팰릿 단위 기체환경 제어 저장한 배추의 품질 변화와 품질 예측 모델

본 연구는 계절별 배추 주산지와 수확 시기를 고려하여 2019년 8월에 강원도 정선에서 수확한 ‘춘광’ 품종의 고랭 지 배추와 2020년 1월에 전남 진도에서 수확한 ‘아리랑’ 품종의 월동 배추를 각각 사용하였다. 외관 손상이 없는 2.3-2.7 kg 중량의 고랭지 배추와 3.3-3.6 kg 중량의 월동 배추는 시료로 각각 선별하여 high density polyethylene (HDPE) 박스(55 cm×37 cm×32 cm)에 4-5포기씩 세워 담았 다. 수확 당일 박스 포장한 배추는 전북 전주에 위치한 저 온 저장고까지 운송하였다.

저온 저장고(약 25 m²) 내 설치한 팰릿 단위 기체환경 제어장치는 Fig. 1과 같이 기밀 컨테이너와 기체 공급부, 기체 농도 제어 및 저장부로 나누어진다. 상용 팰릿(110 cm×110 cm) 기준 HDPE 박스 6단까지 적재 가능하도록 철제 구조 기밀 컨테이너는 125 cm×125 cm×235 cm 크기 로 제작하였으며 옆면은 polyurethane 필름(2.58 mL O₂/ m²·day·atm)을 이용하여 내부 기체가 외부로 유출되지 않 도록 완전히 접착하였다. 기체 공급부는 질소발생기(GNG- 2n-6, GSA Co., Gwangju, Korea)와 이산화탄소 공급장치 (99.999% 순도, Hankook special gases Co., Iksan, Korea) 로 구성하였으며 기밀 컨테이너 내부의 기체환경은 99.9% 이상의 고순도 N₂와 CO₂를 공급하여 조절하였다. 기체 농도 제어 및 저장부는 zirconia 타입의 O₂ 센서와 nondispersive infrared(NDIR) 타입의 CO₂ 센서가 결합한 통합 센서 모듈(SH-VT-250-O₂, Sohatech Co., Seoul, Korea), 컨테이너 내부 기체를 통합센서로 이송시키는 순환펌프 (DAP-3043, Robotmart, Seoul, Korea), 전자밸브를 이용한 O₂와 CO₂ 농도 제어장치(DDC-478, Systronics Co., Bucheon, Korea)와 O₂와 CO₂ 농도 변화 데이터 수집장치(SM- 7000T, Systronics Co., Bucheon, Korea)로 구성하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of the pallet unit-controlled atmosphere system.

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기밀 컨테이너에 배추가 담긴 HDPE 박스 30개를 5단으 로 적재 후 내부 O₂와 CO₂ 농도는 2와 5%로 설정하였다. 배추의 계절적 특성을 고려하여 고랭지 배추는 2±0.5°C에 서 60일 동안 저장하였으며 월동 배추는 0±0.5°C에서 120 일 동안 저장하였다. 저온 저장고 대기 환경에 노출 상태 로 저장한 배추 시료는 대조구로 하였다.

기밀 컨테이너 내부의 기체환경을 제어하기 위한 기본 알고리즘은 Park et al. (2020)이 보고한 방법을 참고하여 기체환경 측정 알고리즘(a)과 기체환경 측정 데이터 기반 O₂와 CO₂ 농도 제어 알고리즘(b)으로 구분하였다(Fig. 2). 기체환경 측정 알고리즘은 순환펌프 계통 작동, 공압 튜브 의 내부 잔류 기체 영향 최소화를 위한 통합센서 안정화/ O₂와 CO₂ 농도 측정 및 순환펌프 계통 작동 정지 단계를 반복하는 과정으로 설계하였다(Fig. 2a). 또한 측정된 O₂와 CO₂ 농도가 설정 조건에서 ±0.5% 범위를 벗어났을 시 O₂ 와 CO₂ 농도 제어 알고리즘을 통해 질소발생기가 작동하 여 퍼지 과정이 진행되거나 이산화탄소 공급장치가 작동하 여 CO₂를 공급하게 됨에 따라 기체환경은 적절하게 유지 하였다(Fig. 2b).

Fig. 2. Algorithms for the measurement (a) and control (b) of O₂ and CO₂ concentrations inside airtight containers.

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저장기간 동안 기밀 컨테이너 내부의 기체환경 변화를 살펴보기 위해 O₂와 CO₂ 농도는 통합센서 모듈을 이용하 여 10분 간격으로 측정 후 데이터 수집장치에 보관하였다. 보관된 데이터는 시간-O₂/CO₂ 농도 profile 곡선으로 나타 냈다.

PUCA 저장 중 배추 시료의 품질 변화 예측을 위한 지 표는 배추 품질 관련 선행연구(Hong et al., 2018)를 참고 하여 중량감모율, 수분 함량과 환원당 함량을 선정하였다. 중량감모율은 시료의 초기 중량을 측정한 후 저장기간 중 중량의 차이를 초기 중량에 대한 백분율로 나타내었다. 수분 함량과 환원당 함량 분석을 위한 시료 전처리로 배추 는 멸균된 칼로 절단한 후 hand blender (HR1390, Philips, Guangzhou, China)를 이용하여 3분간 균질화하였다. 수분 함량은 균질한 시료 1 g을 알루미늄 칭량 접시에 취한 후 적외선 수분측정기(MB45, Ohaus Co., Pine Brook NJ, USA)로 측정하여 %로 나타내었다. 환원당 함량은 dinitrosalicylic acid (DNS)에 의한 비색 정량법(Lee et al., 2010)을 이용하였다. 증류수를 이용하여 50배 희석한 시료 용액과 DNS reagent는 glass test tube에 1과 3 mL을 각각 옮겨 넣고 water bath (100°C)에서 5분간 가열하였다. 실온 에서 냉각 후 반응 용액은 증류수 16 mL를 넣은 다음 분 광광도계(UV-1800, Shimadzu Scientific Instruments Inc., Columbia, MD, USA)를 사용하여 550 nm에서 흡광도를 측정하였다. 환원당 함량은 농도별 glucose 표준 용액을 반 응시켜 작성한 검정 곡선으로부터 산출하여 mg/g으로 나 타냈다.

CA와 일반 저온 저장 중 고랭지 배추와 월동 배추의 품 질 예측 모델을 개발하기 위해 선형 회귀 분석은 저장기간, 중량감모율, 수분 함량과 환원당 함량을 종속변수 또는 설 명변수로 설정하여 실시하였다. 또한 회귀 모형의 변수 선 택 방법은 단계 선택법(stepwise method)을 적용하였다.

선형 회귀 분석으로부터 도출된 고랭지 배추와 월동 배 추의 저장기간, 중량 감모율과 환원당 함량과 수분 함량 예측모델은 통계적 지표인 결정계수(R²), 조정결정계수 (R²_adj), accuracy factor (A_f), bias factor (B_f), 평균 제곱근 오차(RMSE)을 분석하여 적합성을 검증하였다.

모든 실험은 3회 반복하여 측정하였으며 실험 결과는 평 균값±표준편차로 나타냈다. 각 저장 처리구의 평균값 간의 차이는 SPSS (Statistical Package for the Social Science, Version 19, SPSS Inc., Chicago, IL, USA) 소프트웨어를 이용하여 일원배치 분산분석법으로 검증하였고 유의적 차 이가 있는 경우는 p<0.05 수준에서 Duncan의 다중검정 방 법으로 사후분석을 실시하였다. 저장 중 저온과 PUCA 처 리구 간의 중량감모율, 수분 함량과 환원당 함량 차이는 독립 표본 t-test를 이용하여 각각 검증하였다. 또한 저장기 간 경과에 따른 배추의 중량감모율, 수분 함량과 환원당 함량 변화의 상관관계는 Pearson 상관분석을 이용하여 분 석하였다.

본 연구에서 개발한 PUCA 시스템은 설정한 O₂ 농도 도 달 후 CO₂ 농도를 조절하는 순서로 기체환경을 제어한다. 저장 초기 고랭지 배추를 적재한 기밀 컨테이너 내부 O₂ 와 CO₂ 농도가 2와 5%까지 각각 도달하는데 4.2와 0.8시 간이 소요되었다. 또한 월동 배추 입고 후 기밀 컨테이너 내부 O₂와 CO₂ 농도가 20.8과 0%에서 2와 5%까지 조절 되는데 6과 1.6시간이 각각 소요되었다(Fig. 3). PUCA 저 장 중 배추의 품질 분석 시료 확보를 위해 기밀 컨테이너 개방 시 내부 O₂와 CO₂ 농도는 저온 저장고 대기 환경과 평형을 이루었으며 이후 설정 기체 농도 조건까지 재설정 되는데 고랭지 배추와 월동 배추는 약 4.1과 6.3시간이 각 각 소요되었다.

Fig. 3. Changes in O₂ and CO₂ concentrations (%) inside airtight containers during PUCA storage for summer (a) and winter (b) kimchi cabbages.

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저장 60일 동안 고랭지 배추가 보관된 기밀 컨테이너 내 부 O₂와 CO₂ 평균 농도는 2.10±0.13과 4.63±0.47%로 각각 나타났다. 월동 배추의 경우 저장 120일 동안 기밀 컨테이 너 내부 O₂와 CO₂ 평균 농도는 2.31±0.23과 5.02±0.45%으 로 각각 확인되었다(Fig. 3). 이러한 결과를 통해 PUCA 시스템의 기체환경 제어 알고리즘이 정상적으로 운용되었 고 기밀 컨테이너 내부 기체가 외부로 유실되지 않은 것으 로 판단하였다.

저장 중 배추는 호흡 등 지속적인 생리 활동과 저장고 내부의 낮은 상대습도에 의해 중량 감모와 수분 증발이 발 생한다(Hong et al., 2018). PUCA 저장 중 고랭지 배추와 월동배추의 중량감모율, 수분 함량 및 환원당 함량 변화는 Fig. 4-6에 나타내었다. 저장 30일 후 대조구 고랭지 배추 의 중량감모율은 5.15%로 PUCA 처리구 고랭지 배추 (0.81%)보다 약 6.4배 높았다. 또한 저장 60일 후 PUCA 처리구 고랭지 배추의 중량감모율은 1.23% 미만인 반면 대 조구 고랭지 배추는 8.31%까지 증가하였다. 저장 120일 경 과 후 대조구와 PUCA 처리구 월동 배추의 중량감모율은 각각 8.80와 1.46%로 유의적인(p<0.05) 차이를 나타냈다.

Fig. 4. Changes in the weight loss (%) of summer (a) and winter (b) kimchi cabbages stored under PUCA conditions. Means with different letters differ significantly according to Duncan’s multiple range test (p<0.05). Significant differences between the control and PUCA treatment are indicated by an asterisk according to independent-samples t-test (p<0.05).

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Fig. 5. Changes in the moisture content (%) of summer (a) and winter (b) kimchi cabbages stored under PUCA conditions. Means with different letters differ significantly according to Duncan’s multiple range test (p<0.05). Significant differences between the control and PUCA treatment are indicated by an asterisk according to independent-samples t-test (p<0.05).

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Fig. 6. Changes in the reducing sugar content (mg/g) of summer (a) and winter (b) kimchi cabbages stored under PUCA conditions. Means with different letters differ significantly according to Duncan’s multiple range test (p<0.05). Significant differences between the control and PUCA treatment are indicated by an asterisk according to independent-samples t-test (p<0.05).

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대조구 고랭지 배추의 수분 함량은 저장 초기 94.23%이 었지만 저장기간이 증가함에 따라 유의적으로(p<0.05) 감 소하여 저장 60일 후 91.83%를 나타냈다. 반면 PUCA 처 리구 고랭지 배추의 수분 함량은 저장 60일 동안 93.60- 94.23%를 유지하였다. 저장 120일 동안 대조구 월동 배추 의 수분 함량은 약 3.0% 감소한 반면 PUCA 처리구 월동 배추의 수분 함량은 93.14-93.68%를 유지하였으며 이는 고 랭지 배추의 수분 함량 결과와 유사하였다. Ktenioudaki et al. (2019)은 상대습도가 저온 저장 중 농산물의 중량 감소 에 가장 영향을 미치는 환경 인자 중 하나라고 보고하였다 . 본 연구에서 PUCA 시스템 저장 배추의 수분 유지 효과 는 배추 외엽의 수증기압과 기밀 컨테이너 내부 수증기압 차가 적었기 때문으로 판단된다. 저장이나 유통 중 원예산 물의 수분 손실과 중량감모 발생은 상품성 저하로 인한 경 제적 피해를 수반한다(Lee et al., 2016). 배추 중량감모율 이 저장 중 약 10% 이상 발생하면 겉잎에서부터 심한 위 조 현상과 조직감 저하가 나타나기 때문에 김치 가공을 위 한 원재료 정선 공정에서 손실률은 높아진다(Bae et al., 2015).

저장 60일 후 대조구와 PUCA 처리구 고랭지 배추의 환 원당 함량은 19.43과 21.05 mg/g으로 각각 나타나 저장환 경에 따른 유의적(p<0.05) 차이가 확인되었다. 또한 대조구 월동 배추의 환원당 함량은 저장 초기 25.76 mg/g이었지만 저장기간이 증가함에 따라 유의적으로(p<0.05) 감소하여 저장 120일 후 20.07 mg/g을 보였다. 반면 저장 120일 후 PUCA 처리구 월동 배추의 환원당 함량은 23.30 mg/g으로 대조구 월동 배추와 비교하여 유의적으로(p<0.05) 높았다. Nei et al. (2006)의 보고에 따르면 저장 중 배추가 함유하 는 환원당은 호흡 기질로 소비되기 때문에 감소하며 호흡 속도는 온도와 기체 조성 등 저장환경에 영향을 받는다. 본 연구에서 저온 저장 중 배추의 호흡이 일반 대기 환경 에 비해 2% O₂와 5% CO₂ 조건에서 효과적으로 억제된 것으로 추론된다. 따라서 저온 저장고 내 PUCA 시스템 적용은 수확 후 배추의 중량감모 억제와 수분 및 환원당 함량 유지에 상승효과를 나타내 품질유지기한 연장의 가능 성이 확인되었다.

저장환경과 저장기간에 영향을 받는 배추의 품질 지표를 파악하기 위해 저장기간, 중량감모율, 수분 함량과 환원당 함량의 각 변수 간 상관관계를 분석한 결과는 Table 1에 나타냈다. 저온과 PUCA 저장한 고랭지 배추와 월동 배추 의 중량 감모율은 저장기간과 유의적인(p<0.001) 양의 상 관 관계를 보였다. 저온 저장한 고랭지 배추와 월동 배추 의 수분 함량과 환원당 함량은 저장기간과 유의적인 (p<0.05 또는 p<0.001) 음의 상관 관계를 각각 나타냈다. 또한 저온 및 PUCA 저장한 고랭지 배추의 환원당 함량과 수분 함량의 상관계수가 0.86과 0.72로 각각 나타나 유의 적으로 높은 상관관계가 확인되었다. 한편 PUCA 저장한 고랭지 배추와 월동 배추 경우 저장기간과 환원당 함량의 상관계수는 -0.20(p>0.05)과 -0.56(p<0.05)으로 각각 나타나 두 지표 간의 상관성은 저온 저장에 비해 낮았다. 또한 PUCA 저장한 월동 배추의 수분 함량과 저장기간의 상관 계수는 -0.21이었으며 상관계수의 통계적 유의성도 확인되 지 않았다(p>0.05). 이러한 결과는 PUCA 저장한 배추의 환원당 함량과 수분 함량이 저장기간이 경과되어도 저장 초기 수준을 거의 유지하였기 때문으로 판단된다.

저온과 PUCA 저장 시험으로부터 얻은 고랭지 배추와 월동 배추의 중량감모율, 수분 함량과 환원당 함량 데이터 를 선형 회귀분석 방법으로 도출한 배추 중량감모(저장기 간) 예측 회귀 모델은 Table 2에 나타내었다. 다중 선형 회귀분석 시 다중공선성이 존재하면 예측 모델의 회귀계수 분산 크기에 영향을 주며 모델의 적합성과 예측력은 감소 한다(Yi, 2015). 따라서 설명변수의 유의성 검증과 공선성 진단(collinearity diagnostics) 결과 p 값이 0.05 이상이거나 분산팽창인자(variance inflation factor) 값이 10 이상인 설 명변수는 각 예측 회귀 모델에서 제외하였다. 일반 저온과 PUCA 시스템에 저장한 고랭지 배추의 경우, 중량감모율과 환원당 함량 예측 모델은 저장기간과 수분 함량을 각각 설 명변수로 하는 단순 선형 회귀식으로 표현되었으며 수분 함량 예측 모델은 저장기간/환원당 함량 또는 중량감모율/ 환원당 함량을 설명변수로 하는 다중 선형 회귀식으로 제 시되었다. 한편 저온과 PUCA 시스템에 저장한 월동 배추 의 두 저장기간 예측 모델은 다중 선형 회귀식으로 표현되 었으나 두 모델의 설명변수는 각각 중량감모율/수분 함량/ 환원당 함량과 중량감모율/환원당 함량으로 다르게 나타났 다. 120일 저장기간 동안 유의적(p<0.05) 변화가 관찰되지 않은 PUCA 처리구 월동 배추의 수분 함량은 예측 모델에 서 제외하였다.

PUCA 시스템에 저장한 고랭지 배추와 월동 배추의 저 장기간, 중량감모율, 환원당 함량 및 수분 함량 변화에 대 한 실제 측정된 값과 각각의 회귀 모델을 사용하여 예측한 값 사이에 적합성 측정결과는 Table 3에 나타냈다. 일반 저온 및 PUCA 시스템에 저장한 고랭지 배추와 월동 배추 의 저장기간과 중량감모율 예측 모델 R²과 R²_adj은 0.94- 0.99 수준을 나타냈다. 저온 저장한 고랭지 배추의 수분 함 량 예측모델은 0.99의 R²_adj값과 0.12의 RMSE 값을 보임에 따라 높은 적합성이 입증되었다. 반면 저온 저장한 월동 배추의 환원당 함량 예측 모델과 PUCA 시스템에 저장한 월동 배추의 수분 함량 예측 모델의 R²_adj은 0.63과 0.42로 각각 나타났으며 이는 예측 모델식이 실측 데이터를 근접 하게 예측하기 어려운 것을 의미한다.

A_f와 B_f는 예측 모델의 정확도를 나타내는 지수로 실측 값과 예측 값이 일치하면 1이 된다(Kim et al., 2019). PUCA 시스템에 저장한 고랭지 배추의 중량감모율 예측 모델을 제외한 고랭지 배추와 월동 배추의 저장기간, 중량 감모율, 환원당 함량과 수분 함량 예측 모델의 A_f와 B_f는 0.88-1.26으로 이상적인 값인 1에 가까운 값을 보였다.