KR102037991B1 - 농산물 저장 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR102037991B1
KR102037991B1 KR1020180048623A KR20180048623A KR102037991B1 KR 102037991 B1 KR102037991 B1 KR 102037991B1 KR 1020180048623 A KR1020180048623 A KR 1020180048623A KR 20180048623 A KR20180048623 A KR 20180048623A KR 102037991 B1 KR102037991 B1 KR 102037991B1
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이동선
안덕순
박수연
이승주
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동국대학교 산학협력단
경남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 농산물 저장 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 농산물들을 저장할 수 있는 용기, 용기 내부를 감압하는 감압부, 용기 내부에 이산화탄소를 공급할 수 있는 이산화탄소 공급부, 용기 내부의 상태를 감지하는 감지부, 용기와 외부를 연결하는 통기구 및 통기구의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하고, 용기 내의 산소 및 이산화탄소 분압이 기 설정된 범위내로 유지될 수 있도록 통기구의 개폐를 제어하는 농산물 저장 시스템에 관한 것이다.

Description

농산물 저장 시스템 및 방법{AGRICULTURAL PRODUCT STORAGE SYSTEM AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 농산물 저장 시스템 및 방법에 관한 것이다.
채소 및 과일과 같은 신선 농산물은 수확 후에도 호흡과 연화 등의 생리작용이 계속 진행되어 품질열화가 빠르므로 짧은 저장수명을 가지며, 신선도가 나빠지면 폐기하게 되어 음식물 쓰레기로 배출할 수밖에 없는 속성을 가진다. 냉장 조건이 신선도를 유지시켜주는 기능을 하지만, 용기 내부에 공기조성보다 낮은 산소 농도와 높은 이산화탄소 농도를 적정수준으로 유지시키면 오랫동안 신선하게 보관할 수 있다.
너무 낮은 산소 농도를 유지하거나 과도하게 높은 이산화탄소 농도를 유지하는 것은 여러 생리적 장해를 유발하므로 피해야 한다. 이러한 원리를 적용한 것이 CA(Controlled atmosphere)저장이며, 정교한 계측 및 제어 장치가 필요하다. 다만, 가정 또는 급식업소에서 고가의 장치 또는 시설을 도입하기는 어려우므로 소형의 용기에서 적용될 수 있는 저장 시스템의 필요성이 요구된다.
한국등록특허공보 제10-1660227호(2016.09.21)
본 발명의 실시예들에 따르면, 소형의 용기에서도 적정수준의 산소 농도 및 이산화탄소 농도를 유지해 농산물을 오랫동안 신선하게 유지할 수 있는 농산물 저장 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 농산물들의 호흡속도를 고려해 통기구의 개폐를 조절하는 농산물 저장 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동종 또는 이종의 농산물들을 저장하는 용기, 용기의 내부를 감압하는 감압부, 용기 내부에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부, 용기와 외부를 연결시키는 통기구, 용기 내부의 상태를 감지하는 감지부 및 통기구의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하고, 용기 내의 산소 및 이산화탄소의 분압은 기 설정된 범위 내로 유지될 수 있도록 통기구의 개폐를 제어하는, 농산물 저장 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구의 개방 개시 시점은 하기의 수학식1에 의해 정해지는, 농산물 저장 시스템을 제공할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018041719612-pat00001
(tos는 상기 통기구 개방 개시 시점(h), pO2,o는 감압에 의해 얻어진 초기 산소 농도(atm), pO2,t는 목표 산소 농도(atm), V는 용기의 빈 용적(L)으로서 용기 전체 용적에서 농산물 부피를 뺀 값, W는 농산물 무게(kg) 및 RO2는 농산물의 산소 소비 호흡속도(mL kg-1 h-1))
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구의 수는 한 개 이상인, 농산물 저장 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구의 설계조건은 하기의 수학식 2를 만족하는, 농산물 저장 시스템을 제공할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018041719612-pat00002
(pO2,t는 목표 산소 농도(atm), W는 농산물 무게(kg), RO2는 농산물의 산소 소비 호흡속도(mL kg-1 h-1), N은 상기 통기구의 수, d는 상기 통기구의 직경(cm), pa는 상압(1atm), Ld는 상기 통기구의 실제 길이 L(cm)에 보정계수를 더하여 Ld=L+1.1d로 정의되는 보정된 상기 통기구의 길이, DO2는 공기 중 산소의 확산계수(cm2 h-1))
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 용기는 5 내지 30 L의 크기를 가지는, 농산물 저장 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구는 1개 이상 5개 이하인, 농산물 저장 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구는 직경이 0.5 내지 1.5cm인, 농산물 저장 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구는 길이가 0.2 내지 6.0cm인, 농산물 저장 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기 설정된 범위는 통기구의 개방이 있은 후 산소 분압이 0.03 내지 0.15atm, 이산화탄소 분압이 0.03 내지 0.15atm인, 농산물 저장 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 용기의 압력이 감압되고 이산화탄소가 용기 내로 주입된 후 산소 분압 및 이산화탄소 분압의 합이 0.20 내지 0.22atm이 되는, 농산물 저장 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 감지부는 기체의 압력을 측정하는 압력센서 및 농산물의 중량을 측정하는 중량센서 중 적어도 하나를 포함하는, 농산물 저장 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 동종 또는 이종의 농산물들을 저장할 용기를 준비하고, 감압부를 통해 상기 용기 내의 압력을 감압하고, 이산화탄소 공급부를 통해 상기 용기 내로 이산화탄소를 주입하고, 용기 내의 산소 및 이산화탄소의 분압을 기 설정된 범위 내로 유지될 수 있도록 통기구의 개폐를 제어하는, 농산물 저장 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구의 개방 개시 시점은 하기의 수학식 1에 의해 정해지는, 농산물 저장 방법을 제공할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018041719612-pat00003
(tos는 통기구 개방 개시 시점(h), pO2,o는 감압에 의해 얻어진 초기 산소 농도(atm), pO2,t는 목표 산소 농도(atm), V는 용기의 빈용적(L)으로서 용기 전체 용적에서 농산물 부피를 뺀 값, W는 농산물 무게(kg) 및 RO2는 농산물의 산소 소비 호흡속도(mL kg-1 h-1))
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구는 1개 이상인, 농산물 저장 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구의 설계조건은 하기의 수학식 2를 만족하는, 농산물 저장 방법을 제공할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018041719612-pat00004
(pO2,t는 목표 산소 농도(atm), W는 농산물 무게(kg), RO2는 농산물의 산소 소비 호흡속도(mL kg-1 h-1), N은 통기구의 수, d는 통기구의 직경(cm), pa는 상압(1atm), Ld는 실제 길이 L(cm)에 보정계수를 더하여 Ld=L+1.1d로 정의되는 보정된 통기구의 길이, DO2는 공기 중 산소의 확산계수(cm2 h-1))
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 용기는 5 내지 30 L의 크기를 가지는, 농산물 저장 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구는 1개 이상 5개 이하인, 농산물 저장 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구는 직경이 0.5 내지 1.5cm인, 농산물 저장 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통기구는 길이가 0.2 내지 6.0cm인, 농산물 저장 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기 설정된 범위는 통기구의 개방이 있은 후 산소 분압이 0.03 내지 0.15atm, 이산화탄소 분압이 0.03 내지 0.15atm인, 농산물 저장 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 용기의 압력이 감압되고 이산화탄소가 용기 내로 주입된 후 산소 분압 및 이산화탄소 분압의 합이 0.20 내지 0.22atm이 되는, 농산물 저장 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 소형의 용기에서 적정수준으로 산소 및 이산화탄소의 농도를 유지시켜 저장성을 뛰어나게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 농산물들의 호흡속도를 고려하여 통기구 개폐를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 농산물 저장 시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 농산물 저장 시스템의 작동알고리즘을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 농산물 저장 시스템의 실험에 따른 예측값 및 결과값을 나타낸 그래프.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서,"포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 농산물 저장 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 농산물 저장 시스템(10)은 용기(100), 감압부(200), 이산화탄소 공급부(300), 감지부(400), 통기구(500) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
용기(100)는 동종 또는 이종의 농산물(A)들을 저장할 수 있는 것을 지칭할 수 있다. 따라서 단순히 물건을 담는 그릇이라는 사전적 의미에 제한되지 않고, 냉장고 또는 컨테이너 등을 지칭하는 것일 수 있다. 즉, 본 명세서에서 용기(100)는 크기와 관계없이 농산물(A)들을 수용할 수 있는 모든 형태의 용기(100)를 의미한다. 다만, 예시적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 용기(100)는 5 내지 30L의 크기를 가질 수 있다. 즉, 크기가 작은 냉장고나 급식창고 등에 사용될 수 있다.
감압부(200)는 용기(100) 내부의 전체압력을 낮추는 역할을 할 수 있다. 용기(100) 내부의 전체 압력을 낮추기 위해서 진공펌프가 사용될 수 있고, 진공펌프는 0.1 내지 0.5L/s 의 배기유량을 가질 수 있다.
초기 용기(100) 내부의 전체 압력을 어느 정도 낮출 것인지는 사용자의 의도, 농산물(A)의 종류 및 농산물(A)의 양 등 여러 요소를 고려해 정해질 수 있다. 일반적으로 산소 농도 3 내지 10% 및 이산화탄소 농도 3 내지 10% 범위에서 농산물의 호흡을 최소화하여 품질열화 속도가 낮아져 긍정적인 효과를 얻을 수 있다. 농산물은 모두 호흡을 하며, 공기 중의 산소와 농산물 내부 당과 전분이 호흡을 통해 열, 이산화탄소 및 물로 전환되며 숙성되므로 품질을 유지하면서 장기간 저장하기 위해서는 농산물의 호흡을 최소화할 필요가 있기 때문이다. 대기 중 공기 조성을 살펴보면 산소 농도는 공기의 약 21% (산소 분압 0.21atm)이다. 감압부(200)는 용기(100) 내의 산소 농도를 공기의 21%로부터 낮추는 역할을 할 수 있다.
용기(100)를 감압하는 것은 산소 농도를 낮추는 것 외에 저장질병에 대한 방어 시스템을 강화시키는 기능을 할 수 있다.
이산화탄소 공급부(300)는 용기(100) 내로 이산화탄소를 주입하는 역할을 수행할 수 있다. 상술한대로 이산화탄소 농도가 3 내지 10%의 범위를 유지하는 경우 농산물(A)을 신선하게 보관할 수 있기 때문이다. 용기(100) 내부의 농산물(A)의 호흡에 의해 산소 농도는 낮아지고, 이산화탄소 농도는 증가될 수 있는데, 초기에 약간의 이산화탄소 주입은 적정 수준의 이산화탄소 농도에 도달되는 시간을 단축시키는 효과를 가질 수 있다.
통기구(500)는 용기(100)와 외부를 연결시키는 역할을 수행할 수 있다. 용기(100) 내부에 수용된 농산물(A)들이 지속적으로 호흡을 하므로 산소 농도는 낮아지고 이산화탄소 농도는 상승할 수 있다. 과도하게 낮은 산소 농도 또는 과도하게 높은 이산화탄소 농도에 도달하게 되면 생리장해를 받을 수 있다. 따라서 통기구(500)를 통해 이러한 시점에 도달하기 전에 외부 공기로부터 산소를 공급시키고, 내부의 축적된 이산화탄소를 외부로 배출시킬 수 있다. 통기구(500)의 직경은 약 0.5cm 내지 1.5cm, 길이는 0.2 내지 6.0cm가 될 수 있다. 또한 통기구(500)는 용도에 따라 복수 개가 배치될 수 있으며, 복수 개의 통기구(500)가 배치되는 경우, 용기(100) 내부의 기체 조성을 효과적으로 제어하기 위해 통기구(500)의 일부 또는 전부가 개폐될 수 있다.
감지부(400) 및 제어부는 용기(100) 내부를 감압하고, 이산화탄소를 용기(100) 내로 주입하고, 통기구(500)를 개폐하도록 용기(100) 내부의 상태를 측정하고 제어할 수 있다.
감지부(400)는 용기(100) 내부 기체 조성의 제어를 위해 산소센서(410), 용기(100) 내부의 압력을 파악할 수 있는 압력센서(420) 및 농산물의 중량을 확인할 수 있는 중량센서(미도시)를 포함할 수 있다. 중량센서는 농산물의 중량을 측정하여 빈 용적의 계산에 활용될 수 있다. 예를 들어 농산물의 대부분은 수분이므로 농산물의 중량에 물의 밀도를 나누는 방식으로 농산물이 차지하는 부피를 단순화 하여 계산할 수 있다.
마찬가지로, 용기(100) 내부를 감압할 때 용기(100)의 부피에서 농산물의 무게를 통해 부피를 계산한 후 그 차이가 용기(100) 내부의 빈 공간의 부피가 되고, 이를 진공펌프 배기 속도로 나누면 감압부과시간을 얻을 수 있다. 또한, 이산화탄소 공급부(300)를 통해 용기(100) 내부로 이산화탄소를 주입하는 경우 개방시간도 용기(100) 내부의 빈 공간의 부피를 계산하여 결정할 수 있다.
감압과 이산화탄소 주입을 순차적으로 실시하되, 산소 분압과 이산화탄소의 분압의 합이 약 0.21atm이 유지되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 통상적으로 저장 중 농산물 호흡에서 산소의 소비와 이산화탄소 발생의 부피비는 1:1이기 때문에 밀폐 저장 중 산소 분압과 이산화탄소 분압의 합은 약 0.21atm이 유지될 수 있다. 이는 통기구(500) 개방 후의 저장 중 호흡과 통기구(500)를 통한 기체 확산의 균형에 의한 산소 및 이산화탄소 분압의 관계를 계속 유지시켜 원하는 기체조성에 머물도록 하고자 함일 수 있다.
예를 들어 산소 분압을 0.18atm으로, 이산화탄소 분압을 0.03atm으로 유지시키는 것은 산소 분압과 이산화탄소 분압의 합을 0.21atm으로 유지시키면서도 이후에 저장 중 호흡에 의해 목표하는 산소 분압에 빨리 도달 시킬 수 있고, 이산화탄소 분압도 원하는 수준에 이르게 할 수 있다.
이 후 용기(100)를 밀폐 조건으로 유지시키면 농산물(A)의 호흡에 의해 지속적으로 산소 분압이 감소하고 이산화탄소 분압은 증가할 수 있다. 산소 분압이 목표치에 도달되면 통기구를 열어서 외부공기로부터 산소를 유입하고 내부로부터 외부로 이산화탄소를 유출하여 적절한 기체조성을 유지하는 평형상태를 형성할 수 있다.
목표 산소 분압에 도달되는 시점은 산소센서(410)에 의하여 감지될수도 있고, 사전에 파악된 농산물(A)의 호흡정보에 의하여 결정된 시간에 따를 수도 있다. 후자의 경우 하기의 [수학식 1]에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018041719612-pat00005
(tos는 상기 통기구 개방 개시 시점(h), pO2,o는 감압에 의해 얻어진 초기 산소 농도(atm), pO2,t는 목표 산소 농도(atm), V는 용기의 빈 용적(L)으로서 용기 전체 용적에서 농산물 부피를 뺀 값, W는 농산물 무게(kg) 및 RO2는 농산물의 산소 소비 호흡속도(mL kg-1 h-1))
예를 들어, 용기의 빈 공간의 부피가 7L이고 호흡속도가 11mL kg-1 h- 1 인 농산물 3kg을 용기에 담에 산소 분압을 0.18atm으로 감압한다면 산소분압이 0.11atm에 도달하는 시간은 14.8시간으로 얻어질 수 있다. 이 때 산소 분압의 감소에 따라 이산화탄소의 분압은 산소 분압의 감소폭과 같으므로 0.10atm에 도달할 수 있다. 물론 이 실시예에 제한되는 것은 아니고 유지시키려는 각 기체의 분압은 조정 가능하다. 농산물(A)의 양 또는 종류에 따라 달리 설정될 수 있으며, 산소 및 이산화탄소 분압은 통기구(500)의 개방 후 각각 0.03 내지 0.15 atm의 범위로 조정될 수 있으며, 상기의 범위를 만족하면서 통기구(500)의 개방 전, 용기(100)가 감압되고 이산화탄소가 주입된 후와 마찬가지로 산소 분압 및 이산화탄소 분압의 합이 약 0.21atm이 되도록 조정될 수 있다.
용기(100)의 밀폐상태가 유지되면 산소 분압이 감소하고, 이산화탄소의 분압이 계속 증가하여 농산물(A)에 생리장해를 유발할 수 있으므로 적절하게 통기구(500)의 개방이 필요할 수 있다. 이때 통기구의 수는 하기의 [수학식 2]에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018041719612-pat00006
(pO2,t는 목표 산소 농도(atm), W는 농산물 무게(kg), RO2는 농산물의 산소 소비 호흡속도(mL kg-1 h-1), N은 통기구의 수, d는 통기구의 직경(cm), pa는 상압(1atm), Ld는 실제 길이 L(cm)에 보정계수를 더하여 Ld=L+1.1d로 정의되는 보정된 통기구의 길이, DO2는 공기 중 산소의 확산계수(cm2 h-1))
또한, 산소의 확산계수는 하기의 수학식 3을 만족할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018041719612-pat00007
(T는 절대온도(K))
통기구(500) 개방시 외부 공기의 유입으로 용기 내부가 상압에 도달함에 따라 일시적으로 산소 분압이 높아지고 이산화탄소 분압이 낮아질 수 있으나, 통기구(500) 조건에 따른 기체확산과 호흡이 균형을 이루면 적정 수준의 기체조성으로 안정화 될 수 있다.
상술한 농산물 저장 시스템에 대한 바람직한 예를 들자면, 농산물(A)의 투입 후 감압부(200)를 통해 용기(100) 내부가 10 내지 20%의 진공도, 즉 0.8 내지 0.9atm의 압력을 갖도록 감압을 할 수 있다. 감압 후에 용기(100) 부피의 2 내지 5%, 즉 0.02 내지 0.05atm에 해당되는 분압을 가지는 이산화탄소를 주입하여 저장을 개시할 수 있다. 이에 따라 통기구 개방 시점이 설정될 수 있고, 상술한 대로 일정 농도가 유지될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 농산물 저장 시스템의 작동알고리즘을 나타낸 도면이다. 농산물 저장 시스템(10)은 농산물(A)의 보관 중 일부를 덜어내거나 추가하는 상황이 생겨도 상술한 바와 같이 통기구(500)의 개폐를 제어할 수 있어야 한다. 통기구(500)를 개폐함에 있어서 개방 개시 시간을 사람이 확인하고 수작업으로 진행할 수도 있지만, 전자적으로 자동제어되도록 할 수도 있다. 따라서 제어부는 그 방식에 따라 자유롭게 변경될 수 있다.
농산물(A)이 저장되면 압력, 온도, 무게 및 용기(100)의 부피 등 용기(100) 내의 상태를 측정하고, 농산물(A)의 호흡속도, 통기구 크기, 목표 산소 분압 등의 필요한 정보를 입력할 수 있다. 용기(100)는 진공펌프가 가동되어 용기(100) 내부의 압력이 감소될 수 있다. 용기(100) 내부의 압력이 적절히 감소되면 이산화탄소를 주입하여 사용자가 원하는 적정 수준의 산소 분압 및 이산화탄소 분압을 형성할 수 있다. 적정 수준의 산소 및 이산화탄소의 분압이 형성되면 밀폐 저장이 시작되고, 통기구의 개방 조건을 계산할 수 있다. 밀폐 저장을 계속하면 산소 분압이 감소하고 이산화탄소 분압이 증가할 수 있다. 농산물(A)의 투임 또는 제거를 위해 용기(100)가 개방되지 않는다면 [수학식 1]에 의해 계산된 tOS(통기구 개방 개시 시간)보다 시간이 경과할 경우 통기구를 개방할 수 있다. 물론 통기구(500)가 개방된 상태에서 농산물(A)의 투입 또는 제거를 위해 용기(100)가 개방된지 여부를 판단하여 항상 일정 기체조성을 유지되게 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 농산물 저장 시스템의 실험에 따른 예측값 및 결과값을 나타낸 그래프이다. 이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 실시예 및 비교예를 제시하고 이에 따른 효과상의 차이를 분석한다.
[실시예]
본 발명의 일 실시예로서, 13L의 폴리프로필렌 박스를 준비하고 3℃에서 저장하는 조건으로 농산물을 저장하였다. 용기에는 9W의 소형 진공펌프와 605mL의 이산화탄소 실린더를 내경 0.32mm의 플라스틱 튜브로 연결하고 밸브를 장착하여 연결개폐가 가능하게 하였다. 직경 1.0cm, 길이 5.0cm의 크기인 통기구 하나를 뚜껑에 장착하였다. 직경 및 길이는 농산물의 호흡에 대한 사전 정보로부터 상술한 [수학식 2]를 사용하여 통기구 조건을 선정하였다.
농산물의 종류는 박피 양파 500g, 딸기 500g, 느타리 버섯 200g, 청경채 100g, 시금치 100g을 넣어서 3℃에서 8일간 저장하다가 용기를 개방하여 청경채와 시금치를 덜어낸 다음 당근 200g을 넣고 같은 온도에서 추가적으로 8일 더 저장하였다. 즉, 전체 저장기간 동안 1.2kg의 농산물이 용기 내에 보관되었다. 박피 양파, 청경채, 시금치 및 당근은 17㎛ 두께의 폴리에틸렌 필름 봉지로 입구가 개방된 상태로 느슨하게 싸서 용기에 넣었고, 느타리 버섯은 가로 16cm, 세로 12.5cm 및 높이 6.5cm 크기를 가진 구멍난 플라스틱 트레이 상자에 담아서 용기에 넣었고, 딸기는 가로 18cm, 세로 13cm 및 높이 7cm 크기를 가진 구멍난 플라스틱 트레이 상자에 담아 용기에 넣었다.
초기에 산소 분압을 0.182atm을 갖도록 진공펌프를 통해 감압하고, 0.027atm에 해당하는 이산화탄소를 실린더를 통해 주입하였다. 사전에 추정된 평균적 산소 소비의 호흡속도(RO2)인 6.8mL kg-1 h-1, 농산물 무게 1.2kg 및 용기 내의 빈 공간의 부피인 11.8L를 상술한 [수학식 1]에 넣는 경우 86.8시간을 얻을 수 있다. 따라서 이 시간 부근에서 통기구를 개방하여 산소 분압을 0.11atm으로의 지속적인 유지를 얻고자 하였다.
상기의 실시예에 대한 기체조성의 변화를 예측한 값은 하기의 [수학식 4] 내지 [수학식 6]의 미분방정식을 풀어 얻을 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018041719612-pat00008
(nO2는 시간 t에서 용기 내에 존재하는 산소의 몰수(mol), pO2는 산소의 분압(atm), DO2는 산소기체의 공기 중 확산계수 (cm2 h-1), N은 통기구의 개수로서 밀폐저장시는 0으로 가정되고, A는 통기구 튜브의 단면적(cm2)으로 직경 d(cm)의 함수, Ld는 보정된 통기구 길이로서 실제 길이 L(cm)에 보정계수를 더하여 Ld=L+1.1d로 정의되고, R은 기체상수 82.05 cm3 atm K- 1 mol-1이고, T는 절대온도(K)이고, W는 농산물의 무게(kg)이고, RO2는 평균적 산소 소비의 농산물 호흡(cm3 kg-1 h- 1)이고, pa는 통상 기압(1atm)이다.)
[수학식 5]
Figure 112018041719612-pat00009
(nCO2는 시간 t에서 용기 내에 존재하는 이산화탄소의 몰수(mol), pCO2는 이산화탄소의 분압(atm), DCO2는 이산화탄소기체의 공기 중 확산계수 (cm2 h-1), N은 통기구의 개수로서 밀폐저장시는 0으로 가정되고, A는 통기구 튜브의 단면적(cm2)으로 직경 d(cm)의 함수, Ld는 보정된 통기구 길이로서 실제 길이 L(cm)에 보정계수를 더하여 Ld=L+1.1d로 정의되고, R은 기체상수 82.05 cm3 atm K- 1 mol-1이고, T는 절대온도(K)이고, W는 농산물의 무게(kg)이고, RCO2는 평균적 이산화탄소 생산의 농산물 호흡(cm3 kg-1 h- 1)으로서, RO2와 같은 값으로 가정되고, pa는 통상 기압(1atm)이다.)
[수학식 6]
Figure 112018041719612-pat00010
(nN2는 시간 t에서 용기 내에 존재하는 질소의 몰수(mol), pN2는 이산화탄소의 분압(atm), DN2는 질소의 공기 중 확산계수 (cm2 h-1), N은 통기구의 개수로서 밀폐저장시는 0으로 가정되고, A는 통기구 튜브의 단면적(cm2)으로 직경 d(cm)의 함수, Ld는 보정된 통기구 길이로서 실제 길이 L(cm)에 보정계수를 더하여 Ld=L+1.1d로 정의되고, R은 기체상수 82.05 cm3 atm K- 1 mol-1이고, T는 절대온도(K)이고, W는 농산물의 무게(kg)이다.)
도 3을 참조하면, 상기의 [수학식 4] 내지 [수학식 6]에 의한 예측치로서, 질소, 산소 및 이산화탄소는 각각 점선, 실선, 2점쇄선을 통해 나타나 있고, 실험에 의해 측정된 값은 질소, 산소 및 이산화탄소가 각각 사각형, 삼각형, 원의 형태로 나타나 있다.
예측치와 실험치는 잘 일치하고 있으나, 상기 수학식에서 사용된 단순화 가정의 한계 및 현실적 규격의 오차 등이 복합적으로 작용해 완벽하게 대응되는 것은 아닐 수 있다.
실시예를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 농산물 저장 시스템을 사용하는 경우 통기구 개폐를 이용하여 기체 조성을 정밀하게 조절할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 하기에서 본 발명의 일 실시예에 따른 농산물 저장 시스템과 일반적인 저장 시스템을 비교하기 위한 비교예 및 실험예를 제시한다.
[비교예]
본 발명의 실시예와 비교하기 위한 대조구로서, 동일한 온도 조건에서 동일한 질량의 박피 양파, 청경채, 시금치 및 당근을 17㎛ 두께의 개봉된 폴리에틸렌 필름 봉지에 저장하였고, 느타리 버섯 및 딸기도 각각 동일한 크기의 구멍이 뚫린 플라스틱 트레이 상자에 저장하였다.
[실험예 1]
품질지표 품목 저장 8일후 저장 16일후
대조구 실시예 대조구 실시예
중량손실(%) 양파 0.5 ±0.1 0.0 ±0.0 1.3 ±0.1 0.1 ±0.0
느타리 버섯 5.2 ±0.1 3.9 ±1.0 8.4 ±3.6 6.0 ±1.2
청경채 1.1 ±0.6 0.6 ±0.8
시금치 9.1 ±2.7 3.3 ±1.5
딸기 9.0 ±3.6 0.5 ±0.4 18.3 ±11.7 1.5 ±0.2
당근 0.9 ±0.2 0.2 ±0.2
위 [표 1]을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 농산물 저장 시스템을 이용하는 경우, 비교예인 대조구에 비해 모든 농산물의 중량손실이 줄어듬을 확인할 수 있다.
[실험예 2]
품질지표 품목 저장 8일 후 저장 16일 후
대조구 실시예 대조구 실시예
카로티노이드 함량(mg/100g) 당근 4.7±0.0 5.1±0.1
Ascorbic acid 함량(mg/100g) 청경채 95.3±7.2 124.2±14.8
클로로필 함량(mg/100g) 시금치 17.8±1.0 19.6±0.7
경도(N) 느타리 버섯 7.1±0.3 6.8±1.5
호기성 세균 (log CFU/g) 딸기 2.49±0.04 2.20±0.09
초기의 품질지표로서 당근의 카로티노이드 함량은 5.8±0.5mg/100g, 청경채의 ascorbic acid 함량은 137.7±10.9mg/100g, 시금치의 클로로필 함량은 53.2±2.3mg/100g, 느타리 버섯의 경도는 7.4±0.4N 및 딸기의 호기성 세균은 1.92±0.11 log CFU/g 이다.
위의 [표 2]를 참조할 때, 8일 동안 보관된 청경채의 ascorbic acid 함량은 실시예의 경우가 대조구의 경우 보다 높았고, 시금치의 클로로필 함량에서도 대조구에 비해 높았다. 본 발명의 실시예인 농산물 저장 시스템을 이용하는 경우, 대조구에 비해 본래 청경채에 포함된 ascorbic acid 및 시금치의 클로로필의 파괴가 감소할 수 있음을 나타내는 것일 수 있다.
또한, 농산물의 저장 8일 후에 추가된 당근을 저장 16일 후에 꺼내어 대조구와 비교할 때 카로티노이드 함량이 대조구에 비해 높음을 알 수 있다. 이 또한 본 발명의 실시예에 따른 농산물 저장 시스템을 이용하는 경우 대조구에 비해 카로티노이드의 파괴가 감소할 수 있음을 나타내는 것일 수 있다.
당근의 카로티노이드의 함량 측정은 다음과 같이 실시하였다. 당근의 카로티노이드 함량은 3 g의 시료를 80% 아세톤 120 mL로 추출한 다음, 450 nm에서 흡광도를 측정하여 결정하였다. 흡광도 계수는 AOAC 방법에 따라 흡광도 E1% = 2500을 사용하여 총 카로티노이드 함량을 얻었다.
청경채의 ascorbic acid 함량 측정은 다음과 같이 실시하였다. 청경채의 ascorbic acid 함량은 AOAC 방법에 따라 시료 5 g을 취하여 40 mL의 3% metaphosphoric acid 로 마쇄하여 추출하고 여과지로 여과한 후 10 mL를 취하여 0.025% 2,6 dichloro-indophenol 용액으로 적정하여 결정하였다.
시금치의 클로로필 함량 측정은 다음과 같이 실시하였다. 시금치의 클로로필 함량은 3 g의 시금치를 80% 아세톤 용액 240 mL로 추출한 시금치 추출액을 spectrophotometer을 이용하여 663 nm 와 645 nm에서 흡광도를 측정하여 발표된 검정선에 따라 결정하였다.
딸기의 호기성세균의 측정은 다음과 같이 실시하였다. 딸기의 호기성 총균수의 측정에서는 딸기 30g을 무균적으로 stomacher bag에 채취하고 멸균된 0.05% 펩톤수 90mL와 합하여 stomacher(Stomacher 400 Circulator, Seward Ltd., UK)로 200 rpm 에서 1분간 교반하여 균질화 하였다. 균질화 된 시료를 10배씩 희석하여 Plate Count Agar 평판배지(Becton Dickinson and Company, Sparks, MD, USA)에 주입배양하여 30℃에서 3일간 배양한 후에 형성된 콜로니수(colony forming unit, CFU)를 측정하여 log CFU/g 단위로 표현하였다.
느타리 버섯의 경도는 느타리 버섯 줄기를 직경 5mm 원형 probe를 관입하여 측정하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 농산물 저장 시스템을 이용하는 경우, 대조구에 비해 부드럽게 보관되었음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 농산물 저장 시스템
100: 용기
200: 감압부
300: 이산화탄소 공급부
400: 감지부
410: 산소센서
420: 압력센서
500: 통기구

Claims (25)

  1. 동종 또는 이종의 농산물들을 저장하는 용기;
    상기 용기의 내부를 감압하는 감압부;
    상기 용기 내부에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부; 및
    상기 용기와 외부를 연결시키는 통기구;
    상기 용기 내부의 상태를 감지하는 감지부; 및
    상기 통기구의 개폐를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 용기 내의 산소 및 이산화탄소의 분압은 기 설정된 범위 내로 유지될 수 있도록 상기 통기구의 개폐를 제어하되,
    상기 통기구의 개방 개시 시점은 하기의 수학식 1에 의해 정해지는, 농산물 저장 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112019072888311-pat00018

    (tos는 상기 통기구 개방 개시 시점(h), pO2,o는 감압에 의해 얻어진 초기 산소 농도(atm), pO2,t는 목표 산소 농도(atm), V는 용기의 빈 용적(L)으로서 용기 전체 용적에서 농산물 부피를 뺀 값, W는 농산물 무게(kg) 및 RO2는 농산물의 산소 소비 호흡속도(mL kg-1 h-1))
  2. 청구항 1에 있어서,
    농산물을 상기 용기에 투입 후 상기 감압부가 상기 용기 내부 압력을 0.8 내지 0.9atm이 되도록 감압하는, 농산물 저장 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 용기 내로 0.02 내지 0.05atm에 해당되는 이산화탄소를 주입하는, 농산물 저장 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 통기구의 수는 한 개 이상인, 농산물 저장 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 통기구의 설계조건은 하기의 수학식 2를 만족하는, 농산물 저장 시스템.
    [수학식 2]
    Figure 112018041719612-pat00012

    (pO2,t는 목표 산소 농도(atm), W는 농산물 무게(kg), RO2는 농산물의 산소 소비 호흡속도(mL kg-1 h-1), N은 상기 통기구의 수, d는 상기 통기구의 직경(cm), pa는 상압(1atm), Ld는 상기 통기구의 실제 길이 L(cm)에 보정계수를 더하여 Ld=L+1.1d로 정의되는 보정된 상기 통기구의 길이, DO2는 공기 중 산소의 확산계수(cm2 h-1))
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 용기는 5 내지 30 L의 크기를 가지는, 농산물 저장 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 통기구는 1개 이상 5개 이하인, 농산물 저장 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 통기구는 직경이 0.5 내지 1.5cm인, 농산물 저장 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 통기구는 길이가 0.2 내지 6.0cm인, 농산물 저장 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 기 설정된 범위는 상기 통기구의 개방이 있은 후 산소 분압이 0.03 내지 0.15atm, 이산화탄소 분압이 0.03 내지 0.15atm인, 농산물 저장 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 용기의 압력이 감압되고 이산화탄소가 상기 용기 내로 주입된 후 상기 산소 분압 및 상기 이산화탄소 분압의 합이 0.20 내지 0.22atm이 되는, 농산물 저장 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 감지부는 기체의 압력을 측정하는 압력센서 및 농산물의 중량을 측정하는 중량센서 중 적어도 하나를 포함하는, 농산물 저장 시스템.
  14. 동종 또는 이종의 농산물들을 저장할 용기를 준비하고,
    감압부를 통해 상기 용기 내의 압력을 감압하고,
    이산화탄소 공급부를 통해 상기 용기 내로 이산화탄소를 주입하고,
    상기 용기 내의 산소 및 이산화탄소의 분압을 기 설정된 범위 내로 유지될 수 있도록 통기구의 개폐를 제어하되,
    상기 통기구의 개방 개시 시점은 하기의 수학식에 의해 정해지는, 농산물 저장 방법.
    [수학식]
    Figure 112019072888311-pat00019

    (tos는 통기구 개방 개시 시점(h), pO2,o는 감압에 의해 얻어진 초기 산소 농도(atm), pO2,t는 목표 산소 농도(atm), V는 용기의 빈 용적(L)으로서 용기 전체 용적에서 농산물 부피를 뺀 값, W는 농산물 무게(kg) 및 RO2는 농산물의 산소 소비 호흡 속도(mL kg-1 h-1))
  15. 청구항 14에 있어서,
    농산물을 상기 용기에 투입 후 상기 감압부가 상기 용기 내부 압력을 0.8 내지 0.9atm이 되도록 감압하는, 농산물 저장 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 용기 내로 0.02 내지 0.05atm에 해당되는 이산화탄소를 주입하는, 농산물 저장 방법.
  17. 삭제
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 통기구는 1개 이상인, 농산물 저장 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 통기구의 설계조건은 하기의 수학식 2를 만족하는, 농산물 저장 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112018042032442-pat00014

    (pO2,t는 목표 산소 농도(atm), W는 농산물 무게(kg), RO2는 농산물의 산소 소비 호흡속도(mL kg-1 h-1), N은 상기 통기구의 수, d는 상기 통기구의 직경(cm), pa는 상압(1atm), Ld는 실제 길이 L(cm)에 보정계수를 더하여 Ld=L+1.1d로 정의되는 보정된 상기 통기구의 길이, DO2는 공기 중 산소의 확산계수(cm2 h-1))
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 용기는 5 내지 30 L의 크기를 가지는, 농산물 저장 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 통기구는 1개 이상 5개 이하인, 농산물 저장 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 통기구는 직경이 0.5 내지 1.5cm인, 농산물 저장 방법.
  23. 청구항 20에 있어서,
    상기 통기구는 길이가 0.2 내지 6.0cm인, 농산물 저장 방법.
  24. 청구항 14에 있어서,
    상기 기 설정된 범위는 상기 통기구의 개방이 있은 후 산소 분압이 0.03 내지 0.15atm, 이산화탄소 분압이 0.03 내지 0.15atm인, 농산물 저장 방법.
  25. 청구항 14에 있어서,
    상기 용기의 압력이 감압되고 이산화탄소가 상기 용기 내로 주입된 후 상기 산소 분압 및 상기 이산화탄소 분압의 합이 0.20 내지 0.22atm이 되는, 농산물 저장 방법.

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