억병- 아르헨티나 22억병

1,500만원

10,000-30,000원

1,000원/Kg

발효미생물


부르고뉴 지방 로마네꽁티 : 1,000만원/병 이상

보르도 지방 라뚜르, 라피트로칠드, 마고 등 : 100만원/병 이상

발효미생물

☞와인양조장바로뒤편야상약 20ha의포도원보유

☞연간 6,000병한정생산 – 1,000만원/병 = 600억매출


발효미생물

2019-09-02 KNU Microbial Biotechnology Laboratory 112019-09-02 KNU Microbial Biotechnology Laboratory 11

로다이의 우드브리지의 예

원료 포도가격 : 11억원(과즙)(1,000원/Kg의 경우)

발효미생물

1. 발효의추정-포도나과일표피효모

: 포도주, 식초-기원전 1만년

: 맥주, 치즈-기원전 6000년

: 발효빵-기원전 4000년

2. 발효에관한기록

: 히브리시대-구약성서, 신약성서의포도주, 식초, 빵

: 바빌로니아시대고대이집트인의묘비그림-맥주, 빵

: 그리이스신화의디오니소스, 로마신화의박커스신

: 중국우왕때이화

: 우리나라삼국사기고구려건국신화

-해모수와유화--주몽탄생

3. 기타전통적발효이용의예

: 전통발효식품의제조-치즈의제조

: 곰팡이슨치즈, 육류, 빵등을상처치료


발효미생물


발효현상 구명

이집트의 와인

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1. 영국의 산업혁명: 18C 중엽

1) 새로운기계의발명

: 방적기발명, 증기기관발명, 와트의증기기관보급

-공장제기계공업 : 면직물, 제철, 기계, 금속공업의급속발달

2) 교통과통신기관의발달

:증기선, 증기기관차(철도시대개막), 유선전신, 전화, 무선전신발달

-원료와제품의빠른수송가능, 국제화시대개막

2. 다른나라의산업혁명

1) 19C 전반기: 프랑스, 벨기에, 미국등산업혁명시작

2) 19C 중엽이후: 전유럽으로확산

3) 19세기후반: 제2차산업혁명-화학, 전기공업등의발달

3. 발효의산업화

산업혁명의결과로농업사회로부터산업사회로의전환

-인구집중화및도시화로다양한수요창출

-양조공업(주로주류)과각종식품(젖산발효식품)의산업화

발효미생물


1. 제 1차세계대전 : 독일의글리세린발효, 영국의아세톤•부탄올발효

2. 제 2차세계대전 : 일본의부탄올발효, 영국과미국의페니실린공업화

3. 1950년대 : 조미료와아미노산발효

4. 1960년대단세포단백의개념등장 -미래식량및사료원

5. 1970년이후: 미생물기능이용

-공업발달로인한문제점(환경정화), 채광기술이용

6. 1980년이후: 미생물의유전자공학

-생산효율증가, 인슐린, 인터페론, 백신등

발효미생물


발효식품의 이용

- 주류

- 장류

- 식초

- 김치류

- 발효유제품

- 발효빵

- 젖갈류등

발효산물의 이용

- 효소

- 주정

- 항생물질

- 유기산

- 아미노산

- 핵산관련물질

- 당류관련물질

- 생리활성물질

- 미생물균체

미생물의 특수 이용

- 환경정화

- 원유의탈황

- 대체에너지

- 미생물정련

- 유기질비료

발효미생물

1. 주류 : 곡류와과실

-효모에의한당분또는전분질원료의알코올발효의이용

2. 식초 : 곡류와과실

-효모에의한알코올발효및초산균에의한초산발효를이용하여생산

3. 발효대두식품 : 장류

-세균및곰팡이에의한대두단백질의가수분해를이용하여생산

4. 발효원예식품 : 김치류

-젖산균에의한원예산물(주로채소)의유산발효로생산

5. 발효수산식품 : 젓갈과식해(안동식혜포함)

-젖산균에의한수산식품의유산발효로생산

6. 발효축산식품 : 발효유제품

-젖산균에의한우유의유산발효로생산

7. 기타 : 발효빵, 미생물제품들(주로효모, 유산균, 조류)


* 주류시장 제외

발효미생물


원 료 발효식품

축산물

치즈

젖산발효음료

알코올포함발효유

발효버터

농산물

발효빵

젖산발효음료 –곡류, 콩, 과실, 채소

알코올음료 –과실, 곡류

식초 –곡류, 과실, 술

장류 –간장, 된장, 청국장

발효채소 –김치, 사우어크라우트, 피클

수산물젖갈

식해

발효미생물

발효미생물


미생물 : 최초생물체로부터 미약한 진화를 받아 구조 및 체제가 단순한 생물체

0.1mm 세균 효모

* 미생물 : 크기가 0.1mm 이하의미소한생물 -육안으로관찰불가능

-후에육안으로잘관찰되는대형의것도포함: 곰팡이, 조류

-고등생물(식물, 동물)보다조직의분화미비하고세포화학이상이

발효미생물


About 3.8 billion years ago, -------------최초의 생명체 탄생 : 유황세균

발효미생물


발효미생물


네델란드의 Antonie van Leeuwenhoek

: 현미경제작기술보유-최초의현미경 (약 200배)

: 1675년, 빗물에서운동성의작은생물체발견-animalcule (극소동물) 명명

발효미생물


생물계

미생물

(원생생물)

고등미생물

(진핵미생물)

원생동물 조류 균류

점균류 진균류

효모 곰팡이

하등미생물

(원핵미생물)

세균남조류

(청색세균)

바이러스

식물 동물

발효미생물

* 미생물의형태: 단순한구조, 종류에따라단세포, 사상체, 집락, 식물체등구성

-세균: 구형, 막대형, 구형과막대중간형, 나선형, 콤마형, 사상형

-효모: 난형(계란형), 타원형, 구형, 오이형등

-곰팡이: 사상형 (실과같은모양)


발효미생물


종류

적혈구

진핵미생물

짚신벌레 (원생동물)

클로렐라

곰팡이포자

곰팡이균사

빵효모 (효모)

원핵미생물

대장균 (세균)

젖산간균

고초균

바이러스

박테리오파지

직경 (μm)

8

40

6-8

5-10

3-8

(3~10)× (4.5~21) 보통 5~6

(0.5~1.0)× 2.0

(0.8~1.0)× (4~6)

1.3× 3.0

0.02~0.3

0.18~0.2

발효미생물


1. 세균(bacteria): 분열에의해번식하는하등미생물

1) 젖산균(lactic acid bacteria): 젖산생산, 김치류, 발효유제품

2) 초산균(acetic acid bacteria): 식초의생산

3) 프로피온산균: 치즈의숙성

4) 낙산균(butyric acid bacteria): 버터숙성, 아세톤, 부탄올생산

5) 바실루스: 각종효소생산, 청국장(납두균) 생산, 미생물농약

6) 알코올세균: 대체에너지생산

7) 방선균: 각종의항생제생산 -마이신

2. 효모(yeast): 출아에의해번식하는고등미생물

1) 알코올효모: 주류및주정의생산

2) 빵효모: 빵반죽에이용

3) 유지효모: 미생물성기름

4) 식사료용효모: 균체단백의생산

3. 곰팡이: 균사상의고등미생물

1) 누룩곰팡이: 당화효소생산, 주류공업에이용, 구연산생산

2) 거미줄곰팡이: 당화효소, 펙티나아제생산

3) 털곰팡이: 미생물 rennet

4) 푸른곰팡이: 페니실린, 치즈숙성

5) 회색곰팡이: 귀부와인의생산에이용

발효미생물

1. 영양세대대부분이사상의긴세포형성--균사체형성

1) 균사(hypha): 사상의긴관에세포질이함유된구조--φ1-30μ(보통 6-7μ)

가) 영양균사(vegetative hypha): 기질속을침투하거나표면을따라신장

-영양분섭취 -기중균사(submerged hypha)라고도함

나) 기균사(aerial hypha)

-공기중으로신장하는균사중번식기관을형성하지않은것

-번식기관을형성하면자실체

2) colony(균총) = 균사체 + 자실체 (세균,효모의경우집락)

2. 주로포자(spore, 홀씨)에의하여번식:곰팡이, 버섯주로해당

-고등식물의종자역할 -적당한장소에착지후발아하여균사로생장

3. 다핵성 : 여러개의핵이서로연결된세포질내존재

* 균사의격막(격벽)(septum-septa)

-격막이없는경우 –세포내물질이연결

-격막이있는경우 –격막중앙에구멍이있음-세포질과핵이자유로이이동


발효미생물

* 분류기준 : 세포벽및격막유무, 유성포자유무및모양, 무성포자모양

: 균사에세포벽유무에따라변형균류와진균류로분류

1. 변형균류(Myxomycetes)= 점균류(slime mold) : 세포벽무

: 일정한모양이없어육질충류(예, 아메바)유사

-자실체, 포자때문균류취급하나진균류에포함시키지않음

2. 진균류 = 진정균류(Eumycetes = true fungi)

-진정한세포벽(균사벽)을가지고있어세포의모양이일정

-균사에격막 (=격벽, septum)있으면고등균류와없으면하등균류로구분

1) 하등균류 (조(상)균류, Phycomycetes) -무성포자모양으로 2개로분류

가) 편모균문(Mastigomycota)

-유주자낭(zoosporangium)내에유주자(zoospore) 형성

-해수, 담수, 습한토양등수생환경에존재 : 편모운동

나) 접합균문(Zygomycota)-----------------------털곰팡이목

-무성적으로포자낭(sporangium)내에포자낭포자(sporangiospore) 형성

-유성적으로접합포자(zygospore) 형성

-접합균강(Zygomycetes) 중요 - Mucor, Rhizopus, Absidia spp.


격막(=격벽)

발효미생물

2) 고등균류 (순정균류, Mycomycetes) : 유성포자유무, 모양에따라 3개로분류

다) 자낭균문(Ascomycota)--곰팡이, 효모, 일부의버섯

: 유성적으로자낭포자(ascospore) 형성, 무성포자는외생 ----완전국균목

– 자낭포자는자낭내에형성 (내생포자)

라) 담자균문(Basidiomycota)--효모, 버섯

: 유성적으로담자포자(basidiospore) 형성---------------버섯류

마) 불완전균문(Deuteromycota, Fungi imperfecti)--곰팡이, 효모

– 자낭균문과담자균문의불완전형--유성세대무-----------선균목

– 유성세대발견되면자낭균문또는담자균문으로분류

* Aspergillus, Penicillium spp.--어떤것은유성세대발견: 자낭균류에속함


자낭포자 담자포자

발효미생물

* Aspergillus sp. (누룩곰팡이속, 국균속)

: 포자의색 –황색, 흑색, 백색, 녹색, 갈색등

: 분생자병의끝이팽대하여구형, 플라스크형, 곤봉형의정낭형성

-정낭위경자형성하고경자에분생자(분생포자) 형성

* 분생자(분생포자, conidia) : 경자위에형성하는외생의무성포자

-기부의균사일부는후막화된병족세포(각세포, foot cell) 형성

1) 독소의생성에관여 : mycotoxin – mycotoxicosis(진균독중독증)

A. flavus : 저장미(쌀보리, 옥수수, 땅콩) 주로번식 – aflatoxin 독소생산

2) 양조용국균으로유명 : amylase & protease 생산력강

-국(코지) 제조에이용 : 국균, 코지곰팡이라불림

A. oryzae [황국균] : 청주, 탁약주, 간장, 주정제조고체국

A. niger [흑국균] : 다양한효소의생산

-주정제조액체국, pectinase, 수산, 글루콘산, 구연산생산에이용

A. kawachii(A. luchuensis mut. Kawachii] [백국균] : 탁약주제조고체국

A. sojae : 당화력과단백분해력강장류제조공업적이용


발효미생물

대표적인접합균류로균사가거미줄모양

-생육초기백색, 성숙하면회백색, 회갈색

-일부가포복지(stolon)로변화

-포복지군데군데가근(rhizoid)과 3-5 개의포자낭병형성 : 절부(node)

-포자낭병은분지않고단독으로신장

1) 효소생산력강

- amylo법에의한에탄올생산및당화형 amylase (β-amylase) 생산

R. stolonifer (이전 R. nigricans) : 고구마연부병균

R. japonicus : 미곡에서분리 –이전에 amylo균으로사용

R. delemar : 현재곡류전분 amylo균

R. javanicus : 현재서류전분 amylo균 -감자고구마당화 -자바에서분리

2) 대부분이 pectinase분비 : 특히 R. stolonifer, A. niger생산력강

-과즙및과실주의혼탁 - pectinase(0.05%) 처리하여청징화

* Pectin : pectic acid의 methyl ester -불용성, 과일에함유


포자낭

포자낭포자

포자낭병 절부

포복지

가근

발효미생물

균사가털모양—검은색

-포자낭병이균사임의부위에서발생 : 균사곳곳에포자낭형성

-기균사가포자낭병으로변화

-한부위에서한개만형성--분지는가능

* 포자낭병의분지상태

1) Monomucor군 : 포자낭병이분지하지않고단독으로신장

Mucor mucedo: 단백질과유지분해--낙농및피혁공업의유해균

2) Racemomucor군: 포자낭병이포도가지모양분지--각각포자낭형성

Mucor pusillus : 응유효소생산 - microbial rennet--치즈제조에이용

3) Cymomucor군: 분지한곳에서또분지--가축상(가짜축상) 분지

Mucor rouxii : 싱가포르산중국곡자에서분리

: amylase 생산--amylo균의하나 : 현재는사용무 : Rhizopus이용

Mucor javanicus : 자바에서분리 : 전분당화력및알코올발효력이있음


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/38/Mature_sporangium_of_a_Mucor_sp._fungus_PHIL_3960_lores.jpg

발효미생물

자실체 : 분생자병의끝이분지하여빗자루/붓모양의추상체형성

1)추상체(penicillus)

가)단륜생군(monoverticillata): 분생자병이분기않고경자형성-대칭

: P. citreo viride(P. toxicarium), P. sclerotiorum –기경자,분지무

나)정제쌍륜생군(biverticillata): 분생자병 1회대칭분기

: P. islandicum -기경자무

다)정제다륜생군(polyverticillata): 분생자병 2회이상대칭분기

-분생자병이분기(분지 branches)-분지다시분기(기경자)

: P. albicans

라)부정제군(asymmetrica): 비대칭의자실체형성

: P. citrinum, P. notatum, P. chrysogenum, P. roqueforti, P. camemberti

2)주요균주

가)황변미독소의원인균: P. citrinum, P. islandicum, P. citreo viride

나) 5'-phosphodiesterase 생산: P. sclerotiorum, P. citrinum-RNA분해

다) Penicillin생산: P. notatum에서처음발견 - P. chrysogenum으로산업화

라)치즈숙성 : P. roqueforti(로크포트치즈) –카제인과지방분해 –독특한향


로크포트치즈

발효미생물

◆ Monascus sp. (홍국곰팡이속) : 붉은색소생성(monascorbin)

: 폐자기 (완전히막힌형태의자낭과) 형성

-중국, 대만, 말레이지아홍국(紅麴, angkhak, 밀기울과팥으로만든누룩)

* M. purpureus, M. anka -홍주(angchu) 생산에이용 (우리나라천대홍주)

* M. purpureus : monacolin K (=lovastatin) 생산 (콜레스테롤합성저해)

-홍국쌀의생산에이용

***Monascus sp.와 monacolin K : ..\Monascus sp.와 monacolin K.pptx

◆ Neurospora sp.

: 피자기 (플라스크모양의자낭과) 형성

N. sitophila: 식빵, 옥수수대, 불타다남은나무에주로발견

-β-carotene 색소생성

N. crassa : 곰팡이유전학으로유명

- Beadle & Tatum의 1유전자1효소설에사용

* Neurospora sp.의무성세대의기간은불완전균아문 Monilia sp.로분류

: M. sitohila, M. crassa로명명 -균사체, 무성포자로증식


../Monascus sp.와 monacolin K.pptx

발효미생물

1. 효모의 특성

1) 효모의 정의: 주로 출아에 의해 증식하는 고등미생물

-영양세포가 단세포(효모형)로 존재하는 시기가 있음

2) 특성

-크기: 5-10μ 보통 7.5μ

-증식: 출아, 분열(분열효모), 자낭포자 형성

-생육조건: 30℃, pH 5.0-6.0,

-호기적 조건 증식, 혐기적 조건 알코올 발효

2. 효모의 분류 기준

1) 효모의 명명: 학명-이명법(속명과 종명을 이태릭체 단수)

예) 알코올 효모: Saccharomyces cerevisiae (사카로미세스 세레비시아)

약탁주 효모: Saccharomyces coreanus (사카로미세스 코리아누스)

2) 효모의 분류 기준

한센: 1878년 효모의 순수분리법 발견 - 분류의 기초 확립

Kurtzman(1998): The yeasts, a taxonomic study – 현재 분류의 기준

3. 효모의 이용 : 알코올효모, 빵효모, 식사료용 효모, 유지효모 등


발효미생물

1. 자낭균효모류 (ascomycetous yeast) : 유성적으로자낭및자낭포자형성

-자낭과생성무 : 나생자낭

-반자낭균류(hemiascomycetes)에속함

2. 담자균효모류 (basidiomycetous yeast) : 유성적으로담자기,담자포자형성

-어떤것은휴면포자인동포자 (teliospore) 형성 : 동포자는자라담자기형성

-어떤것은공기중으로사출 : 유성적사출포자 –담자포자라함

3. 무포자효모류 (asporogenous yeast) : 유성포자형성무

-어떤것은무성적으로사출포자 (ballistospore) 형성

* 사출포자 (ballistospore) : 성숙하여공기중으로사출되는포자

–유성(담자포자라함), 무성(사출포자라함)

: 사출포자효모류 (ballistosporogenous yeast) 따로분류하기도함

1) 가스에의해사출되는경우

2) 액체방울형성및이에의해사출되는경우


사출포자--- 성숙 후 사출

소병 또는 경자

발효미생물

◆효모의가장대표적인속

-알코올효모, 빵효모, 주류의제조에관여하는대부분의효모포함

-주로난형(일부가구형) 또는타원형, 출아법(다극출아--24회)에의해번식

-알코올발효력강 : 알코올발효시반드시전분원료는당화시켜야함

- hexose 발효, raffinose는 1/3발효, lactose, pentose와다당류발효곤란

-야생효모와배양효모(culture yeast)

1. 맥주효모

1)상면효모(영국): 발효말기액중이나표면에부유-발효액혼탁

- S. cerevisiae

2) 하면효모(독일, 한국): 발효말기침전하여발효액투명

- S. uvarum (이전의 S. carlsbergensis)

2. 기타양조효모 : 청주효모(S. sake), 고량주효모(S. mandshuricus), 주정효모(S. anamensis, S.

formosensis), 와인효모(S. ellipsoideus), 탁약주효모(S. coreanus) – S. cerevisiae로통합

3. S. pastorianus : 맥주혼탁, 쓴맛, 불쾌취

4. S. boulardii : 의약용, (AIDS 환자, 영유아, 여행자)설사방지

***효모제품들 : ..\효모제품들.pptx


../효모제품들.pptx

발효미생물

2019-09-02 KNU Microbial Biotechnology Laboratory39

1. 제품의 형태

- 건조효모 : 건조분말 형태

- 액상효모 : 액체 상태

2. 주요 효모

1) 와인효모 : 퍼미빈, EC1118, 레드스타

2) 전통주 효모

- 송천효모, 미도화학효모 등

2019-09-02

캐나다

프랑스

퍼미빈 46,000원/500g

발효미생물

세포는구형또는장타원형으로위균사(pseudohypha)와진균사(true hypha) 형성

-불완전균류에속하며유성포자형성무

-종에따라후막포자, 출아포자 (아생포자)형성

- hexose 외에 xylose도잘이용

***곰팡이포자 : ..\균류의생식.ppt

1) 균체단백의생산에이용 ---식사료효모

* SCP(단세포단백, 균체단백) -단백질급원으로서의효모

C. utilis : 오탄당자화

- glucose와 sucrose발효, maltose와 lactose 발효불가

C. tropicalis : 탄화수소자화

C. rugosa : 탄화수소자화

-단백질급원으로중요 -조단백 45.1%(순수단백 36.5%)의 GRAS 미생물

- lipase 생산으로 flavor 생산에도중요

2) 인체병원균

C. albicans: 사람피부, 인후점막에감염

-질병유발 (candidiasis, candidosis-캔디다증)


출아포자

후막포자

../균류의생식.ppt

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f5/C_albicans_en.jpg

발효미생물

1. Schizosaccharomyces pombe : 분열효모

-분열에의해증식, 유성적으로 4-8개자낭포자형성

-세포주기연구유명 –유전자가사람의것과유사

2. 산막효모: 산화력강, 발효액표면에막형성 -발효공업유해균

1) Pichia sp. : 맥주와포도주의에탄올자화

2) Hansenula sp. : 대표적균종 H. anomala -현재는 Pichia sp.로분류

-청주양조의후숙관여-RCOOR' (ester: 과일향)

3) Debaryomyces sp. : 내염성산막효모 -염장육류,침채류분포

3. Torulopsis sp. : 세포는구형이며크기가작은무포자효모

-고당식품과고염식품의변패관여 -특히과실주스, 잼등의변패

- T. versatilis : 간장에특수한향미부여 -현재 Candida sp.로분류

* T. utilis : C. utilis로분류

4. Rhodotorula sp.

: 알코올발효력은무, 적색또는황색의카로티노이드색소생산

- R. glutinis : 지방축적강 –건조무게의약 13%


발효미생물

*세균(Bacteria) :주로분열에의해번식하는원핵미생물

-방선균(균사상의원핵미생물)포함

-일부가출아(출아세균),균사및포자(방선균)에의해서도번식

1) 원핵미생물

--완전한형태의핵무- DNA가핵막에싸여있지않고세포질에존재--핵역

--1개의 DNA 분자함유--정지기의경우 haploid(단수체, n체)

* 대수기(균의수또는양이지수적으로증가)에서는 2-4개

--핵단백질인 histone과결합하지않고존재--naked DNA

--세포소기관무--모든대사가세포질내진행—조직및대사의분화미비

2) 일반적으로독특한구조의세포벽존재 : 펩티도글리칸 (일반적)

--세포벽없는것 : 마이코플라스마

--세포벽다른것 : 고세균류

3) 진핵미생물에비하여원시적이고크기가작다

크기 -구균: 0.5 μm,

간균: 0.5-1.5 μm × 1-2 μm

* 대표적세균--대장균: 0.5 × 2 μm--종이나배양조건에따라다소상이

* 곰팡이(6-7㎛), 효모(7.5㎛)


발효미생물

-매우다양한종이존재하여여러환경에널리분포

-전통적식품발효, 양조산업, 아미노산발효등에이용

-특히초산발효 (Acetobacter sp.), 젖산발효(Lactococcus, Leuconostoc, Lactobacillus spp.)


발효미생물

젖산균의정의 : 당으로부터젖산을생성하는그람양성의통성혐기성균 –직경 1~2µm

젖산균의종류

1. 형태에따라

-젖산구균 : 공과같은모양

-젖산간균 : 막대와같은모양

2. 부산물생성여부에따라

-정상발효젖산균 : 당으로부터젖산만생성 –부산물생산무

-이상발효젖산균 : 당으로부터젖산과부산물 (CO2, 알코올또는초산) 생성

젖산균의이용


발효미생물


젖당불내증 완화

장내 병원성세균 억제

항암활성

장내미생물에 의한 독성물질 생성 감소

발효미생물


면역체계 조절

혈중 지질, 콜레스테롤 저하-심장병 위험 감소

고혈압 위험 감소

위염균 억제

간기능 악화로 인한 뇌장애

여성생식기 감염 예방

장 운동 활성화

발효미생물

1. 진정젖산균 : 무포자 – Lactococcus sp., Leuconostoc sp., Lactobacillus sp.

가. 호모발효젖산균 = 정상발효젖산균 (homofermentative LAB)

: 포도당에서젖산만생성 –포도당 1몰에서젖산 2몰생산

-구균 : Streptococcus, Lactococcus, Pediococcus spp.

- S. thermophilus, L. lactis, P. cerevisiae 등

-간균 : Lactobacillus sp.의일부균주

- L. plantarum, L. delbrueckii, L. bulgaricus, L. acidophilus, L. thermophilus, L. casei, L. lactis등

나. 헤테로발효젖산균 = 이상발효젖산균 (heterofermentative LAB)

: 포도당에서젖산과부산물생성 -부산물로서 CO2, 에탄올또는초산

-구균 : Leuconostoc sp. – L. mesenteroides

-간균 : Lactobacillus sp.의일부균주 – L. brevis, L. fermenti

2. 가성젖산균(야생젖산균) : Bifidobacterium, Bacillus sp.의일부균주

-젖산균과별도취급


발효미생물

1. 정상젖산발효균 (homolactic acid bacteria)

- 6탄당 1분자로부터젖산 2분자를생성 – EMP

***EMP경로 : 포도당이 F-6-diphosphate로전환되어절단후피루브산생성 : ..\emp.ppt

(즉 6탄당인산이 2개의 3탄당인산으로전환)

2. 이상젖산발효균 (heterolactic acid bacteria)

: 6탄당으로부터젖산외부산물생성(CO2, Ethanol, Acetate)

- Phosphoketolase 경로 : 초기 HMP 유사

***HMP 경로 : ..\hmp.ppt


Glc 2CH3COCOOH 2CH3CHOHCOOHEMP LDH

2NAD+ 2NADH2 2NADH2 2NAD+

LDH : lactate dehydrogenase

CO2

CH2OHC=O

HO-C-HH-C-OH

CH2O-Pi

Xu-5-PG-3-P

H3PO4 H2O

G-6-P Ru-5-P

EtOH or CH3COOHCH3COO-Pi

HMP 유사경로-단 1개가 진행

CH3CHOHCOOHGlc

2NAD(P)+ 2NAD(P)H2

../emp.ppt

../hmp.ppt

발효미생물

가. Leuconostoc sp.

1) L. mesenteroides : 속의대표균주로김치의초기발효관여

-이상발효젖산균으로 1몰포도당으로부터젖산, CO2, 에탄올각 1몰생성

-생육온도 20~22℃

-설탕으로부터덱스트란생산

2) L. dextranicum, L. citrovorum : 우유발효중디아세틸생산

-버터밀크, 치즈제조에이용

나. Lactobacillus sp. : 젖산간균의대표적균주

-정상젖산균, 이상젖산균모두존재

-젖산생산에이용 : L. delbrueckii, L. bulgaricus

-발효식품이용 : 김치(L. plantarum), 유제품(L. bulgaricus, L. acidophilus)

다. Streptococcus sp. : 연쇄상구균으로쌍구균도형성

1) 용혈연쇄구균 : 혈액한천배지에서투명환형성 –용혈환 (β-haemolysis)

2) 녹색연쇄구균 : “ 녹색환형성 –부분용혈 (α-haemolysis)

3) 젖산구균 : 용혈성무 –김치, 유제품발효 – Lactococcus sp. 로변경

: 대표적균주 L. lactis -젖산구균의대표적균주

4) 장구균 : Enterococcus sp. 로변경 - E. faecalis

라. Pediococcus sp. : 발효침채류에서검출


발효미생물

편성혐기성젖산균 : 다른젖산균은통성혐기성 – P30, 표 1-8 참조

- 독특한발효과정(bifidum pathway)을거쳐 2개의포도당으로부터젖산 2개와초산 3개생산

- 유아의장내, 성인, 동물의소화관에존재하는장내세균의일종

- 인체에유익한역할담당

- 프락토-, 갈락토-, 이소말토-, 키틴및키토산-, 콩올리고당등에의해생육촉진

* 유익한기능 : 프로바이오틱스기능과함께다음과같은작용을함

1) 병원균으로부터감염보호

2) 장내부패억제

3) 비타민합성

4) 장운동촉진으로변비예방

5) 설사의예방과치료효과

6) 인체면역력강화

7) 발암물질의파괴로암예방에도움


2G-6-PF-6-P

F-6-P

CH3COO-Pi

E-4-P H-7-P

G-3-P2Xu-5-P

2CH3COO-Pi

2G-3-P-2lactate

3CH3COOHH3PO4 H2O

2H3PO4 2H2O

발효미생물

그람양성간균으로내생포자형성, 호기성또는통성혐기성

-단백질분해력강 – Protease 생산및장류의제조에이용

-전분분해력강 –당화효소제생산에이용

* 포자형성시모세포의모양(분류기준) : 포자는구형또는타원형

1) Bacillus 형 : 포자형성시모세포모양변화무 : 대부분의균주

- B. subtilis(고초균) : 이속의대표균주로아밀라아제, 프로테아제등의효소생산

: 메주의자연발효 –된장, 간장, 청국장의제조관여

- B. natto : B. subtilis와유사하나생육에 biotin 요구 –특히청국장제조관여

- B. amyloliquefaciens : α-amylase 생산에산업적으로이용

2) 방추형또는곤봉형

- B. coagulans (통조림의 flat sour 변패-곤봉형, 방추형)

- B. sphaericus : 곤봉형만형성


Baciilus 형

방추형

곤봉형

발효미생물

1. 주요특성

-각종기질이용가능, 비타민대부분합성가능

-넓은온도범위생육 : 10-46℃ -최적생육온도는 37℃

-당에서산과가스생성 : 검출에이용 (산에의한 pH 변화, 가스발생)

-식품에불쾌취발생, 식품의점질화

2. 대장균군(coliform bacteria) : 식품위생검사의중요항목

: 유당분해하여가스발생, 그람음성의호기성또는통성혐기성무포자간균

- Escherichia sp., Enterobacter sp., Klebsiella sp., Citrobacter sp., Erwinia sp., Serratia sp., Proteus sp.,

Salmonella sp., Shigella sp. 포함

3. E. coli(대장균) : 이속의대표균주– 0.5 × 1-3 μm

-통성혐기성의그람음성간균으로주모성편모운동

-온혈동물의대장과소장에존재하는장내세균

: 어떤변종은비타민 K 등생산, 병원균의증식억제

-대부분무해하지만어떤변종들은식중독유발


발효미생물

1. Clostridium sp.

-내생포자형성에의해방추형또는곤봉형형성(분류기준은아님), 편성혐기성

-통조림부패세균의대표적균주

* C. botulinum : 통조림, 진공포장육류가공품에서문제

: 보툴리누스식중독 (botulism) 원인균 –특성에따라 4개그룹으로구분

: 맹독성외독소(botulin) 생성 -신경독 -상품명보톡스

* C. perfringens : 웰치형식중독원인균

2. Acetobacter sp. : 대표균주 A. aceti –식초제조에이용

* 초산균(acetic acid bacteria) -초산균과(Acetobacteraceae)

: 에탄올을초산으로산화할수있는세균, 강한호기성균

: 정치배양시피막형성

: 주류의변패에관여 –에탄올로부터초산생성

3. Corynebacterium sp. : 아미노산발효에널리이용

* 대표균주 C. glutamicum

: 글루탐산생산에이용 -아미노산조미료 MSG 제조

: 필수아미노산생산 (lysine, methionine, threonine, tryptophan 등)

-종합영양제로이용2019-09-02 KNU Microbial Biotechnology Laboratory 53

발효미생물

발효미생물


에탄올 생성: 주류생산에서는 발효, 주스생산에서는 부패

초산의 생성: 식초생산에서는 발효, 주류생산에서는 부패

* 미생물에 의한 물질의 변화

발효(fermentation): 미생물에 의한 유익한 산물의 생성

부패(putrefaction) : 미생물에 의한 해로운 산물의 생성

번식: 미생물의 영속성 유지

원료

산물 (사람에게 유리 또는 불리)

세포성분

세포성분

원료 산물

* 미생물의 생활작용

발효미생물


기질

- 영양원

중간산물

- 아미노산

- 지방산

- 염기

- 당류등

고분자물질

- 단백질

- 지질

- 핵산

- 다당 등

세포구조

- 세포막

- 세포질

- 핵

- 기타 세포물질 등

기질

- 에너지원

저분자물질(분해산물)

- CO2

- H2O

- NH3

동화작용 (합성대사)

이화작용 (분해대사)

화학에너지

미생물의 생활작용 : 미생물의 대사

발효미생물

* 호흡 : 미생물의에너지대사 : 물질의산화에너지이용이제일효율적

화학에너지: 화학반응에의해발생되는에너지--세포내의주에너지급원

-- ATP(adenosine triphosphate)형태로저장--PPP-Ribose-Adenine

-- 1포도당의대사 --------------- 2pyruvic acid ----------------- 6CO2와 6H2O로완전분해 + 38ATP 생성

C6H12O6 + 6O2--------------- 6CO23 + 6H2O + 686kcal/mol[포도당의자유에너지 688cal/mol)

* 실제대사의경우 38ATP 생성 ( 38ATP x 7.3kcal = 277.4kcal) 에너지효율약 40%

1Glucose ------EMP------ 2 pyruvic acid + 2NADH2 + 2ATP[+4ATP-2ATP]

1pyruvic acid : TCA cycle에의해 3NADH2, 1NADPH2, 1FADH2, 1GTP, 3CO2 생성 --- 15ATP

전자전달계에서 3ATP, 2ATP 생성


EMP, HMP, ED 산소의존재하 TCA, ETS

발효미생물

--혐기성미생물?, 산소가없을때?

: Pyruvate dehydrogenase 작용불가 - TCA, ETS 작용무

- EMP에서생성되는 NADH2의양증가 –수소를수소수용체에전달해야함

* 수소수용체의종류에따라발효의양상이달라짐

- pyruvate가직접수소수용체로작용하는경우

CH3COCOOH ---- CH3CHOHCOOH (젖산)

- pyruvate가탈탄산되어생성된아세트알데히드가수소수용체로작용하는경우

CH3COCOOH ----- CH3CHO ------ CH3CH2OH (알코올)


+H2

+H2-CO2

발효미생물

1. 산소가충분할때 : 호흡 - pyruvate dehydrogenase 작용 – TCA, ETS 활성화 -고에너지효율

당(C6H12O6) + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 38ATP

-포도당분해로생성된환원형화합물이산소와결합하여물생성

-동시에많은에너지생성, 증식양호

2. 산소가없을때 : 알코올발효

-산소에의한물질의분해불가 - pyruvate dehydrogenase 작용무 -저에너지효율

당(C6H12O6) → 알코올(2C2H5OH) + 2CO2 + 2ATP

-포도당분해산물이에탄올로전환: 혐기성호흡

-소량의에너지생성, 나머지에너지는에탄올에축적 -증식불량


발효미생물


발효미생물

* 부패 : 식품의고유특성인색, 향, 맛, 형태등의변화로식품의가치손실

-악취발생또는유독성분생성이주 : 물질의산화, 환원, 가수분해등

-물리적요인(햇빛, 온도), 화학적요인(공기, 수분), 생물학적요인(미생물)

* 부패와유사한개념의어휘

-부패 (putrefaction) : 주로동물성단백질분해–사람에게유리한경우도있음

-변패 (deterioration) : 탄수화물이나지질이변질

-산패 (rancidity) : 지질의분해

-발효 (fermentation) : 주로탄수화물의분해 –사람에게유리한경우

* 부패의영어적의미

- Putrefaction is the decomposition of animal proteins, especially by anaerobic microorganisms, described

as putrefying bacteria.

- Putrefaction usually results in amines such as putrescine and cadaverine, which have a putrid odor.

- Putrefaction is the same as fermentation, basically meaning to allow the substance to rot or decompose.


발효미생물

발효미생물

발효미생물에의한발효

이전 : 혼합배양-다양한미생물종이혼합된상태에서발효

현재 : 대부분이순수배양에의해진행

-우수한균주의획득이최우선

생명현상은유전자에의해결정--유전자변화로균주육종또는개량가능

-돌연변이, 유전적재조합, 대사제어(조절)의해제, 유전자조작(유전공학)

균주개량의목적: 경제성, 관리용이성

1) 산물의수율증대: 원료에대한수율및생산성고--경제성

2) 값싼기질이용--경제성

3) 고농도배지성분에대한내성증가--고농도발효법--시설감소 : 내당성이가장중요

4) 발효시간의단축--시설의감소

5) 부산물생산감소--정제공정의단순화--정제및제품화용이

6) 점도증가및거품발생감소--통기목적

7) Phage에대한내성증가

8) 새로운대사산물의생산

9) 기타 : 맛과향, 영양성분및기능성증대, 발효설비및공정에적합, 내열성강(높은발효온도에내성), 생리적성질의안정성등


발효미생물

1. 미생물균주의보존목적

: 사멸방지, 균주의본래형질유지, 보존기간연장, 접종원반복사용, 오염방지, 조작용이

2. 균주의보존법

1) 동결보존: 동해방지제첨가하여 -80℃보관: 효모, 세균

: 5-20% glycerol, 2.5-10% DMSO의존재하심온냉동고(-80℃)에보관

2) 동결건조법(lyophilization): 동결건조후 5-7℃보존 : 세균, 효모, 곰팡이

-분산매첨가: 동결과건조에의한장애감소 --10-15년이상보관가능

3) L-건조법(liquid drying): 여지또는탈지면에묻혀높은진공도에서건조

4) 계대배양법(subculture)

5) 유동 paraffin 보존법 : 고체배양의경우

6) 기타 : 증류수보존법, 토양보존, Slica gel 보존법, 자기구슬보존법

3. 균주의보존기관

:미생물보존기관: culture collections

: 미생물보존기관연맹: federation of culture collections

-미국의 ATCC, 한국의 KCTC 등


knumblhpark.knu.ac.kr/(((down)))/ff/[ff01fermentation-microorganisms.pdf* 시장규모: 230조원...

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