고체상 발효 (Solid-State Fermentation)
쉽게 풀면
곰팡이가 젖은 빵이나 밥 위에서 자라는 모습을 떠올리면 이해하기 쉽습니다. 물에 완전히 잠긴 액체 배양과 달리, 고체상 발효는 곡물이나 밀기울 같은 고체 기질에 수분을 적당히 머금게 한 뒤 그 표면과 틈새에서 미생물을 키우는 방식입니다. 전통적인 발효 식품 제조에서 오래전부터 사용되어 온 방식이며, 최근에는 효소나 유기산 생산에도 활용됩니다.
왜 중요한가
액침 발효보다 폐수 발생이 적고 농산 부산물을 기질로 활용할 수 있어 자원 재활용과 비용 절감 측면에서 관심을 받으며, 특정 곰팡이 유래 효소 생산 등에서 실용적으로 다뤄지는 발효 방식입니다. 농업 부산물처럼 별도의 처리 비용이 드는 저가 원료를 그대로 기질로 활용할 수 있어, 자원 순환과 폐기물 저감이라는 측면에서도 주목받고 있습니다.
어떤 절차인가
- 기질 준비: 밀기울, 왕겨, 볏짚, 콩비지 같은 농산 부산물이나 곡물을 알맞은 입자 크기로 준비하고 살균합니다.
- 수분 조절: 자유수가 거의 없는 상태에서 기질이 머금는 수분량과 수분활성도(수분활성도)를 맞춥니다. 수분이 너무 적으면 생장이 막히고 너무 많으면 기질 사이 공기 통로가 막힙니다.
- 접종: 곰팡이 포자 현탁액 등을 기질에 고르게 섞습니다.
- 배양: 트레이, 충진층(packed-bed), 회전 드럼, 교반 반응기 등에서 온도와 통기를 관리합니다. 미생물 대사열이 기질 안에 쌓이기 쉬워 열 제거가 핵심 운전 과제입니다.
- 회수: 물이나 완충액으로 효소·대사산물을 추출하고 거르거나 건조해 이용합니다.
언제 쓰고 무엇을 얻나
- 언제 쓰나: 사상균을 이용한 효소(아밀라아제, 셀룰라아제, 프로테아제 등)·유기산·2차 대사산물 생산, 코지처럼 전통 발효식품의 스타터 제조(코지 발효), 농산 부산물의 활용.
- 무엇을 얻나: 액침 발효에 비해 폐수가 적고 기질을 그대로 쓸 수 있으며, 산물 농도가 높게 나오는 보고가 많습니다. 반면 열·물질 전달이 불균일하고 규모를 키우기 어렵습니다.
- 생장 측정의 어려움: 균체가 기질에 얽혀 있어 균체량을 직접 재기 어렵습니다. 그래서 이산화탄소 발생량, 글루코사민이나 에르고스테롤 함량 같은 간접 지표를 씁니다.
- 실험 설계: 수분, 초기 pH, 접종량, 온도, 기질 조성 등 변수가 많아 플래킷-버만(Plackett–Burman) 설계로 변수를 거르고 반응표면법으로 최적화하는 흐름이 자주 쓰입니다.
논문에는 이렇게 적는다
고체상 발효 논문의 방법·결과 절에는 보통 다음이 들어갑니다.
- 균주(종·균주 번호), 기질의 종류와 입자 크기, 전처리·살균 조건
- 초기 수분 함량(%, 습량 또는 건량 기준)이나 수분활성도, 초기 pH, 접종량
- 온도·통기·용기 형태와 부피, 배양 시간
- 산물 수율을 건조 기질 1 g당 단위(예: U/gds)로 쓰는지, 효소 활성 1 U의 정의
- 액침 발효와 비교한 경우, 같은 균주·같은 영양 조건이었는지
예: “밀기울에 수분 60%로 조절한 뒤 포자를 접종하고 30 ℃에서 5일 배양하였다.” 기질을 건조 기준으로 환산하지 않으면 수율을 다른 연구와 비교할 수 없습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
실제 논문에서
이 용어를 직접 쓴 국내 논문 문장을 아직 수집하지 못했습니다. 수집되는 대로 출처와 함께 싣겠습니다.
예시 문장
아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.
밀기울을 기질로 사용한 고체상 발효가 액침 발효보다 높은 효소 수율을 보였다는 내용입니다.
고체상 발효 중 곰팡이 생장에 영향을 미치는 핵심 변수로 고체 기질의 수분 함량이 확인되었다는 설명입니다.
조금 더 깊게 보면
고체상 발효는 기질 내부의 수분 함량, 통기성, 온도 분포가 미생물 생장과 대사산물 생산에 큰 영향을 미치며, 액침 발효보다 열과 물질 전달이 불균일하게 일어나기 쉬워 대량 생산으로의 규모 확장이 상대적으로 까다로운 편입니다. 주로 사상균(곰팡이)을 이용한 효소나 유기산 생산 연구에서 다뤄집니다.
고체 기질 내부는 대류에 의한 열 전달이 어려워 미생물의 대사열이 국소적으로 쌓이기 쉬우므로, 기질을 주기적으로 뒤섞거나 통기량을 조절해 과열을 방지하는 것이 중요한 운전 과제로 다뤄집니다.
주의할 점
고체상 발효는 균일한 온도와 수분 관리가 어려워 대규모 산업 공정으로 확장할 때 액침 발효보다 공정 제어의 난이도가 높다는 점에 유의해야 합니다.
헷갈리기 쉬운 용어
| 용어 | 한 줄 설명 | 물의 상태 |
|---|---|---|
| 고체상 발효(SSF) | 자유수가 거의 없는 고체 기질에서 배양 | 기질에 흡착·결합된 수분 중심 |
| 액침 발효 | 액체 배지에 완전히 잠긴 상태로 배양 | 물이 충분한 액체 상태 |
| 코지 발효 | 곰팡이를 곡물에 길러 효소를 얻는 고체상 발효의 한 사례 | 곡물의 수분 |
참고 문헌
- Pandey, A. (2003). Solid-state fermentation. Biochemical Engineering Journal, 13(2–3), 81–84.
- Pandey, A., Soccol, C. R., & Mitchell, D. (2000). New developments in solid state fermentation: I-bioprocesses and products. Process Biochemistry, 35(10), 1153–1169.
- Mitchell, D. A., Krieger, N., & Berovič, M. (Eds.). (2006). Solid-State Fermentation Bioreactors: Fundamentals of Design and Operation. Springer.
표의 기준값은 위 문헌에 근거한 관례이며, 분야·학술지마다 다른 기준을 쓸 수 있습니다.