에탄올 발효

3. 에탄올 발효의 생화학적 과정

에탄올 발효는 주로 효모(''사카로미세스 세레비시에(Saccharomyces cerevisiae)'' 등)나 일부 세균(''자이모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis)'' 등)에 의해 산소가 없는 환경에서 일어나는 대사 과정이다.^[3] 이 과정은 크게 해당과정, 피루브산 탈탄산, 알코올 탈수소효소 반응의 세 단계로 나눌 수 있다.

3. 1. 관련 대사 과정

• ''류코노스톡''(Leuconostoc) 속 세균은 젖산, 에탄올, 이산화 탄소를 생성하는 이형젖산 발효를 한다.
• 대장균속(Escherichia) 세균은 젖산, 아세트산, 석신산, 포름산, 이산화 탄소, 수소와 혼합된 에탄올을 생성하는 혼합 유기산 발효를 한다.
• ''엔테로박터(Enterobacter)'' 속 세균은 에탄올, 뷰테인다이올(부탄디올), 젖산, 포름산, 이산화 탄소, 수소를 생성하는 뷰테인다이올 발효를 한다.

4. 산소의 효과

일반적으로 에탄올 발효는 산소가 없는 혐기성 조건에서 진행되지만, 일부 효모 종(예: ''락티스 효모'' 또는 ''리포리티카 효모'')은 산소가 존재할 경우 세포 호흡을 통해 피루브산을 이산화 탄소와 물로 완전히 산화시킨다. 따라서 이러한 효모 종들은 혐기성 환경에서만 에탄올을 생성한다.

그러나 빵효모(''사카로미세스 세레비시에'')나 분열효모(''쉬조사카로미세스 폼베'')와 같은 많은 효모들은 산소가 있는 조건에서도 발효를 더 선호하는 경향이 있다. 이들은 적절한 영양 조건이 주어지면 호기성 조건에서도 에탄올을 생산할 수 있는데, 이를 역 파스퇴르 효과라고 부른다. 비연속 발효 과정에서 세포 단백질 1mg당 에탄올 생성 속도는 반응 초기에 가장 높고, 배지에 에탄올이 축적됨에 따라 점차 감소한다.^[1]

이러한 현상은 에탄올을 제거해도 발효 활성이 즉시 회복되지 않는다는 점에서, 에탄올의 존재보다는 다른 생리적 변화(에탄올에 의한 손상 가능성 포함)가 대사 속도 감소의 원인임을 시사한다.^[1] 발효 활성 감소의 잠재적 원인으로 몇 가지 요인이 조사되었으나, 생존율(90% 이상), 내부 pH(중성에 가까움), 해당과정 및 알코올 생성 효소의 비활성(시험관 내 측정 시 높게 유지) 등은 비연속 발효 중 발효 활성 감소와 관련이 없는 것으로 나타났다.^[1]

5. 에탄올 발효의 응용

알코올 음료 생산에는 효모를 이용한 알코올 발효가 사용된다. 와인과 브랜디는 포도의 당을 발효시켜 만들지만, 맥주, 위스키, 청주 등은 곡물을 원료로 사용한다. 곡물로 술을 만들기 위해서는 먼저 전분을 당으로 분해하는 과정(당화)이 필요한데, 맥주에서는 맥아에 포함된 아밀라아제 효소가 이 역할을 담당한다. 청주는 쌀을 정미하여 배아를 제거하므로 누룩곰팡이를 이용하여 당화시킨 후 효모로 알코올 발효를 한다.

바이오에탄올은 옥수수나 사탕수수를 알코올 발효시켜 만든다. 바이오매스 에탄올은 재생 가능한 에너지원으로, 연소 시 대기 중 이산화탄소 농도를 증가시키지 않아 미래 에너지원으로 주목받고 있다. 그러나 생산 과정 전체를 고려했을 때 이산화탄소 감축 효과, 에너지 효율성, 식량과의 경쟁 등 문제점도 제기되고 있다.

에탄올 발효는 뎅기열 감염 예방에도 응용될 수 있다. 모기는 이산화탄소에 모이는 습성이 있는데, 페트병을 활용하여 흑설탕, 뜨거운 물, 이스트균을 넣어 이산화탄소를 발생시키면 모기를 유인하는 "모기 포획기"를 만들 수 있다. 필리핀에서는 이 "모기 포획 페트병"을 사용하여 뎅기열 감염이 전년 대비 55% 감소했다는 연구 결과가 있다.^[21]

5. 1. 제빵

5. 2. 술 (알코올 음료)

• 포도주는 포도에 존재하는 천연 당분의 발효에 의해 생산된다. 사과주(cider)와 페리(perry)는 각각 사과와 배에 있는 천연 당분의 발효에 의해 생산된다.
• 봉밀주(mead, 벌꿀술)은 벌꿀에 존재하는 천연 당분의 발효에 의해 생산된다.
• 맥주, 위스키, 보드카는 맥아에 존재하는 아밀레이스에 의해 곡물의 녹말을 당으로 전환시킨 다음, 이 당분을 발효시켜 생산한다. 위스키와 보드카는 증류주이다.
• 미주(막걸리, 사케 포함)는 누룩곰팡이(''Aspergillus oryzae'')에 의해 곡물의 녹말을 당류로 전환한 다음 발효해서 생산한다. 소주, 쇼추, 바이주는 이러한 발효주를 증류한 것이다.
• 럼은 사탕수수의 당밀을 발효 및 증류하여 생산한다.

5. 3. 연료 생산 (바이오에탄올)

5. 3. 1. 에탄올 공급 원료로서의 카사바

6. 발효의 부산물

에탄올 발효는 에탄올 외에도 열, 이산화 탄소, 가축용 사료, 물, 메탄올, 연료, 비료, 알코올과 같은 부산물을 생산한다.^[47] 발효 과정에서 곡물의 발효되지 않은 고체 잔류물은 가축 사료 또는 바이오가스 생산에 사용될 수 있다.^[17] 이 잔류물은 증류주박으로 불리며, WDG(''Wet Distiller's grains'', 습식 증류 곡물) 또는 DDGS(''Dried Distiller's Grains with Solubles'', 가용성 건조 증류 곡물)로 판매된다.

7. 에탄올 발효에 사용되는 미생물

• 효모
• * 사카로미세스 세레비지에
• * 분열효모
• 자이모모나스 모빌리스 (세균)

8. 자연계에서의 에탄올 발효

원숭이가 나무 동굴이나 바위 틈새 등에 넣은 과실이 발효되어 술이 된 것을 원숭이술이라고 한다.^[22]

; 과실이 발효되는 경우

: 호박, 사과, 발효되기 쉬운 마룰라 등이 확인되었다.^[23]

; 수액이 발효되는 경우

: 히말라야 삼나무의 발효된 수액에는 너구리나 흰꼬리사향고양이, 곤충 등이 모여 섭취하고 있었다.^[25] 기니의 침팬지는 야자수 수액이 알코올 발효된 것을 즐겨 섭취한다.^[26][27]

: 탄자니아에서는 대나무 숲에 모이는 새들이 이상 행동을 하는 것으로부터 발견되었다고 하는, 대나무 수액이 알코올 발효된 우란지라는 대나무 술이 있다.^[28][29]

; 체내에서 발효되는 경우(취중증, 장 발효 증후군, 자가 양조 증후군)

: 소화관 내에서 당분이 발효되어 알코올을 마시지 않았는데도 술을 마신 듯한 증상이 나타난다.^[30]

; 무산소 상태의 붕어류

: 붕어류는 얼음으로 연못 표면이 닫혀 무산소 상태가 된 수중에서 체내의 젖산을 에탄올로 바꾸는 것으로 살아남는 기능을 획득했다.^[31]

9. 뎅기열 감염 예방 (응용)

모기는 호흡 등을 통해 배출되는 이산화 탄소에 모이는 습성이 있다. 이러한 습성을 이용하여 페트병을 가공한 용기에 흑설탕, 뜨거운 물, 이스트균을 넣어 간단하게 이산화 탄소를 생성하고, 모기를 유인하는 "모기 포획기"를 만들 수 있다. 이 모기 포획기는 감염병을 옮기는 모기를 잡는 데 사용된다. "모기 포획 페트병"은 필리핀에서 뎅기열 감염을 전년 대비 55% 감소시키는 데 효과가 있었다는 연구 결과가 보고되었다.^[21]

참조

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