곡물 원료에 따른 고량주 품질 특성

본 실험에 사용된 재료로서 수수(Daeguhabin farm, Daegu, Korea), 옥수수(Esinsun farm, Gangwon, Korea), 밀 (Seumnye rice mill, Gumi, Korea), 보리(Sohwa farm, Yecheon, Korea), 조(Sohwa farm, Yecheon, Korea)를 사용하였다. 발효 보조제로는 왕겨(Leeseo rice mill, Wanju, Korea)를 사용하였다. 발효제로서 사용된 누룩은 산성누룩(Sanseongnuruk Co., Busan, Korea)을 사용하였다.

고체발효 방법은 Fig. 1과 같은 방식으로 진행되었다. 곡물 (수수, 옥수수, 밀, 보리, 조)을 각 곡물입자를 가볍게 분쇄하였다. 분쇄된 곡물에 건조 원료의 무게대비 40% 수분을 첨가하고 30분간 흡수시켰다. 수분을 흡수한 각 곡물에 건조 원료의 40% 왕겨를 혼합하여 40분간 증자하였다. 증자한 혼합물을 25°C 이하의 온도가 될 때까지 냉각시켰다. 냉각된 혼합물에 각 원료의 무게대비 10%의 누룩, 0.1%의 효모, 50%의 물을 혼합하여 27°C의 발효실에서 14일간 발효를 진행하였다. 발효를 진행하면서 자동 온도 측정 센서(hobo 4-channel thermocouple logger, Onset Computer Co, Massachusetts, USA)를 사용하여 고체발효 중 중심부의 온도 변화를 1시간 간격으로 측정되도록 설정하여 온도 변화를 측정하였다. 발효가 완료된 각 혼합물을 증류하여 각 500 mL씩 받아내었다.

Fig. 1. Process for making ‘Kaoliang’ spirit by solid fermentation.

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재료배합 시 작업성은 시험처리자가 판단하여 나타내었다. +++는 재료 배합이 용이한 상태이며, ++는 재료 배합하는 데 큰 어려움이 없는 정도이고, +는 재료배합이 어려운 상태를 표시하였다.

분석시료는 고체발효 술덧을 균일하게 고루 섞어 20 g을 채취하여 증류수 100 mL와 혼합하여 1시간 추출을 진행하였다. 추출된 시료는 여과지에 걸러서 pH, 총산, 유리당, 유기산 분석에 사용하였다.

pH는 pH meter(Orion 3 star, Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, Massachusetts, USA)로 상온에서 측정하고, 총산은 주류분석규정(National Tax Service Liquor License Support Center, 2017)에 따라 각 시료 10 mL를 중화시키는 데 필요한 0.1 N NaOH(Yakuripure chemicals Co., LTD, Kyoto, Japan) 용액의 소비량을 citric acid로 환산하여 나타내었다(Park 등, 2017).

유리당 분석은 HPLC(e-2695, Waters Co., Milford, Massachusetts, USA)를 이용하였으며 post column 방법을 활용하였다. 유리당 분석용 column은 Asahipak NH2P-50 4E (Shodex F7630001 4.6×250 mm)로 분석하였다. 이동상은 75% acetonitrile(Mallinckrodt Baker Inc., Phillipsburg, New jersey, USA)를 사용하였고, flow rate 1.0 mL/min, column oven 35°C, injection volume은 10 μL로 설정하여 RI detector (2414, Waters Co., Milford. Massachusetts, USA)로 검출하였다(Park 등, 2017). 시료는 여과(0.2 μL, Millipore Co., Cork, Ireland)하여 사용하였다.

유기산 분석은 HPLC(LC-20A, Shimadzu Co., Kyoto, Japan)를 이용하였으며, post column 방법을 활용하였다. 유기산 분석용 column은 TSK gel ODS-100V(5 μm, 4.6 mm ID×25.0 cm, Tosoh Co., Tokyo, Japan)로 분석하였다. 이동상은 8 mM perchloric acid(Kanto chemical, Tokyo, Japan)를 이용하였으며, 반응용액 0.2 mM bromothymol blue (Sigma Chemical Co., St. louis, Missouri, USA), 15 mM Na2HPO4(Sigma Chemical Co., St. louis, Missouri, USA), 7 mM NaOH(Sigma Chemical Co., St.louis, Missouri, USA)와 반응한 후 UV 440 nm에서 검출하였다. Flow rate는 이동상 1 mL/min, 반응용액 1 mL/min, column oven의 온도는 40°C, 반응용액의 온도는 25°C로 하였다(Kim 등, 2017). 시료는 여과(0.2 μm, Millipore Co., Cork, Ireland)한 후 사용하였다.

증류주 시료는 고체발효가 완료된 술덧을 스테인레스 증류기(YD-200, Yada Intelligent Co., Yeongju, China)를 사용하여 증류액 500 mL를 받아 분석에 사용하였다.

알코올분 측정은 주류 용 진동식 밀도계(Digital Alcohol Meter DA-155, KEM Kyoto electronics, Kyoto, Japen)를 15°C로 보정하고, 시료를 2-4 mL를 주입하여 알코올 함량 (%, v/v)을 측정하였다.

고체발효 증류주의 분석은 gas chromatograph(Shimadzu GC-2010, Shimadzu Co., Ltd., Kyoto, Japan)를 사용하였으며 column은 Nukol(30 m×0.32 mm×0.25 μm film thickness, Spelico, USA)과 oven의 온도는 50°C에서 3°C/min로 상승시켜 200°C에서 10분간 머물렀다. 운반기체는 helium을 사용하여 10 cm/sec로 유속을 설정하였으며 주입량은 1 μL이다.FID(flame ionization detector)로 시료를 검출하였고 이때 injection port와 FID의 온도는 각 220°C로 하였다(Song 등, 2020). 표준물질은 n-Pentane:ethyl ether(1:1)에 용해시켜 0.125-10 μg/mL 범위의 표준용액을 조제하여 peak area로부터 검량선을 작성하여 정량하였다.

통계처리는 각 분석항목에 대하여 3회 반복 측정하여 얻은 결과를 SPSS 18.0 통계 프로그램을 이용하였다. 각 품종별 품질 특성에 대하여 처리구간의 유의적인 차이를 알아보기 위해 일원배치 분산분석(One-way ANOVA)을 실시하였고, 실험구간의 통계적 유의성은 p<0.05 수준에서 Duncan’s multiple range test의 다중범위 검정을 실시하였다.

각 곡물 종류별 고체발효 과정에 있어서 작업성은 Fig. 2와 Table 1에서 보는 것과 같다. 곡물의 고체발효 과정에서 재료들의 혼합 시 Fig. 2(A)와 2(B)를 비교해서 보았을 때 뭉침 현상이 있어 작업능률이 떨어진다는 것을 알 수 있다. 보리의 경우 재발효 시 질척이는 현상이 발생하여 혼합의 어려움이 있었다. 따라서 뭉침 현상이 있는 곡류는 그렇지 않은 곡류와 혼합하여 사용하는 것이 유리할 것으로 생각된다.

Fig. 2. Pictures of different types of grains (from the left, sorghum, corn, wheat, barley, millet). (A) Grinding grains. (B) A mixture with grains and rice husk.

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각 곡물 종류별로 고체발효 술덧의 온도 변화는 중심부를 측정하였으며, 그 결과 Fig. 3에 나타내었다. 곡물 종류간의 큰 차이는 없었으며 발효 초기 2일 사이에 온도가 최대 31°C까지 상승하며 점차 외기 온도인 27°C를 유지하였다. 호기적 발효는 혐기적 발효에 비해 약 15배의 에너지를 낸다고 알려져 있다(Margalit, 1997). 따라서 각 곡물의 초기 2일 사이 온도가 급격히 상승하는 것은 술덧 공극 사이에 있는 산소에 의한 호기적 발효에 의한 발열로 생각된다.

Fig. 3. The temperature changes during the solid fermentation of different grain materials.

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곡물 원료(수수, 옥수수, 밀, 보리, 조)를 다르게 하여 제조한 고체발효 술덧의 전, 후 pH는 다음 Table 2에서 보는 것과 같다. 곡물 전체적으로 발효 전, 후의 pH는 감소하였다. 발효 전 수수와 조를 사용한 고체발효 술덧에서 pH는 6.52, 6.56으로 가장 높고, 발효 후 수수를 사용한 고체발효 술덧에서 pH는 4.65로 가장 낮았으며 pH 변화량이 가장 크게 나타나는 특징을 보였다. 발효 중 발생하는 CO₂는 발효액 속에 녹아 약산성을 띄기 때문에 pH가 감소하게 된다(Margalit, 1997). 알코올 발효 시 pH의 감소는 효모의 알코올 발효를 안정적으로 하게하며, 세균의 증식을 억제시키는 등 발효에 크게 영향을 미치는 것으로 보고한 바 있다(Kim과 Yi, 2010).

원료나 발효제로 사용하는 누룩에는 다양한 미생물이 존재하며, 특히 막걸리 발효 도중 효모, 젖산균의 증가로 인해 생성되는 유기산에 의해 생성된다고 알려져 있다. 총산은 휘발성 향기성분과 직접관련이 되어 있고, 보존성에도 영향을 미친다(Lee 등, 2009). 각 곡물 원료를 이용한 고체발효 술덧의 발효 전, 후의 총산 함량의 비교는 Table 2에서 보는 것과 같다. 곡물 전체적으로 발효 전, 후 총산의 함량은 크게 증가하였다. 발효 전 수수와 옥수수의 고체발효 술덧에서 각각 0.15%, 0.16%로 가장 높고, 발효 후 수수의 고체발효 술덧에서 0.77%로 가장 높은 총산 함량을 나타내었다.

술덧의 유리당 함량을 조사한 결과 Table 3과 같이 발효 전, 후 유리당은 glycerol, fructose, glucose 3종이 검출되었고, sucrose, maltose는 검출되지 않았다 발효 전, 후로 곡물 전체적으로 fructose는 감소하였고 glycerol이 증가하였다. 발효 전 옥수수를 사용하여 만든 고체발효 술덧에서 Fructose 함량이 406 mg/L로 가장 높게 나왔으며, 조를 사용한 고체발효 술덧에서 234.81 mg/L로 가장 낮게 나타났다. glucose의 함량은 보리를 이용하여 만든 고체발효 술덧에서 6,752.81 mg/L로 가장 높게 나왔으며, 수수를 사용한 고체발효 술덧에서 2,308.17 mg/L로 가장 낮게 나타났다. 발효 후 glycerol 함량이 조를 사용하여 만든 고체발효 술덧에서 356.57 mg/L로 가장 높았으며, 밀을 사용한 고체발효 술덧에서 39.99 mg/L로 가장 낮게 나타났다. glucose 함량은 보리를 사용하여 만든 고체발효 술덧에서 7,662.8 mg/L로 가장 높고, 옥수수를 사용한 고체발효 술덧에서 1,123.41 mg/L로 가장 낮게 나타났다. 총 3회 재발효 시 유리당은 검출되지 않으며, 3회 이상의 재발효 시에는 원료의 추가가 필요할 것으로 보인다. 술덧에서 유리당은 원료로 사용한 곡물이 누룩의 당화효소에 의해 분해되어 생성되고(Lee 등, 2010), 이렇게 생성된 당분이 발효과정 중에 효모에 의해 소비되지 않고 남은 잔당이라고 할 수 있다. 따르면 당분은 증류과정 중에 고온의 열에 의해 furfural을 형성함으로서 증류주의 향기에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Lee 등, 2014).

술덧의 유기산 함량은 다음 Table 4를 보는 것과 같다. 1차 발효 시 수수를 사용한 고체발효 술덧에서 lactic acid, acetic acid, succinic acid의 함량이 각 75.26 mg/L, 45.52 mg/L, 40 mg/L로 다른 대조군에 비해 높게 검출되는 특징을 보였다. 밀, 보리, 조에서는 수수와 옥수수에서는 검출되지 않는 citric acid의 성분이 검출되는 특징을 보였으며 보리와 조의 대조군에서 각 16.08 mg/L, 18.9 mg/L로 가장 높게 검출되었다. 밀, 보리, 조의 2-3회 반복 발효가 진행될수록 citric acid의 성분이 점차 감소하는 특징을 보였다. 곡물 전체적으로 2-3회 반복 발효가 진행될수록 lactic acid, acetic acid의 성분은 증가하며, succininc acid의 성분은 감소하는 특징을 보여주었다. lactic acid와 acetic acid는 발효에 관여하는 미생물에 의해 주로 생성되며 이러한 유기산들은 ehtyl lactate나 ethyl acetate와 같은 향기성분으로 전환되는 것으로 연구되었다(Choi와 Hong, 1999; Jørgensen 등, 2007). 따라서 고체발효 술덧 속에서 검출되는 lactic acid와 acetic acid같은 유기산은 고량주의 향기성분에 크게 영향을 미칠 수 있다.

곡물 종류별 증류주의 알코올 함량을 측정하였다. 고체발효 1회 발효 시 각 곡물의 알코올 함량은 Fig. 4(A)와 같다. 조를 사용하여 만든 증류주에서 76.7%로 가장 높은 알코올 함량을 나타내며 수수를 사용하여 만든 증류주에서 66.3%로 가장 낮은 알코올 함량을 보여준다. 고체발효를 통해 총 3회 반복 발효를 진행하여 곡물에 포함된 전분을 전부 사용하여 알코올을 추출한 결과 Fig. 4(B)와 같다. 옥수수와 보리가 31.5 mL/100 g, 31.4 mL/100 g으로 가장 높고, 조를 사용한 고체발효 증류주가 29.7 mL/100 g으로 가장 낮게 나타났다. 1회 발효에서 조를 사용한 증류주에서 가장 높았지만 2회차 및 3회차 반복 발효에서의 증류주는 알코올 함량이 가장 적었고 전체적으로 옥수수와 보리의 알코올 수율이 가장 높았다. 이는 조의 입자가 가장 작아 초기에는 발효가 잘되어 전분의 알코올 변환이 쉬웠을 것으로 보이며 전체 알코올 수율은 각 곡류 종류별 전분의 함량이 다르기에 각각의 수율에 차이가 있는 것으로 보인다.

Fig. 4. Alcohol content in distilled liquid produced by the solid fermentation. (A) Alcohol content produced according to the number of solid fermentation of grains. Data values were expressed as mean±SD (n=3). (B) Total alcohol contents of the produced by solid fermentation of grains. ¹⁾Mean±SD (n=3) within each column followed by different letters is significantly different (p<0.05).

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발효 중 휘발성 향기성분이 생성되며, 숙성을 통해 천천히 산성 향기성분이 생성되고(Margalit, 1997), 이러한 향기성분은 술의 향미에 크게 영향을 미친다. 각 곡물종류별 증류주의 향기성분은 Table 5와 같다. 향기성분으로는 수수를 사용한 고체발효 증류주에서 ethyl acetate, ethyl butyrate, ethyl lactate, acetic acid의 함량이 82,750.29 mg/L, 878.98 mg/L, 124.04 mg/L, 394.7 mg/L로 가장 높고, 밀을 사용한 증류주에서 ethyl caproate의 함량이 38.23 mg/L로 가장 높았다. 2차 반복발효에서 곡물 전체적으로 ethyl acetate, ethyl butyrate, ethyl caproate, ethyl lactate, ethyl palmitate의 함량이 증가하였지만, 3차 반복발효에서 다시 줄어드는 특징을 보였다. 수수로 만든 고체발효 증류주에서 ethyl acetate의 성분의 함량이 70,910.33 mg/L로 1차 발효 시보다 약 10,000 mg/L 가량 감소하는 특징을 보였다. 또한, 1차 발효 시 밀에서 가장 높은 함량을 나타내었던 ethyl caproate 성분이 2차 발효시에는 곡물 전체적으로 19.89-23.85 mg/L로 유의적인 차이가 나타나지 않았다. 곡물 전체적으로 3차 반복 발효 증류주의 향기성분에서 acetic acid, propionic acid, butric acid, isovaleric acid, caproic acid의 성분은 점차 증가하는 특징을 보였다. 중국의 고량주는 주요 esters로 ethyl acetate, ethyl caproate, ethyl lactate의 성분이 있으며 그 함량이 전체 esters의 90% 이상을 차지한다(Fan 등, 2020). 따라서 각 곡물들 중 밀이 ethyl caproate의 함량이 가장 높고, 수수가 ethyl acetate, ethyl lactate의 함량이 가장 높다. 수수와 밀을 배합하여 술을 빚을 때 생산물의 상호보완성이 매우 좋다고 하였다(Xin 등, 2016). 고량주에 가장 적합한 향을 내기 위해 밀과 수수의 적합한 배합을 통해 ethyl caproate의 함량을 높일 수 있을 것으로 생각된다.