초록 ▼

Ⅳ. 연구개발 결과
1. 물리적 복합공정에 의한 기능성 소재의 환경친화적 추출기술
가. 초음파 처리에 의한 미역 포자엽 추출물
새로운 기능성성분의 발굴뿐만 아니라 효율적이고 친환경적인 추출방법을 개발은 기능성식품 산업에 있어 풀어야할 숙제중 하나이다. 본 연구에서는 미역포자엽 추출에 초음파기술을 적용시켜 효율적인 미역포자엽 초음파 추출기술을 개발하였다. 추출시간, 추출용매, 진폭 등의 다양한 조건을 적용한 결과 25%의 추출수율 증가, 추출시간 18시간을 감소시키는 초음파 추출공정을 확립하였다. 뿐만 아니라, 초음파

Ⅳ. 연구개발 결과
1. 물리적 복합공정에 의한 기능성 소재의 환경친화적 추출기술
가. 초음파 처리에 의한 미역 포자엽 추출물
새로운 기능성성분의 발굴뿐만 아니라 효율적이고 친환경적인 추출방법을 개발은 기능성식품 산업에 있어 풀어야할 숙제중 하나이다. 본 연구에서는 미역포자엽 추출에 초음파기술을 적용시켜 효율적인 미역포자엽 초음파 추출기술을 개발하였다. 추출시간, 추출용매, 진폭 등의 다양한 조건을 적용한 결과 25%의 추출수율 증가, 추출시간 18시간을 감소시키는 초음파 추출공정을 확립하였다. 뿐만 아니라, 초음파의 적용에 따라 평균분자량도 감소하는 것을 확인하였다. 미역포자엽 초음파 추출물(USUE)의 생리활성 중 항염증 효능을 탐색한 결과, USUE은 쥐 대식세포인 RAW264.7에 있어 LPS에 의해 증가한 염증관련 인자인 NO와 PGE2의 생성을 감소시켰다. USUE는 LPS에 의해 증가한 JNK와 p38인산화가 유의적으로 감소하였다. 특이하게도, 염증관련 주요 신호전달 단백질인 NF-kB의 인산화에는 영향을 주지 않았다. AP-1 저해제인 SR11302를 이용하여 실험한 결과 LPS에 의한 iNOS와 COX-2 발현을 억제하는 것으로 AP-1이 LPS에 의한 iNOS와 COX-2 발현에 영향을 미치는 것을 확인 하였다. 아울러, SI-MLK3를 통해 MLK3가 iNOS와 COX-2 발현, JNK, p38의 인산화를 조절하는 것을 확인 하였다. 이를 통해, 초음파추출방법은 항염증효능을 나타내는 미역포자엽을 추출하는데 최적 공정이라고 할 수 있다.

나. 초음파 처리에 의한 꽃송이버섯 추출물
꽃송이버섯으로부터 환경친화적 추출 공법으로 β-glucan을 추출하기 위하여 기존의 추출 공법인 알칼리처리 및 효소 처리 추출공법과 추출 효율을 비교한 결과 초음파 추출 공법으로 β-glucan을 효과적으로 추출할 수 있음을 확인하였으며 반복적 초음파 추출 공정 적용으로 효율적으로 β-glucan을 추출할 수 있음을 확인하였다. Jet-mill을 이용하여 미립자화 하여 β-glucan을 추출한 경우 2배 이상의 수율이 증가하였으며 입자 크기가 작은 분쇄물일수록 추출된 β-glucan 수율이 증가하였다. 또한 항염증 효능을 분석한 결과 염증 및 발암인자인 TPA 처리에 의해 증가한 AP-1의 프로모터 결합활성이 β-glucan 처리 군 모두에서 저해되는 것을 확인하였다. 초음파 처리에 따른 β-glucan 추출은 초음파 처리 시간이 증가할수록 β-glucan의 중량은 비례하여 증가하였으며 초음파 처리 80분에서 가장 높았다. 초음파 처리에 의한 β-glucan 당쇄 구조의 절단 효과를 알아보기 위하여 초음파 처리 시간별로 점도를 비교해 본 결과 초음파 처리 시간이 증가할수록 crude β-glucan 용액의 점도가 감소하는 것으로 나타나 초음파 처리 공정으로 β-glucan 당쇄 구조가 물리적으로 절단되어 저분자량의 β-glucan이 생성되었음을 알 수 있었다. 기존의 121℃ 고온 고압 및 알칼리 처리 추출 공법을 환경 친화적인 추출 공법으로 개선하고자 초음파 처리 기술을 적용한 결과 초음파 처리를 적용하는 것만으로도 40%의 알칼리 사용 저감 및 추출 시간을 크게 줄일 수 있음을 확인하였다. 초음파 처리를 통하여 β-glucan의 환경 친화적 추출 가능성과 아울러 초음파 처리를 통하여 높은 항암 활성을 나타내는 구조를 가지는 β-glucan을 선택적으로 추출할 수 있는지 여부를 확인하기 위하여 항암제 내성 암세포를 이용하여 세포 생존 억제 효능을 분석한 결과 대부분의 시료에서 우수한 암세포 생존 억제 효능을 나타내었다. 꽃송이 버섯으로부터 초음파 추출 기술을 적용하여 β-glucan을 추출하는 과정에서 β-glucan의 분자 구조변화를 알아보고자 GFC를 이용하여 분자량 분포도를 분석 하였다. 초음파 처리를 통하여 고분자 β-glucan이 저분자화가 일어난 것으로 확인되었으며, 이러한 현상이 항암 활성에 긍정적인 영향을 미친 것으로 사료되었다.

다. 초음파 처리에 의한 녹차 추출물
RSM을 통해 총폴리페놀 함량은 높고 녹차의 quality 지표로 사용되는 EGCg+ECg/EGC 함량비를 높일 수 있는 녹차 추출물을 위한 최적 조건은 ethanol 농도 = 53.98%, 추출시간 = 37.84분, 추출온도 = 28.55℃로 도출되었다. 연속식 단자 type 초음파기 추출조건별 총 폴리페놀 함량 측정 결과 추출온도 40℃, 에탄올 함량 45%, 추출시간 30분 조건의 경우 일반적인 추출방법인 추출온도 30℃, 에탄올 함량 70%, 추출시간 120분의 경우와 총 폴리페놀 함량이 비슷한 수준으로 나타났다. DPPH radical 소거 활성도 측정 실험 결과, 연속식 단자 type 초음파기 추출 방법과(추출온도 40℃, 에탄올 함량 45%, 추출시간 30분) 일반적인 추출 방법이 비슷한 결과를 나타내었고 항암실험 결과 연속식 단자 type 초음파기 추출 방법에 의한 추출물이 폐암, 피부암 등에서 더 우수한 효과가 있는 것으로 나타나 초음파를 이용한 추출법이 일반적인 추출 방법에 비해 기능성에 있어서도 효과적인 것으로 나타났다. 연속식 단자 type의 초음파기를 사용함으로서 일반적으로 사용되는 녹차의 카테킨 추출방법 보다 에탄올 함량은 25% 낮추고, 추출시간은 90분 단축할 수 있어 유기용매의 사용량 감소, 추출 시간 단축이 가능한 친환경적 추출공정임을 확인하였다.

2. 바이오매스를 활용한 하이브리드 건조기술 개발
왕겨 함수율 11.0∼14.0% 범위에서의 2차 다항식의 발열량 실험모델을 개발하였으며 결정계수는 0.9987로 적합성이 인증되었다. 왕겨 연소가스의 조성성분은 질소 0.23%, 탄소 33.40%, 수분 11.39%, 회분 13.35%, 수소 5.57% 및 산소 29.88%로 측정되었으며, 회분 중에서 SiO₂의 함량은 95.88% 이였다. 연소온도(0∼1,000℃)의 증가에 따른 열분해 연소특성을 측정하였으며, 연소온도 200∼400℃ 사이에서 열분해 특성이 가장 높게 나타났다. 원료의 물리적 특성, 외기조건, 연소조건 등에 따라 구성원소의 몰수 및 이론 발열량을 계산하는 연소예측 시뮬레이션 프로그램을 Matlab과 GUI 인터페이스로 개발하였다. 하이브리드 건조의 시뮬레이션은 Keum et al.(1987)이 횡류형 건조과정을 해석한 건조모델을 이용하였는데 열풍이 벼층을 통과하면 함수율, 곡온, 건조공기의 온도 및 절대습도가 변하게 되며, 이들 4개의 미지수를 산출하기 위해 4개의 방정식을 이용하였다. 열교환기의 열전달 해석은 Shell과 tube를 흐르는 두 유체 사이의 열 교환율을 예측하여 해석하였다. 열교환기 설계와 관련된 식들을 이용하여 연소로에서 발생되는 연소열과 외기공기의 열교환이 일어나는 열교환기의 설계 프로그램을 개발하였으며, 프로그램은 Matlab을 이용하여 개발하였다. 열교환기 설계 프로그램은 덕트내의 연소가스의 송풍량, 왕겨 공급량, 튜브의 외형 치수 및 간격 등을 입력하면 튜브에서 생산된 출력 가스의 무게 및 용량, baffle, tube 및 shell 내의 유체속도 및 면적, 대수평균온도차, 시스템 효율 및 열교환 온도값 등이 출력 가능하도록 개발하였다. 하이브리드 건조시스템 본기의 처리능력은 건조능력 60톤, 소요열량 422만 kcal 로서, 건조에 필요한 송풍량은 900CMM, 소요왕겨량은 250kg/hr이며, 열효율 60%, 연소효율 90%를 목표로 설계하였다. 개발한 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 왕겨 연소 및 열전달에 필요한 설계인자를 구명하여 왕겨투입장치, 연소장치, 열교환기, 건조공기제어장치 및 집진장치 등으로 구성된 본기를 설계ㆍ제작하였다. 개발한 본기의 성능평가 결과 연소로내의 연소온도는 823℃, tube로 공급되는 연소공기온도는 762℃ 이었고, 열교환후 배출되는 tube의 연소공기의 온도는 280℃이었고, shell을 통과하는 건조공기의 온도는 95.8℃ 이었다. 투입된 왕겨의 중량은 224 kg/hr이었고, 왕겨의 연소된 후 배출되는 왕겨재의 중량은 176 kg/hr이었음. 왕겨의 성분 중 회분함량을 16%로 기준하여 계산된 연소효율은 93.5%로 매우 만족할만한 수준이었다. 투입되는 왕겨의 중량은 224 kg/hr이었으며, 하이브리드 건조 시스템에 총 입력 에너지는 719,040 kcal/hr 의 에너지가 공급되었다. 따라서, 입력 및 출력에너지의 비율 즉, 열효율은 57.3%로 만족한 수준으로 판단되었다.

3. 에너지 recycling 기술을 적용한 통합형 수배송 시스템 개발
가. 에너지 저장 및 recycling이 가능한 저온 수송 온도/형태별 잠열재 개발
잠열재로서 단위 축열 물질인 물(Water)과 도데칸(n-Dodecane C₁₂H₂₆), 테트라데칸(n-Teradecane C₁₄H₃₀), 헥사데칸(n-Hexadecane C₁₆H₃₄)을 주 물질로 사용하였다. 물질의 배합은 0℃의 온도가 유지되도록 Water 60%와 n-Dodecane C₁₂H₂₆ 8%, n-Tetradecane C₁₄H₃₀ 32%의 비율로 제조하였으며, 5℃ 개발 잠열재는 Water 60%와 n-Tetradecane C₁₄H₃₀ 40%, 10℃ 개발 잠열재는 Water 60%와 n-Tetradecane C₁₄H₃₀ 16%, n-Hexadecane C₁₆H₃₄ 24%의 비율로 제조하였다. 에너지 저장 및 recycling 가능성을 측정하기 위하여 상변화 물성이 250사이클에 도달할 때까지 수행하였으며, 이 때 DSC를 이용하여 열적특성을 측정하였다. 초기 잠열재의 잠열측정 결과 0℃ 잠열재의 융해잠열은 200.25 J/g, 빙점잠열은 171.06J/g, 5℃ 잠열재의 융해잠열은 192.38 J/g, 빙점잠열은 193.64J/g으로 나타났다. 10℃ 잠열재의 융해잠열은 137.75 J/g, 빙점잠열은 183.43 J/g으로 측정되었다. 250회 리사이클 후 0℃ 잠열재의 융해잠열은 220.85 J/g, 빙점잠열은 237.26 J/g으로 나타났으며, 5℃ 잠열재의 융해잠열은 225.74 J/g, 빙점잠열은 237.75 J/g으로 나타났다. 10℃ 잠열재의 융해잠열은 200.21 J/g, 빙점 잠열은 220.42 J/g으로 나타났다.

나. 산지 적용이 가능한 에너지 순환형 수배송 용기 및 보냉고 개발
수배송용기 및 보냉고의 개발은 총 4차례에 걸쳐 진행되었으며, 1차 수냉식수배송용기, 2차 공랭식 수배송용기, 3차 250 L 이동식 컨테이너박스, 4차 25L 이동식 수배송용기를 개발하였다. 온도유지 특성 중 잠열재 및 축전지 사용시 0℃의 경우 30.48 hr, 5℃ 35.76 hr, 10℃ 51.36 hr 동안 온도설정 구간을 유지하였으며, 외부 전원공급시 각각 온도설정 구간별 144 hr이상 유지하였다.

다. Peltier effect 기반 에너지 지속형 수배송용 열전소자 기술 개발
본 연구에서 개발되는 저온수배송용기에 맞게 온도설정을 할 수 있도록 제작하기 위해서는 열전소자를 선정하는 데에는 3 가지의 문제점이 있었다. ① 열전효율이 높고 열전도성은 아주 낮은 소재일 것. ② 외기온도 30℃ 이상의 고온에서 내부는 0℃까지 내려야하므로 높은 온도 차를 낼 수 있는 것일 것(2단의 열전소자). ③ 24 V, 3.4 A의 전기로 총 용량 41 L를 목표온도에 도달하게 하기 위하여 열전소자의 일반적인 냉각 COP=0.5를 뛰어넘을 것. 이러한 3가지의 문제점을 해결하기 위해 N&P-type의 열전소자 소재를 선택하여 제작하였다.
n-type : Bi₂Te₂Se 의 합금
p-type : Bi₁Sb₂Te₂Se의 합금으로 제작된 2HT-065-S model
저온수배송용기의 효율을 높이기 위한 방법으로 열전소자의 가장 효율이 높은 점을 찾아 전압을 인가하였다. 일반적으로 열전소자는 최대전압(Vmax)의 80%를 인가하라고 하는데 이때 나타나는 성능계수(COP)는 0.5수준이다. 열전소자의 특성에 따라 다르지만 인가전압을 Vmax의 30~40%를 인가하게 되면 성능계수는 1 이상을 얻을 수 있는 것이다. 따라서 본 연구에서 개발한 수배송용기에서는 선정한 열전소자 2HT-065-S 4개를 직렬로 연결하는 것으로 냉각장치를 구성하였다.

라. 신선식품의 통합형 수배송용 시스템 유통환경 확립
개발된 수배송용기 및 잠열재를 이용하여 시료의 저장 중 품질평가를 측정하였다. 0, 5, 10℃를 유지하도록 개발된 잠열재 및 열전소자와 함께 0℃-딸기, 5℃-인삼, 10℃-피망을 적용하였다. 그 결과 본 연구에서 개발된 잠열재 및 열전소자를 적용한 통합형 수배송시스템의 저장온도가 일반 수배송 유통시스템보다 일정하게 유지되어 저장기간 및 신선도 유지에 영향을 미치는 것으로 나타났다.

4. 환경변화 대응 저탄소/저에너지 식품시스템 구축
가. 식품손실
식품의 생산, 제조, 유통 및 소비를 포함하는 식품시스템 전체의 식품손실을 추정할 수 있는 모형을 구축하고 식품시스템 각 부문에 대한 품목별 발생요인별 식품손실 실태조사결과를 통하여 식품시스템의 품목별 발생요인별 식품손실량을 추정하였는데 그 결과는 다음과 같다. 국가 식품시스템의 생산, 가공, 유통 및 소비 각 단계에서 발생하는 식품손실량을 추정한 결과 식품공급량의 12.0%인 4,353.6천톤이 손실되는 것으로 나타났다. 식품시스템 단계별로 보면 소비단계에서 발생하는 손실양이 2,419.3천톤으로 전체 발생량의 55.6%, 제조단계 18.9%, 유통단계 16.9%, 생산단계 8.7%로 소비단계에서 발생하는 손실이 가장 많은 것으로 추정되었다. 품목별로는 채소류가 1,806.8천톤으로 전체 손실발생량의 41.5%, 다음으로 수산물 15.6%, 축산물 14.4% 등의 순으로 나타났다.

각 부문별 요인별 식품손실량을 보면 생산부문의 경우 수확 후 선별, 저장 등 관리과정에서 발생하고, 곡류와 채소류에서 손실이 발생하고 있지만 양은 많지 않다. 식품제조업에서 발생하는 손실은 완제품보다 원재료에서 발생하는 비율이 높고 특히 원재료를 가공적성에 맞도록 전처리하는 과정에서 발생하는 손실이 44.6%로 가장 높고, 다음으로 제품을 가공하는 과정에서 발생하는 손실비중이 26.2%, 원재료를 저장하는 과정에서 상하거나 감모 등으로 인한 손실비중이 14.5%, 출하된 제품이 불량, 재고 등으로 반품되는 비중이 10.8%로 나타났다.

식품유통업은 저장단계에서 발생하는 비중이 83.3%, 전처리단계에서 발생하는 비중이 16.7%로 저장과정에서 저장시설의 미비나 노후, 콜드체인 시스템 구축미비에 따른 온도변화로 인한 손실량이 많은데 특히 채소류의 손실량이 큰 것으로 나타났다. 일반가정의 경우 전처리과정에서 발생하는 손실량 비중이 76.2%, 잔반에서 발생하는 비중이 36.5%, 저장과정에서 발생하는 손실량 비중이 11.7%로 전처리과정에서 발생하는 손실량 비중이 가장 높은 비중을 차지하였다. 반면에 외식업체는 잔반에서 발생하는 손실량 비중이 82.1%, 전처리과정에서 발생하는 손실양 비중이 16.4%, 저장과정에서 발생하는 비중이 1.5%로 잔반에서 발생하는 손실양 비중이 가장 높아 일반가정과는 다른 경향을 보이고 있다. 이와 같은 결과는 가정에서 많이 소비하는 품목인 채소류를 다듬는 과정에서 손실이 많이 발생하면서 전처리과정에서의 손실발생량이 많고 외식업체의 경우 손님들이 남긴 잔반으로 인한 손실량이 많은 것으로 나타남. 가정과 외식을 합한 소비부문 전체적으로는 잔반에서 발생하는 손실의 비중이 48.4%, 전처리과정에서 발생하는 손실의 비중이 45.0%, 저장과정에서 유통기한 경과나 부패 등으로 인하여 발생하는 손실양의 비중은 6.5%를 기록하였다. 지금까지의 추정결과를 토대로 식품손실량을 예측한 결과 2015년 약 4,810천 톤에서 2020년에는 약 5,391천톤으로 약 12.1% 증가하였으며 총공급량 대비 손실발생량의 비율도 같은 기간 12.2%에서 14.4%로 늘어난 것으로 예측되어 지금과 같은 소비패턴이 지속된다면 식품손실 발생량은 더 늘어날 것으로 예상된다. 식품손실 발생량을 줄이기 위한 정책방안의 하나로 소비부문에서 손실 발생량이 가장 많은 잔반의 비율을 10% 줄일 경우 손실 발생량을 약 22만톤 정도 줄일 수 있는 것으로 추정되어 잔반을 줄이기 위한 합리적인 소비문화 운동을 정착시켜야 할 것이다.

나. 탄소배출
농수산물의 생산, 가공, 수송, 유통 및 소비의 경제활동에서 발생하는 온실가스의 추정과 온실가스 감축 정책효과를 분석할 수 있는 모형을 개발하였다. 본 모형은 산업IO와 경제활동별 온실가스 배출계수를 연동시킨 경제-환경모형이다. 환경부문모형은 에너지부문, 농업부문, 가공부문, 수송부문으로 구성되며 경제활동수준에 대한 온실가스 배출계수를 추정하며 산업IO모형은 식품의 전주기적 온실가스 직접배출과 산업연관관계에 의한 간접배출을 추정할 수 있도록 설계하였다. 경제활동수준별 배출계수는 온실가스종합정보센터(GIR)와 UN의 기후변화정부간패널(IPCC)의 가이드라인과 기본배출계수와 식품시스템의 에너지소비, 농업생산성, 산업IO의 투입산출 자료를 이용하여 추정하였다. 식품시스템은 농수산물 생산부문, 가공부문, 수송부문, 유통부문, 가정과 외식부문으로 구분하고 농수산부문은 화훼, 종자 등 비식용작물 생산을 제외한 14개부문, 가공부문은 음식료품 제조업 전체에서 사료 제조업을 제외한 39개 부문으로 구분하였다. 온실가스는 이산화탄소, 메탄가스, 아산화질소의 3개 배출원만 고려하였고 국가식품시스템과 직접적인관련이 없는 수소불포화탄소, 과불화탄소, 육불화황은 분석에서 제외하였다. 개발된 모형을 이용하여 추정한 결과 2010년 국가 식품시스템의 온실가스 배출량 은 29,564 천톤이며 부문별로 보면 농수산물 생산 91.2%, 식품가공 1.44%, 식품유통 0.74%, 식품수송 0.48%, 식품소비가 6.18%를 차지하는 것으로 추정되었다. 온실가스 배출원별 구성을 보면 아산화질소 45.3%, 메탄가스 44.2%, 이산화탄소 10.5%로서 이산화탄소가 차지하는 비중이 가장 낮게 나타났다. 농업부문 온실가스 배출량 추정치는 26.9백만톤, GRI 추정치는 21.3백만톤으로, GRI 추정치에서 에너지소비는 제외하였으며 극히 일부 품목만 분석에 포함하였다. 농수산물 1kg 소비로 발생하는 온실가스 배출량은 쌀 3.05kg, 보리 2.42kg, 채소 1.60kg, 과실 0.79kg, 쇠고기 93.39kg, 돼지고기 16.36kg, 닭고기 10.06kg, 우유 2.91kg, 수산어획 2.65kg, 수산양식 2.44kg 소비로 발생하는 온실가스 배출량과 같다. 개발된 GHG 추정 모형을 이용하여 식품시스템의 온실가스 감축 정책효과 분석을 식품소비구조 변동, 수송마일리지 감축, 그린공정기술 도입에 대한 시나리오 가정을 설정하여 감축효과를 분석하였다.

우리나라 산업생산 활동에서 배출되는 이산화탄소는 연간 약 404백만톤으로 추정되었으며, 이중 제조업이 30.4%인 113백만톤을 차지하고 있고 음식료품제조업은 제조업 전체의 2.1%인 2.6백만톤을 차지하는 것으로 나타났다. 제조업 중에서 음식료품 제조업은 생산액 및 부가가치 대비 탄소배출량이 저탄소 녹색산업군에 포함된다. 음식료품제조업의 생산액 백만원당 이산화탄소 배출량은 36kg(제조업 평균 145kg)이며, 부가가치 백만원당 이산화탄소 배출량은 126kg(제조업 평균 557kg)으로 조사되었다. 직접배출의 요인을 살펴보면 직접 이산화탄소 배출원이 아닌 전력을 제외시킬 경우 보일러용 83.9%, 난방과 조명 및 기타 6.3%, 공정용 히터/건조기 5.9%이며 전력을 포함시키면 동력용 45.8%, 공정용 히터/건조기 29.3%로 가장 높은 비중을 차지한다. 간접배출의 요인을 살펴보면 전력, 가스, 수도에서 34.8%, 농수산물과 가공식품 원재료 사용에서 37.1%, 제품 수송 및 보관에서 16.7%, 식품용기 및 포장재 사용에서 5.8%가 발생하고 있다. 부문별로 보면 식료품제조업이 80%, 음료제조업이 18%를 차지하고 있고 업종별로는 비알콜성음료 8.9%, 빵 및 곡분과자 7.9%, 식물성유지 7.6%, 기타식료품 5.6%, 정제당이 4.3%로 비교적 높은 비중을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 생산액 백만원당 이산화탄소 배출량은 주정 247kg, 누룩 및 맥아 203kg, 발효 및 합성조미료 230kg으로 고탄소배출 업종군으로 분류되며 도축육가공업, 정미, 정맥, 소주, 맥주, 담배, 생수 및 얼음 제조업, 가금육가공업, 냉동수산물제조업은 저탄소배출 업종군으로 조사되었다.

식품유통부문의 탄소배출은 식품수송으로 인해 발생하는 탄소배출과 도소매 유통업체의 매장관리 및 영업활동에서 발생하는 탄소배출로 구분하여 추정하였다. 식품 수송과 관련하여 발생하는 이산화탄소 배출은 약 2.2백만톤으로 추정되었다(가계부문 제외). 이 중 음식료품제조업 51.6%, 식품유통업 36.5%로 거의 대부분을 차지하고 농림어업과 외식업이 각각 6.8%, 5.1%를 차지하였으며, 수송수단별로 보면 육상화물(택배 포함) 63.9%, 항공 21.2%, 육상여객 6.5%, 항공 4.9%로 추정되었다. 농수산물 수송에서 탄소배출 비중이 높은 품목은 수산어획 34.8%, 수산양식 13.2%, 양돈 7.9%, 채소 6.7%, 육우 5.6% 순이며, 가공식품은 빵 및 곡분과자가 8.5%로 가장 높고 다음으로 유제품 5.9%, 소주 3.7%, 면류 3.6%, 과실 및 채소가공품이 3.2%를 차지하고 있는 것으로 나타났다.

(출처 : 요약문)

Abstract ▼

Ⅳ. Major Results and Conclusion
1. Eco-friendly extraction technology of functional materials using combined physical process
1) Extracts from sporophylls of Undaria pinnatifida by ultrasonic treatment
Developing efficient and eco-frendly extraction methods is essential in functional food i

Ⅳ. Major Results and Conclusion
1. Eco-friendly extraction technology of functional materials using combined physical process
1) Extracts from sporophylls of Undaria pinnatifida by ultrasonic treatment
Developing efficient and eco-frendly extraction methods is essential in functional food industry. Here, we developed ultrasonicated extraction method (6 hrs extraction time and 80% amplitude) for sporophyll of Undaria pinnatifida and application of ultrasonication increase yield in 25% and decrease 18 hrs of extraction time. Additionally, we investigated the effect of ultrasonicated sporophyll of Undaria pinnatifida extract (USUE) on LPS-induced inflammation. After ultrasonication, the average molecular weight is decreased compared to conventional method and commercial fucoidan. USUP significantly suppresses LPS-induced nitrite and PGE2 production and subsequently suppresses iNOS and COX-2 expression in Raw264.7 cells. Western blot assay results showed that USUP strongly suppresses LPS-induced c-Jun N terminal kinase (JNK) 1/2/MKK and p38/MKK3/6 phosphorylation in Raw264.7 cells. SR11302, AP-1 specific inhibitor, suppressed LPS-induced iNOS and COX-2 expression. In addition, SiMLK3 strongly suppresses LPS-induced iNOS and COX-2 expression and JNK1/2 and p38 phosphorylation in Raw264.7 cells.

Taken together, these results suggest that ultrasonicated extraction method could be optimal to extract anti-inflammatory sporophyll of Undaria pinnatifida extract.

2) Extracts from Sparassis cris by ultrasonic treatment
Ultrasonification extraction was found to be eco-friendly extraction process to extract β-glucan from Sparassis crispa compared with conventional extraction such as alkali and enzymatic extraction. The extraction yield of β-glucan from Sparassis crispa was grounded by using zet-mill was increased 2 times as compared to pin milling powder and there was an increased in the β-glucan content with decreased particle size. Moreover all air-classified Sparassis crispa powder also have antiinflammatory effect. The content of β-glucan increased linearly with increased ultrasonification time and it appeared that extraction yield of β-glucan showed the peak at ultrasonification time 80 min.

The viscosity of β-glucan extract with ultrasonification treatment was analyzed to evaluate capacity of break down glycosidic bond of β-glucan. The viscosity of β-glucan extract with ultrasonification treatment was decreased with increased ultrasonification time. Based on our result, the ultrasonification treatment found to be effective for producing lower molecular weight β-glucan. Eco-friendly β-glucan extraction have shown that extraction time and sodium hydroxide use led to a considerable reduction by 40% to compared with conventional extraction method such as high-pressure, high temperature and alkali treatment extraction.

The inhibition capacity against cancer cell viability of β-glucan extract with ultrasonification treatment were evaluated. And to evaluate inhibition effect against cancer cell viability. Most of the β-glucan extract found to be effective against cancer cell. The molecular weight distribution of β-glucan extracts with ultrasonification treatment were analyzed by GFC to evaluate changes in molecular structure of β-glucan. We observed that ultrasonification extraction led to be lowering molecular weight resulted in inhibition cancer cell viability.

3) Extracts from green tea by ultrasonic treatment
Total polyphenol contents and DPPH radical scavenging activity were identified a major factor contributing to the antioxidant activity of green tea extracts. Our study, ultrasonic extraction showed that the ethanol concentration and extraction time used for catechin extraction were remarkably reduced without a decrease in antioxidant activity compared to the conventional extraction conditions. In order to compare extraction efficiency, ultrasonic extraction was performed with the optimum conditions by RSM and preliminary experimental results. Conventional shaking extraction was carried out according to modified conditions reported by some of the previous and preliminary studies. This study reported that the antioxidant activity of green tea extracts was higher in 45% ethanol extracts by using ultrasonic than that of conventional extracts(70% ethanol). In continuous type ultrasonic system, optimum extraction conditions of ethanol concentration, temperature and time was 45%, 40℃ and 30min, respectively. Ultrasonic extraction is a promising extraction technique for catechin with relatively higher level quality from green tea, which significantly reduced the solvent usage and extraction time comparing to conventional shaking extraction.

2. Development of hybrid drying technologies using biomass
In the range of moisture content of 11.0∼14.0% for rice husk, second degree polynomial model was developed and coefficient of determination was 0.9987. Combustion gas of rice husk consisted of nitrogen(0.23%), carbon(33.40%), moisture(11.39%), ash(13.35%), hydrogen(5.57%) and oxygen(29.88%). The ash contained 95.88% of silicon dioxide. Pyrolysis combustion characteristics according to increase of combustion temperature(0 ∼1,000℃) was measured and the highest pyrolysis characteristics was appeared among 200∼400℃ of combustion temperature. Combustion prediction simulation program was developed by Matlab and GUI, and this program was able to calculate mole number of elements and theoric caloric value according to physical properties of raw material, ambient condition and combustion condition. Hybrid drying simulation was developed with the drying model which analyzed cross-flow drying process(Keum et al, 1987). Also, four equations were used to calculate moisture content, temperature of grain, drying air temperature and relative humidity which change when hot air pass the grain layer. Heat transfer analysis of heat exchanger for two fluids which flow through shell and tube was performed with equations. Design program of heat exchanger in which heat exchange between combustion heat and ambient air was developed with related equations by Matlab. Heat exchanger design program was able to output weight and capacity of generated gas from tube, fluid speed and area in the baffle, tube and shell, logarithmic mean temperature difference, system efficiency, heat exchange temperature by input of airflow rate of combustion gas, husk amount, tube size and so on. The capacity of hybrid drying system was decided that 60 ton of drying capacity, 4.22 million kcal of consumption, 900CMM of air flow rate for drying and 250kg/hr of rice husk. This system was designed for 60% of heat efficiency 90% of combustion efficiency. After investigation of design factors for husk combustion and heat transfer with developed simulation program, main system which was consist of husk input device, combustion device, heat exchanger, dry air control device and dust collector was designed and produced. After evaluation of performance for developed main system, combustion temperature in combustion furnace was 823℃, temperature of combustion air inputted to tube was 762℃, temperature of combustion air emitted from tube after heat exchange was 280℃ and temperature of drying air through shell was 95.8℃. Weight of husk inputted was 224 kg/hr, weight of ash emitted after combustion was 176 kg/hr.
Combustion efficiency from husk which contain 16% ash was 93.5% and this result was significant. Weight of husk inputted was 224 kg/hr, total input energy of hybrid drying system was 719,040 kcal/hr. Therefore, the heat efficiency which was the ratio of input and output energy was 57.3% and this result was significant.

3. Development of an integrated transportation system by applying energy recycling technology
1) Development of energy storable and energy recyclable latent heat materials by low temperature transportation temperature/formulation type.
As the latent heat materials, unit heat storing materials of water, n-Dodecane (C12H26), n-Teradecane (C14H30), and n-Hexadecane (C16H34) have been mainly used. To maintain 0℃, it was formulated by the ratio of 60% Water, 8% n- Dodecane and 32% n-Tetradecane. For the purpose of maintaining 5℃, it was formulated by the ratio of 60% water and 40% n-Tetradecane. For the development of 10℃ latent heat material, it was formulated by the ratio of 60% water, 16% n-Tetradecane and 24% n-Hexadecane.

To measure the energy storing and energy recycling capacities, the measurements were made until the phase change material properties reaches 250 cycles. At that time, the thermal characteristics were measured by using a differential scanning calorimeter (DSC). At the initial latent heat measurement for the 0℃ latent heat material, the latent heat of melting was measured as 200.25 J/g and the latent heat of freezing was measured as 171.06 J/g. For the 5℃ latent heat material, both values were respectively measured as 192.38 J/g and 193.64 J/g. For the 10℃ latent heat material, the values were respectively measured as 137.75 J/g and 183.43 J/g. After the 250 cycles, both values for the 0℃ latent heat material were respectively measured as 220.85 J/g and 237.26 J/g. For the 5℃ latent heat material, both values were respectively measured as 225.74 J/g and 237.75 J/g. For the 10℃ latent heat material, both values were respectively measured as 200.21 J/g and 220.42 J/g.

2). Production site applicable energy circulation-type transportation vessels and cold preserving containers
The developments for transportation vessels and cold preserving containers were performed total 4 times. At the first development, the study mainly targeted to develop a water-cooling transportation vessel. At the second, air-cooling transportation vessel was reviewed. At the third, a 250L movable container box was developed, and a 25L movable transportation vessel was developed at the fourth development. Among the temperature maintenance characteristics, the 0℃ latent heat material of using latent heat materials and battery was set at the temperature for 30.48hrs, and 5℃ latent heat material was set at the temperature for 35.76hrs, and 10℃ latent heat material was set at the temperature interval for 51.36hrs. At the time when the external power supply was provided, each material was maintained for more than 144hrs at each temperature setting interval.

3) Development of Peltier effect based energy sustainable transportation thermoelectric modules
For the present study, the low temperature transportation vessel is developed. To produce a thermoelectric module that can adjust temperature setting to vessel, there were 3 problems in selecting the thermoelectric modules, as follows: ① the material has to have a high thermoelectric efficiency and thermal conductivity has to be very low, ② at the outer atmospheric temperature higher than 30℃, the inside temperature has to be lowered down to 0℃ by requiring a material that can produce a large temperature difference (2nd stage thermoelectric module), and ③ the material has to exceed the general cooling COP of 0.5 since it has to reach at the targeted temperature for the total 41L by using only 24V and 3.4A of electricity. To solve these problems, the N&P-type thermoelectric module was selected and manufactured.

n-type : Alloy of Bi₂Te₂Se, p-type : 2HT-065-S model that was produced by the Bi₁Sb₂Te₂Se alloy

As the method to upgrade the efficiency of low temperature transportation vessels, the highest efficiency of the thermoelectric module was searched by elevating the voltage. Generally, it is told that thermoelectric module can be supplied with 80% of the maximum voltage (Vmax) by showing the COP of 0.5 at that time. Although it can be varied by the characteristics of the thermoelectric modules, the supply of 30-40% of the Vmax can acquire the COP that is higher than 1.0. Based on that, the cooling unit of the present study was produced by serially connecting the selected 4 2HT-065-S-type thermoelectric modules.

4) Establishment of distribution environments for integrated transportation system for fresh food products
By using the developed transportation vessels and latent heat materials, quality evaluation was made during food product storage. 0, 5, and 10℃ maintaining latent heat material was applied with thermoelectric module at the 0℃ storage of strawberries, 5℃ storage of ginsengs, and 10℃ storage of green peppers. As the result, the storage temperature inside of the integrated transportation system that was developed at the present study resulted with better maintenance a constant temperature than typically used general cold chain system by having effects on storage period and freshness level of the food products.

4. Planning for the low-carbon/energy food system compatible with global environmental change
1) Food Waste
In this study, we built a food waste model capable of estimating and predicting food wastes throughout the food chain. The model computes food wastes using food waste rates of each products and its quantity flows at each stage of the food chain. Food waste rates in production, processing, marketing, and household and restaurant consumption was surveyed for the selected sample and estimated by products as well as by sources; preparation loss, storage loss and cooked food residues. Food flows along the food chain were constructed from the various data sources.

Total food wastes were estimated as 2,419 thousand tons, which accounted for 12 percents of the total food supply. A large part of food wastes was due to wastes in consumption. Of the total food wastes, 55.6 percents came from consumption whereas processing, marketing, production respectively shares 18.9%, 16.9%, and 8.7% of the food wastes. The estimated food waste rates were significantly different by products, so that more than 41.5% of total food wastes are attributed by vegetables alone, and 15.6% by seafoods, and 14.4% livestock products. Losses of cereals and the other food products were not so significant.

Food waste rates varied not only by products but also by sources. Major findings are as follow;
● Food losses at households mostly occurred in meal preparation, accounting for 61.2% of total losses. The proportions of cooked residues and storage losses were 29.4% and 19.4%.
● Food losses at restaurants, by contrast, mostly came from cooked residues, accounting for 82.1% of total losses. Preparation losses accounted for 16.4%, whereas storage losses were negligible, accounting for 1.5%.
● For food losses in processing sector, 70.8% were attributed by processing, 18.4% were by storage losses, and 10.8% were by product losses because of being unqualified, contaminated, and recalled from the buyers.
● Food losses in marketing sector mostly occurred in storage, accounting for 83.3% of total losses, mainly due to the absence of cold storage capacities and/or deficient cold-chain system. In particular, loss rates were high in case of vegetables.

We simulated the model to predict the future food wastes according as food consumption changes. Future food consumptions were predicted using GARH models, assuming that the present trend of food consumption change keep maintained. As a result, food wastes were predicted to increase by 12.1 percents for the next five years, from 4,810 thousand tons in 2015 to 5,391 thousand tons in 2020.

2) GHG Emission
An economic-ecological IO model, which should be compatible for estimating GHG emission of the food system and analysing the effects of policy measures on reduction of GHG emission, was developed. The ecological model consisted of energy, agriculture, food processing, and food transportation sub-sectoral models wherein GHG emission factors for each activity levels were estimated. This ecological model was linked with the industry input-output model, so that not only GHG emission change associated with economic activities but also life-cycle GHG emission of food consumption could be analyzed.

Technical emission factors were derived from the engineering data of the National Greenhouse Gas Inventory Report of Korea(GIR) and the guideline of UN Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC). Using energy consumption, agricultural productivity, and industry input-output data these technical emission factors were converted into emission factors which were defined in terms of economic activity. Three greenhouse gases CO₂, CH₄, and N₂O are incorporated into the model because the others are not directly related to the food system.

The GHG emission of the food system estimated from the model was 29,564 thousand CO₂ equivalent tons based on the year of 2010. The emission was mostly made in agricultural and fishery production and responsible for more than 91.2% of the total food system's emission. Of the remaining 8.8%, 1.44% was attributed by food processing, 0.74% was by marketing, 0.48% was by transportation, and 6.18% was by consumption. Regarding emission by gas types, N₂O and CH₄ consisted of 45.3% and 44.2% of the total GHG emission of the food system, respectively, whereas CO₂ accounted for only 10.5%.

Life-cycle GHG emissions of major food items were also estimated. The results showed that in order to supply for one kg of rice consumption 3.05 kg of greenhouse gas in CO₂ equivalent was to be emitted. The GHG emission associated with one kg consumption of barley was to be 2.42kg, vegetables 1.60kg, fruits 0.79kg, beef 93.39kg, pork 16.36kg, chicken meats 10.06kg, and milk 2.91kg. In case of fishery products, the captured was 2.65kg while the cultivated was 2.44kg.

The effects of polices for reducing GHG emission of the food system were simulated. Since this study did not develop any specific policy measures for GHG emission reduction, we instead introduced some assumptions of policy results and analysed the effects on the GHG emissions of the food system as a whole.

(출처 : SUMMARY)

목차 Contents

• 표지 ... 1요약문 ... 2SUMMARY ... 15물리적 복합공정에 의한 기능성 소재의 환경친화적 추출기술 ... 26 CONTENTS ... 27 제1장 서 론 ... 29 제2장 재료 및 방법 ... 32 1. 시료 ... 32 2. 방법 ... 32 제3장 결과 및 고찰 ... 48 1. 초음파 처리에 의한 미역포자엽 추출물 ... 48 2. 초음파 처리에 의한 꽃송이 버섯 추출물 ... 69 3. 초음파 처리에 의한 녹차 추출물 ... 95 제4장 참고문헌 ... 125바이오매스를 활용한 하이브리드 건조기술 개발 ... 133 CONTENTS ... 134 목차 ... 136 제1장 서 론 ... 138 제2장 하이브리드 건조 최적화 모델 개발 ... 143 1. 건조모델 ... 143 2. 작동조건 별 건조 최적화 ... 145 3. 하이브리드 건조시스템 시작품 설계 및 제작 ... 149 제3장 하이브리드 곡물 건조시스템 본기 개발 ... 179 1. 설계방향 ... 179 2. 시뮬레이션을 이용한 연소로 및 열교환기 설계 ... 181 3. 하이브리드 곡물 건조시스템 본기 제작 ... 184 4. 하이브리드 곡물 건조시스템 본기 성능평가 ... 191 5. 하이브리드 곡물 건조시스템 건조온도 제어 실험 ... 198 제4장 참고문헌 ... 201에너지 recycling 기술을 적용한 통합형 수배송 시스템 개발 ... 205 CONTENTS ... 206 목차 ... 208 제1장 서 론 ... 210 제2장 재료 및 방법 ... 212 1. 잠열재의 제조 ... 212 2. Peltier effect 기반 에너지 지속형 수배송 용기 ... 214 3. 신선식품의 통합형 수배송용 시스템 유통환경 확립 ... 226 제3장 결과 및 고찰 ... 235 1. 단위 잠열 물질 ... 235 2. 잠열재의 선정 ... 239 3. 개발 잠열재의 수분함량에 따른 물리화학적 특성 ... 243 4. Peltier effect 기반 에너지 지속형 수배송용기의 연구 ... 248 5. 신선식품의 통합형 수배송용 시스템 유통환경 확립 ... 261 제4장 참고문헌 ... 313환경변화 대응 저탄소/저에너지 식품시스템 구축 ... 315 CONTENTS ... 316 목차 ... 317 제1장 서 론 ... 319 제2장 재료 및 방법 ... 320 1. 식품손실 및 탄소배출 실태조사 ... 320 2. 탄소배출량 추정 ... 323 제3장 결과 및 고찰 ... 324 1. 식품손실 ... 324 2. 탄소배출 ... 386 제4장 참고문헌 ... 425끝페이지 ... 426