딸기 ‘설향’ 품종의 MAP 및 ethyl pyruvate 처리의 유통기한 연장 효과 연구

본 실험에 사용된 시료는 경남 산청의 딸기수출 농업회 사법인 ㈜조이팜으로부터 2016년 12월28일 착색도 85%정 도인 상태를 수확한 ‘설향’ 딸기(Fragaria×ananassa Duch.) 2kg 단위 58박스를 무진동차량을 이용하여 운송거리 2시간 인 전북 전주에 위치한 실험실로 납품받아 사용하였다.

4℃ 저온저장고에서 24시간 예냉된 딸기를 4일 단위로 16일까지 분석하기 위해 2 kg 박스 두 개를 단위로 하여 포장하였다(Fig. 1). 딸기의 MA저장 중 이취는 혐기성호흡 에 의해 생기는데, O₂를 2 kPa보다 높은 상태로 유지되도록 하고 CO₂를 0에서 20 kPa 상태로 유지할 경우 혐기성 호흡 이 발생하지 않으며, O₂ 5 kPa이하, CO₂ 20 kPa 기체조성에 서 호흡속도를 현저히 낮출 수 있기 때문에(14), 본 실험의 MAP 최종 기체농도는 O₂ 2-5%, CO₂ 15-20%를 목표로 하였 다. Active MA의 초기 가스 치환 농도는 5-10% O₂, 5-8% CO₂, 84-88% N₂가 되도록 필름내부의 기체농도를 기체혼 합기(MAP Mix 9001 ME, PBI Dansenser, Ringsted, Denmark)와 휴대용 가스센서(CheckPoint, 0-100% O₂/CO₂, relative accuracy 3%, resolution 0.1%, Dansensor, Ringsted, Denmark)를 이용하여 조성하였다. 결로 방지를 위해 수분 투과도가 높은 필름을 사용할 경우 감모율에 대한 영향을 확인하고자 일반적인 LDPE 필름(두께 0.1 mm)과 이보다 수분투과도가 약 100배 높은(15) PA 필름(두께 0.015 mm) 을 이용하여 비교 실험하였다. 외국의 경우 EP 처리를 밀폐 박스에서 실험하였는데(7), 박스 내부의 기체조성에 대한 언급이 없어서, 본 실험에서는 PA 필름을 이용한 최적의 MAP와 이러한 MAP 내부에 EP 훈증처리를 할 경우를 비교 하여 곰팡이 생장을 더욱 억제할 수 있는지 비교하였다. EP처리의 경우 딸기 2 kg 수출용박스 2개를 포장한 필름(약 20 L air) 내부에 위치한 실험용 티슈에 EP 4 mL를 주사기로 흡수시켜서 자연적으로 증발하도록 처리하였다. 이러한 처 리량은 Bozkurt 등(7)의 연구결과에서 곰팡이 억제효과가 있는 192 μL/L air와 유사한 200 μL/L air 수준이다. 초기에 기체농도를 변화시키지 않는 passive MA 방법은 active MA 보다 포장이 쉽지만, 저장초기부터 곰팡이를 억제하기는 어렵다. Active MA와 비교하여 passive MA에서의 곰팡이 발생정도의 차이를 비교하고자 LDPE와 PA 필름으로 포장 하여 실험하였고, passive MA환경에서 EP처리를 통한 곰팡 이 억제효과에 차이가 있는지를 확인하고자 하였다. passive MA의 초기 기체조성은 대기의 기체조성인 20.93% O₂, 0.03% CO₂, 78.1% N₂, 0.94% Ar이며, 저장기간 중 딸기 의 호흡에 의해 산소 농도가 줄어들고, 이산화탄소 농도가 증가하도록 하였다.

호흡속도가 높은 채소에 속하는 딸기의 경우 필름에 천 공을 하지 않으면 필름의 기체투과도가 딸기의 호흡속도를 따라가지 못해서 내부의 산소가 고갈되고 혐기성 호흡을 하게 된다. 특히 기체투과도가 낮은 PA 필름을 이용할 경우 천공은 필수적이다. 이러한 천공면적을 기존 연구의 모델 링 공식들을 활용하여 계산할 수 있지만, 호흡속도와 천공 을 통한 산소투과도는 온도와 기압, MAP 내부의 산소 및 이산화탄소의 농도에 영향을 받는 복잡한 상관관계 때문에 매우 복잡한 계산이 필요하며, 모델링 공식도 다양하기 때 문에 모델링 종류별로 별도의 관계식이 생긴다(16,17). 따 라서 본 연구에서는 이러한 관계식들을 저장조건에 비추어 근사적으로 최소화된 비례식을 구하고, 그 비례상수는 실 험적인 측정값을 이용하여 계산하려고 한다.

딸기의 호흡속도에 대한 모델링 공식 중 일정 온도조건 에서의 호흡속도 공식은 다음과 같다(14).

$R_{O_2}$ 는 딸기의 산소소비율이며, V_max는 산소를 고압 고 순도로 공급했을 때 얻을 수 있는 최대의 호흡속도, K_m은 Michaelis-Menten 상수, $C_{O_2}$ 는 산소농도이다. 일반적으로 MAP 내부의 산소 농도를 일정하게 유지하는 것이 목적이 며 본 연구에서는 5% 인근을 유지하는 것이 목표이므로 $C_{O_2}$ =5% 인근의 경우 이 호흡속도는 상수가 되며, 딸기 M kg을 저장할 경우 산소 소모율은 저장 중량에 비례하게 된다.

필름에 천공이 있을 경우 기체치환율은 Graham’s law를 바탕으로 구멍을 통과할 확률(18)과 Fick’s first law를 바탕 으로 한 필름 자체의 기체투과 확률(19)의 합에 의해 다음과 같이 근사적으로 나타낼 수 있다.

J_gas는 기체치환율이며, c₁ , c₂는 비례상수, A_hole는 천 공면적, M_molar 은 기체의 분자량, A_film는 필름의 포장면 적, T는 필름두께, C_{gas Outside}, C_{gas Inside} 는 MAP 외부 및 내부의 기체농도이다. PA 필름의 기체투과도는 매우 낮은 편이며(15), 이 경우 필름 자체의 투과도를 근사적으로 무시 할 수 있다. 또한 포장 내부의 목표 농도와 외부의 기체농도 차이는 상수이므로 다음과 같이 근사적으로 나타낼 수 있 다.

딸기 M kg에 대한 산소소비율과 천공에 의한 산소투과 율이 같다고 할 경우 다음과 같이 간략화 할 수 있다.

즉, 천공면적 A_hole은 저장하는 딸기의 중량 M과 저장온 도에 따른 산소소비량 $R_{O_2}$ 과 비례관계를 갖는다.

산소 소비와 이산화탄소 생성은 그 분자량의 비율인 $R_{O_2}=\begin{array}{c}32\\ 44\end{array}{R}_{C{O}_2}$ 의 비례관계가 있으므로, 천공면적은 이산 화탄소 생성 비율에 대한 비례식으로 다음과 같이 바꿀 수 있다.

5% O₂ 조건에서의 호흡속도는 일반적인 대기조건에서 의 호흡속도보다 느리겠지만, (A)의 비례식을 통해 그 일반 적인 호흡속도와 비례할 것이며, 작목의 온도별 호흡속도 를 참고한다면(20), 하나의 작목에 대해서 구한 값을 일반화 할 수 있다고 생각하였다. 본 연구에서는 토마토를 기준으 로 천공 개수를 늘리며 실험적으로 구한 값인 c′ 6110 와 딸기의 4℃ 호흡속도인 20 mg CO₂/kgh 을 기준으로 하여 다음과 같이 천공에 필요한 구멍의 지름을 산출하였 다.

실험적으로는 지름 7 mm의 구멍을 천공하였고, 계산된 값보다 작은 천공을 하였으므로, MAP내부의 기체조성은 대략 2-5% O₂에서 안정화될 것이라 예상하였다.

저장기간동안 MAP내부의 기체조성을 휴대용 가스센서 (CheckPoint, 0-100% O₂/CO₂, relative accuracy 3%, resolution 0.1%, Dansensor, Ringsted, Denmark)를 이용하여 1일간격 으로 측정하였으며, 내부의 온습도를 유선온습도센서 (EK-H4+SHT75, -40-125℃, 0-100%, temperature accuracy 0.3℃, humidity accuracy 1.8%, Sensirion, Staefa, Switzerland) 와 무선온습도센서(TR-73U, 750 to 1,100 hPa, 0-50℃, 10-95%RH, T&D, Nagano, Japan)를 이용하여 10분간격으 로 측정하였다.

예냉이 끝난 시료의 MAP 처리전에 각각의 실험구 단위 로 250 g 플라스틱 팩 단위의 딸기 중량을 측정하고 4, 8, 12, 16일차에 각각의 플라스틱 팩 단위의 중량을 다시 측정 하여 아래의 식에 따라 개별단위의 감모율을 산출하였다. 모든 중량 측정은 딸기 표면 결로에 의한 측정오류를 없애 고자 저장중인 4℃ 저온저장고 안에서 측정하였다. 부패율 은 각각의 플라스틱 팩 단위로 딸기 개수 및 곰팡이가 발생 한 개수를 통해 산출하여 각각의 실험구 250 g단위 16팩에 대한 부패율을 부패개수/총개수의 백분율로 나타내었다.

$\begin{array}{l}{\text{Weight loss rate(\%)={(W}}_{\text{1}}{\text{-W}}_{\text{2}}{\text{)/W}}_{\text{1}}\text{}×100}\\ {\text{(W}}_{\text{1}}\text{ = 저장 전 중량,\hspace{0.17em}}{\text{W}}_{\text{2}}\text{ = 저장 후 중량)}\end{array}$

저장 중 변색된 딸기가 병원균에 의한 것인지 곰팡이에 의한 것인지를 확인하고자 -80℃ 초저온 냉동고(DFC-200, Operon, Gimpo, Korea)에 얼려 두었던 딸기를 냉동절편기 (CM1520, Leica, Wetzlar, Germany)를 이용하여 20 μm 두께 의 시편을 제작하고 현미경(DM750, Leica, Wetzlar, Germany)으로 관찰하였다. 현미경에서 관찰된 균사체가 어떤 곰팡이인지 확인하고자 25℃ 인큐베이터에서 PDA (potato dextrose agar) 배지에 7일간 배양하여 콜로니 및 포자의 형상을 확인하였다.

각 실험구 별로 플라스틱 팩에서 임의로 선정된 2개의 딸기 총 32개에 대해 색이 붉은색으로 착색된 과일의 중심 부위를 색차계(CR-400, Konica Minolta, Tokyo, Japan)을 이용 Hunter L, a, b 값을 3반복으로 총 96번 측정하였다. 색도는 명도(lightness)를 나타내는 L 값, 적색도(redness)를 나타내는 a 값과 황색도(yellowness)를 나타내는 b 값으로 나타내었다.

딸기의 경도도 마찬가지로 각각의 플라스틱 팩에서 임의 로 선정된 2개의 딸기에 대해 세로방향으로 1/2 절단한 뒤 절단면을 위로하여 시료의 중간부분을 물성분석기 (TA-XT2 texture analyser, Stable Micro System Ltd., Godalming, UK)로 측정하였다. 측정 탐침은 지름 3 mm probe를 사용하였으며, 0.3 mm/sec의 속도로 5 mm까지의 최대 압축 강도를 측정하여 N 단위로 나타내었다. 경도는 실험구 별로 총 32개의 샘플에 대해 측정하였다.

실험구 별 각각의 플라스틱 팩에서 임의로 5개씩의 딸기 를 선정하여 착즙망(Whirl-pak B01248WA, Nasco, Fort Atkinson, WI, USA)으로 착즙한 추출액에 대하여 디지털 굴절당도계(RX-5000α, Atago Co., Tokyo, Japan)를 이용하 여 당도를 측정하고 °Brix 단위로 나타내었다. 실험구별 16개의 플라스틱 팩에서 착즙한 16개의 샘플에 대해 당도 측정을 하였다. 또한 딸기 추출액 5 mL을 취하여 45 mL의 증류슈에 희석한 후 자동 적정기(TitroLine 500, Si Analytics, Mainz, Germany)를 이용하여 pH 8.3이 될 때까지 0.1 N NaOH 용액으로 적정하였다. 각 실험구당 16개의 시료에 대하여 측정한 평균값을 citric acid로 환산하여 나타 내었다.

모든 분석결과는 실험구당 3회 반복이상 실험한 결과로 부터 평균값과 표준편차로 나타내었으며 통계분석은 IBM SPSS Statistics(24, IBM Corp., Armonk, NY, USA)를 이용하 여 ANOVA test와 Duncan’s multiple range test를 통해서 시료 간 유의적 차이(p<0.05)를 검정하였다.

딸기의 저장기간 중 저장고 내부와 MAP 필름 내부의 온습도를 무선 및 유선 온습도 센서를 이용하여 측정하였다 (Fig. 2). 무선 온습도 센서는 상층 박스의 상부에 위치하도 록 하고, 유선 온습도 센서는 상층 박스의 아랫면에 위치하 도록 하여 MAP 표면과 중심부의 온습도를 측정하였다. 유선 온습도 센서의 경우 전력계통 전환에 의한 두 번의 소프트웨어 다운으로 인해 저장 1-3일차와 11-14일차 데이 터를 소실하였지만, 저장 4-10일차 PA를 이용한 MAP의 외부와 내부 온습도 최대값과 최소값 편차를 비교해 보면, 저장고 내부는 4.4℃ 28%, MAP 표면은 2.7℃ 9%, MAP 중심부는 0.6℃ 2.5%로 측정되었다(Fig. 2). 이것은 저장고 내부의 온습도가 크게 변하여도, MAP 내부는 그 편차가 완화되어서, 농산물을 보다 일정한 환경에서 저장하는 효 과가 있다. Fig. 2B에 따르면 수분투과도가 상대적으로 높 은 PA 필름을 이용한 MAP의 경우 4-10일차의 상대습도가 90-99%의 9% 편차를 보이나, 수분투과도가 낮은 LDPE의 경우 99%로 포화되어 변동이 없었으며, Fig. 3에서도 LDPE 필름의 경우 결로 현상이 나타났으나 PA 필름의 경우 나타 나지 않았다. 이것은 Kim 등(13)의 연구에서 PA와 PLA 필름을 사용할 경우 결로 현상을 억제할 수 있다는 연구결 과와 일치한다.

저장 중 MAP 내부의 기체조성 변화는 Fig. 4와 같이 나타났다. 기체투과도가 낮은 PA 필름을 이용한 active 및 passive MAP의 경우 16일 저장했을 때는 CO₂농도가 20%까 지 도달하였으나, LDPE 필름을 사용할 경우에는 15%까지 도달하였다. 이것은 LDPE 필름의 기체투과도가 PA 필름과 비교하여 300배 정도 높으며(15), 계산식 (B)에서 필름자체 기체투과도를 무시하고 근사적으로 계산하였기 때문에 나 타난 편차이다. 하지만, 최종 가스농도 목표 값인 O₂ 2-5%, CO₂ 15-20%에 해당하기 때문에 적절하게 포장되었다고 생각할 수 있다. PA 필름에 EP 처리를 한 경우 기체농도는 Fig. 4B와 4C처럼 비슷하게 변해야 하나, Fig. 4F가 4E와 다르게 변한 것은 4F에 넣은 실험용 티슈가 PA 필름에 접촉하고 있었으며, EP의 유기용매와 같은 특성이 필름을 변질시켜서 기체투과도를 높였기 때문이라 할 수 있다.

딸기의 부패율은 저온저장의 경우 8일차 1.1%에서 12일 차에 12%, 16일차에 36%로 확연하게 증가하였으며, 곰팡 이가 주변의 딸기에 옮아가는 형태로 나타났다(Fig. 5A). 하지만, MAP와 EP처리한 MAP의 경우 외부로 나타난 균사 체 없이 색이 변하며 물러지는 형태로의 부패가 나타났으며 (Fig. 5B), 동결절편기를 이용하여 그 내부를 20 μm 두께로 절단한 시편에 대해 현미경 관찰시 균사가 세포에 침투해서 자라고 있음을 확인하였고(Fig. 5C), 이러한 균사를 PDA 배지에 배양한 결과 Fig. 5D와 같은 포자를 형성하였다. 대조구에서 발생한 곰팡이를 관찰하였을 때 Fig. 5D와 같은 포자가 관찰되었으며, 이러한 포자 형태는 잿빛곰팡이병원 균인 Botrytis cinerea인 것으로 확인되었다(21). B. cinerea 의 경우 -2-5℃, pH 2-8, O₂ 1% 이상에서 자랄 수 있다고 하지만(21), 호기성 미생물이기 때문에 O₂ 5% 이하, CO₂15%이상의 MAP 환경에서는 딸기 외부로의 균사 성장 이 억제되고 내부로만 자란 것으로 생각된다. EP 처리의 경우에도 딸기 내부의 균사 성장을 억제하지는 못했으며, MAP 기체조성과 EP처리가 동일하게 노출된 균사의 성장 을 억제하는 효과만 있음을 확인하였다.

잿빛곰팡이병은 개화기와 성숙과에 전염이 잘되고(1),선 별장에서도 잿빛곰팡이병이 전염될 수 있다는 연구결과가 있으며(22), LDPE MAP 저장 16일차 250 g 16개 팩 중 한 개의 팩에서 19개의 딸기 중 13개가 집중적으로 손자국 형태의 변색이 나타났고(Fig. 6A), 그 손자국 내부를 조직을 동결절편기로 시편을 만들어 현미경 관찰을 한 결과 B. cinerea 균사가 관찰되었다(Fig 6B). 따라서 이러한 곰팡이 는 수확이나 선별시 발생한 손자국으로부터 시작되었다고 판단되어지며, 수확과 선별시 장갑위에 1회용 비닐장갑을 착용하여 수확하는 딸기가B. cinerea 포자에 오염되지 않도 록 주의한다면, MAP 처리만으로도 곰팡이 발생을 억제할 것으로 판단된다.

저온저장과 각각의 MAP에 의한 저장기간에 따른 감모 율 및 부패율 변화는 Fig. 7와 같다. 딸기의 감모율의 경우 저온저장의의 16일차 감모율이 3.5%인데 반해 각각의 MAP 16일차 감모율은 0.8-1% 수준으로 낮게 나타났다. 수분투과도가 낮은 LDPE 필름의 경우 PA 필름을 사용할 경우보다 평균적으로 약간 낮은 감모율을 보였으나 통계적 으로 차이는 없는 수준이었다. 포장단위가 커질 경우 중량 대비 필름 표면적의 비율이 작아지기 때문에 필름 차이에 의한 감모율 차이는 더욱 줄어들 것이라 생각된다.

딸기의 색은 성숙도를 판단하는 지표로서 숙성에 따라 하얀색에서 적색으로 변화한다. 각각의 실험구에 대한 시 간에 따른 색도 변화는 Fig. 7과 같다. 저장 중 숙성이 진행될 경우 L 값은 줄어들고, a 값은 증가하며, b 값은 감소하는 경향을 나타낼 것이고 이러한 경향성은 각각의 실험구에서 대체적으로 비슷하게 나타났다. 본 실험에서 사용된 딸기 는 85% 숙도를 수작업으로 선별된 것이기 때문에, 선별자 마다 차이가 있을 수 있어서 일부 경향성에서 벗어난 값들 이 측정되었지만, 적색도 a 값을 보면 active MAP의 경우가 passive MAP나 저온저장 대비 대체로 낮은 값을 유지하여 숙성을 지연하는 효과가 있다고 판단된다.

저장 중 경도변화를 측정한 것은 Fig. 8과 같다. 딸기를 CO₂ 농도 15%로 42시간을 처리할 경우 품종별로 차이가 있지만 경도가 평균적으로 29.5% 증가하였다는 연구를 고 려할 때(3), CO₂ 농도 10-20% 구간에서 일주일 이상 MAP 저장을 하였기 때문에 대조구 대비 경도가 높게 유지될 것이라 예상하였으나, MAP 저장 딸기의 경도가 저온저장 딸기보다 높게 유지되는 경향성은 나타나지 않았다. Kim 등(5)의 연구에 따르면 70% 숙도로 수확된 지 1일 이내에 CO₂ 처리시 경도 향상 효과가 나타난다는 연구결과가 있는 데, 본 실험에서는 85% 숙도로 선별된 딸기를 배송 받아서 24시간 예냉 처리를 하는 등 시간이 지연되어 그 효과가 미미하였으리라 판단되었다. 이를 검증하고자 70% 숙도로 선별된 딸기를 선별장에서 초기 CO₂농도를 20%로 active MA 포장하여 13일간 저장한 뒤 경도를 분석한 결과 대조구 1.55 N과 비교하여 MAP 처리구는 1.67 N으로 통계적으로 유의미하게 높게 유지되었다. 따라서 유통을 위해서는 초 기 CO₂ 농도를 20% 이상으로 하는 active MAP를 적용하여 경도를 높게 유지하는 것이 유리하다고 판단된다.Fig. 9Fig. 10

딸기의 저장조건별 가용성 고형분 및 총산도의 변화는 Fig. 9와 같다. 총산도의 경우 초기값이 상당히 높게 측정되 었다. 딸기 2 kg 두 박스에서 딸기 5개씩을 착즙한 16개의 착즙액을 분석한 것을 감안할 때 이러한 급격한 차이는 수작업 선별에서 선별자의 숙도 판단 차이 또는 실험 실수 에서 온 결과라 생각된다. 초기의 가용성 고형분과 이온수 가 유지된다고 가정할 때 감모율이 클 경우 더 높은 값을 가지게 될 것이라 생각할 수 있으며, 곰팡이가 증가할 경우 당분을 흡수 분해하여 급격하게 당도가 낮아질 것으로 예상 할 수 있다. 하지만 곰팡이가 발생한 것은 제외하고 착즙하 였기 때문에 측정값에서는 대조구의 가용성 고형분과 산도 가 MAP 처리군보다 약간 높게 나타났다. 이러한 결과는 Nielsen과 Leufven(8)의 결과에서도 무처리 저온저장의 가 용성 고형분과 산도가 MAP 처리구보다 높게 나타난 것과 일치한다.