유럽 저온 플라즈마의 농업 및 식품 활용 기술동향
1. 개 요
플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이은 제 4 의 물질 상태로, 높은 에너지를 받은 기체가 이온과 전자로 분리된 상태를 말한다. 자연에서 볼 수 있는 플라즈마는 번개와 극지방의 오로라가 있으며, 반도체 및 디스플레이 제조 공정에서도 플라즈마가 핵심적인 역할을 하는 등 다양한 산업 분야에서 이용되고 있다. 인공 플라즈마는 보통 전기 방전을 통하여 발생시키는데, 원자에서 분리된 전자만 높은 온도를 가지고, 나머지 이온과 중성입자는 낮은 온도를 유지하는 비평형 상태의 플라즈마를 저온 플라즈마(Low temperature plasma or Cold plasma)라고 한다. 저온 플라즈마는 글로우 방전(Glow discharge), 코로나 방전 (Corona discharge), 플라즈마 젯(Plasma jet), 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge) 등 다양한 방식으로 발생시킬 수 있다.
대기압에서 생성된 플라즈마는 진공 플라즈마에 비하여 훨씬 높은 농도의 화학 활성 종(오존, 과산화수소, 산화질소 등) 및 자외선을 발생시키는데(<그림 1>), 이들 활성종은 높은 살균 효과를 가지고 있고, 종자의 발아 및 식물 생장에 중요한 역할을 한다. 상온에 가까운 온도에서 이러한 활성종을 발생시킬 수 있기 때문에 저온 플라즈마를 식품 및 농업에 활용하고자 하는 연구가 전세계적으로 활발하다. 특히, 저온 플라즈마는 기존의 식품 살균 및 종자 처리에 사용되는 농약 등 화학물질의 사용을 줄일 수 있고, 플라즈마의 생성에 따른 부산물이 없어 친환경적이고 지속 가능한 농업의 발전에 기여할 것으로 기대되고 있다(<그림 2>). 본고에서는 유럽에서의 저온 플라즈마의 농 식품 활용기술 연구의 최근 동향에 대해 소개하고자 한다.
2. 유럽의 저온 플라즈마 농 식품 활용 기술개발
2.1 저온 플라즈마를 이용한 식품 살균 및 보존
샐러드 등 신선 식품을 선호하는 소비자의 증가로 생산과 유통 과정에서의 과일과 채소류의 신선도와 영양 상태 유지가 식품 산업에서 중요해지고 있다. 생산 및 유통 과정에서 발생하는 병원균 오염에 의한 식품 안전의 위협은 과일과 채소류의 신선도를 유지하면서도 효과적으로 병원균을 제거할 수 있는 비가열 살균 기술을 요구한다. 비가열 살균 기술은 병원균을 제거할 뿐 아니라, 곰팡이 발생을 방지하여 신선 식품의 유통기한을 늘려 현대 사회의 폭증하는 음식 쓰레기를 줄일 수 있다.
저온 플라즈마는 플라즈마에서 생성되는 다양한 화학 활성 종들의 강력한 살균 작용과 더불어 저온 특성으로 인해 비가열 살균 기술의 대안으로 주목받고 있다. 유럽에서 진행된 저온 플라즈마의 식품 살균 연구 중 가장 주목을 받은 것은 EU FP7 프로그램으로 진행된 SAFE-BAG 프로젝트인데, 포장재 내부에서 플라즈마를 발생시켜 식품을 살균하는 In-package plasma treatment 기술을 개발하였다(<그림 3>)[1]. 이후 In-package plasma treatment를 신선식품뿐 아니라, 달걀, 생선, 육류, 주스, 우유 등의 살균 보존에 이용하는 연구가 진행되고 있으나, 실제 식품 산업에서의 사용 단계로는 아직 발전되지 못하고 있는 상황이다. 다만 영국의 글라스고 대학교에서 스핀오프된 Anacail 사가 In-package ozone treatment 라는 이름으로 상용화를 추진하고 있다[2].
In-package plasma treatment 외에도 컨베이어 벨트 상에서 연속적으로 식품 살균 처리하는 기술, 플라즈마 처리 수(Plasma treated water 또는 Plasma activated water)를 이용한 신선 채소의 세척을 통한 살균 등 다양한 연구가 아일랜드의 Dublin Institute of Technology, 영국의 University of Liverpool, 독일의 Leibniz institute for Plasma Science and Technology 등의 연구 기관에서 활발히 진행되고 있다. 저온 플라즈마 기술이 식품 가공에 사용되기 위해서는 가공 속도에 부합하는 플라즈마 처리 기술의 스케일업뿐 아니라 플라즈마 처리한 식품의 안전성 확인 등의 후속 연구가 필요하다.
2.2 저온 플라즈마 종자 처리에 의한 발아율 향상 및 식물 생장 촉진
좋은 품질의 종자는 농업 생산성의 증대와 안정적인 식량 확보에 매우 중요한 역할을 한다. 종자 처리는 병원균에 의한 종자의 오염을 방지하고, 발아율 증가와 빠르고 고른 모종 성장을 가능하게 하는데, 세계 시장 규모가 2016년 61억 달러에서 2022년 113 억달러로 성장이 예측되는 농업의 중요 분야로 자리잡고 있다(Markets and Markets report, 2019). 그러나, 현재의 종자 처리 기술은 화학적 방법에 의존하고 있고 유기농업에서는 사용이 허용되지 않는다.
특히 유럽에서는 토양 감염을 방지하기 위해 유채와 콩류의 종자 처리에 사용되는 타이람(Thiram) 계열 살균제의 사용이 금지되어[4] 환경에 무해하면서도 효율적인 비화학적 종자 처리 기술의 개발이 시급해지고 있다. 저온 플라즈마는 비화학적인 물리적 종자 처리의 기술의 하나로 빠르고 효율적인 종자 처리와 부산물이 남지 않는 친환경적 특성으로 인해 주목받고 있다. 플라즈마 종자 처리에 대한 연구는 다양한 플라즈마 발생 장치를 이용하여 저압부터 대기압 상태의 플라즈마의 직접 처리와 플라즈마 처리를 통해 다양한 화학 활성종이 생성된 플라즈마 처리 수(Plasma treated water)를 이용한 간접 처리로 구분되며, 두 방식 모두 다양한 식물에 대하여 종자의 발아율 향상과 초기 모종의 생장 촉진 효과를 보여주고 있다. 유럽에서 진행된 저온 플라즈마 종자처리에 대한 연구 결과를 아래의 표에 요약하였다.
...................(계속)
☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.
(GT주간브리프-브뤼셀) 유럽 저온 플라즈마의 농업 및 식품 활용...
