23편. 고급 알코올(Higher Alcohols) (1)
구독자 님, 안녕하세요.
바이오크래프트에서 Yeasty Letter를 담당하고 있는 에스비 입니다.
마지막으로 레터를 발행한 지 어느덧 3년이 흘렀습니다. 그동안 세상도, 그리고 국내 주류 시장도 많은 변화를 겪었습니다. 코로나가 지나가고, 새로운 흐름들이 생겨났죠.
구독자 님에게 ‘술’은 여전히 어떤 의미인가요? 저에게는 아직도 배워야 할 것도, 채워나가야할 부분도 많다고 느껴집니다. 그래서 술이란 게 더욱 재미있는 것 아닐까요.
Yeasty Letter는 앞으로 매달 첫 번째 월요일에 발행될 예정입니다. 하지만 가끔 분량 조절에 실패한다면... 한 달에 두 번 인사드릴 수도 있겠네요!
올해는 발효 과정에서 만들어지는 다양한 향미와 그 원리, 조절 방법 등을 주제로 흥미로운 이야기들을 나누려 합니다. 그 첫 번째 주제는 고급 알코올(Higher Alcohols) 입니다. 즐겁게 읽어주시고, 댓글과 관심도 많이 남겨주세요. 큰 힘이 됩니다!
1. 고급 알코올이란?
고급 알코올(Higher Alcohols)은 흔히 퓨젤 알코올(Fusel Alcohols)이라고 불리며, 맥주의 풍미 형성에 중요한 역할을 하는 화합물들입니다. 이들은 탄소 수가 2개인 에탄올과 달리 탄소 수가 3개에서 6개 사이인 알코올로 구성되며, 발효 과정에서 효모가 아미노산 대사와 탄수화물 발효의 부산물로 생성합니다.
- 풍미 기여: 적당한 농도에서는 맥주 향미를 개선해주지만, 농도가 지나치면 불쾌한 화학적 향이나 뜨거운 알코올 맛, 심지어 페인트 희석제와 같은 부정적인 맛을 유발할 수 있습니다.
- 농도 기준: 일반적으로 맥주 내 고급 알코올 농도가 300mg/L를 넘을 경우 강한 화학적 향미와 불쾌한 맛이 나타날 수 있습니다.
또한, 고급 알코올은 다양한 에스터(ester) 합성의 전구체로 작용하여 맥주의 복합적인 풍미 형성에 기여합니다. 정상적인 발효 환경에서는 이러한 화합물이 소량 존재하며, 적절한 농도로 유지됨으로써 전체적인 맛의 균형을 맞춥니다.
[주요 고급 알코올 종류 및 향미 특성]
| 고급 알코올(Higher Alcohols) | 향미 특성 |
| 1-프로판올 (1-Propanol) | 자극적인 알코올 향 |
| 이소부탄올 (Isobutanol) | 약간의 과일 향, 약간의 솔벤트 향 |
| 2-메틸-1-부탄올 (2-Methyl-1-Butanol) | 약한 훈연 향, 알싸한 향 |
| 3-메틸-1-부탄올 (3-Methyl-1-Butanol) | 바나나 및 과일 향 |
| 이소아밀 알코올 (Isoamyl Alcohol) | 바나나 향, 높은 농도에서 솔벤트 향 |
2. 고급 알코올은 어떻게 형성되는가?
고급 알코올은 효모의 성장과 발효 과정 중에 자연스럽게 형성되며, 주로 두 가지 대사 경로를 통해 생성됩니다.
[고급 알코올 생합성의 주요 대사 경로]
1) Ehrlich 경로
: 아미노산이 효소 작용을 거쳐 고급 알코올로 변환
2) Anabolic 경로
: 포도당 대사를 통해 생성된 중간 대사산물들이 고급 알코올로 변환
1) Ehrlich 경로 (아미노산 대사)
출처. Wikipediacommons 'Paul Ehrlich'
효모는 발효 과정에서 맥즙에 포함된 아미노산을 활용하여 세포가 필요한 필수 아미노산, DNA 및 기타 중요한 성분을 합성합니다. 이 과정에서 아미노산은 종종 탈아미노화(deamination)를 겪게 되는데, 이는 아미노기(-NH₂)가 제거되는 과정을 의미합니다.
- 탈아미노화 과정: 아미노산에서 아미노기가 제거되면 그 부산물로 알파-케토산(alpha-keto acid)이 생성됩니다. 그러나 알파-케토산은 세포 내에서 독성을 나타낼 수 있어 효모는 이를 즉시 덜 유해하거나 더욱 유용한 물질로 전환할 필요가 있습니다.
- Ehrlich 경로의 역할: 전환 과정 중에도 일부 알파-케토산이 완전히 처리되지 않고 남게 됩니다. 이 남은 알파-케토산은 고급 알코올의 생합성 전구체로 사용되는데, 이 경로가 바로 Ehrlich 경로입니다. 즉, 아미노산이 탈아미노화를 거쳐 생성된 알파-케토산이 효모에 의해 고급 알코올로 변환되는 과정을 설명합니다.
이렇게 효모는 아미노산 대사 과정에서 발생할 수 있는 독성 부산물을 효율적으로 처리하면서, 동시에 맥주의 풍미를 결정짓는 고급 알코올을 생성하는 중요한 역할을 수행합니다.
[Ehrlich 경로 관련 효소와 유전자]
1. Transaminase (BAT1, BAT2, ARO8, ARO9)
- 역할: 아미노산에서 아미노기(-NH₂)를 다른 분자로 전달하여 알파-케토산(alpha-keto acid)으로 전환합니다.
- 의의: 이 과정은 아미노산이 고급 알코올로 전환되기 위한 첫 단계로, 이후 효소들이 작용할 수 있는 전구체를 만듭니다.
2. Decarboxylase (PDC1, PDC5, PDC6, ARO10, THI3)
- 역할: 생성된 알파-케토산에서 이산화탄소(CO₂)를 제거하여 알데하이드(aldehyde)로 변환합니다.
- 특징: 알데하이드는 효모와 인간 모두에게 독성을 나타낼 수 있으며, 특히 인간에서는 숙취의 원인 중 하나로 알려져 있습니다.
3. Alcohol Dehydrogenase (ADH1, ADH2, ADH3, ADH4, ADH5, SFA1)
- 역할: 알데하이드를 NADH의 도움을 받아 고급 알코올로 환원합니다.
- 세포 내 상황:
- 산소가 충분할 때: 건강한 효모 세포에서는 NADH가 풍부하여 알데하이드가 원활하게 고급 알코올로 전환됩니다.
- 산소가 부족할 때: NADH 공급이 제한되어 알데하이드가 완전히 환원되지 않고 남아, 독성이 강해지며 부정적인 풍미를 초래할 수 있습니다.
- 참고: 이 과정은 아세트알데하이드의 환원 과정과 유사하게 작용합니다.
* NAD⁺(니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드)는 생체 에너지 대사에서 중요한 역할을 하는 분자입니다. NAD⁺에 수소(H)가 추가된 형태가 NADH이며, NAD⁺와 NADH 사이의 전환은 세포 내 에너지 흐름을 조절하는 핵심 메커니즘입니다.
[고급 알코올 종류 및 전구체 아미노산]
| 고급 알코올 | 전구체 아미노산 |
| Isoamyl alcohol | Leucine |
| Isobutanol | Valine |
| amyl alcohol | Isoleucine |
| Phenylethanol | Phenylalanine |
| Propanol | Threonine |
2) Anabolic 경로
이 경로에서는 포도당을 출발점으로 하여, 알파-케토산을 거쳐 아미노산이 새롭게 합성되는 과정에서 고급 알코올이 형성됩니다. 이때 생성된 고급 알코올은 맥주의 향미 형성에 기여할 수 있습니다.
- 생합성 과정: 포도당이 대사되어 알파-케토산으로 전환되고, 이 알파-케토산을 이용해 아미노산이 합성됩니다. 이 과정의 부산물로 고급 알코올이 생성됩니다.
- 생리적 역할에 대한 가설: 정확한 이유는 완전히 밝혀지지 않았지만, 가장 유력한 설명은 효모가 이 경로를 통해 생존과 성장에 필요한 필수 아미노산과 기타 생체분자를 생산하는 것 입니다. 동시에, 발효 과정 중 유리한 환경을 조성하기 위해 (예를 들어, 맥주 향미 형성이나 세포 내 대사 균형 유지 등) 고급 알코올이 생성되는 것으로 추정됩니다.
효모가 야생에서 생존할 때, 에스터와 같은 향미 성분의 생성은 중요한 전략이 될 수 있습니다. 에스터는 고급 알코올이 다른 분자와 반응해 형성되며, 이는 효모가 적응할 수 있는 환경을 마련하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
3. 고급 알코올은 어떻게 분해될 수 있는가?
효모는 고급 알코올을 분해하기 위해 에스터화(esterification) 과정을 극대화해야 합니다. 이 과정에서는 고급 알코올(퓨젤 알코올)이 에스터로 변환되어, 맥주의 풍미에 긍정적인 영향을 주게 됩니다.
- 에스터화 과정의 핵심: 효모(Saccharomyces spp.)에서는 에스터가 주로 알코올(에탄올 또는 고급 알코올)과 아세틸-CoA 또는 지방산(또는 그 유도체)의 반응으로 생성됩니다. 따라서, 고급 알코올을 효과적으로 에스터로 전환하려면 아세틸-CoA(Acetyl-CoA)의 양을 최대한 늘려야 합니다.
[아세틸-CoA와 발효 환경]
- 아세틸-CoA의 역할: 아세틸-CoA는 세포 내에서 중요한 분자로, 주로 TCA 회로(Tricarboxylic Acid Cycle, 시트르산 회로)와 연관되어 있습니다.
- 산소 공급의 중요성:
- 산소가 충분할 때: TCA 회로가 활성화되어 아세틸-CoA가 충분히 생성됩니다.
- 산소가 부족할 때: 아세틸-CoA의 생성이 줄어들어 고급 알코올이 충분히 에스터로 전환되지 못하고 잔존할 수 있으며, 이로 인해 부정적인 풍미가 발생할 수 있습니다.
[고급 알코올을 에스터로 변환하는 방법]
발효조에서 맥즙(Wort)의 산소 공급을 적절하게 조절하는 것이 핵심입니다. 발효 전 맥즙에 충분한 산소를 공급하면, 아세틸-CoA의 생성이 극대화되어 고급 알코올이 효과적으로 에스터로 전환되고, 이로 인해 맥주의 풍미가 개선됩니다.
이와 같이, 발효 과정에서 산소 공급과 아세틸-CoA 생성을 최적화하는 것은 고급 알코올의 부정적인 영향을 줄이고 풍미 있는 에스터를 형성하여 맥주 품질을 향상시키는 중요한 전략이라고 할 수 있습니다.
다음 편에서는 맥주에서 고급 알코올 생성을 조절하는 방법을 소개해드릴 예정입니다.
읽어주셔서 감사합니다.
Written by. SB
참고 문헌.
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3. Stewart, G. G. (2017). Brewing and distilling yeasts: The yeast handbook. Springer International Publishing
4. Kłosowski, G., Mikulski, D., Macko, D., Miklaszewska, B., Kotarska, K., & Czupryński, B. (2015). Influence of various yeast strains and selected starchy raw materials on production of higher alcohols during the alcoholic fermentation process. European Food Research and Technology, 240, 233–242.
5. Roberts, R., Khomenko, I., Eyres, G. T., Bremer, P., Silcock, P., Betta, E., & Biasioli, F. (2023). Online monitoring of higher alcohols and esters throughout beer fermentation by commercial Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces pastorianus yeast. Journal of Mass Spectrometry, 58, e4959.
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