대부분의 생물들은 산소를 이용하여 호흡기질(3대영양소)을 분해함으로써 에너지를 얻는 유산소호흡(유기호흡)을 한다. 그러나 일부분의 미생물들은 산소가 없이도 호흡기질을 분해하여 에너지를 얻는데 이를 무산소호흡(무기호흡)이라 한다.

무산소호흡에서 만들어진 물질이 사람에게 유익한 경우에는 ‘발효’라 부르고, 해로운 경우에는 ‘부패’라고 부른다. 발효에는 젖산발효, 알코올발효, 초산발효 등이 있고, 부패는 주로 단백질과 같은 질소 화합물을 기질로 할 때 일어난다.

인류는 오래 전부터 발효가 무엇인지도 모르면서 발효를 실생활에 많이 이용해 왔다. 발효는 식생활과 관계가 깊은데 그 중에서도 가장 오래된 발효 식품은 알코올 발효를 이용한 술이다.

술은 B.C. 6000년경에 수메르인에 의해 처음 만들어졌다고 한다. B.C. 2300년경에 그려진 이집트 벽화에는 술을 만드는 장면이 묘사되어 있다.

알코올발효는 효모(yeast)가 일으키는데, 효모는 단세포 미생물로서 곰팡이의 일종이다. 효모의 어원은 그리스어로 ‘끓는다’는 뜻을 가지는데, 이것은 효모에 의한 발효 중에 이산화탄소가 발생하여 거품이 많이 생기는데서 유래하였다.

효모는 호흡에 관련된 효소를 다양하게 가지고 있어서 산소가 충분히 공급될 때는 유산소호흡을 하지만, 산소가 결핍된 환경에서는 포도당을 에탄올과 이산화탄소로 분해하는 무산소호흡인 알코올발효를 한다.

보통 1kg의 당분에서 500g 정도의 알코올을 생산한다[C6H12O6→2C2H5OH(알코올)＋2CO2＋2ATP] 알코올발효로 포도주를 만들 때, 레드와인은 포도를 통째로 으깨어 껍질 채로 발효시키고. 화이트와인은 포도를 압착하여 얻은 액만을 발효시킨다.

발효 기간이 레드와인의 경우에는 4일 정도이고, 화이트와인은 3-5주이며, 맛이 단 와인의 경우에는 3개월까지도 발효가 지속된다. 알코올발효에서 부산물로 만들어지는 이산화탄소는 발효 통의 뚜껑을 열어놓아 밖으로 배출시킨다. 이산화탄소를 그대로 두어 탄산으로 만들면 샴페인이 된다[CO2＋H2O→H2CO3(탄산)].

우리나라의 전통 술인 막걸리는 쌀과 누룩으로 만드는데 쌀 대신 밀가루, 옥수수, 보리 등을 이용할 수도 있다. 그 이유는 술의 원료가 곡류에 포함되어 있는 녹말이기 때문이다.

알코올 발효를 하는 효모는 녹말을 바로 분해하지 못하기 때문에 우선 녹말을 포도당으로 전환하는 과정을 거쳐야 하는데 이 역할을 하는 것이 누룩곰팡이다. 누룩곰팡이를 밀기울에 번식시켜 놓은 것이 누룩인데, 누룩 속에 있는 곰팡이는 아밀라아제를 만든다.

이 아밀라아제에 의해 녹말이 포도당으로 분해된 후 효모에 의해 알코올 발효가 일어나 술이 된다. 오늘날에는 누룩 대신 별도로 제조한 아밀라아제를 이용하고 쌀 대신 밀가루를 이용하여 온도 14～16℃로, 16～25일간 숙성시키고, 이것을 걸러 내어 50～65℃로 가열하여 막걸리를 만든다.

막걸리가 오래되면 신맛을 띠게 되는데, 이는 알코올이 초산발효를 거쳐 초산(식초)으로 변했기 때문이다. 초산발효는 초산균(아세트산균)에 의해 일어나며 알코올과 산소를 이용하여 이루어진다.

초산발효에 산소가 이용되지만 이산화탄소가 발생되지 않기 때문에 무기호흡으로 분류되며, 산소발효라고 부른다[C2H5OH＋O2→CH3COOH(초산)＋H2O＋8ATP]. 사과를 이용하여 알코올을 만들고, 다시 초산 발효시키면 사과식초가 된다. 마찬가지로 사과대신에 현미를 이용하면 현미 식초가 된다.

또 다른 발효 식품으로는 각종 양념류와 채소를 발효시킨 김치, 어패류에 적당한 소금을 가해 발효시킨 젓갈류, 콩을 이용한 된장․청국장, 간장․고추장 등이 있다. 서양에서 유래되었지만 우리나라에서도 널리 이용되고 있는 요구르트, 치즈와 같이 우유를 발효시킨 식품도 있다.

김치가 만들어지는 것은 젖산발효이다. 젖산발효는 젖산균(유산균)이 일으키며 김치뿐만 아니라 요구르트, 치즈를 만들 때도 이용된다[C6H12O6→2C3H6O3(젖산)＋2ATP]. 또한 운동을 심하게 하여 산소가 부족할 때 근육에서도 진행되는 반응이다.

이 때 근육에 만들어진 젖산은 피로물질로 작용한다. 누구나 운동을 심하게 하여 -근육에 젖산이 쌓여- 알이 밴 경험이 있을 것이다. 따라서 산소를 충분히 섭취는 유산소운동을 하는 것이 좋다.

PET병을 이용하여 실험실에서 김치를 만들 수 있다. 배추를 소금물에 절인 후 냉수에 흔들면서 행군다. PET병을 잘라 발효 통(김치 통)을 만든다. 절인 배추에 소금, 마늘, 고추 가루 등을 섞어서 PET병에 넣는다. 공기와 접촉하지 않도록 PET병을 막고, 따뜻한 창가에 위치시킨다. 김치의 산성도(pH)를 매일 측정하여 기록하고 그 결과를 그래프로 전환시켜 본다.

발효 식품은 재료에 따라 이용되는 미생물의 종류도 다양하여 각기 독특한 특징과 풍미를 지닌다. 특히 발효 식품은 발효 결과로 생성된 알코올이나 젖산, 초산 등이 부패균의 증식을 억제시키므로 저장성이 우수하여 널리 이용되고 있다.

최근에는 발효 식품이 건강식품으로 각광을 받고 있다. 또한 발효를 이용해 음식 쓰레기를 퇴비로 만들어 환경오염을 줄이는 연구가 활발하게 진행되고 있다.