온도와 공기조성에 따른 단감의 호흡모델과 최적 MA포장 조건 설정 = Design of modified atmosphere packaging for persimmon fruit based on respiration modelling

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Physiological disorders of 'Fuyu' persimmon fruits were examined as function of temperature and packaging conditions to find an affordable range of packaging and storage conditions. Respiration of the fruits was characterized by an enzyme kinetics-based respiration model and combined with measured permeability data to design the optimal package.
In studying the physiological disorders in terms of respiration behavior and ethylene production, jelly-like flesh softening as a symptom of chilling injury developed within 3 days of exposure to ambient temperature without modified atmosphere (MA) packaging after low temperature storage. Disorder development was more suppressed at 30℃ than at 20℃; such temperature dependence was closely connected to ethylene production rate of fruits different with temperature. Inhibition of ethylene production through MA packaging effectively reduced disorder development, which indicates ethylene production is closely related to jelly-like flesh softening disorder. Development of black-staining on peels occurred in fruits exposed directly to ambient temperature, but not in those packaged with thick polyethylene (PE) film. Flesh browning developed only under anaerobic respiration condition of high temperature and MA packaging with thick PE film and occurred with quick reduction of available oxygen inside MA package at high temperature.
The respiration of 'Fuyu' persimmon (Diospyros kaki) fruits was measured in the rates of oxygen consumption and carbon dioxide evolution by closed system experiments at 0, 5 and 20℃. An enzyme kinetics-based respiration model was used to describe the respiration rate as function of O2 and CO2 gas concentration (R=Vm[O2]/{Km+(1+[CO2]/Ki)[O2]}), and Arrhenius equation has been applied to analyze the effect of temperature. The Vm and Km increased and Ki decreased with temperature. The Km of O2 consumption was greater than that of CO2 evolution at the same temperature. The inhibitory effect of reduced O2 level on O2 consumption was more prominent than that on CO2 evolution. The activation energy of the respiration decreased with reduced O2 and elevated CO2 concentrations. The activation energy of CO2 evolution was greater than that of O2 consumption. The permeable package experiments verified the respiration model parameters by showing the good agreement between the predicted and experimental gas concentrations in the package.
O2 permeability (QO2) and CO2 permeability (QCO2) of low density PE films were measured at 0℃, and then correlated with film thickness (L) as the relationships of QO2 = (2540*1/L)-16 (ml·hr¯¹·atm¯¹·m¯²) and QCO2 = (13742*1/L)-70 (ml·hr¯¹·atm¯¹·m¯²), respectively. An MA package containing a persimmon fruit of 225g showed a good agreement between the predict and experimental O2 and CO2 concentrations inside the package. Physiological disorder occurrence was the lowest for 52㎛ PE film package that was predicted to have optimum gas condition (O2 2.79% and CO2 5.36%), which verified the respiration model and package design method presented in this study.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 단감의 최적 MA포장규격을 설정하기위하여 수확 후 단감에서 발생되는 생리장해 현상의 원인을 구명하고, 효소반응속도식을 모델로 하여 단감의 호흡특성과 포장필름의 가스투과율을 조사하여 최적 MA포장규격을 설정하고자 본 연구를 수행하였다.
단감 과실은 저온 저장 후 유통 과정에 과육 연화, 과피 흑변, 과육 갈변 등의 생리적 장해 증상이 나타날 수 있으며, 이 중 저온 장해 증상의 하나로 간주되고 있는 과육의 젤리화를 동반하는 연화 현상은 저온 저장한 과실을 MA 포장하지 않은 채 상온에 노출하였을 때 3일 이내에 심하게 발생하였다. 그러나 30℃ 조건에서는 20℃에서보다 장해발생이 감소하였으며 온도에 따른 장해 발생 차이의 양상은 에틸렌 생성의 차이와 일치하는 경향을 보였다. 또한 에틸렌의 작용이 억제되는 것으로 알려진 MA 포장 과실에서도 이러한 연화 현상이 억제되었으며, 이러한 결과는 과육의 젤리화 현상이 에틸렌의 생성 또는 작용과 밀접한 관련이 있음을 보인다. 한편, 과피 흑변 현상은 저온 저장한 과실을 대기에 직접 노출하였을 때 심하게 발생하나 폴리에틸렌필름으로 포장한 과실에서는 발생이 억제되었다. 이러한 발생 양상은 에틸렌과 관련이 있을 것으로 생각되는 과육의 젤리화 현상의 발생 양상과도 유사하지만, 에틸렌 생성이 그다지 높지 않은 10℃ 조건에서 오히려 과피 흑변 발생이 증가한 점에 비추어 볼 때 과피 흑변 발생의 일차적인 원인은 높은 산소 농도와 관련이 있고, 과육 갈변은 무기 호흡이 유발되는 조건, 즉 두꺼운 PE-film으로 MA 포장하여 고온에 노출시킨 조건에서만 발생하였으며, 이러한 조건에서 유효 산소 농도의 갑작스런 저하가 과육의 갈변 장해를 일으키는 원인으로 생각된다.
비경쟁억제 효소반응속도식(R=Vm[O2]/(Km+(1+[CO2] /Ki)[O2]))과, Arrhenius 식(R=A exp(-E/(R*T))을 모델로 하여 단감의 호흡에 미치는 산소 및 이산화탄소의 가스조성과 저장온도의 영향을 조사한 결과 0℃, 5℃에서 Km은 0.1%이하, Ki는 100%이상이었고, 20℃에서 산소소비와 이산화탄소발생의 Km은 각각 10.7%과 3.3%로 크게 증가하였고, Ki는 각각 59.6%와 44.6%로 크게 감소하였다. 활성화 에너지는 산소농도가 낮아지고 이산화탄소의 농도가 높아질수록 감소하였고, 산소소비의 활성화 에너지가 이산화탄소발생의 활성화 에너지보다 낮았다. 이는 산소소비와 이산화탄소발생의 Km과 Ki값 비교에 의한 예측과 일치하는 결과이었고, 이상의 값을 근거로 하여 각 온도별 MA 포장내 공기조성변화를 예측하였고, 또한 실제 실험으로 조사된 값과 일치하였다.
또한 0℃에서 저밀도폴리에틸렌필름의 두께별 가스특성을 조사하여 산소와 이산화탄소 가스투과도를 각각 QO2=(2540*1/L)-16 (ml·hr¯¹·atm¯¹·m¯²)와 QCO2=(13742*1/L)-70 (ml·hr¯¹·atm¯¹·m¯²)을 구하였다. 필름 두께가 각각 40, 52, 60, 70 ㎛인 포장지를 사용하여 단감을 한 개씩 개별포장하여 0℃에서 저장하였을 때 효소반응속도식으로 조사된 단감의 호흡특성과 저밀도폴리에틸렌필름의 두께별 가스투과도를 고려하여 시간에 따른 포장내 공기조성의 변화를 예측한 값과 저장 70일후 조사한 실측값은 대체로 일치하는 결과를 보였고, 과육내 아세트알데하이드와 에탄올의 축적과 생리장해과의 발생에 있어서도 최적 포장조건으로 예측된 두께 52㎛의 포장조건이 실제 저장에서도 적합한 것으로 조사되었다. 따라서 다른 신선농산물과 같이 단감의 MA포장규격을 설정하는 데 있어서도 효소반응속도식을 모델로 한 접근 방법이 타당한 것으로 판단되었고, 0℃의 단감호흡 parameter를 이용하여 과중별 단감의 최적 MA포장규격을 설정하였다.