과학이 생겨나기 전부터 자연발효식품은 인류의 애용식품이었다. 그 중에서도 유산균발효식품은 김치, 젓갈, 막걸리, 발효유, 치즈, 사우어크라우트 등 민족문화와 전통에 따라서 다양한 형태로 이용되어왔다. 옛날에는 유산균 식품의 맛이 좋아서 먹었던 생활습관식품이었지만 현대과학이 발전하면서 연구결과에 의하여 밝혀진 것을 보면 장의 부패방지, 장운동 촉진, 면역기능 조절, 항산화작용, 질병개선 및 치유효과 등 건강효능에 관한 것이 많다. 이러한 건강 효능작용은 유산균의 대사산물 및 균체의 세포벽 성분이 작용하는 것으로 밝혀지고 있다. 유산균의 건강효능 작용은 살아있는 유산균을 먹거나 사멸한 유산균을 먹거나 차이가 별로 없으며 오히려 유산균의 종류에 따라서는 건강효능에 다양한 차별화가 인정되고 있다. 생활경제력이 향상될수록 국민들의 복지, 장수, 건강에 대한 관심이 매우 높아지면서 이러한 사회적 수요에 맞추어 유산균의 새로운 연구는 식용백신, 자연면역, autophagy의 활성화 쪽으로 진화해 나아가고 있다. 최근에는 유산균의 면역조절작용을 향상시키기 위하여 균주별 검색, 배양조건의 조절(온도) 등에 대한 연구가 진행되고 있다. 유산균에 대한 많은 연구가 진전되면서 유산균식품의 특성을 유산균 발효식품과 유산균 기능성식품으로 구분할 필요가 생겼다. 유산균 발효 식품은 김치, 요구르트, 치즈 등의 영양성분 중심의 식품이고 유산균기능성 식품은 유산균의 균체를 모아서 생균이나 사균의 형태로 제형화한 식품을 말한다. 두 종류의 제품에 있어서 유산균발효식품은 제품 원료특성의 기능성과 유산균의 기능성이 혼합된 형태의 효능이 나타나는 것이고 유산균 기능성식품은 오로지 유산균체의 기여도에 따라서 결정되는 것이다.

유산균은 생화학적으로는 당류를 발효하여 에너지를 획득하고 다량의 젖산을 생성하는 세균의 총칭으로, Gram 양성, 낮은 [G+C]%, 산에 대한 내성을 가진 비아포성 간균 또는 구균이다. 유산균의 계통분류학적 위치는 생리적 특징과 일치하지 않으며, 지난 10년 동안 Lactobacillus 속 171개 균종 중 83개가 새로 발견된 것일 정도로 계통분류학적으로 애매하다. 오랫동안 발효식품의 스타터로 주목되었던 종래의 연구의 방향이 1980년대 초기부터 유전학 쪽으로 발전하기 시작하였다. 네덜란드 Venema 교수와 Veldkamp 교수는 유산균 연구에 분자생물학적 지식을 본 격적으로 도입한 학자들이다. 미국의 Mckay 박사는 유산균 plasmid 기능, 제한 및 수식체계(restriction/modification system), 파지(bacteriophage), 접합(conjugation), 유당대사 유전학(genetics of lactose metabolism) 등과 관련된 많은 논문을 발표하였다. 한편 프로바이오틱스(일명 활생균)란 장내 균형을 증진시켜 숙주 동물에게 이로움을 주는 살아있는 미생물 첨가제로 정의된다. 오늘날 장내 균총 연구에서 제기되는 주요한 주제는 프로바이오틱 유산균의 다양성과 그 역할을 파악하는 일이다. 지금까지 연구결과 새로운 종과 새로운 유전자들이 다수 발견되었으며 각 개인은 독특한 장내 균총을 가지며 식이, 나이, 생활습관 등에 따라서 크게 영향을 받는다. 프로바이오틱 균주의 이상적인 자격은 안전하게 먹을 수 있어야 하고 인간에게 투여하였을 경우 건강에 유익한 효과를 입증할 수 있어야 한다. 유산균은 숙주의 장내에서 공생하면서 계속적으로 선천적 면역반응과 후천적 면역반응을 조절하며, 이러한 면역조절은 장내에 국한된 것이 아니라 생체 전체의 면역반응에 영향을 미친다. 유산균은 Th1형 면역반응을 유도시켜 Th2형 면역반응을 제어함으로써 알러지 반응을 억제할 뿐 만 아니라 자연살해세포와 직접적인 상호작용을 통해 세포독성면역 역시 활성화시킨다. 특히 프로바이오틱스 유산균은 장내에 정착하면서 유해 미생물의 생육을 저해하고 유해 미생물에 의하여 나타나는 염증반응을 제어하여 숙주의 건강에 도움을 준다. 유산균에 의한 다양한 면역반응은 종 특이적 반응이 아니라 균주 특이적 반응으로 나타내는 특성을 나타낸다. 따라서 같은 종의 유산균이라도 각기 상이한 면역반응을 유도할 수 있으므로 프로바이오틱 균주를 선발함에 있어서는 기존의 선발 조건(산도내성, 담즙내성, 장상피세포 부착성 등) 외에도 면역반 응성에 대한 기초 결과가 뒷받침 되어야 할 것이다. 근래 들어 장상피세포의 EGFR 수용체와 직접 작용하는 유산균 유래 수용성 인자가 발견됨에 따라 유산균과 숙주 사이의 상호작용에 대한 세포 내 작용기전의 이해가 가능하게 되었다. 또한 이러한 수용성 인자는 위장관 질환 및 알러지 반응의 새로운 치료제 개발 또는 발효식품으로의 응 용이 가능할 것으로 기대된다. 따라서 숙주의 면역을 조절하는 새로운 생리활성인자를 탐색하고 이들의 유익한 효과를 학술적으로 밝히는 것은 발효 식품이 다양한 우리나라에서 추진해야 할 미래의 주요 연구주제라고 생각된다.

In Japan, milk and food companies have recently developed many functional yogurts using selected probiotic lactic acid bacteria (LAB) and Bifidobacterium strains. In 1991, the FOSHU (foods for specified health uses) system began instituted by the Ministry of Health, Labor and Welfare. In 2010, approximately 1,000 commercially available items were labeled as FOSHU products that are specially given brands showing good health effects for humans. Japanese commercial yogurts are classified into three type categories: fermented using selected probiotics, functional components added, and standard types. Many functions are considered in the selection of probiotics including competitive adhesion exclusion of enteritic pathogens, cholesterol lowering effects, and positive immuno-modulatory effects. Adhesion to the human intestine is one of the most important characteristics of probiotic LAB and bifidobacteria. Our new screening system for adhesive activity involves a combination of three methods: the rat colonic mucin-micro plate assay, the Carnoy’s histochemical staining method, and the carbohydrate probe binding assay. Recently, we developed a new screening assay using the BIACORE biosensor chip coated with human colon mucin (HCM). We found new LAB strains that recognize and specifically bind to the human ABO blood type antigens. We named these “blood type LAB”. We identified the molecular LAB binding mechanism occurring in the human intestine through unique adhesin molecules that are expressed on the bacterial cell surface as lectin-like proteins. Bacteria with strong adhesion ability improve gastrointestinal health by continuous proliferation in the intestine; and increase the chance of intake into the Peyer’s patches through M-cells that inhibit allergies because of LAB immune-stimulating activity. The future Japanese food market will contain superior functional yogurts containing adhesive effective probiotic LAB and bifidobacteria that are expected to be developed using our proposed mass screening system shown here.

김치발효에는 여러 종류의 유산균이 관여하고 있고 이들은 면역조절기능 등 다양한 probiotics 특성을 가지고 있다고 알려져 있으나 기존 연구가 주로 배추김치에 국한되어 있어 보다 다양한 종류의 김치에 대한 미생물학적 분석이 요구된다. 그리고 김치발효의 메커니즘을 보다 정확히 이해하기 위해서는 bacteriophage와 김치유산균과의 관계가 구명되어야 할 것이다. 이와 더불어 김치유산균의 특성 및 이들이 가지고 있는 유전자의 기능을 보다 심도 있게 연구해서 김치 종주국으로서 우위를 유지하고, 학술적인 유산균 연구분야에 있어서도 국제수준의 경쟁력을 확보해야 할 것이다.

유산균은 포자를 형성하지 않으며, 카탈라아제 음성이고, 산에 대해 내성을 가지며, 당 발효의 산물로 유산을 만드는 그람양성 간균이나 구균인 통성혐기성 세균으로 젖산균이라고 한다. 현재까지 Carnobacterium, Dolosigranulum, Enterococcus, Globicatella, Lactobacillus, Lactococcus, Lactosphaera, Leuconostoc, Oenococcus, Pediococcus, Streptococcus, Tetragenococcus, Vagococcus, Weissella 등 20여개의 속이 유산균에 속하는 것으로 알려져 있다. 유산균은 MRS라는 동일한 선택 배지에서 생육하고 생리생화학적 특성에 따른 명확한 구분이 어려워서 전통적인 형태적 생리학적 분류방법으로는 정확한 분류 동정이 어렵다. 그래서 유산균의 분류는 16S rRNA sequence 분석을 기반으로한 분자계통분류학적 결과를 기반으로 다양한 생리생화학적 분석, 형태학적 분석, 화학분류학적 분석 및 분자분류학적 분석 결과가 포함되는 다상분류를 통하여 이루어진다. 이와 같은 연구 결과를 통하여 유산균의 몇몇 속에서는 분류학적 혼재성이 관찰되었고, 그 결과 새로운 속의 탄생 또는 전이 양상이 계속적으로 보고되고 있다. 이와 같은 특징 때문에 유산균의 분류동정은 간단하지 않으며, 새로운 분류기준(key marker) 발굴 등 후속 연구의 확대가 필요하다. 유산균은 계대배양이나 장기보존 시 생존율이 높지 않아 장기보존 관리가 까다로운 균주그룹으로 알려져 있다. 유산균의 보존에는 동결건조법과 동결보존법이 널리 이용되는데 주로 탈지분유를 보존제로 사용한다.

지금까지 보고된 probiotics로서의 유산균의 효과에 대해서는 임상 연구 등을 통해 많이 규명되었다. 앞으로 식품산업에서 유산균을 이용함에 있어 보다 효과적으로 사용하기 위해서는 유산균의 genome에 기반으로 해서 생리 특성, 항균효과, 발효 특성 등을 연구하는 것이 보다 효율적 일 것이다. 그리고, 이러한 유산균 발효에 있어 중요한 부분을 차지하는 bacteriophage에 대한 분자생물학적 특성에 대한 연구와 유산균과의 상관 관계, bacteriophage 내성 균주 개발 등에 대한 연구가 필요할 것이다. 하지만, 국외에서 다양한 유산균을 이용한 의약 분야, 식품 분야 등에서 연구가 활발하게 진행되고 있으나, 국내에서는 최근 들어 유산균 관련 연구가 상대적으로 주춤하고 있는 것으로 보여진다. 따라서, 국내외적으로 건강에 대한 관심이 높아지고 있는 지금 시점에서 보다 광범위한 유산균에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.

자연적으로 일어나는 형질전환은 세균에서 유전 요소의 수평적 전달 메커니즘의 하나로서 세균 생리학에서 빠질 수 없을 만큼 중요한 현상이다. S. thermophilus는 자연적으로 형질전환이 가능한 상태로 변환하기 위해서 Rgg-타입의 response regulator인 ComR과 소수성 펩타이드 페르몬인 ComS를 포함하는 새로운 quorum sencing 시스템을 이용한다. S. thermophilus를 화학적 제한배지에서 배양하면 대수기 초기에 신호서열이 분리된 ComS는 세포외부로 배출된다. 배출된 ComS는 올리고 펩타이드 전달 시스템인 Ami를 통하여 세포내로 유입되어 ComR과 결합하게 된다. ComS와 결합된 활성화된 ComR은 후기 형질전환 관련 유전자들의 전사를 조절하는 대체형 시그마펙터(σ^x)를 암호화하는 comX 유전자의 발현을 유도함으로써 형질전환이 일어나도록 만든다. 신호서열이 제거된 ComS를 합성하여 화학적 합성배지에 첨가하게 되면, S. thermophilus의 형질전환을 인공적으로 유도할 수 있다. Leuconostoc 속 유산균들 은 그들이 후기 형질전환 관련 유전자들과 서열이 유사한 단백질 유전자들을 보유하고 있음에도 불구하고 자연적 형질전환 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. Leuconostoc 속의 자연적 형질전환의 메커니즘을 규명하는 연구는 김치산업에서 사용될 수 있는 개량된 균주 개발을 가능하게 할 것이다.

L. rhamnosus GG 유산균은 1983년 건강한 성인의 장관에서 분리된 이래 인체의 수많은 건강효과에 관한 연구들이 진행되었다. 전세계의 연구자들이 이 프로바이오틱 유산균에 관심을 갖게 되었고, 인체에 대한 다양한 임상시험과 흥미로운 연구들이 진행되었다. 지난 20여 년간 프로바 이오틱 시장이 급격히 성장했음에도 불구하고, L. rhamnosus GG는 아직도 세계에서 가장 연구가 많이 진행된 유산균이다. 비록 in vitro와 실험적 연구들을 인체와 직접적으로 관련시킬 수는 없지만, 위의 연구들을 통해 L. rhamnosus GG가 장관에서 병원성 미생물을 억제하고, 이들이 혈관이나 세포조직으로 침투하는 것을 억제하며, 시스템적인 또는 국소적인 면역반응을 증강시키고, 감염 억제와 감염으로부터의 회복을 빠르게 하는 등의 역할을 하고 있음을 알 수 있다.

본 연구에서는 발효유 제품의 특성과 앞으로의 발효유 시장 동향을 이해하기 위해 국내 유통중인 발효유 제품에 사용된 유산균을 분리·동정하고 그 함량을 조사하였다. 국내 5개 회사의 농후발효유 5종과 호상발효유 5종, 총 10종을 구입하였으며, 유산균 표시함량은 대부분 1×10⁸ CFU/mL이었다. BCP 첨가 평판측정용배지와 BS 한천배지를 이용해 생균수를 측정한 결과, 발효유 10종 모두 1×10⁸ CFU/mL 이상의 유산균을 포함하고 있었다. 본 연구에서 모니터링 검사에 사용된 발효유는 모두 표시함량 및 법적 기준(1×10⁸ CFU/mL 이상)을 만족하고 있음을 알 수 있었다.
균 동정을 위해 분리된 유산균에 대해 Gram 염색을 실시하였다. Gram 양성 연쇄상구균, 간균, 다형성 간균 형태를 관찰할 수 있었으며, Gram양성 간균은 유일하게 sample2에서만 관찰되었다. API CHL, API 20A kit를 이용하여 균동정을 실시한 결과, 발효유 10종 모두에서 관찰되었던 Gram 양성 연쇄상구균은 S. thermophilus(99.2%)였으며, 다형성 간균은 Bifidobacterium spp.(96.2%)였다. 그리고 유일하게 sample 2에서 관찰되었던 Gram 양성 간균은 L. rhamnosus(99.8%)였다. 유산균 초기 접종량, 생장 적온, 필요 영양분, 내산성의 차이로 S. thermophilus, Bifidobacterium spp. 이외의 유산균을 동정할 수 없었지만 국내 발효유 회사는 배양시간의 단축, 잡균의 오염 방지, 그리고 독특한 향미와 맛을 부여하기 위해 2가지 이상의 혼합균주를 사용하고 있다. 현재 소비자들은 맛과 함께 기능성이 강화된 발효유를 선호하고 있다. 이러한 기능성은 유산균주의 생리 및 발효 특성으로 기능성 유산균주를 활용한 다양한 컨셉의 제품이 지속적으로 시판될 것으로 기대된다. 향후 발효유 시장은 고유의 기능성 유산균주 발굴 및 연구를 위해 많은 투자가 이루어질 것으로 사료된다.

L. brevis HY7401, L. helveticus HY7801 및 B. longum HY8004의 복합유산균 R&B Balance^®의 대장염 개선 효과를 DSS 처리 마우스에서 평가하였다. R&B Balance^® 섭취에 의해 대장길이 축소, MPO 활성과 같은 대장염 증상이 감소하였으며, 분변내 chondrointinase 활성과 분변 유전독성을 현저하게 감소시키는 것으로 나타났다. T-RFLP pattern의 군집 분석 결과, DSS-유도 대장염 마우스의 미생물총은 정상적인 마우스와 다르며, R&B Balance^®의 투여는 장내 미생물총의 다양성에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 따라서 R&B Balance^®는 DSS로 유도된 대장염 동물에서 대장염 증상을 개선해주고 분변 내 독성 효소나 유독한 대사산물을 생성을 억제함으로써 대장염을 개선하는 것으로 판단되고 대장염 동물의 장내 미생물 다양성에도 영향을 미치는 것으로 확인되었다.