한국 전통 발효식품인 김치의 미생물 군집은 발효기간 동안 배추와 같은 원재료, 온도, pH, 염도, 및 발효 기간을 포함한 여러 요인에 의해 영향을 받는다고 알려져있지만, 이러한 요인에 따른 대사변화에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 또한 김치 발효는 많은 종의 미생물이 관여되기 때문에 균일한 품질의 김치 생산이 어려운 실정으로 현재는 단일종의 스타터를 이용하여 생산하고 있다. 따라서 본 연구는 김치의 발효동안 미생물군집에 영향을 미치는 다양한 요인 중 각각 스타터, 온도, 염도에 따른 대사산물의 변화를 확인하고자 하였다. 또한 균일한 품질의 김치 생산을 위한 방안으로 김치 미생물 군집 자체를 김치 제조의 스타터로서 시도하여 발효 동안 미생물과 대사산물 변화를 관찰하였으며, 김치 미생물 군집 스타터가 기존에 알려진 김치의 효능 중 하나인 항비만 효과가 있는지 확인하고자 수행되었다. 이와같은 연구를 크게 '김치 발효 특성'과 '김치 미생물 군집'으로 장을 나누고, 각각의 연구주제를 해당하는 장에 절로 구성하였으며, 이는 다음과 같다.
1장은 김치 발효 특성에 관련하여 연구를 수행하였으며, 첫 번째로 발효 중 김치의 대사변화를 조사하기 GC-MS 데이터 세트를 사용하여 다변량 통계 분석을 실시하였다. 김치 발효에 대한 단일 스타터(Lactobacillus plantarum) 접종의 효과를 평가하기 위해, 접종 전에 김치를 autoclave에서 멸균시켰다. 김치에서 발효에 따라 lactic acid, glycerol, pyrotartaric acid, pentanedioic acid, 2-keto-1-gluconic acid, ribonic acid, isocitric acid, palmitic acid는 증가하였으나, valine, leucine, propanoic acid, threonine, proline, glutamine, citric acid, adenine, fructose, glucose, galactose, myo-inositol, sucrose는 감소하였다. PCA score plot은 접종 균주에 따라 김치 대사산물에서 명백한 차이를 보여주었다. 이 연구는 김치 발효를 모니터링하고 스타터 배양의 발효 특성을 평가하기 위한 GC-MS 기반 대사체 분석방법의 적용 가능성을 강조한다.
두 번째로, 김치의 발효 온도에 따른 대사 변화를 분석하였다. 4, 12 및 20 ℃에서 발효된 김치 혼합물을 발효 동안 1 일, 5 일, 10 일 및 50 일에 샘플링하여 김치의 대사산물의 전반적인 변화를 확인하였다. 주성분 분석(PCA) score plot에서, 김치 샘플은 첫 번째 주성분(PC1)에 의해 발효 0일과 1일의 모든 샘플과 그밖에 다른 김치샘플이 분리 경향을 갖는 것으로 확인되었으며, 발효 0 일 및 1 일 차 모든 샘플과 4 °C에서 10 일 동안 발효된 샘플이 유사한 대사산물 패턴을 보였다. 이는 4 °C에서 발효된 김치의 대사산물이 12, 20℃에서 발효된 김치보다 느리게 변화됨을 의미한다. 또한, 부분 최소 제곱 판별 분석(PLS-DA) score plot은 발효 온도가 다른 김치 샘플들 사이에서 명백한 대사산물 프로파일의 차이를 보였다. 차이에 기여하는 대사산물은 alanine, propylene glycol, fumaric acid, malic acid, citric acid, galactaric acid로 확인되었다. 이러한 결과는 GC-MS 기반 대사체 접근법이 발효 온도에 따른 대사산물 변화를 모니터링하는데 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
세 번째로, 염도가 다른 김치(0, 1.25, 2.5, 5%)를 제조하고 다변량 통계 분석과 결합된 GC-MS 기반 대사체 연구를 이용하여 김치 발효기간 동안 대사산물 차이를 조사하였다. 발효 1 일 후 얻은 PCA score plot은 염도에 따라 김치 샘플이 클러스터링되어 명확하게 구별되었으며, 이는 초기 발효 속도가 김치 염도에 따라 변한다는 것을 보여준다. 또한, 발효 50 일째에 얻은 데이터로부터의 PLS-DA score plot에서도 염도에 따른 그룹간에 명백한 분리를 나타내었고, 이는 김치의 대사산물이 염도에 따라 다르다는 것을 나타낸다. Lactic acid, acetic acid, xylitol의 농도는 5%의 염분을 가진 김치에서 가장 높았고, fumaric acid의 농도는 0%의 염분을 가진 김치에서 가장 높았다. Rarefaction curve는 5% 염분을 가진 김치의 OTUs의 수가 0% 염분을 가진 김치보다 높은 것으로 확인되며, 이는 5% 염분을 가진 김치가 더 많은 박테리아 다양성을 가졌음을 나타낸다. 이러한 결과는 염분이 다른 김치의 발효 특성을 평가하기 위한 GC-MS 기반 대사체 분석의 적용 가능성을 강조한다.
2장은 미생물 군집 스타터를 이용한 김치 제조 및 항비만 효과를 확인하기 위해 수행되었다. 이 장의 첫 번째 연구는, GC-MS 기반 대사체학(Metabolomics) 및 차세대 시퀀싱(NGS; next generation sequencing) 기반 metagenomics를 적용하여 김치 발효에 대한 다른 미생물 군집 스타터(MCS; microbial community starters)의 영향을 조사했다. 김치의 대사산물과 미생물 군집의 프로파일은 사용된 MCS에 따라 발효 첫날과 현저히 달랐다. MCS5 또는 MCS10을 접종한 김치는 대조군과 비교하여 lactic acid, leucine, propanedioic acid, serine, glycerol, erythritol, sorbitol의 수준은 상대적으로 높았으나, butanedioic acid, glyceric acid, myo-inositol, xylose, fructose, talose의 수준은 대조군에 비해 상대적으로 높았다. MCS1, MCS5 및 MCS10을 접종한 김치의 미생물 군집은 각각 Leuconostoc, Lactobacillus platnarum, Lactobacillus brevis가 높은 비율로 특징지어졌다. 발효 첫날에 형성된 김치의 미생물 군집은 50일 동안 안정적이었으며, 이는 여러 미생물을 함유한 미생물 군집이 원하는 품질의 김치를 얻기 위한 출발점으로 사용될 수 있음을 시사한다.
또한 두 번째로, 고지방식이 유발 비만 모델에서 단일 균주가 아닌 김치미생물군 집 자체를 위장 투여하여 항비만 효능을 metagenomics와 metabolomics 방법으로 조사하고자 했다. 고지방식이 비만 모델에서 김치미생물군집은 체중증가와 사료섭취량을 감소시켰고, 지방 조직 무게 증가를 억제하였으며, 간 무게를 유의적으로 감소시켰다. 혈청에서 분석된 대사산물 프로파일은 김치미생물군집의 투여로 비만을 개선하는 경향이 확인되었으며, malic acid, allose, mannitol, arachidic acid, octadecanoate, phosphate는 대조군과 유사해지는 패턴이 나타났다. 장내미생물 군집 분석에서는 비만유발에 따른 변화는 명확히 관찰되었으나, 치료에 따른 변화는 작은 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 김치미생물군집의 김치제조 스타터로서 사용가능성은 확인되었으나, 효능 규명 기작과 관련된 추후 연구가 뒷받침되어야 할 것으로 판단된다.