본문내용
1. 발효공학의 역사와 중요성
1.1. 발효의 의미와 발견
발효는 미생물의 생화학적 작용에 의해 일어나는 화학 변화 과정을 의미한다. 인류는 발효의 의미를 알지 못하던 시절부터 이미 미생물을 이용한 자연발효를 실생활에 이용해왔다. 구약성경의 창세기편에 롯이 술을 마신 이야기가 등장하며 우리 조상들은 먼 옛날부터 김치, 간장 등을 발효에 의해 만들어 사용하였다.
1676년 네덜란드의 레벤후크(Leeuwenhoek)에 의해 처음 미생물이 발견된 이후, 파스퇴르(Pasteur)와 코크(Koch)에 의해 발효는 효모의 생활작용이며 부패는 잡균에 의해 일어난다는 사실이 밝혀졌다. 파스퇴르는 포도주 산패를 해결하기 위한 연구 과정에서 발효 현상의 학문적 해명에 크게 기여했고, 저온살균법(pasteurization)과 광견병 백신(vaccine)에 대한 면역 개념을 도입하였다. 코크는 현미경을 통해 탄저균의 수포(spore)를 발견하고 생활상을 밝혔으며, 미생물 순수 분리와 폐결핵균 발견 등의 업적을 남겼다. 이후 부흐너(Buchner)는 효모 추출액으로부터 알코올발효과정을 입증함으로써 생명현상이 효소에 의해 이루어진다는 가설을 주장하였다.
이와 같이 발효 현상에 대한 학문적 이해가 점진적으로 발전해왔으며, 이는 현대 생명공학 및 미생물공학의 토대가 되었다고 볼 수 있다. 발효는 인류 역사상 오랫동안 활용되어온 기술이자 생명현상에 대한 이해를 증진시키는 중요한 계기가 되었다고 할 수 있다.
1.2. 발효공학의 발전과 주요 학자들의 기여
발효공학의 발전과 주요 학자들의 기여는 다음과 같다.
인류는 발효의 의미를 알지 못하던 시절부터 이미 미생물을 이용한 자연발효를 실생활에 이용해왔다. 미생물은 네덜란드의 레벤후크(Leeuwenhoek)에 의해 1676년 처음 발견된 후 이 미생물이 발효, 부패, 전염병 등의 원인임이 파스퇴르(Pasteur)와 코크(Koch)에 의해 밝혀지기까지 200여 년의 시간이 소요되었다. 파스퇴르는 프랑스 포도주 양조자들의 고충인 포도주 산패를 해결하기 위하여 연구하던 중 발효는 효모의 생활작용이며 부패는 잡균에 의해 일어난다는 것을 발견하였다. 그리고 플라스크의 목을 가늘고 길게 한 장치를 사용하여 '생명현상은 생명으로부터'라는 사실을 입증하였고 저온살균법(pasteurization)의 발명, 광견병 백신(vaccine)에 대한 면역 개념도입, 발효현상의 학문적 해명 등 많은 업적을 남겼다. 코크는 현미경을 통하여 탄저균의 수포(spore)를 발견하고 생활상을 밝혔으며 감자절편을 이용한 미생물 순수분리(1880년), 폐결핵균의 발견 등의 업적을 남겼다. 한편 부흐너(Buchner)는 효모 추출액으로부터 알코올발효과정을 입증함으로써 생명현상은 생물체에 함유된 효소에 의해 이루어진다는 가설을 주장하였다(1897년). 그 후 플레밍(Fleming)은 1928년 푸른곰팡이로부터 페니실린을 발견하였고, 스텐리(Stanley)의 바이러스 발견(1935년), 크렙스(Krebs)의 산소호흡 대사과정 규명(1954년)을 거치며 생명현상에 대한 많은 연구가 이루어졌다. 1944년 그리피스(Griffith)는 폐렴균에 의한 형질전환실험에서 유전물질의 존재를 확인했고 에버리(Avery)에 의해 유전물질의 본질이 DNA임이 밝혀졌다. 그리고 1950년에 와트슨(Watson)과 크리크(Crick)에 의한 DNA 이중나선구조의 규명은 현대 분자생물학(molecular biology)의 근간을 이루게 되었다.""
1.3. 발효공학의 활용 범위
미생물을 이용한 발효산업이 주류 및 발효식품 분야에는 예전부터 이용되었으나, 근래에는 의약용 및 각종 고부가가치 생산물을 얻기 위하여 발효산업의 발전 폭이 넓어지고 있다. 전통적인 술, 치즈, 김치 등의 발효식품 생산뿐만 아니라, 의약품, 효소, 아미노산, 유기산, 생물비료, 기능성 물질 등의 고부가가치 생산물 제조에 발효공학 기술이 광범위하게 활용되고 있다. 최근에는 생명공학 기술의 발달과 함께 대사공학 및 유전자 조작 기술들이 개발되면서, 미생물을 "미생물 세포공장"으로 이용하여 새로운 건강기능성 식품소재 및 화학물질 등을 생산하는 데 활용되고 있다. 이처럼 발효공학은 식품, 의약, 화학, 환경 등 다양한 산업 분야에서 그 활용 범위가 지속적으로 확대되고 있다.
2. 미생물을 이용한 발효공정의 기본 원리
2.1. 발효공정의 6가지 기본 단계
발효공정의 6가지 기본 단계는 다음과 같다.
첫째, 배지의 조제이다. 미생물의 증식이나 발효 생산물을 만들기 위해 필요한 각종 영양분을 용해시켜 배지를 만드는 단계이다. 이때 균의 증식을 위한 배지와 발효를 위한 배지는 구성성분에 차이가 있다.
둘째, 설비의 살균이다. 발효 장비 및 배지를 121℃에서 15~30분간 멸균하는데, 배지의 양이 많을수록 멸균 시간을 늘려야 한다.
셋째, 종균의 준비이다. 주 발효에 사용할 종균을 플라스크 진탕배양과 소규모 종배양 발효조에서 증식시키는 과정이다.
넷째, 균의 증식이다. 주 발효조 내에서 배양 조건을 최적화하여 박테리아를 증식시키는 단계이다.
다섯째, 생산물의 추출과 정제이다. 배양액에서 균체를 분리하고, 생성물이 세포 외부로 유출되었다면 배양액을 정제하며, 세포 내부에 있다면 세포를 파쇄하고 생성물을 정제하는 과정이다.
마지막으로 발효 폐기물 처리이다. 발효 과정에서 생성된 폐기물을 처리하는 단계이다.
이와 같은 6가지 기본 단계를 통해 미생물을 이용한 발효공정이 이루어진다.
2.2. 배지 준비와 멸균
배지 준비와 멸균이다. 미생물을 이용한 발효공정의 기본 단계 중 하나로, 균의 증식이나 발효생산물을 만들기 위한 배지를 조제하고 이를 살균하는 과정이다.
먼저 배지 조제 단계에서는 균의 증식 및 발효를 위해 필요한 각종 영양분들을 용해시켜 배지를 만든다. 이때 균의 증식을 위한 배지와 발효를 위한 배지는 그 구성성분에 차이가 있다. 주요 성분으로는 탄소원, 질소원, 무기염류, 비타민 등이 포함된다.
이렇게 조제된 배지는 다음으로 멸균 과정을 거치게 된다. 배지와 발효 장비를 121°C, 15 psi의 수증기로 15-30분간 멸균하여 오염균의 유입을 차단한다. 멸균 시간은 배지의 양이 많을수록 증가시켜야 한다. 이를 통해 배양에 활용되는 배지와 설비가 무균 상태로 유지되도록 한다.
이처럼 배지 준비와 멸균 단계는 미생물 발효공정의 성공을 위한 필수적인 전처리 과정이다. 무균적인 배양 환경을 구축하고 균의 생장 및 대사 활동에 적합한 배지를 제공함으로써, 균주의 증식과 원하는 발효 산물의 효율적인 생산을 가능하게 한다.
2.3. 종균 배양
종균 배양은 주발효에 사용할 종균(inoculation)을 준비하는 단계이다. 주로 slant나 동결건조 상태에 보관되어 있는 종균을 취하여 플라스크 진탕배양과 소규모 종배양 발효조에서 증식시킨다.
종균 배양 시에는 배지의 조성이 매우 중요하다. 배지에는 균의 증식에 필요한 각종 영양분이 포함되어야 한다. 일반적인 종균 배지는 포도당, 질소원, 인, 미량원소 등으로 구성된다. 질소원으로는 아미노산이나 암모늄 화합물이 사용되며, 식물성 단백질 가수분해물도 사용된다.
종균 배양 과정에서는 멸균이 필수적이다. 발효 중 오염이 발생하면 목적 균주의 생육이 저해되어 생산물 수율이 떨어지거나 부산물이 생성될 수 있기 때문이다. 종균 배양 장치와 배지는 고압증기멸균법(121°C, 15-30분)으로...
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