곡물 저장 시 비화학적 해충박멸기술 동향
2020-10-03
org.kosen.entty.User@71801cf1
백운두(od100)
곡물 저장시 비화학적 해충박멸기술 동향
백운두, oon-doo.baik@usask.ca
Department of Chemical and Biological Engineering, University of Saskatchewan
Key words
Chemical treatment, non-chemical treatment, ionizing radiation, modified atmosphere, microwave heating, radio frequency heating
1. 서문
해충으로 인한 곡물의 손실은 글로벌 전체 곡물생산량의 약 1/3에 해당한다. 화학 살충제를 이용한 곡물의 disinfestation은 1950년대부터 산업적으로 시행되어 왔었는데 1990년에서 2000년 사이에 전세계적으로 30 billion USD 이상의 경비가 지출되었었다. 산업적으로 가장 흔하게 쓰는 chemical disinfectants는 malathion (C10H19O6PS2), chlorpyrifos-methyl (C7H7C13NO3PS), deltamethrin (C22H19Br2NO3), methyl bromide (MeBr), 그리고 phosphine (PH3) 이다.
MeBr은 환경 및 건강에 해가 된다는 이유로 2015년 이후로 사용을 금지하고 있다. 다른 chemical disinfectants들도 내성 생성 및 인체 유독성 문제로 사용자제를 권고하고 있다. 따라서 환경친화적이고 인체에 무해한 비화학적 방법의 사용이 주목을 받아왔었고 그에 따른 연구들도 활발하게 진행되고 있다. 곡물저장시 해충박멸을 위한 비화학적 방법으로는 irradiation, modified atmosphere (MA), dielectric heating, cold plasma processing, electron beam technology, 그리고 soft electron 등이 있는데 마지막 세 방법들은 장단점을 의미있게 분석할 만한 충분한 양의 문헌적 자료가 없어서 본 KOSEN 리포트에서는 다루지 않았다.
2. Ionizing radiation
2.1. Ionizing radiation 원리
Ionizing radiation은 물질의 원자 및 분자에서 전자를 제거하여 이온화시킬 정도의 에너지를 전달할 수 있는 전자기파 형태의 방사선 조사기술이다. 식품 내의 해충박멸 목적으로 미국 FDA에서 승인한 방사선은 137Cs, 60Co gamma-rays, x-rays (< 5 MeV), 그리고 electron beams (<10 MeV)이 있다. 방사 후 수컷 성충의 정자에 치명적인 돌연변이를 일으켜서 해충 군집 수를 감소시키는 효과가 있다 (Klaseen, 2005). 일반적인 식품관련 irradiation 설비 모듈로는 radiation generator, irradiation chamber, protection guarding, transport system, air evacuation system 그리고 safety system을 들 수 있다.
2.2. Ionizing radiation 응용
60Co radiation은 50 cm 정도의 깊이로 bulk grains을 투과할 수 있기 때문에 모든 life stage의 S. zeamais, C. maculatus, C. chinensis (L), S. zeamais, 그리고 S. oryzae을 박멸할 수 있는데 처리 후 곡물의 향, 맛 그리고 형태에 변화가 거의 없다 (Enu and Enu, 2014; Bhuiya et al., 1991). 성충을 즉시 사멸시키려면 아주 높은 dose를 조사해야 한다 (？ 1kGy). 일반적으로 해충 애벌레는 알보다 방사선에 더 견딜 수 있는 저항력이 있다. 방사선조사는 애벌레로 진행되는 기간을 더 연장시킬수 있고 번데기로 변화하는 것을 늦출 수도 있다. 애벌레가 번데기로 바뀌기 전에 방사선을 조사하는 것이 더 효과적이다. 방사선 조사시 grain 품질에 부정적인 효과도 관측되었다. 예를 들면, 6.25 krad 이상의 강한 조사시 보리와 밀의 발아율이 감소되었다. 하지만 영양학적인 가치에는 의미있는 변화가 없었다. 특이한 점은 10 kGy 강도 이하로 조사할 경우 품질에 영향을 주지않고 anti-nutrient components (protease inhibitors, lectin, phytic acid, non-starch polysaccharides, 그리고 oligosaccharides)를 비활성화할 수 있었다.
2.3. Ionizing radiation에 대한 고찰
일반적으로 1 kGy이하의 방사선 조사는 곡물의 유전적 그리고 생화학적 특성에 영향을 주지 않고 효과적으로 해충을 박멸시킬 수 있고 그 효과적인 조사치 범위는 0.2 kGy to 0.8 kGy 이다 (Farkas and Farkas, 2011). WHO에 따르면 방사선 조사는 식품사용에 안전하며 병원성세균 및 해충을 박멸하고 식품의 shelf life를 연장하는데 도움을 준다고 하였다. 그래서 사용의 허용여부에 관해서는 의심할 필요는 없다. 최근에 방사선조사에 대한 연구에서 추천되는 것은 박멸효과는 상승시키고 부작용을 최소화하는 방법으로 방사선조사 단독사용보다는 다른 기존의 방법들과 혼용해서 사용하는 것이다.
3. Modified atmosphere (MA)
3.1. Modified atmosphere 원리
곡물저장시 발생하는 해충들은 aerobic이므로 이론상 이산화탄소 농도를 높이고 산소농도를 낮추면 해충을 사멸할 수 있다. Controlled chamber 내의 산소 및 이산화탄소의 농도조절은 hermetic storage, assisted hermetic storage, 그리고 MA under altered atmospheric pressure 등의 방법으로 한다. 간단히 vacuum 펌프를 이용해서 chamber 내 기압을 25-50 mmHg (절대압력)로 내리는 것만으로 해충치사율을 높여준다. 또한 고농도의 이산화탄소 환경에서는 해충의 spiracles을 열어서해충을 탈수시켜 사멸시킨다. 평균보다 10% 이상의 고농도 이산화탄소는 영구적으로 해충의 spiracles을 개방시킨다. 또한 이산화탄소는 해충의 신경계에 손상을 입히고 hemolymph를 산성화해 tissue의 막을 파괴하며 어떤 경우는 narcotic효과를 이끌어내 해충을 마비시킨다.
3.2. Modified atmosphere 응용
성충들이 가장 저압저장에 취약한 것으로 보인다. 번데기와 알은 저압환경에서 내성이 있는 것으로 보이고 MA를 효과적으로 사용하기 위해서는 저장온도를 높이거나 처리시간을 더 길게할 필요가 있다. 또한 습도를 낮추면 효과가 상승된다. MA 방법이 성공적인 결과를 도출한 반면 그 반대의 경우도 보고되었다. 어떤 해충들은 MA환경에 적응해서 자랄 수 있는 유전적 potential을 가지고 있다. 예를 들면 Bond and Buckland (1979)는 MA 처리 후 오히려 S. granarius 의 개체수가 증가한 것을 발견했다. 처리 후 품질변화에 대해서는, 옥수수의 발아율이 감소했고 또한 쌀의 경우 sensory values, thiamine 그리고 niacin 함량의 감소가 발생했다.
3.3. Modified atmosphere에 대한 고찰
MA 처리법은 옥수수 kernel의 starch 함량에는 변화를 주지 않으면서 aflatoxin의 생성을 억제하는 positive한 효과를 보여주기도 했다. MA저장법은 free fatty acids, molds, 그리고 mycotoxin의 생성을 억제하면서 해충을 박멸시킨다고 보고되었다. 종합해보면 MA disinfestation의 효율은 target 해충의 타입, 해충의 life stage 그리고 저장 곡물의 종에 좌우된다. 따라서 MA 기술은 target specific 하기 때문에 여러 종류의 곡물을 처리하기위해 여러 시스템들을 디자인하고 구축하는 것은 비용적인 측면에서 비효율적이다. 안전성 문제로는 어떤 특정 저장조건에서 모두 존재하는 해충종류를 다 박멸하지 못하는 경우가 있다는 것이다. 그리고 사멸까지 시간이 많이 걸린다는 것도 단점이다.
4. Dielectric heating
4.1. Dielectric heating 원리
Dielectric heating은 고주파 전자기장 하에 처리하는 물질 중의 polar molecules과 ions의 이동 및 재배치에 따른 마찰열, 즉 volumetric heat generation에 기반한 방법이다. Radio-Frequency (RF) waves나 microwaves (MW)가 dielectric heating을 할 수 있는 주파수와 파장길이를 가지고있다. United States Federal Communications Commission (FCC)에 따르면 RF heating에는 13.56 MHz, 27.12 MHz, 그리고 40.68 MHz를 사용할 수 있고 MW heating에는 915 MHz, 2450 MHz, 5800 MHz, 그리고 24125 MHz가 사용이 가능하다 (Wang et al., 2011).
Heating 속도에 관여하는 인자들은 dielectric loss factor, 비열, 밀도인데 가장 큰 영향을 미치는 결정인자는 dielectric loss factor이다. 해충의 dielectric loss factor는 곡물의 그것보다 월등히 커서 dielectric heating 중에 해충의 heating 속도는 곡물보다 빠르다. 그래서 해충이 곡물보다 더 빨리 가열되어서 곡물의 큰 열적손실을 주지않고 해충을 사멸하게 된다. 발생된 열은 해충의 단백질 분자들과 핵산을 변성시키고 탈수를 유발하며 또한 세포막을 파괴시킨다. 이것은 해충의 종류 및 life stage와 상관없이 일어나기 때문에 큰 장점으로 간주된다. Lethal time 과 lethal temperature는 해충의 종, life stage, MW/RF power, 곡물 수분함량에 좌우된다. 그래서 최적화된 처리온도 및 시간 조합은 dielectric heating으로 모든 life stage의 해충을 박멸하는데 중요한 결정요소가 된다.
4.2. Microwave heating 응용
Microwave heating 방법은 저온저장과 같이 사용했을때도 효과적이다. 2.45 GHz의 MW를 100 W에서 500 W의 power에서 처리한 후 6°C 이하에서 24 h, 48 h, 그리고 72 h 저온저장했을때 모든 life stage의 O. surinamensis, L. serricorne, P. interpunctella, T. castaneum H., 그리고 S. oryzae L.를효과적으로 박멸할 수 있었다. MW heating은 좋은 잠재력을 가지고 있지만 곡물의 품질에 부정적인 영향을 주는 경우도 있었다. MW heating의 주요 단점은 부피가 큰 경우 불균일한 heating으 로 인한 불균일한 온도분포를 유발한다는 것인데 이는 microwave의 비교적 짧은 투과깊이때문이다. 이로 인해 “hot spot”이 생길 수 있는데 어느 위치에서 전체 평균보다 더 높은 온도를 가지는 것으로 곡물의 발아율 등이 저하될 수 있다. 또한 곡물의 starch 및 단백질 구조를 변화시키며 장시간 처리시 곡물 분말용액의 점도를 상승시켰다. 하지만 분말 yield, loaf volume 과 지방, fibre, 탄수화물 그리고 ash 함량에는 영향을 미치지 않았다. MW는 10.16 cm 이상의 샘플의 두께를 잘 투과하지 못하므로 부피가 큰 샘플의 경우 문제가 될 수 있다. 그래서 대류 및 복사를 기반으로 하는 heating 방법과 혼용할 경우 더 균일한 처리를 할 수 있을 거라고 기대된다.
4.3. Radio frequency heating 응용
Radio frequency heating도 dielectric heating의 일종으로 MW보다는 파장이 더 길다. 그래서 투과깊이가 더 깊어서 더 큰 volume의 샘플을 처리할 수 가 있다. 그리고 selective heating 효과도 MW보다 더 커서 해충을 곡물보다 더 빨리 가열 시킬수 있다 (Shrestha and Baik, 2013). 따라서 target 해충을 lethal temperature까지 heating하는 시간이 더 짧아서 곡물의 물리화학적 특성에 열적변성을 덜 유발시킨다. RF heating 동안 해충의 mortality는 해충의 volume, 수분함량 그리고 life stage에 영향을 받는다. 고수분함량 (11%)과 고처리온도 (80°C)가 곡물 내 성충 (T. castaneum)을 죽이는데 더 효과가 있었다. 그리고 샘플 volume이 더 큰 경우에 (small-196.3 cm3, large-1766 cm3) 곡물의 수분함량에 관계없이 (5-11%) 해충박멸에 필요한 처리온도 (60°C)가 낮아지는 현상이 있었다. 반면 small volume은 80°C가 요구되었다 (Yu et al., 2016). 하지만 MW처럼 불균일한 heating은 여전히 관측되었다. 이를 해결하기위해 연구자들은 hot air, 교반, tumbling, 전극의 각도 조정, PEI block 사용 등으로 heating uniformity를 개선하려는 노력을 했다. C. maculatus (F.) 그리고 S. oryzae (L.)의 경우 언급한 방법들과 혼용함으로써 해충박멸을 보다 성공적으로 할 수 있었다 (Jiao et al., 2012; Zhou and Wang, 2016).
4.4. Dielectric heating에 대한 고찰
Dielectric heating은 대량의 곡물을 빠르게 효과적으로 처리할 수 있는 방법이다. Dielectric heating 방법들은 처리 중 곡물을 다소 건조시키지만 이는 shelf life를 연장하는데 오히려 도움이 되고 곡물내의 anti-nutritional 그리고 negative flavor 성분들을 감소시킨다고 보고 되어있다. 문헌에서는 부정적인 효과도 보고되어있는데 곡물의 발아율, 단백질, water activity, hardness, 색의 변화를 일으키고 starch, free fatty acid, ash, 지방 함량에 변화를 일으킨다고 한다 (Yu et al, 2016, Zhou and Wang, 2016). 처리시 applicator내의 전자기장의 분포 (따라서 온도분포)는 여러가지 parameter들 즉, 곡물의 geometry 그리고 물리화학적 특성, dielectric heating system 종류, 그리고 전극배열에 영향을 받는다. 더 나은 heating 균일도를 원할 경우 다른 unit operation과 integration하는 것이 추천된다.
5. 결론
본 리포트에서 거론했던 비화학적인 방법들, 즉 ionizing radiation, controlled atmosphere, 그리고 dielectric heating은 곡물 저장시 해충박멸에 효과적이다. 하지만 각 기술마다 고유의 극복할 점들이 있고 또한 곡물의 물리화학적 특성에 영향을 미친다. 이런 문제들은 다른 unit operation, 예를 들어 cold storage, forced convection, 혼합, 그리고 sample movement 등을 혼용하여 극복할 수 있다고 사료된다.
References
1. Klaseen, W. Area-Wide Integrated Pest Management and the Sterile Insect Technique. In V. A. Dyck, J. Hendrichs, & A. S. Robinson (Eds), Sterile Insect Technique Principles and Practice in Area-Wide Integrated Pest Management (pp. 39-68). Vienna: IAEA, 2005.
2. Enu, R., & Enu. P. Sterilization of grains using ionizing radiation: The case study in Ghana. European Science Journal, 10(6), 117- 136, 2014.
3. Bhuiya, A. D., Ahmed, M., Rezaur, R., Nahar, G., Huda, S. M. S., & Hossain, S. A. K. M. Radiation disinfestation of pulses, oilseeds and tobacco leaves. In: Insect disinfestation of food and agricultural products by irradiation (pp. 27-50). Vienna: IAEA, 1991.
4. Farkas, J., & Farkas, C. M. History and future of food irradiation. Trends in Food Science and Technology, 22(2-3), 121-126. doi: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2010.04.002, 2011.
5. Bond, E. J., & Buckland, C. T. Development of resistance of carbon dioxide in the granary weevil. Journal of Economic Entomology, 72, 770–771. doi: https://doi.org/10.1093/jee/72.5.770, 1979.
6. Wang, Y., Li, Y., Wang, S., Zhang, L., Gao, M., Tang, J. Review of Dielectric Drying of Foods and Agricultural Products. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 4(1), 1–19. doi: 10.3965/j.ijabe.2011.04.01.001-019, 2011.
7. Shrestha, B., & Baik, O. D. Radio frequency selective heating of stored-grain insects at 27.12 MHz: A feasibility study. Biosystems Engineering, 114(3), 195-204. doi: https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2012.12.003, 2013.
8. Yu, D., Shrestha, B., & Baik, O. D. Radio frequency (RF) control of red flour beetle (Tribolium castaneum) in stored rapeseeds (Brassica napus L.). Biosystems Engineering, 151, 248-260. doi: https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2016.09.006, 2016.
9. Jiao, S., Johnson, J. A., Tang, J., & Wang, S. Industrial-scale radio frequency treatments for insect control in lentils. Journal of Stored Products Research, 48, 143-148. doi: https://doi.org/10.1016/j.jspr.2011.12.001, 2012.
10. Zhou, L., & Wang, S. Verification of radio frequency heating uniformity and Sitophilus oryzae control in rough, brown, and milled rice. Journal of Stored Products Research, 65, 40-47. doi: https://doi.org/10.1016/j.jspr.2015.12.003, 2016.
백운두, oon-doo.baik@usask.ca
Department of Chemical and Biological Engineering, University of Saskatchewan
Key words
Chemical treatment, non-chemical treatment, ionizing radiation, modified atmosphere, microwave heating, radio frequency heating
1. 서문
해충으로 인한 곡물의 손실은 글로벌 전체 곡물생산량의 약 1/3에 해당한다. 화학 살충제를 이용한 곡물의 disinfestation은 1950년대부터 산업적으로 시행되어 왔었는데 1990년에서 2000년 사이에 전세계적으로 30 billion USD 이상의 경비가 지출되었었다. 산업적으로 가장 흔하게 쓰는 chemical disinfectants는 malathion (C10H19O6PS2), chlorpyrifos-methyl (C7H7C13NO3PS), deltamethrin (C22H19Br2NO3), methyl bromide (MeBr), 그리고 phosphine (PH3) 이다.
MeBr은 환경 및 건강에 해가 된다는 이유로 2015년 이후로 사용을 금지하고 있다. 다른 chemical disinfectants들도 내성 생성 및 인체 유독성 문제로 사용자제를 권고하고 있다. 따라서 환경친화적이고 인체에 무해한 비화학적 방법의 사용이 주목을 받아왔었고 그에 따른 연구들도 활발하게 진행되고 있다. 곡물저장시 해충박멸을 위한 비화학적 방법으로는 irradiation, modified atmosphere (MA), dielectric heating, cold plasma processing, electron beam technology, 그리고 soft electron 등이 있는데 마지막 세 방법들은 장단점을 의미있게 분석할 만한 충분한 양의 문헌적 자료가 없어서 본 KOSEN 리포트에서는 다루지 않았다.
2. Ionizing radiation
2.1. Ionizing radiation 원리
Ionizing radiation은 물질의 원자 및 분자에서 전자를 제거하여 이온화시킬 정도의 에너지를 전달할 수 있는 전자기파 형태의 방사선 조사기술이다. 식품 내의 해충박멸 목적으로 미국 FDA에서 승인한 방사선은 137Cs, 60Co gamma-rays, x-rays (< 5 MeV), 그리고 electron beams (<10 MeV)이 있다. 방사 후 수컷 성충의 정자에 치명적인 돌연변이를 일으켜서 해충 군집 수를 감소시키는 효과가 있다 (Klaseen, 2005). 일반적인 식품관련 irradiation 설비 모듈로는 radiation generator, irradiation chamber, protection guarding, transport system, air evacuation system 그리고 safety system을 들 수 있다.
2.2. Ionizing radiation 응용
60Co radiation은 50 cm 정도의 깊이로 bulk grains을 투과할 수 있기 때문에 모든 life stage의 S. zeamais, C. maculatus, C. chinensis (L), S. zeamais, 그리고 S. oryzae을 박멸할 수 있는데 처리 후 곡물의 향, 맛 그리고 형태에 변화가 거의 없다 (Enu and Enu, 2014; Bhuiya et al., 1991). 성충을 즉시 사멸시키려면 아주 높은 dose를 조사해야 한다 (？ 1kGy). 일반적으로 해충 애벌레는 알보다 방사선에 더 견딜 수 있는 저항력이 있다. 방사선조사는 애벌레로 진행되는 기간을 더 연장시킬수 있고 번데기로 변화하는 것을 늦출 수도 있다. 애벌레가 번데기로 바뀌기 전에 방사선을 조사하는 것이 더 효과적이다. 방사선 조사시 grain 품질에 부정적인 효과도 관측되었다. 예를 들면, 6.25 krad 이상의 강한 조사시 보리와 밀의 발아율이 감소되었다. 하지만 영양학적인 가치에는 의미있는 변화가 없었다. 특이한 점은 10 kGy 강도 이하로 조사할 경우 품질에 영향을 주지않고 anti-nutrient components (protease inhibitors, lectin, phytic acid, non-starch polysaccharides, 그리고 oligosaccharides)를 비활성화할 수 있었다.
2.3. Ionizing radiation에 대한 고찰
일반적으로 1 kGy이하의 방사선 조사는 곡물의 유전적 그리고 생화학적 특성에 영향을 주지 않고 효과적으로 해충을 박멸시킬 수 있고 그 효과적인 조사치 범위는 0.2 kGy to 0.8 kGy 이다 (Farkas and Farkas, 2011). WHO에 따르면 방사선 조사는 식품사용에 안전하며 병원성세균 및 해충을 박멸하고 식품의 shelf life를 연장하는데 도움을 준다고 하였다. 그래서 사용의 허용여부에 관해서는 의심할 필요는 없다. 최근에 방사선조사에 대한 연구에서 추천되는 것은 박멸효과는 상승시키고 부작용을 최소화하는 방법으로 방사선조사 단독사용보다는 다른 기존의 방법들과 혼용해서 사용하는 것이다.
3. Modified atmosphere (MA)
3.1. Modified atmosphere 원리
곡물저장시 발생하는 해충들은 aerobic이므로 이론상 이산화탄소 농도를 높이고 산소농도를 낮추면 해충을 사멸할 수 있다. Controlled chamber 내의 산소 및 이산화탄소의 농도조절은 hermetic storage, assisted hermetic storage, 그리고 MA under altered atmospheric pressure 등의 방법으로 한다. 간단히 vacuum 펌프를 이용해서 chamber 내 기압을 25-50 mmHg (절대압력)로 내리는 것만으로 해충치사율을 높여준다. 또한 고농도의 이산화탄소 환경에서는 해충의 spiracles을 열어서해충을 탈수시켜 사멸시킨다. 평균보다 10% 이상의 고농도 이산화탄소는 영구적으로 해충의 spiracles을 개방시킨다. 또한 이산화탄소는 해충의 신경계에 손상을 입히고 hemolymph를 산성화해 tissue의 막을 파괴하며 어떤 경우는 narcotic효과를 이끌어내 해충을 마비시킨다.
3.2. Modified atmosphere 응용
성충들이 가장 저압저장에 취약한 것으로 보인다. 번데기와 알은 저압환경에서 내성이 있는 것으로 보이고 MA를 효과적으로 사용하기 위해서는 저장온도를 높이거나 처리시간을 더 길게할 필요가 있다. 또한 습도를 낮추면 효과가 상승된다. MA 방법이 성공적인 결과를 도출한 반면 그 반대의 경우도 보고되었다. 어떤 해충들은 MA환경에 적응해서 자랄 수 있는 유전적 potential을 가지고 있다. 예를 들면 Bond and Buckland (1979)는 MA 처리 후 오히려 S. granarius 의 개체수가 증가한 것을 발견했다. 처리 후 품질변화에 대해서는, 옥수수의 발아율이 감소했고 또한 쌀의 경우 sensory values, thiamine 그리고 niacin 함량의 감소가 발생했다.
3.3. Modified atmosphere에 대한 고찰
MA 처리법은 옥수수 kernel의 starch 함량에는 변화를 주지 않으면서 aflatoxin의 생성을 억제하는 positive한 효과를 보여주기도 했다. MA저장법은 free fatty acids, molds, 그리고 mycotoxin의 생성을 억제하면서 해충을 박멸시킨다고 보고되었다. 종합해보면 MA disinfestation의 효율은 target 해충의 타입, 해충의 life stage 그리고 저장 곡물의 종에 좌우된다. 따라서 MA 기술은 target specific 하기 때문에 여러 종류의 곡물을 처리하기위해 여러 시스템들을 디자인하고 구축하는 것은 비용적인 측면에서 비효율적이다. 안전성 문제로는 어떤 특정 저장조건에서 모두 존재하는 해충종류를 다 박멸하지 못하는 경우가 있다는 것이다. 그리고 사멸까지 시간이 많이 걸린다는 것도 단점이다.
4. Dielectric heating
4.1. Dielectric heating 원리
Dielectric heating은 고주파 전자기장 하에 처리하는 물질 중의 polar molecules과 ions의 이동 및 재배치에 따른 마찰열, 즉 volumetric heat generation에 기반한 방법이다. Radio-Frequency (RF) waves나 microwaves (MW)가 dielectric heating을 할 수 있는 주파수와 파장길이를 가지고있다. United States Federal Communications Commission (FCC)에 따르면 RF heating에는 13.56 MHz, 27.12 MHz, 그리고 40.68 MHz를 사용할 수 있고 MW heating에는 915 MHz, 2450 MHz, 5800 MHz, 그리고 24125 MHz가 사용이 가능하다 (Wang et al., 2011).
Heating 속도에 관여하는 인자들은 dielectric loss factor, 비열, 밀도인데 가장 큰 영향을 미치는 결정인자는 dielectric loss factor이다. 해충의 dielectric loss factor는 곡물의 그것보다 월등히 커서 dielectric heating 중에 해충의 heating 속도는 곡물보다 빠르다. 그래서 해충이 곡물보다 더 빨리 가열되어서 곡물의 큰 열적손실을 주지않고 해충을 사멸하게 된다. 발생된 열은 해충의 단백질 분자들과 핵산을 변성시키고 탈수를 유발하며 또한 세포막을 파괴시킨다. 이것은 해충의 종류 및 life stage와 상관없이 일어나기 때문에 큰 장점으로 간주된다. Lethal time 과 lethal temperature는 해충의 종, life stage, MW/RF power, 곡물 수분함량에 좌우된다. 그래서 최적화된 처리온도 및 시간 조합은 dielectric heating으로 모든 life stage의 해충을 박멸하는데 중요한 결정요소가 된다.
4.2. Microwave heating 응용
Microwave heating 방법은 저온저장과 같이 사용했을때도 효과적이다. 2.45 GHz의 MW를 100 W에서 500 W의 power에서 처리한 후 6°C 이하에서 24 h, 48 h, 그리고 72 h 저온저장했을때 모든 life stage의 O. surinamensis, L. serricorne, P. interpunctella, T. castaneum H., 그리고 S. oryzae L.를효과적으로 박멸할 수 있었다. MW heating은 좋은 잠재력을 가지고 있지만 곡물의 품질에 부정적인 영향을 주는 경우도 있었다. MW heating의 주요 단점은 부피가 큰 경우 불균일한 heating으 로 인한 불균일한 온도분포를 유발한다는 것인데 이는 microwave의 비교적 짧은 투과깊이때문이다. 이로 인해 “hot spot”이 생길 수 있는데 어느 위치에서 전체 평균보다 더 높은 온도를 가지는 것으로 곡물의 발아율 등이 저하될 수 있다. 또한 곡물의 starch 및 단백질 구조를 변화시키며 장시간 처리시 곡물 분말용액의 점도를 상승시켰다. 하지만 분말 yield, loaf volume 과 지방, fibre, 탄수화물 그리고 ash 함량에는 영향을 미치지 않았다. MW는 10.16 cm 이상의 샘플의 두께를 잘 투과하지 못하므로 부피가 큰 샘플의 경우 문제가 될 수 있다. 그래서 대류 및 복사를 기반으로 하는 heating 방법과 혼용할 경우 더 균일한 처리를 할 수 있을 거라고 기대된다.
4.3. Radio frequency heating 응용
Radio frequency heating도 dielectric heating의 일종으로 MW보다는 파장이 더 길다. 그래서 투과깊이가 더 깊어서 더 큰 volume의 샘플을 처리할 수 가 있다. 그리고 selective heating 효과도 MW보다 더 커서 해충을 곡물보다 더 빨리 가열 시킬수 있다 (Shrestha and Baik, 2013). 따라서 target 해충을 lethal temperature까지 heating하는 시간이 더 짧아서 곡물의 물리화학적 특성에 열적변성을 덜 유발시킨다. RF heating 동안 해충의 mortality는 해충의 volume, 수분함량 그리고 life stage에 영향을 받는다. 고수분함량 (11%)과 고처리온도 (80°C)가 곡물 내 성충 (T. castaneum)을 죽이는데 더 효과가 있었다. 그리고 샘플 volume이 더 큰 경우에 (small-196.3 cm3, large-1766 cm3) 곡물의 수분함량에 관계없이 (5-11%) 해충박멸에 필요한 처리온도 (60°C)가 낮아지는 현상이 있었다. 반면 small volume은 80°C가 요구되었다 (Yu et al., 2016). 하지만 MW처럼 불균일한 heating은 여전히 관측되었다. 이를 해결하기위해 연구자들은 hot air, 교반, tumbling, 전극의 각도 조정, PEI block 사용 등으로 heating uniformity를 개선하려는 노력을 했다. C. maculatus (F.) 그리고 S. oryzae (L.)의 경우 언급한 방법들과 혼용함으로써 해충박멸을 보다 성공적으로 할 수 있었다 (Jiao et al., 2012; Zhou and Wang, 2016).
4.4. Dielectric heating에 대한 고찰
Dielectric heating은 대량의 곡물을 빠르게 효과적으로 처리할 수 있는 방법이다. Dielectric heating 방법들은 처리 중 곡물을 다소 건조시키지만 이는 shelf life를 연장하는데 오히려 도움이 되고 곡물내의 anti-nutritional 그리고 negative flavor 성분들을 감소시킨다고 보고 되어있다. 문헌에서는 부정적인 효과도 보고되어있는데 곡물의 발아율, 단백질, water activity, hardness, 색의 변화를 일으키고 starch, free fatty acid, ash, 지방 함량에 변화를 일으킨다고 한다 (Yu et al, 2016, Zhou and Wang, 2016). 처리시 applicator내의 전자기장의 분포 (따라서 온도분포)는 여러가지 parameter들 즉, 곡물의 geometry 그리고 물리화학적 특성, dielectric heating system 종류, 그리고 전극배열에 영향을 받는다. 더 나은 heating 균일도를 원할 경우 다른 unit operation과 integration하는 것이 추천된다.
5. 결론
본 리포트에서 거론했던 비화학적인 방법들, 즉 ionizing radiation, controlled atmosphere, 그리고 dielectric heating은 곡물 저장시 해충박멸에 효과적이다. 하지만 각 기술마다 고유의 극복할 점들이 있고 또한 곡물의 물리화학적 특성에 영향을 미친다. 이런 문제들은 다른 unit operation, 예를 들어 cold storage, forced convection, 혼합, 그리고 sample movement 등을 혼용하여 극복할 수 있다고 사료된다.
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