서 론
김치는 한국의 대표적인 전통 발효 식품으로, 배추나 무 같은 채소를 주원료로 하여 마늘, 생강, 고춧가루 등 다양 한 조미료와 함께 버무려서 제조 후 발효한다(Kim & Kim, 1994;Chang & Chang, 2010). 김치는 주재료로 사 용하는 채소에 따라 수백 종의 김치로 분류되며, 만드는 방법에 따라서는 일반 김치와 물김치로 나눌 수 있다 (Cheigh et al., 1994). 그 중 동치미는 가장 대표적인 물김 치로 무를 파, 마늘, 생강 등의 부재료와 함께 식염을 푼 물(2-4% (w/v))에 발효시켜 만든다(Jeong et al., 2013).
과거에는 동치미와 같은 김치류가 가정에서 주로 제조되 어 소비되었으나, 최근에는 급식 및 외식업체 등의 수요가 늘면서 공장에서의 제조가 증가하고 있다. 특히, 동치미는 김치의 주용도인 반찬으로써의 역할 뿐 아니라 냉면육수 등 가공식품의 원료로 활용되며 물과 무기질 및 비타민을 섭취할 수 있어 음료로서도 전망이 밝은 식품이다(Ko et al., 1995). 특히 동치미의 국물 속에는 다량의 유기산과 탄 산가스를 함유하고 있고, 주원료인 무에는 아밀라아제 (amylase), 디아스타아제(diastase), 리파아제(lipase) 등 소화 분해 효소를 다량 포함하고 있어 다른 식품의 소화를 촉진 시키는 기능 또한 가지고 있다(Park, 2012). 그러나 동치미 는 일정 기간 후 polygalacturonase와 같은 효소가 생성되고 식물 세포 사이에 존재하는 펙틴질을 분해하여 무가 물러 버리는 연부 현상이 발생하는 문제점이 있다(Ahn, 2006). 뿐만 아니라 동치미는 큰 부피를 차지하여 장기 저장 및 유통이 어려운 단점이 있다. 실제로 이러한 유통상의 문제 를 해결하고자 동치미를 동결건조하여 분말화한 방법도 연 구되었으나, 산도와 탄산미가 크게 감소하는 한계점이 있 었다(Tae, 2008). 유기산은 동치미 특유의 시원하고 상쾌한 맛을 내어 관능적 품질 특성에 있어 중요한 인자이므로 이를 해치지 않는 산도 유지 방안에 대한 추가 연구가 필요한 실정이다(Chyun & Lee, 1976).
현재까지 발표된 주요 동치미 관련 연구로는 동치미의 품질 특성에 관한 연구(Kang et al., 1991;Ann, 2001;Kim & Jang, 2005;Park et al., 2008), 맛 성분에 관한 연구(Lee & Lee, 1990;Cho et al., 2015), 재료나 발효 조건에 따른 성분 변화(Chang et al., 1996;Huh et al., 2003;Ahn, 2006;Jang et al., 2015), 기능성 연구(Seo et al., 2011;Choi et al., 2015), 최적 발효를 위한 연구(Ko et al., 1995;Noh et al., 2008), 동치미를 활용한 타식품 개발 연구(Choi et al., 2014;Chun et al., 2020) 등이 있다. 하지만, 앞의 연구는 동치미의 품질특성과 활용방안에 관한 연구로, 동치 미의 저장 및 유통 효율성을 향상시키고 산업적 이용성을 증대시키는 방법에 관한 연구는 미흡한 실정이다.
고산도 동치미는 저장·유통 단계에서 상대적으로 적은 부피를 차지하고, 소비 단계에서 희석하여 사용할 수 있어 저장과 운송 비용을 절감시키고 동치미를 산업적으로 활용 하기가 더 용이할 것이라 기대된다. 따라서 본 연구는 동 치미의 산업 이용성을 증대시키고자 다양한 식품에 활용될 수 있는 고산도 동치미를 제조하고, 물리적·화학적·미생물 학적 품질 특성에 미치는 영향을 확인하고자 진행하였다.
재료 및 방법
동치미 제조를 위한 무, 마늘, 양파, 생강은 광주광역시 소재의 지역 마트에서 구입하였으며, 갈아서 즙의 형태로 사용하였다. 또한, 정제염(Hanju Salt, Ulsan, Korea), 설탕, 올리고당(CJ CHEILJEDANG Corp., Seoul, Korea), 물엿 (OTTOGI Corp., Gyeonggi-do, Korea)도 상기와 같이 구매 하여 바로 사용하였다. 추가로 fructose, glucose, mannitol, sucrose, maltose는 Sigma-Aldrich Co. (MO, USA)에서, 구 연산 칼륨은 ES food (Gyeonggi-do, Korea)에서 구매하였다. 모든 분석에는 Daejung (Gyeonggi-do, Korea)에서 구입한 first-grade 분석 시약을 사용하였다. 또한, HPLC에 사용된 water와 acetonitrile은 chromatographic grades (Merk, NJ, USA)를 사용하였다.
동치미는 무즙 3 0%, 마늘즙 0.5%, 양파즙 5%, 생강즙 0.3%, 정제염 1.5%의 비율이 되도록 만들었다. 첨가 당 종 류를 결정하기 위한 실험의 시료는 만들어진 동치미 국물 에 구연산 칼륨 및 4% 수준의 sucrose, fructose, glucose, mannitol, 물엿, 올리고당을 각각 첨가하여 비교하였다. 이 후 고산도 동치미 조제를 위한 실험에서는 동치미 국물에 구연산 칼륨(P; potassium citrate) 및 당 함량(S4-12; sugar 4-12%)을 달리하여 Table 1과 같이 시료를 각각 조제하였 다. 시료는 15°C에서 15 day 동안 보관하였으며 일정 간격 으로 품질 특성을 분석하였다.
각각의 시료는 pH meter (TitroLine 5000, SI Analytics GmbH, Mainz, Germany)를 사용하여 24-26°C에서 pH와 산도를 측정했다. 총 산도는 pH 8.3 종말점에 도달할 때까 지 0.1 N NaOH로 적정하였으며, 아래 식과 같이 소비된 0.1 N NaOH의 양(mL)을 젖산(%, w/w)으로 환산하였다.
염도는 전도식 디지털 염도계(PAL-SALT, ATAGO CO., Tokyo, Japan)로, 당도는 디지털 당도계(Refractometer SCM- 1000, HM DIGITAL, Seoul, Korea)를 사용하여 측정하였다.
동치미 시료를 무균적으로 취한 후 0.85% 멸균생리식염 수로 10배 단계 희석하여 미생물 분석에 사용하였다. 호기 성 일반세균 및 유산균 수는 각각 PetrifilmTM AC plates과 PetrifilmTM LAB plates (3MTM, Seoul, Korea)에 분주한 후 35°C에서 48 h 동안 배양하였다. 각 미생물 수는 3회 측정의 평균으로부터 산출되었으며, log CFU/g으로 표기하였다.
동치미 시료를 3차 증류수로 희석하여 여과하였다. 이 여과액을 다시 syringe filter (RC, 0.2 μm, 25 mm)로 여과 하여 시험용액으로 사용하였다. 표준용액은 oxalic acid, citric acid, tartaric acid, malic acid, succinic acid, lactic acid, fumaric acid 및 acetic acid (Sigma, St. Louis, Missouri, USA) 총 8가지 유기산을 사용하였다.
유기산 함량은 HPLC (Agilent 1260 Infinity, Agilent Technologies, Boblingen, Germany)를 사용하여 분석하였다. 컬럼은 Aminex HP × 87H column (7.8 mm × mm, 9 μm, Bio-Rad, CA, USA)를 장착하였으며, 컬럼 온도는 50°C로 설정하였다. Mobile phase는 0.008 N H2SO4를 사용하고 flow rate를 0.6 mL/min으로 설정하였다. 검출기는 diode array detector (DAD, 210 nm)를 사용하였으며, injection volume은 10 μL 주입하였다. 동치미 내 유기산은 표준용액과 비교하여 표준 검량곡선을 작성하고 그 함량을 산출하였다.
동치미 시료는 희석하여 85°C 이상 수조에서 25min 간 당류를 추출하였고 방냉 후 3000 rpm으로 10min간 원심분리 하였다. 얻어진 상층액을 0.2 μm membrane filter (25 mm, PTFE, Whatman)로 여과한 후 시험용액으로 사용하였다. 표준용액은 fructose, glucose, mannitol, sucrose, maltose (Sigma, St. Louis, Missouri, USA) 총 5가지 유리당을 사 용하였다.
유리당 함량은 HPLC (Agilent 1260 Infinity, Agilent Technologies, Boblingen, Germany)를 사용하여 분석하였다. 컬럼은 Asahipak NH2P-50 4E (4.6 × 250mm, 5 μm, Shodex, Tokyo, Japan)를 장착하였으며, 컬럼 온도는 3 0°C로 설정하 였다. Mobile phase는 acetonitrile :water = 75 : 25의 비율(v/v) 로 사용하고 flow rate를 1.0 mL/min으로 설정하였다. 검출 기는 refractive index detector (RID)를 사용하였으며, injection volume은 6 μl 주입하였다. 동치미 내 유리당은 표준용액과 비교하여 표준 검량곡선을 작성하고 그 함량을 산출하였다.
결과 및 고찰
동치미 발효에 관여하는 미생물은 유기산을 생성하여 동 치미 특유의 시원한 맛을 부여하며 산도를 높일 수 있다 (Kim et al., 1997). Ko et al. (1995)는 각종 유기산을 생 성하는 균들은 생육 환경과 생리작용이 달라서, 원료 종류, 배합비 등 숙성 조건에 따라 생성 유기산의 양이 달라짐을 확인한 바 있다. 또한 Kim et al. (2018)은 적절한 탄소 공 급원이 미생물의 성장을 활성화하고 비용을 절감하는데 효과적이라고 보고하였다. 따라서 동치미의 숙성과정에서 탄소원으로 공급할 당류를 선정하고자 다음을 진행하였 다. 동치미 시료에 4% 수준의 sucrose, fructose, glucose, mannitol, 물엿, 올리고당을 각각 첨가하여 15일간 발효시킨 결과 산도의 변화는 Fig. 1과 같다. 산도는 무첨가 control 군에서 평균 0.52±0.01%이었으며, mannitol 군에서 가장 낮은 0.41±0.02%, sucrose 군에서 가장 높은 0.67±0.01%로 나타났다. 이는 유산균이 대사에 이용할 수 있는 탄소원을 공급하는 것이 산도를 높이는데 도움을 주며, 그 중 sucrose가 가장 산도를 높이는데 적합함을 확인하였다. 이 러한 결과는 glucose을 첨가할 때 산 생성량이 오히려 감 소하였고 동치미에 다른 당원보다 sucrose를 첨가하였을 때 산도가 가장 높았다는 선행 연구들과 유사하였다(Jung et al., 1985; Chun et al., 1997; Ann, 2001;Ahn, 2006). 이 는 유산균인 Leuconostoc mesenteroides가 단당류인 glucose 와 fructose에서보다 sucrose에서 더 빠르게 성장한다는 연 구와도 일치하였다(Dols et al., 1997). 또한, fructose 대사 를 통해 mannitol 생성이 증가하면 막 지질 및 단백질 구 조를 안정화하고 활성 산소를 제거하여 산화적 손상을 방 지할 수 있다는 것으로 알려져 있어(Leslie et al., 1995;Chaturvedi et al., 1996), 미생물의 대사 과정이 산도 증가 에 복합적인 영향을 준 것으로 보이지만 앞으로 이 부분에 대한 추가 연구가 필요하다고 사료된다.
구연산 칼륨은 대한민국 식품첨가물공전 상 허용된 산도 조절제이며, 선행 연구에서 pH 완충제로서의 효과가 뛰어 날 뿐만 아니라 침전이 없고 유산균 증식에 가장 적절하다 확인된 바 있다(Jeong et al., 2021). 따라서 동치미에 구연 산 칼륨을 첨가하여 pH 완충 효과와 산도에 미치는 영향을 살펴보았다. Table 1과 같이 조제된 동치미의 pH 및 산도 변화는 Table 2에 제시하였다. 발효가 진행됨에 따라 pH는 0일차에 6.54±0.04-7.00±0.01 수준에서 15일차에 3.53±0.02- 4.18±0.00 수준으로 감소하였으며, 감소폭은 control, S4, PS4, PS8, PS12 샘플에서 각각 약 46%, 48%, 40%, 41%, 40%로 완충제를 넣은 그룹(PS)에서 모두 감소폭이 줄어드 는 것을 확인하였다.
또한, 당 함량 조건이 같은 S4와 PS4만을 도식화하여 비교하였을 때(Fig. 2(a)), 구연산 칼륨을 넣지 않은 S4에서 pH가 6.70±0.06에서 3.46±0.01로 크게 감소하였고, 구연산 칼륨을 넣은 PS4에서는 6.98±0.02에서 4.18±0.01까지 감소 하였다. 이에 따라 pH가 4 이상으로 유지된 PS4에서는 산 도가 1.17±0.15%까지 점차 증가하여 같은 당 함량 조건 하의 S4의 산도(0.54±0.04%)와 비교하여도 약 2.2배 높아 짐을 확인하였다.
동치미는 pH 3.9±0.1에서 적숙기이고(Ko et al., 1995), 김치류에서 pH는 유산균이 생성하는 다양한 유기산에 의 하여 감소하며 pH 4.5 이하로 내려갈 시 유산균의 생존은 어려운 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2020;Adamberg et al., 2003). 따라서 구연산 칼륨의 첨가는 pH 완충 효과 로 유산균의 생장 저해를 막아 유기산 생산이 비교적 원활 하게 하며, 동치미 숙성 적기의 pH를 비교적 오래 유지할 수 있었다.
구연산 칼륨의 존재 하에 당 함량을 조절하여 그 영향을 확인하였다. 즉, 산도를 높이는데 가장 적합했던 sucrose를 주요 탄소원으로 사용하고 당 농도를 4-12%까지 증량하여 동치미의 pH 및 산도에 미치는 영향을 비교한 결과는 Fig. 2(b)와 같다. PS4, PS8, PS12에서 pH는 모두 6.98±0.02- 7.02±0.01 범위에서 시작하여 pH 4.17±0.01-4.18±0.01 범 위까지 꾸준히 감소하였으며 시료 간의 유의적 차이는 없 었다. 반면 산도는 모두 0.03±0.00-0.04±0.01%로 유사하게 시작하였으나 PS12에서 가장 빠르게 산도가 증가하여 10 일차에 가장 높은 1.48±0.04%에 도달하였다. 또한, 15일차 에는 PS4, PS8, PS12의 산도가 각각 1.17±0.15, 1.27±0.08, 1.45±0.16%까지 도달하였으나 유의적 차이는 없었다. 따라서 당 함량의 차이는 산도 증가 속도를 조절할 수 있을 것으로 사료된다. 다만, 당 함량이 높아질수록 exopolysaccharides (EPS) 생성 유산균에 의하여 점도 역시 증가하여 동치미의 품질을 저하시킬 수 있으므로 급격하게 점도가 증가하는 12%를 제외하고 4-8% 내외의 범위로 당 함량을 정함이 적절할 것이다(Zannini et al., 2016).
김치류의 발효 중에는 미생물 대사에 의한 다양한 유기 산이 생성되므로 미생물과 유기산에는 긴밀한 상관관계가 존재한다 할 수 있다(Shim et al., 2012). 따라서 본 연구 에서 개발한 고산도 동치미의 미생물과 유기산의 관계를 확인하고자 호기성 세균수 및 유산균수를 Table 3에 나타 냈으며, 주요 유기산 3종의 함량 변화는 Fig. 3에 도식화하 여 제시하였다.
Control, S4, PS4, PS8, PS12에서 호기성 세균수의 최 대 개체 밀도(maximum population density, MPD)는 각각 8.29±0.01, 8.31±0.03, 8.71±0.01, 8.79±0.05, 8.80±0.03 log CFU/g이었으며, 유산균수의 MPD는 8.34±0.02, 8.30±0.00, 8.95±0.03, 9.01±0.01, 8.95±0.09 log CFU/g로 나타나 구연 산 칼륨 처리군(P)에서 비처리군보다 소폭 더 높았지만, 모 든 시료에서 호기성 세균과 유산균은 꾸준히 증가하여 8-9 log CFU/g 범위에 도달하는 유사한 경향을 보였다.
반면, 유기산 함량에서는 구연산 칼륨 처리군과 비처리 군의 차이가 크게 나타났다. 발효 15일차에 S4와 PS4의 lactic acid 함량은 각각 최대 3,081.86±36.98, 11,463.56± 172.53m g/kg까지 증가하여 3 .7배 이상 높았으며, acetic acid 함량은 각각 최대 1,467.95±17.90, 5,918.36±66.90mg/kg까지 증가하여 4배 이상 높게 나타났다. 다만, PS4, PS8, PS12 와 같이 당 함량에 따른 차이는 비교적 크지 않았다. 한편, 초기 citric acid 함량이 구연산 칼륨 처리군에서 높게 나타 난 것은 분자 내 구연산 자체에 의한 것으로 사료된다.
유산균은 lactic acid와 같은 유기산 함량을 향상시키나, 역설적으로 유기산은 pH를 낮추어 미생물의 glucose 소비 를 감소시키고 발효과정에서 대사산물 형성을 억제하는 역 할을 한다(McDonald et al., 1991;Jiang et al., 2020;Huang et al., 2012). 따라서 균의 최대생장률과 성장 경향은 유사 함에도 불구하고 유기산의 함량 차이가 크게 나타난 것은 낮은 pH 환경에 의한 미생물의 대사 저해의 영향으로 사 료된다.
동치미 발효 15일차의 유리당 함량은 Fig. 4와 같다. 본 연구에서는 특히 전체 유리당 중 특정 당이 차지하는 비율 을 확인하고, 어떠한 대사 경로에 의한 것인지 추론하고자 각 시료의 유리당 함량을 총 당 함량에 대한 상대적 풍부 도로 Fig. 4(a)에 나타내었으며, 선행문헌에서 제시한 대사 경로에 따른 당 종류별 함량을 Fig. 4(b)에 추가하였다 (Jang et al., 2015). 대조군에서는 모두 mannitol로 대사되 었으며, PS4-12를 비교하였을 때 당 함량이 높아질수록 전 체 유리당 중 fructose가 차지하는 비율이 높아졌다. 또한 주목할만한 점은 같은 당 함량의 S4와 PS4를 비교하였을 때 S4에서는 다른 군과 달리 sucrose와 glucose가 확인되 었다. 이는 pH가 낮은 S4군에서는 유산균의 대사 활동이 저해되어 첨가한 sucrose를 모두 이용하지 못하고 남겨진 것으로 추정되며, S4를 제외한 그룹에서는 대부분의 glucose가 이미 lactic acid와 같은 대사 산물로 전환되는데 사용되었을 것으로 사료된다.
요 약
본 연구는 동치미의 산업 이용성을 확대하기 위해서 고 산도 동치미의 최적 조건을 찾고 각각의 요인이 품질에 미 치는 영향을 종합적으로 고찰하였다. 동치미에 pH 완충제 의 역할을 하는 구연산 칼륨 및 다양한 당을 첨가하여 종 래의 동치미와 비교하여 최적 조건을 제시하였다. Sucrose, fructose, glucose, mannitol, 물엿, 올리고당 중 sucrose에서 가장 높은 산도를 나타냈으며, 구연산 칼륨을 첨가할 시 pH 완충 효과로 비첨가군 대비 약 2.2배 산도를 높이는 효과가 있었다. 또한, 아무것도 첨가하지 않은 대조군과 비 교하였을 때, sucrose와 구연산 칼륨을 동시에 처리한 군 (PS)에서 최대 3배 이상 산도를 높일 수 있어 종래의 동치 미보다 산도를 높이는데 탁월하였다. 이러한 동치미의 유 기산 함량을 분석한 결과 발효 15일차에서 구연산 칼륨 첨가 유무에 따른 함량 차이가 약 3 .7배 이상 높게 나타났 다. 이는 pH 완충 효과로 인한 미생물 대사 활동의 억제 를 막을 수 있었기 때문으로 사료된다. 추가로 유리당 분 석 결과에서도 역시 구연산 칼륨을 넣은 그룹에서 대사가 비교적 더 활발할 것으로 추정되는 결과를 얻었다. 본 연 구 결과는 동치미 및 동치미 활용 식품산업에서 속성으로 고산도의 발효 동치미를 만드는 제조 방법으로 사용될 수 있으며, 품질에 미치는 영향은 동치미 연구의 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
