발효유제품의 생산과 starter culture의 역할
발효유제품은 서양 식단에서 가장 중요한 발효식품군이며, 대표적인 예로 요구르트와 치즈, 발효크림으로 제조한 버터 등이 있습니다. 발효유제품 생산 시에는 보통 우유를 저온살균한 후에 종균인 유산균을 접종시킵니다. 이러한 발효 과정은 우유의 보존성을 높일 뿐만 아니라, 산미, 향미, 점도 등 감각적인 특성을 변화시키고 또한 영양과 기능성 성분을 향상하는데 효과가 있습니다. 전통적으로 유제품 산업에서는 본 배양체를 만들기 위해 액체 stock culture 형태의 starter culture를 여러 번 계대합니다. 그러고 나서 이 본 배양체를 우유에 접종하는데, 이때 발효를 빠르게 하기 위해서는 충분한 양의 starter를 첨가하는 것이 중요합니다. 최근에는 액체 Stock culture 대신 동결 건조 혹은 액체 질소를 통해 냉동된 starter를 연구소 등에서 분양받아서 사용하는 경우가 많습니다. 이를 본 배양체로 이용하거나, 직접 우유에 첨가하기도 합니다. 동결건조 또는 냉동 starter는 균 수와 균종 구성이 일정하고 보관 안정성이 높아서 제품 간 품질 편차를 감소시키고 위생적인 생산관리에 유리합니다. 락트산과 향미 성분의 생산과는 별도로, 유산균은 치즈의 숙성에도 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 체다치즈와 같은 경질 치즈가 숙성되는 과정에서 유산균은 단백질 분해 효소를 만들어내고, 이는 치즈 속 카제인을 분해시킵니다. 이렇게 하여 숙성 치즈 특유의 질감과 향미를 형성하는데 기여합니다.
발효유제품에서 starter culture 사용 시 문제점
그러나 starter culture를 사용한 유제품 발효 과정에서 몇 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 특히, 락트산이 정상적일 때보다 늦게 생성되거나, 심한 경우 거의 생산되지 않는 '늦은 산 생성' 현상을 예로 들 수 있습니다. 산 생성이 지연되면 pH가 충분히 빠르게 내려가지 않아, 초기 단계에서 병원성 세균이 증식할 수 있는 시간을 제공하게 됩니다. 이러한 경우에는 최종 제품이 변패 할 가능성이 높아지고, 황색포도상구균과 살모넬라와 같은 오염균주가 증식하여 품질이 저하되고 안전성에 문제가 생길 수 있습니다. 이처럼 starter culture로 인한 문제들이 발생하는 주요 요인들은 다음과 같습니다. 첫 번째로 박테리오파지 바이러스는 실제 유가공 산업에서 가장 큰 문제로 항상 먼저 언급됩니다. 원유에서 유래한 박테리오파지가 starter culture 생산이나 사용과정에서 미생물을 공격할 수 있는데, 이는 starter 전체가 기능을 잃어 산 생성이 거의 안 되고 발효 배지 자체가 날아갈 수 있습니다. 두 번째로는 원유나 원재료 중 항생제가 잔류하는 경우 starter 성장을 억제하거나 균을 사멸시킬 수 있습니다. 또한, 설비 소독 후 소독제가 완전히 제거되지 않는다면, 원유 중에 소독제 잔류로 인해 starter의 활성을 억제해 산 생산을 저해할 수 있습니다. 그리고 기능성 플라스미드의 불안정성 때문에도 문제가 발생할 수 있습니다.
발효유제품에서 starter culture의 관리 및 개선 방향
starter culture를 사용하여 발효유제품 생산 시, 식품의 품질 저하와 식품 안전성 문제가 발생할 수 있으므로 철저한 관리가 필요합니다. 이러한 관리에는 원유의 품질 관리와 항생제 잔류 여부 확인, 그리고 설비 세척 및 살균, 박테리오파지 감염 모니터링 등 생산 전 과정에 걸쳐서 체계적인 위생 관리와 공정관리 활동이 포함됩니다. 한편, 유전공학적인 방법을 통해 starter로 사용되어 온 유산균 균주의 특성을 개선하거나 새로운 균주를 개발하려는 연구가 진행되어 왔습니다. 궁극적으로는 starter 자체의 유전적 특성과 발효 조건을 같이 최적화해, 공정의 변동성에도 덜 민감한 균주를 확보하는 것이 목표입니다. 빠른 산 생성능, 박테리오파지 저항성, 단백 분해 활성, 쓴 맛 제거와 같은 기능, 그리고 전반적인 향미 개선 및 강화 능력이 주요 개선 목표가 됩니다. 다만 유전자 변형 유산균의 상업적 사용은 각국의 규제와 소비자의 수용성 문제로 인해서 아직은 제한적입니다. 실용화 단계에서는 비유전자변형 돌연변이 육종이나 선발을 병행하는 경우가 많습니다. 또한, 요구르트, 치즈, 발효버터 등 제품의 유형에 따라 목표 산도, 점도, 향미가 다르기 때문에, 각 제품에 특화된 starter 조합을 설계하는 연구도 병행되고 있습니다. 요약하자면 산업 현장에서는 빠르게 산을 잘 만들고, 단백질을 적절히 분해하여 쓴맛 없이 좋은 향미를 내는 starter를 설계하는 것이 핵심 목표라고 할 수 있습니다.