서 론
오늘 날 부문별한 발전으로 인해 전 세계적으로 심각한 기후변화를 겪고 있다. 한국기상청의 한국 기후변화 평가 보고서 2020년에 따르면 미래 한반도 연평균 기온은 21세 기 말 4 °C 이상 상승할 가능성이 있는 것으로 전망하고 있다(KMA, 2020). 이러한 이상 기상의 발생은 안정적인 농업 생산을 저해하고 기온 상승은 작물의 재배적지의 북 상을 초래한다(KCPA, 2007). 유엔식량농업기구(FAO)는 2050년 세계 인구가 97억 명에 달할 것으로 전망하며 현 재의 추세대로 식량을 소비하면 2050년 지구 인류의 식량 필요량이 1.7배가 될 것으로 전망하고 있다. 하지만, 지구 온난화와 같은 기후변화로 인해 작물 수확량의 감소와 더 불어 생산면적도 감소할 것을 전망하고 있다(Alexandratos & Bruinsma, 2012). 이렇듯 기후변화로 인해 안정적인 식 량공급 불안을 해소하기 위해서는 기온이 상승함에도 불구 하고 생산량과 재배적지의 확대가 가능한 작물에 대해 관 심을 가질 필요가 있다.
이러한 점에서 열대, 아열대 및 온대지역 등 광범위한 위도에서 재배되고 있는 고구마(Ipomoea batatas L., sweet potato)는 현재 전 세계적으로 발생하고 있는 기후변화의 적극적인 대안 작물로 여겨진다. 고구마는 메꽃과에 속하 는 다년생 작물로서 약 75% 이상이 아시아 지역에서 생산 되고 있다(Kim et al., 2018). 고구마는 전분을 많이 함유 하고 있는 작물들 중 단위면적당 가장 탄수화물을 많이 생 산하는 작물로 여겨질 뿐만 아니라 다른 작물에 비해 병충 해에 대한 저항력이 크고 좋지 못한 토지환경에서도 재배 가 용이하기 때문에 적극적인 대안 작물로 여겨진다(Ziska et al., 2009). 또한 비타민, 무기질 및 기타 많은 영양소들 이 적절한 비율로 함유하고 있어 식품으로서 영양적 가치 가 높다(Ra et al., 2018;Kim et al., 2019b). 이에 따라 경제적 상황이 좋아지고 식생활 수준이 향상됨에 따라 소 비자들은 건강에 대한 관심이 높아지면서 고구마가 건강식 품으로 여겨지고 있다. 따라서 본 논문에서는 고구마의 식 품으로서 영양적 가치, 국내에서 생산현황 및 재배법, 산업 적 가치에 대해서 논하고자 한다.
고구마의 성분을 살펴보면, 건조물 기준 75-90%의 높은 탄수화물 함량을 지니고 있고 대부분이 전분이지만 자당, 포도당, 과당 등의 당들을 함유하고 있어 높은 열량을 나타 내는 고칼로리 식품으로 쌀, 보리, 밀 등 곡류와 함께 주요 식량자원으로 여겨지고 있다(Kim et al., 2019b). 그러나, 고구마는 높은 탄수화물 함량에 비해 최대 약 17%까지 식 이섬유를 함유하고 있어 혈당부하지수(glycemic load, GL) 가 현저히 낮다(Ra et al., 2018;Kim et al., 2019a) (Table 1). GL은 혈당지수(glycemic index, GI)의 결점을 보완하기 위해 만들어진 것으로 특정 식품을 섭취할 경우 얼마나 빠 른 속도로 소화되어 혈당 농도를 증가시키는지 나타내는 GI에 1회 섭취분량에 함유된 탄수화물 양을 반영한 값이다 (Kim et al., 2019a). 예를 들어 고구마의 GI은 70.8로 쌀밥 및 국수의 GI가 69.9 및 49.0으로 높지만, 1회 섭취량이 적 고 이에 포함된 탄수화물 고려했을 때, GL이 15.5로 쌀밥 및 국수의 GL인 51.2 및 33.5 고구마보다 현저히 낮다 (Table 1). 이러한 이유 때문에 최근 건강을 중요시하는 소 비자들에게 다이어트 식품으로 여겨지고 있다.
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고구마의 가장 큰 영양학적 가치로는 vitamin C, polyphenol, β-carotene 및 anthocyanin 등과 같은 천연 항 산화물질들이 풍부하게 함유하고 있다(Yamakawa & Yoshimoto, 2002). 특히 유색고구마 중 고구마의 육질의 색이 오렌지색을 띠는 주황색고구마는 β-carotene 함량이 매우 높아 항산화효과 뿐만 아니라, 항암효과, 심혈관계질 병 예방, 백내장 예방 및 스트레스 예방 등의 훌륭한 기능 성 소재이다(Teow et al., 2007). 또한, 다른 유색고구마 중 자색고구마는 전체가 진한 자색을 띠고 있는데, 이것은 수 용성 색소인 anthocyanin을 다량 함유하고 있기 때문이다. Anthocyanin은 강력한 천연 항산화 물질로서 피부미용과 노 화방지 효과가 탁월하다(Shi et al., 1992). 뿐만 아니라, 발 효 자색고구마에 추출한 anthocyanin의 시력보호 효과를 살 펴보기 위해 VDT (visual display terminal) 증후군의 개선 효과와 시력보호 효과에 대한 실험 결과, anthocyanin을 복 용한 대조구에서 VDT를 실시한 후, 굴절이상 값의 증가를 억제하고 비우위안보다 우위안에서 시력을 보호하는 결과를 나타냈다(Seo & Ryu, 2012). 고구마는 무기질 중 칼륨함량 이 높아 우리 몸에서 나트륨 배설을 도와 고혈압 예방 및 완화에 도움을 줄 수 있다(Kim et al., 2019b). 보통 고구마 를 재배하고 이용할 때는 고구마의 뿌리만 이용하지만, 고 구마의 잎 역시 다른 녹색 채소보다 polyphenol 함량이 높 아 식중독 균에 대해 항균활성 및 항돌연변이원성 효과를 나타낸다고 보고되었다(Yamakawa & Yoshimoto, 2002).
국내 고구마 생산량을 살펴보면 1990년 43만톤에서 2000년 34만톤, 2010년 30만톤으로 생산량이 지속적으로 감소하였고, 2020년 33만톤을 생산되고 있다(Fig. 1). 단위 면적당 고구마의 생산량은 85년 이후 식용고구마의 재배가 확대되면서 1990년대 약 20 ton/ha 수준에 비해 감소하였 지만, 2020년 약 15 ton/ha 수준으로 높은 생산량을 유지하 고 있다(Fig. 1). 국내 고구마 생산량은 2000년 이후 대부 분 30만톤 이상 수준을 유지하고 있으나 농촌의 단위면적 당 생산량이 감소된 것으로 나타났다. 단위면적당 생산량 의 감소는 국내 고구마가 식용 위주의 소비로 인한 중·소 형 크기의 고구마 생산을 위한 재배와 연작, 병해충에 감 수성인 품종의 재배 등이 주용 원인인 것으로 고려된다 (Lee et al., 2020).
국내 지역별 고구마 생산량을 살펴보면, 시도별 고구마 생산량은 2000년에는 광주를 포함한 전남이 83,609톤 (24.2%)으로 전국에서 가장 비중이 높았고 서울, 인천을 포함한 경기도가 82,340톤(23.9%), 경남 53,493톤(15.5%), 전북 35,840톤(10.4%) 순서로 높은 생산량을 보였다(Table 2). 2020년 시도별 고구마 생산량은 전남 98,782톤(29.9%), 전북 59,804톤(18.1%), 경기 59,600톤(18.1%), 충남 42,262 톤(12.8%) 등 4개도에서 260,448톤을 생산하여 전체 생산 량 329,927톤의 78.9%를 차지하고, 그 외 경북, 경남, 충 북 순으로 생산하고 있다.
고구마는 건조에 비교적 강한 특성을 가지고 있으며, 토 성, 경사도, 지하수위의 위치 등에 크게 영향을 받지 않고 재배가 가능하나, 생육시기에 따른 수분 영향은 매우 크다. 생육기간 중 많은 강우는 줄기도장과 비대감소를 유발하며, 수확기때 강우가 많으면 품질을 저하시키고 저장력이 약해 진다(Shim et al., 2021). 고구마는 생육적온이 높고, 생육 기간이 긴 작물로 생육온도의 범위는 15-38 °C이다(RDA, 2007). 묘를 심은 후 일조가 부족하면 덩이뿌리 형성을 지 연시키고, 생육기 일조부족은 광합성 감소로 줄기와 잎수 량은 증가되나 생산량은 크게 감소된다(Shim et al., 2021). 싹이 트는 기간의 토양온도는 30-33 °C로 유지하고, 싹이 튼 뒤에는 23-25 °C 정도를 유지하는 것이 좋다(RDA, 2007). 이 시기에 수분이 부족하면 생육이 나쁘고 싹이 굳 어지기 쉬우며, 너무 많으면 상토의 온도가 내려가거나 묘 상의 습도가 높아져 웃자라기 쉽다. 일조가 부족하면 싹은 웃자라기 쉽고 너무 많으면 굳어지기 쉬우므로 어느 정도 의 햇빛, 특히 자외선 쬠이 충분해야 싹이 튼튼하게 자란 다. 묘상에서는 밭에서와 달리 질소분이 넉넉해야 좋은 싹 을 기를 수 있고, 칼리도 충분해야 싹이 튼튼하고 싱싱하 게 자랄 수 있다. 질소가 부족하면 싹의 생육이 나쁘고 삽 식 후 덩이뿌리 생육이 좋지 않다(Shim et al., 2021). 퇴 비는 잘 부숙된 것을 m2당 10-15 kg 정도 전면 살포하여, 15-20 cm의 깊이로 갈아 넣고 잘 섞어준다(RDA, 2007). 생육밀도는 싱싱하고 튼튼한 싹을 키우기 위해서는 씨고구 마가 묻히는 넓이의 두 배 정도 되는 묘상면적이 알맞으며, 일반묘상에서 1회 약 3.3m2 (1평) 당 약 2,500-3,000 본의 싹이 생산된다(Shim et al., 2021). 고구마 전 생육기를 살 펴보면, 씨고구마를 묘상에 묻은 후 싹을 자를 때까지 기 간으로 품종 및 재배방법에 따라 40-50일 정도 소요된다 (Huett et al., 1976;Hahn & Hozyo, 1984;Nair et al., 1986). 싹이 나오는 초기에는 씨고구마의 양분만으로 자라 나, 잎과 줄기가 자라기 시작하면 흡수하는 양분과 동화작 용으로 생산된 동화물질을 이용해서 자란다. 활착기는 삽 식 후 뿌리가 내리기까지의 기간으로 보통 10-15일이다. 이 시기에는 외부 온도가 높고, 토양수분이 충분하면 활착 이 잘된다. 채묘 후, 즉시 삽식하는 것보다 밤 고구마 계 열은 3-5일 정도 음지에 두어 삽식하면 활착률이 높아진다. 괴근형성기는 삽식 후 40-50일 까지의 기간이며, 이때 괴 근(덩이뿌리) 수가 결정되고 이후 비대가 이루어진다. 괴근 중 증가 최성기는 8월 상순-9월 하순까지 괴근중이 가장 왕성하게 증가한다. 괴근 증가는 단일조건에 접어들면서 밤낮의 일교차가 커지면서 증가하고 9월 이후에 최고에 달 한다(Shim et al., 2021).
국내 소비자는 고구마를 간식용으로 찌거나 구워서 바로 섭취하는 형태를 취하고 있기 때문에 소형고구마(50-200 g) 에 대한 선호도가 높다. 이러한 소비자 선호 특성이 고구 마의 생산에 영향을 미친다. 농가에서는 소비자의 선호도 가 높은 소형고구마를 생산하기 위하여 토양진압재배와 밀 식재배를 주로 하므로 생산비가 더 들고 수확량 감소의 원 인이 되고 있다(Yi et al., 2007;Lee et al., 2015). 그로 인 해, 국내 고구마 단위면적당 평균 생산량은 1980-1990년대 에 20.00 ton/ha 이상이었으나, 2020년에는 14.82로 25%가 감소하였다(KOSIS, 2022). 국내에서 신선식품으로서 고구 마의 소비가 높은데, 소비자가 선호하는 크기와 상처가 없 는 고품질의 상품을 생산하기 위해서는 인력 요구도가 높 고 또한 기계화 수준이 낮아서 대규모 재배에서도 재배 전 문화에 따른 이익은 나타나지만 규모의 경제성은 나타나지 않는 분야이다(Kim & Song, 1996). 따라서 현재 시장 상 황에서 고구마의 생산을 증대시키기 위해서는 고품질 고구 마 생산을 위한 기계화와 농가의 소득 향상을 함께 고려하 여야 할 것이다. 뿐만 아니라, 고구마를 이용한 가공산업 발전 및 고부가화를 통해 농가에서 고구마 생산의 필요성 을 인식하여야 할 것이다.
고구마는 영양가가 풍부하고 탄수화물 함량이 높아서 주 로 식품산업에 많은 응용이 이루어지고 있지만, 고구마 전 분 및 색소 등을 이용한 다양한 산업에서도 활용을 모색하 고 있다(Fig. 2).
소비자들은 고구마를 집에서 주로 간식용으로 간편하게 찌거나 구운 형태로 이용하고 있다. 그러나, 오늘날 소비자 들은 건강을 중요시하기 때문에 고열량이면서도 영양가가 높은 고구마를 섭취하는 비율이 높아지고 있다. 생고구마 는 일반적으로 수분함량이 70%로 매우 높기 때문에 찌거 나 구운 형태로 가지고 다니기에 부피가 크고 무게가 무겁 다(Lee et al., 1999). 또한 전분함량이 높아 미생물에도 취 약하기 때문에 이를 보완하기위해 다양한 형태로 고구마를 가공하려는 연구가 시도되고 있다. 국내에서 가장 많이 이 용되는 식품가공형태는 원물 간식 형태이다(Fig. 3). 원물 간식이란 다른 재료를 첨가하지 않고 고구마를 그대로 말 리거나 튀긴 형태를 말한다. 이러한 가공형태는 웰빙 트렌 드에 새롭게 나타나 식품군으로 식품공전에도 별도의 정의 나 분류가 되어 있지 않다. 우리나라에서는 원물 간식이 신생 식품군에 속하지만, 외국에서는 오래전부터 관련 시 장이 발달하여 크게 형성되어 있다. 고구마 원물 함량이 높을수록 포만감을 주어 식사대용 및 간식으로 간편하게 섭취할 수 있기 때문에 오늘날 소지바에게 선호도가 높다. 또한, 이러한 형태는 별다른 첨가물을 첨가하지 않거나 적 기 때문에 오늘날 식품첨가물을 기피하는 소비자에게 어필 이 되며, 고구마의 맛, 풍미, 영양가를 최대한 느낄 수 있 다는 장점이 있다. 또한 가공공정이 짧기 때문에 가공업체 가 쉽게 접근할 수 있다. 국내에서는 대표적으로 이마트의 노브랜드, 청정원 및 동원산업을 비롯하여 다양한 가공업 체가 이러한 원물 간식의 형태로 다양한 제품을 선보이고 있다(Fig. 3).
고구마는 전분 함량이 높기 때문에 이를 이용한 식품가 공산업이 많이 발전하고 있다(Fig. 2). 고구마 전분을 이용 한 국내산업에서의 2000년 이후 최근 연구동향을 살펴보 면, 고구마 전분을 가공산업에 이용하기 위해 다각적인 방 법을 통해 그것의 물리화학적 변형을 꾀하는 연구들이 많 이 수행되어 왔다(Table 3). 그 예를 살펴보면 acetylation 의 정도에 따른 전분의 물리화학적 특성 변화(Yoo & Lee, 2011) 및 설탕(Cho & Yoo, 2008), 또는 다른 검류들(Choi & Yoo, 2009)에 의한 전분의 물리화학적 특성의 시너지효 과, pH에 따른 전분 특성 변화(Choi et al., 2000) 등이 함 께 이용되었을 때 물리화학적 특성에 대한 연구들이 많이 진행되어왔다. 또한, 고구마 전분을 다양한 가공식품을 개 발하기 위한 연구들이 이루어졌는데, 그 예를 살펴보면 앙 카케 소스(Lee, 2022), 당면(Lee & Chung, 2022) 및 백설기 (Lee & Kim, 2010) 등의 가공 특성들을 검토하였다.
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뿐만 아니라, 고구마 전분는 gluten이 존재하지 않는다. Gluten은 밀의 대표적인 단백질로서 간혹 어떤 사람에게 알러지와 아토피를 유발하는 경우가 있어 오늘날 glutenfree 제품을 찾는 소비자를 위해 고구만 전분을 이용하여 빵, 비스킷, 쿠키, 머핀, 팬케이크 등 다양한 형태로 제과 및 제빵에 이용된다. 특히, 감자칩과 유사한 형태로 고구마 칩 또는 고구마 스낵이 건강을 중시하는 소비자들에게 많 은 인기를 얻고 있다. 그 이외에도 고구마 전분을 분해하 여 포도당을 만들고 이를 효소전환을 통해 high fructose syrup (Dominque et al., 2013)을 생산하는 연구 및 당을 이용한 막걸리(Cheon et al., 2013), 소주(Park et al., 2010), 맥주(Yang et al., 2017) 등의 주류 및 발효식초 (Lee, 2014) 등 다양한 발효식품들이 많이 개발되고 있다.
고구마의 전분을 이용하여 다양한 산업적 소재로 응용할 수 있다(Fig. 2). 오늘날 무분별한 플라스틱의 사용으로 전 세계적으로 환경오염이 심각해지고 있는데 이러한 문제점 을 해결하기 위한 방안으로 생분해가능한 플라스틱을 생산 하거나 석유기반 자원이 아닌 재생가능한 바이오매스를 이 용해서 플라스틱을 생산하는 것이 주목받고 있다(Rhodes, 2018). 이러한 노력의 일환으로 식물 유래 대표적인 탄수 화물인 전분은 다양한 변성을 통해서 필름이나 캡슐 등의 제형화를 할 수 있다. 그 예로 다양한 품종의 고구마 전분 의 호화온도 및 점도 특성을 살펴보고 가소제인 glycerin을 첨가하여 가식성 필름을 제조한 연구를 비롯하여(Lee & Rhim, 2000), 고구마, 녹두, 물밤 전분을 hydroxypropyl 화 하여 생분해필름 및 의약용 경질 캡슐을 제조하였다 (Bae et al., 2008). 이렇게 고구마 전분을 이용하여 hydroxypropylation 가교결합을 통한 생분해필름을 제조하 기 위한 연구들은 최근 해외에서도 이루어지고 있는 만큼 산업적 소재 개발에 많은 노력을 기하고 있다(Saman & Yuliasih, 2020). 또한 이전에는 바이오매스로서 고구마 전 분으로부터 얻은 당을 이용하여 발효를 통해서 산업적인 알코올(Zhang et al., 2011), 젖산(Panda et al., 2007), 아세 톤, 부탄올 등의 바이오 기반 화학물질들을 생산하기 위한 연구도 이루어졌으나, 식량을 이용한다는 윤리적인 문제 등을 이유로 이와 관련 연구들은 비식용 작물로부터 섬유 소계 바이오매스를 이용하는 것으로 바뀌었다(Kotecha & Kadam, 1998).
고구마를 이용하여 다양한 기능성 소재들을 개발하는 연 구동향을 살펴보면, 생물공학기법을 통해 고구마로부터 소 화가 느린 전분을 생성하는 연구를 들 수 있다. Branching enzyme 및 amylosucrase 등 전분을 가수분해 및 변형시킬 수 있는 효소들을 이용하여 고구마 전분의 아밀로스 길이 신장, 아밀로펙틴의 가지 분포 변형 또는 가지 제거 등을 통해 잠재적으로 혈당 조절능이 있는 고부가가치기능성 소 재를 개발하고자 하였다(Jo et al., 2016). 뿐만 아니라, 자 색고구마의 색소 성분인 anthocyanin을 이용한 천연 색소 및 기능성 화장품 소재 개발(Choi et al., 2011)을 함으로써 다양한 방면으로 기능성 소재들을 개발하고자 하였다.
그 뿐만 아니라, 고구마의 우수한 영양적 특성을 이용하 여 반려동물의 식이에도 많은 적용이 이루어지고 있으며 (Boyette & Macialek, 2012), 미국에서는 저품질의 고구마 는 가축의 사료로도 이용이 가능하다.
요 약
무분별한 탄소배출로 인해 지구온난화와 같은 기후변화 문제가 전세계적으로 심각해지고 있다. 이로 인해 작물들 의 재배면적 및 생산량이 감소할 것으로 예측되고 있어 이 에 대응할 수 있는 식량작물로서 고구마의 중요성이 대두 되고 있다. 고구마는 상대적으로 다른 작물에 비해 토양이 비옥하지 못함에도 불구하고 잘 자라며, 단위면적 생산 당 탄수화물이 높은 작물이다. 또한, 다양한 항산화 효과를 비 롯한 기능성들을 나타내고 있어 영양학적으로 우수하다. 고구마의 전분은 가공특성이 우수하여 다양한 가공식품에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 필름 및 캡슐 등과 같은 생 분해 바이오플라스틱에 적용하거나, 그것의 항산화 등의 기능성을 내세워 화장품 소재 및 기능성식품소재, 펫푸드 등의 다양한 산업으로의 적용이 가능하다. 따라서, 오늘날 기후변화에 대응하기 위한 작물로서 고구마의 가치를 제고 할 필요가 있을 것이다.
