1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.2 펄프몰드 표면 개질 및 실링 처리 방법
2.3 시료 물리적 특성 평가
2.4 표면 코팅에 따른 기능성 평가
3. 결과 및 고찰
3.1 표면 코팅에 따른 펄프몰드 및 코팅제 물리적 특성
3.2 표면 코팅에 따른 펄프몰드 기능적 특성
4. 결 론
1. 서 론
최근 1인 가구의 증가와 간편식(home meal replacement, HMR), 신선편이식품(fresh-cut food) 시장의 확대에 따라 식품 포장재의 기능과 중요성이 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 샐러드, 과채류, 컵과일 등 다양한 신선식품의 간편식 소비 및 배달 포장이 빠르게 증가함에 따라 포장 및 유통 과정에서 신선식품의 품질을 안정적으로 유지할 수 있는 포장 기술의 필요성이 더욱 커지고 있다. 신선식품의 경우 가공 과정이 최소화되어 있어 저장 중 수분 손실, 조직 연화, 갈변 및 미생물 증식 등에 의해 품질이 쉽게 저하되므로, 적절한 포장기술의 적용은 제품의 상품성과 저장수명을 결정하는 중요한 요소로 작용한다[1].
현재 식품 포장 분야에서는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등 다양한 플라스틱 소재가 가장 널리 사용되고 있다[2]. 이러한 플라스틱 소재는 우수한 내수성, 내유성 및 기체 차단성을 가지며, 기계적 강도와 성형성이 우수하여 다양한 형태의 식품 포장재 제조가 가능하다. 또한 생산 공정이 비교적 단순하고 경제성이 높아 현재까지 대부분의 신선식품 포장재에 적용되고 있다. 그러나 플라스틱은 자연환경에서 분해가 매우 어렵고 폐기 후 장기간 잔류하여 미세플라스틱 발생 및 환경오염을 유발하는 문제를 가지고 있으며[3], 이러한 문제를 해결하기 위해 세계 각국에서는 일회용 플라스틱 사용을 제한하고 재활용 및 생분해성 소재의 사용을 확대하는 정책을 지속적으로 추진하고 있다[4]. 이에 따라 기존 플라스틱을 대체할 수 있는 친환경 포장소재 개발에 대한 관심이 크게 증가하고 있다.
이러한 배경에서 펄프몰드는 목재 및 재생펄프를 기반으로 제조되는 친환경 성형 포장재로서 높은 재활용성과[5] 생분해성을 갖는 소재로 주목받고 있다. 펄프몰드는 원료의 대부분이 천연 셀룰로오스 섬유로 구성되어 사용 후 재활용이 가능하며, 폐기 시 자연분해가 가능하여 환경 부담을 크게 줄일 수 있다는 장점을 가진다. 또한 성형 공정을 통해 다양한 형태의 제품 제조가 가능하여 계란판, 과일 트레이, 식품 용기, 산업용 완충재 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며[6], 최근에는 플라스틱 식품 용기를 대체하기 위한 연구도 활발히 이루어지고 있다[7,8]. 특히, 펄프몰드의 활용성 증대를 위한 다양한 바이오매스 원료를 활용한 펄프몰드의 품질 및 기능성 개선 연구도 지속적으로 수행되고 있으며 감귤박[9], 왕겨 섬유[10], 맥주박[11], 침엽수 낙엽[12] 등의 원료화 및 펄프몰드 적용을 통한 기능성 강화와 구조적 특성 개선 등을 향상시키려는 연구들이 보고되고 있다.
천연섬유를 기반으로 제조되는 펄프몰드는 셀룰로오스 섬유가 형성하는 다공성 구조와 친수성으로 인해 수분과 유분이 쉽게 침투하는 한계를 가진다. 이러한 특성은 액체가 시료 내부로 빠르게 흡수되어 강도 저하와 형태 변형을 유발할 뿐만 아니라 높은 수분투과도로 인해 저장 중 신선식품의 수분 손실을 촉진하는 원인이 된다. 따라서 플라스틱 포장재를 대체하는 친환경 신선식품 포장재 등으로 펄프몰드를 활용하기 위해서는 기존의 친환경성과 재활용성을 유지하면서도 수분 및 유분에 대한 저항성을 향상시킬 수 있는 기술개발이 요구되고 있다.
최근에는 펄프몰드의 기능성 증대를 위하여 코팅 처리를 통한 펄프몰드의 품질 개선 연구[13] 및 합성 천연계 코팅제의 적용 가능성을 검토한 연구[14] 등 다양한 기술을 적용하여 내수성, 내유성 및 배리어 특성을 향상시키기 위한 연구들이 지속적으로 이루어지고 있다. 그러나 기존 연구는 표면처리에 의한 품질향상 가능성에 초점을 맞추고 있으며, 실제 신선식품 저장 시 수분 유지 및 외관 품질 변화와 같은 저장 특성을 함께 평가한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 생분해성 아크릴계 코팅제를 적용하여 식품용 펄프몰드를 제조하고, 표면 코팅에 따른 내수성, 내유성 및 수분 차단 특성을 평가하였다. 또한 이러한 코팅처리에 의한 신선식품 저장 중 수분 유지와 외관 품질 변화를 비교·분석함으로써, 신선식품 포장재로서의 적용 가능성을 알아보았다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 표면 코팅 처리에 따른 펄프몰드의 내수성, 내유성 및 신선도 유지 성능을 평가하기 위하여 건식 성형 공정으로 제조된 M사(Korea)의 식품용 펄프몰드 용기를 실험 시료로 사용하였다. 사용된 펄프몰드는 평량 412.8 ± 43.5 g/m2, 두께 653.0 ± 6.1 µm 및 벌크 0.15 ± 0.02 cm3/g의 기본 물성을 나타내었으며, 모든 실험은 동일한 규격의 시료를 사용하여 수행하였다. 또한 표면 코팅의 효과를 확인하기 위해 N사(Korea)에서 제공받은 생분해성 수분산 아크릴계 코팅제를 적용하여 코팅 처리 후 물리적 및 기능적 특성을 비교·평가하였다.
2.2 펄프몰드 표면 개질 및 실링 처리 방법
2.2.1 스프레이 코팅 방법
펄프몰드의 초기 수분이 코팅층 형성에 미치는 영향을 최소화하기 위해 전처리 과정을 거쳐 펄프몰드 시료의 함수율을 3% 이하로 조정하였다. 표면 코팅은 2.0 mm 노즐이 장착된 중력식 에어 스프레이건(W-77G, Bluetec, China)을 이용하여 3 ± 1 bar의 압력 조건에서 수행하였다. 코팅량은 시료 면적 10 cm × 10 cm를 기준으로 1.5 ± 0.2 g이 도포되도록 분사 조건을 제어하였다. 코팅 처리 후 시료를 160 ± 10°C로 설정된 열풍건조기에서 1분간 건조하여 코팅층을 형성하였다.
2.2.2 상부 실링 처리 방법
표면 코팅 처리된 펄프몰드의 신선도 유지 성능을 평가하기 위하여 시료 상부 개방부를 실링 필름으로 밀봉하여 포장 조건을 조성하였다. 실링 재료로는 실링 필름(Sealing film, S사, Korea)을 사용하였으며, 펄프몰드 용기의 개구부 크기에 맞추어 재단한 후 상단 가장자리에 부착하였다. 필름과 용기의 접합에는 투명 다용도 접착제(Pattex Transparent All Purpose Adhesive, H사, Korea)를 사용하였으며, 접착 후 충분한 건조 시간을 부여하여 실링부를 완전히 고정하였다. 이를 통해 외부 공기 및 산소의 유입을 최소화한 밀폐 저장 환경을 조성한 후 신선도 유지 평가를 수행하였다.
2.3 시료 물리적 특성 평가
2.3.1 펄프몰드 특성 평가
표면 코팅 전후 펄프몰드의 물리적 특성을 비교하기 위해 시료를 22 ± 1°C, 상대습도 50 ± 1%의 표준 조건에서 24시간 조습 처리하였다. 이후 KS M ISO 536에 준하여 평량을 측정하였고, 다이얼 인디케이터(Dial indicator 2046-08, Mitutoyo, Japan)를 사용하여 측정 지점별 두께 값을 구한 뒤 평균값으로 제시하였다. 시료의 벌크는 측정된 평량과 두께를 이용하여 KS M ISO 534에 의거하여 산출하였다.
2.3.2 코팅제 특성 평가
코팅제의 공정 적용성을 평가하기 위해 고형분 함량, 점도, 흐름성 및 분사성을 분석하였다. 고형분 함량은 함수율 측정기(MAC 50, RADWAG, Poland)를 이용하여 측정된 함수율을 바탕으로 산출하였으며, 점도는 저전단 점도계(LVDV-II+ Pro, Brookfield, USA)를 이용하여 측정하였고, 점도 측정 시 동일한 온습도 조건(25 ± 1°C, 40 ± 1%)에서 63번 스핀들을 이용하여 60 rpm 조건에서 점도를 측정하였다. 또한 분사성은 동일한 분사압(3 ± 1 bar)과 노즐 조건(노즐구경 : 2.0 mm)에서 단위 시간당 분사되는 코팅제의 질량(g/sec)을 측정하여 나타내었으며, 흐름성은 동일한 양의 코팅제(2 g)가 일정 조건에서 규정 거리(10 cm)를 이동하는 데 소요되는 시간(sec)을 기준으로 평가하였다.
2.4 표면 코팅에 따른 기능성 평가
2.4.1 펄프몰드 내수성 및 내유성 평가
표면 코팅 처리에 따른 펄프몰드의 내수성 및 내유성을 평가하기 위해 접촉각 측정기(Phoenix 150, S.E.O, Korea; contact angle: 0–180 ± 0.1°, frame rate: 70 frames/s, CCD camera resolution: 640 × 480 pixels)를 이용하여 접촉각(contact angle)을 측정하였다. 각 시료를 평평한 측정대에 고정한 후 시료 표면으로부터 약 1 cm 높이에서 증류수와 식용유를 각각 0.1 mL씩 적하하였으며, 액적이 표면에 안정적으로 형성된 직후의 접촉각을 측정하였다. 모든 측정은 동일한 조건에서 3회 반복 수행하여 평균값으로 나타내었으며, 접촉각이 클수록 액체의 젖음성이 낮고 내수성 및 내유성이 우수한 것으로 평가하였다.
2.4.2 펄프몰드 수분 흡수 저항성 평가
표면 코팅 처리에 따른 펄프몰드의 수분 흡수 저항성(water absorption resistance)을 평가하기 위하여 TAPPI Standard Method T-441에 따라 Cobb Sizing Test를 수행하였다. 시료는 7 × 7 cm 크기로 재단한 후 Cobb Sizing Tester (DM-88, Korea)를 이용하여 시료 표면에 증류수 50 mL를 300 s 동안 접촉시켰다. 시험 종료 후 시료 표면의 잔여 수분을 제거한 뒤 시험 전·후의 질량을 측정하여 Eq. (1)에 따라 수분 흡수도(water absorption, g/m2)를 산출하였다. 이후 수분 흡수도를 이용하여 수분 흡수 저항성(water absorption resistance)을 계산하여 표면 코팅 처리에 따른 내수성을 비교·평가하였다(Eq. (2)).
where, : wet weight of sample (g)
: dry weight of sample (g)
F : 10,000 / test area
2.4.3 펄프몰드 수분투과도 평가
펄프몰드의 수분투과도(water vapor transmission rate, WVTR)를 평가하기 위하여 TAPPI Standard Method T-464에 따라 시험을 수행하였다. 시험컵 내부에 건조된 실리카겔(Silicagel blue, Daejung, Korea)을 충진한 후, 시료를 시험컵 입구에 밀봉하여 수증기가 시료를 통해서만 투과할 수 있도록 하였다. 준비된 시험컵은 22 ± 1°C 및 상대습도 50 ± 1%로 유지되는 항온항습기(C-CTHM1, Chang Shin Science, Korea)에 보관하였으며, 일정 시간 간격으로 시험컵의 질량을 측정하여 수증기 투과에 따른 질량 증가량을 확인하였다. 측정된 질량 증가량을 이용하여 단위 면적 및 시간당 수분 투과량(g/m2·day)으로 환산하여 Eq. (3)에 따라 수분투과도를 산출하였으며, 이를 바탕으로 표면 코팅 처리에 따른 수증기 차단 성능을 비교·평가하였다.
where, W : The amount of water that passes through the sample (g)
A : The surface area of the sample (m2)
T : The time duration over which the permeability is measured (h, hours)
2.4.4 식품 모델 접촉 특성 평가
펄프몰드 표면 코팅의 차단 성능을 확인하기 위해 식품 모델을 이용한 내수성 및 내유성 평가를 수행하였다. 시험에는 수분 및 유분에 대한 차단 특성을 평가하기 위한 식품 모델로서 수분 함량이 높은 토마토 케첩(Tomato ketchup, O사, Korea)과 유분을 다량 함유한 오리엔탈 드레싱(Oriental dressing, P사, Korea)을 사용하였다. 10 × 10 cm 크기로 절단한 펄프몰드 시료의 표면에 각각의 소스를 1 g씩 도포한 후 상온(25°C)에서 1시간 동안 방치하였다. 이후 소스의 표면 잔존 상태와 시료 내부로의 침투, 번짐 및 흡수 정도를 육안으로 비교하여 코팅 처리에 따른 식품 모델 접촉 특성을 평가하였다.
2.4.5 수분 유지 특성 평가
표면 코팅 처리된 펄프몰드가 신선 채소의 저장 중 수분 유지에 미치는 영향을 평가하기 위하여 양상추를 시료로 사용하였다. 양상추를 각각의 펄프몰드 용기에 담은 후 식품 포장용 실링 필름(Sealing film)으로 밀봉하여 22 ± 1°C 및 상대습도 50 ± 5%의 저장 조건에서 보관하였다. 저장 전 양상추의 초기 중량을 전자저울(± 0.01 g)을 이용하여 측정한 후, 설정된 저장 기간(2일)이 경과한 시점에서 동일한 조건으로 최종 중량을 측정하였다. 초기 중량과 저장 후 중량을 비교하여 저장 중 수분 유지 특성을 평가하였다. 수분 유지율이 높을수록 저장 중 수분 손실이 적어 신선도가 효과적으로 유지된 것으로 판단하였으며, 표면 코팅 처리 유무에 따른 수분 유지 성능을 비교·평가하였다. 모든 실험은 3회 반복 수행하였으며, 결과는 평균값과 표준편차로 나타내었다.
2.4.6 외관 품질 평가
표면 코팅 처리된 펄프몰드가 신선 채소 및 과일류의 저장 품질에 미치는 영향을 확인하기 위해 저장 기간 동안 시료의 외관 변화를 육안으로 평가하였다. 신선도 평가는 시료의 변색 정도, 위조 정도, 수분 손실에 따른 수축, 조직감 변화, 부패 발생 여부 및 전체적인 외관 품질을 종합적으로 고려하여 5점 척도의 관능평가 방법으로 수행하였으며, 평가 기준을 Table 1에 나타내었다. 이때, 저장 초기와 유사한 매우 신선한 상태를 5점으로, 변색 및 조직 연화 등 품질 저하가 뚜렷한 상태를 1점으로 정의하여 각 시료의 신선도를 비교하였다.
Table 1.
Criteria for visual appearance quality evaluation of fresh produce
3. 결과 및 고찰
3.1 표면 코팅에 따른 펄프몰드 및 코팅제 물리적 특성
3.1.1 펄프몰드 물리적 특성
표면 코팅 처리에 따른 펄프몰드의 구조적 특성 변화를 확인하기 위하여 무처리 펄프몰드와 표면 코팅 펄프몰드의 평량(basis weight), 두께(thickness) 및 벌크(bulk)를 측정하였으며, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 펄프몰드는 평면 시트와 달리 곡면과 굴곡부를 포함하는 입체적인 구조를 가지므로, 특정 지점의 측정값만으로 전체 시료의 두께 특성을 대표하기에는 한계가 있었다. 이에 따라 두께는 시료의 중앙부 1개 지점과 중앙부를 기준으로 상·하·좌·우에 위치한 주변부 4개 지점 등 총 5개 지점에서 측정하였으며, 각 지점의 측정값을 평균하여 시료의 대표 두께로 산출하였다. 또한 동일한 위치에서 무처리 시료와 코팅 시료의 두께를 비교함으로써 스프레이 코팅이 펄프몰드 전반에 걸쳐 균일하게 적용되었는지를 확인하였다.
Table 2.
The structural properties of non-coated and coated pulp molds
| Basis weight (g/m2) | Thickness (µm) | Bulk (cm3/g) | |
| Non-coated pulp mold | 412.8 ± 43.5 | 653.0 ± 6.1 | 0.15 ± 0.02 |
| Coated pulp mold | 562.8 ± 43.9 | 695.4 ± 8.2 | 0.12 ± 0.01 |
표면 코팅 처리 후 펄프몰드의 평량은 412.8 ± 43.5 g/m2에서 562.8 ± 43.9 g/m2로 약 36% 증가하였다. 평량 증가량을 기준으로 환산한 결과, 10 × 10 cm 기준 평균 약 1.5 g의 코팅제가 도포된 것으로 확인되었으며, 이를 통해 목표 도공량이 균일하게 적용된 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 굴곡이 있는 펄프몰드 표면에 스프레이 방식으로 코팅제를 분사하였기 때문에 위치에 따라 코팅량과 두께 편차가 발생할 가능성이 있으나 중앙부와 주변부를 포함한 여러 지점에서 두께를 측정한 결과, 특정 부위에서 현저한 두께 증가나 코팅제의 국부적인 축적은 관찰되지 않았고, 측정 지점 간 두께 편차도 비교적 크지 않은 것으로 나타났다. 또한 코팅 전·후 평량의 표준편차가 유사한 수준을 유지한 점을 고려할 때, 코팅제가 일부 부위에 집중되기보다는 펄프몰드 표면 전반에 비교적 균일하게 분포된 것으로 판단되었다.
반면 벌크는 0.15 ± 0.02 cm3/g에서 0.12 ± 0.01 cm3/g으로 약 20% 감소한 결과를 나타내었다. 벌크 감소는 단위 질량당 부피가 감소하였음을 의미하며, 표면 코팅에 의해 섬유 간 공극이 감소하고 구조가 더욱 치밀해진 것으로 판단되었다. 일반적으로 벌크의 감소는 표면 공극률 감소와 밀도 증가를 의미하며, 이는 수분 및 기름의 침투 경로를 감소시켜 내수성 및 내유성 향상에 긍정적으로 작용하는 것으로 알려져 있다. 또한 선행연구에서 생분해성 아크릴계 코팅제를 스프레이 방식으로 적용한 후 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과, 코팅층이 펄프섬유 표면과 공극을 덮어 연속적인 코팅막을 형성하는 것으로 보고된 바 있다[14]. 특히 표면 구조가 비교적 균일한 건식 펄프몰드에서는 일정한 두께의 코팅층이 형성되어 표면 공극이 효과적으로 충진되는 것이 확인되었다. 이러한 결과는 표면 코팅이 펄프몰드의 다공성 구조를 치밀하게 만들어 물질의 침투 경로를 감소시킨다는 것을 시사한다. 본 연구에서도 표면 코팅 처리 후 벌크가 감소하였으며, 이는 선행연구에서 보고된 공극 충진 및 구조 치밀화 현상과 유사한 경향을 나타내는 것으로 판단되었다.
3.1.2 코팅제 물리적 특성
펄프몰드 표면에 균일한 코팅층을 형성하기 위하여 스프레이 코팅 공정을 적용하였다. 스프레이 코팅의 경우 코팅제의 점도, 고형분 함량 및 유동 특성에 따라 분무 안정성, 도포량 및 코팅 균일성이 크게 영향을 받기 때문에 코팅제의 물리적 특성 평가를 통한 균일한 코팅처리 기반 데이터 확보가 필수적이다. 일반적으로 코팅제의 점도와 고형분 함량이 지나치게 낮을 경우, 분사된 코팅제가 펄프몰드 표면에 충분히 정착하지 못하고 흘러내리거나 일부 영역에 집중되어 균일한 코팅층 형성이 어려운 문제가 발생한다. 반대로 점도와 고형분 함량이 과도하게 높은 경우에는 스프레이 노즐의 막힘, 분사압력의 불균일, 액적의 퍼짐성 저하 및 건조 후 불균일한 코팅층 형성 등의 문제가 발생하여 코팅 품질과 공정 효율이 저하될 수 있다. 따라서 스프레이 코팅 공정에서는 코팅제의 점도와 유동 특성을 적정 수준으로 제어하는 것이 필요하다.
이에 본 연구에서는 사용된 생분해성 아크릴계 코팅제의 점도(viscosity), 고형분 함량(solid contents), 분사성(sprayability) 및 흐름성(flowability)을 측정하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다. 분사성은 동일한 분사 조건에서 1 s 동안 분사된 코팅제의 질량(g/sec)을 측정하여 평가하였으며, 흐름성은 시편을 수직으로 고정한 후 상단에서 코팅제 2 g을 적하하여 10 cm 구간을 흘러내리는 시간을 측정함으로써 평가하였다.
Table 3.
Physical properties of the acrylic coating solution
| Properties of coating solution | |
| Viscosity (cP) | 452.7 |
| Solid contents (%) | 40.3 |
| Sprayability (g/sec) | 7.5 |
| Flowability (g/sec) | 40 |
평가 결과, 아크릴계 코팅제의 점도는 452.7 cP, 고형분 함량은 40.3%로 나타났다. 코팅액의 점도 및 유변학적 특성은 스프레이 분사 과정에서 액적의 형성과 미립화(atomization)에 영향을 미치는 주요 인자로, 균일한 코팅층 형성을 위해서는 적절한 유변학적 특성을 확보하는 것이 중요하다[15]. 또한 수계 아크릴계 코팅제의 점도는 분사성(sprayability) 및 표면에서의 확산 거동에 영향을 미칠 수 있으며, 원활한 스프레이 적용을 위해 적절한 점도 조절이 필요한 것으로 보고되었다[16]. 펄프섬유 성형품의 경우에도 코팅제의 물성과 적용 조건이 표면 코팅층 형성 및 최종 품질에 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있다[14]. 이러한 선행연구를 바탕으로 본 연구에서 사용한 아크릴계 코팅제의 스프레이 적용성을 평가한 결과, 452.7 cP의 점도 조건에서 과도한 비산이나 노즐 막힘 없이 안정적인 분사가 가능하였으며, 펄프몰드 표면에 비교적 균일한 코팅층이 형성되는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 적용한 분무 조건에서 해당 코팅제의 점도는 안정적인 스프레이 코팅이 가능한 수준으로 판단되었다.
또한 40.3%의 비교적 높은 고형분 함량은 건조 후 충분한 두께의 코팅막을 형성하면서도 과도한 수축이나 균열 발생을 억제하는 데 유리한 것으로 판단되었다. 분사성 평가 결과에서도 목표 코팅량을 안정적으로 확보할 수 있는 균일한 토출 특성을 나타냈으며, 흐름성 평가에서는 과도한 흐름 없이 코팅제가 펄프몰드 표면에 안정적으로 정착하는 것으로 확인되었다. 이는 코팅제가 굴곡을 갖는 3차원 펄프몰드 표면에서도 균일한 코팅층을 형성하기에 적합한 유변학적 특성을 가지는 것을 보여주고 있다.
따라서, 본 연구에서 적용한 아크릴계 코팅제는 스프레이 코팅 공정에 적합한 점도와 고형분 함량을 가지며, 우수한 분사성 및 흐름성을 나타내어 펄프몰드 표면에 균일한 코팅층을 형성할 수 있음을 확인하였다. 이러한 물리적 특성은 이후 평가한 접촉각, 내수성 및 내유성 향상의 기반이 되는 중요한 인자로 판단된다.
3.2 표면 코팅에 따른 펄프몰드 기능적 특성
3.2.1 펄프몰드 내수성 및 내유성
표면 코팅 처리에 따른 펄프몰드의 기능적 특성을 평가하기 위하여 수분(Water)과 유분(Oil)을 각각 적용하여 접촉각(contact angle)을 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 기존 선행연구에서는 침엽수 화학 열기계 펄프(soft wood chemi-thermo mechanical pulp, CTMP), 활엽수 표백 크라프트 펄프(hardwood bleached kraft pulp, BKP)와 신문고지(old news paper, ONP) 등의 펄프섬유를 적용하여 제조한 건식 펄프몰드의 표면 접촉각을 평가한 결과, 모든 시료에서 물 및 기름에 대한 접촉각이 90° 이하를 나타내어 다공성 구조와 셀룰로오스 섬유의 친수성 특성으로 인해 수분과 유분이 빠르게 흡수되는 것으로 보고된 바 있다[7]. 따라서 펄프몰드를 식품 포장재로 활용하기 위해서는 표면의 젖음성을 제어하고 내수성 및 내유성을 향상시킬 수 있는 표면 개질 기술이 요구된다. 이에 본 연구에서는 생분해성 아크릴계 코팅제를 이용한 표면 코팅 처리를 적용하여 수분 및 유분에 대한 표면 접촉각 변화를 평가하고, 코팅에 따른 내수성 및 내유성 향상 효과를 확인하고자 하였다.
Fig. 1에서 확인할 수 있듯이, 무처리 펄프몰드는 물과 기름 모두 액적이 표면에 넓게 퍼지는 형태를 나타내었으며, 물 접촉각은 약 60°, 기름 접촉각은 약 35°로 측정되어 높은 젖음성을 나타내었다. 이는 펄프몰드를 구성하는 셀룰로오스 섬유의 친수성과 표면의 다공성 구조로 인해 액체가 섬유 사이의 공극으로 쉽게 침투하였기 때문으로 판단된다. 특히 기름의 경우 물에 비해 낮은 표면장력으로 인해 표면에서 더욱 쉽게 퍼지는 거동을 나타내어 무처리 펄프몰드의 낮은 내유성을 확인할 수 있었다.
반면, 표면 코팅 처리된 펄프몰드는 물과 기름 모두 액적의 퍼짐이 현저히 감소하였으며, 물 접촉각은 약 100°, 기름 접촉각은 약 90°까지 증가하였다. 특히 물 접촉각이 90° 이상으로 증가한 것은 코팅 처리에 의해 펄프몰드 표면의 젖음성이 감소하고 소수성이 향상되었음을 나타낸다. 기름 접촉각 또한 무처리 조건에 비해 크게 증가하여 표면 코팅에 의해 유분의 침투 및 확산에 대한 저항성이 향상된 것으로 판단되었다.
이와 유사하게 식품 포장용 펄프몰드 표면에 나노피브릴화 셀룰로오스와 셸락 기반의 나노복합 코팅을 적용한 선행연구에서도 표면 코팅 처리에 따라 물과 기름에 대한 접촉각이 증가하고 내유성이 향상되었으며, 수증기 및 산소 차단 특성 또한 개선되는 것으로 보고된 바 있다[17]. 이러한 결과는 코팅층이 펄프섬유의 친수성 표면과 다공성 구조를 피복함으로써 액체와 섬유 간의 직접적인 접촉 및 공극을 통한 침투를 제한한 결과로 설명될 수 있다.
본 연구에서도 생분해성 아크릴계 코팅 처리에 의해 펄프몰드 표면에 연속적인 코팅층이 형성되면서 셀룰로오스 섬유가 직접적으로 노출되는 것을 감소시키고, 액체의 젖음 및 내부 침투를 억제한 것으로 판단된다. 또한 코팅 처리에 따른 표면 화학적 특성의 변화는 액체와 고체 표면 사이의 계면 상호작용 및 표면 자유에너지에 영향을 미쳐 액적의 젖음성을 감소시키는 데 기여했을 것으로 판단된다. 이에 따라 물과 기름 모두에서 높은 접촉각이 유지되었으며, 결과적으로 생분해성 아크릴계 표면 코팅 처리는 펄프몰드의 발수 및 발유 특성을 향상시켜 내수성과 내유성 개선에 효과적인 것으로 확인되었다. 이러한 경향은 표면 코팅을 통해 펄프 기반 식품 포장재의 액체에 대한 젖음과 침투를 억제하고 차단 특성을 향상시킬 수 있다는 기존 연구 결과[17]와도 일치하였다.
3.2.2 펄프몰드 수분 흡수 저항성
신선식품 포장재는 저장 및 유통 과정에서 외부 수분의 침투를 억제하는 동시에 내부 수분 손실을 최소화하여 내용물의 품질을 유지하는 것이 중요하다. 이에 본 연구에서는 펄프몰드의 수분 흡수 저항성(water absorption resistance)을 평가하여 Fig. 2에 나타내었다.
무처리 펄프몰드는 약 72 g/m2의 수분 흡수 저항성을 나타낸 반면, 표면 코팅 처리 후에는 약 98 g/m2로 증가하여 약 36% 향상된 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 아크릴계 코팅층이 친수성 셀룰로오스 섬유의 표면을 피복하고 섬유 사이에 형성된 공극으로의 수분 침투를 제한함으로써 펄프몰드의 수분 흡수를 억제하였기 때문으로 판단된다. 특히 다공성 셀룰로오스 소재에서는 액체가 섬유 사이의 공극을 따라 모세관 현상에 의해 내부로 침투할 수 있으나, 표면에 형성된 코팅층은 이러한 수분 이동 경로를 부분적으로 차단하여 액체의 침투 및 흡수를 감소시키는 역할을 한 것으로 판단된다.
이와 유사하게 셀룰로오스계 종이판지에 생체고분자 기반의 표면 코팅을 적용한 선행연구에서도 코팅 처리에 의해 물 흡수가 감소하고 수분에 대한 저항성이 향상되는 것으로 보고된 바 있다[18]. 이는 표면에 형성된 고분자 코팅층이 친수성 섬유와 수분의 직접적인 접촉을 제한하고, 다공성 섬유 구조를 통한 수분의 침투를 억제하기 때문인 것으로 설명되었다. 이러한 선행연구 결과는 본 연구에서 생분해성 아크릴계 코팅 처리 후 수분 흡수 저항성이 증가한 결과와 유사한 경향을 나타내며, 표면 코팅을 통한 섬유 표면 및 공극의 피복이 펄프몰드의 수분 흡수를 억제하고 내수성을 향상시키는 데 효과적으로 작용한 것으로 판단된다.
3.2.3 펄프몰드 수분투과도
신선식품 포장재는 외부의 액체 상태 수분을 차단하는 것뿐만 아니라 저장 중 발생하는 수증기의 이동을 적절히 제어하여 내용물의 수분 손실을 최소화하는 것이 중요하다. 특히 포장재의 수분투과도(WVTR)는 수증기의 투과 정도를 나타내는 대표적인 지표로, 저장 중 신선식품의 수분 유지 및 품질 안정성과 밀접한 관련이 있다. 이에 본 연구에서는 표면 코팅 처리된 펄프몰드의 수분투과도를 평가하였으며, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다.
무처리 펄프몰드의 수분투과도는 약 325 g/m2·day를 나타낸 반면, 표면 코팅 처리 후에는 약 35 g/m2·day로 감소하여 약 89%의 저감 효과를 나타내었다. 이는 표면 코팅에 의해 형성된 연속적인 배리어층이 수증기의 확산 저항(diffusion resistance)을 증가시키고, 수증기가 통과하는 경로를 보다 복잡한 확산 경로(tortuous diffusion path)로 변화시켰기 때문으로 판단되었다. 이러한 코팅층에 의해 수증기의 이동 속도가 감소하여 수분투과도가 크게 낮아진 것으로 판단되었다.
이러한 경향은 셀룰로오스계 포장재를 대상으로 한 선행연구에서도 확인된 바 있다. 미세피브릴화 셀룰로오스와 나노 크기의 알칼리 리그닌을 이용한 다층 표면 처리를 적용한 결과, 수분투과도가 약 694 g/m2·day에서 49 g/m2·day로 약 93% 감소하는 것으로 보고되었다[19]. 해당 연구에서는 표면 처리를 통해 섬유 사이의 공극을 충전하고 치밀한 표면 구조를 형성함으로써 수증기에 대한 차단 특성이 향상된 것으로 보고하였다. 본 연구에서도 표면 코팅 처리에 의해 수분투과도가 약 89% 감소하여 선행연구와 유사한 경향을 나타냈으며, 이는 생분해성 아크릴계 코팅층의 형성이 펄프몰드의 다공성 표면을 피복하고 수증기의 이동을 효과적으로 제한한 결과로 판단되었다.
수분 흡수 저항성과 수분투과도는 모두 포장재의 수분 차단 성능을 평가하는 지표이지만 평가하는 수분의 형태에는 차이가 있다. 수분 흡수 저항성은 액체 상태의 수분에 대한 침투 및 흡수 저항성을 나타내는 반면, 수분투과도는 포장재를 통한 수증기의 이동 정도를 나타낸다. 본 연구에서는 표면 코팅 처리에 의해 수분 흡수 저항성이 증가하는 동시에 수분투과도가 감소한 것으로 나타나, 아크릴계 코팅층이 액체 상태의 수분 침투뿐만 아니라 기체 상태의 수분 이동을 억제하는 데에도 효과적으로 작용한 것으로 판단된다. 이러한 결과는 표면 코팅 처리가 펄프몰드의 수분 차단 특성을 향상시켜 신선식품 포장재로서의 적용 가능성을 높일 수 있음을 시사한다.
3.2.4 식품 모델 접촉 특성
실제 식품 포장 환경에서 표면 코팅 처리된 펄프몰드의 적용 가능성을 평가하기 위하여 식품 모델로 수분을 주성분으로 하는 토마토 케첩과 유지를 주성분으로 하는 오리엔탈 드레싱을 선정하였다. 토마토 케첩은 일반적으로 약 65–75%의 수분을 함유하는 반고형 식품으로 수분에 의한 침투 거동을 평가하는 데 적합하며, 오리엔탈 드레싱은 식용유를 주성분으로 하는 유화형 드레싱으로 유지 함량이 높아 유분의 침투 및 확산 거동을 평가하기 위한 식품 모델로 사용하였다. 이를 적용하여 표면의 흡수, 번짐, 침투 및 오염 정도를 관찰하여 코팅 처리에 따른 내수성 및 내유성을 비교·평가하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
Fig. 4.
Surface contamination and penetration behavior of tomato ketchup and oriental dressing on non-coated and coated pulp molds: (A) Non-coated pulp mold after tomato ketchup application, (B) Coated pulp mold after tomato ketchup application, (C) Non-coated pulp mold after oriental dressing application, and (D) Coated pulp mold after oriental dressing application.
토마토 케첩을 적용한 무코팅 펄프몰드는 케첩의 수분과 색소 성분이 다공성 섬유 구조 내부로 빠르게 침투하여 제거 후에도 붉은 착색과 오염 흔적이 뚜렷하게 관찰되었다. 반면, 표면 코팅 처리된 펄프몰드는 케첩이 표면에 머무르며 내부로의 침투가 거의 발생하지 않았고, 제거 후에도 초기 상태와 유사한 표면을 유지하였다. 이는 표면 코팅층이 수분 및 색소 성분의 침투를 효과적으로 차단한 결과로 판단되었다.
오리엔탈 드레싱을 적용한 무코팅 펄프몰드는 드레싱에 포함된 유지 성분이 섬유 내부로 쉽게 흡수되어 제거 후에도 기름 얼룩과 침투 흔적이 확인되었다. 반면, 표면 코팅 처리된 펄프몰드는 유지 성분이 표면에 머무르며 내부로의 확산이 거의 발생하지 않았고, 제거 후에도 기름에 의한 오염 흔적이 거의 나타나지 않았다. 이는 표면 코팅층이 유지 성분의 침투와 흡수를 효과적으로 억제하여 우수한 내유성을 부여하였기 때문으로 판단되었다.
육안적 관찰과 함께 식품 모델의 흡수량을 비교한 결과, 무코팅 펄프몰드의 흡수량은 토마토 케첩 적용 시 약 0.3 g, 오리엔탈 드레싱 적용 시 약 0.2 g으로 나타났다. 이는 초기 도포량 1 g을 기준으로 각각 약 30%와 20%에 해당하는 수준이다. 반면, 표면 코팅 처리된 펄프몰드는 두 식품 모델 모두에서 흡수량이 측정한계에 가까운 수준으로 매우 낮게 나타나 코팅층에 의해 액체 성분의 침투가 효과적으로 억제된 것으로 확인되었다.
이상의 결과로부터 토마토 케첩과 오리엔탈 드레싱을 식품 모델로 이용한 평가에서 표면 코팅 처리된 펄프몰드는 무코팅 펄프몰드에 비해 우수한 액체 차단 성능을 나타내는 것으로 확인되었다. 특히 코팅층은 수분 및 유지 성분의 침투뿐만 아니라 색소와 유지 성분의 흡착을 효과적으로 억제하여 포장재의 외관 유지 및 위생성 향상에도 기여할 수 있을 것으로 판단되었다.
3.2.5 신선식품 수분 유지 특성
신선식품은 저장 및 유통 과정에서 수분 손실이 발생할 경우 중량 감소뿐만 아니라 조직감 저하, 위조 및 외관 품질 저하가 발생하여 상품성이 크게 감소하게 된다. 따라서 신선식품 포장재는 저장 중 수분 증발을 효과적으로 억제하여 내용물의 수분을 유지하고 신선도를 보존하는 기능성을 확보할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 표면 코팅 처리된 펄프몰드에 저장한 양상추를 대상으로 저장 중 수분 유지에 따른 외관 변화를 관찰하여 Fig. 5에 나타내었으며, 저장 전후 중량 변화를 기반으로 수분 유지율을 정량적으로 평가한 결과를 Fig. 6에 나타내었다.
Fig. 5에서 나타낸 바와 같이 무처리 펄프몰드(A→B)에서는 저장 2일 후 잎의 수분이 감소하면서 부피가 줄어들고 시들음이 발생하였으며, 표면의 탄력이 감소하여 신선도가 저하된 모습을 확인할 수 있었다. 반면, 표면 코팅 처리된 펄프몰드(C→D)에서는 저장 후에도 초기와 유사한 형태와 색상을 유지하였으며, 잎의 수분 손실이 적어 외관 품질이 양호하게 유지되는 것을 확인하였다.
Fig. 6은 저장 전후 양상추의 수분 유지율 변화를 나타낸 결과로, 저장 초기 양상추의 중량은 모든 처리구에서 약 30 g으로 동일하였으나, 저장 2일 후 무처리 펄프몰드에서는 약 23 g으로 감소하여 초기 대비 약 23.3%의 중량 감소를 나타냈다. 반면, 표면 코팅 처리된 펄프몰드에서는 약 29 g의 중량이 유지되어 저장 중 수분 손실이 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 표면 코팅 처리에 의해 양상추의 수분 유지 성능이 향상되었음을 보여주는 결과이다.
저장 중 신선 채소는 호흡 및 증산 작용에 의해 지속적으로 수분을 잃게 되며, 포장재의 수분 차단 성능은 이러한 수분 손실을 억제하는 중요한 요인으로 작용한다. 본 연구에서 적용한 표면 코팅은 포장재의 수증기 차단 성능을 향상시켜 포장 내부와 외부 사이의 수증기 이동을 완화하고, 포장 내부의 미세환경(microenvironment)을 보다 안정적으로 유지한 것으로 판단되었다. 이로 인해 양상추의 증산(transpiration)이 감소하고 저장 중 수분 손실이 효과적으로 억제되어 높은 수분 유지율을 나타낸 것으로 판단할 수 있고, 이러한 결과는 앞서 확인한 낮은 수분투과도(WVTR) 결과와도 일치하는 경향을 보여주는 결과이다.
또한 표면 코팅 처리된 펄프몰드는 무처리 펄프몰드에 비해 위조 및 수축이 적고 신선한 외관을 유지하는 것으로 나타났다. 이는 수분 유지율 향상이 실제 저장 품질 향상으로 이어졌음을 보여주는 결과이며, 본 연구에서 개발한 표면 코팅 기술이 엽채류를 비롯한 수분 손실에 민감한 신선 농산물의 저장 및 유통 과정에서 품질 유지에 효과적으로 활용될 수 있음을 시사하고 있다.
3.2.6 신선식품 외관 품질 특성 변화
표면 코팅 처리에 따른 실제 신선식품의 저장 품질을 평가하기 위하여 호흡량이 높고 저장 중 갈변 및 수분 손실이 빠르게 발생하는 바나나(banana)와 사과(apple)를 평가용 식품으로 선정하였다. 각 시료를 펄프몰드 내부에 저장 후 저장 기간 동안 외관 변화를 관찰하여 Fig. 7에 나타내었다. 또한 저장 후 신선도(freshness), 색상 유지(color retention), 수분 유지(moisture retention), 조직 안정성(structural integrity), 외관(appearance)의 5개 항목을 5점 척도로 평가한 결과를 Table 4에 나타내었다.
Table 4.
Evaluation of fresh produce stored in non-coated and surface-coated pulp molds
| A | B | C | D | |
| Freshness | 5 | 1 | 5 | 3 |
| Color retention | 5 | 2 | 5 | 3.5 |
| Moisture retention | 5 | 1 | 5 | 4 |
| Structural integrity | 5 | 2 | 5 | 4 |
| Appearance | 5 | 1 | 5 | 3.5 |
Fig. 7에서 확인할 수 있듯이, 무처리 펄프몰드(A→B)에서는 저장 2일 후 바나나와 사과 모두 수분 손실과 갈변이 진행되어 초기 상태와 비교하여 외관 품질이 크게 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 바나나는 과피의 갈변과 조직 연화가 동시에 진행되어 상품성이 현저히 저하되었으며, 사과는 절단면을 중심으로 갈변과 수축 현상이 뚜렷하게 관찰되었다. 이러한 결과는 저장 중 수분 손실과 함께 호흡 작용이 지속되면서 조직의 노화가 촉진되고, 특히 사과의 경우 절단면에서 polyphenol oxidase (PPO)에 의한 효소적 갈변 반응이 활발하게 진행되었기 때문으로 판단되었다.
반면, 표면 코팅 처리된 펄프몰드(C→D)에서는 저장 후에도 초기와 유사한 형태와 색상을 유지하였으며, 갈변과 조직 연화가 상대적으로 적게 나타났다. 특히 바나나는 저장 후에도 조직의 탄력과 형태가 유지되었으며, 사과 역시 절단면의 갈변 정도가 감소하여 전반적인 외관 품질이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 표면 코팅에 의해 수분 손실이 감소하고 포장 내부 환경의 급격한 변화가 억제됨에 따라 갈변 및 조직 변화가 상대적으로 지연된 것으로 판단되었다.
Table 4의 관능평가 결과에서도 Fig. 7에서 관찰된 외관 변화와 동일한 경향을 확인할 수 있었다. 저장 초기(A, C)는 모든 평가 항목에서 5점을 나타내어 처리구 간 차이가 없었으나, 저장 2일 후 무처리 조건(B)은 대부분의 평가 항목에서 급격한 품질 저하를 나타내었다. 반면 표면 코팅 처리 조건(D)은 무처리 조건 대비 전반적으로 높은 평가 점수를 나타내었으며, 특히 수분 유지와 조직 안정성에서 가장 큰 차이를 보여 저장 중 품질 유지 효과가 우수한 것으로 평가되었다. 또한 색상 유지 항목의 향상은 저장 중 조직의 탈수와 세포 손상이 감소함에 따라 효소적 갈변 반응이 지연된 결과로 판단되었다. 이와 함께 높은 조직 안정성은 저장 후에도 세포의 탄력과 형태가 비교적 잘 유지되었음을 의미하며, 외관 평가에서도 상품성이 효과적으로 유지되는 결과로 이어졌다. 이러한 관능평가 결과는 앞서 확인한 수분 유지율 및 수분투과도(WVTR) 평가 결과와도 일치하는 경향을 나타내었으며, 표면 코팅 처리가 펄프몰드의 물리적 특성 개선뿐만 아니라 실제 신선식품의 저장 및 유통 과정에서 품질 유지에도 효과적으로 기여할 수 있음을 보여주고 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 기존 플라스틱 기반 신선식품 포장재를 대체할 수 있는 친환경 펄프몰드의 기능성을 향상시키기 위하여 생분해성 수분산 아크릴계 표면 코팅을 적용하고, 코팅에 따른 구조적 특성, 표면 특성 및 신선식품 저장 특성을 종합적으로 평가하였다.
스프레이 방식을 통해 펄프몰드의 표면 코팅 처리를 실시하고 표면 구조적 특성 변화를 평가한 결과, 물과 기름의 적용 시 접촉각이 크게 증가하였으며, 우수한 내수성과 내유성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 실제 식품 모델(토마토 케첩 및 오리엔탈 드레싱) 적용 시험에서도 액체의 침투 및 오염이 효과적으로 억제되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 표면 코팅에 의해 표면 젖음성이 감소하고 액체와 표면 사이의 계면 상호작용이 제어되었기 때문으로 판단된다. 또한 수분 흡수 저항성이 향상되고 수분투과도(WVTR)가 크게 감소하여 액체 상태의 수분뿐만 아니라 수증기의 이동까지 효과적으로 제어할 수 있는 우수한 표면 특성을 확인하였다. 이러한 수분투과도 감소는 저장 과정에서 내부 수분의 이동을 효과적으로 제어할 수 있음을 의미힌다.
양상추를 이용한 저장 시험에서는 표면 코팅 처리된 펄프몰드에서 저장 중 수분 손실이 현저히 감소하였으며, 저장 후에도 높은 수분 유지율과 우수한 외관 품질을 유지하였다. 또한 바나나와 사과를 이용한 저장성 평가에서도 갈변, 위조 및 조직 연화가 감소하였으며, 신선도, 색상 유지, 수분 유지 및 조직 안정성 평가에서 무처리 펄프몰드보다 우수한 결과를 나타냈다. 이러한 결과는 표면 코팅에 의해 포장재의 수증기 차단 성능이 향상되고 저장 중 포장 내부의 미세환경이 안정적으로 유지됨에 따라 신선식품의 증산과 품질 저하가 효과적으로 억제되었기 때문으로 판단되었다.
본 연구에서 적용한 생분해성 수분산 아크릴계 표면 코팅 기술은 펄프몰드의 내수성, 내유성 및 수분 차단 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 실제 신선식품의 저장성과 외관 품질을 효과적으로 개선할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 기술은 기존 플라스틱 기반 신선식품 포장재를 대체할 수 있는 친환경 기능성 펄프몰드 제조 기술로 활용 가능성이 높으며, 향후 다양한 신선 농산물의 특성에 맞는 기능성 소재를 복합화함으로써 저장성 향상과 유통기간 연장을 위한 고부가가치 친환경 포장기술로 확대 적용될 수 있을 것으로 생각된다.
