발효 식품과 미생물의 관계

미생물 발효는 식품의 생화학적 구성을 근본적으로 변화시켜 영양 가치를 향상시키는 핵심적인 메커니즘이다. 이 과정은 발효를 위해 사용되는 미생물들이 자신이 가진 다양한 효소를 이용해 인간이 소화하기 어려운 고분자 영양소를 저분자 형태로 분해하여 영양소의 생체 이용률(bioavailability)을 높이고, 식물성 원료에 존재하는 항영양 인자를 감소시키며(Table 1), 식품 전반의 영양 성분 프로파일을 개선하는 것으로, 이는 미생물이 복잡한 다당류나 단백질을 단순한 형태로 분해하는 과정에서 나타나는 현상이다(Liu et al., 2024).

특히, 단백질 가수분해를 통해 생성되는 생리활성 펩타이드(bioactive peptides)의 역할이 두드러진다(Bhattacharjee et al., 2025). 미생물이 생산하는 단백질가수분해 효소(protease)는 단백질의 가수분해를 촉진하며, 이로 인해 항고혈압, 항염증, 항암, 항당뇨 활성을 포함하는 다양한 건강 증진 기능을 가진 펩타이드가 생성된다. 이렇게 생성된 펩타이드는 식단, 장내 미생물군, 인체 건강 간의 상호작용에서 중심적인 역할을 한다(Dong et al., 2025; Hamadou, 2025; Singh et al., 2025).

이와 함께, 곡물이나 콩류에 존재하는 피트산(phytic acid)과 같은 항영양 인자는 철, 아연, 칼슘 등 필수 미네랄과 결합하여 체내 흡수를 방해하지만, 발효 과정에서 미생물은 이러한 항영양 인자를 효과적으로 분해하여 숨겨져 있던 미네랄의 생체이용률을 크게 향상시킨다(Dong et al., 2025). 또한, 발효는 기존에 없던 새로운 영양소를 만들어내기도 하는데 대표적으로 일부 유산균과 효모는 비타민 B군(B₁₂, 엽산 등)을 합성하며, 일본의 전통 발효식품인 낫토(natto)의 경우, Bacillus subtilis가 비타민 K₂를 다량 생성하여 뼈 건강과 심혈관 건강에 기여하는 것으로 알려져 있다(Li et al., 2023). 따라서 전통 발효 미생물 생태계 분석은 높은 활성을 나타내는 다양한 가수분해 효소의 유전자를 발굴하기 위한 중요한 생물 자원 탐색(bioprospecting)의 방법으로 평가된다.

발효의 가장 원초적이고 중요한 기능은 식품의 보존 기간을 획기적으로 늘리는 것으로 이는 주로 젖산균과 같은 미생물이 식품 내 탄수화물을 대사하여 젖산(lactic acid)과 초산(acetic acid) 등 다양한 유기산을 생성하며 이러한 유기산들은 식품의 pH를 급격히 낮추는 역할을 통해 천연 방부 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 발효식품에서의 pH 저하는 대부분의 부패균과 식중독을 유발하는 병원성 미생물이 산성 환경에서 생존하거나 증식하기 어렵기에 식품의 안전성 확보에 결정적 요인으로 작용한다(Akpoghelie et al., 2025).

또한, 일부 젖산균은 박테리오신(bacteriocin)이라 불리는 천연 항균 펩타이드를 직접 생산하기도 한다. 니신(nisin)이나 플란타리신(plantaricin)과 같은 박테리오신은 다양한 병원성 세균의 성장을 억제하고 식품의 부패를 지연시켜 유통 기한 연장을 가능하게 하는 등 화학 보존제 없이도 식품의 안전성을 한층 더 높여주는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 또한, 식품 내에 존재할 수 있는 식물 독소나 곰팡이 독소와 같은 독성 물질을 분해하거나 해로움이 없도록 만들어 식품 안전성을 향상시키기도 한다. 그 대표적인 예가 카사바(cassava)의 시안화물 성분이 발효를 통해 무해해지는 것으로 알려져 있다(Okoye et al., 2025; Aguirre-Garcia et al., 2024; Khubber et al., 2022; Terefe et al., 2022).

발효는 식품의 영향 가치뿐만 아니라 매력적인 맛, 새로운 풍미와 질감을 부여하여 관능적 품질을 극대화 한다(Table 1). 이는 발효에 관여하는 미생물이 대사 과정에서 만들어내는 수많은 대사산물의 유기적인 반응에 의한 결과물로써 가장 잘 알려진 것이 유기산은 김치나 사우어크라우트의 상쾌한 신맛을, 알코올과 에스테르 화합물은 와인과 맥주의 독특한 향과 풍미를 결정한다(Sawant et al., 2025).

된장이나 간장의 깊은 감칠맛은 콩 단백질이 아미노산으로 분해되면서 생성되며, 빵이 부풀어 오르고 부드러운 식감을 갖게 되는 것은 효모가 당을 분해하며 발생시키는 이산화탄소(CO₂) 가스에 의한 것으로 알려져 있고 요구르트 제조 시 젖산균이 생산하는 엑소폴리사카라이드(exopolysaccharides)는 요구르트를 농후하게 만들어 크리미한 질감을 부여한다(Sawant et al., 2025; Praveen and Brogi, 2025). 이처럼 발효에 관여하는 미생물은 각기 다른 식품의 원료와 다양한 발효 조건 아래에서 생육을 위한 대사 활동을 통해 다양한 범위에서의 관능적 품질을 높이며, 이는 전 세계적으로 수많은 지역 특산 발효식품이 존재하는 이유이기도 하다.

현대 식품 산업에서 발효에 활용되는 미생물에 관한 관심이 높아진 배경에는 ‘건강 증진’이라는 새로운 가치가 있다(Table 2). 이는 단순한 식품 가공을 넘어 발효에 관여하는 미생물과 그 대사산물이 인체와 상호작용하며 건강에 미치는 긍정적 효과가 과학적으로 규명되어 알려지면서 발효식품은 기능성 식품의 핵심으로 자리 잡았으며 발효에 활용되는 미생물들은 장내 마이크로바이옴의 조절자로서 역할을 하고 있다는 것이 밝혀지고 있다(Valentino et al., 2024; Caffrey et al., 2025).

인체의 장에는 수십 조 개의 미생물이 서식하며 하나의 거대한 생태계, 즉 ‘장내 마이크로바이옴’을 구축하는데, 이 생태계의 균형은 소화, 대사, 면역 등 인체 건강 전반에 많은 영향을 미치며 발효식품은 이 균형을 긍정적으로 조절하는 강력한 수단으로 알려져 있다(Caffrey et al., 2024). 또한, 발효식품을 꾸준히 섭취하면 장내 미생물 군집의 다양성이 증가하고, 비피도박테리움(bifidobacterium)이나 락토바실러스(Lactobacillus)와 같은 유익균의 비율이 높아지는 반면, 유해균의 성장은 억제되는 것이 많은 연구를 통해 알려져 있다(Wastyk et al., 2021; Caffrey et al., 2024; Louw et al., 2023; Balasubramanian et al., 2024).

특히 발효식품은 살아있는 유익균인 ‘프로바이오틱스(probiotics)’와 이들 유익균의 먹이가 되는 ‘프리바이오틱스(prebiotics)’를 동시에 함유하는 경우가 많은데 발효 과정에서 생성된 올리고당이나 변형된 식이섬유는 프리바이오틱스로 작용하는 것으로 알려져 있다. 이처럼 프로바이오틱스와 프리바이오틱스가 함께 존재하는 시스템을 ‘신바이오틱(synbiotic)’이라 부르며, 이는 각각을 따로 섭취하는 것보다 더 큰 시너지 효과를 발휘하여 장내 환경을 효과적으로 개선하는 것이 알려져 있다(Swanson et al., 2020; Parhi et al., 2024).

식품의 발효에 사용되는 미생물들은 인체의 면역 시스템과의 상호작용을 통해 인체 건강에 기여하는 것으로도 알려지고 있다(Wastyk et al., 2021). 인체 면역세포의 약 70%는 장에 집중되어 있어 장 건강은 면역력과 직결되는 것으로 알려져 있으며, 식품 발효에 관여하는 미생물은 장내 마이크로바이옴을 통해 면역 시스템과 긴밀하게 소통하며 면역 항상성 유지에 핵심적인 역할을 한다(Wastyk et al., 2021). 특히, 식품 발효에 활용된 미생물과 그 대사산물은 장 점막을 구성하는 세포들 사이의 결합을 튼튼하게 하여 ‘장벽 기능(gut barrier integrity)’을 강화함으로써 유해 물질이나 병원균이 혈류로 침투하는 것을 막는 1차 방어선 역할을 하는 것으로 밝혀졌다(Dmytriv et al., 2024).

또한, 식품 발효에 사용된 미생물은 장내 면역세포인 T세포와 B세포를 직접 자극하여 면역 반응을 조절하는 것이 밝혀졌는데, 예를 들면 특정 프로바이오틱스는 항체(IgA) 생성을 촉진하여 점막 면역을 강화하고, 조절 T세포의 활성을 유도하여 과도한 염증 반응을 억제하는 것으로 알려져 있으며 이러한 상호작용은 감염병 예방뿐만 아니라 알레르기, 자가면역질환과 같은 면역계 불균형으로 인한 질환을 완화하는 데도 기여할 수 있는 것이 확인됐다(Liu et al., 2025; Sharma et al., 2025; Duhan et al., 2025; Zheng et al., 2020).

전통적으로 발효식품의 건강상 이점은 살아있는 프로바이오틱스에 기인한다고 여겨졌다. 최근 몇몇 연구에서는 새로운 관점을 제시하기도 하였는데, 살균 처리되어 살아있는 균이 없는 발효식품이라도 건강에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다는 것으로 한 임상시험에서 과민성대장증후군(IBS) 환자들에게 살균하지 않은 사워크라우트와 살균한 사워크라우트를 각각 섭취하게 한 결과, 두 그룹 모두에서 대조군 대비 증상 완화 효과가 유사하게 나타났다(Nielsen et al., 2018). 이는 발효 과정에서 생성된 단쇄지방산(short-chain fatty acids, SCFAs), 펩타이드, 폴리페놀 등 다양한 생리활성물질(포스트바이오틱스) 자체가 독립적으로 건강 증진 효과를 나타낼 수 있음을 시사하는 것으로 이는 유통과 보관이 쉬운 살균 발효식품의 산업적 가치를 재평가하게 만드는 중요한 근거가 된다.

이러한 대사물질들은 살아있는 균과 별개로 인체에 유익한 기능을 수행하며 ‘포스트바이오틱스(postbiotics)’ 개념의 근간을 이룬다(Liang and Xing, 2023; Kumar et al., 2024). 그 기능이 잘 알려진 생리활성물질 중 몇 가지에 대해 살펴보면 첫번째로 단쇄지방산의 경우, 식이섬유가 장내 미생물에 의해 발효될 때 주로 생성되는 아세테이트(acetate), 프로피오네이트(propionate), 부티레이트(butyrate)는 대장 상피세포의 주요 에너지원으로 사용되어 장 건강을 지탱하고 혈류로 흡수되어 전신 염증을 조절하고, 혈당 및 지질 대사를 개선하며, 식욕 조절에도 관여하는 것이 밝혀졌다(Du et al., 2024; Ragavan and Hemalatha, 2024; Mandaliya et al., 2025). 두번째로 생리활성 펩타이드의 경우, 우유나 콩의 단백질이 발효 과정에서 분해되면 다양한 기능을 가진 작은 펩타이드 조각들이 생성되는데 이들은 혈압 강하, 항산화, 항균, 면역 조절 등 다양한 생리 활성을 나타내며 발효유나 발효콩 제품의 주요 건강 기능성 성분으로 주목받고 있다(Peres Fabbri et al. 2024; Chourasia et al., 2023). 또한, 최근에는 새로운 생리활성 펩타이드를 탐색하기 위해 AI/머신러닝 기반 분석 도구를 사용해 새로운 펩타이드 탐색을 가속화하는 가능성과 한계에 대한 연구도 진행되고 있다(Habib et al., 2025; Aguilera-Puga and Plisson, 2024). 마지막으로 세포외다당체(exopolysaccharides, EPS)의 경우, 케피어, 요거트 등에서 발견되는 EPS는 끈적한 질감을 형성하는 물질로, 그 자체로 프리바이오틱스로 작용하여 유익균의 성장을 돕는 것으로 알려져 있으며 일부 연구에서는 EPS가 장 점막을 보호하고 면역계를 조절하며 콜레스테롤 수치를 낮추는 효과가 있음이 밝혀졌다(Pourjafar et al., 2023; Hernández-Figueroa et al., 2025; Sadeghi et al., 2024).