본문내용
1. 미생물의 역사와 발전
1.1. 미생물의 발견
미생물의 발견은 인류 역사에 있어 중요한 이정표가 되었다. 이는 눈에 보이지 않는 작은 생명체들이 우리 삶에 미치는 영향력이 지대하다는 사실을 깨닫게 해주었기 때문이다.
17세기 중반, 네덜란드의 천문학자 안토니 반 레벤후크(Antoni van Leeuwenhoek)는 현미경을 개발하고 이를 이용해 처음으로 미생물을 관찰하였다. 그는 치아의 스케일링 과정에서 채취한 검체에서 작은 생물체들을 발견하였고, 이를 바탕으로 다양한 미생물의 존재를 주장하였다. 이로써 미생물이라는 새로운 생명체가 발견되었다는 것이 밝혀졌다.
미생물의 발견 이전에는 생명체가 자연 발생적으로 생겨난다는 자연발생설이 지배적이었다. 하지만 레벤후크의 발견으로 인해 새로운 학설인 생물 속생설이 주목받기 시작했다. 생물 속생설은 생물은 반드시 기존 생물에 의해서만 생겨난다는 이론으로, 이는 후에 프랑스의 루이 파스퇴르에 의해 증명되었다. 파스퇴르는 플라스크 실험을 통해 공기 중에 부유하는 미생물의 존재를 밝혀내며, 생물체가 무생물로부터 자연스럽게 생겨날 수 없다는 점을 증명하였다.
이후 순수 배양 기술의 발전으로 미생물 연구가 본격화되었다. 영국의 조셉 리스터는 희석법을 개발하여 단일 미생물을 분리할 수 있었고, 독일의 로버트 코흐는 도말법을 고안해 미생물 분리에 큰 기여를 하였다. 또한 독일의 칼 린트너는 소적배양법을 창안했으며, 독일의 로버트 헤세는 한천 배지를 개발하여 미생물 순수 배양을 가능하게 하였다. 덴마크의 에밀 크리스티안 한센은 초산균과 맥주 효모를 분리하는 데 성공하였다.
이와 같이 17세기 중반부터 19세기에 걸쳐 미생물의 발견과 순수 배양 기술의 발전이 이루어졌다. 이는 미생물 연구의 기틀을 마련했고, 이후 식품 미생물학의 발전에 초석이 되었다.
1.2. 식품 미생물
식품 미생물은 식품 산업에서 매우 중요한 역할을 하고 있다. 발효를 통해 식품의 맛과 질감을 개선하고, 보존성을 높이는 한편, 부패나 식중독 등으로 인한 품질저하를 야기할 수도 있기 때문이다.
식품 발효에 관여하는 미생물로는 세균, 효모, 곰팡이 등이 있다. 대표적인 예로 간장, 된장, 고추장 등의 대두발효식품에는 아스퍼질러스 곰팡이와 젖산균 등이 중요한 역할을 한다. 또한 술과 치즈, 요구르트 등의 발효식품에는 효모와 젖산균이 핵심적이다. 이들 미생물은 발효과정에서 다양한 대사산물을 생성하여 독특한 맛과 향, 질감을 부여한다.
한편 식품 부패의 주요 원인균으로는 그람음성 세균인 슈도모나스속, 비브리오속 등과 곰팡이가 대표적이다. 이들 미생물의 증식은 식품의 변색, 점질화, 부패취 발생 등을 야기하여 품질을 저하시킨다. 또한 병원성 세균인 살모넬라, 황색포도알균, 클로스트리디움 등이 식중독을 유발할 수 있다.
이처럼 식품 미생물은 긍정적인 측면과 부정적인 측면을 모두 가지고 있다. 따라서 식품 제조 및 유통 과정에서 유용 미생물의 활성을 높이고 부패 및 병원성 미생물의 증식을 억제하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 온도, pH, 수분활성도 등 미생물 생육에 영향을 미치는 환경인자를 적절히 조절하거나, 살균, 보존료 첨가 등의 다양한 방법이 활용된다.
식품 미생물에 대한 과학적 이해와 효과적인 관리는 식품의 안전성 및 품질 향상을 위해 필수적이다. 따라서 앞으로도 식품 산업 현장에서의 활용과 더불어 미생물의 특성 규명, 새로운 응용기술 개발 등 식품 미생물 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
2. 미생물의 명명과 분류
2.1. 생물계에서의 위치
생물계에서의 위치는 미생물의 분류체계와 특성을 이해하는 데 있어 매우 중요하다. 미생물은 생물계에서 오랜 역사를 가지고 있으며, 복잡한 진화 과정을 거쳐 현재의 다양한 형태와 특성을 갖추게 되었다.
생물계에서 미생물의 위치는 크게 3가지로 나뉜다. 첫째, 핵막이 없는 원핵세포인 세균과 고세균, 둘째, 핵막이 있는 진핵세포인 진균류, 원생동물, 조류, 그리고 셋째, 핵산 정보를 가지고 있지만 세포막이 없는 바이러스이다.
오래전 린네는 생물계를 동물계와 식물계로 2분하였는데, 미생물은 당시 식물계에 포함되었다. 이후 헤켈은 원생생물계를 추가하여 3계 분류 체계를 제시하였다. 그러나 미생물의 형태적, 생리적, 생화학적 특성이 매우 다양하여 이를 하나의 계로 묶기에는 어려움이 있었다.
1970년대 휘태커는 생물계를 5계로 분류하였는데, 이는 세포의 구조와 에너지 획득 방식에 따른 것이다. 이 분류법에 따르면 미생물은 진정세균, 고세균, 진핵생물 등 3개의 영역에 속한다. 진정세균과 고세균은 원핵세포이며, 진핵생물은 진핵세포이다. 바이러스는 이 분류법에서 별도의 영역으로 다루어진다.
칼우즈는 이를 더욱 발전시켜 생물계를 진정세균, 고세균, 진핵생물의 3개 영역으로 구분하였다. 이는 생물의 유전 정보와 세포 구조의 근본적인 차이에 근거한 것이다. 진정세균과 고세균은 원핵세포이지만, 고세균은 진정세균과 구별되는 특성을 가지고 있다.
이처럼 생물계에서 미생물의 위치는 오랜 시간 동안 계속해서 재정립되어 왔다. 이는 미생물의 복잡하고 다양한 특성을 이해하고 분류하는 것이 쉽지 않기 때문이다. 하지만 최근 분자생물학적 기법의 발달로 미생물의 유전정보, 단백질 구조, 진화 관계 등이 점차 밝혀지면서 보다 정교한 분류 체계가 구축되고 있다.
이와 같이 미생물의 생물계에서의 위치는 복잡하지만, 이를 명확히 이해하는 것은 미생물의 특성과 기능, 그리고 진화 과정을 이해하는 데 필수적이다.
2.2. 미생물의 분류
미생물의 분류는 오랜 진화 과정에서 미생물의 성질이 어떻게 변화했는지를 조사하여 유연관계를 밝혀 분류하는 계통분류와, 미생물의 형태, 생리적 특징 등의 실용적인 기준으로 분류하는 인위적 분류로 나뉜다"
계통분류는 미생물의 진화 관계를 바탕으로 분류하기 때문에 매우 가변적인 학문이다. 생물의 무리들을 더 큰 단위로 묶어가며 종-속-과-목-강-문-계로 위계적 분류 체계를 이루고 있다.
분자생물학적 분류법은 시토신(G+C), rRNA의 염기배열, 유전체 지문법, 단백질 아미노산 서열 등 새로운 발견들을 토대로 미생물의 진화와 분류에 활용되고 있다. 또한 세포벽의 화학조성, 효소활성 등을 비교하는 생태학적 분류법도 이용된다.
세균은 그람염색성, 세포 형태, 생리적 특성 등을 기준으로 분류된다. 그람양성 세균은 세포벽 외부에 노출된 펩티도글리칸층이 두꺼워서 페니실린 등의 항생제에 민감한 반면, 그람음성 세균은 내부에 얇은 펩티도글리칸층을 가져 항생제에 대한 저항성이 강하다.
곰팡이는 생활관과 구조, 번식법에 따라 접합균류, 자낭균류, 담자균류 등으로 분류된다. 바이러스는 감염되는 숙주에 따라 구분되며 핵산의 종류, 외피의 유무 등으로도 분류된다.
이처럼 다양한 분류 기준과 방법을 통해 미생물의 계통관계와 실용적 특성을 파악할 수 있다. 이는 미생물 자원의 탐색과 이용, 그리고 관리에 활용되고 있다.
2.3. 동정과 명명
동정과 명명은 새로 분리한 균주가 기존 분류체계의 어디에 속하는지를 밝히고, 이에 따라 속(genus)과 종(species)을 정하여 이름을 붙이는 과정이다.
먼저 동정(identification)은 새로 분리한 균주에 대해 그 특성을 조사하여 기존의 분류체계에 어떻게 귀속되는지를 밝히는 것을 말한다. 여기에는 핵산 탐침법이나 PCR 기술과 같은 분자생물학적 기법이 이용된다.
명명(nomenclature)은 동정 결과에 따라 균주에 학명을 부여하는 것을 말한다. 학명은 국제명명규약에 따라 부여되며, 속명(genus name)과 종명(species name)으로 구성된다. 속명은 첫 글자만 대문자로 쓰고, 종명은 모두 소문자로 쓴다. 아종(subspecies)이나 변종(variety)이 있는 경우에는 각각 "subsp."와 "var."를 붙여 표기한다.
동정이 되었지만 종명이 아직 확실하지 않은 경우에는 속명 뒤에 "sp."를 붙여 표기한다. 또한 동일한 종명이라도 균주에 따라 성질이 다른 경우에는 기호나 숫자를 붙여 구별한다.
이와 같이 새로 분리된 미생물의 동정과 명명 과정을 거치면 그 미생물의 계통학적 위치와 특성을 명확히 할 수 있다. 대표적인 식품 미생물의 일반명과 학명의 예로는 "누룩곰팡이(Aspergillus oryzae)", "푸른곰팡이(Penicillium chrysogenum)", "거미줄곰팡이(Rhizopus nigricans", "빵(술)효모(Saccharomyces cerevisiae)", "고초균(Bacillus subtilis)", "젖산균(Lactobacillus plantarum)", "초산균(Acetobacter aceti)" 등이 있다.
3. 미생물 세포의 구조와 기능
3.1. 구성성분
미생물 세포의 주요 구성성분은 수분, 단백질, 핵산, 탄수화물, 지방질 및 무기질 등입니다.
수분은 세포에 필요한 성분을 용해시켜 이동과 반응을 촉진하는 매체 역할을 하며, 세포의 pH, 온도, 삼투압, 열전도 등 항상성 유지에 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 세균은 40~80%, 효모는 40~70%, 곰팡이는 10~50%의 수분 함량을 가지고 있습니다.
단백질은 미생물 건조 균체 중에서 가장 많은 비중을 차지하며, 효소 단백질, 구조 단백질, 핵단백질, 지단백질, 당단백질 등 다양한 형태로 존재합니다. 효소 단백질은 세포의 대사반응을 촉매하는 역할을 하며, 구조 단백질은 리보솜, 세포막 및 세포소기관 막을 구성하여 생명활동을 담당합니다.
핵산인 DNA와 RNA는 유전정보를 지니고 있어 유전현상을 일으키는 생명의 기본물질입니다. DNA는 데옥시리보스와 인산으로 이루어진 이중나선 구조이며, RNA는 리보스와 인산으로 이루어져 있습니다.
탄수화물은 리보스와 데옥시리보스가 핵산의 구성성분으로 존재하며, 글리코겐, 덱스트란, 레반 등의 형태로 세포 내 저장물질로 축적됩니다.
지방질은 건조 균체량의 약 10%를 차지하며, 주요 저장물질이자 세포막의 구성성분으로 작용합니다. 지방산, 중성지방, 인지질, 스테롤, 비타민 등이 포함됩니다.
마지막으로 회분은 유기성분이 제거된 무기원소 함유물질로, 인, 마그네슘, 철, 황 등이 포함되어 완충작용, 에너지대사, 조효소, 핵산, 단백질 등의 구성성분으로 작용합니다.
이처럼 미생물 세포는 다양한 구성성분들이 상호작용하며 생명활동을 영위하고 있습니다.
3.2. 미생물의 구조
미생물의 구조는 크게 원핵세포와 진핵세포로 구분할 수 있다. 원핵세포는 핵막이 없고 고리모양의 단일 DNA분자를 가지며, 미토콘드리아나 엽록체가 없다. 반면에 진핵세포는 핵막, 미토콘드리아, 엽록체 등의 세포소기관이 발달되어 있다.
원핵세포의 경우, 세포벽 밖에 점질층과 협막이 있어 세포와 다른 기질 부착 및 세포 보호 기능을 한다. 세포벽은 펩티도글리칸으로 구성되어 있어 단단한데, 이에 따라 그람양성균과 그람음성균으로 구분된다. 세포막은 물, 가스, 유기물 등을 선택적으로 투과시키며 에너지 생성에 관여하는 단백질을 포함하고 있다. 세포질에는 단백질, 탄수화물, 지방, 무기질 등의 대사물질이 있는 콜로이드 용액이 채워져 있다. 리보솜은 단백질 합성에 관여하며 핵역에는 불규칙한 경계를 가진 DNA가 존재한다. 일부 세균은 핵역 외에 플라스미드라는 자기복제성 DNA도 가지고 있다. 편모와 선모는 세균의 운동기관 및 부착에 관여하며, 내생포자는 환경이 나빠지면 생성되어 열, 건조, 자외선 등에 강한 저항성을 갖게 된다.
진핵세포의 경우, 핵막으로 둘러싸인 핵과 다양한 세포소기관들이 존재한다. 세포벽은 원핵세포보다 두껍고 균류의 경우 키틴, 글루칸, 만노프로테인이 주성분이다. 세포막은 인지질 이중막 구조로 되어있어 물질의 선택적 투과가 가능하며 스테롤이 포함되어 있다. 세포질에는 핵, 리보솜, 소포체, 골지체, 미토콘드리아 등의 세포소기관들이 있다. 리보솜은 단백질 합성에 관여하며 독립된 리보솜과 막에 결합된 리보솜이 있다. 핵은 이중막으로 구분되어 있고 핵소체에서 리보솜의 소단위가 만들어진다. 소포체는 단백질과 지질 합성에 관여하고, 골지체는 단백질과 지질의 분비 및 가공에 관여한다. 미토콘드리아는 산화적 인산화를 통해 ATP를 생산한다. 리소좀, 액포 등의 소기관들도 존재한다.
이와 같이 원핵세포와 진핵세포는 구조적 차이가 뚜렷하며, 각각의 특성에 따라 다양한 기능을 수행한다. 이러한 미생물 세포의 구조적 특징은 미생물의 생리, 대사, 생육 등 다양한 측면에서 중요한 역할을 한다.
4. 미생물의 특성
4.1. 세균과 방선균
세균과 방선균은 식품 미생물 분야에서 매우 중요한 역할을 담당한다. 세균은 대표적인 식중독 원인체로 잘 알려져 있지만, 식품 발효 및 숙성에도 필수적인 미생물이다. 또한 방선균은 토양에 널리 분포하며 항생물질 생산 등 산업적으로 유용하게 활용되고 있다.
우선 그람양성구균인 세균의 경우, 스트렙토코커스속(Streptococcus), 락토코커스속(Lactococcus), 류코노스톡속(Leuconostoc), 바이셀라속(Weissela), 페디오코커스속(Pediococcus) 등이 식품 발효에 중요한 역할을 한다. 이들은 젖산 발효를 통해 유기산을 생성하여 식품의 풍미와 보존성을 높이는데 기여한다. 특히 락토코커스속 균은 낙농제품 발효에 관여하며, 류코노스톡속 균은 김치 발효 초기에 중요한 역할을 한다. 한편 그람양성 내생포자 간균인 바실러스속(Bacillus)과 클로스트리디움속(Clostridium) 세균은 식품 부패와 식중독에 주된 원인체로 작용한다.
반면 그람음성세균에는 슈도모나스속(Pseudomonas), 젠토모나스속(Xanthomonas), 아세토박터속(Acetobacter), 글루코노박터속(Gluconobacter) 등이 포함된다. 이들 균은 과일, 채소 등 식물성 식품의 부패에 관여하며, 일부 균종은 식품 발효에도 활용된다. 대표적으로 아세토박터속 균은 식초 양조에 이용된다.
방선균은 일반적으로 그람양성세균으로 분류되지만 균사를 형성하고 내생포자를 만드는 등 세균과 곰팡이의 중간적 특성을 지닌다. 스트렙토마이세스속(Streptomyces)과 노카디아속(Nocardias)이 대표적인 방선균으로, 이들은 항생물질과 생리활성물질, 효소 등을 다량 생산하여 식품 및 의약 산업에서 중요한 역할을 한다.
이처럼 세균과 방선균은 매우 다양한 식품 미생물로서, 식품의 발효, 숙성, 부패, 식중독 등 식품 관련 다양한 현상에 관여한다. 이들 미생물의 종류와 특성을 이해하는 것은 식품 미생물학 분야에서 매우 중요하다고 할 수 있다.
4.2. 효모
효모는 자낭균류에 속하는 단세포 진핵미생물이다. 자낭균류에는 대표적으로 사카로마이세스속, 피치아속, 칸디다속, 로도토룰라속 등의 효모가 속한다. 효모는 영양세포가 공 또는 원통 모양이며, 세포 증식은 출아법이나 분열법을 통해 이루어진다. 효모는 다양한 방식으로 식품 산업에 이용되고 있다.
먼저 효모는 식품 발효에 널리 이용되고 있다. 양조주 발효에 사카로마이세스 세레비시애가 사용되며, 맥주 제조 시에는 사카로마이세스 세레비시애와 사카로마이세스 칼스버젠시스가 각각 상면 발효와 하면 발효에 이용된다. 청주 제조 시에도 사카로마이세스 세레비시애가 사용된다. 이들 효모는 에탄올 생산 능력이 뛰어나며, 풍미 향상에도 기여한다.
또한 효모는 단백질이 풍부하여 식품 및 사료 원료로 이용되기도 한다. 엔도마이세스, 한세눌라, 사카로마이세스, 칸디다, 토룰롭시스속 효모 등이 식품 및 사료용 효모로 사용된다. 이 외에도 빵 제조에 사카로마이세스 세레비시애가 이용된다.
한편 일부 효모는 식품의 변패에도 관여한다. 과일 주스 중에 존재하는 로도토룰라, 크립토코커스, 칸디다, 토룰롭시스, 디바리오마이세스, 피치아속 등의 효모는 알코올 발효를 일으켜 과일 주스를 혼탁하게 하고 향미를 변화시킬 수 있다. 또한 치즈 숙성 과정에서 디바리오마이세스속 효모는 피막을 형성하여 치즈의 품질을 저하시키기도 한다.
이처럼 효모는 식품 발효, 식품 및 사료 원료, 식품 변패 등 다양한 방면에서 중요한 역할을 한다. 최근에는 유전공학 기술을 활용하여 효모의 유용 특성을 개량하려는 연구도 진행되고 있다.
4.3. 곰팡이
곰팡이는 구조와 증식방법에 따라 다양한 종류가 존재하며, 이들은 식품 제조와 변패에 중요한 역할을 한다.
곰팡이는 균사체(실모양의 균사)와 자실체(번식기관)로 구성되어 있다. 균사는 영양균사와 기균사로 구분되며, 영양균사는 기질 표면에 퍼져 영양분을 흡수하고 기균사는 공중으로 자라 포자를 만든다. 균사에 격벽이 있는지 여부에 따라 격벽 유무형 곰팡이(접합균류, 자낭균류 등)와 격벽 있는 형(담자균류, 불완전균류 등)으로 나뉜다.
접합균류(뮤코르, 라이조푸스)와 자낭균류(아스퍼길루스, 페니실리움)는 식품 발효에 이용되며, 담자균류(트리코데르마)와 불완전균류(보트리티스, 클라도스포리움)는 식품 변패에 관여한다. 접합균류는 균사가 가지없이 곧게 뻗으며 포자낭을 형성하고, 자낭균류는 자낭 속에 자낭포자를 만든다. 불완전균류는 유성생식세대가 발견되지 않은 곰팡이로 분생포자를 형성한다.
곰팡이는 다양한 종류의 포자를 형성하여 증식한다. 분생포자는 균사 끝이나 측면에서 형성되며, 후막포자는 균사 내부에 생성된다. 자낭포자는 자낭 속에 형성되고, 담자포자는 담자 끝에서 생성된다. 이러한 다양한 포자 형성 방식을 통해 곰팡이는 넓은 온도와 pH 범위에서 살아남을 수 있다.
곰팡이는 식품 발효에 이용되기도 하지만, 변패의 주요 원인이 되기도 한다. 곡류, 채소, 과일 등의 농산물과 유제품, 육류 등 다양한 식품에서 곰팡이에 의한 변패가 발생한다. 곰팡이는 펙틴 분해효소를 분비하여 식품의 조직을 연화시키고, 색소를 생산하여 변색을 일으킨다. 또한 곰팡이 독소인 마이코톡신을 생성하여 식품의 안전성을 위협하기도 한다.
따라서 식품 산업에서는 곰팡이의 생육을 억제하기 위해 다양한 방법을 적용한다. 온도, 수분활성도, pH, 보존료 등을 조절하거나 방사선 조사, 고압 처리 등의 물리적 방법을 사용한다. 또한 곰팡이 생육에 적합한 조건을 만들어 발효에 활용하기도 한다. 이처럼 곰팡이는 식품 산업에서 매우 중요한 미생물로, 식품의 안전성과 품질 향상을 위해 지속적인 연구와 관리가 필요하다.
4.4. 버섯과 조류
버섯은 분류학상 곰팡이(fungi)에 속하며, 구조적으로 곰팡이와 유사하지만 독립적인 생활을 하는 고등미생물이다. 버섯의 특징은 다음과 같다.
버섯은 자실체(mushroom)라고 불리는 비대해진 균사체로 구성되어 있다. 자실체에는 균모, 균경, 자루, 자막 등의 구조가 있다. 버섯은 주로 담자균류(Basidiomycota)와 자낭균류(Ascomycota)에 속하며, 이들은 각각 담자기와 자낭에서 포자를 형성한다. 버섯은 스포로필름에서 담자포자나 자낭포자를 생산한다.
식용버섯은 맛, 향, 영양성분이 우수하여 널리 이용된다. 대표적인 식용버섯에는 표고버섯, 느타리버섯, 팽이버섯, 양송이버섯 등이 있다. 이들 버섯은 단백질, 비타민, 무기질 등 영양성분이 풍부하며 특유의 향과 식감을 가지고 있다. 또한 버섯에는 항산화, 면역증진, 항암 등의 다양한 생리활성 물질이 함유되어 있어 건강기능식품으로도 주목받고 있다.
한편, 조류(Algae)는 광합성을 하는 단세포 또는 다세포 진핵생물로, 크게 녹조류, 갈조류, 홍조류, 남조류(또는 청록색 세균) 등으로 구분된다. 조류는 식품, 사료, 비료, 의약품 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.
녹조류에는 클로렐라, 스피룰리나 등이 속하며, 이들은 단백질, 지질, 탄수화물, 비타민, 무기질 등이 풍부하여 식용 및 건강기능성 식품으로 많이 이용된다. 특히 클로렐라는 단백질이 60% 이상 함유되어 있어 단백질 공급원으로 주목받고 있다.
갈조류에는 다시마, 미역, 톳 등이 속하며, 이들은 해조류로 불리며 식용으로 널리 이용되고 있다. 갈조류에는 알긴산, 후코이단 등의 다당류가 풍부하게 함유되어 있어 식품, 화장품, 의약품 등의 원료로 사용된다.
홍조류에는 김, 우뭇가사리, 자주김 등이 속하며, 이들 또한 식용으로 이용되는 해조류이다. 홍조류에는 카라기난, 한천 등의 다당류가 풍부하게 포함되어 있어 식품, 의약품, 화장품 등의 증점, 겔화, 유화 등의 기능성 소재로 활용된다.
남조류(또는 청록색 세균)는 식용으로 이용되기도 하지만, 독소를 생산하는 종류도 있어 주의가 필요하다. 대표적인 남조류에는 스피룰리나, 클로로코쿠스 등이 있다....
