가수량 변화가 개량누룩으로 발효한 증류식 소주용 술덧의 특성에 미치는 영향

쌀은 강원도 철원군에서 생산된 오대품종 쌀을 사용하였 다. 개량누룩은 주식회사 한국효소(Hwaseong, Korea)에서 구입하여 사용하였고 효모는 라빠리장(S.I. Lesaffre Co., Marcq-en-Baroeul, France)을 사용하였다.

백미 2 kg을 10회 이상 깨끗하게 씻어 1시간 동안 수침한 다음, 2시간 동안 물빼기를 수행하였다. 쌀을 증자기 (MS-30, Yaegaki Food & System Inc., Himeji, Japan)에 넣고 김이 올라오기 시작한 후부터 1시간 수증기를 더 가해 고두 밥을 제조하였다. 여기에 물 3 L, 개량누룩 80 g, 효모 10 g을 넣어 25°C incubator(VS-1203PFHLN, Vision Scientific Co., Daejeon, Korea)에서 48시간 동안 발효하여 주모를 제 조하였다. 쌀 18 kg을 주모제조와 동일한 방법으로 고두밥 을 만들고 백미 3 kg에 상당량인 4015 g씩 무게를 달아 발효용기에 넣었다. 각각의 용기에 개량누룩 60 g을 첨가한 다음 물을 3.6 L(120%), 4.5 L(150%), 5.4 L(180%), 6.0 L(200%), 7.5 L(250%), 9.0 L(300%)씩 부어 가수량을 조절 하였다. 여기에 효모 0.1%와 주모 5.0%를 넣어 25°C에서 7일간 발효한 후 80 mesh로 여과하여 소주제조용 술덧으로 사용하였다.

pH는 pH meter(Orion 3-Star, Thermo Scientific Co., MA, USA)를 이용하여 측정하였다. 산도, 아미노산도, 알코올 함량은 주류분석 규정(12)에 준하여 측정하였으며, 산도는 시료 10 mL를 중화시키는데 필요한 0.1 N NaOH 용액이 소비된 mL수로, 아미노산도는 총산을 측정한 시료에 formalin 용액 5 mL를 첨가한 다음 0.1 N NaOH로 적정한 값으로 나타내었다. 가용성 고형분 함량은 굴절당도계 (Atago Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 측정하였다.

유기산 분석을 위해서 HPLC(LC-20A, Shimadzu Co., Kyoto, Japan)를 이용하였으며 post column방법을 사용하여 분석하였다. 유기산분석용 column은 Shodex Rspack KC-G(6.0 mm×50.0 mm) guard column에 RSpak KC-811 (8.0 mm×300 mm, Showa Denko Co., Tokyo, Japan) 2개를 연결하여 사용하였다. 이동상은 3 mM perchloric acid를 이용하였으며, flow rate는 0.8 mL/min, column oven의 온도 는 63°C로 하였다. 분리물은 반응용액(0.2 mM bromothymol blue, 15 mM Na₂HPO₄, 2 mM NaOH)과 반응한 후 UV 440 nm에서 검출하였다. 이때 반응용액의 flow rate는 1.0 mL/min, 반응온도는 30°C로 하였다. 시료는 여과(0.2 μm, Millipore Co., Cork, Ireland)후 사용하였다.

유리아미노산은 아미노산 자동분석기(L-8900, Hitachi Co., Tokyo, Japan)를 사용하였다. 시료 5 mL에 5% trichloroacetic acid 5 mL를 첨가한 후 원심분리(4°C, 12,000×g, 15 min)하였다. 상등액을 회수한 다음 0.02 N HCl로 5배 희석하고 여과(0.2 μm, Millipore Co., Cork, Ireland)한 것을 분석하였으며, 분석조건은 제조사의 매뉴 얼을 따랐다(13).

휘발성 향기성분은 GC(GC2010, Shimadzu Co.)을 사용 하여 분석하였다. 분석용 column은 HP-INNOWAX(60 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm film thickness, J&W Scientific, Agilent Co., CA, USA)를 사용하였으며 FID로 검출하였다. Column oven의 온도는 45°C(5 min holding), 5°C/min 승온, 100°C(5 min), 10°C/min 승온, 200°C(10 min)로 프로그램 하였다. Carrier gas는 N2가스를 이용하였으며 flow rate는 22.0 cm/sec(linear velocity), split ratio는 50:1로 설정하였고 injector의 온도는 250°C, detector의 온도는 280°C로 하였다. 시료는 여과(0.2 μm, Millipore Co., Cork, Ireland)한 다음 바로 주입하였다.

통계처리는 유의수준 5%(p<0.05)로 설정하여 one way ANOVA분석을 하였으며 Minitab 16(Minitab Inc., PA, USA) 프로그램을 사용하였다.

가수량에 따른 pH, 산도, 아미노산도 및 가용성 고형분 함량을 조사한 결과(Table 1) 가수량이 120%에서 300%로 증가하면서 pH는 4.6에서 4.2로 산도는 6.0에서 5.2로, 아미 노산도는 6.0에서 2.5로, 가용성 고형분 함량은 18.4에서 7.4 °Brix로 낮아졌다. 가수량별 산도는 각각 6.0, 5.5, 5.5, 5.1, 4.9, 5.2로 통계적 유의성은 없었으나 가수량 180%까지 는 가수량 증가에 따라 감소되다가 200% 이상에서는 일정 한 경향이 없이 변하였다. 산도의 감소에도 불구하고 pH가 낮아졌는데 이는 아미노산도가 각각 6.0, 4.5, 3.1, 3.3, 2.3, 2.5로 가수량에 증가에 따라 낮아지면서 pH에 영향을 주었 기 때문으로 해석된다. 아미노산도는 180% 이상의 가수율 에서 120% 대비 유의적적인 감소가 확인 되었다. 가용성 고형분 함량은 각각 18.4, 13.2, 11.2, 9.5, 8.6, 7.4 °Brix로 가수율에 의존적으로 낮아졌으며 180%까지는 비교적 급 격하게 감소되다가 그 이상에서는 감소폭이 둔해지는 것으 로 나타났다. 가수율의 증가는 발효대사산물이 희석되는 결과로 이어지기 때문에 성분들의 감소는 예측가능한 일이 나 가수량 증가 폭과 일대일 대응하지는 않았다.

주류제조에 있어 각각의 성분들은 발효관리 및 제품의 품질에 다양한 영향을 미친다. 산은 술덧의 pH를 낮추어 발효공정 중 유해세균의 번식을 억제시키고 야생효모의 증식을 제어하기 때문에 발효초기 lactic acid를 첨가하여 발효하기도 한다(14). 이외에 알코올류와 반응하여 방향성 을 가진 에스테르 화합물을 생성하는 것으로 알려져 있어 (10) 일본 등 동아시아에서는 산 생성량이 많은 백국 (Aspergillus luchuensis)을 소주제조에 사용하여왔다(15). 백국을 사용한 쌀 소주용 술덧의 산도는 6~9이며, pH는 3.8~4.3인 것에(16) 비교하여 개량누룩으로 제조한 술덧의 산도가 비교적 낮은 것으로 나타났다. 소주에 함유되어 있 는 fusel oil은 미량으로도 풍미에 많은 영향을 미치는데 아미노산이 fusel oil생성에 관련이 깊다(11). 그러나 현재 까지 증류식소주 제조에 적합한 술덧의 산 및 아미노산 함량은 밝혀져 있지 않기 때문에 개량누룩을 사용한 술덧의 성분조성비가 소주의 향미에 미치는 영향을 지속적으로 확인할 필요가 있다. 가용성 고형분 함량은 알코올을 포함 한 발효 대사산물에 영향을 받아 나타난 값으로 당 함량을 의미하는 것은 아니다. 가용성 고형분 함량이 높을수록 술 덧에 포함된 가용성 성분의 총량이 많다고 이해될 수 있으 며, 여러 성분들이 적정함량으로 조화롭게 분포되어 있을 때 증류식 소주의 품질도 높아질 수 있을 것으로 기대된다.

각 가수량별 술덧의 알코올 농도(Fig. 1)는 150%(17.6%) > 180%(16.8%) > 120%(16.3%) > 200%(15.5%) > 250% (14.6%) > 300%(12.8%) 순으로 150% 가수율에서 가장 높 은 알코올 함량을 보였으며, 이 후 가수량 증가에 의존적으 로 감소하는 경향으로 나타났다. 술덧제조에 사용한 오대 품종 쌀의 탄수화물 함량이 약 75% 이므로(17) 모두 분해되 었다고 가정하면 백미 1 kg으로부터 약 833 g의 glucose를 얻을 수 있고 효모에 의한 알코올 변환율(발효효율) 97% 조건에서 각 가수량별 이론적인 알코올 생산량은 23.6, 20.8, 19.3, 16.3, 14.1%(v/v)로 계산된다. 이에 따른 가수량 별 알코올 생산수율(이론적 생산량 대비 술덧의 알코올 생 성량 비율)은 각각 59.7, 74.5, 80.8, 82.8, 89.4, 90.6%로 가수 량에 의존적으로 증가하였다. 가수량 120%에 대한 알코올 생산수율의 상승폭은 각각 19.9, 26.1, 27.9, 33.3, 34.1%로 180%까지는 비교적 가파르게 상승하다가 그 이상에서는 둔화되는 경향을 보였다.

Fig. 1. Changes in alcohol content (■) and alcohol yield (●) of mash based on amount of water added.

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쌀과 옥수수 전분 혼합원료에 조효소제를 사용하여 가수 량별로 발효한 결과(18) 150% 처리구가 15.9%, 200%가 17.6%, 250%가 16.5%로 200% 급수율에서 가장 높은 알코 올 함량이 나타냈다. 위의 시험에서는 쌀 1/3에 옥수수 전분 2/3를 사용하였으므로 쌀의 전분가 0.75, 전분의 순도 100% 조건에서 가수량별 전분 함량은 각각 36.67, 30.56, 26.19% 로 계산된다. 본 시험에서는 쌀만을 사용하였기 때문에 120~300%까지 각 가수량별 전분 함량은 각각 34.09, 30.00, 26.79, 25.00, 21.43%이며, 옥수수 전분 혼합발효 200% 가수 구와 쌀 150% 가수구의 전분 함량이 유사하므로 비슷한 결과로 해석될 수 있다.

높은 알코올 농도는 효모의 세포성장과 생존율을 억제하 고 한계량에 도달하면 세포의 사멸을 가져오게며 효모의 알코올 내성은 열, 삼투압, 산화 등의 스트레스가 존재할 경우 더욱 많은 영향을 받는다(19). 쌀과 옥수수 전분을 사용한 술덧의 환원당 함량은 각각 약 140, 30, 5 mg/L로(18) 120%에 상당하는 가수량에서의 환원당 함량이 150% 상당 량 대비 16배 이상 높게 나타났다. 120% 가수구에서는 당에 대한 삼투압 스트레스로 알코올 내성이 낮아지면서 술덧의 알코올 함량이 150% 처리구 보다 낮아진 것으로 생각된다. 급수비율은 발효에 다양한 영향을 미칠 수 있기 때문에 종합적인 판단이 필요하다. 경제적인 면에서 급수비율을 높이면 알코올 생산수율과 술덧량이 증가하여 동일한 원료 량에서 더 많은 제품을 생산할 수 있어 이득이 될 수 있지만 발효탱크의 용량, 증류기의 용량 및 증류폐액량 등도 증가 하기 때문에 손실 측면도 고려해야 한다. 발효공정 면에서 는 술덧의 잔당비율이 적어지기 때문에 발효가 왕성한 기간 이 짧아지고 이로 인해 술덧의 온도가 장시간 지속되지 않는 단점이 있지만 최고온도를 억제하기 쉬운 장점도 있다 (16).

가수량별 술덧의 유기산 총량은(Table 2) 각각 207.85, 222.38, 222.06, 204.56, 194.34, 204.34 mg/100 mL로 150% 와 180%에서 높았으나 유의성은 없었다. 개별 유기산 함량 은 succinic acid 77.68~91.76, lactic acid 61.25~80.24, malic acid 29.81~40.80, citric acid 10.00~11.52, acetic acid 4.01~19.02 mg/100 mL의 함량으로 나타났으며 oxalic, tartaric, fumaric, formic acid 및 pyroglutamic acid는 검출되 지 않았다. 술덧의 산도를(Table 1) succinic acid에 상당하는 총산 함량으로 환산하면 각각 355.77, 325.09, 323.91, 299.43, 288.22, 307.39 mg/100 mL로 가수량 증가에 따라 감소하는 경향은 유기산 총량의 변화와 유사하였으나 함량 에 있어서는 다소 차이를 보였다. 쌀과 누룩을 주원료로 제조한 술에 함유되어 있는 유기산은 효모에 의해서 약 73%가 생성되며, 주모로 부터 17.2~17.4%, 쌀과 코지로부 터 10%가 유입되는 것으로 보고하고 있다(20). Lactic acid 는 효모의 해당과정에서 생성되며, 유해세균 및 야생효모 의 증식 억제능력이 높고 당화저해 작용이 낮기 때문에(14) 청주 및 막걸리 발효에서 사용되는데 180% 첨가구에서 80.24 mg/100 mL로 가장 높게 나타났다. 이외에 citric, succinic, malic acid는 TCA cycle에서, acetic acid는 알코올 과 알데히드 산화에 의해서 생성되며(11,20), acetic acid는 영양, 삼투압, 알코올 스트레스 등에 의해서 생성량에 영향 을 받는 것으로 알려져 있다(21). 각 가수량별 처리구의 acetic acid 함량은 각각 19.02, 6.41, 4.22, 4.64, 4.01, 6.62 mg/100 mL로 나타나 120% 가수구에서 비교적 높은 함량을 보인 이유는 당 스트레스 때문에 acetic acid 함량이 증가된 것으로 생각된다. Pyroglutamic acid는 glutamic acid의 일부 가 비효소적으로 변한 것으로 특이적인 맛은 없으나(11) pyroglutamic acid 함량이 높다는 것은 아미노산의 함량이 상대적으로 높을 수 있다고 해석될 수 있으나 모든 처리구 에서 검출되지 않았다.

유기산류는 효모의 대사과정 중 alcohol류와 결합하면서 방향족 에스테르물질로 변하여(reviewed in 22) 소주의 풍 미에 기여하며 acetic, propionic, formic acid와 같은 탄소수 가 작은 저비점 유기산류는 증류과정 중 소주에 유입되어 소주의 맛에 영향을 미친다. Ctiric, malic, succinic, lactic acid와 같은 분자량이 비교적 큰 고비점 유기산류는 소주로 이행되지 않으나 술덧의 pH를 낮춤으로서 발효과정 중 잡 균의 오염을 방지하고 증류과정 중 에스테르 화합물 생성을 촉진시켜 flavor 생성을 돕는 것으로 생각되고 있다(11,20). 따라서 일본의 증류식 소주는 citric acid를 다량 생산하는 백국(16)을 주로 사용하고 있으며 브랜디는 총산 함량이 0.8~1.0% 이상인 Ugni blanc 품종을 이용해 왔다(11). 유기 산 결과만을 가지고 분석해보면 총유기산 함량과 lactic acid 의 함량이 다소 높고, acetic acid 함량이 낮았던 150~180% 가 소주 제조에 좀 더 유리할 것으로 생각된다.

가수량별 유리아미노산 총량은(Table 3) 각각 474.60, 317.32, 241.89, 244.51, 189.00, 208.12 mg/100 mL로 가수량 증가에 따라 감소하는 것으로 나타났다. Table 1의 아미노 산도를 glycine 함량으로 환산하면 각각 450.00, 334.13, 235.13, 245.25, 174.38, 184.13 mg/100 mL으로 계산되는데 유리아미노산 총량과 서로 유사결과로 나타나 아미노산도 가 총 유리아미노산의 함량을 비교적 잘 설명하고 있음을 알 수 있다. 주요 유리아미노산을 살펴보면, 대부분의 처리 구에서 arginine과 alanine이 전체 함량의 13% 및 10% 이상 을 차지하면서 가장 높은 함량으로 분포되어 있었고 glutamic acid, glycine, isoleucine, leucine, lysine, phenylalanine, proline, serine, tyrosine, valine 등이 3% 이상 씩 함유되면서 뒤를 이었다. 이들 성분들의 함량은 가수량 에 따라 감소하는 경향으로 나타났다.

아미노산은 원료 쌀에 함유된 protein body-Ⅱ(PB-Ⅱ)의 분해와 발효후반 효모의 자가분해에 의해서 주로 생성된다 (20). 아미노산은 비점이 높아 증류주에 유입되지 않지만 발효과정 중 효모의 대사에 의하여 고급알코올(fusel oil)로 변환되어 소주의 향기를 부여하는 한편, 증류 시 술덧에 함유된 당, aldehyde, ketone류 등과 aminocarbonyl 반응을 일으키면서 acetaldehyde, isovaleraldehyde 및 가열취 성분 인 furfural 화합물을 생성시킨다(20). 함황아미노산 중 methionine은 효모에 의하여 dimethyl sulfide(DMS), dimethyl disulfide(DMDS), dimethyl disulfide(DMTS)로 변 하여(23) 쌀 증류주에 sweet flavor(20)을 주기도 하나 적정 량에서 벗어날 경우 효모취(11)를 부여한다. 이외에 cysteine 은 증류과정 중에 황화수소로, methionine은 methyl mercaptan으로 분해되어(20) 증류주에 강한 자극취를 주게 된다. 가수량에 따른 술덧의 cysteine 함량은 각각 9.08, 8.56, 7.20, 3.36, 2.63, 1.83 mg/100 mL, methionine 함량은 9.18, 7.21, 5.72, 6.08, 4.88, 4.34 mg/100 mL으로 가수량에 의존적 으로 낮아져 가수량 증가에 의해 증류주의 자극취(가스향) 를 낮출 수 있을 것으로 생각된다. 술덧에 glutamic acid가 비교적 높은 농도(15.01~41.93 mg/100 mL)로 함유되어 있 음에도 pyroglutamic acid가 검출되지 않았는데(Table 3), 이는 발효기간이 비교적 짧아 glutamic acid의 분해가 아직 진행되지 않았기 때문으로 분석된다.

가수량별 휘발성 성분의 변화를 Table 4에 나타내었다. 휘발성 성분의 총량은 각각 1354.05, 1263.64, 1123.31, 1015.66, 829.27, 838,85 ppm으로 가수량에 의존적으로 감 소하는 것으로 조사되었다. 고급알코올류 중 iso-butanol은 가수량에 따라 154.88~182.62 ppm, iso-amylalcohol은 320.59~394.47 ppm, 1-propanol은 91.50~170.91 ppm, 2-phenylalcohol은 108.93~144.26 ppm농도로 변하였으며 각각 180%, 180%, 200%, 200%에서 가장 높게 나타났다. 그러나 n-butanol, 2-butanol, n-hexanol은 모든 처리구에서 검출되지 않았다. 고급알코올류는 효모로부터 생성되며 아 미노산 생합경로와 균체외부의 아미노산이 균 내부로 흡수 되어 만들어지는 Enrlich경로 및 acetic acid의 축합에 의해 서 소량 생성된다(20). Iso-butanol은 알코올향을 가지고 있 고 valine이 생합성에 관련이 있는데, 술덧의 valine 함량은 (Table 3) 각각 22.86, 12.75, 8.91, 11.86, 8.31, 10.70 mg/100 mL으로 조사되었다. 각 가수량별 valine의 총량을 120% 가수량에 함유되어 있는 양으로 환산하면 22.86, 15.94, 13.37, 19.77, 17.31, 26.75 mg/100 mL으로 계산되어 180% 처리구의 valine이 가장 낮은 함량을 보이고 있다. 이는 180% 가수구의 valine이 더욱 많이 이용되었기 때문으로 추측하고 있지만 명확하지 않다. Iso-butanol은 알코올향과 sweet flavor를 가지고 있으며, leucine이 생성에 관련이 있 고 1-propanol은 알코올향으로 threonine이 탈아미노반응에 의해서 만들어 지며, 2-phenethylalcohol은 장미향으로 phenylalanine이 변환되어 생성된다. 각 가수량별 leucine, threonine, phenylalanine의 총량은 180% 가수율에서 가장 낮은 함량으로 나타내고 있다. Ester화합물중 과일향을 가지고 있는 ethyl acetate의 함량은 각각 233.46, 114.41, 57.19, 48.11, 55.24, 52.28 ppm으로 가수량에 의존적으로 낮아졌다. 꼬냑향과 과일향을 가지고 있는 ethyl caprate는 가수량에 따라 0~4.92 ppm의 분포를 보이고 있었으며, 150% 가수구에서 최대 함량을 나타낸 반면 300% 처리구에서는 검출되지 않았다. Ester화합물은 바나나, 파인애플, 장미향 등 특유의 향을 가지고 있어 주류 에 중요한 성분으로 생각되어 지고 있으나 ethyl carproate, ethyl caprylate, isoamylacetate 등은 검출되지 않았다. 이들 화합물들은 효모의 alcohol acetyltransferase의 활성과 관련 이 깊은데(24) 개량누룩을 이용한 발효환경에서는 효소활 성에 변화가 있어 생성량이 검출한계 이하로 낮아진 것으로 추정하고 있으나 명확하지 않다. Carbonyl화합물중 강한 자극취를 가지고 있는 acetaldehyde의 함량은 각각 267.67, 164.63, 90.28, 72.39, 79.76, 82.28 ppm으로 가수량에 많은 영향을 받았다. Acetaldehyde 함량의 증가원인은 아직 밝혀 지지 않았으나 pyruvic acid에서 alcohol로 변환되는 과정 중 alcohol의 생성이 중지되면서 acetaldehyde가 축적되는 것으로 생각되어 지고 있다(20). 술덧의 acetaldehyde 함량 을 120% 가수율에 상당하는 양으로 환산하면 각각 267.67, 205.79, 135.41, 120.64, 166.17, 205.71 ppm으로 200% 가수 구에서 가장 낮게 나타났다. 이는 200% 가수율 까지는 가수 량 증가에 따라 알코올내성, 삼투압 등의 스트레스가 감소 되면서 알코올대사가 비교적 잘 이루어졌으나 그 이상의 가수율에서는 영양적인 스트레스가 작용하면서 acetaldehyde 함량이 증가한 것으로 생각된다. Furfural은 증류시 aminocarbonyl 반응에 의해서 생성되거나, 장기 숙성주에 서 관찰되는 화합물(20)로서 술덧에 함유되어 있는 이유는 좀 더 조사가 필요하다. 버터의 산패취와 유사한 향을 가지 고 있는 butyric acid는 200% 가수율 까지만 검출되고 그 이상에서는 검출되지 않았다.

지금까지의 결과를 요약하면 발효관리 측면에서는 잡균 의 오염방지를 위해 술덧의 알코올 농도가 비교적 높은 180% 이하의 가수율이, 알코올 생산 수율에서는 180% 이 상이, 유기산에서는 acetic acid 함량이 낮은 150~180% 가수 율이, 휘발성 향기성분에서는 acetaldehyde 함량이 낮고 고 급알코올의 함량이 높은 180~200%의 가수율이 좋을 것으 로 판단된다. 그러나 증류식 소주의 품질은 다양한 성분에 의해서 영향을 받으며, 증류시 많은 성분변화가 일어나므 로 종합적인 평가가 필요하며 각 가수량별 증류주의 품질특 성에 대해서 추가적인 조사가 요구된다.