Profiling of volatile and non-volatile organic acids in kimchi during fermentation

Abstract

The objective of this study was to profile the volatile and non-volatile organic acids in kimchi during fermentation. Volatile organic acids were quantified by using stable-isotope dilution assay (SIDA) combined with solid phase microextraction (SPME). GC-MS was carried out to identify both volatile and non-volatile organic acids. The initial pH value of non-fermented kimchi was 5.88, and then decreased gradually to 3.84 for 60 days. The titratable acidity expressed as lactic acid content was initially 0.26 %, and then increased gradually to 1.35 % according to the fermentation period. Among the volatile organic acids, significant amount of acetic acid was found and increased gradually throughout fermentation period. The content of propionic acid showed increasing pattern up to 30 days of fermentation and then decreased. Among the non-volatile organic acids, lactic acid was the major acid of kimchi and produced mainly in the beginning of fermentation and increased significantly for the entire period of fermentation. The content of malic acid decreased sharply at the initial stage of fermentation and then disappeared. Lactic acid bacteria (LAB) such as Leuconostoc, Lactobacilli, Pediococci, and Streptococci in Baechu kimchi were counted during fermentation period using selective media. Leuconostoc and Lactobacilli were highly proliferated at 7 day of fermentation, assuming acetic acid and lactic acid, two major products of kimchi fermentation, were produced by Leuconostoc and Lactobacilli. Pre-defined organic acids and LAB in kimchi was differentiated according to fermentation period by PCA. Acetic acid, propionic acid, lactic acid, butanoic acid, malic acid, Leuconostoc, and Lactobacilli were the major components that differentiated the kimchi according to fermentation period.;본 연구에서는 발효기간에 따른 김치의 휘발성 및 비 휘발성 유기산의 특성을 규명하고자 하였다. 이를 위해 이화학적인 분석, gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)의 기기분석과 미생물의 변화, 또한 principal component analysis (PCA)를 사용하여 김치의 유기산들을 프로파일링 하였으며, 이를 비교 분석 하였다. 김치의 pH는 발효기간에 따라 점점 감소하는 경향을 보였고, titratable acidity는 발효기간에 따라 점점 증가하는 경향을 보인 반비례적 상관관계를 보였다. 주요 휘발성 유기산인 acetic acid, propionic acid, 2-Methylpropionic acid, butanoic aicd, 2-Methylbutanoic acid는 고체상미세추출법 (solid phase microextraction: SPME)으로 추출하여, 안정성 동위원소로 치환된 물질을 표준지표물질로 사용하는 stable-isotope dilution assay (SIDA)를 이용하여 정량하였다. 김치의 휘발성 유기산 함량은 발효기간에 따라 전체적으로 증가하는 경향을 나타냈으며, 발효 과정 중 acetic acid의 함량이 제일 많았다. 김치의 비 휘발성 유기산 성분 lactic acid, malic acid, pyruvic acid, succinic acid, fumaric acid, malonic acid, tartaric acid는 [N, O-bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide] BSTFA를 사용하여 유도체와 시켜 분석하였다. 발효과정 중 lactic acid는 발효기간에 따라 다량으로 계속적인 증가를 보였으며, malic acid는 발효 초기부터 감소하여 7일 이후에는 사라졌다. 김치의 미생물은 4종류의 젖산균 (Leuconostoc, Lactobacilli, Pediococci, and Streptococci)을 선택배지 검증을 통해 젖산균 수를 알아보았다. 발효 7일에 Leuconostoc, Lactobacilli, Pediococci가 최고 균수를 보였으며, Leuconostoc 수가 제일 많았다. 특히, Leuconostoc와 Lactobacilli는 많은 균수를 보였는데 이는 발효 15일 이후에는 Leuconostoc 보다 Lactobacilli 균수가 더 많아지는 경향을 보였다. 또한, PCA를 이용하여 발효기간에 따른 유기산과 젖산균의 변화를 비교한 결과 PC1은 유기산에 의해 발효 초기(0 day, 3 day)에 malic acid, butanoic acid와 발효 후기(30 day, 60 day)에 acetic acid, lactic acid로 구분되어지며, PC2는 젖산균에 의해 구분되어지며, 이러한 PCA에 기여하는 주요 물질은 acetic acid, propionic acid, lactic acid, butanoic acid, malic acid, Leuconostoc, and Lactobacilli이었다.