Re: 한약, 식물, 곡물 발효 결정적 효과!! 2024 리뷰 영향력지수 7.8

[문형철]

Applied Food Research

Volume 4, Issue 2, December 2024, 100468

Fermentation's pivotal role in shaping the future of plant-based foods: An integrative review of fermentation processes and their impact on sensory and health benefits

Author links open overlay panelNazanin Abbaspour

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Abstract

Given the environmental, ethical, and food security challenges posed by conventional agriculture and animal husbandry, the transition towards sustainable food systems is essential. Plant-based foods, especially those enhanced by fermentation, present a viable solution. Fermentation reduces the ecological footprint, aligns with ethical standards, and enhances plant-based proteins’ nutritional value and sensory attributes, offering a credible alternative to animal products. This paper explores fermentation's transformative role in developing plant-based meats, dairy, and protein alternatives, emphasizing its benefits, including improved gut health through probiotics and prebiotics. It also addresses challenges such as producing undesirable by-products, potential health risks, and the increased costs associated with fermentation. Detailed examinations of specific fermentation processes—alcoholic, lactic acid, acetic acid, propionic acid, and butyric acid—and their impact on enhancing the nutritional value, digestibility, and flavor of plant-based foods are presented. Case studies from pioneering plant-based food companies demonstrate fermentation technologies’ practical applications and market potential. Lastly, the paper discusses future challenges and opportunities in scaling up fermentation processes and incorporating advanced biotechnological techniques to further enhance food sustainability and health outcomes.

• 발효는 온실가스 배출을 줄이고 토지 및 물 자원을 절약합니다.
• 발효는 식물성 단백질의 소화성과 영양가를 향상시킵니다.
• 프로바이오틱스가 포함된 발효 식물성 식품은 장 건강을 지원합니다.
• 발효는 식물성 식품의 다양성을 증진시켜 건강을 개선합니다.
• 발효는 지속 가능한 농업 시스템으로의 전환을 돕습니다.

초록

전통 농업과 축산업이 초래하는 환경적, 윤리적, 식량 안보 문제들을 고려할 때,

지속 가능한 식품 시스템으로의 전환은 필수적입니다.

특히

발효로 강화된 식물성 식품은

실현 가능한 대안으로 제시됩니다.

발효는

생태 발자국 ecological footprint 을 줄이고,

윤리적 기준에 부합하며,

식물성 단백질의 영양 가치와 감각적 특성을 향상시켜

동물성 제품에 대한 신뢰할 만한 대안을 제공합니다.

이 논문은

발효가 식물성 고기, 유제품, 단백질 대안 개발에서 변혁적인 역할을 하는 것을 탐구하며,

프로바이오틱스와 프리바이오틱스를 통한 장 건강 개선 등 그 이점을 강조합니다.

또한,

부적절한 부산물 생성, 잠재적 건강 위험, 발효와 관련된 비용 증가와 같은

과제들도 다룹니다.

알코올 발효,

젖산 발효,

초산 발효,

프로피온산 발효, 및 부티르산 발효와 같은

특정 발효 과정과 그들이 식물성 식품의 영양 가치, 소화성, 풍미를 향상시키는 영향에 대한

상세한 검토가 제시됩니다.

alcoholic, lactic acid, acetic acid, propionic acid, and butyric acid

선구적인 식물성 식품 회사의 사례 연구를 통해

발효 기술의 실질적 적용과 시장 잠재력이 입증됩니다.

마지막으로,

발효 공정을 확대하고 첨단 생명공학 기술을 도입하여

식품 지속 가능성과 건강 결과를 더욱 향상시키는 데 있어

미래의 도전 과제와 기회에 대해 논의합니다.

Graphical abstract

•  

Keywords

Sustainable food system

Alternative foods

Plant-based proteins

Food security

Bioactive compounds

1. Introduction

The urgency to shift towards sustainable food systems is increasingly recognized in the face of environmental, ethical, and food security challenges presented by conventional agricultural and animal husbandry practices. In this context, plant-based foods are entering the public eye, especially those enhanced through ancient biotechnological fermentation. These fermented foods are heralded not only for their lower ecological footprint and ethical merits but also for their potential to meet the rising demand for protein sustainably (Alcorta et al., 2021; Jahn et al., 2021; Samtiya et al., 2021; Sharma et al., 2020; Teng et al., 2021; World Economic Forum, 2019).

Fermentation redefines the landscape of plant-based meats, dairy, and proteins, offering substitutes and analogs that closely mimic their animal-based counterparts’ sensory experiences and nutritional values (Abbaspour et al., 2023). This transformative process enhances the digestibility and bioavailability of plant proteins, making them more appealing and nutritious. Beyond diversifying dietary options, fermentation excels in resource efficiency, converting plant-based materials and industrial by-products into high-value products, thus embodying the principles of a circular food system (Hadj Saadoun et al., 2021; Kårlund et al., 2020).

The environmental advantages of adopting fermentation in plant-based food production are manifold. This approach significantly reduces greenhouse gas emissions compared to traditional livestock farming, and it lessens the demand for land and water, thereby contributing to the mitigation of deforestation and water scarcity issues (Agrawal et al., 2023). From a health perspective, fermentation imbues foods with probiotics and prebiotics, fostering improved gut health and enhanced immune function, presenting a viable option for individuals with specific food allergies (Li et al., 2020; Liu et al., 2018).

The versatility of fermentation technology enables the creation of a wide array of plant-based food alternatives, enriching dietary diversity and promoting inclusivity. Innovations in product development, spurred by fermentation, are introducing unique flavors, textures, and aromas to the plant-based food market, enhancing consumer acceptance and preference (Boukid et al., 2023a; Teng et al., 2021). The economic impact of this burgeoning sector is notable, driving industry growth, stimulating job creation, and encouraging further innovation. By diversifying protein sources and optimizing resource use, fermentation technologies contribute to global food security and biodiversity conservation, offering a sustainable alternative to intensive farming practices (Kozicka et al., 2023; Materia et al., 2021; Misci et al., 2021).

However, while essential for producing various foods and beverages, fermentation has some downsides. It can lead to unwanted by-products like alcohol and gases, posing a risk of contamination with harmful bacteria or molds that produce toxins, thus affecting food safety (Fayyaz et al., 2022). The process's biological nature makes fermented products’ quality somewhat unpredictable, demanding specific storage conditions to maintain quality and prevent spoilage (Ahansaz et al., 2023). Certain populations may face health risks due to high levels of histamine, tyramine, or alcohol in fermented foods (Latorre-Moratalla et al., 2017). Moreover, fermentation can be time-consuming, potentially increasing production costs and having a significant environmental impact through water use, energy consumption, and waste generation (Pothakos et al., 2018). Despite these challenges, technological advancements and a deeper understanding of microbial processes are improving fermentation's efficiency and safety.

This paper comprehensively examines fermentation processes—such as alcoholic, lactic acid, acetic acid, propionic acid, and butyric acid fermentation—and their crucial roles in enhancing plant-based foods’ nutritional value, digestibility, and flavor. Furthermore, in Section 7, the role of fermentation in improving the nutritional profile of foods is examined. Section 8 reviews some plant-based food companies, highlighting their advancements and challenges. In the final sections, the paper discusses the challenges and innovative breakthroughs poised to propel the food sector forward. It demonstrates how modern fermentation techniques are being reimagined to enhance food sustainability, improve health outcomes, and foster environmental stewardship. By synthesizing these cutting-edge applications, the paper underscores its scholarly significance and highlights potential avenues for future food system developments.

1. 서론

전통 농업과 축산업 관행이 초래하는 환경적, 윤리적, 식량 안보 문제들로 인해 지속 가능한 식품 시스템으로의 전환 필요성이 점점 더 인식되고 있습니다. 이러한 맥락에서, 특히 고대 생명공학 발효를 통해 강화된 식물성 식품이 주목받고 있습니다. 발효된 이러한 식품은 낮은 생태 발자국과 윤리적 장점뿐만 아니라 지속 가능한 단백질 수요 증가를 충족할 잠재력을 인정받고 있습니다(Alcorta et al., 2021; Jahn et al., 2021; Samtiya et al., 2021; Sharma et al., 2020; Teng et al., 2021; World Economic Forum, 2019).

ancient biotechnological

fermentation

고대 생명공학 

발효

발효는

식물성 고기, 유제품, 단백질의 경관을 재정의하며,

동물성 제품의 감각적 경험과 영양 가치를 밀접하게 모방한 대체품과 유사품을 제공합니다(Abbaspour et al., 2023).

이 변환 과정은

식물성 단백질의 소화성과 생체 이용 가능성을 높여

더 매력적이고 영양가가 풍부하게 만듭니다.

식이 옵션의 다양성을 넘어,

발효는 자원 효율성을 극대화하며 식물성 재료와 산업 부산물을 고부가가치 제품으로 전환하여

순환 식품 시스템의 원칙을 구현합니다(Hadj Saadoun et al., 2021; Kårlund et al., 2020).

식물성 식품 생산에서 발효를 채택함으로써 얻을 수 있는 환경적 이점은 다양합니다. 이 접근법은 전통적인 가축 사육에 비해 온실가스 배출을 크게 줄이고, 토지와 물 수요를 감소시켜 삼림 벌채와 물 부족 문제를 완화하는 데 기여합니다(Agrawal et al., 2023).

건강 측면에서,

발효는

식품에 프로바이오틱스와 프리바이오틱스를 부여하여

장 건강과 면역 기능을 향상시키며,

특정 식품 알레르기가 있는 개인에게도

실용적인 선택을 제공합니다(Li et al., 2020; Liu et al., 2018).

발효 기술의 유연성은

다양한 식물성 식품 대안을 창출할 수 있게 하여

식이 다양성을 풍부하게 하고 포괄성을 촉진합니다.

발효가 촉진하는 제품 개발 혁신은

식물성 식품 시장에 독특한 풍미, 질감, 향을 도입하여

소비자 수용성과 선호도를 높이고 있습니다(Boukid et al., 2023a; Teng et al., 2021).

이 급성장하는 산업의 경제적 영향은 주목할 만하며,

산업 성장을 주도하고 일자리 창출을 촉진하며 추가 혁신을 장려합니다.

단백질 공급원을 다양화하고 자원 사용을 최적화함으로써,

발효 기술은 글로벌 식량 안보와 생물다양성 보존에 기여하며

집중 농업 관행에 대한 지속 가능한 대안을 제시합니다(Kozicka et al., 2023; Materia et al., 2021; Misci et al., 2021).

그러나

다양한 식품과 음료를 생산하는 데 필수적인 발효에는 일부 단점이 있습니다.

이는

알코올이나 가스와 같은 원치 않는 부산물을 생성할 수 있으며,

독소를 생성하는 유해 세균이나 곰팡이로 인한 오염 위험이 있어

식품 안전에 영향을 미칠 수 있습니다(Fayyaz et al., 2022).

발효의 생물학적 특성으로 인해

발효 제품의 품질은 다소 예측 불가능하며,

품질을 유지하고 부패를 방지하기 위해 특정 보관 조건이 필요합니다(Ahansaz et al., 2023).

특정 인구집단은

발효 식품에 포함된 높은 히스타민, 티라민, 또는 알코올 수치로 인해

건강 위험이 있을 수 있습니다(Latorre-Moratalla et al., 2017).

또한,

발효는 시간이 많이 걸릴 수 있으며,

이는 생산 비용을 증가시키고

물 사용, 에너지 소비, 폐기물 생성을 통해 환경에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다(Pothakos et al., 2018).

이러한 도전 과제에도 불구하고,

기술 발전과 미생물 과정에 대한 깊은 이해는

발효의 효율성과 안전성을 개선하고 있습니다.

이 논문은

알코올 발효, 젖산 발효, 초산 발효, 프로피온산 발효, 부티르산 발효와 같은 발효 과정과

식물성 식품의 영양 가치, 소화성, 풍미를 향상시키는 중요한 역할을 종합적으로 살펴봅니다.

또한, 7절에서는 발효가 식품의 영양 프로필을 개선하는 역할을 검토합니다.

8절에서는 일부 식물성 식품 회사를 검토하여 그들의 발전과 도전을 강조합니다.

마지막 절에서는 식품 산업을 전진시키려는 도전 과제와 혁신적 돌파구를 논의합니다.

현대 발효 기술이 어떻게 재구성되어 식품 지속 가능성을 높이고, 건강 결과를 개선하며, 환경적 책임을 증진하는지 보여줍니다.

이러한 최첨단 응용을 종합함으로써, 논문은 학문적 중요성을 강조하고 미래 식품 시스템 개발을 위한 잠재적 경로를 제시합니다.

2. Application of alcoholic fermentation in plant-based foods

Alcoholic Fermentation (AF) plays a significant role in enhancing the flavor and preservation of plant-based foods by converting sugars into alcohol and carbon dioxide through yeast activity, impacting sensory properties and shelf life (Siddiqui et al., 2023) (Fig. 1). While AF is essential in producing beverages like beer and wine, it also influences plant-based foods alongside other fermentation types like lactic acid fermentation, which similarly enhance flavor and preservation (Mannaa et al., 2021; Prado et al., 2015).

2. 식물성 식품에서의 알코올 발효 적용

알코올 발효(AF)는 효모 활동을 통해 당을 알코올과 이산화탄소로 변환하여 식물성 식품의 풍미와 보존성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 이는 감각적 특성과 저장 수명에 영향을 미칩니다(Siddiqui et al., 2023)(그림 1). AF는 맥주와 와인과 같은 음료 생산에 필수적이지만, 젖산 발효와 같은 다른 발효 유형과 함께 식물성 식품에도 영향을 미쳐 풍미와 보존성을 향상시킵니다(Mannaa et al., 2021; Prado et al., 2015).

Fig. 1. Overview of Fermentation Pathways:

(a) Ethanol Fermentation: Glucose is metabolized to pyruvate via glycolysis, then to acetaldehyde by pyruvate decarboxylase, and finally to ethanol by alcohol dehydrogenase.

(b) Lactic Acid Fermentation: Pyruvate is reduced to lactate by lactate dehydrogenase, a reaction utilized by microorganisms and human muscle cells under anaerobic conditions.

(c) Acetic Acid Production: Acetaldehyde is oxidized to acetic acid by acetaldehyde dehydrogenase, a key step in vinegar production.

(d) Propionate Fermentation: Pyruvate converts to propionate through a series of reactions, including carboxylation to oxaloacetate, reduction to malate, dehydration to fumarate, reduction to succinate, conversion to succinyl-CoA, then propionyl-CoA, and finally to propionate.

(e) Butyrate Fermentation: Pyruvate is reduced to acetyl-CoA, which forms butyryl-CoA and subsequently butyrate, a process characteristic of certain gut bacteria.

Finally, (f) captures the essence of converting pyruvate to lysine, illustrating the complexity of metabolic pathways in a simplified chemical equation.

그림 1. 발효 경로 개요:

(a) 에탄올 발효: 포도당은 해당 과정(glycolysis)을 통해 피루브산으로 대사되고, 피루브산 탈탄산효소(pyruvate decarboxylase)에 의해 아세트알데하이드로 변환된 후, 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase)에 의해 에탄올로 최종 변환됩니다.

(b) 젖산 발효: 피루브산은 젖산 탈수소효소(lactate dehydrogenase)에 의해 젖산으로 환원되며, 이는 혐기성 조건에서 미생물과 인간 근육 세포에서 활용되는 반응입니다.

(c) 초산 생산: 아세트알데하이드는 아세트알데하이드 탈수소효소(acetaldehyde dehydrogenase)에 의해 초산으로 산화되며, 이는 식초 생산에서 핵심 단계입니다.

(d) 프로피온산 발효: 피루브산은 옥살로아세테이트로의 카르복실화, 말산으로의 환원, 푸마르산으로의 탈수, 숙신산으로의 환원, 숙신일-CoA로의 변환, 프로피오닐-CoA로의 변환, 그리고 최종적으로 프로피온산으로의 변환을 포함하는 일련의 반응을 통해 프로피온산으로 변환됩니다.

(e) 부티르산 발효: 피루브산은 아세틸-CoA로 환원되고, 이는 부티릴-CoA를 형성한 후 부티르산으로 변환되며, 이는 특정 장내 세균의 특징적인 과정입니다.

마지막으로, (f)는 피루브산을 라이신으로 변환하는 본질을 포착하며, 이는 단순화된 화학 방정식을 통해 대사 경로의 복잡성을 보여줍니다.

The process of AF necessitates careful control to achieve the desired sensory outcomes and shelf-life improvements. In plant-based foods, managing alcohol content is crucial to balance flavor development with minimal alcohol residue, ensuring nutritional quality is maintained (Jach et al., 2022). The conversion of sugars into alcohol can affect the food's energy content and dietary role.

AF's interaction with other fermentation processes, such as lactic acid fermentation, requires a nuanced approach to optimize benefits without compromising food quality and safety (Wang et al., 2016). Additionally, maintaining appropriate environmental conditions, like temperature and pH, is vital to prevent spoilage and ensure the production of safe, high-quality plant-based foods that meet consumer expectations and regulatory standards (Prado et al., 2015; Siddiqui et al., 2023).

AF(알코올 발효) 과정은 원하는 감각적 결과와 저장 수명 개선을 달성하기 위해 신중한 관리가 필요합니다. 식물성 식품에서는 알코올 함량을 관리하여 풍미 개발과 최소한의 알코올 잔류를 균형 있게 조절하는 것이 중요하며, 이를 통해 영양 품질이 유지됩니다(Jach et al., 2022). 당이 알코올로 변환되는 과정은 식품의 에너지 함량과 식이 역할에 영향을 미칠 수 있습니다.

AF와 젖산 발효와 같은 다른 발효 과정 간의 상호작용은 품질과 안전성을 손상시키지 않으면서 이점을 최적화하기 위해 미묘한 접근이 필요합니다(Wang et al., 2016). 또한, 온도와 pH와 같은 적절한 환경 조건을 유지하는 것은 부패를 방지하고 소비자 기대와 규제 기준을 충족하는 안전하고 고품질의 식물성 식품 생산을 보장하는 데 중요합니다(Prado et al., 2015; Siddiqui et al., 2023).

2.1. Alcoholic fermentation and secondary metabolites

Secondary metabolites play a pivotal role in AF, primarily by Saccharomyces cerevisiae yeasts, transforming sugars into ethanol, carbon dioxide, esters, higher alcohols, and organic acids. These compounds significantly influence the beverage's aroma and flavor; esters impart fruity notes, while higher alcohols add complexity by adding diverse aromatic and taste elements, making the beverage more intricate and enjoyable. The choice of the yeast strain, fermentation medium, and environmental conditions allow producers to tailor sensory properties to desired taste profiles (Stanzer et al., 2023).

Recent advancements in the scientific understanding of AF and secondary metabolites have highlighted the role of yeast in generating a complex array of volatile compounds like esters, acids, and phenols that define the unique aroma profiles of distilled spirits. Non-Saccharomyces yeasts, in particular, are noted for producing distinct metabolites that enhance aromatic profiles beyond what is typical with Saccharomyces cerevisiae. Additionally, factors such as temperature, nutrient availability, and microbiome composition are critical in influencing the types and quantities of volatile compounds produced, underscoring the potential for optimizing fermentation parameters and yeast selection to refine the flavor and aroma of alcoholic beverages (Stanzer et al., 2023).

Furthermore, recent research has explored metabolic pathways involved in yeast's secondary metabolism during AF to understand how by-product formation affects flavor, aroma, and color. Studies have shown that genetic factors influencing these metabolic processes can be manipulated to control by-product levels, thus enhancing or reducing certain characteristics for quality refinement in producing high-quality alcoholic beverages (Baral et al., 2018; Lu et al., 2021).

Specifically, advanced strategies aim to activate microbial secondary metabolic pathways typically underexpressed or silent under laboratory conditions. These methods use pleiotropic biosynthetic gene cluster-specific and targeted genome-wide approaches to harness the untapped genomic potential revealed by next-generation sequencing. This approach offers tools to awaken cryptic pathways and optimize the production of new bioactive compounds, potentially introducing novel or enhanced metabolic activities that contribute to end-product flavor, efficacy, and complexity (Baral et al., 2018).

2.1. 알코올 발효와 2차 대사산물

2차 대사산물은

주로 Saccharomyces cerevisiae 효모에 의해 AF에서 중요한 역할을 하며,

당을 에탄올, 이산화탄소, 에스테르, 고급 알코올, 그리고 유기산으로 변환합니다.

이러한 화합물은 음료의 향과 풍미에 크게 영향을 미치며,

에스테르는 과일 향을 더하고 고급 알코올은 다양한 방향족과 맛 요소를 추가하여

음료를 더 복잡하고 즐겁게 만듭니다.

효모 균주, 발효 매질, 환경 조건의 선택은

생산자가 원하는 맛 프로필에 맞게 감각적 특성을 조정할 수 있게 합니다(Stanzer et al., 2023).

최근 AF와 2차 대사산물에 대한 과학적 이해의 발전은

효모가 에스테르, 산, 페놀과 같은 복잡한 휘발성 화합물 배열을 생성하여

증류주 고유의 향 프로필을 정의하는 역할을 강조했습니다.

특히

비-Saccharomyces 효모는

Saccharomyces cerevisiae에서 일반적인 것 이상으로

향 프로필을 향상시키는 독특한 대사산물을 생성하는 것으로 알려져 있습니다.

또한 온도, 영양소 가용성, 미생물 군집 구성과 같은 요인이 생성되는

휘발성 화합물의 유형과 양에 중요한 영향을 미치며,

발효 매개변수와 효모 선택을 최적화하여 알코올 음료의 풍미와 향을 개선할 잠재성을 보여줍니다(Stanzer et al., 2023).

또한, 최근 연구는

효모의 2차 대사 동안 부산물 형성이 풍미, 향, 색상에 미치는 영향을 이해하기 위해 관련 대사 경로를 탐구했습니다.

연구에 따르면

이러한 대사 과정을 조절하는 유전적 요인을 조작하여 부산물 수준을 제어할 수 있으며,

이는 고품질 알코올 음료 생산에서 품질 개선을 위해 특정 특성을 강화하거나 줄일 수 있습니다(Baral et al., 2018; Lu et al., 2021).

특히,

실험실 조건에서 표현이 낮거나 조용한 미생물 2차 대사 경로를 활성화하려는

고급 전략이 목표입니다.

이러한 방법은

차세대 시퀀싱으로 밝혀진 미개척 유전체 잠재력을 활용하기 위해

다형성 생합성 유전자 클러스터 특이적 및 표적 전유전체 접근법을 사용합니다.

이 접근법은

잠재 경로를 깨우고 새로운 생리활성 화합물의 생산을 최적화하여

최종 제품의 풍미, 효능, 복잡성을 높일 수 있는

잠재적 대사 활성을 도입할 수 있는 도구를 제공합니다(Baral et al., 2018).

2.2. Other applications of alcoholic fermentation

2.2.1. Fermented beverages

Advancements in non-thermal technologies like ultrasound, pulsed electric fields, and high hydrostatic pressures have significantly improved the efficiency and quality of AF in beverages. These technologies enhance ethanol production in beer, increase phenolic extraction in wine, and maintain fermented juices’ sensory and nutritional qualities, extending their shelf life while reducing energy consumption and processing time. Such techniques are essential in producing diverse, high-quality fermented beverages, including beer, wine, cider, and kombucha, among others (Ganatsios et al., 2021; Kim & Adhikari, 2020; Morales-de la Peña et al., 2023).

2.2. 알코올 발효의 기타 응용

2.2.1. 발효 음료

초음파, 펄스 전기장, 고정압력과 같은 비열 기술의 발전 non-thermal technologies은

음료의 AF 효율성과 품질을 크게 개선했습니다.

이러한 기술은

맥주에서 에탄올 생산을 높이고,

와인에서 페놀 추출을 증가시키며,

발효 주스의 감각적 및 영양적 품질을 유지하면서

저장 수명을 연장하고 에너지 소비와 가공 시간을 줄입니다.

이러한 기술은 맥주, 와인, 사이다, 콤부차 등

다양한 고품질 발효 음료 생산에 필수적입니다(Ganatsios et al., 2021; Kim & Adhikari, 2020; Morales-de la Peña et al., 2023).

ultrasound, pulsed electric fields, and high hydrostatic pressures 

2.2.2. Kombucha and Kefir

Kefir is a fermented dairy product known for its beneficial probiotic properties, primarily due to its rich microbial diversity. The most important probiotic bacteria in kefir belong to the lactic acid bacteria family, including Lactobacillus kefiri (Carasi et al., 2015), which is known for promoting gut health and enhancing the immune system. Other notable bacteria include Lactococcus lactis (Jeong et al., 2023) and Leuconostoc mesenteroides (Chong et al., 2023), both of which contribute to the unique taste and texture of kefir, as well as its probiotic effects. These bacteria work synergistically to provide various health benefits, such as improved digestion and a strengthened immune response.

Kombucha, a popular fermented tea beverage, is produced using a symbiotic culture of bacteria and yeast (SCOBY), resulting in a distinctive blend of probiotics. The primary bacterial component in kombucha is Komagataeibacter xylinus (Nyhan et al., 2022), which is crucial for producing acetic acid and developing the characteristic cellulose mat. Acetobacter aceti is another important bacterium contributing to kombucha's tart flavor and probiotic properties (Wang et al., 2024). Lactobacillus plantarum also plays a key role in enhancing gut health. These bacteria collectively contribute to kombucha's health benefits, including improved digestion, detoxification, and immune support (Wang et al., 2018).

2.2.2. 콤부차와 케피어

케피어는

풍부한 미생물 다양성 덕분에 유익한 프로바이오틱 특성으로 알려진

발효 유제품입니다.

케피어에서 가장 중요한 프로바이오틱 세균은

Lactobacillus kefiri(Carasi et al., 2015)로,

장 건강 증진과 면역 체계 강화로 알려져 있습니다.

다른 주목할 만한 세균으로는

Lactococcus lactis(Jeong et al., 2023)와 Leuconostoc mesenteroides(Chong et al., 2023)가 있으며,

이는 케피어의 독특한 맛과 질감 및 프로바이오틱 효과에 기여합니다.

이러한 세균은

다양한 건강 혜택을 제공하기 위해 상호작용하며,

소화 개선과 강화된 면역 반응을 포함합니다.

콤부차는

인기 있는 발효 차 음료로,

박테리아와 효모의 공생 배양(SCOBY)을 사용하여

독특한 프로바이오틱 블렌드를 생성합니다.

콤부차의 주요 박테리아 성분은 Komagataeibacter xylinus(Nyhan et al., 2022)로,

초산 생성과 특징적인 셀룰로오스 매트 개발에 핵심적인 역할을 합니다.

Acetobacter aceti는 또 다른 중요한 박테리아로,

콤부차의 신맛과 프로바이오틱 특성에 기여합니다(Wang et al., 2024).

Lactobacillus plantarum도 장 건강 개선에 중요한 역할을 합니다.

이러한 박테리아는 소화 개선, 해독, 면역 지원을 포함한 콤부차의 건강 혜택에 함께 기여합니다(Wang et al., 2018).

2.2.3. Polyphenols

Polyphenols are a broad category of naturally occurring plant compounds known for their antioxidant properties and potential health benefits. They are abundant in fruits, vegetables, cereals, and beverages. They are classified into several categories, including flavonoids, phenolic acids (Yang et al., 2023), stilbenes, and lignans (Pandey & Rizvi, 2009). These compounds play a crucial role in the sensory characteristics of foods, such as color, flavor, and astringency, and have been linked to reduced risks of chronic diseases such as cardiovascular diseases, diabetes, and cancer (Pandey & Rizvi, 2009). However, the bioavailability of polyphenols is often limited due to their complex structures, which can affect their absorption and utilization in the human body (Yang et al., 2023).

Fermentation can significantly modify the polyphenolic content and activity in plant-based foods. During fermentation, these microorganisms produce enzymes such as tannase and glycosidase, which break down complex polyphenolic structures into simpler, more bioavailable forms (Yang et al., 2023). For example, in fermented foods rich in proanthocyanidins, such as blueberries and strawberries, polyphenols are converted into phenolic acids like gallic acid, which are more readily absorbed by the body (Yang et al., 2023).

The fermentation process transforms polyphenols into more potent compounds, enhancing their bioactivity. Moreover, polyphenols themselves can influence the fermentation process by promoting the growth of beneficial microorganisms and inhibiting harmful ones, thus supporting gut health and improving the nutritional profile of foods (Lippolis et al., 2023). For instance, the fermentation of soybeans increases the concentration of bioactive aglycones such as daidzein and genistein, which are known for their antioxidant and health-promoting effects (Yang et al., 2023). Similarly, the fermentation of tea leaves can enhance the content of catechins and other beneficial polyphenols, contributing to the beverage's health benefits (Lippolis et al., 2023).

Polyphenols like catechins and tannins undergo significant structural changes during fermentation, which can alter their functional properties and enhance their health benefits (Ma et al., 2023). Some researchers noted the impact of fermentation on the bioavailability of polyphenols, highlighting that fermented foods can have higher concentrations of bioactive polyphenolic compounds than their non-fermented counterparts (Tzachristas et al., 2020). This interaction between polyphenols and fermentation underscores the potential of fermented plant-based foods to contribute to a healthy diet and prevent chronic diseases.

2.2.3. 폴리페놀

폴리페놀은

항산화 특성과 잠재적 건강 혜택으로 알려진 자연적으로 발생하는

식물 화합물의 광범위한 범주입니다.

과일, 채소, 곡물, 음료에 풍부하며

플라보노이드, 페놀산(Yang et al., 2023), stilbenes, lignans(Pandey & Rizvi, 2009) 등

여러 범주로 분류됩니다.

이러한 화합물은

색상, 풍미, 떫은맛과 같은 식품의 감각적 특성에 중요한 역할을 하며,

심혈관 질환, 당뇨병, 암과 같은 만성 질환 위험 감소와 연관되어 있습니다(Pandey & Rizvi, 2009).

그러나 폴리페놀의 생체 이용률은 복잡한 구조로 인해

흡수와 활용에 영향을 미쳐 종종 제한적입니다(Yang et al., 2023).

발효는

식물성 식품의 폴리페놀 함량과 활성을 크게 변화시킬 수 있습니다.

발효 중 미생물은

탄닌산효소(tannase)와 글리코시다아제(glycosidase)와 같은 효소를 생성하여

복잡한 폴리페놀 구조를 더 간단하고

생체 이용률이 높은 형태로 분해합니다(Yang et al., 2023).

예를 들어,

블루베리와 딸기와 같이 proanthocyanidins가 풍부한 발효 식품에서 폴리페놀은

gallic acid와 같은 페놀산으로 변환되어

신체에서 더 쉽게 흡수됩니다(Yang et al., 2023).

발효 과정은

폴리페놀을 더 강력한 화합물로 변환하여 생물학적 활성을 높입니다.

또한, 폴리페놀 자체는

유익한 미생물의 성장을 촉진하고

해로운 미생물을 억제하여 장 건강을 지원하고

식품의 영양 프로필을 개선하는 데 영향을 미칠 수 있습니다(Lippolis et al., 2023).

예를 들어,

콩 발효는 daidzein과 genistein과 같은 생리활성 aglycones의 농도를 높여

항산화 및 건강 증진 효과로 알려져 있습니다(Yang et al., 2023).

마찬가지로

차 잎 발효는 catechin과 기타 유익한 폴리페놀 함량을 높여

음료의 건강 혜택에 기여합니다(Lippolis et al., 2023).

catechin과 tannin과 같은 폴리페놀은

발효 중 구조적 변화를 겪으며,

이는 기능적 특성을 변경하고 건강 혜택을 높일 수 있습니다(Ma et al., 2023).

일부 연구자들은

발효 식품이 비발효 식품보다 생리활성 폴리페놀 화합물의 농도가 더 높을 수 있다고 지적하며,

발효가 폴리페놀의 생체 이용률에 미치는 영향을 강조했습니다(Tzachristas et al., 2020).

폴리페놀과 발효 간의 이러한 상호작용은

발효 식물성 식품이 건강한 식단에 기여하고 만성 질환을 예방할 가능성을 보여줍니다.

2.2.4. Plant-based beverages

Innovations in fermented plant-based beverages made from legumes, nuts, cereals, pseudo-cereals, and seeds utilize both lactic acid and AF to improve taste, texture, and nutritional value. These beverages combine traditional fermentation knowledge with modern nutritional science to cater to dietary preferences and health-conscious consumers (Arbach et al., 2021; Hidalgo-Fuentes et al., 2024).

2.2.5. Soy sauce production

AF plays a crucial role in soy sauce production, where specific molds like Aspergillus oryzae break down soybeans and wheat into simpler molecules. Subsequent fermentation by yeasts and lactic acid bacteria enhances flavor complexity and preservation. Recent genetic research on molds and the strategic use of microbial cultures optimize the quality and safety of soy sauce, showcasing a sophisticated interplay of biochemical and microbial processes (Chong et al., 2023; Ito & Matsuyama, 2021).

2.2.6. Bread making

Saccharomyces cerevisiae is essential for dough rising and flavor development in AF. The yeast metabolizes sugars to produce CO2 and ethanol, contributing to the bread's texture and flavor. Managing fermentation conditions like temperature and time, along with selecting appropriate yeast strains, is crucial for optimizing the sensory qualities of bread. This process enhances the bread's aroma and taste and promotes sustainability by valorizing bread waste (Maicas, 2020; Parapouli et al., 2020; Sofo et al., 2021).

These applications highlight the diverse roles of AF in enhancing the quality, flavor, and nutritional properties of various foods and beverages, demonstrating its integral role in food science and industry.

2.2.4. 식물성 음료

콩류, 견과류, 곡물, pseudo-cereals, 씨앗에서 만들어진 발효 식물성 음료는

젖산 및 AF를 활용하여 맛, 질감, 영양가를 개선합니다.

이러한 음료는 전통 발효 지식과 현대 영양 과학을 결합하여

식이 선호도와 건강 의식을 가진 소비자를 대상으로 합니다(Arbach et al., 2021; Hidalgo-Fuentes et al., 2024).

2.2.5. 간장 생산

AF는

간장 생산에서 중요한 역할을 하며,

Aspergillus oryzae와 같은 특정 곰팡이가 콩과 밀을 더 간단한 분자로 분해합니다.

이후 효모와 젖산균에 의한 발효는

풍미 복잡성과 보존성을 높입니다.

곰팡이에 대한 최근 유전 연구와 미생물 배양의 전략적 사용은

간장의 품질과 안전성을 최적화하며,

생화학 및 미생물 과정의 정교한 상호작용을 보여줍니다(Chong et al., 2023; Ito & Matsuyama, 2021).

2.2.6. 빵 만들기

Saccharomyces cerevisiae는

반죽의 발효와 풍미 개발에 필수적이며,

효모는 당을 대사하여 CO2와 에탄올을 생성하여 빵의 질감과 풍미에 기여합니다.

온도와 시간과 같은 발효 조건 관리와 적절한 효모 균주 선택은

빵의 감각적 품질을 최적화하는 데 중요합니다.

이 과정은 빵의 향과 맛을 향상시키고

빵 폐기물을 재활용하여

지속 가능성을 촉진합니다(Maicas, 2020; Parapouli et al., 2020; Sofo et al., 2021).

이러한 응용 사례는

AF가 다양한 식품과 음료의 품질, 풍미, 영양 특성을 향상시키는 다양한 역할을 강조하며,

식품 과학 및 산업에서 핵심적인 역할을 보여줍니다.

3. Application of lactic acid fermentation in plant-based foods

Lactic acid fermentation (LAF) is a crucial biochemical process in producing plant-based foods, primarily driven by lactic acid bacteria (LAB). This process starts with LAB consuming sugars such as glucose, fructose, and sucrose, converting them into energy and pyruvate through glycolysis (Wang et al., 2021) (Fig. 1). Pyruvate is then transformed into lactic acid via lactate dehydrogenase in homolactic fermentation, predominantly by Lactococcus and Lactobacillus, yielding two moles of lactic acid per mole of glucose. In heterolactic fermentation, carried out by species like Leuconostoc and Weissella spp., the process also produces ethanol and CO2, generating one mole of lactic acid per mole of glucose (Wang et al., 2021).

Lactic acid plays a multifaceted role in food preservation by significantly lowering the pH and inhibiting the growth of harmful microbes, thereby acting as a natural preservative (Hoffstater, 2023; Hu et al., 2023). Moreover, it contributes to the tangy flavor characteristic of fermented foods and enhances their nutritional profile by increasing the bioavailability of nutrients (Wang et al., 2021). This makes LAF a cornerstone in enhancing plant-based foods’ taste and health benefits, which is essential in various cultures worldwide.

However, several challenges accompany LAF. The effectiveness of LAB strains varies, and not all are equally capable of fermenting all types of plant substrates, which can impact the consistency and quality of products. The specificity and efficiency of these strains are crucial, and optimizing them for particular food matrices is complex (Xiao et al., 2024). Moreover, while LAF naturally inhibits many pathogens, improper fermentation conditions can allow the survival or growth of spoilage organisms and pathogens, posing significant health risks (Zapaśnik et al., 2022). Ensuring controlled fermentation conditions to achieve adequate acidity levels is vital for safety.

Additionally, the sensory qualities of fermented foods can vary significantly. Development of off-flavors or undesirable textures can occur if fermentation parameters such as temperature, pH, and time are not carefully managed (Xiang et al., 2019). Furthermore, understanding LAB metabolism is essential to prevent potential harm to human health, as highlighted by the potential of synthetic biology and modern biotechnology, like multi-omics and gene editing, which are advancing the study and application of LAB (Wang et al., 2021).

3. 식물성 식품에 대한 젖산 발효의 적용

젖산 발효(LAF)는

식물성 식품 생산에 있어 중요한 생화학적 과정으로,

주로 젖산균(LAB)에 의해 주도됩니다.

이 과정은 LAB가

글루코스, 프럭토스, 설탕과 같은 당분을 섭취하여 글리코lysis를 통해

에너지와 피루vate로 전환하는 것으로 시작됩니다(Wang et al., 2021) (Fig. 1).

피루브산은 호모락틱 발효 과정에서 락테이트 탈수소효소에 의해 젖산으로 전환되며,

이 과정은 주로 Lactococcus와 Lactobacillus에 의해 진행되어

포도당 1몰당 젖산 2몰이 생성됩니다.

이질락틱 발효는 Leuconostoc와 Weissella 속과 같은 종에 의해 수행되며, 이 과정에서는 에탄올과 이산화탄소도 생성되어 포도당 1몰당 젖산 1몰이 생성됩니다(Wang et al., 2021).

젖산은 pH를 크게 낮추고

유해 미생물의 성장을 억제함으로써 식품 보존에 다각적인 역할을 하며,

자연 보존제로 작용합니다(Hoffstater, 2023; Hu et al., 2023).

또한 발효 식품의 특유의 신맛을 부여하고 영양 성분의 생체 이용률을 높여 영양 프로필을 개선합니다(Wang et al., 2021). 이는 LAF가 전 세계 다양한 문화에서 식물성 식품의 맛과 건강 혜택을 향상시키는 핵심 요소로 자리매김하게 합니다.

그러나 LAF에는 여러 도전 과제가 존재합니다. LAB 균주의 효과는 다양하며, 모든 균주가 모든 유형의 식물 기질을 발효하는 데 동일하게 효과적이지 않아 제품의 일관성과 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 균주의 특이성과 효율성은 중요하며, 특정 식품 매트릭스에 최적화하는 것은 복잡합니다(Xiao et al., 2024). 또한, LAF는 자연적으로 많은 병원체를 억제하지만, 부적절한 발효 조건은 부패 미생물이나 병원체의 생존 또는 증식을 허용해 심각한 건강 위험을 초래할 수 있습니다(Zapaśnik et al., 2022). 적절한 산도 수준을 달성하기 위해 발효 조건을 엄격히 관리하는 것이 안전성 확보에 필수적입니다.

또한 발효 식품의 감각적 특성은 크게 달라질 수 있습니다. 발효 매개변수(온도, pH, 시간 등)를 신중하게 관리하지 않으면 이취나 불쾌한 텍스처가 발생할 수 있습니다(Xiang et al., 2019). 또한, LAB의 대사 과정을 이해하는 것은 인간 건강에 대한 잠재적 위험을 예방하는 데 필수적입니다. 합성 생물학과 현대 생물공학(다중 오믹스, 유전자 편집 등)은 LAB의 연구와 응용을 진전시키고 있으며, 이는 LAB의 잠재력을 강조합니다(Wang et al., 2021).

3.1. Lactic acid fermentation and secondary metabolites

LAF is pivotal in food preservation, flavor enhancement, and safety, primarily driven by the production of secondary metabolites by LAB. These metabolites, including bacteriocins, diacetyl, acetaldehyde, 2-Hydroxyisocaproic acid (HICA), and 3-phenyllactic acid (PLA), contribute significantly to the sensory properties of foods like yogurt and cheese and to the antimicrobial activity that improves food safety (Lee et al., 2021; Tian et al., 2020).

Diacetyl imparts a buttery flavor to alternative dairy products, while acetaldehyde enhances the aroma of alternative yogurt. Both HICA and PLA, derived from amino acids L-leucine and L-phenylalanine, respectively, exhibit antimicrobial properties, which are particularly useful in fermentations like kimchi (Axel et al., 2016; Lee et al., 2021). The effectiveness and presence of these metabolites depend on the LAB strains, fermentation conditions, and substrates used, enabling tailored production to optimize flavor, aroma, and safety.

Furthermore, these metabolites play a crucial role in neutralizing mycotoxins, with bacteriocins potentially deleting these toxins, thereby reducing their impact on the food chain and enhancing food safety (Zapaśnik et al., 2022). Advanced biotechnology methods, including bioinformatics and genome editing, are vital for optimizing LAB strains to enhance the production of specific beneficial metabolites, which has broad implications for industrial applications and the development of functional foods (Lee et al., 2021; Rusu et al., 2023).

The broader scientific discussion underscores LAB's capability to combat foodborne pathogens through mechanisms like biotransformation, absorption, and adhesion, transforming or sequestering mycotoxins to reduce their toxicity (Krishnan et al., 2024; Tran et al., 2020). These bacteria also contribute to fermented foods’ nutritional and health-promoting qualities, biosynthesizing essential nutrients such as vitamins and demonstrating antioxidant activity. They further affirm their role in food quality and safety (Zapaśnik et al., 2022).

LAB's impact extends to probiotic potential, with specific Lactobacillus strains like L. reuteri, L. salivarius, L. gasseri, and L. ruminis providing health benefits, including managing infections, improving immune responses, and supporting gut health (Tang et al., 2023). Their metabolites, ranging from organic acids to vitamins, play crucial roles in regulating the gut microbiota, enhancing immune function, and maintaining the integrity of the gut epithelial barrier.

Overall, the synergy between LAB's metabolic functions and advanced biotechnological tools highlights the vast potential of these microorganisms in enhancing the safety, nutritional value, and sensory qualities of fermented foods while promoting health benefits and reducing reliance on chemical preservatives.

3.1. 젖산 발효 및 2차 대사산물

LAF는 LAB에 의해 생성되는 2차 대사산물에 의해 주도되어 식품 보존, 맛 향상, 안전성에 핵심적인 역할을 합니다. 이러한 대사산물에는 박테리오신, 다이아세틸, 아세탈데히드, 2-하이드록시이소카프로산(HICA) 및 3-페닐락틱산(PLA)은 요거트와 치즈와 같은 식품의 감각적 특성에 크게 기여하며, 식품 안전성을 향상시키는 항균 활성을 발휘합니다(Lee et al., 2021; Tian et al., 2020).

디아세틸은 대체 유제품에 버터 향을 부여하며, 아세탈데히드는 대체 요거트의 향을 강화합니다. HICA와 PLA는 각각 아미노산 L-루신과 L-페닐알라닌에서 유래되며, 항균 성질을 나타내며 김치와 같은 발효 과정에서 특히 유용합니다(Axel et al., 2016; Lee et al., 2021). 이러한 대사물의 효과와 존재는 LAB 균주, 발효 조건, 사용된 기질에 따라 달라지며, 이는 맛, 향, 안전성을 최적화하기 위한 맞춤형 생산을 가능하게 합니다.

또한 이러한 대사물은 마이코톡신을 중화하는 데 중요한 역할을 하며, 박테리오신은 이러한 독소를 제거하여 식품 사슬에 미치는 영향을 줄이고 식품 안전성을 향상시킬 수 있습니다(Zapaśnik et al., 2022). 바이오인포매틱스와 유전체 편집과 같은 고급 생물공학 기술은 특정 유익한 대사산물 생산을 최적화하기 위해 LAB 균주를 개선하는 데 필수적이며, 이는 산업 응용 및 기능성 식품 개발에 광범위한 영향을 미칩니다(Lee et al., 2021; Rusu et al., 2023).

더 넓은 과학적 논의는 LAB이 생물학적 변환, 흡수, 부착 등의 메커니즘을 통해 식품borne 병원체를 억제하며, 마이코톡신을 변환하거나 격리하여 독성을 감소시키는 능력을 강조합니다(Krishnan et al., 2024; Tran et al., 2020). 이 세균은 발효 식품의 영양적 및 건강 증진 특성에 기여하며, 비타민과 같은 필수 영양소를 생합성하고 항산화 활동을 보여줍니다. 이들은 식품 품질과 안전성 측면에서도 역할을 확인했습니다(Zapaśnik et al., 2022).

LAB의 영향은 프로바이오틱스 잠재력으로 확장되며, L. reuteri, L. salivarius, L. gasseri, L. ruminis와 같은 특정 Lactobacillus 균주는 감염 관리, 면역 반응 개선, 장 건강 지원 등 건강 혜택을 제공합니다(Tang et al., 2023). 그들의 대사산물은 유기산에서 비타민에 이르기까지 다양하며, 장 미생물군집 조절, 면역 기능 강화, 장 상피 장벽의 무결성 유지에 중요한 역할을 합니다.

전체적으로 LAB의 대사 기능과 고급 생물공학 기술의 시너지는 발효 식품의 안전성, 영양 가치, 감각적 품질을 향상시키며 건강 혜택을 촉진하고 화학 보존제 의존도를 줄이는 데 있어 이 미생물의 광범위한 잠재력을 강조합니다.

3.2. Other applications of lactic acid fermentation

3.2.1. Fermented vegetables

Foods like pickles, sauerkraut, and kimchi rely on LAF to convert the natural sugars in vegetables into lactic acid, improving their taste and extending shelf life. Lacto-fermented pickles are a prime example, where vegetables are submerged in saltwater brine, promoting LAB growth, which leads to lactic acid production, imparting a sour flavor and increasing nutritional value (Behera et al., 2020). High consumption of salt-fermented vegetables was not linked to an increased risk of hypertension. Notably, the trend indicating a higher risk of hypertension with increased watery kimchi intake was significant only among obese men (Song et al., 2017).

3.2.2. Sauerkraut and kimchi fermentation

These traditionally fermented vegetables involve a dual-phase fermentation process where initial yeast activity converts sugars into alcohol, followed by LAB converting this alcohol into lactic acid. This process enhances flavor and tanginess and preserves these foods (Dimidi et al., 2019).

3.2.3. Sourdough bread

In sourdough bread making, LAB from the starter or naturally present in the flour converts sugars into lactic acid, creating an acidic environment that enhances yeast activity and bread leavening. This interaction results in bread with a distinct flavor, improved texture, and reduced anti-nutritional factors like phytic acid, making minerals more bioavailable (Pérez-Alvarado et al., 2022; Yang et al., 2024).

3.2.4. Plant-based yogurts

LAF is used to ferment sugars in plant-based milk alternatives (like soy, almond, or coconut), producing lactic acid that lowers pH, enhances texture, and provides the tangy flavor characteristic of traditional yogurt. This process also leads to the development of nutritionally beneficial compounds (Harper et al., 2022; Montemurro et al., 2021).

3.2.5. Tempeh production

The fermentation of soybeans into tempeh involves initial lactic acid production that conditions the environment for the growth of Rhizopus mold, which further enhances the nutritional profile of tempeh by reducing anti-nutritional factors and increasing the availability of isoflavones and minerals. This makes tempeh a nutritious component of plant-based diets (Borzekowski et al., 2019; Teoh et al., 2024).

Through these various applications, LAF contributes to the distinct flavors and preservation of plant-based foods and enhances their nutritional profiles, offering substantial health benefits.

3.2. 젖산 발효의 다른 응용 분야

3.2.1. 발효 채소

피클, 사워크라우트, 김치와 같은 식품은 LAF를 통해 채소의 자연 당분을 젖산으로 전환하여 맛을 개선하고 유통기한을 연장합니다. 젖산 발효 피클은 대표적인 예로, 채소를 소금물에 담가 LAB의 성장을 촉진시켜 젖산을 생성하며, 이는 신맛을 부여하고 영양 가치를 높입니다 (Behera et al., 2020). 소금 발효 채소의 높은 섭취량은 고혈압 위험 증가와 연관되지 않았습니다. 특히, 물기가 많은 김치 섭취량이 증가할수록 고혈압 위험이 높아지는 경향은 비만 남성에서만 유의미했습니다(Song et al., 2017).

3.2.2. 사우어크라우트와 김치 발효

이 전통적인 발효 채소는 이중 단계 발효 과정을 거칩니다. 초기 효모 활동이 당분을 알코올로 전환한 후, LAB이 이 알코올을 젖산으로 전환합니다. 이 과정은 맛과 신맛을 강화하고 식품을 보존합니다(Dimidi et al., 2019).

3.2.3. 사워도우 빵

사워도우 빵 제조 과정에서 스타터나 밀가루에 자연적으로 존재하는 LAB은 당분을 젖산으로 전환하여 산성 환경을 조성합니다. 이 환경은 효모 활성을 촉진하고 빵의 발효를 돕습니다. 이 상호작용은 독특한 맛, 개선된 텍스처, 피틴산과 같은 항영양 인자의 감소로 이어지며, 이는 미네랄의 생체 이용률을 높입니다(Pérez-Alvarado et al., 2022; Yang et al., 2024).

3.2.4. 식물성 요거트

LAF는 식물성 우유 대체품(콩, 아몬드, 코코넛 등)의 당을 발효시켜 유산산을 생성하며, 이는 pH를 낮추고 텍스처를 개선하며 전통적인 요거트의 특유의 신맛을 제공합니다. 이 과정은 또한 영양적으로 유익한 화합물의 형성을 촉진합니다(Harper et al., 2022; Montemurro et al., 2021).

3.2.5. 템페 생산

대두를 템페로 발효시키는 과정은 초기 젖산 생산을 통해 Rhizopus 곰팡이의 성장 환경을 조성하며, 이는 템페의 영양 프로필을 향상시켜 항영양 인자를 감소시키고 이소플라본 및 미네랄의 가용성을 증가시킵니다. 이 때문에 템페는 식물성 식단의 영양가 있는 구성 요소로 인정받고 있습니다(Borzekowski et al., 2019; Teoh et al., 2024).

이러한 다양한 응용을 통해 LAF는 식물성 식품의 독특한 맛과 보존성을 향상시키고 영양 프로필을 강화하여 상당한 건강 혜택을 제공합니다.

4. Application of acetic acid fermentation in plant-based foods

Acetic acid bacteria (AAB) are involved in various food and beverage fermentations, such as vinegar, kombucha, water kefir, and lambic. AAB convert ethanol to acetic acid in vinegar production and contribute to distinct flavors and aromas (Laavanya et al., 2021; Song et al., 2016). They also produce exopolysaccharides like levan and bacterial cellulose, which have applications as stabilizers, texture modifiers, and carriers for enzymes and probiotics in the food industry. AAB have significant potential for innovation and improvement in food production, contributing to the development of healthier and more sustainable food products (Hata et al., 2023).

AAB are Gram-negative bacteria that can oxidize ethanol to acetic acid. They are widely found in nature and have critical applications in the food and beverage industry. They can also produce other metabolic products, such as gluconic acid, L-sorbose, and bacterial cellulose, which have potential uses in the food and biomedical industries. AAB are strictly aerobic, catalase-positive, and oxidase-negative bacteria. They have ellipsoidal to rod-shaped cells and can grow at temperatures between 25 and 30 °C (Wang et al., 2015).

AAB oxidize ethanol to acetic acid through two sequential reactions catalyzed by alcohol dehydrogenase and aldehyde dehydrogenase enzymes. Different AAB genera have varying abilities to oxidize ethanol, sugars, and sugar alcohols. The characteristics of AAB, such as motility, flagellation, and cellulose production, differ among the genera. AAB play a significant role in the food industry and have essential biotechnological applications. They can contaminate and spoilage agents in alcoholic drinks and soft beverages, causing undesirable odors and tastes (Bartowsky & Henschke, 2008). AAB strains exhibit varying degrees of acetic acid tolerance, partly attributed to specific enzymes’ amino acid sequences. The genus Komagataeibacter is significant for cellulose production, and the bacterial cellulose synthesis B (bcsB) gene is significant in cellulose synthesis (Ogino et al., 2011). Isolation and cultivation of AAB can be challenging, and molecular methods are recommended for accurate identification at the species level. AABs are involved in producing various products with applications in the food, pharmaceutical, and biomedical industries (Gomes et al., 2018).

4. 식물성 식품에서의 아세트산 발효 응용

아세트산 박테리아(AAB)는 식초, 콤부차, 물 케피르, 람빅 등 다양한 식품 및 음료 발효에 관여합니다. AAB는 식초 생산 과정에서 에탄올을 아세트산으로 전환하며 독특한 맛과 향을 기여합니다(Laavanya et al., 2021; Song et al., 2016). 또한 레반 및 박테리아 셀룰로오스와 같은 외부 다당류를 생성하며, 이는 식품 산업에서 안정제, 식감 개선제, 효소 및 프로바이오틱스의 운반체로 사용됩니다. AAB는 식품 생산의 혁신과 개선에 상당한 잠재력을 가지고 있으며, 더 건강하고 지속 가능한 식품의 개발에 기여하고 있습니다 (Hata et al., 2023).

AAB는 에탄올을 아세트산으로 산화시키는 그람 음성 세균입니다. 자연에 널리 분포하며 식품 및 음료 산업에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다. 또한 글루콘산, L-소르보스, 세균 셀룰로오스 등 다른 대사 산물을 생산하며, 이는 식품 및 생물 의학 산업에서 잠재적 용도를 가지고 있습니다. AAB는 엄격히 호기성, 카탈라아제 양성, 산화효소 음성 세균입니다. AAB는 타원형에서 막대형 세포를 가지고 있으며, 25~30°C의 온도에서 성장할 수 있습니다 (Wang et al., 2015).

AAB는 알코올 탈수소효소와 알데히드 탈수소효소 효소에 의해 촉매되는 두 단계의 연속 반응을 통해 에탄올을 아세트산으로 산화합니다. 다양한 AAB 속은 에탄올, 당류, 당알코올의 산화 능력에 차이가 있습니다. AAB의 특성인 운동성, 편모 형성, 셀룰로오스 생산 등은 속별로 다릅니다. AAB는 식품 산업에서 중요한 역할을 하며 필수적인 생물공학적 응용 분야를 가지고 있습니다. 이들은 알코올 음료와 소프트 드링크에서 오염 및 부패 원인균으로 작용하여 불쾌한 냄새와 맛을 유발합니다 (Bartowsky & Henschke, 2008)AAB 균주는 아세트산 내성 정도가 다양하며, 이는 특정 효소의 아미노산 서열에 부분적으로 기인합니다. Komagataeibacter 속은 셀룰로오스 생산에 중요하며, 세균 셀룰로오스 합성 B(bcsB) 유전자는 셀룰로오스 합성에 중요합니다(Ogino et al., 2011). AAB의 분리 및 배양은 어려울 수 있으며, 종 수준에서의 정확한 식별을 위해 분자적 방법이 권장됩니다. AAB는 식품, 제약, 생물 의학 산업에 적용되는 다양한 제품을 생산하는 데 관여합니다(Gomes et al., 2018).

4.1. Acetic acid fermentation and secondary metabolites in vinegar production

Acetic acid fermentation (AAF) is crucial for vinegar production, primarily driven by Acetobacter spp., which converts ethanol into acetic acid. This process is significantly influenced by the fermentation methods, starting materials, and environmental conditions such as oxygen levels and substrate type. These conditions affect not only the production speed and efficiency but also the formation of secondary metabolites such as ketones, aldehydes, and esters, which enhance vinegar's complexity and sensory properties by adding fruity, floral notes and subtle flavor nuances (Gomes et al., 2018).

The metabolic activities of these bacteria adjust based on oxygen availability and the substrate, impacting the distinct characteristics of vinegar and posing challenges in managing substrate quality and fermentation conditions (Román-Camacho et al., 2023). Optimizing parameters such as pH and oxygen supply is essential for balancing ethanol oxidation and acetic acid production, aiming for a high-quality final product. Research also explores the fermentation of various substrates, including grape, fig, honey, onion, tomato, and prickly pear, noting differences in fermentation duration and acetification rates. Adding wood chips during the aging process enhances the physicochemical characteristics of vinegar, such as color and phenolic content (Mizzi et al., 2022; Román-Camacho et al., 2023).

Secondary metabolites produced during AAF have been studied for their antioxidant, anti-inflammatory, and antimicrobial properties, influencing food preservation, sensory characteristics, and nutritional value when used as additives or preservatives. Comparative metabolite profiling of traditional and commercial vinegar reveals significant differences in metabolite composition. Traditional vinegar is characterized by slower and more complex fermentation processes, containing a higher diversity and abundance of specific metabolites than commercial vinegar, which is produced faster using distilled ethanol. (Gomes et al., 2018; Li et al., 2022; Shin et al., 2021; Zhu et al., 2018; Zhang et al., 2023a).

4.1. 식초 생산에서의 아세트산 발효 및 2차 대사산물

아세트산 발효(AAF)는 식초 생산에 필수적이며, 주로 Acetobacter 속이 에탄올을 아세트산으로 전환하는 과정입니다. 이 과정은 발효 방법, 원료, 산소 농도 및 기질 유형과 같은 환경 조건에 크게 영향을 받습니다. 이러한 조건은 생산 속도와 효율성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 케톤, 알데히드, 에스터와 같은 2차 대사산물의 형성에 영향을 미칩니다. 이러한 대사산물은 식초의 복잡성과 감각적 특성을 향상시켜 과일 향, 꽃 향, 미묘한 맛의 뉘앙스를 추가합니다(Gomes et al., 2018).

이 세균의 대사 활동은 산소 공급량과 기질에 따라 조정되며, 이는 식초의 독특한 특성에 영향을 미치고 기질 품질 관리 및 발효 조건 조절에 도전 과제를 제기합니다(Román-Camacho et al., 2023). pH와 산소 공급량과 같은 매개변수를 최적화하는 것은 에탄올 산화 및 아세트산 생산을 균형 있게 조절하여 고품질 최종 제품을 생산하는 데 필수적입니다. 연구는 포도, 무화과, 꿀, 양파, 토마토, 선인장 등 다양한 기질의 발효를 탐구하며, 발효 기간과 아세트산화 속도의 차이를 확인했습니다. 숙성 과정에서 목재 칩을 추가하면 식초의 물리화학적 특성(색상, 페놀 함량 등)이 향상됩니다(Mizzi et al., 2022; Román-Camacho et al., 2023).

AAF 과정에서 생성되는 2차 대사산물은 항산화, 항염증, 항균 성질을 가지고 있으며, 첨가제나 보존제로 사용될 때 식품 보존, 감각 특성, 영양 가치에 영향을 미칩니다. 전통적 식초와 상업용 식초의 대사체 프로파일링 비교는 대사체 구성에 유의미한 차이를 보여줍니다. 전통 식초는 더 느리고 복잡한 발효 과정을 거쳐 상업용 식초보다 특정 대사체의 다양성과 풍부함이 더 높습니다. 상업용 식초는 증류 에탄올을 사용하여 더 빠르게 생산됩니다. (Gomes et al., 2018; Li et al., 2022; Shin et al., 2021; Zhu et al., 2018; Zhang et al., 2023a).

4.2. Microbiota's impact on vinegar's flavor profile and genetic diversity

High-throughput sequencing and gas chromatography-mass spectrometry (GC–MS) analysis have identified dominant bacteria like Lactobacillus and Acetobacter and fungi such as Alternaria and Candida, which correlate strongly with specific flavor compounds. For example, Lactobacillus is linked with ethyl esters and Acetobacter, forming organic acids. The study of non-volatile dipeptides further suggests that these microbial communities significantly contribute to the sensory properties and potential health benefits of vinegar like Hongqu aromatic vinegar (HAV) (Li et al., 2022).

Moreover, studies on the regulatory mechanisms in bacteria, like the role of catabolite control protein A (CcpA) in Bacillus licheniformis, show that deletion of CcpA increases acetic acid production by enhancing the transcription of genes in the acetic acid metabolism pathway and the conversion rate of glucose to acetic acid. This highlights CcpA's role in balancing glucose metabolism and acetic acid production, offering insights into microbial carbon source utilization and overflow metabolism regulation (Zhang et al., 2023b).

Researchers have identified and analyzed strains of Acetobacter and Gluconobacter from grapes and vinegar (Vegas et al., 2013). Their findings on these strains’ microbial diversity and genetic diversity enhance understanding of the complex interrelations in vinegar fermentation processes, reflecting the intricate relationship between microbial actions, substrate choice, and environmental conditions in vinegar production, highlighting the importance of each factor in achieving desirable vinegar qualities.

4.2. 미생물이 식초의 풍미 프로파일과 유전적 다양성에 미치는 영향

고속 시퀀싱과 가스 크로마토그래피-질량 분석법(GC–MS) 분석을 통해 Lactobacillus와 Acetobacter와 같은 주요 세균과 Alternaria 및 Candida와 같은 곰팡이가 특정 풍미 화합물과 강하게 연관되어 있음을 확인했습니다. 예를 들어, Lactobacillus는 에틸 에스터와 연관되어 있으며, Acetobacter는 유기산을 형성합니다. 비휘발성 디펩티드에 대한 연구는 이러한 미생물 군집이 홍구 향신료 식초(HAV)와 같은 식초의 감각적 특성 및 잠재적 건강 혜택에 크게 기여한다는 것을 추가로 제시합니다(Li et al., 2022).

또한, 박테리아의 조절 메커니즘에 대한 연구, 예를 들어 Bacillus licheniformis의 대사 조절 단백질 A (CcpA)의 역할과 같은 세균의 조절 메커니즘 연구는 CcpA의 결실이 아세트산 대사 경로의 유전자 전사 증가와 포도당에서 아세트산으로의 전환율을 높여 아세트산 생산을 증가시킨다는 것을 보여주었습니다. 이는 CcpA가 포도당 대사 균형과 아세트산 생산을 조절하는 역할을 강조하며, 미생물의 탄소 원천 이용과 과잉 대사 조절에 대한 통찰을 제공합니다 (Zhang et al., 2023b).

연구자들은 포도와 식초에서 Acetobacter와 Gluconobacter 균주를 분리 및 분석했습니다(Vegas et al., 2013). 이 연구는 이러한 균주의 미생물 다양성과 유전적 다양성에 대한 결과를 통해 식초 발효 과정의 복잡한 상호작용을 이해하는 데 기여했으며, 미생물 활동, 기질 선택, 환경 조건 간의 복잡한 관계를 반영하여 식초 생산에서 각 요인의 중요성을 강조했습니다.

4.3. Other applications of acetic acid fermentation

4.3.1. Fermented condiments

AAF is critical in producing fermented condiments like hot sauces and mustard, which helps preserve and enhance flavor complexity. Ingredients such as peppers, fruits, or mustard seeds are fermented with acetic acid bacteria (AAB), contributing to a richer diversity of flavors than their unfermented counterparts. Controlling the fermentation environment - temperature, oxygen exposure, and duration - is essential for achieving the desired acidity and flavor profiles. This process showcases the transformative power of AAF in enhancing taste while ensuring food safety and stability in culinary traditions (García-Casal et al., 2016).

4.3.2. Fermented grains

AAF is pivotal in transforming grains into products like rice vinegar, beer vinegar, and traditional fermented foods such as boza. The process starts with saccharifying starches in grains into sugars, often using enzymes from koji (Aspergillus oryzae), followed by fermentation of these sugars by yeast into ethanol. AAB then converts the ethanol into acetic acid, which is crucial for the taste and preservation of these culinary staples. Managing fermentation conditions like temperature, pH, and oxygen levels optimizes acetic acid production, enhancing the nutritional and gastronomical value of grains and illustrating the importance of AAF in food culture and innovation (Yasui et al., 2020).

4.3.3. Enhanced food safety and digestibility

AAF improves plant-based food safety by creating an acidic environment that deters pathogenic bacteria, acting as a natural preservative. This process extends shelf life and aligns with consumer preferences for natural, minimally processed foods. It has been extensively researched for its effectiveness in preventing contamination and spoilage, emphasizing its role as a sustainable and health-conscious method for maintaining food safety and quality (Hata et al., 2023; Siddiqui et al., 2023).

Furthermore, AAF enhances the digestibility and nutrient bioavailability of plant-based foods. It breaks down complex molecules into more digestible components and reduces anti-nutritional factors like phytates, which inhibit mineral absorption. This process modifies the physical structure of foods, aiding in the breakdown of fibers and proteins and making essential vitamins and minerals more accessible (Bryant et al., 2023; Samtiya et al., 2021).

4.3. 아세트산 발효의 다른 응용 분야

4.3.1. 발효 조미료

AAF는 핫소스나 머스타드와 같은 발효 조미료 생산에 필수적이며, 맛의 복잡성을 보존하고 강화하는 데 기여합니다. 고추, 과일, 머스타드 씨앗과 같은 원료는 아세트산 박테리아(AAB)와 함께 발효되어 발효되지 않은 제품보다 풍부한 맛의 다양성을 제공합니다. 발효 환경(온도, 산소 노출, 기간)을 조절하는 것은 원하는 산도와 맛 프로파일을 달성하는 데 필수적입니다. 이 과정은 AAF가 맛을 향상시키며 식품 안전성과 안정성을 보장하는 데 기여하는 변혁적인 힘을 보여줍니다(García-Casal et al., 2016).

4.3.2. 발효 곡물

AAF는 쌀 식초, 맥주 식초, 보자(boza)와 같은 전통 발효 식품으로 곡물을 변환하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 이 과정은 곡물의 전분을 효소(주로 Aspergillus oryzae에서 유래한 효소)를 사용하여 당으로 분해하는 것으로 시작되며, 이후 이 당이 효모에 의해 에탄올로 발효됩니다. AAB는 에탄올을 아세트산으로 전환하며, 이는 이러한 요리 재료의 맛과 보존에 필수적입니다. 발효 조건(온도, pH, 산소 수준과 같은 발효 조건을 관리하는 것은 아세트산 생산을 최적화하여 곡물의 영양적 및 요리적 가치를 높이며, AAF가 식품 문화와 혁신에서 차지하는 중요성을 보여줍니다 (Yasui et al., 2020).

4.3.3. 식품 안전성과 소화성 향상

AAF는 병원성 세균의 번식을 억제하는 산성 환경을 조성하여 식물성 식품의 안전성을 향상시키며, 자연적인 보존제 역할을 합니다. 이 과정은 유통 기한을 연장하며 소비자의 자연적이고 최소 가공된 식품에 대한 선호와 일치합니다. 오염과 부패 예방에 대한 효과는 광범위하게 연구되었으며, 식품 안전성과 품질 유지에 있어 지속 가능하고 건강 친화적인 방법으로서의 역할을 강조합니다(Hata et al., 2023; Siddiqui et al., 2023).

또한 AAF는 식물성 식품의 소화성과 영양소 생체 이용률을 향상시킵니다. 복잡한 분자를 더 소화하기 쉬운 성분으로 분해하고, 미네랄 흡수를 방해하는 피타트와 같은 항영양 인자를 감소시킵니다. 이 과정은 식품의 물리적 구조를 변경하여 섬유질과 단백질의 분해를 돕고 필수 비타민과 미네랄의 흡수를 용이하게 합니다(Bryant et al., 2023; Samtiya et al., 2021).

5. Applications of propionic acid fermentation in plant-based foods

Propionic acid fermentation (PAF), primarily utilized in cheese production, involves Propionibacterium spp., notably P. freudenreichii. These bacteria convert lactic acid into propionic acid, carbon dioxide, and water, contributing to cheeses’ distinct flavor and characteristic holes (eyes). This process, facilitated by the Wood-Werkman cycle, enhances the cheese's texture and safety by inhibiting spoilage and pathogenic microorganisms. Managing propionic acid levels is crucial as it affects the cheese's consistency and sensory attributes; too much propionic acid can lead to an overly sharp taste, while too little may result in bland cheese (Bücher et al., 2021; Piwowarek et al., 2018; Rabah et al., 2018).

Further research on propionic acid's anti-inflammatory and immune-modulating effects is vital for optimizing its concentration to leverage health benefits. As demand grows, maintaining cheese quality while maximizing the health benefits of propionic acid poses challenges, including optimizing fermentation conditions and ensuring the consistent performance of Propionibacterium strains amid increasing regulatory scrutiny (Mukherjee et al., 2022).

Innovations in cheesemaking continue as research progresses, exemplifying the intricate relationship between traditional food processing techniques and modern nutritional science. Additional applications of PAF involve using mixed carbon sources, such as glucose and glycerol, to increase propionic acid production. Jerusalem artichoke-based media, containing diverse carbohydrates, have shown enhanced propionic acid production when supplemented with yeast extract. Optimization of fermentation time through advanced bioreactor systems and the digestion of nitrogen sources like peptone and yeast extract also improve propionic acid yield and productivity (Feng et al., 2011; Liang et al., 2012; Ruiz et al., 2014).

While primarily discussed here in the context of cheese production, PAF is also applicable to various plant-based foods. In such applications, propionic acid can contribute to flavor development, preservation, and pH regulation in fermented vegetables, as well as plant-based dairy and meat alternatives, reflecting its versatility and importance in both traditional and innovative food processing contexts.

5. 식물성 식품에서의 프로피온산 발효의 응용

프로피온산 발효(PAF)는 주로 치즈 생산에 활용되며, Propionibacterium spp. 특히 P. freudenreichii가 관여합니다. 이 세균은 젖산을 프로피온산, 이산화탄소, 물로 전환하여 치즈의 독특한 맛과 특징적인 구멍(눈)을 형성합니다. 이 과정은 Wood-Werkman 사이클에 의해 촉진되며, 부패 및 병원성 미생물의 증식을 억제하여 치즈의 텍스처와 안전성을 향상시킵니다. 프로피온산 농도 관리가 중요하며, 이는 치즈의 일관성과 감각적 특성에 영향을 미칩니다. 프로피온산이 과다하면 지나치게 씁쓸한 맛이 나고, 부족하면 맛이 밋밋해질 수 있습니다(Bücher et al., 2021; Piwowarek et al., 2018; Rabah et al., 2018).

프로피온산의 항염증 및 면역 조절 효과에 대한 추가 연구는 건강 혜택을 극대화하기 위해 농도를 최적화하는 데 필수적입니다. 수요가 증가함에 따라 치즈 품질을 유지하면서 프로피온산의 건강 혜택을 극대화하는 것은 도전 과제입니다. 이는 발효 조건 최적화 및 규제 감독 강화 속에서 Propionibacterium 균주의 일관된 성능 확보를 포함합니다(Mukherjee et al., 2022).

치즈 제조 기술의 혁신은 연구가 진행됨에 따라 계속되고 있으며, 전통적인 식품 가공 기술과 현대 영양 과학의 복잡한 관계를 보여줍니다. PAF의 추가 응용 사례로는 글루코스 및 글리세롤과 같은 혼합 탄소원을 사용하여 프로피온산 생산을 증가시키는 방법이 있습니다. 다양한 탄수화물을 함유한 예루살렘 아티초크 기반 배지에는 효모 추출물을 보충할 경우 프로피온산 생산이 향상되었습니다. 고급 생물반응기 시스템을 통한 발효 시간 최적화와 페프톤 및 효모 추출물과 같은 질소 원료의 분해는 프로피온산 수율과 생산성을 향상시킵니다 (Feng et al., 2011; Liang et al., 2012; Ruiz et al., 2014).

여기서는 주로 치즈 생산 맥락에서 논의되었지만, PAF는 다양한 식물성 식품에도 적용 가능합니다. 이러한 응용 분야에서 프로피온산은 발효 채소의 풍미 발달, 보존, pH 조절에 기여하며, 식물성 유제품 및 육류 대체품에도 적용되어 전통적 및 혁신적 식품 가공 맥락에서 그 다양성과 중요성을 반영합니다.

5.1. Propionic acid fermentation and secondary metabolites

PAF, primarily driven by Propionibacterium spp., is crucial in producing Swiss cheese by converting sugars like glucose or lactose into propionic acid, acetic acid, and carbon dioxide. This metabolic process contributes to the cheese's distinctive flavors and textures and generates secondary metabolites such as flavor-enhancing esters and complex fatty acids. These metabolites enrich the cheese's sensory profile and offer opportunities for cheesemakers to fine-tune the flavor and texture, ensuring consistent quality and regional uniqueness (Piwowarek et al., 2018; Rusu et al., 2023).

During PAF, glucose is initially converted into pyruvate through glycolysis, generating ATP and NADH to fuel microbial activities. Subsequent enzymatic reactions transform pyruvate into propionic acid, which is integral to preserving cheese by inhibiting bacterial and mold growth. The variation in metabolite production, influenced by bacterial strains and fermentation conditions, allows for the customization of cheese attributes, enhancing its marketability and consumer appeal (Rusu et al., 2023; Siddiqui et al., 2023).

Research in this area increasingly focuses on identifying and exploiting these secondary metabolites for their potential health benefits, including probiotic properties that could lead to new functional food applications. Additionally, understanding the interactions of these metabolites with pathogens and contaminants is essential for leveraging their antimicrobial properties to enhance food safety (Punia Bangar et al., 2021; Verbeke et al., 2015).

Moreover, the biotechnological optimization of microbial fermentation processes involves advanced techniques such as strain improvement, fermentation optimization, and metabolic engineering. These approaches aim to enhance the production yields of secondary metabolites, discover new bioactive compounds, and develop more efficient and sustainable production processes. Overall, the strategic use of PAF and the exploration of secondary metabolites hold significant promise for applications in medicine, agriculture, and industry, offering a bridge between traditional cheesemaking techniques and modern nutritional science (Rusu et al., 2023).

5.1. 프로피온산 발효 및 2차 대사산물

PAF는 주로 Propionibacterium spp.에 의해 주도되며, 글루코스나 락토스와 같은 당을 프로피온산, 아세트산, 이산화탄소로 전환하여 스위스 치즈 생산에 필수적입니다. 이 대사 과정은 치즈의 독특한 맛과 텍스처를 형성하며, 맛을 강화하는 에스터와 복잡한 지방산과 같은 2차 대사물을 생성합니다. 이러한 대사물은 치즈의 감각적 프로필을 풍부하게 하며, 치즈 제조업체가 맛과 텍스처를 미세 조정하여 일관된 품질과 지역적 특성을 확보할 수 있는 기회를 제공합니다 (Piwowarek et al., 2018; Rusu et al., 2023).

PAF 동안 포도당은 글리코시스 과정을 통해 피루vate로 전환되어 미생물 활동에 필요한 ATP와 NADH를 생성합니다. 이후 효소 반응을 통해 피루vate는 프로피온산으로 변환되며, 이는 세균과 곰팡이 성장 억제를 통해 치즈 보존에 필수적입니다. 대사산물 생산의 변동은 세균 균주와 발효 조건에 의해 영향을 받아 치즈 특성을 맞춤형으로 조절할 수 있으며, 이는 시장성과 소비자 선호도를 높입니다(Rusu et al., 2023; Siddiqui et al., 2023).

이 분야의 연구는 이러한 2차 대사산물의 잠재적 건강 혜택을 식별하고 활용하는 데 점점 더 초점을 맞추고 있습니다. 특히 프로바이오틱스 특성을 통해 새로운 기능성 식품 응용 가능성을 탐구하는 연구가 진행 중입니다. 또한, 이러한 대사산물과 병원체 및 오염물질 간의 상호작용을 이해하는 것은 항균 특성을 활용해 식품 안전성을 향상시키는 데 필수적입니다(Punia Bangar et al., 2021; Verbeke et al., 2015).

또한 미생물 발효 과정의 생물공학적 최적화는 균주 개선, 발효 최적화, 대사 공학 등 고급 기술을 포함합니다. 이러한 접근 방식은 2차 대사 산물의 생산량을 증가시키고 새로운 생물활성 화합물을 발견하며 더 효율적이고 지속 가능한 생산 과정을 개발하는 것을 목표로 합니다. 전반적으로 PAF의 전략적 활용과 2차 대사 산물의 탐구는 의학, 농업 및 산업 분야에서 응용 가능성을 크게 보여주고 있으며, 전통적인 치즈 제조 기술과 현대 영양 과학 사이의 가교 역할을 하고 있습니다 (Rusu et al., 2023).

5.2. Other applications of propionic acid fermentation

5.2.1. Cheese analog

Creating cheese analogs without dairy is advancing within the plant-based food industry. Researchers are employing PAF to ferment plant-based milk alternatives, aiming to replicate traditional Swiss cheese's distinctive flavors and textures, including its nutty, sweet flavor and characteristic holes. This method combines traditional cheesemaking techniques with modern fermentation processes to provide sustainable and inclusive alternatives for those avoiding dairy (Boukid et al., 2023a; Liggett et al., 2008; Mukherjee et al., 2022).

5.2.2. Use as a preservative

Propionic acid and its derivatives, such as calcium and sodium propionate, are extensively used in the food industry as preservatives. Effective against mold and certain bacteria, these compounds disrupt microbial cell pH balance, thus inhibiting their growth. They are particularly valuable for extending various foods’ shelf life, including alternative plant-based items, baked goods, dairy products, and confectionery. Their use aligns with consumer preferences for cleaner labels and helps reduce food waste by maintaining the quality and safety of food products (Ranaei et al., 2020; Tangyu et al., 2019; Zhang et al., 2020).

5.2.3. Biotechnological applications

The biotechnological applications of propionic acid fermentation extend far beyond traditional uses, presenting exciting possibilities for developing plant-based food ingredients and additives. This fermentation process is controlled to produce specific flavors and functional properties tailored to enhance the appeal and nutritional value of plant-based foods. By adding beneficial metabolites, improving preservation, and extending shelf life, this method meets the demand for clean-label ingredients and promotes digestive health. Despite its benefits, expanding probiotics in fermented vegetables and fruits faces challenges, including adapting lactic acid bacteria to plant matrices and environmental stresses (Aleman et al., 2024; Gänzle et al., 2023).

5.2. 프로피온산 발효의 기타 응용

5.2.1. 치즈 유사체

유제품을 사용하지 않고 치즈 유사체를 제조하는 기술은 식물 기반 식품 산업에서 발전하고 있습니다. 연구자들은 PAF를 활용해 식물 기반 우유 대안을 발효시켜 전통적인 스위스 치즈의 독특한 맛과 텍스처, 특히 견과류 같은 달콤한 맛과 특징적인 구멍을 재현하려 노력하고 있습니다. 이 방법은 전통적인 치즈 제조 기술과 현대적인 발효 과정을 결합해 유제품을 피하는 사람들에게 지속 가능하고 포용적인 대안을 제공합니다(Boukid et al., 2023a; Liggett et al., 2008; Mukherjee et al., 2022).

5.2.2. 보존제로서의 활용

프로피온산과 그 유도체(칼슘 프로피오네이트, 나트륨 프로피오네이트 등)는 식품 산업에서 보존제로 널리 사용됩니다. 곰팡이와 특정 세균에 효과적이며, 미생물 세포의 pH 균형을 깨뜨려 성장 억제를 유도합니다. 이들은 식물성 대체 식품, 제과류, 유제품, 과자류 등 다양한 식품의 유통기한을 연장하는 데 특히 유용합니다. 이러한 사용은 소비자의 깨끗한 라벨 선호와 일치하며, 식품의 품질과 안전성을 유지함으로써 식품 폐기물을 줄이는 데 기여합니다 (Ranaei et al., 2020; Tangyu et al., 2019; Zhang et al., 2020).

5.2.3. 생물공학적 응용

프로피온산 발효의 생물공학적 응용은 전통적인 용도를 넘어 식물성 식품 원료 및 첨가제 개발에 흥미로운 가능성을 제시합니다. 이 발효 과정은 식물성 식품의 매력과 영양 가치를 향상시키기 위해 특정 향미와 기능적 특성을 생산하도록 제어됩니다. 유익한 대사물을 추가하고 보존성을 개선하며 유통기한을 연장함으로써 이 방법은 청정 라벨 원료에 대한 수요를 충족시키고 소화 건강을 촉진합니다. 그럼에도 불구하고 발효 채소와 과일에서 프로바이오틱스를 확대하는 것은 유산균을 식물 매트릭스와 환경 스트레스에 적응시키는 등 도전 과제를 안고 있습니다 (Aleman et al., 2024; Gänzle et al., 2023).

6. Application of butyric acid fermentation in plant-based foods

Butyric acid fermentation (BAF) promotes gut health and systemic benefits, especially in plant-based diets. This process, primarily driven by Clostridium spp. and gut microbiota, converts dietary fibers and resistant starches into butyric acid. Butyric acid serves as an essential energy source for colon cells and supports anti-inflammatory and immunomodulatory functions, enhancing intestinal barrier function, metabolic health, insulin sensitivity, and potentially treating obesity and diabetes (Cronin et al., 2021; Li et al., 2020; Liu et al., 2018; Simsek & Whitney, 2024; van Deuren et al., 2022)

Despite these advantages, optimizing butyric acid production faces challenges due to the variability of gut microbiota and the often insufficient fiber content in modern diets. The efficacy of butyric acid fermentation (BAF) is significantly influenced by the type of dietary fiber consumed, as certain fibers more effectively promote butyric acid production. (Barber et al., 2020; Luo et al., 2018; Neyrinck et al., 2022; Williams et al., 2017).

Research has shown that controlled fermentation processes in plant-based foods like legumes can enhance butyric acid content, improving gut health and contributing to a balanced microbiome. This approach enriches foods’ flavor and health benefits and supports the development of functional foods optimized for health through fermentation (Liu et al., 2018; Leeuwendaal et al., 2022; Valentino et al., 2024).

Further advancements in BAF include enhanced butyric acid production from lignocellulosic biomass through genetic engineering and synthetic scaffolds. Cost-effective substrates like cheese whey and wheat straw have been explored, and genetic manipulation of microorganisms such as Clostridium tyrobutyricum has improved production yields. Butyric acid's potential as a therapeutic agent, with anti-inflammatory and anti-tumor properties, is being further investigated along with its integration with other processes like chemical catalysis and high-pressure CO2 extraction to improve production efficiency and value (Becker et al., 2015; Fu et al., 2017; Jiang et al., 2018).

These developments underscore the expanding applications and potential benefits of butyric acid fermentation in enhancing the taste, extending the shelf life, adjusting pH levels, and enriching the nutritional profile of plant-based foods.

6. 식물성 식품에 대한 부티르산 발효의 적용

부티르산 발효(BAF)는 특히 식물성 식단에서 장 건강과 전신적 이점을 촉진합니다. 이 과정은 주로 Clostridium spp.와 장 미생물에 의해 주도되며, 식이 섬유와 저항성 전분을 부티르산으로 전환합니다. 부티르산은 대장 세포의 필수 에너지원으로 작용하며, 항염증 및 면역 조절 기능을 지원하여 장 장벽 기능, 대사 건강, 인슐린 민감성을 향상시키고 비만 및 당뇨병 치료에 잠재적 효과를 보입니다(Cronin et al., 2021; Li et al., 2020; Liu et al., 2018; Simsek & Whitney, 2024; van Deuren et al., 2022)

이러한 장점에도 불구하고, 장내 미생물의 다양성과 현대 식단에서 식이 섬유 함량이 종종 부족하다는 점으로 인해 부티르산 생산을 최적화하는 데 어려움이 있습니다. 부티르산 발효(BAF)의 효능은 섭취하는 식이 섬유의 유형에 크게 영향을 받으며, 특정 섬유는 부티르산 생산을 더 효과적으로 촉진합니다(Barber et al., 2020; Luo et al., 2018; Neyrinck et al., 2022; Williams et al., 2017).

연구 결과, 콩류와 같은 식물성 식품에서 통제된 발효 과정을 통해 부티르산 함량을 증가시켜 장 건강을 개선하고 균형 잡힌 미생물군집 형성에 기여할 수 있음을 보여주었습니다. 이 접근 방식은 식품의 맛과 건강 혜택을 풍부하게 하며, 발효를 통해 건강에 최적화된 기능성 식품 개발을 지원합니다 (Liu et al., 2018; Leeuwendaal et al., 2022; Valentino et al., 2024).

BAF의 추가적인 발전에는 유전자 공학을 통해 리그노셀룰로오스 생물질로부터 부티르산 생산을 향상시키는 방법과 합성 지지체를 활용한 기술이 포함됩니다. 치즈 유청과 밀 짚과 같은 비용 효율적인 원료가 탐구되었으며, Clostridium tyrobutyricum과 같은 미생물의 유전자 조작을 통해 생산 수율이 개선되었습니다. 부티르산의 항염증 및 항종양 성질을 갖춘 치료제としての 잠재력은 화학 촉매 및 고압 CO₂ 추출과 같은 다른 공정과의 통합을 통해 생산 효율성과 가치를 향상시키는 방향으로 추가 연구가 진행 중입니다(Becker et al., 2015; Fu et al., 2017; Jiang et al., 2018).

이러한 발전은 식물성 식품의 맛 향상, 유통기한 연장, pH 수준 조절, 영양 프로파일 강화 등에 있어 부티르산 발효의 확장된 응용 분야와 잠재적 혜택을 강조합니다.

6.1. Butyric acid fermentation and secondary metabolites

Butyric acid fermentation, primarily driven by anaerobic bacteria such as Clostridium, Butyrivibrio, and Fusobacterium, is critical in converting carbohydrates into butyric acid and other by-products like hydrogen and carbon dioxide. This process impacts the sensory qualities of dairy products to alternative options by producing volatile fatty acids, alcohols, and gases that contribute to a rancid butter-like smell and enhance the flavor, making these metabolites valuable for culinary and health applications. Notably, these secondary metabolites provide health benefits, including anti-inflammatory effects and support for gut health, making them suitable for dietary supplements or therapeutic applications (Amiri et al., 2022; Wainaina et al., 2019; Xiang et al., 2019).

BAF employs LAB like Lactobacillus delbrueckii subsp. in the alternative dairy contexts. Bulgaricus and the probiotic Lactobacillus casei ATCC393 have effectively converted dietary fibers and resistant starches into butyric acid, with production levels reaching up to 110 mg per 100 g of dry matter. Adding glutamine generally boosts butyric acid output across different LAB strains, demonstrating its role as a precursor in metabolic pathways (De Luca et al., 2024). This process improves foods’ nutritional and health-promoting qualities and enhances their flavor profile.

Furthermore, secondary metabolites like phenolic compounds and bioactive peptides, produced by plants in response to stress, exhibit potent health benefits. These include antioxidant, anti-inflammatory, and anticancer properties, crucial in modulating the gut microbiome, supporting gut health, and reducing the risk of chronic diseases such as cardiovascular disease and diabetes (Arbach et al., 2021). Integrating butyric acid fermentation and the beneficial impact of secondary metabolites in plant-based diets underscores their significant potential in promoting human health by enhancing food quality and providing therapeutic benefits (Simsek & Whitney, 2024).

6.1. 부티르산 발효와 2차 대사산물

부티르산 발효는 클로스트리디움(Clostridium), 부티리비브리오(Butyrivibrio), 후소박테리움(Fusobacterium)과 같은 혐기성 세균에 의해 주로 촉진되며, 탄수화물을 부티르산과 수소, 이산화탄소와 같은 부생산물로 전환하는 데 필수적입니다. 이 과정은 유제품의 대체품에 대한 감각적 특성에 영향을 미치며, 휘발성 지방산, 알코올, 가스 등을 생성하여 썩은 버터 같은 냄새를 유발하고 맛을 향상시켜, 이러한 대사산물이 요리 및 건강 응용 분야에서 가치 있게 만듭니다. 특히, 이러한 2차 대사산물은 항염증 효과와 장 건강 지원 등 건강상의 이점을 제공하여 식이 보조제나 치료적 응용에 적합합니다 (Amiri et al., 2022; Wainaina et al., 2019; Xiang et al., 2019).

BAF는 대체 유제품 맥주에서 Lactobacillus delbrueckii subsp.와 같은 LAB을 활용합니다. Bulgaricus와 프로바이오틱스 Lactobacillus casei ATCC393은 식이 섬유와 저항성 전분을 부티르산으로 효과적으로 전환하며, 생산량은 100g의 건조 물질당 최대 110mg에 달합니다. 글루타민을 추가하면 다양한 LAB 균주에서 부티르산 생산량이 증가하며, 이는 대사 경로에서의 전구체 역할을 보여줍니다(De Luca et al., 2024). 이 과정은 식품의 영양적 및 건강 증진 특성을 개선하고 풍미 프로파일을 향상시킵니다.

또한 식물이 스트레스에 반응하여 생성하는 페놀 화합물과 생물활성 펩타이드와 같은 2차 대사산물은 강력한 건강 혜택을 나타냅니다. 이는 항산화, 항염증, 항암 특성을 포함하며, 장 미생물군집 조절, 장 건강 지원, 심혈관 질환 및 당뇨병과 같은 만성 질환 위험 감소에 중요합니다 (Arbach et al., 2021). 식물성 식단에 부티르산 발효와 2차 대사 산물의 유익한 영향을 통합하는 것은 식품 품질을 향상시키고 치료적 혜택을 제공함으로써 인간 건강을 증진하는 데 있어 그 잠재력을 강조합니다(Simsek & Whitney, 2024).

6.2. Other applications of butyric acid fermentation

6.2.1. Butyric acid as a flavor component

Butyric acid significantly enhances the sensory appeal of plant-based dairy alternatives, offering a buttery aroma and taste that caters to vegetarians and those reducing dairy intake for health or environmental reasons. Controlled fermentation processes are vital in improving market acceptance of dairy-free alternatives by meeting dietary preferences and flavor satisfaction (Stanzer et al., 2023). However, incorporating butyric acid into plant-based foods can present challenges, such as achieving the desired flavors without off-flavors, managing the high costs and time requirements of precise fermentation control, and addressing consumer concerns over ingredient safety and naturalness. While fermentation improves taste, it may not always address the nutritional gaps compared to dairy products, often requiring further fortification. Despite these hurdles, ongoing research into butyric acid's application in food science continues to advance, focusing on meeting diverse dietary needs and enhancing flavor reproduction and consumer acceptance.

6.2.2. Biotechnological applications

Controlled fermentation processes that produce butyric acid hold significant biotechnological potential in developing plant-based food ingredients or additives. These processes can produce products that serve as flavor enhancers, preservatives, and nutritional supplements, thereby increasing the value and appeal of plant-based foods (Gultekin et al., 2020; Kårlund et al., 2020).

BAF also reduces anti-nutrients like phytic acid. This fermentation process improves the bioavailability of essential minerals such as calcium and magnesium, making nutrients more accessible to the body. It also modifies plant proteins to enhance their digestibility and reduce allergenic potential, broadening plant-based products’ appeal and dietary suitability. Additionally, the fermentation process generates beneficial metabolites like myo-inositol phosphates, which possess anti-inflammatory and anti-tumor properties. Moreover, the sensory qualities of plant-based foods are improved, as fermentation can significantly reduce undesirable flavors, such as the beany taste often associated with soy products, thus enhancing consumer acceptance. The use of microbial consortia, including microalgae, further diversifies the applications of butyric acid fermentation, enabling tailored nutritional and flavor enhancements suited to various plant-based food products (Elhalis et al., 2023).

6.2.3. Prebiotic and probiotic potential

Butyric acid's benefits for gut health open new prospects in food technology, especially in enhancing plant-based foods with prebiotic or probiotic qualities. Introducing butyric acid into plant-based beverages and yogurts through fermentation with specific bacteria can yield functional foods that bolster gut health and microbial diversity, providing direct benefits like improved gut lining and immune modulation (Leeuwendaal et al., 2022; Sun et al., 2022; Valentino et al., 2024). Leveraging butyric acid as a prebiotic to promote beneficial gut bacteria represents an innovative approach to food processing, potentially leading to more nutritious and health-beneficial plant-based products (Hills et al., 2019; Valero-Cases et al., 2020). This focus on integrating butyric acid in plant-based foods underscores the burgeoning interest in functional foods that enhance overall health and well-being, promising new dietary options that support gut health within a balanced diet.

6.2. 부티르산 발효의 다른 응용 분야

6.2.1. 부티르산으로서의 향미 성분

부티르산은 식물성 유제품 대체품의 감각적 매력을 크게 향상시키며, 채식주의자나 건강 또는 환경적 이유로 유제품 섭취를 줄이는 사람들에게 맞는 버터 향과 맛을 제공합니다. 식이 선호도와 향미 만족도를 충족시켜 유제품 무함유 대체품의 시장 수용성을 높이기 위해 제어된 발효 과정이 필수적입니다(Stanzer et al., 2023). 그러나 식물성 식품에 부티르산을 도입하는 것은 원하는 맛을 달성하면서 부적절한 맛을 방지하는 것, 정밀한 발효 제어의 높은 비용과 시간 요구사항을 관리하는 것, 소비자의 원료 안전성과 자연성에 대한 우려를 해결하는 것 등 여러 도전 과제를 안고 있습니다. 발효는 맛을 개선하지만, 유제품과 비교할 때 영양적 결함을 항상 해결하지는 못하며, 종종 추가적인 강화가 필요합니다. 이러한 장애물에도 불구하고, 버티르산이 식품 과학에 적용되는 연구는 계속 발전하고 있으며, 다양한 식이 요구사항을 충족시키고 맛 재현 및 소비자 수용도를 향상시키는 데 초점을 두고 있습니다.

6.2.2. 생물공학적 응용

버티르산을 생산하는 제어된 발효 과정은 식물성 식품 원료나 첨가물을 개발하는 데 중요한 생물공학적 잠재력을 가지고 있습니다. 이 과정은 맛 증진제, 보존제, 영양 보충제 역할을 하는 제품을 생산하여 식물성 식품의 가치와 매력을 높일 수 있습니다 (Gultekin et al., 2020; Kårlund et al., 2020).

BAF는 피틴산과 같은 항영양소를 감소시킵니다. 이 발효 과정은 칼슘과 마그네슘과 같은 필수 미네랄의 생체 이용률을 향상시켜 영양소가 신체에 더 잘 흡수되도록 합니다. 또한 식물 단백질을 변형시켜 소화성을 향상시키고 알레르기 유발 가능성을 줄여, 식물 기반 제품의 매력과 식이 적합성을 넓힙니다. 또한 발효 과정은 마이오-인오시톨 인산염과 같은 유익한 대사물을 생성하며, 이는 항염증 및 항종양 특성을 가지고 있습니다. 또한 식물 기반 식품의 감각적 특성이 개선되며, 발효는 콩 제품과 연관된 콩 특유의 맛과 같은 불쾌한 맛을 크게 줄여 소비자 수용도를 높입니다. 미생물 군집(미세조류 포함)을 활용한 발효는 부티르산 발효의 적용 범위를 더욱 확장시켜 다양한 식물성 식품에 맞춤형 영양 및 풍미 개선을 가능하게 합니다(Elhalis et al., 2023).

6.2.3. 프리바이오틱 및 프로바이오틱 잠재력

부티르산의 장 건강에 대한 이점은 식품 기술 분야에서 새로운 전망을 열어주고 있으며, 특히 식물성 식품에 프리바이오틱 또는 프로바이오틱 특성을 강화하는 데 특히 유용합니다. 특정 박테리아를 이용한 발효를 통해 식물성 음료와 요거트에 부티르산을 도입하면 장 건강과 미생물 다양성을 강화하는 기능성 식품을 생산할 수 있으며, 장 내벽 개선과 면역 조절과 같은 직접적인 혜택을 제공합니다(Leeuwendaal et al., 2022; Sun et al., 2022; Valentino et al., 2024). 부티르산을 프리바이오틱스로 활용해 유익한 장 세균을 촉진하는 것은 식품 가공의 혁신적인 접근 방식으로, 영양가 높고 건강에 유익한 식물성 제품 개발로 이어질 수 있습니다(Hills et al., 2019; Valero-Cases et al., 2020). 식물성 식품에 부티르산을 통합하는 이 접근 방식은 전체적인 건강과 웰빙을 향상시키는 기능성 식품에 대한 관심의 증가를 반영하며, 균형 잡힌 식단 내에서 장 건강을 지원하는 새로운 식이 옵션을 제시합니다.

7. Enhancing nutritional profile through fermentation

Fermentation significantly improves plant-based foods’ nutritional profile through various mechanisms described below.

7.1. Enhanced protein quality through fermentation

7.1.1. Increase in protein content, higher protein efficiency ratio

Fermentation improves the protein content and efficiency of plant-based proteins, making them comparable to animal proteins in terms of nutrition and utilization in the body (Bajić et al., 2023; Meinlschmidt et al., 2016).

Microbial protein production involves cultivating specific microorganisms—such as fungi, bacteria, and algae—on agro-industrial residues and by-products. These organisms utilize the carbohydrates, proteins, and other nutrients in the residues through fermentation processes. During fermentation, the microorganisms convert these substrates into biomass rich in proteins, vitamins, and minerals. This method effectively transforms waste materials into valuable, sustainable protein sources tailored for human and animal nutrition (Banks et al., 2022).

Evidence supporting the effectiveness of microbial protein production includes its high nutritional value, environmental benefits, and economic viability. Microbial proteins are shown to be rich in essential amino acids, aligning with FAO/WHO (2020) dietary recommendations. Environmentally, this production method significantly reduces water usage, land requirements, and greenhouse gas emissions compared to traditional protein sources. Economically, using low-cost, abundant agro-industrial residues minimizes production expenses, making it a cost-effective alternative. These benefits underscore the potential of microbial proteins as a sustainable solution to enhance global food security (Weindl et al., 2020).

7.1.2. Increase in muscle mass

Regular consumption of fermented plant-based proteins can contribute to muscle mass growth, which benefits athletes and individuals seeking muscle gain. The mechanism for increased muscle mass with fermented whey protein supplementation involves the higher content of branched-chain amino acids (BCAAs) that promote muscle protein synthesis and reduce muscle damage (Bajić et al., 2023). Fermentation by lactic acid bacteria, particularly L. casei DK211, leads to protein degradation, altering amino acid composition and molecular weight distribution, enhancing protein digestibility and utilization by the body (Yarlina et al., 2020). These changes and improved protein hydrolysis contribute to muscle protein synthesis and growth, ultimately increasing muscle mass.

7.1.3. Enhanced flavor, nutritional content, and functional properties

Fermentation significantly enhances plant-based alternatives' taste, nutrition, and overall quality. It improves flavor, increases nutrient density, and enhances protein quality through precision techniques and metabolic engineering. This process boosts the content and digestibility of proteins, optimizes amino acid profiles, and leads to the formation of bioactive peptides and compounds that offer antioxidant, anti-inflammatory, and health-promoting effects. Fermentation also increases the availability of essential minerals and vitamins like B and K while reducing antinutrients to improve mineral bioavailability. Overall, fermentation makes plant-based foods richer in essential nutrients, thereby making them more comparable to animal-derived products in nutritional value. (Aydar et al., 2020; Boukid et al., 2023a; Mefleh et al., 2022).

7.1.4. Higher digestibility of proteins

The mechanism for the higher digestibility of proteins in Single-Cell Protein (SCP) is primarily due to the metabolic activities of microorganisms such as fungi, yeast, algae, and bacteria. These microorganisms convert substrates rich in carbohydrates, fats, and other nutrients into protein-rich biomass through fermentation. During this process, proteins synthesized by microorganisms are inherently more digestible than those from traditional sources. This is enhanced by controlled fermentation conditions, which can tailor the amino acid profiles of the proteins, improving their nutritional value and digestibility.

Additionally, techniques like microfluidics are used to rupture the cell walls of microalgae such as Chlorella vulgaris, further enhancing the accessibility and digestibility of the proteins by breaking down barriers that typically make proteins in cell structures less bioavailable. This combination of microbial synthesis and advanced processing techniques contributes to the high digestibility and bioavailability of SCPs, making them an efficient and sustainable protein source. (Bajić et al., 2023; Nkhata et al., 2018).

7.1.5. Increase in free amino acids, improvement in umami taste

The increase in free amino acids during fermentation of legumes is primarily attributed to the proteolytic activity of lactic acid bacteria, such as Lb. plantarum, which hydrolyze proteins into peptides and free amino acids (Park & Oh, 2006). This breakdown of proteins by LAB strains leads to the release of amino acids, including glutamate, enhancing the umami taste in fermented legume products. Fermentation techniques like solid-state fermentation (SSF) and liquid-state fermentation (LSF) impact the nutritional qualities of legumes, with SSF showing higher proteolytic activity and an increase in free amino acids. The liberation of free amino acids, particularly glutamic acid, through proteolysis significantly improves the umami taste in fermented legume products (Garrido-Galand et al., 2021).

Additionally, the enzymatic activities of fermenting microorganisms play a crucial role in breaking down proteins into free amino acids, intensifying the umami flavor and enhancing the overall taste profile of the fermented products (Emkani et al., 2022).

7.1.6. Increase in bioactive peptides, enhanced antioxidant activity

Fermentation in plant-based meat analogs enhances bioactive peptides and antioxidant activity by breaking proteins by microorganisms and their enzymes, releasing beneficial compounds (Elhalis et al., 2023). This process involves the catalysis of bond hydrolysis, production of secondary metabolites, and reduction of anti-nutritional factors.​ Probiotic bacteria and specific microorganisms like B. subtilis and L. plantarum significantly increase bioactive compounds, protein hydrolysis, amino acids, and protein digestibility (Song et al., 2008).

7. 발효를 통한 영양 프로파일 향상

발효는 아래에서 설명되는 다양한 메커니즘을 통해 식물성 식품의 영양 프로파일을 크게 개선합니다.

7.1. 발효를 통한 단백질 품질 향상

7.1.1. 단백질 함량 증가, 단백질 효율 비율 향상

발효는 식물성 단백질의 단백질 함량과 효율을 향상시켜 영양 및 신체 내 이용 측면에서 동물성 단백질과 비교할 수 있는 수준으로 만듭니다 (Bajić et al., 2023; Meinlschmidt et al., 2016).

미생물 단백질 생산은 곰팡이, 세균, 조류 등 특정 미생물을 농업 산업 잔여물 및 부산물에 배양하는 과정을 포함합니다. 이러한 미생물은 발효 과정을 통해 잔여물 내 탄수화물, 단백질, 기타 영양소를 활용합니다. 발효 과정에서 미생물은 이러한 기질을 단백질, 비타민, 미네랄이 풍부한 생물량으로 전환합니다. 이 방법은 폐기물을 인간과 동물 영양에 적합한 가치 있는 지속 가능한 단백질원으로 효과적으로 변환합니다(Banks et al., 2022).

미생물 단백질 생산의 효과성을 입증하는 증거에는 높은 영양 가치, 환경적 이점, 경제적 타당성이 포함됩니다. 미생물 단백질은 필수 아미노산이 풍부하며, FAO/WHO (2020)의 식이 권장 사항과 일치합니다. 환경적으로 이 생산 방법은 전통적인 단백질 원천에 비해 물 사용량, 토지 요구량, 온실가스 배출량을 크게 줄입니다. 경제적으로, 저비용의 풍부한 농업 산업 잔여물을 활용함으로써 생산 비용을 최소화하여 비용 효율적인 대안을 제공합니다. 이러한 이점은 미생물 단백질이 글로벌 식량 안보를 강화하기 위한 지속 가능한 해결책으로서의 잠재력을 강조합니다(Weindl et al., 2020).

7.1.2. 근육량 증가

발효 식물성 단백질의 정기적인 섭취는 근육량 증가에 기여하며, 이는 운동선수와 근육 증진을 원하는 개인에게 이점을 제공합니다. 발효 유청 단백질 보충을 통한 근육량 증가의 메커니즘은 근육 단백질 합성을 촉진하고 근육 손상을 줄이는 분지쇄 아미노산(BCAAs)의 높은 함량에 기인합니다(Bajić et al., 2023). 젖산균, 특히 L. casei DK211에 의한 발효는 단백질 분해를 유발하여 아미노산 구성과 분자량 분포를 변화시켜 단백질 소화율과 체내 이용률을 향상시킵니다(Yarlina et al., 2020). 이러한 변화와 단백질 가수분해의 개선은 근육 단백질 합성과 성장을 촉진하여 결국 근육량을 증가시킵니다.

7.1.3. 향상된 맛, 영양 성분, 및 기능적 특성

발효는 식물성 대체 식품의 맛, 영양, 및 전체 품질을 크게 향상시킵니다. 정밀 기술과 대사 공학을 통해 맛을 개선하고 영양 밀도를 높이며 단백질 품질을 향상시킵니다. 이 과정은 단백질의 함량과 소화율을 높이고 아미노산 프로필을 최적화하며 항산화, 항염증, 및 건강 증진 효과를 제공하는 생물활성 펩타이드와 화합물의 형성을 유도합니다. 발효는 필수 미네랄과 비타민(B, K 등)의 가용성을 높이고 항영양소를 감소시켜 미네랄 생체 이용률을 개선합니다. 전반적으로 발효는 식물성 식품의 필수 영양소 함량을 풍부하게 하여 영양적 가치 측면에서 동물성 제품과 비교할 수 있도록 합니다. (Aydar et al., 2020; Boukid et al., 2023a; Mefleh et al., 2022).

7.1.4. 단백질의 높은 소화율

단일 세포 단백질(SCP)에서 단백질의 높은 소화율은 주로 곰팡이, 효모, 조류, 세균 등 미생물의 대사 활동에 기인합니다. 이러한 미생물은 탄수화물, 지방, 기타 영양소가 풍부한 기질을 발효를 통해 단백질이 풍부한 생물질로 전환합니다. 이 과정에서 미생물이 합성한 단백질은 전통적 원천의 단백질보다 본질적으로 더 소화율이 높습니다. 이는 발효 조건을 조절함으로써 단백질의 아미노산 프로필을 최적화하여 영양 가치와 소화율을 향상시킬 수 있습니다.

또한 미세유체 기술은 Chlorella vulgaris와 같은 미세조류의 세포벽을 파괴하여 세포 구조 내 단백질의 생체 이용률을 저해하는 장벽을 제거함으로써 단백질의 접근성과 소화성을 더욱 향상시킵니다. 미생물 합성과 고급 가공 기술의 결합은 SCP의 높은 소화성과 생체 이용률을 실현하여 효율적이고 지속 가능한 단백질 원료로 자리매김하게 합니다. (Bajić et al., 2023; Nkhata et al., 2018).

7.1.5. 자유 아미노산 증가, 감칠맛 개선

콩류 발효 과정에서 자유 아미노산 증가의 주요 원인은 Lb. plantarum과 같은 유산균의 단백질 분해 활성입니다. 이 미생물은 단백질을 펩타이드와 자유 아미노산으로 분해합니다 (Park & Oh, 2006). LAB 균주에 의한 단백질 분해는 글루타메이트를 포함한 아미노산의 방출을 유발해 발효 콩류 제품의 우마미 맛을 강화합니다. 고체 상태 발효(SSF)와 액체 상태 발효(LSF)와 같은 발효 기술은 콩류의 영양학적 특성에 영향을 미치며, SSF는 더 높은 단백질 분해 활성과 자유 아미노산 증가를 보여줍니다. 단백질 분해를 통해 방출되는 자유 아미노산, 특히 글루탐산은 발효 콩류 제품의 우마미 맛을 크게 향상시킵니다(Garrido-Galand et al., 2021).

또한 발효 미생물의 효소 활성은 단백질을 자유 아미노산으로 분해하여 감칠맛을 강화하고 발효 제품의 전체적인 맛 프로필을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다(Emkani et al., 2022).

7.1.6. 생물활성 펩타이드 증가 및 항산화 활성 강화

식물성 고기 유사 제품의 발효는 미생물과 그 효소에 의해 단백질이 분해되면서 유익한 화합물이 방출되어 생물활성 펩타이드와 항산화 활성을 향상시킵니다(Elhalis et al., 2023). 이 과정은 결합 가수분해 촉매, 2차 대사산물 생성, 항영양 인자 감소 등을 포함합니다.​ 프로바이오틱 박테리아와 B. subtilis 및 L. plantarum과 같은 특정 미생물은 생물활성 화합물, 단백질 분해, 아미노산, 단백질 소화율을 유의미하게 증가시킵니다(Song et al., 2008).

7.2. Production of essential nutrients

7.2.1. Increase in MUFA and PUFA contents, decrease the n-6/n-3 ratio

The increase in monounsaturated (MUFA) and polyunsaturated fatty acids (PUFA) during legume fermentation is primarily attributed to the enzymatic activities of LAB, which hydrolyze triglycerides into free fatty acids (Emkani et al., 2022; Tangyu et al., 2019). This enzymatic breakdown releases MUFA and PUFA, enhancing the overall fatty acid profile of the fermented product (Grujović et al., 2022). Fermentation can also stimulate LAB to synthesize specific unsaturated fatty acids, further boosting the MUFA and PUFA content. Research supports this mechanism, showing significant rises in MUFA and PUFA levels in fermented legumes and a more balanced and beneficial n-6/n-3 ratio, promoting a healthier lipid profile in these products (Sozer et al., 2019).

7.2.2. Synthesis of vitamins such as B12

Microorganisms used in fermentation can produce essential vitamins like B12, often lacking in plant-based diets, thus enhancing the nutritional profile of these foods (Boukid et al., 2023a; Tangyu et al., 2019). The synthesis of vitamins such as B12 during legume fermentation is primarily attributed to the metabolic activities of LAB strains, such as Lactobacillus and other species, which possess the enzymatic machinery required for B12 biosynthesis. Evidence supporting this includes studies that have identified LAB strains capable of producing B12, increased B12 content in fermented legume products compared to unfermented ones, and specific LAB strains known for their vitamin-producing capabilities. The mechanism involves LAB converting precursors into active forms of vitamin B12 through enzymatic reactions during fermentation, ultimately enriching the final product with this essential nutrient (Emkani et al., 2022; Xie et al., 2018, 2019).

7.2.3. Enhanced mineral bioavailability

Fermentation processes enhance the bioavailability of minerals in plant-based foods by breaking down antinutrients like phytic acid and improving mineral solubility (Gao et al., 2020; Jeon et al., 2018). This is facilitated through the reduction of complexes and the degradation of phytates and oxalates, thereby making minerals more accessible for absorption in the body (Hajimohammadi et al., 2020). Mechanisms contributing to this include the influence of gut microbiota, prebiotic functionality, selenium-enriched probiotics, and the production of phytase enzymes, which help in the optimal pH adjustment for mineral absorption (Bielik & Kolisek, 2021; Samtiya et al., 2021). Studies have shown that these mechanisms lead to increased mineral solubility, higher bioaccessibility, and enhanced antioxidant status, significantly improving the nutritional quality of fermented foods like soymilk, soybeans, sorghum, finger millet, quinoa, carrot juice, rice, black-eyed peas, and quinoa pasta (Gupta et al., 2015). These findings illustrate how fermentation supports improved absorption and utilization of minerals and promotes a healthier lipid profile in plant-based diets.

7.2. 필수 영양소 생산

7.2.1. MUFA 및 PUFA 함량 증가, n-6/n-3 비율 감소

콩류 발효 과정에서 단일불포화 지방산(MUFA)과 다중불포화 지방산(PUFA)의 증가는 주로 LAB의 효소 활성에 기인하며, 이는 트리글리세라이드를 자유 지방산으로 가수분해합니다(Emkani et al., 2022; Tangyu et al., 2019). 이 효소적 분해는 MUFA와 PUFA를 방출하여 발효 제품의 전체 지방산 프로필을 개선합니다(Grujović et al., 2022). 발효는 또한 LAB가 특정 불포화 지방산을 합성하도록 자극하여 MUFA와 PUFA 함량을 더욱 증가시킬 수 있습니다. 연구 결과는 이 메커니즘을 뒷받침하며, 발효된 콩류에서 MUFA와 PUFA 수준이 유의미하게 증가하고 n-6/n-3 비율이 더 균형 잡히고 유익해져 이러한 제품의 지방 프로파일이 더 건강해지는 것을 보여줍니다 (Sozer et al., 2019).

7.2.2. 비타민 B12와 같은 비타민의 합성

발효에 사용되는 미생물은 식물성 식단에 자주 부족한 필수 비타민인 B12를 생산하여 이러한 식품의 영양 프로필을 향상시킵니다(Boukid et al., 2023a; Tangyu et al., 2019). 콩류 발효 과정에서 비타민 B12의 합성은 주로 LAB 균주(예: Lactobacillus 및 기타 종)의 대사 활동에 기인합니다. 이러한 균주는 비타민 B12 생합성에 필요한 효소적 기계를 갖추고 있습니다. 이를 뒷받침하는 증거로는 B12를 생산할 수 있는 LAB 균주 식별, 발효된 콩류 제품에서 발효되지 않은 제품보다 높은 B12 함량, 비타민 생산 능력으로 알려진 특정 LAB 균주 등이 있습니다. 이 메커니즘은 LAB가 발효 과정에서 효소 반응을 통해 비타민 B12의 전구체를 활성 형태로 전환하여 최종 제품에 이 필수 영양소를 풍부하게 하는 것을 포함합니다 (Emkani et al., 2022; Xie et al., 2018, 2019).

7.2.3. 미네랄 생체 이용률 향상

발효 과정은 식물성 식품 내 미네랄의 생체 이용률을 향상시키기 위해 피틴산과 같은 항영양소를 분해하고 미네랄 용해도를 개선합니다(Gao et al., 2020; Jeon et al., 2018). 이는 복합체 감소와 피타트 및 옥살산의 분해로 인해 미네랄이 신체에서 흡수되기 더 용이해지기 때문입니다(Hajimohammadi et al., 2020). 이 과정에 기여하는 메커니즘에는 장내 미생물의 영향, 프리바이오틱스 기능, 셀레늄 강화 프로바이오틱스, 미네랄 흡수 최적화를 위한 pH 조절에 도움을 주는 피타제 효소 생산 등이 포함됩니다(Bielik & Kolisek, 2021; Samtiya et al., 2021). 연구 결과, 이러한 메커니즘은 미네랄 용해성 증가, 생체 이용률 향상, 항산화 상태 개선을 통해 두유, 콩, 수수, 핑거 밀, 퀴노아, 당근 주스, 쌀, 검은 눈콩, 퀴노아 파스타 등 발효 식품의 영양 품질을 크게 개선합니다(Gupta et al., 2015). 이러한 연구 결과는 발효가 식물성 식단에서 미네랄의 흡수 및 활용을 개선하고 더 건강한 지질 프로필을 촉진하는 방법을 보여줍니다.

7.3. Health benefits

7.3.1. Impact of fermented food on gut health and immune function

Recent studies show that fermented foods, such as kimchi, yogurt, and kefir, significantly impact gut health and immune function through various mechanisms (Ibrahim et al., 2023; Nugroho et al., 2024; Vinderola et al., 2023). These foods enhance the gut microbiome, produce bioactive compounds, and provide antioxidant and anti-inflammatory benefits.

Fermented foods benefit gut health primarily by modulating the gut microbiome. Introducing beneficial microbes from fermented foods, such as LAB, helps colonize the gut, inhibit pathogenic bacteria, and promote the growth of beneficial microbes. This enhances the diversity and stability of the gut microbiome, which is crucial for maintaining a healthy digestive system (Knez et al., 2023; Vinderola et al., 2023). For instance, kimchi consumption has increased LAB abundance, supporting gut health by improving microbial diversity and mucosal barrier function (Nugroho et al., 2024).

During fermentation, fermented foods produce bioactive compounds, including short-chain fatty acids (SCFAs), vitamins, and antioxidants. These compounds maintain gut barrier integrity and modulate immune responses. SCFAs like acetate, propionate, and butyrate serve as an energy source for colonocytes and have anti-inflammatory properties (Valentino et al., 2024). Fermented foods also reduce oxidative stress through their strong antioxidant activities, neutralizing free radicals and preventing chronic inflammation and gut lining damage. The immunomodulatory effects of fermented foods involve enhancing anti-inflammatory cytokine production and reducing pro-inflammatory cytokines, maintaining immune homeostasis, and preventing inflammatory gut conditions (Didari et al., 2015; Nugroho et al., 2024).

Studies indicate that introducing LAB from fermented foods, such as kimchi, significantly increases microbial diversity and stability in the gut (Knez et al., 2023; Vinderola et al., 2023). Research also shows that SCFAs produced during fermentation help maintain gut barrier integrity and modulate immune responses (Valentino et al., 2024). Enhanced nutrient bioavailability and reduced anti-nutritional factors further support the positive effects of fermented foods on gut health.

Kimchi has been shown to reduce lipid peroxidation and protect against oxidative damage in the gut (Nugroho et al., 2024). Kefir consumption is linked to improved digestive health and reduced symptoms of chronic constipation, demonstrating its potential to reduce oxidative stress (Ibrahim et al., 2023). Studies highlight that kimchi consumption enhances immune responses by increasing the number of splenic lymphocytes and intestinal IgA, which is crucial for gut barrier protection (Nugroho et al., 2024). Additional research supports that fermented foods contribute to a balanced gut environment by modulating cytokine production, thus preventing inflammatory gut conditions (Didari et al., 2015; Nugroho et al., 2024).

7.3.2. Reduction of phytates, saponins, oligosaccharides, and protease inhibitors

Fermentation reduces these anti-nutritional factors, which otherwise hinder nutrient absorption and digestion, thereby enhancing the nutritional value of plant-based foods (Hidalgo-Fuentes et al., 2024; Jeyakumar & Lawrence, 2022; Kurek et al., 2022; Samtiya et al., 2021; Tomova et al., 2019).

Fermentation and advanced processing techniques play crucial roles in reducing anti-nutritional factors such as saponins, oligosaccharides, and protease inhibitors in plant-based foods and beverages. Microbial activity and enzyme action during fermentation significantly decrease these components, enhancing the digestibility and nutritional quality of the final product (Marco et al., 2017; Hidalgo-Fuentes et al., 2024). Similarly, in meat-alternative products, processing methods like extrusion, high-moisture extrusion (HME), and shear-induced structuring utilize high-temperature and high-pressure treatments to effectively break down saponins, oligosaccharides, and protease inhibitors, resulting in products with improved amino acid profiles and reduced anti-nutritional factors (Kaleda et al., 2020; Kurek et al., 2022; Schreuders et al., 2019). These strategies collectively enhance the overall nutritional quality and acceptability of plant-based products.

7.3.3. Impact of fermented food on nutrient absorption and utilization

Enzymatic Breakdown of Food Components: The enzymatic activity of microorganisms involved in fermentation plays a pivotal role in nutrient absorption. For instance, during the fermentation of dairy products, LAB such as Lactobacillus acidophilus and Lactobacillus casei convert lactose into lactic acid. This conversion enhances lactose digestion and increases the bioavailability of essential minerals like calcium and magnesium, making nutrients more accessible to the body (Chilton et al., 2015; Vinderola et al., 2023).

Modulation of Gut Microbiota: Fermented foods significantly influence the gut microbiota, a critical factor in nutrient absorption. The dynamic interaction between gut bacteria and dietary components during fermentation produces short-chain fatty acids (SCFAs), which lower gut pH and improve the solubility and absorption of minerals. Probiotic strains like Lactobacillus rhamnosus enhance calcium absorption and support bone health by improving mineral bioavailability (Chilton et al., 2015; Ibrahim et al., 2023; Vinderola et al., 2023).

Reduction of Anti-Nutritional Factors: Fermentation processes effectively reduce anti-nutritional factors such as phytates and tannins in foods like legumes, which otherwise bind minerals and inhibit their absorption. This reduction improves the digestibility and absorption of proteins and minerals, thus enhancing the nutritional value of the food (Vinderola et al., 2023).

Synthesis of Bioactive Compounds: Probiotics in fermented foods can produce bioactive compounds that further improve nutrient utilization. For example, Lactobacillus plantarum enhances the bioavailability of selenium by converting inorganic selenium into organic seleno-amino acids, increasing its absorption and utilization in the body. These selenium-enriched probiotics supply selenium in a bio-accessible and less toxic form, which improves the antioxidant status and selenium concentrations in the liver and kidneys (Chilton et al., 2015; Vinderola et al., 2023; Varvara & Vodnar, 2024).

Empirical Studies and Trials: Numerous studies have documented the effectiveness of fermented foods in enhancing nutrient absorption and utilization. For example, the proteolysis in fermented milk leads to higher contents of peptides and free amino acids, contributing to improved digestibility and nutrient absorption (Varvara & Vodnar, 2024). Additionally, clinical trials have shown that probiotic supplementation with fermented foods enhances calcium absorption and bone health in young adult women (Chilton et al., 2015; Vinderola et al., 2023).

Impact on Overall Health: Research indicates that regular consumption of fermented foods can lead to significant health improvements. For instance, a study on the consumption of fermented milk showed notable improvements in glucose metabolism and immune function in healthy individuals. Further studies involving selenium-enriched probiotics have demonstrated increases in selenium levels and improved antioxidant activity, underscoring the broad benefits of fermented foods in promoting optimal nutrient utilization (Chilton et al., 2015; Vinderola et al., 2023; Varvara & Vodnar, 2024).

7.3.4. Activation of autophagy and maintenance of intestinal barrier function

Modulation of Gut Microbiota: Fermented foods are rich in live bacteria that significantly alter the gut microbiota composition. This modulation is key to maintaining the integrity of the intestinal barrier. By optimizing the microbial balance in the gut, these foods help alleviate inflammation and enhance autophagy, the body's mechanism for removing damaged cells and regenerating new ones (Kocot & Wróblewska, 2021). This process is crucial for maintaining cellular homeostasis and overall gut health (De Filippis et al., 2018; Rokana et al., 2016).

Enhancement of Intestinal Barrier Function: Specific strains of probiotics found in fermented foods, such as Lactobacillus plantarum, are known to strengthen the intestinal barrier (Rokana et al., 2016). They reduce the permeability of the intestine, which prevents the entry of harmful substances and pathogens that could trigger inflammation. This protective role is partly due to the improvement in the structural components of the gut barrier, including the enhancement of tight junction proteins (Berkes et al., 2003; Rokana et al., 2016). These proteins are vital for the functionality of the intestinal barrier, ensuring that they effectively block harmful agents while allowing nutrient absorption.

Research Findings: Studies have demonstrated that consuming fermented milk products containing probiotic strains can significantly enhance gut barrier functions. These products could fortify the structure of the gut barrier and, thus, improve its function (Rokana et al., 2016). Furthermore, ongoing research has explored how fermented products influence autophagy within the intestinal epithelium, suggesting that dietary interventions, including these foods, could be a beneficial strategy for modulating this essential cellular process (Krumbeck et al., 2018; Marco et al., 2017).

Limitations and Further Research Needs: While the existing evidence is promising, it is important to note that much of this research has been conducted in vitro or with animal models. As such, the direct applicability to human health still requires further validation through comprehensive human studies. The studies referenced here and more have contributed to this field. However, more empirical evidence is needed to fully substantiate the beneficial claims of fermented foods in promoting gut health and autophagy activation.

7.3.5. Inhibition of viral infections

Proteolytic Activity: One significant mechanism through which fermented foods combat viral infections is the proteolytic activity observed in products like Natto. Studies highlight that extracts from Natto can proteolytically degrade crucial viral proteins, including the glycoprotein D of bovine herpesvirus 1 (BHV-1) and the receptor-binding domain (RBD) of SARS-CoV-2 (Oba et al., 2021). This activity disrupts the ability of these viruses to infect host cells. Notably, this proteolytic activity is heat-sensitive, suggesting that the involved proteases lose functionality when exposed to high temperatures. This is an important consideration for the therapeutic application of these food products.

Immune System Modulation: Fermented foods also play a role in enhancing the immune system's functionality. The inclusion of specific probiotic strains found in yogurt and kefir, for instance, has been shown to enhance natural killer cell activity, increase the production of pro-inflammatory cytokines, and activate T cells. These immune responses are critical for strengthening the body's defenses against viral pathogens and enhancing its capacity to fight infections (Azam et al., 2023; Hamida et al., 2021).

Research Outcomes: Various studies provide compelling evidence of the protective effects of fermented foods against viral infections. For example, probiotics derived from kimchi improved survival rates in mice infected with the influenza H3N2 virus (Muhialdin et al., 2021). Additionally, Bifidobacterium adolescentis derived from soy has demonstrated the ability to inhibit the multiplication of noroviruses and reduce the binding of virus-like particles to intestinal cells, which could help limit viral infection and replication (Li et al., 2016).

Impact on Immune Responses and Infection Severity: Regular intake of fermented foods has been linked with enhanced immune responses and potentially less severe viral infections (Hamida et al., 2021). These findings support dietary recommendations that include fermented foods to boost natural antiviral defenses.

Future Research Directions: While the existing data is promising, the specific doses and long-term intake required to achieve optimal antiviral effects are still under investigation. Further research is needed to determine these parameters and to explore the specific components within fermented foods responsible for these antiviral properties. Identifying the active proteases and understanding their mechanisms of action on viral proteins will be crucial for fully harnessing the antiviral potential of fermented foods, as emphasized in ongoing studies (Azam et al., 2023; Oba et al., 2021).

7.3.6. Potential mental health benefits, including prevention of depression and anxiety

Influence of Gut Microbiota on Brain Function: The emerging field of research on the gut-brain axis reveals a crucial pathway where gut microbiota influences brain function and behavior. Fermented foods rich in probiotics, such as Lactobacillus helveticus and Bifidobacterium longum, enhance the quality and diversity of gut microbiota. These beneficial bacteria contribute to essential metabolic functions, immune system modulation, and the production of mood-regulating neurotransmitters such as serotonin and gamma-aminobutyric acid (GABA) (Limbana et al., 2020; Tian et al., 2004). By improving gut microbiota composition, these neuroactive compounds and metabolites may enhance stress resilience and mood stabilization, offering a protective effect against mood disorders (Kazlausky Esquivel, 2021; Limbana et al., 2020).

Probiotic Supplementation and Neuroactive Compounds: Probiotic supplementation, mirroring the effects of fermented foods, has shown promise in attenuating stress responsiveness and improving mood disorders. Clinical trials highlight that probiotics can improve autonomic nervous system function, emotional processing, and mental health, suggesting the beneficial impact of fermented foods on mental health interventions (Kazlausky Esquivel, 2021).

Clinical and Research Findings: Research indicates that fermented foods containing probiotics such as Lactobacillus helveticus and Bifidobacterium longum may significantly reduce the risk of depression and anxiety. For instance, studies have linked these foods’ consumption to decreased mood disorder symptoms (Akkasheh et al., 2016; Dash et al., 2015; Merkouris et al., 2024; Madabushi et al., 2023).

Dietary Influence on Gut Microbiota and Mental Health: The composition of one's diet plays a significant role in shaping gut microbiota and, consequently, mental health. Diets rich in fiber, fruits, and vegetables—like the Mediterranean diet—support the growth of beneficial gut bacteria and are associated with reduced symptoms of depression (Dominguez et al., 2021; Ventriglio et al., 2021). In contrast, Western diets high in fats and sugars have been linked to dysbiosis and increased depression rates (Firth et al., 2020). Furthermore, emerging research into synbiotics and psychobiotics showcases their potential to enhance gut health and psychological well-being by influencing gut microbiota composition and reducing inflammation, a known factor in depression and anxiety pathophysiology.

7.3.7. Cardiovascular health benefits

Modulation of Gut Microbiota and Inflammation Reduction: Fermented foods play a crucial role in cardiovascular health by altering gut microbiota. The microorganisms in these foods, notably lactic acid bacteria, enhance intestinal barrier integrity and reduce systemic inflammation, a key factor in developing cardiovascular disease (CVD). This modulation of the gut flora beneficially affects the host's immune and metabolic responses, contributing to overall heart health (Wang et al., 2022; Li et al., 2022).

Production of Bioactive Compounds: During fermentation, several bioactive compounds are produced, including lactic acid, short-chain fatty acids, and bioactive peptides. These compounds impact CVD-related metabolic pathways, such as improving lipid metabolism and enhancing insulin sensitivity. For example, certain peptides found in fermented dairy products function as angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibitors, which are crucial for blood pressure regulation (Hayes et al., 2007; Li et al., 2022; ).

Vitamin K2 and Cardiovascular Proteins: The fermentation process also facilitates the production of vitamin K2, a vital nutrient in activating proteins involved in cardiovascular health. This illustrates the complex ways fermented foods can mitigate CVD risk (Mozaffarian & Wu, 2018).

Epidemiological Studies: Epidemiological evidence has shown that higher consumption of fermented dairy products is associated with lower risks of major CVD events and related mortalities. This relationship suggests a dose-response effect, where the increased intake of these foods correlates with reduced cardiovascular risk (Pokala et al., 2024).

Diverse Microbial and Nutritional Contributions: Research has explored how microbial diversity, consumption levels, and the presence of bioactive metabolites and enhanced nutrition in fermented foods support cardiovascular health. Fermented foods containing probiotics, postbiotics, and metabolites positively influence heart health by modulating gut microbiota, metabolic signaling pathways, and nutrient absorption (Pessione & Cirrincione, 2016; Tamang et al., 2016).

Probiotics and Cardio-Protection: Studies indicate that fermented dairy products, like cheese and yogurt, and moderate wine consumption may have cardio-protective effects. Probiotic strains such as Lactobacillus plantarum are highlighted for reducing cardiovascular disease risks due to their ACE-inhibitory activity (Kim et al., 2021; Liu et al., 2017; Praagman et al., 2015). The antioxidant effects of probiotics like Lactobacillus plantarum and Lactobacillus fermentum are associated with cardiovascular well-being.

Functional Properties of Probiotic Yogurts: Probiotic yogurts, especially those containing strains like Lactobacillus delbrueckii KU200171, exhibit high radical scavenging potency and ACE inhibitory effects. These functional properties contribute to blood pressure regulation and overall cardiovascular health improvement, making specific probiotic strains in fermented foods promising candidates for promoting heart health and potentially preventing chronic diseases like hypertension (Kim et al., 2021; Liu et al., 2017).

7.3.8. Antioxidant and anti-aging effects

Enhancement of Bioactive Compounds: Fermented foods increase the levels of crucial bioactive compounds such as polyphenols, vitamins, and antioxidants through fermentation. These compounds are vital for combating oxidative stress, a major contributor to aging and age-related diseases. Fermentation significantly enhances the antioxidant properties of foods, making them more effective in neutralizing free radicals and reducing oxidative damage (Rusu et al., 2023).

Promotion of Skin Health: Bioactive compounds produced during fermentation, such as lactic acid and various peptides, protect skin cells from oxidative stress and promote collagen synthesis. This process improves skin firmness and elasticity, essential for maintaining youthful skin and delaying aging (Rusu et al., 2023).

Modulation of Gut Microbiota: Fermented foods contribute to anti-aging by altering the gut microbiota. This modulation affects systemic antioxidant capacity and inflammation levels. The increased microbial diversity and production of short-chain fatty acids associated with consuming fermented foods have been linked to reduced inflammation and enhanced antioxidant defenses, showcasing a broader impact on overall health and aging (Pradhan et al., 2024; Porras-García et al., 2023).

Clinical Trials and Studies: Multiple studies underscore fermented foods' antioxidant and anti-aging benefits. For instance, a survey of a fermented vegetable-fruit drink (FVFD) showed that it significantly increased antioxidant enzyme activities such as superoxide dismutase (SOD) and catalase in human subjects. This increase aids in reducing oxidative stress. The clinical trial further demonstrated that FVFD enhanced skin moisture, brightness, and elasticity while reducing signs of skin aging like wrinkles and crow's feet, indicating its potential for anti-aging applications (Chan et al., 2021).

Comparison with Non-Fermented Products: The antioxidant capacity of FVFD was found to be significantly higher than that of its non-fermented counterparts, suggesting that fermentation amplifies the antioxidant effects of the original vegetable and fruit juices (Chan et al., 2021).

Impact of Probiotic Strains on Skin Health: Specific probiotic strains found in fermented foods, such as Lactobacillus plantarum and Lactobacillus fermentum, exhibit high radical scavenging activities and angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibitory effects. These properties help reduce oxidative stress and improve skin health markers, further contributing to their anti-aging effects (Xiang et al., 2019).

7.3.9. Potential anti-diabetic effects

Enhancement of Bioactive Compounds: Fermented foods increase the bioavailability of beneficial compounds critical for managing diabetes. The fermentation process, particularly with microorganisms like Rhizopus oligosporus and Lactiplantibacillus plantarum, enhances levels of isoflavones and gamma-aminobutyric acid (GABA). These compounds improve antioxidative capacity, lower reactive oxygen species (ROS) levels, and support glucose homeostasis, which is crucial for diabetes management (Hariyanto et al., 2022).

Improved Insulin Sensitivity and Glucose Regulation: Fermentation breaks down complex molecules into more bioavailable forms, increasing the efficacy of compounds such as isoflavones and GABA in regulating blood glucose and promoting pancreatic β-cell function. GABA is particularly noted for its role in pancreatic β-cell regeneration, essential for insulin production and glucose regulation (Hariyanto et al., 2022).

Modulation of Gut Microbiota: Consuming fermented foods, such as soy yogurt containing Lactiplantibacillus plantarum, helps modulate the gut microbiota. This modulation supports a healthy balance of gut bacteria, which enhances glucose metabolism and reduces inflammation, a common complication in diabetes. Probiotics in fermented foods also enhance immunity, reduce oxidative stress, and improve overall gut health, contributing to diabetes management (Das et al., 2023; Rusu et al., 2023).

Diverse Bioactive Compounds: Beyond isoflavones and GABA, fermented foods contain various other bioactive compounds with anti-diabetic properties. These include catechins, hydroxycinnamic acids (such as ferulic acid and chlorogenic acid), anthocyanins, curcumin, quercetin, resveratrol, and numerous vitamins and minerals. Research has shown that these compounds improve insulin sensitivity, reduce inflammation, lower blood glucose levels, enhance glucose uptake, and protect against diabetic complications (Khaki et al., 2010; Naz et al., 2023; Ozougwu, 2011).

Antioxidant Effects and Regulation of AGEs: Polyphenolics in fermented foods act as antioxidants and help regulate gut microbiota while inhibiting the formation of advanced glycation end products (AGEs), which are implicated in developing diabetic complications. The combined effects of these bioactive compounds help modulate glucose and lipid metabolism, reduce inflammation, and enhance insulin sensitivity (Zhang et al., 2023a).

7.3. 건강상의 이점

7.3.1. 발효 식품이 장 건강 및 면역 기능에 미치는 영향

최근 연구에 따르면 김치, 요거트, 케피르와 같은 발효 식품은 다양한 메커니즘을 통해 장 건강과 면역 기능에 상당한 영향을 미칩니다 (Ibrahim et al., 2023; Nugroho et al., 2024; Vinderola et al., 2023). 이러한 식품은 장 미생물군을 강화하고 생물활성 화합물을 생성하며 항산화 및 항염증 효과를 제공합니다.

발효 식품은 주로 장 미생물군을 조절함으로써 장 건강에 이점을 제공합니다. 발효 식품에서 유래한 유익한 미생물(예: LAB)은 장 내 정착을 돕고 병원성 세균을 억제하며 유익한 미생물의 성장을 촉진합니다. 이는 장내 미생물군집의 다양성과 안정성을 향상시키며, 이는 건강한 소화 시스템을 유지하는 데 필수적입니다 (Knez et al., 2023; Vinderola et al., 2023). 예를 들어, 김치 섭취는 LAB의 풍부함을 증가시켜 미생물 다양성과 점막 장벽 기능을 개선함으로써 장 건강을 지원합니다 (Nugroho et al., 2024).

발효 과정에서 발효 식품은 단쇄 지방산(SCFAs), 비타민, 항산화제 등 생물활성 화합물을 생성합니다. 이러한 화합물은 장 장벽의 무결성을 유지하고 면역 반응을 조절합니다. 아세테이트, 프로피오네이트, 부티레이트와 같은 SCFAs는 대장 세포의 에너지원으로 작용하며 항염증 효과를 가지고 있습니다(Valentino et al., 2024). 발효 식품은 강력한 항산화 활동을 통해 산화 스트레스를 감소시키며, 자유 라디칼을 중화시키고 만성 염증 및 장 내벽 손상을 예방합니다. 발효 식품의 면역 조절 효과는 항염증성 사이토킨 생산을 증가시키고 염증성 사이토킨을 감소시켜 면역 균형을 유지하며 염증성 장 질환을 예방합니다(Didari et al., 2015; Nugroho et al., 2024).

연구 결과, 김치와 같은 발효 식품에서 유래한 LAB(젖산균)을 섭취하면 장 내 미생물 다양성과 안정성이 유의미하게 증가합니다(Knez et al., 2023; Vinderola et al., 2023). 또한 발효 과정에서 생성되는 SCFAs(단쇄 지방산)는 장 장벽의 무결성을 유지하고 면역 반응을 조절하는 데 도움을 줍니다(Valentino et al., 2024)

영양소 생체 이용률 향상과 항영양 인자 감소는 발효 식품이 장 건강에 미치는 긍정적 효과를 더욱 뒷받침합니다. 김치는 장 내 지질 과산화를 감소시키고 산화 손상으로부터 보호하는 것으로 나타났습니다 (Nugroho et al., 2024).

케피르 섭취는 소화 건강 개선과 만성 변비 증상 감소와 연관되어 산화 스트레스 감소 잠재성을 보여줍니다(Ibrahim et al., 2023). 연구는 김치 섭취가 비장 림프구 수와 장 IgA를 증가시켜 장 장벽 보호에 중요한 면역 반응을 강화한다는 점을 강조합니다(Nugroho et al., 2024). 추가 연구는 발효 식품이 사이토킨 생산을 조절함으로써 장 환경의 균형을 유지하고 염증성 장 질환을 예방하는 데 기여한다고 보고합니다(Didari et al., 2015; Nugroho et al., 2024).

7.3.2. 피타트, 사포닌, 올리고사카라이드, 프로테아제 억제제의 감소

발효는 영양소 흡수 및 소화를 방해하는 이러한 항영양 인자를 감소시켜 식물성 식품의 영양 가치를 향상시킵니다(Hidalgo-Fuentes et al., 2024; Jeyakumar & Lawrence, 2022; Kurek et al., 2022; Samtiya et al., 2021; Tomova et al., 2019).

발효 및 고급 가공 기술은 식물성 식품 및 음료에 존재하는 사포닌, 올리고사카라이드, 프로테아제 억제제와 같은 항영양 인자를 감소시키는 데 중요한 역할을 합니다. 발효 과정에서 미생물 활동과 효소 작용은 이러한 성분을 크게 감소시켜 최종 제품의 소화성과 영양 품질을 향상시킵니다(Marco et al., 2017; Hidalgo-Fuentes et al., 2024). 육류 대체 제품에서도 압출, 고습도 압출(HME), 전단 유도 구조화 등 가공 방법은 고온·고압 처리를 활용해 사포닌, 올리고사카라이드, 프로테아제 억제제를 분해하여 아미노산 프로파일 개선과 항영양 인자 감소 효과를 가져옵니다(Kaleda et al., 2020; Kurek et al., 2022; Schreuders et al., 2019). 이러한 전략은 식물성 제품의 전체적인 영양 품질과 수용성을 향상시킵니다.

7.3.3. 발효 식품이 영양소 흡수 및 이용에 미치는 영향

식품 성분의 효소 분해: 발효에 관여하는 미생물의 효소 활성은 영양소 흡수에서 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, 유제품 발효 과정에서 Lactobacillus acidophilus 및 Lactobacillus casei와 같은 유산균은 락토스를 젖산으로 전환합니다. 이 전환은 락토스 소화력을 향상시키고 칼슘과 마그네슘과 같은 필수 미네랄의 생체 이용률을 증가시켜 영양소가 신체에 더 쉽게 흡수되도록 합니다 (Chilton et al., 2015; Vinderola et al., 2023).

장내 미생물군집 조절: 발효 식품은 영양소 흡수에서 중요한 역할을 하는 장내 미생물군집에 크게 영향을 미칩니다. 발효 과정에서 장 내 세균과 식이 성분 간의 동적 상호작용은 단쇄 지방산(SCFAs)을 생성하며, 이는 장 내 pH를 낮추고 미네랄의 용해도와 흡수율을 개선합니다. Lactobacillus rhamnosus와 같은 프로바이오틱스 균주는 미네랄 생체 이용률을 향상시켜 칼슘 흡수율을 높이고 뼈 건강을 지원합니다(Chilton et al., 2015; Ibrahim et al., 2023; Vinderola et al., 2023).

항영양 인자 감소: 발효 과정은 콩류와 같은 식품에 존재하는 피타트와 탄닌과 같은 항영양 인자를 효과적으로 감소시킵니다. 이러한 인자는 미네랄과 결합하여 흡수 를 방해하지만, 감소되면 단백질과 미네랄의 소화 및 흡수율이 향상되어 식품의 영양 가치가 높아집니다(Vinderola et al., 2023).

생물활성 화합물의 합성: 발효 식품에 존재하는 프로바이오틱스는 영양소 이용률을 더욱 향상시키는 생물활성 화합물을 생성합니다. 예를 들어, Lactobacillus plantarum은 무기 셀레늄을 유기 셀레노 아미노산으로 전환하여 셀레늄의 생체 이용률을 높여 체내 흡수 및 이용을 증가시킵니다. 이러한 셀레늄 강화 프로바이오틱스는 생체 이용 가능하고 독성이 낮은 형태로 셀레늄을 공급하여 간과 신장의 항산화 상태와 셀레늄 농도를 개선합니다(Chilton et al., 2015; Vinderola et al., 2023; Varvara & Vodnar, 2024).

실험적 연구 및 임상 시험: 발효 식품이 영양소 흡수 및 이용을 향상시키는 데 효과적임을 입증한 수많은 연구가 있습니다. 예를 들어, 발효 우유의 단백질 분해는 펩타이드와 자유 아미노산 함량을 증가시켜 소화성과 영양소 흡수를 개선합니다(Varvara & Vodnar, 2024). 또한 임상 시험에서 발효 식품을 포함한 프로바이오틱스 보충제가 젊은 성인 여성의 칼슘 흡수 및 골 건강을 향상시킨다는 결과가 나왔습니다(Chilton et al., 2015; Vinderola et al., 2023).

전체 건강에 미치는 영향: 연구 결과, 발효 식품의 정기적 섭취가 건강 개선에 유의미한 영향을 미친다는 것이 밝혀졌습니다. 예를 들어, 발효 우유 섭취에 대한 연구에서 건강한 개인의 포도당 대사 및 면역 기능이 개선된 것으로 나타났습니다. 셀레늄이 풍부한 프로바이오틱스를 사용한 추가 연구에서는 셀레늄 수치가 증가하고 항산화 활동이 개선된 것으로 나타나 발효 식품이 영양소의 최적 활용을 촉진하는 데 폭넓은 효능이 있음을 강조했습니다 (Chilton et al., 2015; Vinderola et al., 2023; Varvara & Vodnar, 2024).

7.3.4. 자가포식 활성화 및 장 장벽 기능 유지

장내 미생물 군집의 조절: 발효 식품은 장내 미생물 군집의 구성을 크게 변화시키는 생균이 풍부합니다. 이러한 조절은 장의 장벽 기능을 유지하는 데 매우 중요합니다. 장내 미생물 균형을 최적화함으로써, 이러한 식품은 염증을 완화하고 손상된 세포를 제거하고 새로운 세포를 재생하는 신체의 메커니즘인 자가포식을 강화합니다 (Kocot & Wróblewska, 2021). 이 과정은 세포 내 균형 유지와 전체 장 건강에 필수적입니다(De Filippis et al., 2018; Rokana et al., 2016).

장 장벽 기능 강화: 발효 식품에 함유된 특정 프로바이오틱스 균주(예: Lactobacillus plantarum)는 장 장벽을 강화하는 것으로 알려져 있습니다(Rokana et al., 2016). 이들은 장의 투과성을 감소시켜 염증을 유발할 수 있는 유해 물질과 병원체의 침입을 방지합니다. 이 보호 역할은 장 장벽의 구조적 구성 요소 개선, 특히 밀착 연결 단백질의 강화에 부분적으로 기인합니다 (Berkes et al., 2003; Rokana et al., 2016). 이러한 단백질은 장 장벽의 기능에 필수적이며, 유해 물질을 효과적으로 차단하면서 영양소 흡수를 허용합니다.

연구 결과: 프로바이오틱스 균주를 함유한 발효 유제품을 섭취하는 것이 장 장벽 기능을 크게 향상시킨다는 연구 결과가 있습니다. 이러한 제품은 장 장벽의 구조를 강화하여 그 기능을 개선할 수 있습니다 (Rokana 외, 2016). 또한, 발효 제품이 장 상피의 자가포식에 미치는 영향을 조사한 지속적인 연구에 따르면, 이러한 식품을 포함한 식이 요법이 이 필수적인 세포 과정을 조절하는 데 유익한 전략이 될 수 있음을 시사합니다 (Krumbeck 외, 2018; Marco 외, 2017).

한계 및 추가 연구의 필요성: 기존 증거는 유망하지만, 이러한 연구의 대부분은 체외 또는 동물 모델에서 진행되었다는 점을 유의해야 합니다. 따라서, 인체 건강에 대한 직접적인 적용 가능성은 포괄적인 인체 연구를 통해 추가적인 검증이 필요합니다. 여기에 언급된 연구와 그 밖의 연구들이 이 분야에 기여했습니다. 그러나, 장 건강 증진 및 자가포식 활성화에 대한 발효 식품의 유익한 효능을 완전히 입증하기 위해서는 더 많은 경험적 증거가 필요합니다.

7.3.5. 바이러스 감염 억제

단백질 분해 활성: 발효 식품이 바이러스 감염과 싸우는 주요 메커니즘 중 하나는 나토와 같은 제품에서 관찰되는 단백질 분해 활성입니다. 연구 결과, 나토 추출물이 소 헤르페스 바이러스 1형(BHV-1)의 글리코프로틴 D와 SARS-CoV-2의 수용체 결합 도메인(RBD)과 같은 중요한 바이러스 단백질을 단백질 분해적으로 분해한다는 것이 밝혀졌습니다(Oba et al., 2021). 이 활성은 이러한 바이러스가 호스트 세포를 감염시키는 능력을 방해합니다. 특히 이 단백질 분해 활성은 열에 민감하며, 이는 관련 단백질 분해 효소가 고온에 노출될 때 기능이 상실된다는 것을 의미합니다. 이는 이러한 식품의 치료적 응용에 있어 중요한 고려 사항입니다.

면역 체계 조절: 발효 식품은 면역 체계의 기능을 강화하는 데도 역할을 합니다. 예를 들어, 요거트와 케피르에 함유된 특정 프로바이오틱스 균주는 자연살해 세포의 활성을 강화하고 염증성 사이토카인의 생산을 증가시키며 T 세포를 활성화시키는 것으로 나타났습니다. 이러한 면역 반응은 바이러스성 병원체에 대한 신체 방어력을 강화하고 감염과의 싸움 능력을 향상시키는 데 필수적입니다 (Azam et al., 2023; Hamida et al., 2021).

연구 결과: 다양한 연구는 발효 식품이 바이러스 감염에 대한 보호 효과를 갖는다는 강력한 증거를 제공합니다. 예를 들어, 김치에서 추출된 프로바이오틱스는 인플루엔자 H3N2 바이러스에 감염된 쥐의 생존율을 개선했습니다(Muhialdin et al., 2021). 또한, 콩에서 유래한 Bifidobacterium adolescentis는 노로바이러스의 증식을 억제하고 바이러스 유사 입자의 장 세포 결합을 감소시켜 바이러스 감염과 복제를 제한하는 데 도움이 될 수 있습니다(Li et al., 2016).

면역 반응 및 감염 심각도에 미치는 영향: 발효 식품의 정기적인 섭취는 강화된 면역 반응과 잠재적으로 덜 심각한 바이러스 감염과 연관되어 있습니다(Hamida et al., 2021). 이러한 결과는 발효 식품을 포함하는 식이 권장 사항을 통해 자연 항바이러스 방어를 강화하는 데 대한 근거를 제공합니다.

미래 연구 방향: 현재 데이터는 유망하지만, 최적의 항바이러스 효과를 달성하기 위해 필요한 구체적인 용량과 장기 섭취 기간은 여전히 연구 중입니다. 이러한 매개변수를 결정하고 발효 식품 내 항바이러스 성분을 규명하기 위한 추가 연구가 필요합니다. 활성 프로테아제의 식별과 바이러스 단백질에 대한 작용 메커니즘 이해는 발효 식품의 항바이러스 잠재력을 완전히 활용하는 데 필수적이며, 진행 중인 연구(Azam et al., 2023; Oba et al., 2021)에서도 강조되고 있습니다.

7.3.6. 우울증 및 불안 예방을 포함한 정신 건강 혜택

장 미생물이 뇌 기능에 미치는 영향: 장-뇌 축에 대한 연구는 장 미생물이 뇌 기능과 행동에 영향을 미치는 중요한 경로를 밝혀내고 있습니다. Lactobacillus helveticus와 Bifidobacterium longum과 같은 프로바이오틱스가 풍부한 발효 식품은 장 미생물의 품질과 다양성을 향상시킵니다. 이 유익한 박테리아는 필수 대사 기능, 면역 체계 조절, 세로토닌과 감마-아미노부티르산(GABA)과 같은 기분 조절 신경전달물질의 생산에 기여합니다(Limbana et al., 2020; Tian et al., 2004).

장내 미생물군집 구성을 개선함으로써 이러한 신경활성 화합물과 대사산물은 스트레스 저항성과 기분 안정화를 향상시켜 기분 장애에 대한 보호 효과를 제공할 수 있습니다(Kazlausky Esquivel, 2021; Limbana et al., 2020). 프로바이오틱스 보충제와 신경활성 화합물: 발효 식품의 효과를 반영하는 프로바이오틱스 보충제는 스트레스 반응을 완화하고 기분 장애를 개선하는 데 유망한 결과를 보여주었습니다.

임상 연구는 프로바이오틱스가 자율 신경계 기능, 감정 처리, 정신 건강을 개선할 수 있음을 보여주며, 발효 식품이 정신 건강 개입에 미치는 유익한 영향을 시사합니다 (Kazlausky Esquivel, 2021).

임상 및 연구 결과: 연구 결과, Lactobacillus helveticus 및 Bifidobacterium longum과 같은 프로바이오틱스를 함유한 발효 식품이 우울증과 불안 위험을 유의미하게 감소시킬 수 있음을 나타냅니다. 예를 들어, 이러한 식품의 섭취는 기분 장애 증상 감소와 연관되어 있습니다(Akkasheh et al., 2016; Dash et al., 2015; Merkouris et al., 2024; Madabushi et al., 2023).

식이 요인과 장 미생물군집 및 정신 건강: 개인의 식이 구성은 장 미생물군집 형성에 중요한 역할을 하며, 이는 결국 정신 건강에 영향을 미칩니다. 식이섬유, 과일, 채소가 풍부한 식이(예: 지중해 식이)는 유익한 장 세균의 증식을 지원하며 우울증 증상 감소와 연관되어 있습니다(Dominguez et al., 2021; Ventriglio et al., 2021). 반면, 지방과 설탕이 많은 서구식 식단은 장내 미생물 불균형과 우울증 발생률 증가와 연관되어 있습니다(Firth et al., 2020). 또한, 신생 연구는 장내 미생물 구성에 영향을 주고 우울증과 불안의 병리학적 요인으로 알려진 염증을 감소시켜 장 건강과 심리적 안녕을 향상시키는 잠재력을 보여주는 시너지틱스와 심리생물제의 가능성을 제시하고 있습니다.

7.3.7. 심혈관 건강 혜택

장 미생물군집 조절과 염증 감소: 발효 식품은 장 미생물군집을 변화시켜 심혈관 건강에 중요한 역할을 합니다. 이러한 식품에 포함된 미생물, 특히 젖산균은 장 장벽의 무결성을 강화하고 심혈관 질환 발병의 주요 요인인 전신 염증을 감소시킵니다. (CVD). 장 미생물군의 이러한 조절은 호스트의 면역 및 대사 반응에 긍정적인 영향을 미쳐 전반적인 심장 건강에 기여합니다 (Wang et al., 2022; Li et al., 2022).

생물활성 화합물 생산: 발효 과정에서 젖산, 단쇄 지방산, 생물활성 펩타이드 등 여러 생물활성 화합물이 생성됩니다. 이 화합물은 CVD와 관련된 대사 경로에 영향을 미치며, 예를 들어 지질 대사 개선과 인슐린 감수성 향상 등이 있습니다. 발효 유제품에 함유된 특정 펩타이드들은 혈압 조절에 중요한 역할을 하는 안지오텐신 전환 효소(ACE) 억제제로 기능합니다(Hayes et al., 2007; Li et al., 2022; ).

비타민 K2와 심혈관 단백질: 발효 과정은 심혈관 건강에 관여하는 단백질을 활성화하는 데 필수적인 비타민 K2의 생성을 촉진합니다. 이는 발효 식품이 CVD 위험을 완화하는 복잡한 메커니즘을 보여줍니다 (Mozaffarian & Wu, 2018).

역학 연구: 역학 연구 결과, 발효 유제품의 섭취량이 높을수록 주요 CVD 사건 및 관련 사망 위험이 낮다는 것이 확인되었습니다. 이 관계는 용량-반응 효과를 시사하며, 이러한 식품의 섭취량이 증가할수록 심혈관 위험이 감소하는 것으로 나타났습니다 (Pokala et al., 2024).

다양한 미생물 및 영양학적 기여: 연구는 발효 식품의 미생물 다양성, 섭취 수준, 생체활성 대사산물 및 강화된 영양소가 심혈관 건강을 지원하는 메커니즘을 탐구했습니다. 프로바이오틱스, 포스트바이오틱스, 대사물을 함유한 발효 식품은 장 미생물군, 대사 신호 경로, 영양소 흡수 조절을 통해 심장 건강에 긍정적인 영향을 미칩니다(Pessione & Cirrincione, 2016; Tamang et al., 2016).

프로바이오틱스와 심장 보호: 연구 결과, 치즈와 요거트 같은 발효 유제품과 적당한 와인 섭취가 심장 보호 효과를 가질 수 있습니다. Lactobacillus plantarum과 같은 프로바이오틱스 균주는 ACE 억제 활성으로 인해 심혈관 질환 위험을 감소시키는 것으로 강조됩니다(Kim et al., 2021; Liu et al., 2017; Praagman et al., 2015). Lactobacillus plantarum과 Lactobacillus fermentum과 같은 프로바이오틱스의 항산화 효과는 심혈관 건강과 연관되어 있습니다.

프로바이오틱 요거트의 기능적 특성: 프로바이오틱 요거트, 특히 Lactobacillus delbrueckii KU200171과 같은 균주를 함유한 제품은 높은 자유 라디칼 제거 능력과 ACE 억제 효과를 나타냅니다. 이러한 기능적 특성은 혈압 조절과 전반적인 심혈관 건강 개선에 기여하며, 발효 식품에 함유된 특정 프로바이오틱스 균주는 심장 건강 증진과 고혈압과 같은 만성 질환 예방에 유망한 후보로 주목받고 있습니다(Kim et al., 2021; Liu et al., 2017).

7.3.8. 항산화 및 항노화 효과

생체활성 화합물의 증진: 발효 식품은 발효 과정을 통해 폴리페놀, 비타민, 항산화제 등 중요한 생체활성 화합물의 수준을 증가시킵니다. 이러한 화합물은 노화와 노화 관련 질환의 주요 원인인 산화 스트레스와 싸우는 데 필수적입니다. 발효는 식품의 항산화 특성을 크게 향상시켜 자유 라디칼을 중화시키고 산화 손상을 줄이는 데 더 효과적입니다 (Rusu et al., 2023).

피부 건강 증진: 발효 과정에서 생성되는 유산균과 다양한 펩타이드와 같은 생물활성 성분은 피부 세포를 산화 스트레스로부터 보호하고 콜라겐 합성을 촉진합니다. 이 과정은 피부 탄력과 탄력성을 개선하여 젊은 피부를 유지하고 노화를 지연시키는 데 필수적입니다(Rusu et al., 2023).

장 미생물군 조절: 발효 식품은 장 미생물군을 변화시켜 항노화 효과를 발휘합니다. 이 조절은 체내 항산화 능력과 염증 수준에 영향을 미칩니다. 발효 식품 섭취와 관련된 미생물 다양성 증가와 단쇄 지방산 생산은 염증 감소와 항산화 방어력 강화와 연관되어 전반적인 건강과 노화에 미치는 광범위한 영향을 보여줍니다(Pradhan et al., 2024; Porras-García et al., 2023).

임상 시험 및 연구: 여러 연구는 발효 식품의 항산화 및 항노화 효과를 강조합니다. 예를 들어, 발효 채소-과일 음료(FVFD)에 대한 조사 결과, 인간 대상에서 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD)와 카탈라제와 같은 항산화 효소 활성이 유의미하게 증가했습니다. 이 증가는 산화 스트레스 감소에 도움을 줍니다. 임상 시험은 또한 FVFD가 피부 수분, 밝기, 탄력을 향상시키고 주름과 눈가 주름과 같은 피부 노화 증상을 감소시켜 항노화 응용 가능성을 시사했습니다 (Chan et al., 2021).

발효 제품과의 비교: FVFD의 항산화 능력은 발효되지 않은 제품보다 유의미하게 높았으며, 이는 발효 과정이 원료인 채소와 과일 주스의 항산화 효과를 증강시킨다는 것을 시사합니다(Chan et al., 2021).

프로바이오틱 균주와 피부 건강의 영향: 발효 식품에 존재하는 특정 프로바이오틱 균주(예: Lactobacillus plantarum 및 Lactobacillus fermentum)는 높은 자유 라디칼 소거 활성과 안지오텐신 전환 효소(ACE) 억제 효과를 나타냅니다. 이러한 특성은 산화 스트레스를 감소시키고 피부 건강 지표를 개선하여 항노화 효과에 기여합니다(Xiang et al., 2019).

7.3.9. 잠재적 항당뇨 효과

생물활성 화합물의 증진: 발효 식품은 당뇨병 관리에 중요한 유익한 화합물의 생체 이용률을 높입니다. 발효 과정, 특히 Rhizopus oligosporus와 Lactiplantibacillus plantarum과 같은 미생물을 사용한 발효는 이소플라본과 감마-아미노부티르산(GABA)의 수준을 증가시킵니다. 이러한 화합물은 항산화 능력을 향상시키고 활성산소종(ROS) 수준을 감소시키며, 당뇨병 관리에 중요한 혈당 균형을 지원합니다(Hariyanto et al., 2022).

인슐린 민감도 및 혈당 조절 개선: 발효는 복잡한 분자를 생체 이용률이 높은 형태로 분해하여 이소플라본과 GABA와 같은 화합물의 혈당 조절 및 췌장 베타 세포 기능 촉진 효과를 높입니다. GABA는 췌장 베타 세포 재생에 중요한 역할을 하며, 이는 인슐린 생산과 혈당 조절에 필수적입니다(Hariyanto et al., 2022).

장 미생물군 조절: Lactiplantibacillus plantarum을 함유한 콩 요거트와 같은 발효 식품을 섭취하면 장 미생물군을 조절합니다. 이 조절은 장 내 세균의 건강한 균형을 유지하여 혈당 대사 개선과 당뇨병의 흔한 합병증인 염증을 감소시킵니다. 발효 식품의 프로바이오틱스는 면역력 강화, 산화 스트레스 감소, 전체적인 장 건강 개선을 통해 당뇨병 관리에 기여합니다 (Das et al., 2023; Rusu et al., 2023).

다양한 생물활성 화합물: 이소플라본과 GABA 외에도 발효 식품에는 당뇨병 예방에 도움이 되는 다양한 생물활성 화합물이 포함되어 있습니다. 이에는 카테킨, 히드록시시나믹 산(페룰산과 클로로겐산 등), 안토시아닌, 커큐민, 케르세틴, 레스베라트롤, 다양한 비타민 및 미네랄이 포함됩니다. 연구 결과, 이러한 화합물은 인슐린 감수성을 개선하고, 염증을 감소시키며, 혈당 수치를 낮추고, 포도당 흡수를 촉진하며, 당뇨병 합병증으로부터 보호하는 것으로 나타났습니다 (Khaki et al., 2010; Naz et al., 2023; Ozougwu, 2011).

항산화 효과 및 AGEs 조절: 발효 식품에 함유된 폴리페놀 성분은 항산화 작용을 하며 장내 미생물 균형을 조절하고 당화 최종 생성물(AGEs)의 형성을 억제합니다. AGEs는 당뇨병 합병증 발생과 연관되어 있습니다. 이러한 생물활성 성분의 복합적 효과는 포도당 및 지질 대사 조절, 염증 감소, 인슐린 감수성 향상 등에 기여합니다(Zhang et al., 2023a).

7.4. Adverse effects of fermented foods

7.4.1. Adverse effects of probiotics

Probiotics, while beneficial, can lead to side effects such as abdominal pain, systemic infections, and immune stimulation. These effects are influenced by factors including the probiotic's duration and dosage, the strains used, and the bioactive substances produced by lactic bacteria. Variations in the viable cell count in probiotic products also play a role (Gul & Durante-Mangoni, 2024; Mangalat et al., 2012). Additionally, probiotics significantly affect the gut microbiota, which can cause gastrointestinal disturbances. There's a recognized need for standardized methods to assess these side effects to optimize probiotic therapy for conditions like inflammatory bowel disease (IBD) (Dore et al., 2019).

7.4.2. Adverse effects of fermented foods

Consuming fermented foods can result in adverse effects primarily due to biogenic amines (BAs), such as histamine, tyramine, and phenylethylamine, produced during fermentation. High levels of BAs can overwhelm the body's detox systems, causing symptoms like nausea, respiratory distress, and cardiovascular issues. Strategies to reduce BA formation include controlling microbial loads, using specific starter cultures, and applying proper thermal treatments during processing. Regular monitoring and testing for BAs in fermented foods are crucial for ensuring food safety (Feddern et al., 2019; Turna et al., 2024). Analytical methods like High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) are essential for detecting and quantifying BAs, thus aiding in risk assessment and regulatory compliance.

7.4. 발효 식품의 부작용

7.4.1. 프로바이오틱스의 부작용

프로바이오틱스는 유익하지만 복통, 전신 감염, 면역 자극과 같은 부작용을 유발할 수 있습니다. 이러한 효과는 프로바이오틱스의 투여 기간과 용량, 사용된 균주, 유산균이 생성하는 생물활성 물질 등에 의해 영향을 받습니다. 프로바이오틱스 제품의 생존 세포 수 변동도 역할을 합니다(Gul & Durante-Mangoni, 2024; Mangalat et al., 2012). 또한 프로바이오틱스는 장내 미생물군집에 크게 영향을 미쳐 소화기 장애를 유발할 수 있습니다. 염증성 장 질환(IBD)과 같은 질환에서 프로바이오틱스 치료를 최적화하기 위해 이러한 부작용을 평가하기 위한 표준화된 방법이 필요하다는 점이 인정되고 있습니다(Dore et al., 2019).

7.4.2. 발효 식품의 부작용

발효 식품 섭취는 발효 과정에서 생성되는 생물학적 아민(BAs)인 히스타민, 티라민, 페닐에틸아민 등에 의해 주로 부작용을 유발할 수 있습니다. BAs의 높은 수준은 신체 해독 시스템을 과부하시켜 메스꺼움, 호흡 곤란, 심혈관 문제 등 증상을 유발할 수 있습니다. BAs 형성을 줄이기 위한 전략에는 미생물 부하 제어, 특정 스타터 문화 사용, 가공 시 적절한 열처리 적용 등이 포함됩니다. 발효 식품에서의 BAs 모니터링 및 검사는 식품 안전을 확보하기 위해 필수적입니다(Feddern et al., 2019; Turna et al., 2024). 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)와 같은 분석 방법은 BAs의 검출 및 정량화에 필수적이며, 위험 평가 및 규제 준수에도 도움을 줍니다.

8. Case studies and challenges

This section examines eight pioneering plant-based companies, showcasing their innovative strategies for creating sustainable and nutritious alternatives to animal-based products. These case studies offer valuable insights into their approaches, challenges, and contributions to the expanding plant-based food industry. A detailed discussion of the challenges can be found in Section 9

8.1. Case studies

8.1.1. Impossible foods

Founded in 2011 by Patrick O. Brown, Impossible Foods specializes in plant-based meat analogs that mimic the taste and texture of beef. Their breakthrough involves using heme from soy leghemoglobin, produced through fermentation with genetically engineered yeast, ensuring high purity (Impossible Foods, 2024; Wikipedia-Impossible Foods, 2024). Using plant ingredients, impossible Foods’ scientists leverage molecular science to replicate meat's taste, smell, and texture. A key discovery was heme—a molecule that makes meat taste “like meat.”

Within a decade, the company transformed from a start-up to a major player in the plant-based meat sector, which grew by 64 % from 2018 to 2020 (GFI Europe, 2022) and is projected to be worth nearly $25 billion by 2030 (Grand View Research Inc., 2022).

8.1.2. Beyond meat

Beyond Meat, founded by Ethan Brown in 2009, is another pioneering force in the plant-based food industry that aims to transform global protein consumption through innovative technologies and sustainable practices. It creates analog products that replicate the taste, texture, and nutritional benefits of meat without the environmental impact of animal agriculture. While not utilizing fermentation in its production process, Beyond Meat relies on a blend of plant-based ingredients and advanced food technology to develop its range of products (Beyond Meat, 2022; Wikipedia-Beyond Meat, 2024).

8.1.3. Perfect day

Founded in 2014 by Ryan Pandya and Perumal Gandhi, Perfect Day uses precision fermentation to produce animal-free dairy proteins, presenting a sustainable alternative to traditional dairy. The company employs genetically modified microorganisms to create whey and casein in fermentation tanks, which are then harvested, purified, and used in dairy-free products like milk, cheese, yogurt, and ice cream. This process mimics the taste, texture, and functionality of conventional dairy. Their products are lactose-free, cholesterol-free, and hormone-free, appealing to health-conscious consumers (Perfect Day, 2024).

Perfect Day conducted a thorough life cycle assessment of their whey protein production, showing reduced environmental impacts like greenhouse gas emissions, primary energy demand, and water consumption compared to traditional dairy protein sources. This assessment highlights the sustainability of Perfect Day's innovative non-animal whey protein production process through significant reductions in environmental burdens (WSP USA, 2021).

8.1.4. MycoTechnology

MycoTechnology, founded in 2013 by Alan Hahn and Brooks Kelly, is a biotech company specializing in creating food ingredients from fungi through proprietary fermentation technology. This innovative process addresses key food industry challenges such as enhancing flavor, improving nutrition, and reducing waste. By cultivating specific strains of fungi under controlled conditions, MycoTechnology produces proteins, flavor enhancers, and other functional ingredients. These are extracted via filtration and centrifugation and integrated into various food and beverage products to enhance their nutritional and taste profiles (MycoTechnology, 2024).

Fungi play a vital role in numerous industries worldwide due to their diverse applications. They are crucial in environmental clean-up as decomposers and recyclers, in agriculture as protein sources, and in food technology for producing fermented foods, baked goods, alcoholic beverages, enzymes, and food colorants. The medical field utilizes fungi to produce antibiotics, organic acids, vitamins, and steroids. Key fungal species used in these processes include Aspergillus spp., Penicillium spp., and Trichoderma spp., among others. Ongoing research on existing fungal strains and the development of new ones are essential for improving food quality, variety, and the efficacy of fungal-derived products in both food and medicine (Koul & Faroogh, 2020).

8.1.5. Clara foods

Founded in 2014 by Arturo Elizondo, David Anchel, and Isha Datar, The EVERY Company (formerly Clara Foods) is an American biotechnology company. It develops animal-free proteins using yeast to convert sugar into proteins similar to animal ones. Engineered microorganisms produce proteins like albumin, which are essential for egg-based applications. After fermentation, these proteins are purified and used in food products such as baked goods and beverages, replicating the functional properties of traditional proteins (Clara Foods, 2021).

The EVERY Company developed the first animal-free egg white, which functions like traditional egg whites in baking, nutrition, and industrial applications. It foams, gels, and binds, making it ideal for vegan versions of foods like meringue and scrambled eggs. They also introduced the first animal-free bioidentical pepsin for the pharmaceutical industry, enabling vegan medications. In 2022, they launched Every EggWhite for bakery customers, showcasing its effectiveness in macarons (Wikipedia-The EVERY Company, 2024).

8.1.6. Nature's Fynd

Nature's Fynd, founded by Thomas Jonas and Mark Kozubal in 2012 in Chicago, called initially Sustainable Bioproducts, is a food tech company that produces Fy Protein™, a novel protein derived from extremophiles discovered in Yellowstone's geothermal springs. This protein is produced by fermenting the fungal microorganism Fusarium strain flavolapis, transforming simple sugars into high-quality protein. Fy Protein contains essential amino acids, fiber, fat, carbohydrates, vitamins, and minerals, making it a versatile alternative to animal-based proteins for use in various food products, including meat and dairy alternatives (Nature's Fynd, 2022). Comprehensive eval‎uations have confirmed that Fy Protein has low toxicological, genotoxic, pathogenic, and allergenic potential, with no significant adverse effects observed in a 90-day rat study and no detectable mycotoxins. (Furey et al., 2022).

8.1.7. Quorn Foods

Quorn Foods, developed in 1985 in the United Kingdom by a joint venture between Imperial Chemical Industries (ICI) and Rank Hovis McDougall, specializes in mycoprotein-based meat alternatives, making it a prominent player in the plant-based food industry. The company uses innovative fermentation technology to produce mycoprotein from the fungus Fusarium venenatum. This process involves growing the fungus in fermentation tanks with a glucose-rich substrate and transforming it into a protein-rich biomass. After fermentation, this biomass undergoes heat treatment for safety and stability, and then it is shaped into products like burgers, sausages, and nuggets, with added natural flavors and binders. (Quorn, 2024; Wikipedia-Quorn, 2024).

8.1.8. Oatly

Oatly is a pioneering company based in Sweden that specializes in producing oat-based dairy alternatives. Founded in the 1990s by Rickard Öste, Oatly aims to offer sustainable, nutritious alternatives to traditional dairy products by using oats innovatively. Oatly's production process involves a unique enzymatic process, including fermentation to transform oats into a milk-like product. Whole oats are milled into oat flour and mixed with water and enzymes to break down the starches into simpler sugars, creating a smooth and creamy base. This mixture undergoes fermentation with naturally occurring lactic acid bacteria, enhancing flavor and nutritional profile. After fermentation, the mixture is separated to remove insoluble fibers, homogenized for consistency, and fortified with essential nutrients such as vitamins and minerals. The final product is a creamy, milk-like beverage that offers a sustainable and nutritious alternative to traditional dairy (Oatly News Release, 2021).

The Oatly Barista Edition will initially be offered with Fairtrade-certified filter coffee or Caffè Crema, allowing passengers to try a plant-based milk alternative that generally has a lower climate impact than cow's milk (Poore & Nemecek, 2018).

8. 사례 연구 및 과제

이 섹션에서는 동물성 제품의 지속 가능하고 영양가 있는 대안을 개발하기 위해 혁신적인 전략을 선보인 8개의 선구적인 식물성 식품 기업을 살펴봅니다. 이 사례 연구는 그들의 접근 방식, 과제, 그리고 확장되는 식물성 식품 산업에 대한 기여를 보여줍니다. 과제에 대한 자세한 논의는 제9절에 수록되어 있습니다.

8.1. 사례 연구

8.1.1. Impossible Foods

2011년 Patrick O. Brown에 의해 설립된 Impossible Foods는 소고기의 맛과 텍스처를 모방한 식물성 고기 대체품을 전문으로 합니다. 그들의 혁신은 유전자 변형 효모를 통해 발효로 생산된 대두 레그헤모글로빈에서 추출한 헤메를 사용하는 데 있습니다. 이는 높은 순도를 보장합니다(Impossible Foods, 2024; Wikipedia-Impossible Foods, 2024). 식물성 원료를 활용해 Impossible Foods의 과학자들은 분자 과학을 통해 고기의 맛, 향, 텍스처를 재현합니다. 핵심 발견은 고기의 맛을 ‘고기처럼’ 만드는 분자인 헤메입니다.

10년 만에 이 회사는 스타트업에서 식물성 고기 산업의 주요 기업으로 성장했으며, 이 산업은 2018년부터 2020년까지 64% 성장했습니다(

8.1.2. Beyond Meat

Beyond Meat는 2009년 에단 브라운에 의해 설립된 식물성 식품 산업의 선구적 기업으로, 혁신적인 기술과 지속 가능한 실천을 통해 전 세계 단백질 소비를 혁신하는 것을 목표로 합니다. 이 회사는 동물 농업의 환경적 영향을 없이 고기의 맛, 텍스처, 영양적 이점을 재현한 유사 제품을 개발합니다. Beyond Meat는 생산 과정에서 발효를 사용하지 않지만, 식물성 원료와 고급 식품 기술을 결합해 제품 라인업을 개발합니다(Beyond Meat, 2022; Wikipedia-Beyond Meat, 2024).

8.1.3. Perfect Day

2014년 Ryan Pandya와 Perumal Gandhi에 의해 설립된 Perfect Day는 정밀 발효 기술을 활용해 동물성 성분이 없는 유제품 단백질을 생산하며, 전통적인 유제품의 지속 가능한 대안을 제시합니다. 이 회사는 유전자 변형 미생물을 발효 탱크에서 활용해 유청과 카제인을 생성한 후, 이를 수확, 정제해 유제품이 없는 제품(우유, 치즈, 요거트, 아이스크림 등)에 사용합니다. 이 과정은 전통적인 유제품의 맛, 텍스처, 기능을 모방합니다. 그들의 제품은 유당, 콜레스테롤, 호르몬이 없어 건강을 중시하는 소비자에게 매력적입니다 (Perfect Day, 2024).

Perfect Day는 유청 단백질 생산 과정에 대한 철저한 생명주기 평가를 실시해 전통적인 유제품 단백질 원천에 비해 온실가스 배출량, 원천 에너지 수요, 물 소비량 등이 감소했음을 보여주었습니다. 이 평가는 환경 부하를 크게 줄임으로써 Perfect Day의 혁신적인 비동물성 유청 단백질 생산 공정의 지속 가능성을 강조합니다 (WSP USA, 2021).

8.1.4. MycoTechnology

Alan Hahn과 Brooks Kelly가 2013년에 설립한 MycoTechnology는 독점적인 발효 기술을 통해 곰팡이에서 식품 성분을 만드는 데 특화된 생명공학 회사입니다. 이 혁신적인 과정은 맛 향상, 영양 개선, 폐기물 감소 등 식품 산업의 주요 과제를 해결합니다. 특정 균주를 통제된 환경에서 배양하여 단백질, 맛 증강제, 기타 기능성 원료를 생산합니다. 이러한 원료는 필터링과 원심분리 과정을 통해 추출되어 다양한 식품 및 음료 제품에 통합되어 영양 및 맛 프로필을 향상시킵니다 (MycoTechnology, 2024).

균류는 전 세계 다양한 산업에서 중요한 역할을 합니다. 환경 정화에서 분해자 및 재활용자로, 농업에서 단백질 원천으로, 식품 기술에서 발효 식품, 제과 제품, 알코올 음료, 효소, 식품 색소 생산에 활용됩니다. 의료 분야에서는 항생제, 유기산, 비타민, 스테로이드 생산에 사용됩니다. 이러한 과정에 사용되는 주요 곰팡이 종에는 Aspergillus spp., Penicillium spp., Trichoderma spp. 등이 있습니다. 기존 곰팡이 균주의 연구와 새로운 균주 개발은 식품 품질, 다양성, 식품 및 의약품에서 곰팡이 유래 제품의 효능을 향상시키는 데 필수적입니다(

8.1.5. Clara Foods

2014년 Arturo Elizondo, David Anchel, Isha Datar에 의해 설립된 The EVERY Company(이전 Clara Foods)는 미국 바이오기술 기업입니다. 이 회사는 효모를 활용해 설탕을 동물 단백질과 유사한 단백질로 전환하는 동물성 단백질 대체물을 개발합니다. 공학적으로 설계된 미생물은 알부민과 같은 단백질을 생산하며, 이는 계란 기반 응용 분야에 필수적입니다. 발효 후 이러한 단백질은 정제되어 빵류와 음료 등 식품 제품에 사용되며, 전통적 단백질의 기능적 특성을 재현합니다(Clara Foods, 2021).

The EVERY Company는 베이킹, 영양, 산업 응용 분야에서 전통적 계란 흰자와 동일한 기능을 하는 첫 번째 동물성 성분 없는 계란 흰자를 개발했습니다. 이 제품은 거품이 나고, 젤화되며, 결합력이 있어 머랭이나 스크램블드 에그와 같은 비건 식품에 이상적입니다. 또한 제약 산업을 위해 동물성 성분이 없는 생물학적 동일성 펩신을 최초로 도입해 비건 의약품 개발을 가능하게 했습니다. 2022년에는 베이커리 고객을 대상으로 Every EggWhite를 출시해 마카롱에서의 효과를 입증했습니다(Wikipedia-The EVERY Company, 2024).

8.1.6. Nature's Fynd

Nature's Fynd는 2012년 시카고에서 토마스 조나스와 마크 코주발에 의해 설립된 식품 기술 기업으로, 처음에는 Sustainable Bioproducts라는 이름으로 활동했습니다. 이 회사는 옐로스톤의 지열 온천에서 발견된 극한 미생물에서 추출한 새로운 단백질인 Fy Protein™을 생산합니다. 이 단백질은 곰팡이 미생물 Fusarium flavolapis 균주를 발효시켜 단순 당을 고품질 단백질로 전환하는 과정을 통해 생산됩니다. Fy Protein은 필수 아미노산, 식이 섬유, 지방, 탄수화물, 비타민, 미네랄을 함유해 동물성 단백질의 대체재로 다양한 식품 제품(고기 및 유제품 대체품 등)에 활용 가능한 다목적 원료입니다(Nature's Fynd, 2022). 종합적인 평가 결과, Fy Protein은 독성, 유전독성, 병원성, 알레르기 유발 가능성이 낮으며, 90일간의 쥐 실험에서 유의미한 부작용이 관찰되지 않았고 마이코톡신도 검출되지 않았습니다(Furey et al., 2022).

8.1.7. Quorn Foods

Quorn Foods는 1985년 영국에서 Imperial Chemical Industries (ICI)와 Rank Hovis McDougall의 합작 투자로 설립된 기업으로, 마이코단백질 기반 육류 대체품을 전문으로 생산하며 식물성 식품 산업의 주요 기업으로 자리매김했습니다. 이 회사는 Fusarium venenatum 곰팡이를 활용해 혁신적인 발효 기술을 통해 마이코단백질을 생산합니다. 이 과정은 포도당 풍부한 배지에서 곰팡이를 발효 탱크에서 배양한 후 단백질 풍부한 생물량으로 전환하는 것을 포함합니다. 발효 후 이 생물량은 안전성과 안정성을 위해 열처리를 거치며, 이후 자연 향료와 결합제를 추가해 버거, 소시지, 너겟 등 제품으로 가공됩니다. (Quorn, 2024; Wikipedia-Quorn, 2024).

8.1.8. Oatly

Oatly는 스웨덴에 본사를 두고 있는 선구적인 기업으로, 오트밀을 기반으로 한 유제품 대안을 생산하는 전문 기업입니다. 1990년대 Rickard Öste에 의해 설립된 Oatly는 오트를 혁신적으로 활용해 전통적인 유제품의 지속 가능하고 영양가 있는 대안을 제공하기 위해 노력하고 있습니다. Oatly의 생산 과정은 발효를 포함한 독특한 효소 과정을 통해 오트를 우유와 유사한 제품으로 변환하는 과정을 포함합니다. 전체 오트는 오트 가루로 분쇄된 후 물과 효소와 혼합되어 전분을 단순한 당으로 분해하여 부드럽고 크림 같은 기반을 형성합니다. 이 혼합물은 자연적으로 발생하는 젖산균을 통해 발효되어 맛과 영양 성분을 향상시킵니다. 발효 후 혼합물은 불용성 섬유질을 제거하고 균일성을 위해 균질화되며, 비타민과 미네랄 등 필수 영양소로 강화됩니다. 최종 제품은 크림 같은 우유 유사 음료로, 전통적인 유제품에 비해 지속 가능하고 영양가 있는 대안을 제공합니다 (

Oatly Barista Edition은 처음에 공정무역 인증 필터 커피나 Caffè Crema와 함께 제공되며, 이는 소젖 우유보다 일반적으로 기후 영향이 낮은 식물성 우유 대안을 승객들이 체험할 수 있도록 합니다(Poore & Nemecek, 2018).

9. Implementation challenges, optimization, and future design

Plant-based food companies commonly face various challenges, including intense competition, consumer skepticism, regulatory hurdles, and complexities in scaling production. Despite these challenges, significant opportunities arise from increasing environmental awareness, partnerships with major food chains, advancements in food technology, expanding product lines, and growing investor interest in alternative proteins. These companies can reduce environmental impacts such as greenhouse gas emissions, land use, and water use associated with traditional farming.

While some critics categorize plant-based products as highly processed foods (Messina et al., 2022; Rizzolo-Brime et al., 2023), it is crucial to consider the broader context of their benefits and the nature of their processing. Plant-based foods employ advanced technology to create products that mimic the taste and texture of animal-based foods, making them appealing to a broader audience. This processing often involves using natural ingredients and innovative techniques to enhance nutritional profiles, improve food safety, and reduce environmental impacts. Moreover, the environmental benefits of plant-based products are substantial, including significantly lower greenhouse gas emissions, reduced land use, and decreased water consumption compared to traditional animal farming. These products can also provide a sustainable solution to global food security challenges by offering nutritious alternatives that require fewer resources (Gibbs & Cappuccio, 2022).

It is also worth noting that not all processing is inherently harmful. The methods used by plant-based companies are often designed to improve the healthfulness of their products, such as by fortifying them with essential vitamins and minerals or reducing harmful substances found in raw ingredients. As consumer awareness of health, sustainability, and ethical considerations grows, the demand for and acceptance of well-processed plant-based foods continues to rise, driving innovation and improving the overall quality of these products.

Scaling up fermentation technology involves complex interactions of biological systems, which can lead to unforeseen challenges in maintaining product consistency and quality (Crater & Lievense, 2018). Economically, the scale-up process demands substantial financial input, while technically, it requires precise control over numerous variables. Regulatory hurdles further complicate the path to market, requiring detailed and often lengthy approval processes to ensure safety and compliance (Smanski et al., 2022).

Consumer acceptance remains a pivotal challenge, as fermented products’ unique flavors and textures may not align with traditional tastes and cultural expectations. Integrating skilled project management and realistic planning is crucial to navigating these challenges effectively, leveraging experiences and lessons from past successes and failures in the industry to optimize the scaling process and achieve commercial viability (Siegrist & Hartmann, 2020).

9. 구현 과제, 최적화 및 미래 설계

식물성 식품 기업은 치열한 경쟁, 소비자 회의론, 규제 장애물, 생산 규모 확대의 복잡성 등 다양한 과제에 직면합니다. 그럼에도 불구하고 환경 인식 향상, 주요 식품 체인과의 파트너십, 식품 기술의 발전, 제품 라인 확장, 대체 단백질에 대한 투자자 관심 증가 등에서 중요한 기회가 발생합니다. 이러한 기업은 전통적인 농업과 관련된 온실가스 배출, 토지 사용, 물 사용 등 환경 영향을 줄일 수 있습니다.

일부 비판자들은 식물 기반 제품을 고도로 가공된 식품으로 분류합니다(Messina et al., 2022; Rizzolo-Brime et al., 2023). 그러나 이러한 제품의 혜택과 가공 방식의 본질을 고려하는 것이 중요합니다. 식물 기반 식품은 동물성 식품의 맛과 텍스처를 모방하기 위해 고급 기술을 활용해 더 넓은 소비자층에게 어필할 수 있는 제품을 개발합니다. 이 가공 과정은 자연 재료와 혁신적인 기술을 활용해 영양 성분을 강화하고 식품 안전성을 개선하며 환경 영향을 줄이는 데 초점을 맞춥니다. 또한 식물성 제품의 환경적 혜택은 상당하며, 전통적인 동물 사육에 비해 온실가스 배출량, 토지 사용량, 물 소비량이 크게 감소합니다. 이러한 제품은 자원이 덜 필요한 영양가 있는 대안을 제공함으로써 글로벌 식량 안보 문제에 지속 가능한 해결책을 제시할 수 있습니다(Gibbs & Cappuccio, 2022).

또한 모든 가공이 본질적으로 유해한 것은 아니라는 점도 주목할 가치가 있습니다. 식물 기반 기업들이 사용하는 방법은 제품의 건강성을 향상시키기 위해 설계된 경우가 많으며, 예를 들어 필수 비타민과 미네랄을 강화하거나 원재료에 함유된 유해 물질을 줄이는 방식이 포함됩니다. 소비자의 건강, 지속 가능성, 윤리적 고려에 대한 인식이 증가함에 따라 잘 가공된 식물 기반 식품에 대한 수요와 수용도가 계속 증가하고 있으며, 이는 혁신을 촉진하고 이러한 제품의 전반적인 품질을 향상시키고 있습니다.

발효 기술의 규모 확대는 생물학적 시스템의 복잡한 상호작용을 포함하며, 이는 제품 일관성과 품질 유지에 예상치 못한 도전 과제를 초래할 수 있습니다(Crater & Lievense, 2018). 경제적으로, 규모 확대 과정은 상당한 재정적 투자를 요구하며, 기술적으로는 수많은 변수를 정밀하게 제어해야 합니다. 규제 장벽은 시장 진출을 더욱 복잡하게 만들며, 안전성과 준수성을 확보하기 위해 상세하고 종종 긴 승인 절차가 필요합니다(Smanski et al., 2022).

소비자 수용은 여전히 핵심 과제입니다. 발효 제품의 독특한 맛과 텍스처가 전통적인 맛과 문화적 기대와 일치하지 않을 수 있기 때문입니다. 숙련된 프로젝트 관리와 현실적인 계획 수립은 이러한 과제를 효과적으로 극복하는 데 필수적이며, 산업 내 과거 성공과 실패의 경험과 교훈을 활용하여 확대 과정을 최적화하고 상업적 타당성을 달성하는 데 기여합니다(Siegrist & Hartmann, 2020).

9.1. Optimizing microbial fermentation

9.1.1. Understanding microbial biology and equipment selection

A deep understanding of the organism's biology is essential. Selecting appropriate equipment, especially the bioreactor, is crucial to maximizing product yield, quality, and stability (Crater & Lievense, 2018; Voidarou et al., 2021).

9.1.2. Consistency in fermentation conditions

Consistency in product quality becomes challenging as scaling up microbial fermentation can introduce flavor, texture, and nutritional content variability, potentially affecting consumer satisfaction. As the scale of production increases, maintaining uniform conditions such as nutrient availability, temperature, pH, and oxygen levels becomes more complex and crucial. Adequate heat and oxygen transfer, essential for maintaining microbial growth and metabolism, requires a thorough understanding of thermodynamics and meticulous process control. Additionally, fast, controlled freezing methods are critical to preserving quality during scale-up, ensuring that the integrity of the product remains intact from production through to final packaging. These integrated efforts are key to overcoming the inherent challenges of scaling fermentation processes while maintaining high-quality outcomes. (Mudoor Sooresh et al., 2023).

9.1.3. Sterilization and contamination prevention

Ensuring effective sterilization without damaging fermentation equipment is essential to prevent contamination. This aspect of process scaling emphasizes the need for advanced planning and adaptation to maintain integrity throughout the scale-up (Challener, 2024).

9.1.4. Technological challenges and process monitoring

Addressing issues such as foam management and culture growth variability and implementing effective monitoring and control systems are crucial as fermentation operations expand. Efficient downstream processing for product isolation and purification is also vital (Deotale et al., 2023).

9.1.5. Economic and environmental considerations

Scaling microbial fermentation involves high initial investments for production facilities and ongoing raw materials and maintenance costs. These economic barriers pose significant challenges as companies balance increased output with associated costs while maintaining sustainable practices. Achieving this balance is crucial in scale-up activities, highlighting the importance of both economic and environmental considerations in expanding fermentation processes. This integrated approach ensures that scalability does not compromise efficiency or sustainability, facilitating a smoother transition from lab-scale to commercial-scale production. (Melchor-Moncada et al., 2024; Sharma et al., 2020).

9.1.6. Strain and feedstock optimization

Target selection and design are key for engineering microbial strains for efficient production. Strain development aims to create robust strains that perform well under industrial conditions. Similarly, feedstock optimization involves selecting and improving raw materials to enhance efficiency, reduce costs, and minimize environmental impacts (Tangyu et al., 2019; Zhang et al., 2022).

9.1.7. Bioprocess design and productivity

Optimizing bioreactor designs is essential for increasing productivity, reducing operating costs, and ensuring the scalability and sustainability of the fermentation process (Boodhoo et al., 2022).

9.1.8. Advancements in plant-based protein fermentation

Research continues to enhance plant-based proteins’ nutritional profile and sensory attributes through fermentation, offering sustainable and nutritious alternatives. This ongoing innovation addresses existing challenges and explores new opportunities for sustainable food production (Lurie-Luke, 2024; Zang et al., 2024).

9.1. 미생물 발효 최적화

9.1.1. 미생물 생물학 이해 및 장비 선택

미생물의 생물학을 깊이 이해하는 것이 필수적입니다. 특히 바이오리액터와 같은 적절한 장비를 선택하는 것은 제품 수율, 품질, 안정성을 극대화하는 데 중요합니다(Crater & Lievense, 2018; Voidarou et al., 2021).

9.1.2. 발효 조건의 일관성

미생물 발효를 규모 확대할 때 제품 품질의 일관성을 유지하는 것은 도전 과제입니다. 규모 확대는 맛, 텍스처, 영양 성분의 변동성을 유발할 수 있으며, 이는 소비자 만족도에 영향을 미칠 수 있습니다. 생산 규모가 증가함에 따라 영양소 공급, 온도, pH, 산소 수준 등 조건의 일관성을 유지하는 것이 더욱 복잡하고 중요해집니다. 미생물 성장과 대사 유지에 필수적인 적절한 열 및 산소 전달은 열역학에 대한 철저한 이해와 세심한 공정 제어입니다. 또한, 규모 확대 과정에서 품질을 유지하기 위해 빠르고 통제된 동결 방법이 필수적이며, 이는 제품의 품질이 생산부터 최종 포장까지 유지되도록 보장합니다. 이러한 통합된 노력은 발효 공정 규모 확대의 내재된 도전 과제를 극복하면서 고품질 결과를 유지하는 데 핵심적입니다. (

9.1.3. 살균 및 오염 방지

9.1.3. 살균 및 오염 방지

발효 장비 손상 없이 효과적인 멸균을 확보하는 것은 오염을 방지하기 위해 필수적입니다. 이 과정 확대 단계에서 이 측면은 전체 확대 과정에서 무결성을 유지하기 위해 고급 계획과 적응이 필요함을 강조합니다 (Challener, 2024).

9.1.4. 기술적 과제 및 공정 모니터링

거품 관리 및 배양 성장 변동성과 같은 문제를 해결하고 효과적인 모니터링 및 제어 시스템을 구현하는 것은 발효 운영이 확대됨에 따라 필수적입니다. 제품 분리 및 정제를 위한 효율적인 다운스트림 가공도 필수적입니다(Deotale et al., 2023).

9.1.5. 경제적 및 환경적 고려 사항

미생물 발효의 규모 확대는 생산 시설에 대한 높은 초기 투자 비용과 지속적인 원재료 및 유지보수 비용을 수반합니다. 이러한 경제적 장벽은 기업이 지속 가능한 실천을 유지하면서 증가된 생산량과 관련된 비용을 균형 있게 조정하는 데 심각한 도전 과제를 제기합니다. 이 균형을 달성하는 것은 규모 확대 활동에서 핵심적이며, 발효 공정 확대 시 경제적 및 환경적 고려 사항의 중요성을 강조합니다. 이 통합적 접근 방식은 확장성이 효율성이나 지속 가능성을 저해하지 않도록 보장하여 실험실 규모에서 상업용 규모로 전환하는 과정을 원활하게 합니다. (Melchor-Moncada et al., 2024; Sharma et al., 2020).

9.1.6. 균주 및 원료 최적화

효율적인 생산을 위한 미생물 균주 공학에서 목표 선택과 설계는 핵심입니다. 균주 개발은 산업 조건에서 우수한 성능을 발휘하는 강건한 균주를 창출하는 것을 목표로 합니다. 마찬가지로 원료 최적화는 효율성을 향상시키고 비용을 줄이며 환경 영향을 최소화하기 위해 원료의 선택과 개선을 포함합니다 (Tangyu et al., 2019; Zhang et al., 2022).

9.1.7. 생물공정 설계 및 생산성

생물반응기 설계 최적화는 생산성 향상, 운영 비용 감소, 발효 공정 확장성 및 지속 가능성 확보에 필수적입니다 (Boodhoo et al., 2022).

9.1.8. 식물 기반 단백질 발효의 최신 동향

발효를 통해 식물 기반 단백질의 영양 프로파일과 감각적 특성을 개선하는 연구가 지속되고 있으며, 이는 지속 가능하고 영양가 있는 대안을 제공합니다. 이 지속적인 혁신은 기존 문제를 해결하고 지속 가능한 식품 생산을 위한 새로운 기회를 탐구합니다(Lurie-Luke, 2024; Zang et al., 2024).

9.2. Future research

Future research in fermentation and plant-based foods is poised to enhance the efficiency and scalability of bioengineered enzymes, driving the production of sustainable food options. Emphasis will also be placed on developing novel fermentation techniques that leverage synthetic biology to create high-quality, nutritious, and environmentally friendly plant-based alternatives. Some active areas of research include:

9.2.1. Advanced genetic engineering

Gene editing and microbial capabilities are pivotal advancements in enhancing fermentation processes. Researchers can use clustered, regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) technology to refine the metabolic pathways of microorganisms, increasing their efficiency and broadening their ability to produce specific compounds. This gene-editing boosts production rates and assists in developing strains with tailored features. Simultaneously, efforts are being made to develop microbial strains that exhibit enhanced resistance to environmental stressors such as temperature fluctuations and pH changes. This enhanced resilience can significantly improve fermentation yields and stabilize the end products, ensuring more consistent and reliable production outcomes in various industrial applications. (McCarty et al., 2020; Wei & Li, 2023).

9.2.2. Integration with IoT

Real-time monitoring through the implementation of IoT devices is revolutionizing fermentation processes. These advanced devices precisely control the fermentation environment by tracking key parameters such as pH, temperature, and nutrient concentration. This capability allows immediate adjustments and optimizations, ensuring the production process remains within ideal conditions. The use of IoT technology not only enhances the efficiency and consistency of fermentation but significantly reduces the risk of batch failures, contributing to higher quality outputs and more efficient use of resources (Abass et al., 2024; Adeleke et al., 2023).

9.2.3. Novel substrates for fermentation

Researching the use of agricultural by-products, such as crop residues and food waste, as substrates in fermentation processes is gaining momentum as a way to reduce costs and enhance sustainability. By utilizing these by-products, often considered waste, the fermentation industry can decrease its reliance on conventional raw materials, which are typically more expensive and less eco-friendly. This approach not only helps in managing agricultural waste more effectively but also contributes to the creation of more sustainable and cost-effective production cycles. Such innovative use of waste materials aligns with global efforts to minimize environmental impact and promote circular economy principles within industrial processes (Faria et al., 2023; Sadh et al., 2018).

9.2.4. Precision fermentation

Future research directions in precision fermentation focus on enhancing the synthesis of bioengineered enzymes through synthetic biology, gene editing, and bioinformatics. Precision fermentation allows for the controlled production of high-value proteins, optimizing yield while minimizing costs. Challenges include scaling up production, regulatory approvals, and market acceptance. Innovations such as solid-state precision fermentation and cell-free systems are explored to overcome these hurdles, emphasizing sustainability and safety. The field aims to customize fermentation processes to utilize cost-effective substrates, further aligning with sustainable production practices (Boukid et al., 2023b; Lurie-Luke, 2024).

9.2. 미래 연구

발효 및 식물 기반 식품 분야의 미래 연구는 생물공학적으로 설계된 효소의 효율성과 확장성을 향상시켜 지속 가능한 식품 생산을 촉진할 것입니다. 또한 합성 생물학을 활용해 고품질, 영양가 풍부하며 환경 친화적인 식물 기반 대안을 창출하기 위한 새로운 발효 기술 개발에도 중점이 두어질 것입니다. 주요 연구 분야는 다음과 같습니다:

9.2.1. 고급 유전공학

유전자 편집과 미생물 능력은 발효 과정 개선을 위한 핵심적인 진보입니다. 연구자들은 클러스터드, 규칙적으로 간격이 있는 짧은 팔린드롬 반복(CRISPR) 기술을 활용해 미생물의 대사 경로를 정교화하여 효율성을 높이고 특정 화합물 생산 능력을 확장할 수 있습니다. 이 유전자 편집 기술은 생산 속도를 향상시키고 맞춤형 특성을 갖춘 균주 개발을 지원합니다. 동시에, 온도 변동 및 pH 변화와 같은 환경 스트레스 요인에 대한 내성을 강화한 미생물 균주 개발에도 노력하고 있습니다. 이러한 내성 강화는 발효 수율을 크게 향상시키고 최종 제품을 안정화시켜 다양한 산업 응용 분야에서 일관되고 신뢰할 수 있는 생산 결과를 보장합니다. (McCarty et al., 2020; Wei & Li, 2023).

9.2.2. IoT와의 통합

IoT 기기의 도입을 통한 실시간 모니터링은 발효 과정을 혁신하고 있습니다. 이 고급 장치는 pH, 온도, 영양소 농도 등 핵심 파라미터를 추적하여 발효 환경을 정밀하게 제어합니다. 이 기능은 즉시 조정 및 최적화를 가능하게 하여 생산 과정이 이상적인 조건 내에서 유지되도록 합니다. IoT 기술의 활용은 발효의 효율성과 일관성을 향상시킬 뿐만 아니라 배치 실패 위험을 크게 줄여 품질이 높은 출력과 자원 활용 효율성을 높입니다 (Abass et al., 2024; Adeleke et al., 2023).

9.2.3. 발효용 신규 기질

작물 잔여물과 식품 폐기물 등 농업 부산물을 발효 과정의 기질로 활용하는 연구가 비용 절감과 지속 가능성 향상을 위한 방법으로 주목받고 있습니다. 이러한 부산물을 활용함으로써 발효 산업은 일반적으로 더 비싸고 환경 친화적이지 않은 전통적인 원료에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다. 이 접근 방식은 농업 폐기물을 더 효과적으로 관리하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 더 지속 가능하고 비용 효율적인 생산 사이클을 창출하는 데 기여합니다. 이러한 폐기물 재료의 혁신적인 활용은 산업 공정 내에서 환경 영향을 최소화하고 순환 경제 원칙을 촉진하는 글로벌 노력과 일치합니다 (Faria et al., 2023; Sadh et al., 2018).

9.2.4. 정밀 발효

정밀 발효 분야의 미래 연구 방향은 합성 생물학, 유전자 편집, 생물정보학을 통해 생물공학 효소의 합성을 향상시키는 데 초점을 맞추고 있습니다. 정밀 발효는 고부가가치 단백질의 제어된 생산을 가능하게 하며, 수율을 최적화하면서 비용을 최소화합니다. 주요 도전 과제는 생산 규모 확대, 규제 승인, 시장 수용성입니다. 고체 상태 정밀 발효 및 세포 외 시스템과 같은 혁신 기술이 이러한 장애물을 극복하기 위해 탐구되고 있으며, 지속 가능성과 안전성을 강조합니다. 이 분야는 비용 효율적인 원료를 활용하기 위해 발효 과정을 맞춤형으로 설계하는 것을 목표로 하며, 이는 지속 가능한 생산 실천과 더욱 일치합니다(Boukid et al., 2023b; Lurie-Luke, 2024).

10. Summary

Fermentation, a longstanding food preservation method, is central to developing various alternative food products. Biotechnology and genetic engineering advances expand options like analog meats, dairy alternatives, and functional snacks, making these foods more accessible and enhancing choices for diverse dietary needs.

Using fermentation to enrich functional foods with nutrients—such as plant-based cheeses that mimic traditional dairy or precision-fermented heme iron for burgers—underscores the potential for personalized nutrition. However, challenges like regulatory hurdles for consumer safety, public perception, and market acceptance must be overcome, and organizations like the Good Food Institute must support efforts.

Scaling up production to meet demand means addressing technical and economic challenges, including protein production from air and electricity, to ensure efficiency and affordability. Financial viability, competition with traditional foods, and new technologies’ socio-cultural and ethical implications are significant hurdles.

Progress in the fermentation of alternative foods requires collaboration among scientists, industry experts, regulators, and consumers. The sector can tackle these challenges by drawing on industry leaders’ collective expertise and innovations and fostering a sustainable, diverse food system that fully harnesses fermentation technology.

10. 요약

발효는 오랜 전통을 가진 식품 보존 방법으로, 다양한 대체 식품 개발의 핵심입니다. 생물공학 및 유전자 공학의 발전은 아날로그 고기, 유제품 대체품, 기능성 스낵 등 새로운 옵션을 확장해 이러한 식품의 접근성을 높이고 다양한 식이 요구사항을 충족시키는 데 기여합니다.

발효를 통해 기능성 식품에 영양소를 강화하는 것—예를 들어 전통적 유제품을 모방한 식물성 치즈나 버거용 정밀 발효 헤모 철분—은 맞춤형 영양의 잠재력을 강조합니다. 그러나 소비자 안전을 위한 규제 장벽, 공공 인식, 시장 수용과 같은 도전 과제를 극복해야 하며, Good Food Institute와 같은 기관이 이러한 노력을 지원해야 합니다.

수요를 충족하기 위한 생산 규모 확대는 공기나 전기로 단백질을 생산하는 기술적·경제적 과제를 해결하여 효율성과 비용 효율성을 확보해야 합니다. 재정적 지속 가능성, 전통 식품과의 경쟁, 신기술의 사회·문화적·윤리적 영향은 주요 장애물입니다.

대체 식품 발효 분야의 진전은 과학자, 산업 전문가, 규제 당국, 소비자의 협력이 필요합니다. 이 분야는 산업 리더들의 집단적 전문성과 혁신을 활용하고 발효 기술을 완전히 활용하는 지속 가능하고 다양한 식품 시스템을 육성함으로써 이러한 과제를 해결할 수 있습니다.

Statements and declarationsFunding

The author received no financial support.

Ethical statement

No humans or animals were used in this work.

CRediT authorship contribution statement

Nazanin Abbaspour: Writing – review & editing, Writing – original draft, Visualization, Validation, Supervision, Software, Resources, Project administration, Methodology, Investigation, Funding acquisition, Formal analysis, Data curation, Conceptualization.

Declaration of competing interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Data availability

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References

1. Abass et al., 2024
2. Abbaspour et al., 2023
3. Adeleke et al., 2023
4. Agrawal et al., 2023
5. Ahansaz et al., 2023
6. Akkasheh et al., 2016