Postpartum Stage and Lactic Acid Bacteria Strain Determine Fermentation Kinetics and Refrigerated Stability of Local Gorontalo Goat Colostrum

우유는 단순히 하얀 액체 그 이상입니다. 그것은 끊임없이 서로 상호작용하는 미세한 입자들의 살아 움직이는 현탁액입니다. 우유가 신선할 때, 단백질, 지방, 미네로알은 이들이 서로 뭉치지 않도록 유지해 주는 전기적 전하에 의해 유지되는 섬세한 균형 속에 떠 있습니다. 이 균형이 우유의 부드러운 질감과 안정성을 부여합니다. 그러나 우유를 요거트나 다른 발효 식품으로 만들기 위해 박테리아가 도입되면, 박테리아는 당을 먹고 산을 생성합니다. 이 산은 단백질 입자의 전기적 전하를 변화시켜, 입자들이 서로를 밀어내는 힘을 잃고 서로 달라붙게 하여 겔(gel)을 형성하게 합니다. 이러한 변형은 발효의 핵심이지만, 그 과정은 초기 조건에 매우 민密하게 반응합니다. 만약 우유가 특정 영양소가 너무 풍부하거나 박테리아가 너무 공격적이라면, 결과물인 겔은 약하거나 물처럼 흐물거리거나 시간이 지남에 따라 무너지기 쉬운 상태가 될 수 있습니다. 이러한 미시적인 변화가 정확히 어떻게 일어나는지 이해하는 것은, 염소의 출산 직후 생성되는 초유와 같은 독특한 원료로부터 새롭고 고품질의 유제품을 만들고자 하는 식품 과학자들에게 매우 중요합니다.

초유는 어미가 생산하는 첫 번째 우유이며, 이후에 나오는 일반 우유와는 생물학적으로 구별됩니다. 초유에는 신생아의 생존을 돕기 위해 설계된 단백질과 면역 보호 화합물이 가득 차 있습니다. 이러한 풍부한 구성 덕분에 초유는 부가가치가 높은 발효 제품을 만드는 데 유망한 후보이지만, 일반 우유보다 가공하기가 훨씬 더 어렵습니다. 높은 단백질 함량과 출산 후 며칠 동안 변하는 화학적 구성 때문에, 오늘 수집된 배치(batch)는 내일 수집된 것과는 매우 다르게 행동할 수 있습니다. 인도네로 갈로타(Gorontalo)의 연구진은 이 변화하는 환경이 다양한 유형의 박테리아와 어떻게 상호작용하는지를 이해하여, 현지의 염소 초유를 안정적인 발효 식품으로 확실히 전환할 수 있는지 알아내기 위해 연구를 수행했습니다. 그들은 세 가지 구체적인 질문에 집중했습니다: 수유 시기가 발효 속도에 어떻게 영향을 미치는지, 서로 다른 박테리아 균주가 우유의 구조를 어떻게 변화시키는지, 그리고 최종 제품이 냉장고에서 몇 주 동안 안정적으로 유지될 수 있는지였습니다.

연구팀은 갈로타 현지 염소로부터 출산 후 첫째 날, 둘째 날, 셋째 날에 초유를 수집했습니다. 그들은 원치 않는 박테리아를 제거하기 위해 우유를 살균한 다음, 세 가지 흔한 스타터 배양균인 Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, Lactobacillus acidophilus, 또는 Lactococcus lactis subsp. cremoris 중 하나로 별도의 배치를 접종했습니다. 이 박테리아들은 통제된 온도에서 하루 동안 초유를 발효하도록 두었습니다. 발효 후, 연구진은 거기서 멈추지 않고 제품을 4도씨의 냉장고에 보관하며 28일 동안 모니터링했습니다. 이 기간 동안 그들은 산도가 어떻게 변하는지, 단백질 입자의 크기가 어떻게 이동하는지, 입자의 전기적 전하가 어떻게 진화하는지, 그리고 질감이 어떻게 유지되는지를 측정했습니다. 또한 제품이 안전하고 활발한 상태를 유지하는지 확인하기 위해 살아있는 박테리아 수를 추적했으며, 분자 내부에서 어떤 일이 일어나고 있는지 관찰하기 위해 고급 이미징 기술과 빛 스펙트럼 분석을 사용했습니다.

결과는 초유를 수집한 날짜와 사용된 특정 박테리아 유형 모두가 최종 제품을 결정하는 데 결정적인 요인임을 보여주었습니다. 세 가지 박테리아 균주 모두 초유의 산도를 성공적으로 낮추어, 중성 pH인 약 6.4에서 4.6에서 5.0 사이의 신맛이 나는 pH로 변화시켰습니다. 그러나 이 산성화의 속도와 최종 한계치는 균주에 따라 크게 달랐습니다. Lactococcus lactis subsp. cremoris 균주가 가장 공격적이어서 산도를 가장 낮은 지점까지 몰아붙였으며, 나머지 두 균주는 약간 더 높은 수준에서 멈췄습니다. 수집한 날짜 역시 중요했는데, 출산 후 둘째 날에 수집된 초유가 첫째 날이나 셋째 날의 샘플보다 더 낮은 최종 산도에 도달하는 경향이 있었습니다. 이는 출산 후 처음 며칠 동안 염소의 유방 내에서 변화하는 화학적 환경이 박테리아가 작용하는 방식에 영향을 미치는 독특한 기질(substrate)을 형성한다는 것을 시사합니다.

제품이 냉장고에 있는 동안, 연구진은 우유의 물리적 구조에서 일어나는 느리지만 꾸준한 변화를 관찰했습니다. 입자들을 서로 떨어뜨려 놓는 역할을 하는 단백질 입자의 전기적 전하는 4주 동안 약 15% 감소했습니다. 동시에 입자들은 더 커졌으며, 크기가 8%에서 20% 사이로 증가했습니다. 이는 단백질이 서서히 더 큰 집단으로 뭉치는 과정인 응집(aggregation) 현상을 나타냈습니다. 이러한 구조적 재편에도 불구하고, 우유의 실제 단백질과 지방 함량은 놀라울 정도로 안정적이었습니다. 단백질 함량은 아주 약간 감소했을 뿐이었고, 지방 함량은 거의 변하지 않았습니다. 이 발견은 질감의 변화가 박테리아가 영양소를 갉아먹거나 지방이 분해되어 발생한 것이 아님을 증명한다는 점에서 중요합니다. 대신, 우유가 기존의 구성 요소들을 약간 더 느슨한 새로운 구조로 단순히 재배열한 것이었습니다.

살아있는 박테리아 또한 사용된 균주에 따라 다르게 행동했습니다. Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus 균주는 4주간의 저장 기간 동안 실제로 개체 수가 증가하여, 약 0.5 로그 단위만큼 늘어났는데, 이는 인구수의 상당한 상승을 의미합니다. 반면, Lactococcus lactis subsp. cremoris와 Lactobacillus acidophilus 균주는 개체 수가 점진적으로 감소했으나, 건강하고 활발한 제품을 유지하는 데 필요한 수준보다 훨씬 높게 유지되었습니다. 28일이 지난 후에도 모든 샘플에는 밀리리터당 수백만 마리의 살아있는 박테리아가 포함되어 있어, 발효된 초유가 유효한 프로바이오틱 식품임을 보장했습니다.

연구진이 적외선 분광법을 사용하여 분자 수준을 살펴보았을 때, 우유의 기본적인 화학적 구성 요소들이 파괴되지 않았음을 발견했습니다. 단백질, 지방, 당은 여전히 존재했지만, 그 내부 배열이 바뀌어 있었습니다. 분자들이 물을 붙잡고 서로 연결되는 방식이 변화했다는 것은, 발효 및 저장 과정이 음식을 분해하지 않으면서도 분자 환경을 변화시켰음을 확인해 줍니다. 이러한 분자적 재배열은 제품의 질감에서도 그대로 나타났습니다. 발효된 초유는 처음에는 단단하고 탄력 있는 겔 형태였으나, 4주에 걸쳐 약간 더 부드럽고 유동적인 상태가 되었습니다. 겔의 뻣뻣함은 감소했고 제품은 약간 더 흐르는 성질을 띠게 되었지만, 결코 액체로 변하지는 않았습니다. 이러한 약화 현상은 특정 박테리아로 제조된 특정 날짜의 샘플에서 가장 눈에 띄었으며, 이는 초기 조건이 최종 제품이 시간이 지남에 따라 형태를 얼마나 잘 유지할 수 있는지를 결정한다는 것을 보여주었습니다.

현미경 이미지는 이러한 변화를 시각적으로 확인시켜 주었습니다. 샘플들은 미세한 단백질 클러스터와 더 큰 지방 방울들의 혼합체를 보여주었습니다. 일부 배치에서는 박테리아가 조밀하고 균일한 네트워크를 형성한 반면, 다른 배치에서는 더 큰 덩어리들이 형성되는 등 구조가 더 불균일했습니다. 이러한 시각적 차이는 입자 크기 및 질감 측정값과 완벽하게 일치했으며, 이는 우유의 미시 세계가 식품의 거시적 특성을 직접적으로 책임지고 있음을 증명했습니다. 연구는 제조된 염소 초유 제품의 성공 여부가 수집된 날짜와 발효에 사용된 특정 박테리아 사이의 정밀한 매칭에 달려 있다는 결론을 내렸습니다. 이러한 상호작용을 이해함으로써, 생산자들은 이 독특한 지역 자원을 활용하여 안정적이고 영양가 높으며 고품질인 발효 유제품을 만들기 위해 적절한 원료와 스타터 배양균의 조합을 선택할 수 있습니다.