농업 생산성을 높이고 농가 소득을 증대하기 위해 다양한 시도와 노력을 하는 가운데 미생물을 활용해서 토양의 힘을 늘리고 미생물 살충제를 만들기도 하고 발효 액비를 만들어 작물 생육용 자재로 활용을 하고 있다. 미생물에 대해 이야기를 하면 발효(醱酵, Fermentation)라는 용어가 꼭 나오게 되는데 청국장 발효, 유산균 발효, 식초 발효, 액비 발효, 발효 식품 등 다양한 부분들에서 발효를 이야기하는데 오늘은 발효에 대해서 알아보자.

미생물이 자라는 것을 배양이라고 하는데 공기(산소)가 있는 상태에서 미생물이 자라는 것을 호흡이라고 하고 공기가 없는 혐기성 상태에서 미생물이 자라는 것을 발효라고 한다. 이제까지는 미생물 배양이나 발효나 비슷한 의미로 사용해왔는데 엄밀하게 따지면 발효는 미생물 배양 방법 중 하나인 것이다. 그러면 미생물을 배양할 때 공기가 있고 없고에 따른 차이는 무엇일까? 이것을 이해하려면 ‘미토콘드리아(mitochondria)’라는 세포내 기관에 대해서 먼저 아는 것이 필요하다. 우리가 음식물을 먹었을 때 위나 간에서 분비되는 다양한 효소에 의해 우리가 먹은 음식물들이 포도당이나 아미노산과 같은 아주 작은 물질로 분해가 된다. 이렇게 분해가 된 아주 작은 물질들은 소장에서 흡수가 되어 비로소 우리 몸 안으로 들어오게 되는 것이다. 그런데 소장에 흡수가 안 될 정도로 분해가 안 되면 소장에서 흡수가 안 되고 그대로 대장까지 가서 대변으로 배출이 되는데 이렇게 되면 소화가 안 되었다 또는 소화효율이 안 좋다라고 이야기를 한다.

세포내에서 에너지를 만들어 내는 발전소

‘미토콘드리아(mitochondria)’

우리가 밥을 먹으면 입 안에서 밥알의 구성성분인 전분이 포도당으로 바뀐다. 그래서 밥을 씹으면 씹을수록 단맛이 나는 것이다. 입에서 분해가 덜 된 밥알들은 식도를 타고 위로 넘어가면 위에서 위액이 나와서 미처 분해가 안 된 밥알을 잘게 부수어 포도당으로 변환을 시킨다. 포도당은 소장에서 흡수가 되어 비로소 우리 몸 안으로 들어오게 된다. 몸 안으로 들어온 포도당은 혈관에 있는 피를 타고 다니면서 우리 몸 구석구석에 있는 세포들에게 전달이 된다. 피를 통해 흘러 세포 내부로 들어온 포도당은 세포내에 있는 미토콘드리아(mitochondria)라는 기관으로 보내진다. 미토콘드리아는 세포내에서 에너지를 만들어 내는 기관으로 일종의 발전소와 같은 역할을 한다. 미토콘드리아에서 포도당을 태우면서 열을 만들어 우리가 활동할 수 있는 에너지를 만들어낸다. 그런데 미토콘드리아에서 포도당을 태우려면 산소(공기)도 반드시 필요하기 때문에 우리 몸에서는 혈액 중에 있는 헤모글로빈이라는 녀석을 통해 세포로 산소를 공급해주는 일도 게을리 하지 않는다. 헤모글로빈은 폐에서 산소를 받아서 각 세포의 미토콘드리아에 전달해주고, 미토콘드리아는 포도당과 산소를 태워서 에너지를 만들고 이러한 과정 중에 폐기물로 발생된 이산화탄소를 헤모글로빈에 넘겨준다. 이산화탄소를 받은 헤모글로빈은 혈관을 타고 심장으로 갔다가 결국에는 폐에 이르러 이산화탄소를 버리게 된다.

에너지 확보를 하는 것은

거의 생존 전략에 가까워

미생물은 세포내에 핵이 있고 미토콘드리아, 엽록소 등 다양한 기관을 가지고 있다. 미토콘드리아는 사람을 비롯한 진핵세포에 들어있는 세포내 소기관이다. 우리 사회가 산업이 발전하고 공장의 기계가 가동되기 위해서는 전국 각지에 있는 수력, 화력, 풍력, 원자력 발전소에서 생산되는 전기가 산업 현장에 전달되어 우리 산업이 역동적으로 움직이게 된다. 이렇듯 어느 국가나 사회가 원활하게 가동되기 위해서는 에너지 공급은 가장 기본적이다. 그래서 에너지 확보를 하는 것은 거의 생존 전략에 가깝다. 미생물도 똑같다. 에너지를 얻기 위해 몸부림을 친다.

미생물이 자라는데 공기 공급이 안 되면 미토콘드리아, 즉 발전소가 가동이 멈춘다. 그렇게 되면 에너지 생성이 안 된다. 그렇다고 아예 안 되는 것은 아니다. 공기가 충분할 때에는 미토콘드리아가 원활하게 가동되어 포도당 1분자당 38개의 에너지가 생성이 되는데, 공기가 없으면 포도당 1분자당 2개의 에너지밖에 생산이 안된다. 공기가 없는 상태에서 미생물이 활동을 하는 발효는 에너지 효율면에서는 성적이 안 좋다. 그러나 에너지는 못 만들지만 다른 물질들을 만들어 낸다. 발효를 하는 동안 에너지 대신 젖산, 알코올, 초산 등 우리 삶에 유용하게 쓰일 수 있는 물질들을 만들어 내는 것이다. 그것을 2차 대사산물이라고 하는데 2차 대사 산물이 우리 인간에게 유용한 물질이면 발효라 하는 것이고, 2차 대사산물이 우리 인간을 불쾌하게 하면 부패라고 하는 것이다.

미토콘드리아를 가지고 있는 대표적인 미생물 "효모"

효모(yeast)는 진핵생물로 미토콘드리아를 가지고 있는 대표적인 미생물이다. 토양 속에 공기가 부족한 환경에서는 발효가 일어나 포도당을 알코올을 만들어내고 이산화탄소를 방출한다. 이산화탄소는 열을 간직하여 지온을 올리고 땅을 부풀게 하여 부드러운 토양을 만들어 낸다. 집에서 빵을 만들 때 밀가루를 반죽해서 효모(이스트, 때로는 막걸리를 사용할 수도 있음)를 사용하여 얼마간 시간이 지나면 발효가 일어나 이산화탄소가 방출되어 밀가루 반죽이 부풀어 오르게 된다. 그런 반죽으로 빵을 만들면 부드럽고 효모가 분비한 물질에 의해 향미가 증가해서 맛있는 빵이 만들어지는 것이다. 이러한 현상이 토양에서도 똑같이 발생할 수 있다. 효모는 공기가 없는 상태에서 이산화탄소를 만들어 낸다. 공기가 있으면 발효는 안 일어나고 1개의 포도당에서 38개의 에너지를 뽑아낸다.