Introduction

잎채소(leaf vegetables)는 가장 많이 소비되는 야채 중의 하나로 탁월한 건강 효능 효과와 신선 식품을 선호하는 소비자들의 선호도와 맞물려 많은 주목을 받고 있다. 하지만 잎채소는 식중독 감염(foodborne outbreaks)을 일으키는 주요한 식품 중의 하나로 미국의 경우 전체 식중독 발생의 17%를 차지하고 있다(CDC, 2022). 잎채소는 잎 면적이 넓고 기공(stomata)을 통해 병원성 박테리아(이콜라이(E.coli), 살모넬라(Salmonella), 리스테리아(Listeria) 등)가 세포안으로 침투하기 쉽다. 일단 침투한 병원성 박테리아는 이산화염소수 처리와 같은 표면 처리 방법으로는 살균이 어렵다(Buchanan, 2006). 일반적으로 농식품은 살균을 위하여 60~100℃의 고온에서 짧은 시간 노출된다. 잎채소의 경우는 열처리를 할 경우 품질의 변화가 생겨, 방사선 조사와 같은 비가열 살균 기술이 대안으로 제시되고 있다.

방사선 조사는 전자선이나 감마선을 대상 농식품에 쏘아 주어 유해한 미생물을 살균하는 기술로 국제 기구(FAO/IAEA/WHO)에서 유용하고 안전한 식품 살균 방법으로 공인되어 상업적으로 이용되고 있다. 방사선 조사 기술은 투과력이 높아서 제품이 포장된 상태에서도 처리가 가능하며, 식품의 저장 기간을 연장할 수 있다.

방사선 조사는 육류뿐만 만 아니라 과일이나 채소에 주로 존재하는 병원성 세균의 살균 처리에 이용되고 있다(Castell-Perez and Moreira, 2010; Gomes et al., 2011; Moreira and Castell-Perez, 2011). 하지만 방사선은 과일이나 채소의 세포벽을 파괴하여 조직의 강도를 감소시킨다. Hajare et al.(2006)와 Kim et al.(2010)은 방사선 조사된 홍당무와 복숭아의 강도가 방사선량이 증가함에 따라 감소한다고 보고하였다. 또한 2 kGy 이상의 높은 방사선량으로 과일이나 채소를 처리할 경우 색이 변하고 악취가 발생하여 전체적인 품질이 저하된다(Gomes et al., 2008). 이러한 방사선 조사의 단점을 해결하기 위하여 다른 비가열처리(염소수, 유기산)를 포함하는 복합처리기술이 연구되고 있다(Park et al., 2018; Jeon and Ha, 2020). 하지만 공정이 복잡하고 처리 비용이 증가하여 효율이 높지 않다. 따라서 품질 변화를 최소화하며 살균 효과를 극대화할 수 있는 방사선 처리가 매우 중요하다.

소비자들은 농식품의 색이나 표면의 불규칙성을 나타내는 결 등 외양에 의해 구매를 결정하게 된다. 지금까지 방사선 조사된 과일이나 채소의 품질 평가에는 단순히 색차계를 이용하여 처리 전·후의 색상의 변화를 비교하거나 패널을 이용한 관능 검사를 실시하였다(Han et al., 2004; Moreno et al., 2006; Moreno et al., 2007). Jeon과 Ha(2020)는 시금치 잎을 대상으로 X선과 구연산(citric acid)을 이용하여 식중독균의 살균 효과를 연구하였으나, 단순히 색상의 측정과 물성분석기를 이용하여 잎의 강도를 측정하였다. 하지만 단순한 색의 변화보다는 대상 농식품의 결, 조직감 등이 소비자들의 구매와 소비를 결정하는 중요한 요인이 된다.

따라서 본 연구에서는 방사선 조사된 샐러드용 시금치의 색상과 결 분석을 통하여 낮은 선량의 전자선이 시금치의 품질에 미치는 영향을 분석하고, 품질 변화를 최소화할 수 있는 방사선 조사 방법을 제시하고자 한다.

Materials and Methods

시료(샐러드용 시금치)의 전처리

비닐 봉지에 포장된 샐러드용 시금치를 방사선 조사 실험 하루 전에 마트에서 구입하였다(Fig. 1). 샐러드용 시금치의 평균 수분 함량은 91.4%이고 포장 전에 이미 염소수로 세척이 되어 있었다. 실험 결과의 신뢰성을 높이기 위하여 포장 일자가 동일한 제품을 구입하였고, 육안으로 판별하여 잎의 변형이 있거나 색상이 일정하지 않은 것은 제거하였다. 지퍼백에 온전한 잎 60 g 정도씩을 넣어 조사 실험 전까지 4℃에서 보관하였다.

Fig. 1.

Bag of baby spinach leaves.

방사선 조사 실험

방사선 조사 실험에는 2 MeV 전자가속기가 사용되었다. 유리샬레(90x20 mm)에 약 10장 정도(8 g)의 시금치 잎을 가지런히 넣고(Fig. 2) 전자선에 노출시켰다(Fig. 3).

Fig. 2.

Spinach leaves in a petri dish.

Fig. 3.

Irradiation of spinach leaves at 2.0 MeV electron beam.

시금치 잎에 존재할 수 있는 병원성 세균(살모넬라, 리스테리아 등)의 경우 1 kGy의 선량에서 99.999% 감소를 보이고 있다(Gomes et al., 2011). 따라서 본 연구에서는 0 kGy부터 1.2 kGy까지 0.2 kGy간격으로 시금치 잎의 선량을 증가시켰다. 전자선에 노출되지 않은 시금치 잎들은 대조구로 이용되었다.

2 MeV 전자선은 생체 물질을 대상으로 5 mm 깊이까지 투과하여 높은 에너지를 전달할 수 있다. 따라서 시금치 잎은 거의 균일한 방사선량을 받게 된다. 방사선량은 필름선량계(radiochromic film dosimeter)를 시금치 잎이 들어있는 유리샬레 앞·뒷면에 부착하여 측정하였다. 선량측정기(Radiochromic reader model 92, Far West Technology Inc., Goleta, CA, USA)를 이용하여 필름의 방사선 전·후에서 흡광도를 측정하였고, 이 값은 보정식을 통하여 방사선량으로 계산되었다. 방사선 조사가 끝난 시금치 잎은 시험 조건에 따라 구분된 지퍼백에 담아 4℃에서 보관하였다.

시금치 잎의 영상 처리

고화질 영상의 획득이 가능한 평판형 스캐너(Microtek ScanMaker 8700 Pro Series, Microtek USA, Carson, CA)가 본 연구에서 사용되었다. 시금치 잎의 경우 투과 모드에서는 영상 정보를 얻기 어려워 반사 모드에서 스캔하였다(Fig. 4). 컬러 영상(RGB)의 깊이를 나타내는 색심도는 8비트(bit)로 조정하였고, 영상 분해능은 처리 속도를 고려하여 600 dpi(dot/inches)로 고정하였다. 시금치 잎의 경우 색이 진하고 윤기가 나는 앞면과 다소 연한 빛을 띠며 잎줄기가 선명한 뒷면의 경우 차이가 뚜렷하다. 따라서 시금치 잎의 앞면과 뒷면을 모두 스캔하였다.

Fig. 4.

Scanning of spinach leaves.

스캔된 영상에서 잎 영역만을 추출하였다. 2차원 공간 필터를 이용하여 원본 영상을 향상시키고, 오츠(Otsu) 방법을 사용하여 전역 영상을 이진화하였다. 또한 추출된 잎 영역에서 색 강도의 차이를 이용하여 잎면과 잎줄기로 구분하였다.

RGB 색공간은 사람이 느끼는 두가지 색간의 색차와 계산된 수치로 색상에 따른 많은 차이를 보이지만, Lab 색공간은 눈과 매우 유사한 차이를 보여주기 때문에 영상처리에서 많이 이용되고 있다. Lab에서 색좌표는 L*a*b*로 표시되며 L*는 명도(brightness), a*는 적색과 녹색의 정도, b*는 황색과 청색의 정도를 나타낸다. 본 연구에서는 MATLAB을 이용하여 RGB 색공간을 Lab 색공간으로 변환하였고, L*와 a*값을 이용하여 시금치 잎의 색상변화를 고찰하였다.

시금치 잎의 결 분석

시금치 잎의 영상처리에는 MATLAB의 이미지 프로세싱 툴박스(Image Processing Toolbox, Ver. 11.5)가 이용되었다. 우선 시금치의 RGB 컬러 영상은 결 분석 등을 위하여 회색조 영상(gray level)으로 변환되었다. 윤곽선 검출 작업 전의 잡영 제거에는 Otsu 영상 필터가 사용되었고, 윤곽선 검출은 역치(thresholding) 방법에 의해 이루어졌다. 이러한 영상 처리를 통하여 시금치 잎만의 영역을 추출하여 결 분석을 진행하였다.

물체 표면의 특성을 나타내는 결은 거의 불규칙한 모습을 보이기 때문에 통계적인 모델에 의하여 가장 잘 묘사된다. 영상의 히스토그램을 이용하여 다음의 통계량들이 계산되었다.

평활도(Smoothness, R)는 영상에서 상대적인 거칠기를 나타내며 식 (1)에 의해 계산되었다.

여기서 σ2(z)는 영상 세기의 분산 값을 나타낸다. 평활도가 0에 가까우면 영상의 결은 매끄럽고, 평활도가 증가할수록 영상의 결은 거칠어진다.

균일도(Uniformity, U)는 영상의 값들이 얼마나 균일한가를 나타내며 식 (2)에 의해 계산되었다.

여기서 z는 영상의 세기(intensity)를 나타내는 변수이고, p(z)는 특정한 세기에서 빈도수를 나타낸다. L은 히스토그램의 세기 단계(intensity level)를 나타낸다. 영상의 모든 세기 값이 같으면 균일도는 최대가 된다.

엔트로피(Entropy, e)는 영상 값들의 무질서도를 나타내며 식 (3)에 의해 계산되었다.

영상의 히스토그램을 이용한 결 분석에서는 픽셀의 위치에 대한 정보를 고려하지 않고 있다. 콘트라스트(contrast, C)는 영상에서 이웃하는 픽셀 사이의 대비를 나타내며 식 (4)를 이용하여 계산되었다(Gonzalez et al., 2011).

여기서 i, j는 동시등장 행렬(co-occurance matrix)의 행과 열을 나타내며, K는 행 혹은 열의 크기를 나타낸다. qij는 동시등장 행렬에서 각 행렬의 값을 전체의 합으로 나눈 값이다. 콘트라스트는 단일한 영상에서는 0이 되며, 엔트로피와 함께 영상의 불규칙함을 잘 나타낸다.

요약하면 시금치 잎의 결분석을 위하여 각 선량과 저장기간에서 평활도, 균일도, 엔트로피, 콘트라스트를 계산하고 비교하였다. 또한 시금치의 잎 면적은 영상의 전체 픽셀 수를 이용하였다.

Results and Discussion

방사선 조사에 의한 시금치 잎의 색상 변화

Table 1은 시금치 잎의 앞면과 뒷면에서 선량과 저장기간에 따른 L^*값을 나타내고 있다. 시금치 잎의 앞·뒷면 모두 선량이 증가할수록 전자선 조사 후 6일 동안은 잎의 명도가 감소하는 경향을 보이고 있으나, 그 이후에는 큰 차이를 보이지 않고 있다. 이는 전자선에 의해 시금치 잎의 광색소가 파괴되어 변색이 일어난 것으로 판단된다. 또한 모든 선량조건에서 2주간의 저장기간 동안 뚜렷한 명도 변화를 보이지 않고 있다. 또한 전체적으로 시금치 잎의 뒷면이 앞면보다 밝은 것으로 나타났다(p＜0.05).

Table 2는 조사된 시금치의 선량과 저장기간에 따른 녹색 정도를 보여주고 있다. 시금치 잎의 앞면에서 선량이 증가할수록 6일까지 적색도 (a^*)가 증가하였으나, 이후에는 녹색으로 다시 돌아왔다. 전자선 조사에 의해 일시적으로 색소가 파괴되었으나 시간이 경과함에 따라 복구된 것으로 보인다(Moreno et al., 2007). 조사된 시금치 잎에서 저장기간이 증가함에 따라 녹색도가 증가(a^*는 감소)하고 있으며, 이는 대조구와 비슷한 경향을 나타낸다. 이러한 결과는 방사선량이 낮아 품질에 적은 영향을 끼친 것으로 보인다.

전체적으로 6일까지 선량에 의해 명도와 녹색도는 영향을 받지만 그 이후에는 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않고 있다. 또한 저장 기간에 따라 명도의 변화는 크지 않고 녹색도도 증가하고 있다. 따라서 1.2 kGy 이하의 낮은 선량에서 시금치 잎의 전체적인 색상변화는 유의한 차이를 나타내지 않고 있다.

방사선 조사에 의한 시금치 잎의 결 변화

Fig. 5는 시금치 잎의 저장 기간 동안 콘트라스트 값을 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 조사된 시금치 잎에서의 콘트라스트가 대조구보다 큰 것을 알 수 있다. 콘트라스트는 주변 픽셀과의 대비를 나타내는 값으로 전자선에 노출된 시금치 잎에서 영상의 불규칙함이 큰 것으로 나타났다. 저장 기간은 콘트라스트 값의 변화에 영향을 끼치지 않는 것으로 나타났다.

Fig. 5.

Average contrast values of baby spinach leaves during the storage period.

반면 엔트로피는 히스토그램 정보를 이용하여 영상의 불규칙함을 나타낸다. 콘트라스트와 마찬가지로 조사된 시금치에서 불규칙함이 큰 것을 알 수 있고 선량 간의 유의한 차이는 나타나지 않고 있다(Fig. 6). 콘트라스트와 엔트로피 모두 조사된 시금치에서 값이 큰 것을 알 수 있다.

Fig. 6.

Average entropy values of baby spinach leaves during the storage period.

평활도는 영상의 거칠기를 나타내며 영상이 매끈할수록 낮아진다. 시금치 잎의 경우 햇빛을 받기 위해 편편한 모양의 잎몸(Lamina)과 줄기에서 올라오는 물과 영양분을 잎몸 구석구석 전달하는 잎맥(midrib, vein)으로 구성되어 있다. 잎몸은 엽록체 때문에 진한 녹색을 띠고 균일하지만, 잎맥은 물과 영양분의 통로로 다소 연한 색을 띠고 매끄럽지 못하다(Fig. 7). 전자선은 얇은 잎몸보다는 통로가 있는 잎맥에 영향을 준다. 하지만 잎맥이 전체 잎 면적에 차지하는 비율이 낮아(5.41%) 선량에 따른 평활도의 변화는 통계적으로 유의한 차이를 나타내지 않고 있다(Fig. 8). 또한 1.2 kGy 이하의 낮은 선량 조건에서는 저장 기간에 따른 평활도의 변화가 뚜렷하지 않다.

Fig. 7.

Basic structure of a baby spinach leaf.

Fig. 8.

Smoothness of baby spinach leaves for 14 days at different irradiation doses.

Fig. 9는 시금치 잎의 선량에 따른 균일도를 보여주고 있다. 영상의 세기 히스토그램에서 값들이 모두 균일하다면 균일도는 최대가 된다. 그림에서 보는 바와 같이 1.2 kGy에서 균일도가 낮은 것을 알 수 있으며, 이것은 전자선에 의해 시금치 잎에 생긴 주름에 기인한다. 일반적으로 방사선이 식물체에 조사되었을 경우, 세포벽을 구성하는 펙틴, 셀룰로스, 반투과성막에 피해를 주어 구조가 약해지고 조직의 팽압이 감소하게 된다(Prakash et al., 2000). 이러한 현상에 의해 잎의 표면에 주름이 생기며, 시금치 잎의 경우 1.2 kGy에서 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 저장기간에 따른 영향은 나타나지 않고 있다.

Fig. 9.

Uniformity of baby spinach leaves at different irradiation doses for 14 days.

Fig. 10은 저장 기간에 따른 시금치 잎의 면적 변화를 보여주고 있다. 저장 기간 동안 잎의 호흡으로 일평균 0.5%씩 잎 면적이 감소하고 있다. 전자선에 처리된 잎과 대조구 잎 사이에는 유의한 차이는 나타나지 않으며, 방사선량에 의한 영향 또한 나타나지 않았다. 본 실험에서는 방사선량이 낮아서 시금치 잎의 생리학적 변화가 잎 면적에 영향을 주지 못한 것으로 나타났다.

일반적으로 엽채류의 신선함을 유지할 수 있는 기간은 2주이다(Prakash et al., 2000). 따라서 전자선 처리된 시금치를 2주 동안 저장해도 잎면적은 7% 정도 밖에 줄어들지 않아 육안으로 품질 변화를 구별하기 어렵다. 결론적으로 1.2 kGy 이하의 낮은 선량에서 시금치 잎의 결은 유의한 차이를 나타내지 않고 있다.

Fig. 10.

Total spinach leaf area during the storage period.

Conclusion

본 연구에서는 전자선이 조사된 시금치 잎의 색상과 결 분석을 통하여 품질 변화를 규명하였다. 시금치는 조사 후 6일까지 명도와 녹색도에 변화가 있지만, 그 이후에는 차이가 나타나지 않았다. 영상의 거칠기를 나타내는 평활도는 선량과 저장기간에 따른 차이를 보이지 않았으나, 균일도는 1.2 kGy에서 낮게 나타났다. 조사된 시금치 잎의 면적 변화는 대조구와 거의 동일하게 나타났다. 이러한 연구 결과는 1.2 kGy 이하의 낮은 선량으로 시금치 잎을 처리할 경우 시각적 품질 변화가 나타나지 않음을 보여주고 있다.

하지만 육안에 의한 평가뿐 만 아니라 조사된 시금치 잎의 품질을 종합적으로 판정하기 위해서는 소비자들의 선호도를 알 수 있는 관능검사와 연성, 강성 등 재료의 물리적 특성 검사가 필요하다. 방사선 조사는 엽채류에 존재할 수 있는 병원성 미생물을 상온에서 처리하고 품질을 보존할 수 있는 안전한 식품 처리기술로 지속적인 연구가 필요하다.