Controlled atmosphere 저장 시스템을 이용한 기체조성 변화가 조생 ‘후지’사과의 저장 중 품질 및 내부장해 발생에 미치는 영향

본 실험에서 사용한 조생 ‘후지’ 사과(Malus pumila)는 2014년 9월 중순에 경북 문경에 위치한 농가에서 수확한 제품으로 250~300 g의 크기가 균일한 사과 중 외관이 건전하고 착색이 고른 사과를 선별하여 시료로 사용하였다.

본 연구에서 개발한 CA 저온 저장시스템의 구조 및 제원은 Fig. 1에 나타냈다. 저온 저장시스템의 크기는 3,000 mm(L)×1,500 mm(W)×1,500 mm(H)와 저장고 내부에 기밀챔버 10개가 설치되도록 설계하였다. 챔버는 스테인리스 강판을 사용하여 550 mm(L)×593 mm(W)×586 mm(H)의 크기와 약 190 L의 내부용량으로 제작하였다. 챔버 앞면은 투명한 아크릴 판을 사용하였고 볼트로 압착하여 기밀을 유지할 수 있도록 하였으며 챔버 안에는 온도, 습도, 이산화탄소 및 산소 농도를 측정할 수 있는 정밀센서를 부착하였다. Negative temperature coefficient(NTC) 방식의 온도 및 습도 센서(UE-H100, USEEM Instruments Inc., Suwon, Korea)의 정밀도는 각각 ±0.15℃와 ±0.50% RH이다. 비분산 적외선 방식의 이산화탄소 센서(IRSSX-E, SST Sensing Ltd., Scotland, UK)와 zirconium oxide 방식의 산소 센서(O2S-FR-T2- 18BM-C-010V, SST Sensing Ltd., Scotland, UK)의 정밀도는 각각 ±0.10%와 ±0.20%이다. 저장시스템 외부에 설치한 순수 CO₂, O₂ 및 N₂ 가스공급 장치와 가스혼합기(MAP MIX 9001 ME, PBI Dansensor Co., Ringsted, Denmark)를 이용하여 챔버 별 설정한 CA 조건 농도로 혼합하여 직경 16 mm 에어호스와 에어펌프를 통해 혼합된 가스를 주입시키고 각 챔버에 밸브를 설치하여 혼합된 가스의 주입량을 조절할 수 있도록 설계하였다. 챔버의 상부에 설치된 환기팬을 작동시켜 주입된 가스를 순환시켰다. 또한 저장 중 발생하는 에틸렌을 흡착 제거를 위해 규조토 입자에 충진된 KMnO4을 20 g을 반투막 필름에 넣고 각 챔버에 삽입시켰다. 챔버의 습도는 Fig. 2와 같이 챔버 내 공기를 실리카겔(silica gel) 필터로 수분을 제거할 수 있는 장치를 제작하여 조절하였다. 습도제어 장치는 진공펌프, 습도센서, 제습유닛과 바이패스 라인으로 구성되어 있다. 3방향 솔레노이드 밸브는 진공펌프로부터 출력되는 공기의 습도가 높을 때는 제습유닛의 실리카겔 필터로 통과하여 수분이 제거되고 설정된 습도에 도달하게 되면 공기가 실리카겔 필터를 통과하지 않고 바이패스 라인으로 우회하도록 장치를 설계하였다.

Fig. 1. Schematic views (a, b) and photos (c, d) of CA low temperature storage system (a, c) and gas control chamber (b, d).

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선별된 시료를 HDPE 박스(520×360×320 mm)에 옮긴 후 Table 1과 같은 저장방법 및 조건으로 실험을 실시하였다. 챔버 1, 2와 3의 CA 저장조건은 1% CO₂+2% O₂로 설정하고 60, 80과 95% RH로 각각 상대습도를 조절하였다. 챔버 4, 5와 6은 2% O₂와 95% RH로 설정하고 CO₂를 3, 4와 5%로 각각 농도를 조절하여 다른 CA 저장조건으로 모의하였다. 챔버 7은 1% CO₂와 95% RH로 설정하고 O₂를 0.5%로 조절하였으며 챔버 8은 관행적인 저온 저장환경으로 조성하여 대조구로 하였다.

CO₂와 O₂농도 및 습도가 각기 다른 챔버에 저장된 조생 ‘후지’ 사과의 70일 저장 후 경도, 적정산도, 가용성고형물 함량, 중량감소율을 분석하였다. 사과 과육의 경도를 측정하기 위해 texture analyzer(TA-XT2, Stable Micro System Ltd., Surrey, UK)를 사용하여 penetration test를 행하였다.

Fig. 2. Device used to control humidity in the chamber .

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지름 5 mm puncture probe를 사용하였으며 test speed 2 mm/s 속도와 10 mm 깊이로 과육을 통과시킬 때 얻어지는 최대값을 측정하였다. 측정 횟수는 각 시료 당 10개를 선발하여 5회 반복한 다음 평균값을 구하여 Newton(N)으로 나타내었다. 적정산도를 측정하기 위해 시료 20 g과 증류수 180 mL를 혼합한 뒤 균질화 하였다. 균질된 시료 20 mL를 0.1 N NaOH(Daejung Chemical, Suwon, Korea) 용액으로 pH 8.2가 될 때 까지 적정하고 중화 적정에 소비된 0.1 N NaOH 양(mL)을 이용하여 사과의 주요 유기산인 malic acid 함량(%)으로 계산하였다. 가용성 고형물 함량은 사과 과육을 착즙한 후 디지털 굴절당도계(RX-5000α, Atago Co., Tokyo, Japan)로 측정하여 °Brix로 나타내었다. 사과 시료의 저장 중 중량감소율은 시료의 초기중량을 측정한 후 저장기간 중 중량의 차이를 초기중량에 대한 백분율로 환산하여 나타내었다.

사과의 내부장해 발생률은 시료 50개의 적도부를 횡단면으로 절단하여 Fig. 3과 같이 과육부분의 갈변이 발생된 시료를 전체 조사 시료에 대한 백분율로 나타내었다.

Fig. 3. Normal shape (a) and shape after internal browning (b) of early season Fuji apples stored under different CA conditions.

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모든 실험은 3회 반복하여 측정하였으며 내부갈변 장해 발생률을 제외한 실험결과는 평균값±표준편차로 나타냈다. 처리평균간의 유의성 검정은 SAS(Statistical Analysis System, 8.1, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA) program을 이용하여 p<0.05 수준에서 Duncan’s multiple range test 방법을 사용하여 통계처리를 실시하였다.

일반적으로 수확 후 사과는 저장 중 숙성과정에서 과육의 전분이 당으로 가수분해, 가용성 고형물 함량 증가, 산 함량 감소, 과육의 연화 등 품질변화가 일어나며, 사과의 품질은 이화학적 품질인자들의 객관적인 수치로써 평가된다(20,21).

CA 저온 저장시스템 안에 설치된 챔버 내 CO₂, O₂와 습도 등 저장환경 조건을 달리하여 70일 동안 저장된 조생 ‘후지’ 사과의 경도, 적정산도, 가용성고형물 함량, 및 중량감소를 측정한 결과는 Table 2와 같다.

경도의 경우, 수확 후 시료로 사용한 사과는 14.36 N의 값을 나타냈다. 70일 저장 후 대기조건으로 저장된 대조구(챔버 8)의 경도는 11.72 N의 값을 보인 반면 1~5% CO₂+0.5~2% O₂ 농도로 기체치환 시킨 챔버 1~7에 저장된 사과시료는 12.44~13.93 N으로 대조구보다 높은 경도를 유지한 것으로 나타났다. Park 등(21)은 관행방법인 저온 저장과 비교하여 2~3% 이산화탄소 및 산소 조건에서 CA 저장했을 시 ‘홍월’ 사과의 경도가 높은 수준으로 유지되었다고 보고하였다. 또한, Róth 등(22)은 6개월 동안 저온 저장한 ‘Jonagold’ 사과의 경도는 유의적으로 감소한 반면 CA 저장한 사과는 높은 경도를 유지하였다고 보고하였다. 저온저장에 비해 높은 CO₂와 낮은 O₂ 조건으로 설정된 CA 저장환경에서 호흡에 의한 에틸렌 생성 감소와 pectinesterase, cellulase, polygalacturonase 등 세포벽분해효소 합성이 억제됨에 따라 상대적으로 사과의 경도가 높게 유지된다(11).

저장 전 사과의 적정산도는 0.30%이었으며 70일 저장 경과 후 챔버 1~8 처리구는 0.28~0.34%로 처리구 간에 유의적인 차이가 나타나지 않았다. 일반적으로 과실의 산도는 숙성이 일어나는 동안 호흡 중 기질이 소모되거나 당으로 전환되기 때문에 감소한다고 알려져 있지만 본 연구에서는 저장 중 조생 ‘후지’ 사과의 산도 감소는 확인 할 수 없었다.

가용성고형물 함량은 사과의 품질을 판단하는 중요한 이화학적 품질 인자 중 하나로 성숙이 진행됨에 따라 전분의 가수분해에 의해 당도가 증가하지만 수확 후에는 호흡기질로 사용되어 감소하는 경향이 있다(24). 본 연구에서 다양한 CA 환경으로 장기 저장된 ‘후지’ 사과의 가용성고형물 함량은 12.34~13.49 °Brix 수준으로 대부분 상 등급에 해당하는 함량을 나타냈으며 챔버 1~8에 저장된 시료 간 유의적인 차이를 보이지 않았다. 챔버 내 기체 환경변화는 저장 중 가용성 고형물 함량 변화에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 본 연구에서 가용성고형물 함량결과는 Lee 등(3)과 Park 등(23)이 보고한 국내에서 재배된 만생종 ‘후지’ 사과의 가용성고형물 함량이 14 °Brix 수준이라는 보고와 비교하여 차이를 나타냈다. 또한 ‘후지’의 가용성고형물 함량은 만개 후 163~169일에 약 12 °Brix 수준이었으며 183~191일에 14 °Brix 이상을 나타냈다고 보고하였다(25). 따라서 ‘후지’ 품종이 같아도 수확시기가 늦은 만생종이 조생종보다 가용성고형물 함량이 높은 경향을 나타내는 것으로 판단된다.

사과 시료 70일 저장 후 중량 감소를 측정한 결과, 대조구는 1.02%의 감소율을 보여 CA 처리구보다 중량감소 폭이 가장 크게 나타났다. 특히, CA 저장조건인 챔버 4~7에서는 0.49~0.53%로 대조구와 비교하여 약 0.5% 차이를 보였으며 95, 80과 60% RH로 습도를 제어한 챔버 1, 2와 3에서는 저장습도가 감소함에 따라 중량감소는 증가하는 경향을 나타냈다. 본 연구결과, 저장 후 조생 ‘후지’ 사과 시료의 중량변화의 차이는 CO₂와 O₂ 농도조절에 의한 호흡작용 억제 및 상대습도에 기인하는 것으로 판단된다. 일반적으로 사과는 약 85% 이상 높은 수분을 함유하고 있어 수증기에 의해 포화된 세포 간극내의 내부공기와 불포화된 외부공기 사이의 수증기압 차이로 수분증발이 일어난다(26). 수확 후 저장 및 유통과정에서 습도가 낮을 경우 표피에서부터 수분이 증발되며 약 5% 정도의 중량감소가 발생하면 위조(wilting) 현상, 조직감 감소가 나타나 사과의 품질이 저하하게 된다(26). 본 연구결과를 종합해 보면, 조생 ‘후지’사과의 CA 저장 시 당도 및 산도에 미치는 영향은 미미하였으나 경도와 중량을 유지에 효과가 있는 것으로 나타났으므로 본 연구에서 제시한 저장 장해를 유발하지 않는 습도, CO₂와 O₂ 농도 등의 CA 조건을 활용한다면 CA 저장이 관행적인 저온저장에 비해 사과의 품질유지와 중량감소 억제가 가능할 것으로 사료된다.

CA 저장장해는 저장 중 CO₂와 O₂ 등 기체 환경조성이 과실의 생리적 특성과 맞지 않을 경우 발생하며, 저 산소 장해, 고 이산화탄소 장해와 두 요인에 의한 복합장해 등이 있다(17,27). 저장 후 조생‘ 후지’ 사과 시료의 과육에 갈변 발생률을 조사한 결과, 대조구(챔버 8)에서는 2%의 발생률을 보인 반면 1% CO₂+2% O₂ 조건으로 설정된 챔버 1~3에서는 4~6%의 발생률을 나타냈다(Table 3). 특히, CO₂농도를 3~5%로 설정된 챔버 4~6의 사과 시료에서는 20~26% 높은 갈변 발생률을 보여, 본 연구에서는 고농도 CO₂가 저장 중 사과 과육의 내부 갈변 발생에 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 4% 이상의 고농도 CO₂에 노출될 경우 succinic oxidase의 활성이 억제되어 조직 내 succinic acid가 축적됨으로써 사과의 중심 부위의 갈변이 발생하며 품종에 따라 유관속을 따라 형성되거나 임의로 흩어진 모양으로 발달한다고 보고하였다(28). 한편, 과육에 수침현상이 있는 조직에서 sorbitol이 fructose로 전환하는 능력이 상실되며 심한 경우 ethanol 및 acetaldehyde가 축적, 조직 내 혐기성 상태를 형성하며 내부갈변 또는 조직붕괴 현상이 발생한다고 보고하였다(11,29). Wang 등(30)은 ‘Empire’ 사과를 3℃에서 대기조건 또는 0% CO₂+1.5% O₂ 조건으로 30일 간 저장 시 장해발생은 일어나지 않았지만 저장고 내 3%와 5% CO2 농도 조건에서는 사과 시료에 심각한 장해가 발생했다고 보고하였는데 CO₂농도가 3% 이상에서 갈변장해가 증가하였다는 점이 본 연구결과와 유사하다.

Chung 등(31)은 ‘홍로’ 사과의 경우 3% CO₂+1% O₂ CA 조건으로 1℃에서 약 50일 간 저장하였을 때 CO₂장해로 인한 내부갈변 등 부패과는 발생하지 않았다고 보고하였다. Jung과 Watkins(17)은 ‘Empire’ 사과를 2% CO₂+3% O₂ 의 단일 CA 환경으로 설정한 챔버에서 10개월간 저장했을 때 저장 6개월 이후 내부갈변 발생이 급격히 증가하였으며 수확 후 1-MCP 처리한 사과에서 갈변율이 높았다고 보고하였다. 또한 농산물의 저장 중 발생하는 생리적 장해의 발생 정도는 수확 시 성숙도에 따라 큰 차이가 있으며 고이산화탄소 또는 저산소 장해는 미세한 기체농도 차이, 부적합한 온도와 습도 등 환경에 노출된 기간에 따라 크게 달라질 수 있다(32,33). 이러한 결과와 본 연구를 통해서 수확 후 사과의 CA 저장기술 활용 시 최적 CO₂와 O₂ 의 농도가 사과 품종과 수확시기에 따라 다르게 적용되어야 할 것이다. 특히, 저장고 내 CO₂농도에 민감한 조생 ‘후지’ 사과의 경우, 본 연구를 통해 저온저장 또는 CA저장 시 CO₂농도를 2%를 초과하지 않도록 저장고 내부의 기체 환경 관리의 필요성을 제시할 수 있다. 또한 장기 저장 후 유통하는 수확 후 관리 프로그램에서는 CA 저장 기술 적용 시 사과의 장해 발생을 억제 및 예측 할 수 있어야만 CA 기술 적용이 확대 될 것이다. 사과의 저장 중 발생하는 생리적 장해는 재배지역 기후, 과수원의 영양상태, 수분관리, 수확시기 등 수확 전 요인에 따라 발생률이 차이가 있지만 저장환경에 큰 영향을 받기 때문에 본 연구결과가 국산 사과의 저장환경에 따른 품질변화와 장해발생을 예방을 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대한다.