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Microbiology and Biotechnology Letters

Note(단보)

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Food Microbiology  |  Bioactive Compounds or Metabolites: Function and Application

Microbiol. Biotechnol. Lett. 2024; 52(1): 37-43

https://doi.org/10.48022/mbl.2310.10016

Received: October 23, 2023; Revised: February 14, 2024; Accepted: February 29, 2024

시판 막걸리의 향미특성 분석

Analysis of Flavor Characteristics of Commercial makgeolli

Jeong Ah Yoon1, Se Young Kwun1, Seong Wook Cho1, Eun Hee Park2, Young Ho Seo3, and Myoung Dong Kim2,4*

1Department of Food Biotechnology and Environmental Science, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Republic of Korea
2Department of Food Science and Biotechnology, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Republic of Korea
3Department of Smart Health Science and Technology, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Republic of Korea
4Institute of Fermentation and Brewing, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Republic of Korea

Correspondence to :
Myoung-Dong Kim,      mdkim@kangwon.ac.kr

Abstract

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Recently, as the interest in makgeolli has increased and its products have become more diverse, the need to analyze the flavor of makgeolli has emerged. In this study, we analyzed the volatile flavor components in commercial makgeolli using an electronic nose. Discrimination function analysis suggested differences in flavor characteristics of commercial makgeolli depending on sterilization and type of fermentation starter. According to the variable importance point scores determined by partial least squares-discriminant analysis, it was revealed that sterilization, nuruk, and yeast profoundly influence the contents of ethyl acetate (fruity scent), acetaldehyde (strong odor) and isoamyl acetate (fruity scent), respectively. This result is expected to be a valuable stepstone to the characterization of makgeolli.

Keywords: Makgeolli, nuruk, yeast, volatile flavor components, electronic nose

Graphical Abstract


Body

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쌀을 원료로 하는 전통주인 막걸리는 누룩 곰팡이가 분비한 효소에 의해 전분질의 당화가 이루어지며, 효모에 의해분해된 당이 알코올로 전환되는 알코올 발효가 동시에 일어나는 병행복발효주[1]이다. 비타민 B군, 단백질 및 식이 섬유 등이 풍부하고, 미생물에 의한 효소작용으로 다량의 당분,아미노산 및 유기산 등의 맛 성분이 생성된다[2−4]. 전분질원료, 누룩의 종류, 효모의 사용 유무, 숙성 조건, 살균 여부등에 따라서 막걸리의 향미성분과 이화학적 특성이 달라지며, 이와 관련된 다양한 연구결과가 보고되었다[5, 6]. 최근보고된 연구결과에 따르면, 막걸리의 대표적인 원료인 쌀의품종과 도정도에 따라서 막걸리의 품질이 변화되며[3], 사용한 곡물의 종류에 따라서 막걸리의 품질 및 항산화 활성이 변화하는 것으로 보고되었다[3]. 또한, 막걸리 발효제로 효모를 첨가하는 경우 막걸리의 미생물 분포를 변화시키고 산미를 낮추는 등 막걸리 품질에 영향을 미치는 것으로 보고되었다[7].

살균공정을 거치지 않은 막걸리의 경우는 발효에 관여한효모와 유산균 등의 미생물이 함유된 상태로 유통되며 알코올 발효가 지속적으로 진행되고, 유통기한이 짧은 단점이 있다[8]. 이러한 문제점을 보완하기 위해서 막걸리 살균법이 개발되었으며, 고유의 맛과 향이 저하되는 단점이 있지만[9], 6개월 이상 보관이 가능하여 수출 등에 용이한 장점이 있다[3].

최근 전통주에 대한 소비자의 관심이 증가하면서 다양한형태의 전통주가 출시되고 있으며, 알코올 함량이 낮은 제품에 대한 선호 현상과 함께 젊은 소비자들의 구매가 증가하고 있다[10, 11]. 시판 막걸리의 종류도 다양화되면서 다품종 소량생산의 제품 출시가 증가하고, 복숭아, 바나나, 매실 등을 첨가한 새로운 맛과 향의 제품이 판매되고 있다[12]. 이에 따라 시중에 판매 중인 막걸리의 이화학적 또는 관능적특성, 젖산균 함량, 생리기능성 등에 대한 연구도 활발히 진행되고 있으며[13−15], 막걸리에서 유래된 Lactobacillus sp., Leuconostoc sp. 등 다양한 유산균의 기능성 연구결과가 보고되었다[16, 17].

전자코는 특정 휘발성 향기성분을 신속하게 분석할 뿐만아니라 시료에 포함된 전반적인 성분들에 의한 향미패턴을나타내는 장비로서[18] 최근 식품 산업에서 전자코를 이용하여 식품의 발효 숙성도 예측, 지방 산패 분석, 원산지 판별등의 다양한 적용 기술이 개발되었다[19−22]. 전자코 분석을통하여 증류주의 향미성분이 원재료에 따라 구분되고[20],커피의 휘발성 향기 분석을 통한 향미 특성에 대한 연구결과가 보고되었다[22]. 또한 전자코를 활용하여 수입산 홍삼농축액과 국내산 홍삼농축액의 원산지 판별이 가능하였으며[23], 홍 등[22]의 연구 결과에 따르면, 국내산 무의 이화학적, 관능적 특성을 사용하여 품종 구분이 가능하였다. 이처럼 전자코를 사용한 식품의 향기성분 분석을 통해서 원산지 판별, 향미성분의 개량 등 다양한 분야에 대한 적용과 활용이 가능할 것으로 기대된다.

최근 위스키, 맥주, 와인 등 외국 주류의 경우, 시판되고 있는 제품의 향과 맛에 관한 다양한 성분 분석이 보고되었으나[24−26], 막걸리의 경우는 이화학적 또는 관능적 특성에대한 연구결과들이 대부분인 실정이다. 국내에서는 발효제의 종류[27], 열처리 여부에 따른 막걸리의 향미특성에 대한연구가 보고[28]되었으나 살균 막걸리 생산을 위한 기초연구수준으로 판단된다. 본 연구는 전자코를 사용하여 국내에서시판되고 있는 34종의 막걸리에 대한 향미성분을 비교 분석하고, 이를 바탕으로 원료나 제조 방법 등에 따른 향미 특성의 차이를 조사하였다. 국내에서 시판되고 있는 막걸리 34종을 수집하였으며, Table 1에 수집된 막걸리에 대한 정보를 제시하였다.

Table 1 . Information on makgeolli used in this study.

SampleAlcohol (%)MaterialsStarterSterilization
NurukYeast
S16Polished rice-+-
S26Polished rice++-
G16Polished rice++-
G26Polished rice-+-
G36Polished rice-+-
G46Polished rice-+-
G56Polished rice-++
K15Polished rice, wheat flour-+-
K25Polished rice++-
K37.8Polished rice-+-
K46Polished rice-++
K55Polished rice-+-
CB16Polished rice, corn-++
CB29Wheat flour++-
CB36Polished rice, wheat flour-+-
CN17Polished rice,++-
CN29Polished rice++-
CN319Polished rice+--
JB113Polished rice+--
JB26Polished rice++-
JN16Polished rice++-
JN25.8Polished rice++-
JN38Polished rice++-
GB16Polished rice++-
GB29Polished rice++-
GB313Polished rice+--
GB415Polished rice, wheat flour+--
GB512Polished rice+--
GN16Polished rice+--
GN26Polished rice+--
GN37Polished rice+--
GN48Polished rice+--
GN56Polished rice+--
GN66.5Polished rice+--


막걸리에 포함된 향기성분을 추출하기 위해 헤드스페이스autosampler (PAL-RSI, Alpha MOS, France)를 사용하였다. 막걸리 2 ml을 헤드스페이스 유리병(Agilent Technologies, USA)에 넣은 후, 휘발성 향미성분이 유리병의 헤드스페이스에 포화되도록 40℃에서 500 rpm으로 30분 동안 교반하였다. 향미분석을 위해 포화된 기체 5,000 µl를 125 µl/s의 속도로 기체 크로마토그래피 유형의 전자코(Heracles NEO, Alpha MOS, France)에 주입하였다. 주입구의 온도와 압력은 각각 200℃와 10 kPa로 설정하였으며, 이동상으로 수소가스를 1.0 ml/min 유속으로 흘려주었다. 극성이 다른 두 컬럼(MXT-5: 10 m × 0.18 mm × 0.4 µm, MXT-1701: 10 m × 0.18 mm × 0.4 µm)을 통해 향미성분을 분리하고 두 개의 불꽃 이온화 검출기를 통해 검출하였다. 오븐온도는 40℃에서2초간 유지하고 80℃까지 1℃/s로 높인 후, 250℃까지 2℃/s으로 높여 21초간 유지하도록 하였다. 각 시료는 3회 반복 측정하였다. 위의 분석방법으로 C6에서 C16까지의 n-alkanes (Restek France, France)을 측정하여 MXT-5와 MXT-1701컬럼에 의해 검출된 피크의 Retention index (RI) 값[29]을계산하였다. 향미성분은 AroChemBase (v2020, Alpha MOS, France)의 Kovat’s index library [30]를 사용하여 동정하였다. 전자코 분석 결과는 시판 막걸리가 살균 유무와 발효제의 종류에 따라 향미특성 차이가 나타나는지 확인하기 위해AlphaSoft (Alpha MOS)를 이용하여 판별함수분석(DFA: Discrimination function analysis) [31]을 실시하였으며, 향미특성에 영향을 미치는 향미성분을 확인하기 위해Metaboanalyst 5.0 (https://www.metaboanalyst.ca)를 이용하여 부분 최소제곱 판별분석(PLS-DA: Partial Least Squares-Discriminant Analysis)을 수행하였다[32].

국내에서 시판 중인 34종의 막걸리 중에서 4종은 살균된막걸리였으며, 나머지 30종은 생막걸리 형태로 유통되는 것을 확인하였다. 대부분의 막걸리가 원료로 백미를 사용하였으나, CB2의 경우 밀을 단독으로 사용하였다. 또한, K1, CB3, GB4 등은 백미에 밀을 첨가하였으며, CB1는 옥수수를 첨가한 것으로 나타났다. 시판 막걸리 34종 중에서 13종의 막걸리가 발효제로 누룩과 효모를 동시에 사용하였으며,나머지 중 11종은 발효제로서 효모를, 10종은 누룩을 단독으로 사용한 것으로 나타났다. 전자코를 이용하여 34종의 시판 막걸리에 대한 향미성분을 분석하였다. 시판 막걸리 시료중에서 JN1이 32개로 가장 많은 성분이 분석되었으며, 이와대조적으로 GB2는 가장 적은 24개의 성분이 분석되었다. 수집한 시판 막걸리에서 보편적으로 ethyl acetate, isoamyl acetate, isoamyl alcohol, isobutanol, acetaldehyde가 높은비율로 검출되었다. 강 등[33]은 시판 약주 및 사케와 비교하여 막걸리는 isoamyl alcohol, ethyl acetate, isoamyl acetate, ethyl caprate 등의 함량이 높다고 보고한 바 있으며, 이 등[34]은 시판 막걸리에서 ethyl acetate, isoamyl acetate, isoamyl alcohol, 2-phenylethanol 등의 비율이 높은 것을 확인한 바 있다. 본 연구에 사용한 34종의 막걸리에서 확인한 향미성분의 경향과 유사한 것으로 나타났으며, 그중에서도 G3의 isoamyl acetate 함량은 JN1의 약 3.27배, S2의 acetaldehyde 함량은 JN1의 약 3.91배 수준으로 다른막걸리들과 비교하여 특이적으로 함량이 많은 것으로 나타났다. 막걸리의 원료로 백미를 단독으로 사용하지 않고 밀또는 옥수수를 첨가한 CB1, CB2, CB3, K1, GB4 막걸리의경우, 백미를 단독으로 사용한 막걸리와 비교하여 특이적인향미성분은 검출되지 않았다.

전자코 분석 결과를 바탕으로 판별함수분석(DFA)을 수행하여 살균 여부와 발효제 종류에 따라 막걸리의 향미특성 차이가 나타나는지 확인하였다. 시판 막걸리는 살균 여부에 따라 100%의 DF1으로 구분되었다(Fig. 1A).

Figure 1.Discriminant function analysis (DFA) for (A) sterilization and non-sterilization groups of makgeolli (red: non-sterilization, green: sterilization) and (B) three starter groups of makgeolli (red: nuruk + yeast, green: nuruk, blue: yeast).

분석된 향미성분들 중 생막걸리와 살균막걸리에서 큰 차이를 나타내는 향미성분은 ethyl acetate와 isobutanol로 나타났다. Ethyl acetate는 효모에 의해 생성되고 막걸리에 과일향을 부여하는 주요 에스테르 성분 중 하나이며[35], 대체로 살균막걸리보다 생막걸리에서 더 많이 함유되어 있는 것으로 나타났다. 살균막걸리는 열처리를 통해 막걸리의 미생물과 효소를 불활성화 하여 발효가 더 이상 진행되지 않고보관이 용이하나, 고유의 맛과 향이 저하되는 단점이 있다[9]. 배 등[27]은 막걸리를 가열 처리하였을 때 꽃향기를 부여하는 phenylethyl alcohol의 함량이 가열처리 전보다 약78% 수준으로 감소하는 것을 확인하였다. Isobutanol은 막걸리에서 쓴맛과 자극취를 나타내는 성분으로[36], 생막걸리보다 살균막걸리에서 더 많이 함유되어 있는 것으로 나타났다. 최 등[28]은 막걸리를 열처리하였을 때 isobutanol 함량이 증가하는 것을 보고하였으며, 강 등[36]은 누룩을 열처리하여 막걸리를 제조하였을 때 isobutanol과 n-propanol의 함량이 증가하는 것을 확인한 바 있다. Isobutanol은 막걸리 내에서 미생물에 의해 isobutyl acetate로 전환되는데, 살균과정에서 미생물이 불활성화 되어 isobutanol이 축적되는 것으로 추정된다.

판별함수분석을 통해 시판 막걸리는 발효제 종류에 따라향미특성 차이가 나타나는 것으로 확인되었다(Fig. 1B). DF1의 값은 71.31%, DF2의 값은 28.69%으로 총 100%의 설명력을 나타냈다. 누룩 막걸리(green), 효모 막걸리(blue), 누룩과 효모를 함께 사용한 혼합 종균 막걸리(red)의 향미특성은 구분되었으며, DF1을 기준으로 혼합 종균 막걸리는누룩 및 효모 막걸리와 유사한 함량의 향미성분들이 각각함유되어 있을 것으로 추정되었다.

발효제 종류에 따라 차이를 나타내는 향미성분들을 확인하였다(Fig. 1). Acetaldehyde는 효모를 종균으로 사용한 막걸리 보다 누룩 및 혼합 종균 막걸리에 더 많이 함유되어 있는 것으로 나타났다. isoamyl acetate는 효모를 사용한 막걸리, 그 다음 누룩과 효모를 함께 사용한 혼합 종균 막걸리, 누룩만 사용한 막걸리 순으로 검출되었다. Acetaldehyde는 주류에 자극취를 부여하는 물질로서[37], 알코올이 알코올 분해효소(alcohol dehydrogenase)에 의해 분해되어 생성되며,알코올 함량이 높은 주류에서 acetaldehyde 함량이 높은 것으로 보고된 바 있다[38]. 본 연구에서 7% 이상의 알코올을함유하고 있는 막걸리는 34종의 막걸리 중 효모 막걸리 1종,누룩 막걸리 8종, 누룩과 효모를 동시에 사용한 혼합 종균막걸리 4종이었다. 효모 막걸리와 비교하여 누룩 막걸리와혼합 종균 막걸리에 알코올 함량이 높은 시료들이 다수 포함되어 있어 acetaldehyde의 함량이 높게 나타난 것으로 추정된다.

Isoamyl acetate는 발효과정에서 Saccharomyces cerevisiae에 의해 생성되어 주류에 바나나향을 부여하는 향미성분으로 보고되었으며[34], 약주나 사케에 비해 막걸리에 높은 함량으로 함유되어 막걸리에 특성을 부여하는 주요한 향미성분이다[6, 33]. 누룩에는 S. cerevisiae 외에 비전통(non-Saccharomyces) 효모, 고초균, 젖산균 등 다양한 미생물이포함되어 있어 막걸리 발효과정에서 S. cerevisiae에 의한isoamyl acetate 생산 효율이 감소되고 효모 및 혼합 종균 막걸리와 비교하여 누룩 막걸리의 isoamyl acetate 함량이 낮은 것으로 판단된다[39, 40].

부분 최소제곱 판별분석(PLS-DA) 을 통하여 살균 여부와사용한 발효제 종류에 따라 향미의 차이를 나타내는 성분을선발하였다[32]. PLS-DA 분석 결과에 따르면 살균 막걸리(green)는 생막걸리(red)와의 향미특성이 구분되는 것으로 나타났다(Fig. 2A). 전자코 분석을 통해 검출된 성분들 중 PLS-DA 분석에 의해 결정된 VIP (Variable Importance in the Projection) 점수가 1.0 이상[41]인 향미성분은 ethyl acetate로 생막걸리와 살균 막걸리의 향미특성 차이를 나타내는 유의적인 성분인 것으로 추정되었다(Fig. 2C). 발효제의 종류에 따른 막걸리의 향미성분 PLS-DA 점수 그림에서 혼합 종균 막걸리의 향미특성(red)은 효모 및 누룩 막걸리와 중첩되었다(Fig. 2B). 발효제의 종류에 따른 향미특성 차이를 유발하는 향미성분들 중 혼합 종균 막걸리와 함량이 유사한 성분이 효모 막걸리와 누룩 막걸리에 존재할 것으로 추정된다. VIP 점수가 1.0 이상[41]으로 막걸리 향미특성에 유의적인차이를 나타내는 것으로 추정되는 성분은 acetaldehyde와isoamyl acetate였다(Fig. 2D). Acetaldehyde는 효모 막걸리보다 누룩 및 혼합 종균 막걸리에 각각 약 1.75, 1.96배 더 많이 함유되어 있었으며, isoamyl acetate는 누룩 막걸리보다효모와 혼합 종균 막걸리에 각각 약 9.15, 6.10배 많이 포함되어 있는 것으로 나타났다.

Figure 2.Partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) for (A) sterilization and non-sterilization groups of makgeolli (red: non-sterilization, green: sterilization) and (B) three fermentation starter groups of makgeolli (red: nuruk + yeast, green: nuruk, blue: yeast). Variable importance analysis of the flavor components for (C) sterilization and non-sterilization groups (N: non-sterilization, S: sterilization), and (D) three fermentation starter groups (B: nuruk + yeast, N: nuruk, Y: yeast).

본 연구는 5종 내외의 적은 표본의 막걸리로 향미성분을 비교한 기존의 보고[27, 33, 34]들과 달리 시판되고 있는 막걸리 34종의 향미를 분석하였으며, 살균 여부와 발효제 종류에 따라 시판 막걸리의 향미특성 차이가 나타나는 것을확인하였다. 생막걸리는 ethyl acetate, 살균 막걸리는 isobutanol의 함량이 높았으며, 누룩 막걸리는 acetaldehyde,효모 막걸리는 isoamyl acetate 함량이 상대적으로 높은 것으로 나타났다. 또한, 부분 최소제곱 판별분석을 통해 향미특성 차이를 유발하는 성분을 확인한 결과, 막걸리 제조과정에서 살균은 ethyl acetate, 누룩은 acetaldehyde, 효모는isoamyl acetate 함량에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 전자코를 이용하여 시판 막걸리의 살균 여부, 발효제 등을 판별하기 위한 기초자료로 활용하고 더 나아가 막걸리 품질관리 및 향미개선에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgments

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This research was funded by the Research Program for Agricultural Science and Technology Development (Project No. RS-2022-RD010225) and the National Institute of Agricultural Science, Rural Development Administration, Republic of Korea.

Conflict of Interest

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The authors have no financial conflicts of interest to declare.

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