발효이론

Fermentation theory
Louis Pasteur, 기록 보관소 사진기

생화학에서 발효 이론은 자연 발효 과정, 특히 알코올과 유산 발효의 모델에 대한 역사적 연구를 말한다.이 이론의 주목할 만한 공헌자는 저스틴 폰 리비그와 루이 파스퇴르인데, 이들 중 후자는 그의 실험을 바탕으로 발효 과정을 위한 순수 미생물 기반을 개발했다.파스퇴르의 발효에 관한 연구는 후에 질병의 세균 이론을 발전시켰고, 이것은 자발적 생성의 개념을 쉬게 했다.[1]발효과정은 파스퇴르의 지배적인 이론의 기원에 앞서 역사 전반에 걸쳐 광범위하게 사용되어 왔으나, 근본적인 생물학적, 화학적 과정이 완전히 이해되지는 않았다.현대에서 발효는 다양한 알코올 음료, 식료품, 의약품의 생산에 사용된다.[2][3]

발효 개요

발효 과정

발효는 혐기성 대사 과정으로, 산소가 부족한 환경에서 설탕을 산, 가스, 알코올로 바꾼다.효모와 다른 많은 미생물들은 생존에 필요한 혐기성 호흡을 수행하기 위해 발효를 이용한다.심지어 인체도 장거리 달리기와 같은 발효 과정을 때때로 수행한다; 젖산은 오랜 시간 동안 힘을 쓰는 동안 근육에 축적될 것이다.인체 내에서 젖산은 ATP가 생성하는 발효의 부산물로, 에너지를 생산해 산소 섭취량을 충분히 빠르게 처리할 수 없는 상황에서 신체가 운동을 계속할 수 있도록 한다.발효는 유산소 호흡보다 ATP가 적지만 훨씬 높은 비율로 발생할 수 있다.발효는 기원전 5000년경부터 인간에 의해 의식적으로 사용되어 왔으며, 이란 자그로스 산맥 지역에서 발견된 항아리들이 포도주 제조 과정에 존재하는 것과 유사한 미생물 잔해를 포함하고 있다는 것을 증명한다.

역사

파스퇴르의 발효에 대한 연구 이전에, 그것에 대한 몇 가지 예비 경쟁적인 관념이 있었다.발효 이론에 상당한 영향을 미친 한 과학자는 저스투스 폰 리비그였다.Liebig는 발효가 대체로 공기와 물에 효모가 노출된 결과로서 분해되는 과정이라고 믿었다.[4]이 이론은 썩은 식물이나 동물 부분과 같은 다른 부패 물질이 이스트와 비슷한 방식으로 설탕과 상호작용을 한다는 리빅의 관찰에 의해 확증되었다.즉, 알부민 물질(즉, 수용성 단백질)의 분해로 인해 설탕이 알코올로 변모하게 된 것이다.[4][5]리빅은 1873년 사망할 때까지 이러한 견해를 가지고 있었다.[4]다른 이론은 찰스 카그니아드 드 라 투어와 세포 이론가 테오도르 슈완에 의해 지지되었는데, 그는 알코올 발효는 양조장의 효모가 수행하는 생물학적 과정에 의존한다고 주장했다.[6][5]

루이 파스퇴르의 발효에 대한 관심은 그가 생화학 연구 중에 젖산과 알코올 발효의 부산물인 아밀알코올의 놀라운 성질을 발견했을 때 시작되었다.특히 파스퇴르는 "극광의 평면을 회전시키는 능력"과 "원자의 비대칭 배열"[4]에 주목했다.이러한 행동들은 파스퇴르가 이전에 조사했던 유기화합물의 특징이기도 했지만, 또한 "뇌하중 상관관계의 법칙"에 대한 자신의 연구에 장애물을 제시하기도 했다.[6][7]파스퇴르는 이전에 물질의 화학 구조와 외부 형태 사이의 연결을 이끌어내려고 시도해왔으며, 광학적으로 활성 상태인 아밀 알코올은 제안된 '법'[6]에 따라 그의 기대를 따르지 않았다.파스퇴르는 왜 이런 예외가 생겼는지, 애초에 발효 과정에서 왜 이런 화학적 화합물이 생성됐는지 이유를 찾았다.[6]1860년 후반의 일련의 강연에서 파스퇴르는 어떤 화학적 과정도 대칭 물질(유기체)을 비대칭 물질(유기체)로 변환시킬 수 없다고 주장하면서 광학 활동과 분자 비대칭을 물질의 유기적 기원과 연결시키려 했다.[6]따라서 아밀알코올 관찰은 발효에 대한 생물학적 설명을 위한 첫 번째 동기를 제공했다.

1856년 파스퇴르는 릴 대학의 과학 교수로서 알코올 발효를 담당하는 미생물을 현미경으로 관찰할 수 있었다.[4][6]1900년 파스퇴르의 전기에서 유래된 전설에 따르면, 그의 화학 학생 중 한 명인 릴에 있는 비트루트 알코올 공장의 주인은 성공적인 한 해 동안 양조하지 못한 후에 그에게 도움을 청했다.[6]파스퇴르는 발효 과정을 관찰하여 공장에서 실험을 실시하였는데, 젖산이 형성된 후 효모 입상체가 길어지고 알코올이 정확하게 발효되면 둥글고 꽉 차게 되는 것을 알아차렸다.[6]

파스퇴르는 이와는 다른 관찰로 포도나무에서 발원한 입자를 현미경으로 검사해 살아있는 세포의 존재를 밝혀냈다.이 세포들을 포도즙에 담가두면 알코올 발효가 활발해진다.이러한 관찰은 와인의 '인공적' 발효와 효모제품의 '진정한' 발효의 구분을 종식시키는 증거를 제공했다.[4]이전의 잘못된 구분은 원하는 알코올 발효를 유발하기 위해 맥주 통에 이스트를 첨가해야 하는 반면 포도주에 대한 발효 촉매는 포도주에 자연적으로 발생했다는 사실에서 비롯되었다; 와인의 발효는 추가적인 촉매가 필요하지 않기 때문에 '인공'으로 여겨졌지만, 나트는포도 그 자체에는 우랄 촉매가 존재했었다.[8]이러한 관찰은 Pasteur에게 향후 실험을 위한 작업 가설을 제공했다.[6][7]

파스퇴르가 연구한 화학적 과정 중 하나는 우유의 시린데서 발생하는 것처럼 설탕을 젖산으로 발효시킨 것이다.1857년의 실험에서 파스퇴르는 화학적 과정이 일어난 후 젖산 발효에 존재하는 미생물을 격리시킬 수 있었다.[9]그 후 파스퇴르는 그의 실험실과 함께 배양된 미생물을 배양했다.그리고 나서 그는 신선한 우유에 배양된 샘플을 투여함으로써 젖산 발효 과정을 가속화할 수 있었다.[7]이것은 젖산 발효가 미생물에 의해 촉매된다는 그의 가설을 증명하는 중요한 단계였다.[7][9]

파스퇴르는 유기질소가 없는 상태에서 양조장의 효모 메커니즘으로 실험하기도 했다.[6]파스퇴르는 사탕수수 설탕, 암모늄 소금, 효모 재의 용액에 순수한 양조장의 효모를 첨가함으로써 글리세린, 숙신산, 그리고 소량의 셀룰로오스 및 지방 물질 등 평상시의 모든 부산물로 알코올 발효 과정을 관찰할 수 있었다.[6]그러나 그 용액에서 어떤 성분이라도 제거된다면 발효는 일어나지 않을 것이다.파스퇴르에게 이것은 효모가 그 대사 작용을 위해 질소, 미네랄, 탄소를 매질로부터 필요로 하고, 탄산과 에틸알코올을 부산물로 방출한다는 증거였다.[5][6]이것은 또한 Liebig의 이론을 반증했다. 왜냐하면 매개체에 알부미성 물질이 존재하지 않았기 때문이다; 효모의 분해는 관찰된 발효의 원동력이 아니었다.[5][6]

발효 자물쇠, 오늘날 양조할 때 사용되는 구부러진 목 기구의 예

자연 발생 시 파스퇴르

1860년대와 1870년대 이전에, 파스퇴르가 이 이론에 대한 그의 연구를 발표했을 때, 미생물과 심지어 개구리와 같은 몇몇 작은 동물들이 자연적으로 생성될 것이라고 믿어졌다.자연 발생은 역사적으로 다양한 방법으로 설명되었다.고대 그리스 철학자 아리스토텔레스는 흙이나 진흙이 물과 햇빛과 섞이는 것과 같은 지구적 원소의 특정한 혼합물에서 생물이 나타났다는 이론을 세웠다.[10]이후 펠릭스 푸셰트는 자발적으로 알을 생성할 수 있는 식물과 동물의 잔해 속에 '플라스틱 힘'이 존재한다고 주장했고, 이들 알에서 새로운 유기체가 탄생했다.[5][6]여기에다 이 이론을 확증하는 듯한 일반적인 증거 조각은 생고기에 구더기가 노출된 뒤 그대로 노출되어 나타나는 현상이었다.

1860년대와 1870년대에 자발적 세대에 대한 파스퇴르의 관심은 푸셰트의 이론을 비판하고 자신의 실험을 수행하게 만들었다.[6]그는 첫 실험에서 설탕이 든 효모수 삶은 물을 받아 밀폐된 기계로 밀봉했다.뜨겁고 살균된 공기를 혼합물에 주입하면 변질되지 않는 반면, 대기 먼지 유입으로 인해 혼합물 내부에 미생물과 곰팡이가 나타났다.[5][6]이 결과는 파스퇴르가 완전히 무기질의 한 형태인 석면을 대기 중의 먼지를 운반하는 데 사용함으로써 또한 강화되었다.두 번째 실험에서 파스퇴르는 같은 플라스크와 설탕-야스트 혼합물을 사용했지만, 어떤 외부 물질을 도입하는 대신 '스완넥' 플라스크에 방치했다.일부 플라스크는 대조군으로서 일반 공기에 개방되어 있었고, 이것들은 하루나 이틀 사이에 곰팡이와 미생물 성장을 보였다.백조목 플라스크가 이와 같은 미생물의 성장을 보여주지 못하자, 파스퇴르는 목의 구조가 대기 중의 먼지의 용액으로의 통로를 막았다고 결론지었다.[5][6]두 번의 실험을 통해 파스퇴르는 대기 먼지가 자신의 육수에 '자발적 발생'을 일으키는 세균을 운반한다고 결론지었다.[6]따라서 파스퇴르의 연구는 영양소 육수에 있는 박테리아의 급성장 원인이 자연 발생의 어떤 형태보다는 생물 발생에 있다는 증거를 제공했다.

적용들

오늘날, 발효 과정은 약물, 음료, 음식을 포함한 많은 일상 용도에 사용된다.현재 제넨코 인터내셔널과 같은 회사들은 발효에 관련된 효소의 생산을 사용하여 연간 4억 달러 이상의 수익을 올리고 있다.[3]항생제와 같은 많은 약들은 발효과정에 의해 만들어진다.그 예가 중요한 약물 코티손인데, 디오스게닌으로 알려진 식물 스테로이드의 발효에 의해 조제될 수 있다.

Burton Union 발효 시스템, Coors 방문자 센터

반응에 사용되는 효소는 Rhizopus nigricans라는 곰팡이에 의해 제공된다.[11]흔히 알려진 것처럼 모든 종류와 브랜드의 알코올도 발효와 증류 방식으로 생산된다.Moonshine은 이것이 어떻게 수행되는지를 보여주는 전형적인 예다.마지막으로 요구르트 같은 음식도 발효과정에 의해 만들어진다.요구르트는 유산균 불가리쿠스와 스트렙토코쿠스 열가소성 박테리아 배양액을 함유한 발효유 제품이다.[12]

참고 항목

참조

  1. ^ Pasteur, Louis. "Physiological Theory of Fermentation". Fordham University. Retrieved March 13, 2014.
  2. ^ Fiachson, Refr. "Fermentation in Theory and Practice". Viking Food Guy. Retrieved March 13, 2014.
  3. ^ a b Slonczewski, Joan (2009). Microbiology: An Evolving Science 2nd edition. New York: W.W. Norton.
  4. ^ a b c d e f Conant, James Bryant ; Nash, Leonard K. ; Roller, Duane ; Roller, Duane H.D.: Harvard Case Histories in Experimental Science. Volume II. Cambridge, Mass. ISBN 978-0-674-59871-3. OCLC 979880864.
  5. ^ a b c d e f g Ben-Menahem, Ari. (2009). Historical encyclopedia of natural and mathematical sciences. Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-68832-7. OCLC 318545341.
  6. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r Geison, Gerald L., 1943- (14 July 2014). The private science of Louis Pasteur. Princeton, New Jersey. ISBN 978-1-4008-6408-9. OCLC 889252696.{{cite book}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  7. ^ a b c d Dubos, René J. (René Jules), 1901-1982. (1998). Pasteur and modern science. Brock, Thomas D. Washington, D.C.: ASM Press. ISBN 1-55581-144-2. OCLC 39538952.{{cite book}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  8. ^ Tyndall, John (1892). Essays on the floating-matter of the air, in relation to putrefaction and infection. New York: D. Appleton.
  9. ^ a b "Louis Pasteur Lemelson-MIT Program". lemelson.mit.edu. Retrieved 2020-02-16.
  10. ^ Lehoux, Daryn, 1968- (19 November 2017). Creatures born of mud and slime : the wonder and complexity of spontaneous generation. Baltimore. ISBN 978-1-4214-2382-1. OCLC 1011094577.{{cite book}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  11. ^ "Fermentation Uses".
  12. ^ "Milk Facts". Yogurt Production. Retrieved March 30, 2014.