기계수확 시 발생한 충격이 양파(Allium cepa L.)의 저장성에 미치는 영향

경상남도 함양군의 자갈이 없는 논토양에서 재배된 ‘카타마루(Allium cepa L. var. Katamaru)’ 품종을 2021년 6월 17일에 수확하여 실험에 사용하였다.

수확 방법은 인력굴취 후 인력수집(Hand plucking + Manual collection, Ha+Ma), 기계굴취 후 인력수집(Digger + Manual collection, Di+Ma), 기계굴취 후 기계수집(Digger + Mechanical collection, Di+Me) 총 3가지였다(Fig. 1). 기계굴취는 신흥공업사의 양파 수확기 SH-1400WN 모델을 사용하였고(Fig. 1(B)), 굴취 속도는 0.5 m/sec, PTO(power take off)는 540, 엔진회전수는 1,500 rpm이었다. 기계수집은 컨베이어 방식의 Yanmar의 양파 수집기(HP101T, LC)로 수거하면서 뒤따르는 태광공업의 동력운반차(TK-600TLD)에 장착된 톤백에 수집(Fig. 1(E)) 후 20 kg 그물망에 옮겼다. 이때 본 연구의 기계 굴취, 수집 과정에서 최고 충격 높이는 약 0.5 m였다. 모든 처리구의 양파는 20 kg 그물망에 담아 실험실로 이동하였고 바람이 잘 통하고 그늘진 곳에서 4주간 예건하였다. 예건 후 0.5± 0.5°C, 65-95% RH 저온저장고에서 2021년 7월부터 2022년 3월까지 총 8.5개월간 저장하였다.

Fig. 1. The onion harvesting methods in this study. Hand plucking (A), mechanical digging (B), manual collection using meshes (C), mechanical collection consisting of picking up by conveyor belt (D) and gathering using ton bags (E).

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압상률(bruise, %)은 충격이나 하중을 받은 부분의 외관이 평편하게 되어 육안으로 관찰 가능한 것을 압상구로 취급하여 백분율로 나타내었다. 압상은 직경 2 cm 미만, 2-2.5 cm, 2.5 cm 초과로 구분하였고, 한 양파에 여러 압상이 발생하면 직경이 가장 큰 압상을 조사하였다. 총압상률은 직경 2 cm 이상의 압상이 발생한 양파의 백분율로 나타내었다. 상해율(wound, %)은 양파 인편에 상처가 발생한 것을 상해구로 취급하여 백분율로 나타내었다. 수확 방법당 20 kg 그물망 3망을 3반복하여 수확 직후 1번 조사하였다.

손실률(loss, %)은 부패 및 이상무름 증상 발생 양파의 백분율로 나타내었다. 부패율(decay, %)은 부패 양파의 백분율로 나타내었고, 이상무름 증상 발생률(translucent scale of onion bulb, %)은 3개 이상의 인편에서 이상무름이 진행된 것을 이상무름 증상 발생 양파로 판단하여 백분율로 나타내었다. 이상무름 증상은 바깥 인편에서부터 시작되어 내부로 진행되었다. 총손실률, 부패율 그리고 이상무름 증상 발생률은 처리당 총 14망을 조사하였다.

중량 감소율(weight loss, %)은 예건 후 및 저장 중 손실량을 수확 직후 중량에 대한 백분율로 나타내었다. 경도는 디지털 경도계(TRIPOD, GY-4, Hang-zhou, China)를 사용하여 양파의 적도 부위를 측정하였다. 양파의 외피를 제거하고 직경 8 mm의 탐침으로 10 mm까지 측정하여 최고값으로 나타내었다. 가용성 고형물 함량(soluble solid contents, SSC)은 당도계(PAL-1, Atago, Tokyo, Japan)를 사용하여 양파의 2, 3번째 인편을 착즙하여 측정하였다. 중량 감소율은 수확 방법당 20 kg 그물망을 3반복하였다. 경도, 가용성 고형물 함량은 수확 방법당 양파 9구를 3반복하였다. 품질 조사는 예건 후 1번, 저장 8.5개월 동안 약 3개월 간격으로 수행하였다.

호흡속도는 예건 후 및 0.5°C 저온 저장 중인 양파를 25±0.5°C에서 equilibration 후 1.2 L 용기에 넣어 25°C에서 1시간 둔 후 용기의 기체를 취하여 thermal conductivity detector(TCD)가 장착된 gas chromatograpy(Clarus 500 GC, PerkinElmer, Waltham, MA, USA)로 이산화탄소 농도를 측정하여 구하였다. CTR1 column을 사용하였고 carrier gas로 42 mL/min 속도의 헬륨이 사용되었다. Injector와 column의 온도는 60°C였고 detector의 온도는 150°C로 유지되었다. 호흡속도는 수확 방법당 양파 9구를 3반복하여 예건 후 1번, 저장 8.5개월 동안 약 3개월 간격으로 조사하였다.

실험 결과의 통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.4, SAS Institute Inc., USA)을 이용하여 품질 및 호흡속도는 이원분산분석(two-way ANOVA)을 실시하였고 나머지 항목에서는 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였다. 품질 및 수확 방법에 의한 평균값의 통계적 유의성은 Duncan’s multiple range test를 이용하여 p<0.05 수준에서 검정하였다.

신흥공업사의 양파 수확기 SH-1400WN 모델을 사용하여 굴취 후 인력 수집하였고 나머지는 앞 실험과 동일하였다.

실험에서 목표로 하는 충격 높이(Table 1)를 각도(θ_i)로 환산하여 pendulum 방식(Fig. 2)으로 충격처리하였다. 충격 높이는 양파 기계 수확 과정에서 발생하는 충격들을 사전 조사하여 설정하였다(Table 2). 아래는 각도 환산 시 사용한 공식으로 에너지보존법칙을 따랐다(Fu 등, 2020).

Fig. 2. A simple schematic presentation of pendulum-type impact test device used in this study. The tip of the pendulum arm is connected to a vacuum device with a light hose, allowing the onion to attach to the other side of the pendulum arm.

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h는 설정 충격 높이, m_p는 pendulum의 무게, m은 양파의 무게, g은 중력 가속도, l_p는 pendulum 팔의 길이, cos θ_i는 수직축에 대한 충격 전 각도, cos θ_f는 양파-양파 간 충돌 후 수직축에 대한 pendulum의 각도이다. cos θ_f는 사전 실험에서 평균값을 구해 대입하였다.

충격에너지는 실험 시료의 평균 중량인 350 g 양파를 기준으로 설정 충격 높이에서 양파를 아래에 정지해있는 양파로 낙하시켰을 때 충격으로 양파가 흡수한 에너지이다. 충격에너지 공식은 아래와 같다(Fu 등, 2020; Opara 등, 2007).

E는 충격에너지, m은 양파 무게, g은 중력 가속도, h는 설정 충격 높이이다.

충격처리 후 바람이 잘 통하고 그늘진 곳에서 17-20일 예건 후 0.5±0.5°C, 65-95% RH 저온저장고에서 2021년 7월부터 2022년 3월까지 총 8.5개월간 저장하였다.

손실률과 중량 감소율은 처리당 3반복하였고 경도, 가용성 고형물 함량은 처리당 3구를 3반복하였다. 그리고 충격의 강도에 따른 처리는 저장 전(예건 후) 1번, 저장 8.5개월 동안 약 2.5개월 간격으로 3번 총 4번 조사하였고, 충격의 횟수와 위치에 따른 처리는 저장 전, 저장 8개월 총 2번 조사하였다. 나머지는 앞 실험과 동일하였다.

앞 실험과 동일하였다.

수확 직후 조사한 양파의 압상은 크기가 다양했다. 직경 2 cm 미만의 압상은 약 53-67%, 직경 2-2.5 cm는 약 30%, 직경 2.5 cm 초과는 약 5-12% 발생하였으며, 최대 압상은 직경이 약 4 cm였다(Table 3). 직경에 따른 압상률은 수확 방법 간 유의한 차이가 없었지만, 인력으로만 수확했을 때보다 기계를 이용해서 수확했을 때 직경 2 cm 이상의 압상이 더 많이 관찰되었다. 이는 양파 인력 굴취보다 기계 굴취, 수집 과정에서 압상이 추가적으로 발생한 것으로 보인다.

수확 직후 직경 2 cm 이상의 압상을 조사한 압상률은 수확 방법 간 유의한 차이가 없었지만 인력굴취 후 인력수집 33.5%, 기계굴취 후 인력수집 40.9% 그리고 기계굴취 후 기계수집 46.5%로 모든 수확 방법에서 30%를 넘었다(Table 3). 이는 양파가 굴취, 수집, 수송을 거치면서 압상이 많이 발생되는 것으로 보인다.

상해율은 수확 방법 간 유의한 차이가 없었다(Fig. 3). 본 연구는 자갈이 없는 논토양에서 재배된 양파를 기계 수확하였는데, 만약 자갈이 함유된 토양에서 기계로 수확할 때에는 상해가 더 많이 발생될 수 있을 것으로 추측된다. 굴취 속도 0.5 m/sec, PTO(power take off) 540, 엔진회전수 1,500 rpm의 본 연구 조건에서 상해율은 5-8%였다. 본 연구에 사용된 양파 굴취기와 유사한 굴취기를 사용한 연구(Choi 등, 2021)에서 0.67 m/sec 속도로 작업했을 때 손상률(상해율)은 1.02%로 낮았는데, PTO 및 엔진회전수와 조사 시 손상의 기준이 제시되어 있지 않아 정확한 비교는 어렵다. 하지만 두 연구를 통해 볼 때 기계굴취로 인해 발생되는 손상은 상당히 적은 것으로 나타났다. 그리고 자주식 양파수확기로 굴취 및 수집 시 손상률은 엔진회전수가 1,800 rpm에서는 각각 8-10%, 6.7-7.8%였고 1,800 rpm 이하에서는 각각 4%, 4.5% 이하로 엔진회전수가 높을수록 양파의 손상률이 증가된다고 하였다(Jin 등, 2015). 이 또한 기계의 운전조건이 손상률에 상당한 영향을 미치고 있는 것을 보여주는 자료로 생각된다.

Fig. 3. Wound of onion according to harvesting methods immediately after harvest. Abbreviations are; Ha+Ma, hand plucking followed by manual collection; Di+Ma, using digger followed by manual collection; Di+Me, using digger followed by mechanical collection. NS indicates not significant between the means of the harvest methods at p>0.05. Data are means±SE (n×9).

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저장 8.5개월 동안 발생한 총손실률은 인력굴취 후 인력수집 5.8%, 기계굴취 후 인력수집 8.0%, 그리고 기계굴취 후 기계수집 8.5%로, 기계를 이용해 수확했을 때가 인력만으로 수확했을 때보다 손실률이 높았지만, 수확 방법에 따른 유의한 차이는 없었다(Table 4).

손실의 대부분은 부패였고 부패율은 약 4-7%로 수확 방법에 따른 유의한 차이가 없었다(Table 4). 부패는 대부분 재배 중 감염에 의한 것으로 판단되었고 저장 5.5개월인 1월부터 저장 8.5개월인 3월까지 많이 발생하였다. 본 실험에서는 양파의 대표적인 저장 병해인 마른썩음병과 무름병이 주로 나타났다. 이러한 저장 병해는 대부분 재배 중 감염되어 저장 중 발병조건에 이르면 발병하게 된다(Cho 등, 2010). 그리고 모든 수확 방법에서 저장 전 압상률이 30%를 넘겼지만(Table 3), 저장 중 압상 부위로부터 시작된 부패는 없었다. 그리고 인력 또는 자주식 양파수확기로 수확한 양파를 상온에서 3개월 저장했을 때 처리 간 부패율은 유사하였다(Jin 등, 2015). 따라서 본 연구의 기계 굴취 및 기계 수집 과정에서 받은 충격 정도는 양파의 부패율에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

이상무름 증상 발생 양파는 저장 8.5개월인 3월 조사에서 관찰되었다. 이상무름 증상은 저장 중 발생하는 생리장해로 양파의 겉 인편 2-3매에서 갈변 및 무름 증상이 나타나는 생리장해로 알려져 있다(RDA, 2021). 양파의 인편이 불투명한 정상 인편과 다르게 반투명하고 수침상(water-soaked)으로 보여 동해와 구별이 어렵고 이취가 없다(Crête 등, 1981; Solberg, 2015). 이상무름 증상은 수확 및 건조 시 양파 구 내의 CO₂ 농도가 높으면 저장 중 발생되는 것으로 알려져 있는데(Hoftun, 1993; RDA, 2021; Solberg, 2015), 양파에 충격이 가해지면 구 내의 CO₂ 농도가 증가하면서 장기저장 시 이상 무름이 발생할 수 있어 본 연구에서 중요하게 보았다. 이상무름 증상 발생률은 약 1-2.5%로 수확 방법에 따른 유의한 차이가 없었다(Table 4).

경도, 가용성 고형물 함량, 호흡속도는 저장 8.5개월까지 수확 방법 간에 유의한 차이가 나타나지 않았다. 중량감소율은 저장 5.5개월 조사에서 수확 방법 간 유의한 차이가 있었지만 그 차이가 적었다(Fig. 4). 저장 기간이 경과하면서 모든 수확 방법에서 경도, 가용성 고형물 함량 그리고 중량은 감소하였고 호흡속도는 증가하였다(Fig. 4). 이는 선행연구 결과와 동일한 경향이었다(Kwon 등, 1999; Petropoulos 등, 2017; Rabinowitch와 Brewster, 1990; Ward, 1976). 경도는 저장 전과 비교해 저장 후 다소 감소하였지만, 저장 이후에는 감소율이 낮았다(Fig. 4). 가용성 고형물 함량은 저장 2.5개월인 9월 말까지는 저장 전과 유사하였지만, 저장 기간이 경과하면서 감소하였다. 호흡속도는 저장 기간이 경과하면서 3.7 mgCO₂/kg/h에서 36.0 mgCO₂/kg/h까지 증가하였다.

Fig. 4. Changes in firmness (A), soluble solid contents (B) and respiration rate (C) of onion according to harvesting methods during storage. Data are means±SE (n×27). Changes in weight loss (D) of onion during storage. Data are means±SE (n×3). Small letters on the figure indicate mean separation significance at p<0.05 by Duncan’s multiple range test. Values sharing the same letter are not significant different. NS indicates not significant.

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