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JKFN Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition



Online ISSN 2288-5978

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Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2023; 52(5): 516-521

Published online May 31, 2023 https://doi.org/10.3746/jkfn.2023.52.5.516

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

Effect of Protectants and Fermentative Properties of Saccharomyces cerevisiae JBCC-95 Isolated from Makgeolli after Freeze Drying

Sang-Kyu Park , Hao Jin , Chan-Mi Lee , and Sang-Ho Baik

Department of Food Science and Human Nutrition, Chonbuk National University

Correspondence to:Sang-Ho Baik, Department of Food Science and Human Nutrition, Chonbuk National University, 567, Baekje-daero, Deokjin-gu, Jeonju, Jeonbuk 54896, Korea, E-mail: baiksh@jbnu.ac.kr

Received: January 31, 2023; Revised: March 7, 2023; Accepted: March 7, 2023

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

The stability of Saccharomyces cerevisiae is important for industrial usage as a starter culture for the rice wine fermentation process. This study evaluates the effects of diverse protective agents and storage conditions after freeze-drying of the high ethanol-producing S. cerevisiae JBCC-95 strain isolated from traditional rice wine. Four single cryoprotective freeze-drying agents (viz., 10% each of skim milk, lactose, trehalose, and sorbitol) were evaluated, and 10% lactose was determined to be an excellent single protectant. Moreover, the stability of S. cerevisiae JBCC-95 after freeze-drying with 5% skim milk with lactose was greatly enhanced up to 70%, which is 2.5 times higher than the single treatment of lactose. During long-term storage of 30 days at low temperatures, S. cerevisiae JBCC-95 showed less than 13% survival with single protectants, whereas 26% survival was obtained with combined protectants. Physicochemical analysis revealed that freezing of S. cerevisiae JBCC-95 with the selected protectant of 5% skim milk and lactose had no significant effect on the rice wine fermentation (P<0.05). However, the rice wine fermented by freeze-drying S. cerevisiae JBCC-95 with skim milk and lactose as protectants revealed increased levels of esters such as ethyl acetate, isoamyl acetate, and ethyl 2-methylbutyrate and decreased aldehyde contents, indicating that freeze-drying with 5% skim milk and lactose positively affected rice wine fermentation without any significant physicochemical change.

Keywords: protectant effect, freeze-drying, rice wine, Saccharomyces cerevisiae

막걸리는 누룩, 고두밥, 효모 및 약간의 약용식물 또는 허브와 함께 발효시켜 만들며, 청주와 약주와는 다르게 발효 후 미생물을 걸러내지 않기 때문에 필수 아미노산, 단백질, 당질 및 생효모를 함유하고 있어 독특한 영양 특성과 향미를 갖는다(Kim 등, 2012; Kim 등, 2013). 현대에 들어서 한국 전통주인 막걸리의 발효에 대한 과학적인 기술은 다양한 종균의 분리, 발효 기술 및 저장 기술의 발전에 힘입어 품질의 개선 및 발전이 이루어지고 있다. 특히 막걸리의 고급화에 힘입어 기존에 등한시되어왔던 막걸리의 맛과 향에 관한 관심이 증가하고 있을 뿐만 아니라, 이에 영향을 미치는 효모의 중요성 또한 대두되고 있다(Baek 등, 2017). 전통적인 막걸리 양조 방식의 단점인 장시간 발효, 낮은 알코올 수율 및 미생물 오염을 극복하기 위해 상업적 막걸리 제조방식은 코지와 상업용 효모를 사용하는 일본식 양조 방식을 주로 따르고 있다(Rhee 등, 2003). 그러나 사용하기 편리하고 주질이 안정적으로 유지되는 장점인 외국 와인용 또는 제빵용 효모에 비해 토착 효모는 그 지역 특유의 관능 특성을 나타내기에 적합하나, 대량생산을 위한 기반 시설이나 과학적인 자료가 부족하여 실질적 산업화 적용에 한계점을 가지고 있다(Baek 등, 2015, 2017; Kim 등, 2012; Valles 등, 2008).

산업적으로 종균을 보급하고 사용하기 위해서는 여러 가지 기술의 개발이 필요하나 이 중에서도 균주의 활성을 유지하기 위한 저장 기술은 매우 중요한 요소이다. 동결건조는 미생물을 장기 보존하기 위해 가장 보편적으로 사용되고 우수한 방법이나, 필수적으로 균주에 여러 가지 용해 및 파열 등과 같은 세포벽에 물리화학적 손상을 유발하여 보존 중에 어느 정도의 사멸이 발생하여 발효제로서의 활성이 저하되는 문제점을 가지고 있으며, 이러한 문제점으로 인해 이들 미생물을 발효제로 사용한 경우 발효제품의 성질에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Abadias 등, 2001; Lodato 등, 1999; Miyamoto-Shinohara 등, 2000). 미생물의 보호 효과는 미생물 배양 온도, 세포의 수분 함량, 냉각 속도, 동결보호제 및 저장 온도 등 여러 요인이 영향을 받는다. 그중 가장 중요한 요소는 동결건조 시키는 데 사용되는 동결보호제의 조성이다(Hubalek, 2003). 따라서 동결건조과정을 거치더라도 생균수를 유지할 수 있도록 적절한 동결보호제 사용이 필수 불가결하며, 이러한 동결보호제의 선택은 균주의 대량 보급에 있어 경제적인 효과뿐만 아니라 산업화의 과정을 촉진하고 제품의 품질을 보장하는 데 매우 큰 영향을 미친다. 동결건조과정에서 미생물의 생존율을 향상시키기 위해 탈지분유, 유청 단백질, 글리세롤, 포도당, 트레할로스, 자당, 유당과 같은 다양한 동결보호제를 혼합함으로써 동결건조 시 미생물 세포를 안정화하는 효과를 확인함으로써 효과적인 소재로 이용되어왔다(Meng 등, 2008). 특히 트레할로스는 열처리, 탈수, 동결, 고에탄올 농도 등의 스트레스 조건에서 유산균, 비피더스균, 효모 세포 등의 생존율을 증가시켜, 동결보호제로서 생체막 보호에 가장 효과적인 소재 중 하나로 알려져 왔다(Carvalho 등, 2002; Hino 등, 1990; Leslie 등, 1995).

본 연구에서는 우리나라 전통 방식으로 제조된 막걸리에서 분리한 고알코올 생성 균주인 Saccharomyces cerevisiae JBCC-95의 산업화를 위해 다양한 동결보호제의 동결건조과정에서의 동결보호 능력에 관한 효과를 장기저장에 따른 생존율을 이용하여 비교하였다. 더불어 가장 높은 생존율을 보인 동결보호제를 선발하여 동결건조 후 막걸리 발효를 진행하여 동결보호제가 막걸리 발효에 미치는 향미 분석 및 이화학적인 특성을 조사하였다.

실험재료

본 연구에 사용된 동결보호제로 탈지분유(skim milk), 글리세롤(glycerol), 락토오스(lactose), 소르비톨(sorbitol), 트레할로스(trehalose)는 Sigma-Aldrich Chemical Co.에서 구입했으며, 기타 시약과 용매는 ACS 등급의 것을 구입하여 사용하였다.

균주 및 배지

본 연구에 사용한 균주는 본 실험실에서 전통 방식으로 제조한 막걸리로부터 분리한 고알코올 생산 균주인 Saccharomyces cerevisiae JBCC-95를 사용하였다. 기본적으로 실험에 사용된 효모는 YM 액체배지(Difco Laboratories)에 배양한 후 30% 글리세롤을 첨가하고 -80°C에서 보관하여 사용하였다. 대조군으로 상업용 효모인 Lalvin EC-1118(Lalvin)을 구입하여 사용하였다.

동결보호제의 보호 효과

-80°C에서 보관 중인 S. cerevisiae JBCC-95를 액상 YPD 배지(5 mL; Difco Laboratories)에서 48시간 동안 진탕 전배양(37°C, 140 rpm)한 후, 세포 배양액을 액상 YPD 배지(500 mL)에서 추가로 48시간 동안 배양된 효모를 원심분리(5,000×g, 10 min; 1580MGR, Gyrozen)한 다음 회수된 세포를 증류수로 2회 세척하고, 동결보호 효과를 평가하기 위해 다양한 조성의 동결보호제를 첨가하였다. -80°C에서 24시간 동결시킨 후 동결건조기(FD8508, IlShinBio Base)를 이용하여 48시간 동안 동결건조시킨 다음 4°C에서 보관하여 사용하였다. 동결보호제의 조성은 탈지분유(10%, w/v), 글리세롤(10%, w/v), 락토오스(10%, w/v), 소르비톨(10%, w/v), 트레할로스(10%, w/v), 탈지분유(5%, w/v)와 글리세롤(5%, w/v)을 혼합한 제제, 탈지분유(5%, w/v)와 락토오스(5%, w/v)를 혼합한 제제, 탈지분유(5%, w/v)와 소르비톨(5%, w/v)을 혼합한 제제, 탈지분유(5%, w/v)와 트레할로스(5%, w/v)를 혼합한 제제를 사용하였고, 대조군으로는 YM 배지와 phosphate buffer saline(PBS) 완충용액을 사용하였다. 이들 동결보호 첨가제는 사용 전에 여과멸균(0.22 μm, Merck Millipore)하여 첨가했으며, 효모 계수 후 동결건조하였다.

생균수 측정

동결건조 보호제의 효과를 확인하기 위해 효모의 세포수(CFU/mL)를 표준십진법을 사용하여 평판한천 배양법으로 계수하였다. 동결건조 보호제의 효과 및 동결건조 후 저온에서의 저장 기간별(0일, 7일, 14일, 30일 및 60일) 생존 보호 효과를 확인하기 위해 동결건조 처리한 건조효모를 증류수에 연속 현탁시킨 후, 희석액을 YM 한천배지에 0.1 mL씩 도말하여 29°C에서 72시간 배양한 다음 나타나는 집락수를 계수하였다. 막걸리 발효과정 중 효모 생균수의 변화는 페니실린-스트렙토마이신 용액(penicillin-streptomycin solution, 25 units/mL; Gibco)을 함유하는 YM 한천배지에 희석한 시료 0.1 mL를 도말하여 29°C에서 72시간 배양한 후 나타난 집락수를 계수하였고, 희석배수를 곱하여 단위 부피당 효모수를 산출하였다. 생존율은 동결건조 전의 세포수와 동결건조 후의 세포수를 백분율을 이용하여 계산하였다.

막걸리 발효

막걸리 제조는 증자 2단 담금으로 발효하였다. 세척미를 2시간 동안 물에 침지하여 불린 후 체에 밭쳐 1시간 동안 물기를 제거하였다. 물기를 제거한 쌀은 50분간 증자한 후 25~30°C로 방랭하여 사용하였다. 1단 담금은 쌀 70 g, 물 105 mL, 글루코아밀라아제(280 GAU), α-아밀라아제(472.5 BAU)와 효모를 함께 넣어 25°C에서 3일간 수행하였으며, 1단 담금 완료된 술덧에 쌀 140 g을 물 210 mL에 추가한 후 글루코아밀라아제(560 GAU), α-아밀라아제(945 BAU)를 첨가하여 25°C에서 14일간 추가로 2단 담금을 실시하였다. 막걸리 제조에 사용한 효모는 S. cerevisiae JBCC95 비동결건조 상태와 동결건조 상태, 그리고 대조군으로 상업용 효모인 Lalvin EC-1118을 사용하였다.

막걸리 이화학적 특성 분석

pH는 pH meter(STRARTER 3100, OHAUS)로 측정했으며, 총산도는 국세청 주류면허지원센터 주류분석규정에 따라 1% 페놀프탈레인을 지시약으로 사용하여 수산화나트륨(0.1 N NaOH, Sigma-Aldrich)으로 적정하고 소비된 수산화나트륨을 유기산(%)으로 환산하여 계산하였다. 발효된 막걸리의 가용성 고형분 함량은 당도측정계(PAL-α, ATAGO)를 이용하여 측정하였다. 알코올 함량은 0.45 μm membrane filter를 사용하여 여과한 시료를 DB-5 capillary column(30 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm film thickness)이 장착된 가스크로마토그래피(HP 6890 system, Agilent J&W Scientific)-FID를 이용하여 측정하였고 조건은 다음과 같다. 인젝션 온도는 240°C였고 인젝션 모드는 스플릿 모드로 1/50 비율로 했으며, 헬륨가스 유속은 1.3 mL/min으로 측정하였다. 오븐 온도는 70°C에서 2분 정치 후 150°C까지 분당 20°C의 속도로 증가시켰고 검출기 온도는 250°C로 하였다. 내부표준물질로는 이소프로파놀(isopropanol, Sigma-Aldrich)을 사용하였다.

휘발성 향미 성분 분석

휘발성 향미 성분 분석은 Automated Purge & Trap Sampler JTD-505Ⅲ(Japan Analytical Industry)를 사용하여 향미 성분을 포집한 후 GC-MS(QP 2010 plus, Shimadzu)를 이용하여 분석하였다. 향미 성분의 추출은 glass flask(40 mL)에 막걸리 시료를 넣은 후 40°C에서 헬륨가스를 분당 60 mL의 유속으로 2시간 흘려보내어 휘발성 향미 성분을 추출하였다. 추출된 향미 성분은 Purge/Trap A(Supelco)에 흡착시켜 포집하였다. 포집된 향미 성분은 고온(280°C)에서 열분해를 30분 동안 50 mL/min의 유속으로 실시하였다. 휘발성 향미 성분의 분석은 DB-624 칼럼을 사용하였고, 40°C에서 3분 정치 후 260°C까지 분당 10°C의 속도로 증가시켰다. Ion source 온도는 200°C, electron energy는 70 eV로 하였고, 각 성분은 mass spectrum에서 제공하는 향기 성분의 라이브러리인 NIST version 9.1을 이용하여 확인하였다. 내부표준물질로는 2-methyl-3-heptanone을 사용하였다.

통계처리

모든 실험은 3번 반복하였고, 통계처리 프로그램인 SPSS software(Ver. 20.0, SPSS Inc.)를 이용하여 분석하였다. 처리구 간의 평균값 비교는 Turkey의 HSD 다중검점을 통해 유의성 검정(P<0.05)을 실시하였다.

동결안정제의 선택 및 동결보호 효과

Saccharomyces cerevisiae JBCC-95에 최적 동결건조 안정제를 선정하기 위해 현재까지 동결보호 효과가 알려진 단일 동결건조 안정제 네 가지(탈지분유, 락토오스, 글리세롤 및 소르비톨)와 추가로 탈지분유를 각각의 단일 동결건조 안정제와 동일하게 혼합한 혼합제제 네 종류의 동결보호 효과를 비교하였다. 글리세롤의 경우 10%를 첨가하여 동결건조를 진행하였으나, 물리적 특성으로 인해 동결건조가 되지 않아 실험군에서 제외하였다. 동결건조를 진행한 후 세포 생존율을 측정하여 각각의 보호제 효과를 살펴본 결과, 동결건조 보호제가 첨가되지 않은 경우 S. cerevisiae JBCC-95는 동결건조 직후 PBS 완충용액과 YM 액체배지를 사용한 경우에 다소 차이는 있으나 대략 1~2% 정도의 매우 낮은 생존율을 보였다. 한편, 단일 보호제 첨가구에서는 소르비톨=트레할로스< 탈지분유< 락토오스로 순차적으로 향상된 생존율의 차이를 보였다. 소르비톨과 트레할로스를 10%씩 첨가한 처리구의 경우 비처리구보다 대략 15%(P<0.05) 정도 향상된 생존율을 보였으며 두 처리구 사이에서 유의적인 차이가 없었다. 그러나 탈지분유 또는 락토오스를 10%(w/v) 첨가한 시료의 경우 생존율은 비처리군에 비해 유의적으로 높은 26%와 30%(P<0.05)로 증가하였다(Fig. 1). 한편, 단독으로 첨가한 경우보다 두 가지 동결보호제를 함께 첨가했을 때 더 향상된 보호 효과를 나타냈는데, 탈지분유에 소르비톨 또는 트레할로스를 5%(w/v) 첨가하면 탈지분유 단독처리구보다 탈지분유와 소르비톨을 동시에 처리한 경우 48%의 생존율을 보였고, 탈지분유와 트레할로스를 동시에 처리했을 경우 53%의 향상된 생존율을 보였다. 더욱이 두 가지 성분의 탈지분유와 락토오스를 동일한 비율로 혼합한 경우 가장 높은 생존율(70%)을 보여 단일성분 첨가보다 대략 2.5배의 동결보호 효과를 나타냈으며, 혼합첨가물인 탈지분유와 트레할로스 또는 소르비톨을 첨가한 보호제보다 유의적으로 높은 보호 효과를 나타냈다. 본 결과를 통해 S. cerevisiae JBCC-95의 동결보존에는 탈지분유와 락토오스의 두 가지 성분을 혼합한 제재가 효모 세포의 생존력 향상에 가장 뛰어난 보호 효과를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 동결건조 시 미생물의 세포막을 보호하기 위해 사용되는 탈지분유가 동결보호제로 단독 사용되어 탈지분유에 함유된 단백질 성분이 세포막을 덮어서 나타내는 동결보호 효과가 락토오스의 첨가로 인해 강화될 수 있음을 보여준다(Abadias 등, 2001; Lee 등, 2016).

Fig. 1. The survival rate of S. cerevisiae JBCC-95 after freeze-drying using various protectants. A, YM; B, PBS; C, 10% skim milk; D, 10% lactose; E, 10% sorbitol; F, 10% trehalose; G, 5% skim milk+5% glycerol; H, 5% skim milk+5% lactose; I, 5% skim milk+5% sorbitol; J, 5% skim milk+5% trehalose. Different letters on the data indicate a significant difference (P<0.05).

저장 기간에 따른 동결안정제의 동결보호 효과

종균의 산업화에 있어서 종균 효모의 품질을 향상시키기위해서는 저장 및 유통 기간에 세포의 생존력을 향상시키고 유지하는 것이 중요한 요소 중의 하나이다(Miyamoto-Shinohara 등, 2000). 각 동결건조 안정제의 저장 기간 중 생존능을 확인하기 위해 각각의 동결건조 안정제를 첨가하여 동결건조한 뒤 4°C에 최대 60일간 보관하며 저장 기간별로 생균수를 측정하여 각각의 단일 또는 혼합 동결건조 안정제의 효과를 분석하였다(Fig. 2). 단일 동결건조 안정제를 첨가하여 동결건조한 결과 소르비톨을 10% 첨가한 경우 동결 직후 15% 정도의 생존율을 보였으나, 일주일 경과 후 대부분 생존율이 무처리구와 동일하게 효과가 없었다. 반면 트레할로스를 10%(w/v) 첨가한 경우 소르비톨과 초기 동결보호 효과는 동일했으나 30일간 보존했을 경우 28%의 생존율을 보였으며, 60일 후 감소하는 경향을 보였으나 다른 조건에 비해 유의적으로(P<.05) 높은 생존능을 보였다. 동결건조 직후 가장 높은 생존율을 보였던 락토오스는 초기 2주까지는 예상처럼 높은 생존율을 보였지만 30일 후에는 급격히 생존율이 저하되었다. 반면 탈지분유는 30일 동안 가장 높은 생존율을 보였고 전체 측정 기간에 안정적으로 유의적인 차이가 적은 생존율을 보였다. 또한 5%(w/v) 탈지분유와 트레할로스를 혼합해 사용한 경우, 0.49 log 감소하여 탈지분유를 단독으로 사용한 경우보다 유의적으로(P<.05) 낮은 감소를 보였다. 또한, 동결건조 직후 가장 높은 생존율을 보였던 탈지분유와 락토오스 혼합제제의 경우 30일 동안 가장 높은 생존율을 보였고, 완만한 감소 경향을 보였다. 30일 이후부터 60일까지는 단일 제제인 탈지분유와 다른 제제를 혼합한 경우 큰 유의적 차이를 보이지 않았으나 혼합제제의 경우 조금 더 나은 안정성을 보였다. Bang 등(1999)이 각 동결보호제의 보호 기능이 최적의 농도를 넘어서 과량 사용될 때는 더 이상 상승효과를 나타내지 않고 동해 방지의 효과는 동일하다고 보고한 결과와 일치하였다.

Fig. 2. Viability of S. cerevisiae JBCC-95 cells during storage after freeze drying using various protective agents. (A) Single protectants, (B) Combined protectants.

동결건조 효모 종균을 사용한 발효 특성

동결건조가 발효주에 미치는 영향을 알아보기 위해 최적의 보호 효과를 보인 탈지분유와 락토오스를 5%씩 첨가하여 동결건조한 효모와 비동결건조 효모 그리고 상업용 효모를 사용해 제조한 발효주의 이화학적 특성을 비교 분석하였다(Table 1). 동결건조 효모 종균을 사용해 제조한 발효주와 비동결건조 효모를 사용해 제조한 발효주는 효모 생균수, pH, 알코올 함량, 총산도 및 가용성 고형분 함량에서 유의적인 차이가 보이지 않았으나, 상업용 효모로 발효시킨 막걸리의 경우 총산도가 다소 높게 나타났다. 또한, 휘발성 향미 성분을 분석한 결과는 Table 2와 같다. 막걸리에서 알코올류나 알데히드류에 비해 소량으로 존재하나 대표적인 방향성을 나타내는 중요한 향미 성분인 에스테르는 비동결건조한 효모에 비해 ethyl lactate(과일향) 성분이 검출되지 않았으나, 또 다른 과일향 성분인 ethyl acetate가 비동결건조 효모를 사용한 막걸리보다 2배 이상 검출되었으며, isoamyl acetate(바나나 향) 및 ethyl 2-methylbutyrate(사과향)의 향미 성분이 약 1.5배 이상 증진되었다. 비동결 효모와 상업용 균주에서는 에스테르 성분에 있어 유의적인 차이를 크게 보이지 않았다. 알코올류는 전반적으로 동결건조 효모를 사용한 막걸리에서 유의적으로 높게 나타났다. 그중에서 주류에 적정량 존재할 때는 조화로운 풍미를 나타내지만, 과량 존재 시에는 좋지 않은 냄새를 생성하고 숙취로 작용하는 isoamyl alcohol 함량도 다소 높았으나 부정적인 영향을 미칠 정도로 높진 않았다(Lee 등, 2016). 반면 막걸리의 풍미에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려진 알데히드류 중 butanal은 감소했으나, 3-methylbutanal(초콜릿 향) 성분은 다소 증가하였다(Rhee 등, 2003).

Table 1 . Physicochemical properties of rice wines fermented with non-freeze dried S. cerevisiae JBCC-95, freeze dried S. cerevisiae JBCC-95 with the selected protectant of skim milk and lactose, and S. cerevisiae (Lalvin EC-1118) as control

Samples1)Yeast (Log CFU/mL)pHSolid contents (°Bx)Total acidity (%)Ethanol contents (%)
EC-11184.6±0.54a4.5±0.18a4.5±0.18a0.12±0.005b17.3±4.88a
Non-FD4.9±0.78a4.5±0.18a4.5±0.18a0.10±0.003a21.1±4.46a
FD5.1±0.64a4.5±0.16a4.5±0.16a0.10±0.002a20±2.63a

1)EC-1118: A commercial S. cerevisiae Lalvin EC-1118 strain, Non-FD: Non freeze drying S. cerevisiae JBCC-95, FD: Freeze drying S. cerevisiae JBCC-95.

Different superscript letters indicate a significant difference (P<0.05).



Table 2 . Major volatile compounds determined by GC-MS analysis in rice wines fermented with non-freeze dried S. cerevisiae JBCC-95, freeze dried S. cerevisiae JBCC-95 with the selected protectant of skim milk and lactose, and S. cerevisiae (Lalvin EC-1118) as control

Compound classAroma compoundR.T.Samples1)
FDNon-FDEC-1118
Standard2-Methyl-3-heptanone*13.869101010
EstersF1Ethyl formate3.784nd2)nd0.56
F2Ethyl acetate6.07518.288.049.25
F3Ethyl lactate11.427nd0.54nd
F4Isoamyl formate10.456ndnd1.01
F5Ethyl 2-methylbutyrate10.8211.390.49nd
F6Isoamyl acetate12.342.521.020.96
AlcoholsF7Ethyl alcohol3.201101.6559.7538.64
F8Isoamyl alcohol‎7.00440.7824.2210.74
F91-Butanol7.9023.952.660.95
F103-Methyl-1-butanol9.644216.4126.08103.13
F112-Methyl-1-butanol9.714129.6673.9762.33
F12Benzeneethanol18.068nd3.34.01
AldehydesF13Butanal6.0061.933.484.12
F143-Methylbutanal7.3092.431.71nd
F152-Methylbutyraldehyde7.5111.14ndnd
F16Benzaldehyde14.924ndnd1.02
F17Phenylacetaldehyde16.61ndnd0.59

Relative contents of volatile compounds were determined as peak areas of an internal standard (10 ppm of 2-methyl-3-heptanone* in methanol) from purge-and-trap injection-GC-MS.

1)EC-1118: A commercial S. cerevisiae Lalvin EC-1118 strain, Non-FD: Non freeze drying S. cerevisiae JBCC-95, FD: Freeze drying S. cerevisiae JBCC-95.

2)nd: not detected.


본 연구는 전통 막걸리에서 분리한 고알코올 생성 효모인 S. cerevisiae JBCC-79 효모 균주의 상업적 적용을 위한 기초 연구로 다양한 동결보호제의 효과를 평가하였다. 탈지분유와 락토오스를 혼합한 제제를 동결보호제로 사용했을 때 장단기적으로 가장 높은 생존율을 보였으며, 이를 활용하여 동결건조 효모 종균을 사용해 제조한 발효주의 경우 비동결건조 효모를 사용해 제조한 발효주와 비교했을 때, 효모의 생균수, 알코올 함량, 가용성 고형분 함량, 총산도 및 pH의 결과가 유의적인 차이를 나타내지 않았다. 그러나 동결건조 효모 종균을 사용해 제조한 발효주의 경우 긍정적인 향미를 주는 에스테르는 비동결건조한 효모에 비해 ethyl acetate, isoamyl acetate 및 ethyl 2-methylbutyrate의 향미 성분이 증진되었으며, 알코올류가 동결건조 효모를 사용한 막걸리에서 유의적으로 높게 나타났다. 반면 막걸리의 풍미에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려진 알데히드류 중 butanal은 감소했으나, 3-methylbutanal(초콜릿 향) 성분은 다소 증가하였다. 이러한 동결보호제 처리를 통해 동결건조된 효모 종균을 사용해 제조된 막걸리에서 에스테르와 같은 향미 성분이 증진된 이유와 특정 알데히드가 감소한 이유는 명확하지 않으나, 동결보호제의 효모 생육 보호 효과에 기인하여 생성된 에탄올이 에스테르류로 전환하는 대사경로가 다소 촉진된 것으로 여겨진다.

본 연구는 2022 전북대학교 교원연구비 지원에 의하여 지원되었으며, 이에 감사드립니다.

  1. Abadias M, Benabarre A, Teixido N, et al. Effect of freeze drying and protectants on viability of the biocontrol yeast Candida sake. Int J Food Microbiol. 2001. 65:173-182.
    Pubmed CrossRef
  2. Baek SY, Lee YJ, Kim JH, et al. Isolation and characterization of wild yeasts for improving liquor flavor and quality. Microbiol Biotechnol Lett. 2015. 43:56-64.
    CrossRef
  3. Baek SY, Mun JY, Yeo SH. Effects of different drying methods on fermentation characteristics and viability of cold-adaptive yeast. Korean J Food Preserv. 2017. 24:1034-1042.
    CrossRef
  4. Bang KH, Kim GJ, Oh DH, et al. High-density cultivation and cryopreservation of Saccharomyces cerevisiae Hansen CBS 5926. Korean J Microbiol. 1999. 35:302-306.
  5. Carvalho AS, Silva J, Ho P, et al. Survival of freeze-dried Lactobacillus plantarum and Lactobacillus rhamnosus during storage in the presence of protectants. Biotechnol Lett. 2002. 24:1587-1591.
  6. Hino A, Mihara K, Nakashima K, et al. Trehalose levels and survival ratio of freeze-tolerant versus freeze-sensitive yeasts. Appl Environ Microbiol. 1990. 56:1386-1391.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  7. Hubalek Z. Protectants used in the cryopreservation of microorganisms. Cryobiology. 2003. 46:205-229.
    Pubmed CrossRef
  8. Kim E, Chang YH, Ko JY, et al. Physicochemical and microbial properties of the Korean traditional rice wine, Makgeolli, supplemented with banana during fermentation. Prev Nutr Food Sci. 2013. 18:203-209.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  9. Kim HR, Kim JH, Bai DH, et al. Feasibility of brewing Makgeolli using Pichia anomala Y197-13, a non-Saccharomyces cerevisiae. J Microbiol Biotechnol. 2012. 22:1749-1757.
  10. Lee SB, Choi WS, Jo HJ, et al. Optimization of air-blast drying process for manufacturing Saccharomyces cerevisiae and non-Saccharomyces yeast as industrial wine starters. AMB Expr. 2016. 6:105. https://doi.org/10.1186/s13568-016-0278-9
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  11. Leslie SB, Israeli E, Lighthart B, et al. Trehalose and sucrose protect both membranes and proteins in intact bacteria during drying. Appl Environ Microbiol. 1995. 61:3592-3597.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  12. Lodato P, de Huergo MS, Buera MP. Viability and thermal stability of a strain of Saccharomyces cerevisiae freeze-dried in different sugar and polymer matrices. Appl Microbiol Biotechnol. 1999. 52:215-220.
    Pubmed CrossRef
  13. Meng XC, Stanton C, Fitzgerald GF, et al. Anhydrobiotics: The challenges of drying probiotic cultures. Food Chem. 2008. 106:1406-1416.
    CrossRef
  14. Miyamoto-Shinohara Y, Imaizumi T, Sukenobe J, et al. Survival rate of microbes after freeze-drying and long-term storage. Cryobiology. 2000. 41:251-255.
    Pubmed CrossRef
  15. Rhee SJ, Lee CYJ, Kim KK, et al. Comparison of the traditional (Samhaeju) and industrial (Chongju) rice wine brewing in Korea. Food Sci Biotechnol. 2003. 12:242-247.
  16. Valles BS, Bedrinana RP, Queipo AL, et al. Screening of cider yeasts for sparkling cider production (Champenoise method). Food Microbiol. 2008. 25:690-697.
    Pubmed CrossRef

Article

Article

Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2023; 52(5): 516-521

Published online May 31, 2023 https://doi.org/10.3746/jkfn.2023.52.5.516

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

막걸리에서 분리한 Saccharomyces cerevisiae JBCC-95에 대한 동결건조 후 보호제 효과 및 S. cerevisiae JBCC-95의 발효 특성

박상규․진하오․이찬미․백상호

전북대학교 생활과학대학 식품영양학과

Received: January 31, 2023; Revised: March 7, 2023; Accepted: March 7, 2023

Effect of Protectants and Fermentative Properties of Saccharomyces cerevisiae JBCC-95 Isolated from Makgeolli after Freeze Drying

Sang-Kyu Park , Hao Jin , Chan-Mi Lee , and Sang-Ho Baik

Department of Food Science and Human Nutrition, Chonbuk National University

Correspondence to:Sang-Ho Baik, Department of Food Science and Human Nutrition, Chonbuk National University, 567, Baekje-daero, Deokjin-gu, Jeonju, Jeonbuk 54896, Korea, E-mail: baiksh@jbnu.ac.kr

Received: January 31, 2023; Revised: March 7, 2023; Accepted: March 7, 2023

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

The stability of Saccharomyces cerevisiae is important for industrial usage as a starter culture for the rice wine fermentation process. This study evaluates the effects of diverse protective agents and storage conditions after freeze-drying of the high ethanol-producing S. cerevisiae JBCC-95 strain isolated from traditional rice wine. Four single cryoprotective freeze-drying agents (viz., 10% each of skim milk, lactose, trehalose, and sorbitol) were evaluated, and 10% lactose was determined to be an excellent single protectant. Moreover, the stability of S. cerevisiae JBCC-95 after freeze-drying with 5% skim milk with lactose was greatly enhanced up to 70%, which is 2.5 times higher than the single treatment of lactose. During long-term storage of 30 days at low temperatures, S. cerevisiae JBCC-95 showed less than 13% survival with single protectants, whereas 26% survival was obtained with combined protectants. Physicochemical analysis revealed that freezing of S. cerevisiae JBCC-95 with the selected protectant of 5% skim milk and lactose had no significant effect on the rice wine fermentation (P<0.05). However, the rice wine fermented by freeze-drying S. cerevisiae JBCC-95 with skim milk and lactose as protectants revealed increased levels of esters such as ethyl acetate, isoamyl acetate, and ethyl 2-methylbutyrate and decreased aldehyde contents, indicating that freeze-drying with 5% skim milk and lactose positively affected rice wine fermentation without any significant physicochemical change.

Keywords: protectant effect, freeze-drying, rice wine, Saccharomyces cerevisiae

서 론

막걸리는 누룩, 고두밥, 효모 및 약간의 약용식물 또는 허브와 함께 발효시켜 만들며, 청주와 약주와는 다르게 발효 후 미생물을 걸러내지 않기 때문에 필수 아미노산, 단백질, 당질 및 생효모를 함유하고 있어 독특한 영양 특성과 향미를 갖는다(Kim 등, 2012; Kim 등, 2013). 현대에 들어서 한국 전통주인 막걸리의 발효에 대한 과학적인 기술은 다양한 종균의 분리, 발효 기술 및 저장 기술의 발전에 힘입어 품질의 개선 및 발전이 이루어지고 있다. 특히 막걸리의 고급화에 힘입어 기존에 등한시되어왔던 막걸리의 맛과 향에 관한 관심이 증가하고 있을 뿐만 아니라, 이에 영향을 미치는 효모의 중요성 또한 대두되고 있다(Baek 등, 2017). 전통적인 막걸리 양조 방식의 단점인 장시간 발효, 낮은 알코올 수율 및 미생물 오염을 극복하기 위해 상업적 막걸리 제조방식은 코지와 상업용 효모를 사용하는 일본식 양조 방식을 주로 따르고 있다(Rhee 등, 2003). 그러나 사용하기 편리하고 주질이 안정적으로 유지되는 장점인 외국 와인용 또는 제빵용 효모에 비해 토착 효모는 그 지역 특유의 관능 특성을 나타내기에 적합하나, 대량생산을 위한 기반 시설이나 과학적인 자료가 부족하여 실질적 산업화 적용에 한계점을 가지고 있다(Baek 등, 2015, 2017; Kim 등, 2012; Valles 등, 2008).

산업적으로 종균을 보급하고 사용하기 위해서는 여러 가지 기술의 개발이 필요하나 이 중에서도 균주의 활성을 유지하기 위한 저장 기술은 매우 중요한 요소이다. 동결건조는 미생물을 장기 보존하기 위해 가장 보편적으로 사용되고 우수한 방법이나, 필수적으로 균주에 여러 가지 용해 및 파열 등과 같은 세포벽에 물리화학적 손상을 유발하여 보존 중에 어느 정도의 사멸이 발생하여 발효제로서의 활성이 저하되는 문제점을 가지고 있으며, 이러한 문제점으로 인해 이들 미생물을 발효제로 사용한 경우 발효제품의 성질에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Abadias 등, 2001; Lodato 등, 1999; Miyamoto-Shinohara 등, 2000). 미생물의 보호 효과는 미생물 배양 온도, 세포의 수분 함량, 냉각 속도, 동결보호제 및 저장 온도 등 여러 요인이 영향을 받는다. 그중 가장 중요한 요소는 동결건조 시키는 데 사용되는 동결보호제의 조성이다(Hubalek, 2003). 따라서 동결건조과정을 거치더라도 생균수를 유지할 수 있도록 적절한 동결보호제 사용이 필수 불가결하며, 이러한 동결보호제의 선택은 균주의 대량 보급에 있어 경제적인 효과뿐만 아니라 산업화의 과정을 촉진하고 제품의 품질을 보장하는 데 매우 큰 영향을 미친다. 동결건조과정에서 미생물의 생존율을 향상시키기 위해 탈지분유, 유청 단백질, 글리세롤, 포도당, 트레할로스, 자당, 유당과 같은 다양한 동결보호제를 혼합함으로써 동결건조 시 미생물 세포를 안정화하는 효과를 확인함으로써 효과적인 소재로 이용되어왔다(Meng 등, 2008). 특히 트레할로스는 열처리, 탈수, 동결, 고에탄올 농도 등의 스트레스 조건에서 유산균, 비피더스균, 효모 세포 등의 생존율을 증가시켜, 동결보호제로서 생체막 보호에 가장 효과적인 소재 중 하나로 알려져 왔다(Carvalho 등, 2002; Hino 등, 1990; Leslie 등, 1995).

본 연구에서는 우리나라 전통 방식으로 제조된 막걸리에서 분리한 고알코올 생성 균주인 Saccharomyces cerevisiae JBCC-95의 산업화를 위해 다양한 동결보호제의 동결건조과정에서의 동결보호 능력에 관한 효과를 장기저장에 따른 생존율을 이용하여 비교하였다. 더불어 가장 높은 생존율을 보인 동결보호제를 선발하여 동결건조 후 막걸리 발효를 진행하여 동결보호제가 막걸리 발효에 미치는 향미 분석 및 이화학적인 특성을 조사하였다.

재료 및 방법

실험재료

본 연구에 사용된 동결보호제로 탈지분유(skim milk), 글리세롤(glycerol), 락토오스(lactose), 소르비톨(sorbitol), 트레할로스(trehalose)는 Sigma-Aldrich Chemical Co.에서 구입했으며, 기타 시약과 용매는 ACS 등급의 것을 구입하여 사용하였다.

균주 및 배지

본 연구에 사용한 균주는 본 실험실에서 전통 방식으로 제조한 막걸리로부터 분리한 고알코올 생산 균주인 Saccharomyces cerevisiae JBCC-95를 사용하였다. 기본적으로 실험에 사용된 효모는 YM 액체배지(Difco Laboratories)에 배양한 후 30% 글리세롤을 첨가하고 -80°C에서 보관하여 사용하였다. 대조군으로 상업용 효모인 Lalvin EC-1118(Lalvin)을 구입하여 사용하였다.

동결보호제의 보호 효과

-80°C에서 보관 중인 S. cerevisiae JBCC-95를 액상 YPD 배지(5 mL; Difco Laboratories)에서 48시간 동안 진탕 전배양(37°C, 140 rpm)한 후, 세포 배양액을 액상 YPD 배지(500 mL)에서 추가로 48시간 동안 배양된 효모를 원심분리(5,000×g, 10 min; 1580MGR, Gyrozen)한 다음 회수된 세포를 증류수로 2회 세척하고, 동결보호 효과를 평가하기 위해 다양한 조성의 동결보호제를 첨가하였다. -80°C에서 24시간 동결시킨 후 동결건조기(FD8508, IlShinBio Base)를 이용하여 48시간 동안 동결건조시킨 다음 4°C에서 보관하여 사용하였다. 동결보호제의 조성은 탈지분유(10%, w/v), 글리세롤(10%, w/v), 락토오스(10%, w/v), 소르비톨(10%, w/v), 트레할로스(10%, w/v), 탈지분유(5%, w/v)와 글리세롤(5%, w/v)을 혼합한 제제, 탈지분유(5%, w/v)와 락토오스(5%, w/v)를 혼합한 제제, 탈지분유(5%, w/v)와 소르비톨(5%, w/v)을 혼합한 제제, 탈지분유(5%, w/v)와 트레할로스(5%, w/v)를 혼합한 제제를 사용하였고, 대조군으로는 YM 배지와 phosphate buffer saline(PBS) 완충용액을 사용하였다. 이들 동결보호 첨가제는 사용 전에 여과멸균(0.22 μm, Merck Millipore)하여 첨가했으며, 효모 계수 후 동결건조하였다.

생균수 측정

동결건조 보호제의 효과를 확인하기 위해 효모의 세포수(CFU/mL)를 표준십진법을 사용하여 평판한천 배양법으로 계수하였다. 동결건조 보호제의 효과 및 동결건조 후 저온에서의 저장 기간별(0일, 7일, 14일, 30일 및 60일) 생존 보호 효과를 확인하기 위해 동결건조 처리한 건조효모를 증류수에 연속 현탁시킨 후, 희석액을 YM 한천배지에 0.1 mL씩 도말하여 29°C에서 72시간 배양한 다음 나타나는 집락수를 계수하였다. 막걸리 발효과정 중 효모 생균수의 변화는 페니실린-스트렙토마이신 용액(penicillin-streptomycin solution, 25 units/mL; Gibco)을 함유하는 YM 한천배지에 희석한 시료 0.1 mL를 도말하여 29°C에서 72시간 배양한 후 나타난 집락수를 계수하였고, 희석배수를 곱하여 단위 부피당 효모수를 산출하였다. 생존율은 동결건조 전의 세포수와 동결건조 후의 세포수를 백분율을 이용하여 계산하였다.

막걸리 발효

막걸리 제조는 증자 2단 담금으로 발효하였다. 세척미를 2시간 동안 물에 침지하여 불린 후 체에 밭쳐 1시간 동안 물기를 제거하였다. 물기를 제거한 쌀은 50분간 증자한 후 25~30°C로 방랭하여 사용하였다. 1단 담금은 쌀 70 g, 물 105 mL, 글루코아밀라아제(280 GAU), α-아밀라아제(472.5 BAU)와 효모를 함께 넣어 25°C에서 3일간 수행하였으며, 1단 담금 완료된 술덧에 쌀 140 g을 물 210 mL에 추가한 후 글루코아밀라아제(560 GAU), α-아밀라아제(945 BAU)를 첨가하여 25°C에서 14일간 추가로 2단 담금을 실시하였다. 막걸리 제조에 사용한 효모는 S. cerevisiae JBCC95 비동결건조 상태와 동결건조 상태, 그리고 대조군으로 상업용 효모인 Lalvin EC-1118을 사용하였다.

막걸리 이화학적 특성 분석

pH는 pH meter(STRARTER 3100, OHAUS)로 측정했으며, 총산도는 국세청 주류면허지원센터 주류분석규정에 따라 1% 페놀프탈레인을 지시약으로 사용하여 수산화나트륨(0.1 N NaOH, Sigma-Aldrich)으로 적정하고 소비된 수산화나트륨을 유기산(%)으로 환산하여 계산하였다. 발효된 막걸리의 가용성 고형분 함량은 당도측정계(PAL-α, ATAGO)를 이용하여 측정하였다. 알코올 함량은 0.45 μm membrane filter를 사용하여 여과한 시료를 DB-5 capillary column(30 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm film thickness)이 장착된 가스크로마토그래피(HP 6890 system, Agilent J&W Scientific)-FID를 이용하여 측정하였고 조건은 다음과 같다. 인젝션 온도는 240°C였고 인젝션 모드는 스플릿 모드로 1/50 비율로 했으며, 헬륨가스 유속은 1.3 mL/min으로 측정하였다. 오븐 온도는 70°C에서 2분 정치 후 150°C까지 분당 20°C의 속도로 증가시켰고 검출기 온도는 250°C로 하였다. 내부표준물질로는 이소프로파놀(isopropanol, Sigma-Aldrich)을 사용하였다.

휘발성 향미 성분 분석

휘발성 향미 성분 분석은 Automated Purge & Trap Sampler JTD-505Ⅲ(Japan Analytical Industry)를 사용하여 향미 성분을 포집한 후 GC-MS(QP 2010 plus, Shimadzu)를 이용하여 분석하였다. 향미 성분의 추출은 glass flask(40 mL)에 막걸리 시료를 넣은 후 40°C에서 헬륨가스를 분당 60 mL의 유속으로 2시간 흘려보내어 휘발성 향미 성분을 추출하였다. 추출된 향미 성분은 Purge/Trap A(Supelco)에 흡착시켜 포집하였다. 포집된 향미 성분은 고온(280°C)에서 열분해를 30분 동안 50 mL/min의 유속으로 실시하였다. 휘발성 향미 성분의 분석은 DB-624 칼럼을 사용하였고, 40°C에서 3분 정치 후 260°C까지 분당 10°C의 속도로 증가시켰다. Ion source 온도는 200°C, electron energy는 70 eV로 하였고, 각 성분은 mass spectrum에서 제공하는 향기 성분의 라이브러리인 NIST version 9.1을 이용하여 확인하였다. 내부표준물질로는 2-methyl-3-heptanone을 사용하였다.

통계처리

모든 실험은 3번 반복하였고, 통계처리 프로그램인 SPSS software(Ver. 20.0, SPSS Inc.)를 이용하여 분석하였다. 처리구 간의 평균값 비교는 Turkey의 HSD 다중검점을 통해 유의성 검정(P<0.05)을 실시하였다.

결과 및 고찰

동결안정제의 선택 및 동결보호 효과

Saccharomyces cerevisiae JBCC-95에 최적 동결건조 안정제를 선정하기 위해 현재까지 동결보호 효과가 알려진 단일 동결건조 안정제 네 가지(탈지분유, 락토오스, 글리세롤 및 소르비톨)와 추가로 탈지분유를 각각의 단일 동결건조 안정제와 동일하게 혼합한 혼합제제 네 종류의 동결보호 효과를 비교하였다. 글리세롤의 경우 10%를 첨가하여 동결건조를 진행하였으나, 물리적 특성으로 인해 동결건조가 되지 않아 실험군에서 제외하였다. 동결건조를 진행한 후 세포 생존율을 측정하여 각각의 보호제 효과를 살펴본 결과, 동결건조 보호제가 첨가되지 않은 경우 S. cerevisiae JBCC-95는 동결건조 직후 PBS 완충용액과 YM 액체배지를 사용한 경우에 다소 차이는 있으나 대략 1~2% 정도의 매우 낮은 생존율을 보였다. 한편, 단일 보호제 첨가구에서는 소르비톨=트레할로스< 탈지분유< 락토오스로 순차적으로 향상된 생존율의 차이를 보였다. 소르비톨과 트레할로스를 10%씩 첨가한 처리구의 경우 비처리구보다 대략 15%(P<0.05) 정도 향상된 생존율을 보였으며 두 처리구 사이에서 유의적인 차이가 없었다. 그러나 탈지분유 또는 락토오스를 10%(w/v) 첨가한 시료의 경우 생존율은 비처리군에 비해 유의적으로 높은 26%와 30%(P<0.05)로 증가하였다(Fig. 1). 한편, 단독으로 첨가한 경우보다 두 가지 동결보호제를 함께 첨가했을 때 더 향상된 보호 효과를 나타냈는데, 탈지분유에 소르비톨 또는 트레할로스를 5%(w/v) 첨가하면 탈지분유 단독처리구보다 탈지분유와 소르비톨을 동시에 처리한 경우 48%의 생존율을 보였고, 탈지분유와 트레할로스를 동시에 처리했을 경우 53%의 향상된 생존율을 보였다. 더욱이 두 가지 성분의 탈지분유와 락토오스를 동일한 비율로 혼합한 경우 가장 높은 생존율(70%)을 보여 단일성분 첨가보다 대략 2.5배의 동결보호 효과를 나타냈으며, 혼합첨가물인 탈지분유와 트레할로스 또는 소르비톨을 첨가한 보호제보다 유의적으로 높은 보호 효과를 나타냈다. 본 결과를 통해 S. cerevisiae JBCC-95의 동결보존에는 탈지분유와 락토오스의 두 가지 성분을 혼합한 제재가 효모 세포의 생존력 향상에 가장 뛰어난 보호 효과를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 동결건조 시 미생물의 세포막을 보호하기 위해 사용되는 탈지분유가 동결보호제로 단독 사용되어 탈지분유에 함유된 단백질 성분이 세포막을 덮어서 나타내는 동결보호 효과가 락토오스의 첨가로 인해 강화될 수 있음을 보여준다(Abadias 등, 2001; Lee 등, 2016).

Fig 1. The survival rate of S. cerevisiae JBCC-95 after freeze-drying using various protectants. A, YM; B, PBS; C, 10% skim milk; D, 10% lactose; E, 10% sorbitol; F, 10% trehalose; G, 5% skim milk+5% glycerol; H, 5% skim milk+5% lactose; I, 5% skim milk+5% sorbitol; J, 5% skim milk+5% trehalose. Different letters on the data indicate a significant difference (P<0.05).

저장 기간에 따른 동결안정제의 동결보호 효과

종균의 산업화에 있어서 종균 효모의 품질을 향상시키기위해서는 저장 및 유통 기간에 세포의 생존력을 향상시키고 유지하는 것이 중요한 요소 중의 하나이다(Miyamoto-Shinohara 등, 2000). 각 동결건조 안정제의 저장 기간 중 생존능을 확인하기 위해 각각의 동결건조 안정제를 첨가하여 동결건조한 뒤 4°C에 최대 60일간 보관하며 저장 기간별로 생균수를 측정하여 각각의 단일 또는 혼합 동결건조 안정제의 효과를 분석하였다(Fig. 2). 단일 동결건조 안정제를 첨가하여 동결건조한 결과 소르비톨을 10% 첨가한 경우 동결 직후 15% 정도의 생존율을 보였으나, 일주일 경과 후 대부분 생존율이 무처리구와 동일하게 효과가 없었다. 반면 트레할로스를 10%(w/v) 첨가한 경우 소르비톨과 초기 동결보호 효과는 동일했으나 30일간 보존했을 경우 28%의 생존율을 보였으며, 60일 후 감소하는 경향을 보였으나 다른 조건에 비해 유의적으로(P<.05) 높은 생존능을 보였다. 동결건조 직후 가장 높은 생존율을 보였던 락토오스는 초기 2주까지는 예상처럼 높은 생존율을 보였지만 30일 후에는 급격히 생존율이 저하되었다. 반면 탈지분유는 30일 동안 가장 높은 생존율을 보였고 전체 측정 기간에 안정적으로 유의적인 차이가 적은 생존율을 보였다. 또한 5%(w/v) 탈지분유와 트레할로스를 혼합해 사용한 경우, 0.49 log 감소하여 탈지분유를 단독으로 사용한 경우보다 유의적으로(P<.05) 낮은 감소를 보였다. 또한, 동결건조 직후 가장 높은 생존율을 보였던 탈지분유와 락토오스 혼합제제의 경우 30일 동안 가장 높은 생존율을 보였고, 완만한 감소 경향을 보였다. 30일 이후부터 60일까지는 단일 제제인 탈지분유와 다른 제제를 혼합한 경우 큰 유의적 차이를 보이지 않았으나 혼합제제의 경우 조금 더 나은 안정성을 보였다. Bang 등(1999)이 각 동결보호제의 보호 기능이 최적의 농도를 넘어서 과량 사용될 때는 더 이상 상승효과를 나타내지 않고 동해 방지의 효과는 동일하다고 보고한 결과와 일치하였다.

Fig 2. Viability of S. cerevisiae JBCC-95 cells during storage after freeze drying using various protective agents. (A) Single protectants, (B) Combined protectants.

동결건조 효모 종균을 사용한 발효 특성

동결건조가 발효주에 미치는 영향을 알아보기 위해 최적의 보호 효과를 보인 탈지분유와 락토오스를 5%씩 첨가하여 동결건조한 효모와 비동결건조 효모 그리고 상업용 효모를 사용해 제조한 발효주의 이화학적 특성을 비교 분석하였다(Table 1). 동결건조 효모 종균을 사용해 제조한 발효주와 비동결건조 효모를 사용해 제조한 발효주는 효모 생균수, pH, 알코올 함량, 총산도 및 가용성 고형분 함량에서 유의적인 차이가 보이지 않았으나, 상업용 효모로 발효시킨 막걸리의 경우 총산도가 다소 높게 나타났다. 또한, 휘발성 향미 성분을 분석한 결과는 Table 2와 같다. 막걸리에서 알코올류나 알데히드류에 비해 소량으로 존재하나 대표적인 방향성을 나타내는 중요한 향미 성분인 에스테르는 비동결건조한 효모에 비해 ethyl lactate(과일향) 성분이 검출되지 않았으나, 또 다른 과일향 성분인 ethyl acetate가 비동결건조 효모를 사용한 막걸리보다 2배 이상 검출되었으며, isoamyl acetate(바나나 향) 및 ethyl 2-methylbutyrate(사과향)의 향미 성분이 약 1.5배 이상 증진되었다. 비동결 효모와 상업용 균주에서는 에스테르 성분에 있어 유의적인 차이를 크게 보이지 않았다. 알코올류는 전반적으로 동결건조 효모를 사용한 막걸리에서 유의적으로 높게 나타났다. 그중에서 주류에 적정량 존재할 때는 조화로운 풍미를 나타내지만, 과량 존재 시에는 좋지 않은 냄새를 생성하고 숙취로 작용하는 isoamyl alcohol 함량도 다소 높았으나 부정적인 영향을 미칠 정도로 높진 않았다(Lee 등, 2016). 반면 막걸리의 풍미에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려진 알데히드류 중 butanal은 감소했으나, 3-methylbutanal(초콜릿 향) 성분은 다소 증가하였다(Rhee 등, 2003).

Table 1 . Physicochemical properties of rice wines fermented with non-freeze dried S. cerevisiae JBCC-95, freeze dried S. cerevisiae JBCC-95 with the selected protectant of skim milk and lactose, and S. cerevisiae (Lalvin EC-1118) as control.

Samples1)Yeast (Log CFU/mL)pHSolid contents (°Bx)Total acidity (%)Ethanol contents (%)
EC-11184.6±0.54a4.5±0.18a4.5±0.18a0.12±0.005b17.3±4.88a
Non-FD4.9±0.78a4.5±0.18a4.5±0.18a0.10±0.003a21.1±4.46a
FD5.1±0.64a4.5±0.16a4.5±0.16a0.10±0.002a20±2.63a

1)EC-1118: A commercial S. cerevisiae Lalvin EC-1118 strain, Non-FD: Non freeze drying S. cerevisiae JBCC-95, FD: Freeze drying S. cerevisiae JBCC-95..

Different superscript letters indicate a significant difference (P<0.05)..



Table 2 . Major volatile compounds determined by GC-MS analysis in rice wines fermented with non-freeze dried S. cerevisiae JBCC-95, freeze dried S. cerevisiae JBCC-95 with the selected protectant of skim milk and lactose, and S. cerevisiae (Lalvin EC-1118) as control.

Compound classAroma compoundR.T.Samples1)
FDNon-FDEC-1118
Standard2-Methyl-3-heptanone*13.869101010
EstersF1Ethyl formate3.784nd2)nd0.56
F2Ethyl acetate6.07518.288.049.25
F3Ethyl lactate11.427nd0.54nd
F4Isoamyl formate10.456ndnd1.01
F5Ethyl 2-methylbutyrate10.8211.390.49nd
F6Isoamyl acetate12.342.521.020.96
AlcoholsF7Ethyl alcohol3.201101.6559.7538.64
F8Isoamyl alcohol‎7.00440.7824.2210.74
F91-Butanol7.9023.952.660.95
F103-Methyl-1-butanol9.644216.4126.08103.13
F112-Methyl-1-butanol9.714129.6673.9762.33
F12Benzeneethanol18.068nd3.34.01
AldehydesF13Butanal6.0061.933.484.12
F143-Methylbutanal7.3092.431.71nd
F152-Methylbutyraldehyde7.5111.14ndnd
F16Benzaldehyde14.924ndnd1.02
F17Phenylacetaldehyde16.61ndnd0.59

Relative contents of volatile compounds were determined as peak areas of an internal standard (10 ppm of 2-methyl-3-heptanone* in methanol) from purge-and-trap injection-GC-MS..

1)EC-1118: A commercial S. cerevisiae Lalvin EC-1118 strain, Non-FD: Non freeze drying S. cerevisiae JBCC-95, FD: Freeze drying S. cerevisiae JBCC-95..

2)nd: not detected..


요 약

본 연구는 전통 막걸리에서 분리한 고알코올 생성 효모인 S. cerevisiae JBCC-79 효모 균주의 상업적 적용을 위한 기초 연구로 다양한 동결보호제의 효과를 평가하였다. 탈지분유와 락토오스를 혼합한 제제를 동결보호제로 사용했을 때 장단기적으로 가장 높은 생존율을 보였으며, 이를 활용하여 동결건조 효모 종균을 사용해 제조한 발효주의 경우 비동결건조 효모를 사용해 제조한 발효주와 비교했을 때, 효모의 생균수, 알코올 함량, 가용성 고형분 함량, 총산도 및 pH의 결과가 유의적인 차이를 나타내지 않았다. 그러나 동결건조 효모 종균을 사용해 제조한 발효주의 경우 긍정적인 향미를 주는 에스테르는 비동결건조한 효모에 비해 ethyl acetate, isoamyl acetate 및 ethyl 2-methylbutyrate의 향미 성분이 증진되었으며, 알코올류가 동결건조 효모를 사용한 막걸리에서 유의적으로 높게 나타났다. 반면 막걸리의 풍미에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려진 알데히드류 중 butanal은 감소했으나, 3-methylbutanal(초콜릿 향) 성분은 다소 증가하였다. 이러한 동결보호제 처리를 통해 동결건조된 효모 종균을 사용해 제조된 막걸리에서 에스테르와 같은 향미 성분이 증진된 이유와 특정 알데히드가 감소한 이유는 명확하지 않으나, 동결보호제의 효모 생육 보호 효과에 기인하여 생성된 에탄올이 에스테르류로 전환하는 대사경로가 다소 촉진된 것으로 여겨진다.

감사의 글

본 연구는 2022 전북대학교 교원연구비 지원에 의하여 지원되었으며, 이에 감사드립니다.

Fig 1.

Fig 1.The survival rate of S. cerevisiae JBCC-95 after freeze-drying using various protectants. A, YM; B, PBS; C, 10% skim milk; D, 10% lactose; E, 10% sorbitol; F, 10% trehalose; G, 5% skim milk+5% glycerol; H, 5% skim milk+5% lactose; I, 5% skim milk+5% sorbitol; J, 5% skim milk+5% trehalose. Different letters on the data indicate a significant difference (P<0.05).
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2023; 52: 516-521https://doi.org/10.3746/jkfn.2023.52.5.516

Fig 2.

Fig 2.Viability of S. cerevisiae JBCC-95 cells during storage after freeze drying using various protective agents. (A) Single protectants, (B) Combined protectants.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2023; 52: 516-521https://doi.org/10.3746/jkfn.2023.52.5.516

Table 1 . Physicochemical properties of rice wines fermented with non-freeze dried S. cerevisiae JBCC-95, freeze dried S. cerevisiae JBCC-95 with the selected protectant of skim milk and lactose, and S. cerevisiae (Lalvin EC-1118) as control.

Samples1)Yeast (Log CFU/mL)pHSolid contents (°Bx)Total acidity (%)Ethanol contents (%)
EC-11184.6±0.54a4.5±0.18a4.5±0.18a0.12±0.005b17.3±4.88a
Non-FD4.9±0.78a4.5±0.18a4.5±0.18a0.10±0.003a21.1±4.46a
FD5.1±0.64a4.5±0.16a4.5±0.16a0.10±0.002a20±2.63a

1)EC-1118: A commercial S. cerevisiae Lalvin EC-1118 strain, Non-FD: Non freeze drying S. cerevisiae JBCC-95, FD: Freeze drying S. cerevisiae JBCC-95..

Different superscript letters indicate a significant difference (P<0.05)..


Table 2 . Major volatile compounds determined by GC-MS analysis in rice wines fermented with non-freeze dried S. cerevisiae JBCC-95, freeze dried S. cerevisiae JBCC-95 with the selected protectant of skim milk and lactose, and S. cerevisiae (Lalvin EC-1118) as control.

Compound classAroma compoundR.T.Samples1)
FDNon-FDEC-1118
Standard2-Methyl-3-heptanone*13.869101010
EstersF1Ethyl formate3.784nd2)nd0.56
F2Ethyl acetate6.07518.288.049.25
F3Ethyl lactate11.427nd0.54nd
F4Isoamyl formate10.456ndnd1.01
F5Ethyl 2-methylbutyrate10.8211.390.49nd
F6Isoamyl acetate12.342.521.020.96
AlcoholsF7Ethyl alcohol3.201101.6559.7538.64
F8Isoamyl alcohol‎7.00440.7824.2210.74
F91-Butanol7.9023.952.660.95
F103-Methyl-1-butanol9.644216.4126.08103.13
F112-Methyl-1-butanol9.714129.6673.9762.33
F12Benzeneethanol18.068nd3.34.01
AldehydesF13Butanal6.0061.933.484.12
F143-Methylbutanal7.3092.431.71nd
F152-Methylbutyraldehyde7.5111.14ndnd
F16Benzaldehyde14.924ndnd1.02
F17Phenylacetaldehyde16.61ndnd0.59

Relative contents of volatile compounds were determined as peak areas of an internal standard (10 ppm of 2-methyl-3-heptanone* in methanol) from purge-and-trap injection-GC-MS..

1)EC-1118: A commercial S. cerevisiae Lalvin EC-1118 strain, Non-FD: Non freeze drying S. cerevisiae JBCC-95, FD: Freeze drying S. cerevisiae JBCC-95..

2)nd: not detected..


References

  1. Abadias M, Benabarre A, Teixido N, et al. Effect of freeze drying and protectants on viability of the biocontrol yeast Candida sake. Int J Food Microbiol. 2001. 65:173-182.
    Pubmed CrossRef
  2. Baek SY, Lee YJ, Kim JH, et al. Isolation and characterization of wild yeasts for improving liquor flavor and quality. Microbiol Biotechnol Lett. 2015. 43:56-64.
    CrossRef
  3. Baek SY, Mun JY, Yeo SH. Effects of different drying methods on fermentation characteristics and viability of cold-adaptive yeast. Korean J Food Preserv. 2017. 24:1034-1042.
    CrossRef
  4. Bang KH, Kim GJ, Oh DH, et al. High-density cultivation and cryopreservation of Saccharomyces cerevisiae Hansen CBS 5926. Korean J Microbiol. 1999. 35:302-306.
  5. Carvalho AS, Silva J, Ho P, et al. Survival of freeze-dried Lactobacillus plantarum and Lactobacillus rhamnosus during storage in the presence of protectants. Biotechnol Lett. 2002. 24:1587-1591.
  6. Hino A, Mihara K, Nakashima K, et al. Trehalose levels and survival ratio of freeze-tolerant versus freeze-sensitive yeasts. Appl Environ Microbiol. 1990. 56:1386-1391.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  7. Hubalek Z. Protectants used in the cryopreservation of microorganisms. Cryobiology. 2003. 46:205-229.
    Pubmed CrossRef
  8. Kim E, Chang YH, Ko JY, et al. Physicochemical and microbial properties of the Korean traditional rice wine, Makgeolli, supplemented with banana during fermentation. Prev Nutr Food Sci. 2013. 18:203-209.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  9. Kim HR, Kim JH, Bai DH, et al. Feasibility of brewing Makgeolli using Pichia anomala Y197-13, a non-Saccharomyces cerevisiae. J Microbiol Biotechnol. 2012. 22:1749-1757.
  10. Lee SB, Choi WS, Jo HJ, et al. Optimization of air-blast drying process for manufacturing Saccharomyces cerevisiae and non-Saccharomyces yeast as industrial wine starters. AMB Expr. 2016. 6:105. https://doi.org/10.1186/s13568-016-0278-9
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  11. Leslie SB, Israeli E, Lighthart B, et al. Trehalose and sucrose protect both membranes and proteins in intact bacteria during drying. Appl Environ Microbiol. 1995. 61:3592-3597.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  12. Lodato P, de Huergo MS, Buera MP. Viability and thermal stability of a strain of Saccharomyces cerevisiae freeze-dried in different sugar and polymer matrices. Appl Microbiol Biotechnol. 1999. 52:215-220.
    Pubmed CrossRef
  13. Meng XC, Stanton C, Fitzgerald GF, et al. Anhydrobiotics: The challenges of drying probiotic cultures. Food Chem. 2008. 106:1406-1416.
    CrossRef
  14. Miyamoto-Shinohara Y, Imaizumi T, Sukenobe J, et al. Survival rate of microbes after freeze-drying and long-term storage. Cryobiology. 2000. 41:251-255.
    Pubmed CrossRef
  15. Rhee SJ, Lee CYJ, Kim KK, et al. Comparison of the traditional (Samhaeju) and industrial (Chongju) rice wine brewing in Korea. Food Sci Biotechnol. 2003. 12:242-247.
  16. Valles BS, Bedrinana RP, Queipo AL, et al. Screening of cider yeasts for sparkling cider production (Champenoise method). Food Microbiol. 2008. 25:690-697.
    Pubmed CrossRef