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문제 정의
- 본 연구는 용기 포장 내부에 자외선 LED를 장착하여 단속적으로 자외선 조사의 효과를 측정하는 연구로써, 자외선 조사 후 일정한 기간을 두고 효과를 측정하는 타 연구자의 연구와는 차별화될 수 있다. 실험에 사용된 방울토마토는 pink 단계의 시료를 선택하여 실험을 진행하였으며, 방울토마토의 성숙단계별로 자외선을 조사한 후 저장기간에 따른 효과를 알아보는 연구는 추후 연구가 진행되어야 할 것으로 생각된다.
- 최근에는 조명을 비롯한 여러 분야에서 광원으로서 LED가 광범위하게 사용되고 있으며, LED가 전력소모도 낮고, 수명이 길며, 소형으로의 이용이 쉽고, 내구성이 높아 기능상 여러가지 장점이 있다. 본 연구에서는 신선 과일과 채소의 저장성을 향상시킬 수 있는 방법으로서 자외선을 방출하는 LED를 이용하여 신선 원예산물의 호흡특성과 에틸렌 생성량을 파악하고, 품질에 미치는 영향을 확인하고자 한다.
제안 방법
- 호흡과 에틸렌 생성에 미치는 자외선 LED의 효과를 살펴보기 위해 온도별 자외선 LED의 조사시간과 조사거리에 따라 방울토마토를 기밀도가 우수한 1 L의 밀폐유리병에 넣고 산소, 이산화탄소, 에틸렌 농도를 시간에 따라 측정하여 산소 소비, 이산화탄소 발생, 에틸렌 발생의 속도를 측정하였다. 10℃와 20℃의 온도 조건에서 자외선 LED의 조사 시간은 1시간 켜고 1시간 끄는 조건을 4번 반복하고, 조사거리는 2 cm와 5 cm로 구분하여 측정하였다. Table 1에 제시된 조사 강도는 W/m2의 단위로써 kJ/m2의 단위로 환산하여 기술하면, 매일 1 시간씩 조사되는 동안 365 nm 의 경우 2 cm거리에서는 9.
- 자외선 LED는 실험 조건에 따라 전구 개수를 조절하여 쉽게 장착시킬 수 있고, 저장고내에 넣어서 측정할 수 있는 방식으로 제작하였다. 노트북과 컴퓨터 프로그램을 이용하여 조사량과 조사 가능시간을 조절할 수 있고, 점멸시간을 자동으로 제어할 수 있도록 설계하였다(Fig. 1). 실험에 사용되는 방울토마토가 자외선 LED의 아랫부분에 장치시킬 수 있는 구조로 설계하여 조사 위치에 따라 강도를 조절할 수 있도록 하였다.
- 저장 기간에 따라 자외선 LED조사에 따른 방울토마토의 품질변화를 측정하였다. 방울토마토의 경도는 Rheometer Compac-100 (Sun Scientific Co, LTD, Japan)을 이용하여 적도부분에 대해 직경 5 mm의 plunger로 60 mm/min의 속도로 관입시켜 변형 시 항복점에서의 저항값을 경도로 표현하였다. Ascorbic acid 함량은 AOAC 방법(18)에 준하여 적당량의 시료를 3% metaphosphoric acid 용액으로 마쇄하여 추출한 후 여과지로 여과하여 적절히 희석하여 0.
- 시간에 따른 산소와 이산화탄소 농도를 측정하여 그 기울기를 구한 후 기울기 값에 자유용적 부피를 곱하고 시료무게로 나누어 주어 산소 소비와 이산화탄소 발생의 속도를 구하였다. 산소와 이산화탄소 농도는 CTR I column (Alltech Associates, Deerfield, IL, USA)과 TCD가 장착된 gas chromatography(Model 3800, Varian Inc, Palo Alto, CA, USA)를 이용하였으며, oven온도 50℃, injector 온도 80℃, detector 온도 95℃의 조건에서 분석하였다. 에틸렌 생성량의 측정에서는 방울토마토를 1 L의 밀폐 유리병에 2 cm 조사거리에서는 240 g, 5 cm 조사거리에서는 222 g의 시료를 담은 후 시간에 따른 에틸렌 농도변화를 측정하였다.
- 이산화탄소 농도가 5 %까지 생성되는 시점을 기준으로 2 cm 높이의 경우 10℃에서는 42시간, 20℃에서는 15시간 측정하였으며, 5 cm의 경우 10℃에서는 12시간, 20℃에서는 5시간 동안 호흡량을 측정하였다. 시간에 따른 산소와 이산화탄소 농도를 측정하여 그 기울기를 구한 후 기울기 값에 자유용적 부피를 곱하고 시료무게로 나누어 주어 산소 소비와 이산화탄소 발생의 속도를 구하였다. 산소와 이산화탄소 농도는 CTR I column (Alltech Associates, Deerfield, IL, USA)과 TCD가 장착된 gas chromatography(Model 3800, Varian Inc, Palo Alto, CA, USA)를 이용하였으며, oven온도 50℃, injector 온도 80℃, detector 온도 95℃의 조건에서 분석하였다.
- 2 cm 와 5 cm 의 경우 10℃에서는 22시간, 20℃ 에서는 7시간 에틸렌 발생량을 측정하여 시간에 따른 기울기 값을 구하였다. 시간에 따른 에틸렌 발생량을 측정하여 그 기울기를 구한 후 기울기 값에 자유용적 부피를 곱하고 시료무게로 나누어 주어 에틸렌 발생량을 구하였다. 에틸렌 농도는 ALUMINA F-1 column (Alltech Associates, Deerfield, IL, USA)과 FID가 장착된 gas chromatography (Model 3800, Varian Inc, Palo Alto, CA, USA)를 이용하였으며, oven온도 80℃, injector 온도 100℃, detector 온도 250℃의 조건에서 분석하였다.
- 1). 실험에 사용되는 방울토마토가 자외선 LED의 아랫부분에 장치시킬 수 있는 구조로 설계하여 조사 위치에 따라 강도를 조절할 수 있도록 하였다. 자외선 LED가 장착된 밀폐유리용기는 일정한 온도가 유지되는 저온저장고내에 저장할 수 있고, 저장 중 단속적인 자외선 LED 조사는 외부에서 제어가 가능하도록 하였다.
- 시간에 따른 에틸렌 발생량을 측정하여 그 기울기를 구한 후 기울기 값에 자유용적 부피를 곱하고 시료무게로 나누어 주어 에틸렌 발생량을 구하였다. 에틸렌 농도는 ALUMINA F-1 column (Alltech Associates, Deerfield, IL, USA)과 FID가 장착된 gas chromatography (Model 3800, Varian Inc, Palo Alto, CA, USA)를 이용하였으며, oven온도 80℃, injector 온도 100℃, detector 온도 250℃의 조건에서 분석하였다.
- 산소와 이산화탄소 농도는 CTR I column (Alltech Associates, Deerfield, IL, USA)과 TCD가 장착된 gas chromatography(Model 3800, Varian Inc, Palo Alto, CA, USA)를 이용하였으며, oven온도 50℃, injector 온도 80℃, detector 온도 95℃의 조건에서 분석하였다. 에틸렌 생성량의 측정에서는 방울토마토를 1 L의 밀폐 유리병에 2 cm 조사거리에서는 240 g, 5 cm 조사거리에서는 222 g의 시료를 담은 후 시간에 따른 에틸렌 농도변화를 측정하였다. 2 cm 와 5 cm 의 경우 10℃에서는 22시간, 20℃ 에서는 7시간 에틸렌 발생량을 측정하여 시간에 따른 기울기 값을 구하였다.
- 실험에 사용되는 방울토마토가 자외선 LED의 아랫부분에 장치시킬 수 있는 구조로 설계하여 조사 위치에 따라 강도를 조절할 수 있도록 하였다. 자외선 LED가 장착된 밀폐유리용기는 일정한 온도가 유지되는 저온저장고내에 저장할 수 있고, 저장 중 단속적인 자외선 LED 조사는 외부에서 제어가 가능하도록 하였다. 제작된 자외선 LED 의 강도는 radiometer(HD2102.
- 자외선 LED는 서울옵토디바이스(경기도 안산, 한국)에서 생산한 365 nm와 405 nm 파장영역의 700 mA 제품을 구입하여 사용하였다. 자외선 LED는 실험 조건에 따라 전구 개수를 조절하여 쉽게 장착시킬 수 있고, 저장고내에 넣어서 측정할 수 있는 방식으로 제작하였다. 노트북과 컴퓨터 프로그램을 이용하여 조사량과 조사 가능시간을 조절할 수 있고, 점멸시간을 자동으로 제어할 수 있도록 설계하였다(Fig.
- 자외선 LED의 조사가 원예산물의 저장 중 일반적 품질 특성에 미치는 영향을 보기 위하여 화학적, 물리적 품질변화를 측정하였다. 저장온도와 조사조건에 따라 방울토마토의 경도, ascorbic acid 함량, carotenoids 함량을 측정하였다.
- 저장 기간에 따라 자외선 LED조사에 따른 방울토마토의 품질변화를 측정하였다. 방울토마토의 경도는 Rheometer Compac-100 (Sun Scientific Co, LTD, Japan)을 이용하여 적도부분에 대해 직경 5 mm의 plunger로 60 mm/min의 속도로 관입시켜 변형 시 항복점에서의 저항값을 경도로 표현하였다.
- 자외선 LED의 조사가 원예산물의 저장 중 일반적 품질 특성에 미치는 영향을 보기 위하여 화학적, 물리적 품질변화를 측정하였다. 저장온도와 조사조건에 따라 방울토마토의 경도, ascorbic acid 함량, carotenoids 함량을 측정하였다. 자외선 LED의 조사조건에 따른 방울토마토의 경도와 ascorbic acid 함량을 측정하여 조건별로 비교한 결과, 대조구와 자외선 조사 처리 간의 시료 간 오차범위를 넘는 유의성 있는 차이를 확인할 수는 없었다(Table 3, Table 4).
- 자외선 LED가 장착된 밀폐유리용기는 일정한 온도가 유지되는 저온저장고내에 저장할 수 있고, 저장 중 단속적인 자외선 LED 조사는 외부에서 제어가 가능하도록 하였다. 제작된 자외선 LED 의 강도는 radiometer(HD2102.2, Delta OHM Co, Padova, Italia)를 이용하여 측정하였다.
- 측정 시 마다 구입된 시료의 호흡특성의 변이가 심하여 자외선 LED 조사가 없는 대조구에서의 호흡속도에 대한 비로서 호흡특성을 살펴 보았다(Fig. 2). 호흡의 경우, 20℃에 비해 10℃에서 호흡 감소 효과가 나타났고, 조사 거리에 따른 차이는 크지 않았다.
- 호흡과 에틸렌 생성에 미치는 자외선 LED의 효과를 살펴보기 위해 온도별 자외선 LED의 조사시간과 조사거리에 따라 방울토마토를 기밀도가 우수한 1 L의 밀폐유리병에 넣고 산소, 이산화탄소, 에틸렌 농도를 시간에 따라 측정하여 산소 소비, 이산화탄소 발생, 에틸렌 발생의 속도를 측정하였다. 10℃와 20℃의 온도 조건에서 자외선 LED의 조사 시간은 1시간 켜고 1시간 끄는 조건을 4번 반복하고, 조사거리는 2 cm와 5 cm로 구분하여 측정하였다.
- 24 kJ/m2의 강도로 조사된 양이다. 호흡과 에틸렌 측정에서 사용한 유리 밀폐용기는 동일한 크기를 사용하였으며, 조사거리에 따라 시료의 중량을 달리하거나 유리구슬을 이용하여 높이를 조절하면서 방울 토마토 세 층의 높이로 실험을 진행하였다. 호흡특성의 측정에서는 방울토마토를 1 L의 밀폐 유리병에 2 cm 조사거리에서는 153 g, 5 cm 조사거리에서는 350 g의 시료를 넣고 온도평형에 도달시킨 후, 병을 닫고 저장하면서 시간에 따른 용기 내 산소 농도와 이산화탄소 농도를 측정하였다.
- 호흡과 에틸렌 측정에서 사용한 유리 밀폐용기는 동일한 크기를 사용하였으며, 조사거리에 따라 시료의 중량을 달리하거나 유리구슬을 이용하여 높이를 조절하면서 방울 토마토 세 층의 높이로 실험을 진행하였다. 호흡특성의 측정에서는 방울토마토를 1 L의 밀폐 유리병에 2 cm 조사거리에서는 153 g, 5 cm 조사거리에서는 350 g의 시료를 넣고 온도평형에 도달시킨 후, 병을 닫고 저장하면서 시간에 따른 용기 내 산소 농도와 이산화탄소 농도를 측정하였다. 이산화탄소 농도가 5 %까지 생성되는 시점을 기준으로 2 cm 높이의 경우 10℃에서는 42시간, 20℃에서는 15시간 측정하였으며, 5 cm의 경우 10℃에서는 12시간, 20℃에서는 5시간 동안 호흡량을 측정하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 방울토마토는 경남 창원시 소재 마트에서 구입한 신선한 시료를 사용하였다.
- 자외선 LED 전구의 렌즈는 dome 형태이며, 구동전류는 700 mA이고, 반사각의 경우 365 nm는 110°, 405 nm는 130°이었다.
- 자외선 LED는 서울옵토디바이스(경기도 안산, 한국)에서 생산한 365 nm와 405 nm 파장영역의 700 mA 제품을 구입하여 사용하였다. 자외선 LED는 실험 조건에 따라 전구 개수를 조절하여 쉽게 장착시킬 수 있고, 저장고내에 넣어서 측정할 수 있는 방식으로 제작하였다.
이론/모형
- 방울토마토의 경도는 Rheometer Compac-100 (Sun Scientific Co, LTD, Japan)을 이용하여 적도부분에 대해 직경 5 mm의 plunger로 60 mm/min의 속도로 관입시켜 변형 시 항복점에서의 저항값을 경도로 표현하였다. Ascorbic acid 함량은 AOAC 방법(18)에 준하여 적당량의 시료를 3% metaphosphoric acid 용액으로 마쇄하여 추출한 후 여과지로 여과하여 적절히 희석하여 0.025% 농도의 2,6-dichloroindophenol 용액으로 적정하였다. Carotenoid 는 Cho 등(19)의 방법에 따라 시료의 9배에 해당되는 80% 아세톤으로 추출한 후 450 nm에서 분광광도계(Genesys 10-Vis, Thermo Electron Co, Madison, WI, USA)를 이용하여 흡광도를 측정하였다.
- 025% 농도의 2,6-dichloroindophenol 용액으로 적정하였다. Carotenoid 는 Cho 등(19)의 방법에 따라 시료의 9배에 해당되는 80% 아세톤으로 추출한 후 450 nm에서 분광광도계(Genesys 10-Vis, Thermo Electron Co, Madison, WI, USA)를 이용하여 흡광도를 측정하였다. 총 carotenoid의 정량은 흡광도로부터 AOAC법(20)에 따라 흡광계수 E1%=2500을 사용하여 농도를 계산하였다.
- Carotenoid 는 Cho 등(19)의 방법에 따라 시료의 9배에 해당되는 80% 아세톤으로 추출한 후 450 nm에서 분광광도계(Genesys 10-Vis, Thermo Electron Co, Madison, WI, USA)를 이용하여 흡광도를 측정하였다. 총 carotenoid의 정량은 흡광도로부터 AOAC법(20)에 따라 흡광계수 E1%=2500을 사용하여 농도를 계산하였다.
성능/효과
- 10℃에서 자외선 LED에 의한 호흡감소효과는 5∼10%의 범위에 있었다. 방울토마토가 생리장해를 받지 않은 최저온도가 10℃ 부근으로 적정저장 온도에 가까운 것을 감안한다면, 자외선 LED의 효과는 적당한 저온조건에서 얻어질 수 있고, 호흡속도가 높은 고온에서는 그 효과가 미미한 것으로 나타났다. 기존의 연구보고에서도 호흡감소에 자외선 조사가 긍정적으로 기여하였지만(21, 22), 일부 품목에 대해서는 영향을 주지 않은 것으로 보고되었다(23).
- 즉 2 cm 거리에서는 자외선 LED 조사에 의한 에틸렌 축적 감소를 확인할 수 없었다. 이에 비해 조사 거리 5 cm에서는 20℃에서 에틸렌 생산 속도가 낮아지는 경향이 분명히 나타났으며, 10℃에서는 그 상대적 효과가 작았다. 그리고 조사 거리 5 cm에서 두 파장 영역 사이 에틸렌 발생속도에는 차이가 없었다.
- 저장온도와 조사조건에 따라 방울토마토의 경도, ascorbic acid 함량, carotenoids 함량을 측정하였다. 자외선 LED의 조사조건에 따른 방울토마토의 경도와 ascorbic acid 함량을 측정하여 조건별로 비교한 결과, 대조구와 자외선 조사 처리 간의 시료 간 오차범위를 넘는 유의성 있는 차이를 확인할 수는 없었다(Table 3, Table 4). 자외선 조사가 경도와 ascorbic acid 보존 면에서 우월한 품질을 제공하지는 못하지만, 한편으로 부정적인 영향을 주지는 않는 것으로 평가된다.
- 동일한 조사 위치에서 365 nm와 405 nm는 약 10배 정도의 강도 차이를 보였다. 전자파의 조사강도는 동일광속에서 파장에 반비례하며 광원으로부터 거리의 제곱에 반비례하는데(17), 365 nm가 405 nm보다 강도가 강하였으며, 조사거리가 가까울수록 조사 강도가 강한 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 다만, 본 연구에서 사용한 UV-LED는 같은 구동전류의 조건에서 현실적인 조건에서 산업적으로 이용되는 제품이다.
- 호흡의 경우, 20℃에 비해 10℃에서 호흡 감소 효과가 나타났고, 조사 거리에 따른 차이는 크지 않았다. 파장간의 차이는 미미하나 10℃에서 365 nm가 405 nm에 비해서 작은 차이지만 호흡감소효과가 우수하게 나타났다. 20℃에서는 파장간의 차이가 두드러지게 나타나지 않았다.
후속연구
- 이러한 결과로부터 호흡에 미치는 자외선의 영향이 저장온도와 조사파장에 따라 달라질 수 있는 것으로 이해된다. 그리고, 이 호흡에 대한 자외선 LED의 영향은 pink 숙도 상태의 방울토마토에 대해서 저장 초기에 해당되고 저장기간이 길어져서 숙도가 달라지면 호흡특성이 달라질 수 있으며, 이 부분에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
- 본 연구는 용기 포장 내부에 자외선 LED를 장착하여 단속적으로 자외선 조사의 효과를 측정하는 연구로써, 자외선 조사 후 일정한 기간을 두고 효과를 측정하는 타 연구자의 연구와는 차별화될 수 있다. 실험에 사용된 방울토마토는 pink 단계의 시료를 선택하여 실험을 진행하였으며, 방울토마토의 성숙단계별로 자외선을 조사한 후 저장기간에 따른 효과를 알아보는 연구는 추후 연구가 진행되어야 할 것으로 생각된다.
- 또 한편으로 carotenoids 함량이 감소하는 부분은 자외선에 의하여 carotenoids 색소의 파괴로 볼 수 있기도 하다. 이에 비추어볼 때, 자외선 LED의 조사에 따른 방울토마토의 carotenoids 함량의 지연된 증가와 일부 조건에서의 감소는 자외선의 이 두 가지 영향이 복합적으로 나타난 것으로 이해되며, 저장온도와 요구되는 저장기간에 따라 조사조건의 최적화를 통하여 carotenoids 함량의 보존을 기대할 수 있을 것으로 생각된다.
- 16℃에 저장된 토마토의 경우 자외선 조사가 에틸렌 생성을 억제하는 것으로 보고되고 있으며(22), 이는 낮은 온도에 비해 에틸렌 발생량이 많은 높은 온도에서 효과가 있는 것으로 생각된다. 조사 거리에 따라서 에틸렌 발생에 미치는 자외선 LED 효과가 다르게 나타나는 원인을 현재는 설명할 수 없으며, 이에 대해서는 보다 추가적인 연구가 필요한 것으로 생각된다.
- β-carotene은 숙성이 진행됨에 따라 증가하여 pink 단계에서 최대값을 나타낸 후 감소하고, lycopene은 숙성이 진행됨에 따라 꾸준히 증가한다(26). 토마토의 기능성 성분인 lycopene은 추숙의 정도를 표현하는 지표가 될 수 있으나, 본 연구에서는 pink 단계의 시료를 선택하여 전체 carotenoids 함량으로 측정하였으므로 lycopene 단일성분과 구분하여 설명을 하는 부분에 있어서는 한계점이 있다. 본 실험에서 대조구의 경우 저장에 따라 carotenoids 함량이 약간 증가한 것은 lycopene 을 포함하는 전체 carotenoids 색소 함량이 영향을 미친 것으로 고려된다.
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