농산물의 유통기한 연장을 위한 새로운 기술

과일과 채소가 먹기도 전에 상하면 누구나 죄책감을 느껴본 적이 있을 것입니다. MIT와 싱가포르-MIT 연구기술연합(SMART)의 연구진은 생분해성 미세바늘을 사용하여 수확한 식물에 멜라토닌을 주입함으로써 유통기한을 연장할 수 있다는 것을 보여주었습니다.

음식물 쓰레기 문제는 샐러드에만 국한되지 않기 때문에 매우 중요합니다. 전 세계 식량의 30% 이상이 수확 후 손실되는데, 이는 10억 명 이상의 인구를 먹여 살릴 수 있는 양입니다. 냉장은 식품을 보관하는 가장 일반적인 방법이지만, 세계 여러 지역에서 감당할 수 없거나 접근이 어려운 에너지와 기반 시설이 필요합니다.

연구진은 이 시스템이 냉장의 대안 또는 보완책이 될 수 있다고 믿습니다. 이 접근 방식의 핵심은 실크 미세바늘 패치입니다. 이 미세바늘은 스트레스 반응을 일으키지 않고 식물의 질기고 윤기 나는 피부를 뚫고 식물의 내부 조직에 정확한 양의 멜라토닌을 전달할 수 있습니다.

"이 미세바늘을 사용하여 갓 자른 작물의 유통기한을 연장하는 데 성공한 것은 이번이 처음입니다."라고 이 연구의 수석 저자이자 MIT 토목환경공학 부교수이자 MIT 기후 프로젝트 와일드 카드 미션 책임자인 베네데토 마렐리는 말합니다. "이 기술을 사용하여 식물의 수확 후 생리 기능을 조절하거나 제어할 수 있는 무언가를 제공할 수 있을 것이라고 생각했습니다. 결국 호르몬을 분석해 보니, 멜라토닌은 식물이 이러한 기능을 조절하는 데 이미 사용되고 있었습니다. 우리가 버리는 음식만으로도 약 16억 명을 먹여 살릴 수 있습니다. 미국에서도 이러한 접근 방식은 언젠가 건강식품에 대한 접근성을 확대할 수 있을 것입니다."

나노 레터스(Nano Letters) 에 게재될 이 연구에서 마렐리와 SMART 연구진은 멜라토닌이 함유된 미세바늘을 잎채소인 청경채의 뿌리에 작은 패치로 부착했습니다. 부착 후, 연구진은 멜라토닌이 청경채의 유통기한을 실온에서 4일, 냉장 보관 시 10일 연장하는 것으로 확인했습니다. 이를 통해 더 많은 작물이 버려지기 전에 소비자에게 도달할 수 있게 되었습니다.

"수확 후 폐기물은 심각한 문제입니다. 이 문제는 아프리카와 동남아시아 등 신흥 시장에서 매우 중요한데, 이 지역에서는 많은 작물이 생산되지만 농장에서 시장까지 운송되는 과정에서 제대로 관리되지 않기 때문입니다."라고 싱가포르 테마섹 생명과학연구소의 선임 책임 연구원이자 이 연구의 공동 선임 저자인 사로잠 라자니는 말합니다.

식물 스트레스 해소제

수년간 마렐리 연구실은 작물에 영양분을 공급하고 식물 건강을 모니터링하는 데 실크 미세바늘을 활용하는 방법을 연구해 왔습니다. 실크 피브로인 단백질로 만든 미세바늘은 무독성이며 생분해성이며, 마렐리의 이전 연구에서는 이를 대량 생산하는 방법을 제시했습니다.

미세바늘이 식품의 유통기한을 연장하는 능력을 시험하기 위해, 연구진은 노화 과정에 영향을 미치는 것으로 알려진 호르몬을 미세바늘이 전달하는 능력을 연구하고자 했습니다. 멜라토닌은 인간의 수면을 돕는 것 외에도 많은 식물에 존재하는 천연 호르몬으로, 식물의 성장과 노화를 조절하는 데 도움을 줍니다.

"저희가 공급하는 멜라토닌의 양은 작물이 완전히 대사할 정도로 매우 적기 때문에 식품에 일반적으로 존재하는 멜라토닌 양을 크게 증가시키지 않습니다. 평소보다 더 많은 멜라토닌을 섭취하지 않을 것입니다."라고 마렐리는 말합니다. "저희가 배추를 선택한 이유는 아시아에서 매우 중요한 작물이고, 또한 배추는 매우 상하기 쉽기 때문입니다."

배추는 일반적으로 잎이 많은 식물을 뿌리에서 잘라내어 줄기 기부를 노출시켜 수확합니다. 줄기 기부는 물과 영양분을 식물 전체에 분배하는 관다발에 쉽게 접근할 수 있도록 합니다. 연구를 시작하기 위해 연구진은 먼저 미세바늘을 사용하여 줄기 기부에 형광 염료를 주입하여 관다발이 식물 전체에 염료를 확산시킬 수 있는지 확인했습니다.

연구자들은 일반 배추 식물과 멜라토닌을 뿌리거나 담근 배추 식물의 유통기한을 비교한 결과, 아무런 차이가 없음을 발견했습니다.

연구진은 기준 유통기한을 확립한 후, 멜라토닌이 함유된 미세바늘을 배추 뿌리에 손으로 작은 조각으로 붙였습니다. 그런 다음 처리된 식물과 대조군을 플라스틱 상자에 넣어 실온과 냉장 보관했습니다.

연구팀은 식물의 무게, 외관, 엽록소(식물이 오래될수록 감소하는 녹색 색소) 농도 등을 모니터링하여 식물을 평가했습니다.

실온에서 무처리 대조군의 잎은 2~3일 이내에 황변하기 시작했습니다. 4일째에는 황변이 가속화되어 식물을 판매할 수 없을 정도였습니다. 반면, 멜라토닌이 함유된 실크 마이크로니들로 처리된 식물은 5일째에도 녹색을 유지했고 황변 과정이 상당히 지연되었습니다. 처리된 식물의 체중 감소와 엽록소 감소 또한 실온에서 상당히 둔화되었습니다. 연구진은 전반적으로 마이크로니들로 처리된 식물이 8일째까지 판매 가능한 가치를 유지했다고 추정했습니다.

마렐리는 "우리는 콜드체인 없이도 배추의 유통기한을 늘릴 수 있다는 것을 확실히 확인했습니다."라고 말합니다.

화씨 40도 정도의 냉장 조건에서는 식물의 황변이 평균 5일 정도 늦어졌으며, 치료를 받은 식물은 25일까지 비교적 녹색을 유지했습니다.

"식물의 분광광도 분석 결과, 처리된 식물은 항산화 활성이 더 높았고, 유전자 분석 결과 멜라토닌은 식물 내부에서 보호 연쇄 반응을 일으켜 엽록소를 보존하고 호르몬을 조절하여 노화를 늦추는 것으로 나타났습니다."라고 테마섹 생명과학 연구실의 전 박사후 연구원이자 공동 제1저자인 모니카 장기르가 말했습니다.

SMART 산하 농업 정밀성을 위한 혁신적이고 지속 가능한 기술(DiSTAP) 학제 연구 그룹의 공동 제1저자이자 연구 과학자인 양양 한은 "우리는 멜라토닌의 효과를 연구했고, 멜라토닌이 식물을 자른 후 스트레스 반응을 개선하는 것을 확인했습니다. 즉, 식물이 겪는 스트레스를 근본적으로 줄이고 유통기한을 연장하는 것입니다."라고 말합니다.

수확 후 보존을 향해

미세바늘은 농약 살포나 침지와 같은 다른 살포 방식에 비해 폐기물을 최소화할 수 있지만, 연구진은 미세바늘을 대량으로 적용하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다고 지적합니다. 예를 들어, 이번 실험에서는 미세바늘 패치를 수작업으로 적용했지만, 향후 트랙터, 자율 드론, 기타 농업 장비 등을 이용하여 패치를 적용할 수 있을 것으로 예상됩니다.

"이 방법이 널리 채택되려면 비용 대비 성능 기준을 충족해야 합니다."라고 마렐리는 설명합니다. "이 방법은 농부들이 정기적으로 사용할 수 있을 만큼 저렴해져야 합니다."

연구팀은 앞으로 미세바늘 전달 기술을 이용하여 다양한 호르몬이 다양한 작물에 미치는 영향을 연구할 계획입니다. 연구팀은 이 기술이 모든 종류의 농산물에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

"우리는 이것이 작물의 가치와 품질에 미치는 영향을 어떻게 높일 수 있을지 계속해서 분석할 것입니다."라고 마렐리는 말합니다. "예를 들어, 이를 통해 작물의 영양가, 모양, 질감 등을 조절할 수 있을까요? 또한 이 기술을 현장에서 활용할 수 있도록 확장하는 방안도 계속 검토할 것입니다."

이 연구는 싱가포르-MIT 연구기술연합(SMART)과 싱가포르 국립연구재단의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250521124247.htm