* Corresponding author: Donghwa Chung
Food Technology Major, Graduate School of International Agricultural Technology, Seoul National University, Pyeongchang 25354, Republic of Korea
Tel: 82-33-339-5793 E-mail: [email protected]
Received January 20, 2021; revised March 11, 2021; accepted March 12, 2021
식품 표면 특성에 따른 미세먼지
흡착 연구 현황 및 분석 방법
Current research status and analysis methods on the effects of
food surface properties on particulate matter adsorption
임다영
1·박선영
2·이동언
2·정동화
1,3,4*
Dayoung Lim
1, Sun-Young Park
2, Dong-Un Lee
2, Donghwa Chung
1,3,4*
1
서울대학교 국제농업기술대학원 바이오식품산업전공,
2중앙대학교 식품생명공학과
3
서울대학교 그린바이오과학기술연구원 식품산업화연구소,
4서울대학교 식품바이오융합연구소
1
Food Technology Major, Graduate School of International Agricultural Technology, Seoul National University,
Pyeongchang 25354, Republic of Korea
2
Department of Food Science and Biotechnology, Chung-Ang University, Anseong 17546, Republic of Korea
3
Institute of Food Industrialization, Institutes of Green Bio Science and Technology, Seoul National University,
Pyeongchang 25354, Republic of Korea
4
Center for Food and Bioconvergence, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea
Abstract
Air pollution caused by particulate matters (PM) has
become a global issue. PM is known to threaten human
health by causing respiratory and cardiovascular disease.
PM can be introduced to human gastrointestinal track
through food intake, causing inflammation and changes
in gut microbiota. Even at low PM concentrations,
prolonged exposure to PM can cause significant
accumulation of PM in food products. The adsorption
of PM onto food surfaces is expected to be strongly
influenced by the properties of food surfaces, but
few studies have been reported. This paper examines
several important food surface properties that may
affect the interactions between PM and food surfaces,
including surface wettability, surface charge, and
surface microstructure. Understanding the adsorption
of PM onto food surfaces can provide useful guidance
for classifying PM-sensitive foods and controlling food
chains, including cultivation, processing, preservation,
and cooking, to ensure food safety against PM.
Key words: particulate matters, food surface,
adsorption, surface wettability, microstructure
서론
미세먼지(particulate matters, PM)는 일반적으로
100 μm 이하의 직경을 갖는 공기 중의 작은 입자로
서, 가시도 저하, 대기 및 수질 악화, 작물 수확량 감
소 등의 원인이 될 뿐만 아니라(OECD, 2016), 인체
에 유입될 경우 호흡기 및 심혈관계 질환 발생, 사망
률 증가, 출산 저하 등의 요인이 될 수 있다고 알려져
있다(Dockery 와 Pope, 1994; Myong, 2016; OECD,
2016). 미세먼지에 장기 노출 시 입자의 크기가 작
을수록 위해성 높은 것으로 알려져 있으며(Kim 등,
2015), 체내에서는 침투한 미세먼지에 대응하기 위
해 면역체계가 작동되고, 이는 염증반응 및 산화손상
을 증가시켜 피부를 포함하여 건강 전체에 영향을 미
치는 것으로 알려져 있다(Dockery와 Pope, 1994; Ha
등, 2003; Magnani 등, 2020; Myong, 2016; Woodruff
등, 2006). 이러한 이유로 2013년 세계보건기구
(
WHO) 산하 국제암연구소(International Agency for
Research on Cancer, IARC)에서는 미세먼지를 1급
발암물질로 지정하였고(IARC, 2013) 한국은 대기환
경기준을 정하여 미세먼지의 양을 모니터링하고 있
다(Bae와 Hong, 2018).
미세먼지는 호흡기뿐만 아니라 오염된 식품과 물
을 통해서도 인체에 유입될 수 있는데, 위장관 내에
서 활성산소(reactive oxygen species, ROS) 등의 생
성을 촉진하여 염증 유발과 장내 마이크로바이옴
(
microbiome)의 변화를 가져올 수 있음이 보고되었
다(Feng 등, 2020). 특히 식용 작물이나 길거리 식품
은 미세먼지에 노출될 가능성이 높으며, 낮은 농도
의 미세먼지라 하더라도 장시간 노출 될 경우 많은
양이 축적될 수 있어 식품안전에 위협이 될 수 있다.
그러나 식품 표면에의 미세먼지 흡착현상에 관련된
체계적 연구는 거의 보고된 바가 없으며, 일부 과일
과 엽채류에 한하여 환경에 따른 미세먼지 및 중금
속의 흡착량이 분석되었다(Noh 등, 2019; Przybysz
등, 2020).
따라서 본 논문에서는 보다 체계적인
미세먼지-식품 간 흡착현상 연구에 기여하고자, 미세먼지
에 대한 최근 연구현황을 정리하고 미세먼지의 식
품 흡착 및 이에 중요한 영향을 줄 수 있는 식품의
주요 표면 특성인 표면 젖음성(surface wettability),
표면 전하(surface charge), 표면 미세구조(surface
microstructure) 등에 대한 연구 현황과 분석 방법에
대하여 고찰하였다.
본론
1. 미세먼지
1.1. 미세먼지의 정의
미세먼지는 공기 중에 존재하면서 호흡기 등을
통하여 인체에 흡입될 수 있는 고체 및 액체가 혼합
된 작은 입자로서, 일반적으로 공기역학적 직경 범
위 0.001에서 100 μm 사이의 크기를 갖는다(AQEG,
2005). 미세먼지는 다양한 발생원, 화학성분, 및 크
기를 가지며, 일반적으로 직경 2.5-10 μm의 크기는
거친(coarse), 0.1-2.5 μm는 고운(fine), 0.1 μm 이하
는 매우 고운(ultrafine) 미세먼지로 구분한다(Beckett
등, 1998). 국내 대기환경보전법 제2조 제6호에서는
입자의 지름이 10 μm 이하인 경우 미세먼지(PM10),
2.5 μm 이하인 경우 초미세먼지(PM2.5)로 정하고 있
으며(Fig. 1), 질소산화물, 황산화물, 휘발성 유기화
합물, 및 그 밖에 환경부령으로 정하는 물질을 대기
중에서 미세먼지로 전환될 수 있는 “미세먼지 생성
물질”로 정하고 있다(대기환경보전법, 2020).
미세먼지는 호흡기를 거쳐 혈관에 도달하여 염증
반응, 심장질환, 호흡기질환 등을 발생시키는 것으
로 알려져 있으며(Myong, 2016), 2013년 세계보건
Table 1. Selected studies on particulate matters 구분 연구내용 참고문헌 건강에 미치는 영향 · PM10의 일평균 농도가 10 μg/m3 증가 시 건강에 미치는 영향 분석 - 1일 사망률 증가(전체 사망률은 1%, 호흡기계 사망률은 3.4%, 심혈관계 사망률은 1.4% 증가) - 천식 악화(발작 3.0% 증가, 기관지 확장제 사용 2.9% 증가) Dockery 와 Pope (1994) · PM2.5 농도 증가 시 호흡기 관련 신생아 사망률 증가 Woodruff 등(2006) · PM10 농도 증가 시 유아의 호흡기계 사망률이 증가 (Ha 등2003) · 미세먼지는 충돌, 중력침강, 확산, 정전기적 흡착 등의 기전에 따라 기도에 침착하고, 일부는 혈관 을 통해 전신에 전달됨. · 미세먼지의 체내 침착은 산화 스트레스와 염증반응을 야기하여 호흡기 및 심혈관계 질환 악화와 사망률을 증가시킬 수 있음. Myong (2016) · 입자 크기가 작을수록 산성도 및 하부기도 침투 정도가 증가 Kim 등(2015) · 미세먼지 노출은 위장관의 산화환원 항상성(redox homeostasis)에 영향을 줄 수 있고, 세포 간 점착 에 관여하는 단백질에 영향을 주어 조직 장벽 약화의 원인이 될 수 있음. Woodby 등(2020) · 기도로 흡입된 미세먼지는 점액섬모 청소(mucociliary clearance) 기전을 통해 위장관으로 들어갈 수 있으며, 오염된 식품과 물을 통해서도 미세먼지가 유입될 수 있음. · 미세먼지의 장 상피 자극으로 장내 지질 산화가 발생할 수 있음. · 미세먼지는 장내 마이크로바이옴(microbiome)을 변화시켜 장내 장벽을 약화시켜 장 투과율과 염 증을 증가시킬 수 있음. Feng 등 (2020) · 미세먼지가 표피층 깊이 침투하면 직접적인 피부 손상을 야기할 수 있으며, 간접적으로는 신호전 달을 자극하여 산화 스트레스와 염증반응을 유발함. Magnani 등 (2016) 발생원인 · 미세먼지 생성원을 자연적인 것과 인위적인 것으로 구분 · 자연적 생성원으로 꽃가루, 미생물, 동식물의 분비물 등이 있음. · 인위적 생성원으로 산업현장, 자동차, 연소, 화학공장 등이 있음. Jang (2015) · 기름을 사용한 ‘볶기’와 ‘굽기’를 할 때 기름 입자의 발생과 재료의 연소로 인하여 다량의 미세먼 지가 발생함. Joo와 Ji(2020) · 중국 내 미세먼지 발생은 계절과 타 지역 미세먼지에 영향 받음. · 미세먼지 발생원을 5가지 인위적 발생원(주거, 교통, 발전, 산업, 및 개방 연소)과 1가지 자연적 발 생원(토양침식 먼지) 등 총 6개 그룹으로 분류함. - 봄-겨울(1-3월)에는 주거 발생이 주요한 원인이며, 여름-가을(8-10월)에는 산업이 주요 발생 원으로 분석됨. · 베이징의 미세먼지에는 베이징 내에서 발생한 미세먼지는 물론 허베이성에서 발생한 미세먼지도 포함되어 있음을 확인. Hu 등 (2015) · 교통, 석탄화력발전, 디젤 배기가스, 목재연소, 지각분진 등 5가지발생원에서 발생한 미세먼지가 건강에 미치는 영향을 연구함. · 교통 및 석탄화력발전에서 발생한 미세먼지가 건강에 더 큰 영향을 미칠 수 있음. Hime 등 (2018) · 미세먼지의 인위적 발생원으로 산업 공정에서의 연소, 차량 배출가스, 담배 연기 등을 확인 · 미세먼지의 자연적 발생원으로 화산, 화재, 먼지 폭풍, 해염 에어로졸(aerosol) 등을 확인 Anderson 등(2012)
구분 연구내용 참고문헌
성분
· 미국 Salt Lake City에서 수집한 PM2.5 성분을 분석
- 금속: Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Cs, Bi, U 등
- 무기화합물: oxides, hydroxides, nitrates, sulfates, silicates, borates, chlorides 등
- 유기화합물: hydrocarbons, alcohols, aldehydes, ethers, carboxylic acids, amines, amides, nitriles 등
Zhu 등 (2001) · 경기도 발생 미세먼지의 원소탄소(elemental carbon, EC) 및 유기탄소(organic carbon, OC)의 농도
변화 연구 - OC의 농도는 겨울 > 봄 > 이른 여름 > 가을 > 늦여름 순서로 높게 측정되어 계절의 차이가 크 다는 것을 확인 - EC의 농도는 일변화가 큰데 이는 풍향, 인근 고속도로, 산업시설, 마을 도로 등의 영향으로 확인 Ham 등 (2015) · 대기 중 미세먼지의 크기 분포와 13개 금속 성분 분석 · 중금속(Cd, Zn, Mn, No, Cr)은 2.1 μm 이하 초미세먼지로 존재 · 경금속(Na, Ca, K, Al)과 Fe은 2.1–10 µm 범위 미세먼지로 존재 · 기타 중금속(Pb, Mg, Cu)은 5.8 µm 이상의 입자로 존재 Ny와 Lee(2011) · 서울 미아동에서 채취한 PM10은 이온성분이 연중 약 40% 점유 · 이온의 중량농도는 가을 > 봄 > 겨울 > 여름 순서임. · 이온성분의 연평균 농도는 14.48 mg/㎥로 약 38%이고, 음이온은 NO3 > SO42- > Cl-의 순서로, 양 이온은 NH4+ > Na+ > Ca2+ > K+ > Mg2+ 순서로 구성됨. · 금속은 약 9.6%, 탄소는 약 28%, 미확인 성분 약 24.5%로 분석
· 미세먼지의 이온성분은 주로 NH4Cl, NH4NO3, CaSO4, (NH4)2SO4, NaNO3, NaCl, Na2CO, (NH4)2CO3
형태로 존재할 것으로 추정 Lee 등 (2015) · 서울 광진구에서 채취한 PM2.5의 구성성분은 기타성분 > OC > NO3 > SO4 > NH4 > EC > 금속류 순임을 확인 Son 등(2012) 식품 등의 표면 흡착 · 도로 근처 과수원에서 수확한 사과 및 자두 표면의 미세먼지 축적에 영향을 미치는 요인을 확인 - 식물 품종(과일의 형태, 수확시기)의 영향 - 가지치기 등 과수원 작업이 미세먼지 흡착에 영향 - 미세먼지 발생원인(과수원 근처 도로 이외의 오염원) - 도로로 부터의 거리는 미세먼지 축적에 영향이 낮음. · 물 세척 후 과일 표면에 흡착된 미세먼지의 절반이 제거됨. Przybysz 등 (2020) · PM10의 농도가 다른 여러 지역에서 재배한 엽채류의 미세먼지 축적량을 분석 · 상추, 쑥갓, 시금치의 중금속 농도 측정(Al, Cl, Mn, Zn, Pb, Cd, 및 Cr) · 축적된 중금속의 함량은 식물의 종에 따라 다르고, 잎의 모양, 모상체(trichome), 왁스 층의 특성 등 에 영향을 받음을 확인 · 고속도로 근처에서 자란 식물의 잎에서 기준치 이상의 납(Pb)이 검출되었으나 세척 후 기준치 이 하로 감소 Noh 등 (2019) · 다환방향족탄화수소류(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)는 탄소 함유 물질(나무, 석탄, 휘
발유, 경유)의 불완전 연소 동안 생성되며, 채소는 대기, 관개, 토양 등을 통해 PAHs에 오염될 수 있음. · 엽채류의 가식부분은 넓은 잎 면적을 가지고 있어 공기 중 PAHs를 축적하는 경향이 있음. · 산업지역 근처에서 재배된 작물의 PAHs 농도는 로메인, 배추, 팍초이 등에서 가장 높게 측정되었 고, 상추, 누에콩, 무 순서로 높았음. Jia 등 (2018) · 환경오염물질에 지속적으로 노출되는 식물은 오염물질을 흡수하여 축적 할 수 있음. Rai (2016) Table 1. Selected studies on particulate matters (계속)
구분 연구내용 참고문헌 저감화 · 나무는 미세먼지를 차단하여 전반적인 공기질 개선 가능 · PM10, PM2.5외에 다른 대기 오염 물질(O3, NO2, SO2, CO) 제거 가능 · 미국 도시의 경우 나무로 제거되는 PM10은 연간 214,900 톤, PM2.5는 연간 4.7-64.5 톤으로 추정 Nowak 등 (2013), Nowak 등 (2006) · 도시 나무 3종의 잎에 대하여 PM10 축적 분석
- 회화나무(Sophora japonica), 개잎갈나무(Cedrus deodara), 단풍버즘나무(Platanus acerifolia) 등 3종. - 단풍버즘나무가 다른 두 종 보다 높은 PM10 축적량을 보임.
- PM10 축적량은 봄에서 가을, 겨울까지(4-11월) 계절에 따라 축적량이 증가하는 경향
- 대체로 어린잎(immature leaves)이 PM 보유량이 낮고, 다 자란 잎(mature leaves)의 PM 포집 능 력이 높은 추세를 확인 · 잎의 젖음성(wettability)을 측정 - 잎에 대한 물의 접촉각이 클수록 PM10 축적량이 낮은 경향 Wang 등 (2013) · 활엽수 및 침엽수에 대한 PM2.5의 흡착을 분석하고 흡착에 영향을 주는 잎의 특징 및 강수 후 미 세먼지 재흡착을 분석
- 비술나무(Ulmus pumila), 대나무(Phyllostachys propinqua), 메타세콰이아(Metasequoia
glyptostro-boides), 꾸지나무(Broussonetia papyrifera) 등 31종의 나무 분석
· 활엽수에서 잎의 형태와 잎맥의 배치는 PM2.5의 흡착에 영향이 없는 것으로 나타났으나, 잎의 주 름(grooves)이나 모상체의 수는 PM2.5의 축적과 비례 · 비로 씻겨 나가는 PM2.5의 양은 형태적 특성과는 유의한 상관이 없고 전체 축적량과 관계가 있음. · 침엽수가 PM2.5를 제거하는데 더 효율적이며, 강수 후 PM2.5의 재흡착 가능성이 더 높음. Chen 등 (2017) · 열대 식물에 대한 미세먼지(PM2.5, PM10) 축적 요인 분석
- Adinandra dumosa Jack, Bauhinia semibifida Roxb., Bridelia tomentosa Blume 등 20종 분석 · 잎의 표면 특성인 잎의 엽모(leaf hairness), 평균 엽면적(average leaf area), 비엽면적(specific leaf
area) 등을 측정 · 비엽면적이 작을수록 더 많은 미세먼지가 흡착 · 미세먼지가 많이 축적된 식물일수록 엽모의 밀도가 높은 경향 Chiam 등 (2019) · 베이징의 가로수에 대한 미세먼지 흡착 분석
· 중국곰솔나무(Pinus tabuliformis), 백송(Pinus bungeana), 포플러(Populus tomentosa) 만주고로쇠
(Acer truncatum), 용버들(Salix matsudana), 은행나무(Ginkgo biloba) 등 6종 분석
· PM10과 PM2.5는 활엽수보다 침엽수에 많이 흡착
· 침엽수의 경우 잎의 기공(stomata)의 수 및 표피의 왁스의 양이 증가할수록 미세먼지가 잘 흡착하 는 경향
· 침엽수의 잎은 활엽수보다 두꺼운 표피 왁스층을 형성하여 미세먼지를 더 효과적으로 포집 · 활엽수의 경우 잎 표면의 거칠기(roughness)가 증가할수록 PM2.5가 잘 흡착하는 경향
· 표피 세포의 굴곡과(ridges and grooves) 산(peak)과 골(valley)의 배열이 잎의 표면 거칠기를 결정
Zhang 등 (2017), Becket 등 (1998), · 물의 분무에 의한 미세먼지 제거효율 분석 · 분무된 액적의 크기가 작을수록 제거 효율 증가 · 분무된 물방울의 크기가 미세먼지 입자 크기와 비슷하거나 작을 때 제거 효율이 좋음. · 중력에 의한 침전 효과로 PM2.5보다 PM10 제거 효율이 좋음. Kim과 Lee(2020) · 계면활성제를 첨가한 분무액의 석탄 분진 제거 효과 분석 · 석탄 분진의 입자 크기가 클수록 제거 효율이 높음. · 이온성 또는 비이온성 계면활성제 함유 분무액의 석탄 분진 제거 효과는 대체적으로 물 분무의 효 과와 비슷하였으나 분진의 표면 전하에 따라 조금씩 다른 경향을 나타냄. Tessum과 Raynor (2017) Table 1. Selected studies on particulate matters (계속)
기구(WHO) 산하 국제암연구소(IARC)에서는 대기
오염물질 중 미세먼지를 1급 발암물질로 지정하였다
(
IARC, 2013). 우리나라는 대기환경기준을 정하고
대기오염 수준을 모니터링하고 있는데, PM10 기준
은 1993년 신설되어 현재 연평균 50 mg/m
3이하, 24
시간 평균 100 mg/m
3이하를 안전한 수준으로 설정
하고 있으며, PM2.5 기준은 2012년에 신설되어 연평
균 15 mg/m
3이하, 24시간 평균 35 mg/m
3이하를 안전
한 수준(사람의 건강을 보호하고 쾌적한 생활환경을
유지하기 위해 알맞은 수준)으로 설정하였다(NIER,
2020). PM10은 1995년에 측정이 시작된 이후 연평
균 수치는 감소하는 추세이지만 2013년 이후 개선 정
도가 둔화되고 있다(Bae와 Hong, 2018).
1.2. 미세먼지의 원인과 특성
미세먼지의 위험성이 점차 알려지면서 미세먼지
에 대한 인체 유해성, 발생원(emission source), 주요
성분, 식품 표면에의 흡착, 저감방법 등에 대한 다양
한 연구가 진행되어왔으며, 주요 연구내용을 Table 1
에 정리하였다. 미세먼지가 인체에 미치는 위해성에
관한 연구는 주로 호흡기 및 심혈관계에 집중되어 있
고, 음식물을 통해 섭취한 대기오염 물질이 위장관
에 미치는 영향에 대한 연구는 부족한 상황이다. 잘
알려진 바와 같이 공기 중의 미세먼지는 기도에 침
착하여 일부는 혈관을 통해 흡수되어 산화 스트레
스와 염증반응을 야기하여 호흡기계 및 심혈관계 질
환 악화와 사망률을 상승시키는 것으로 보고되었고
(
Dockery와 Pope, 1994; Ha 등, 2003; Myong, 2016;
Woodruff 등, 2006), 또한 피부에 흡착하여 피부 손상
을 야기할 수 있음이 보고되었다(Magnani 등, 2020).
최근 연구 결과에 따르면 미세먼지를 포함한 대기
오염 물질은 다음 두 가지 경로를 거쳐 위장관으로
유입된다. 첫 번째 경로는 기도로 흡입된 오염물질이
점액섬모 청소(mucociliary clearance)의 과정을 거치
며 위장관으로 유입되는 것이고, 두 번째 경로는 오
염된 음식과 물을 섭취하는 것이다(Feng 등, 2020).
위장관 내의 대기오염 물질은 활성산소(ROS)와 전
염증성 산화지질(pro-inflammatory oxidative lipids)
생성을 촉진하여 장 또는 전신 염증을 유발하고, 장
내 마이크로바이옴(microbiome)을 바꾸어 장내 투
과율과 염증(inflammatory pathologies)을 증가시켜
장질환이 악화될 수 있다고 보고하였다(Feng 등,
2020).
미세먼지의 발생원은 보통 자연적 발생원과 인위
적 발생원으로 구분한다(Anderson 등, 2012; Jang,
2015; Hu 등, 2015). 자연적 발생원은 화산, 화재, 먼
지 폭풍, 해염 에어로졸, 꽃가루, 미생물, 분비물 등
을 말하며, 인위적 발생원은 주거, 교통, 발전, 산업,
연소 등에 의한 것을 말한다. 가정 내 식품 조리 과정
에서도 미세먼지가 발생하여 거주자에게 피해를 줄
수 있고, 조리 재료와 방법, 환기 등에 따라 발생되는
오염물질의 종류와 농도가 달라질 수 있다고 보고되
었다(Joo와 Ji, 2020).
미세먼지는 재배 중 식용 작물 표면에 흡착될 수
있으며, 낮은 농도라고 하더라도 장시간 미세먼지에
노출될 경우 작물의 가식 부분에 많은 양이 축적되
어 위장관으로 유입될 수 있다(Jia 등, 2018; Noh 등,
2019; Rai, 2019). 최근 사과, 자두 등 과일류와 상추,
쑥갓, 시금치 등의 엽채류에 대한 미세먼지 흡착이
분석되었다(Noh 등, 2019; Przybysz 등 2020). 과일
류의 경우 과일의 품종, 형태, 수확시기 등을 비롯하
여 가지치기 등의 재배 작업도 미세먼지 흡착에 영향
을 주는 것으로 나타났으며, 엽채류의 경우 미세먼
지에서 기인한 것으로 추정되는 중금속(Al, Cu, Mn,
Zn, Pb, Cd, 및 Cr)의 함량이 품종, 잎의 형태, 모상체
(
trichome) 및 왁스 층의 특성 등과 관련이 있음이 연
구되었다.
미세먼지는 식물의 잎에 흡착하는 특성이 있으므
로 도시의 나무나 관목을 미세먼지 농도를 저감할 수
있는 생물학적 필터로 이용하여 도시의 공기질을 개
선하고자 하는 연구도 진행되고 있다(Chen 등, 2017;
Chiam 등, 2019; Nowak 등, 2006; Wang 등, 2013;
Zhang 등, 2017). 미세먼지가 잎에 흡착하는 경향은
계절에 따라 달랐으며, 잎 표면에 대한 물의 접촉각
(
contact angle)이 작을수록(즉 젖음성이 클수록), 잎
의 주름(grooves)나 모상체(trichomes)의 수가 많을
수록, 비엽면적(specific leaf area)이 클수록, 엽모(leaf
hairness)의 밀도가 높을수록 미세먼지 흡착이 잘 되
는 경향이 확인되었다. 또한 활엽수보다는 침엽수가
단위 잎 면적당 더 많은 미세먼지를 흡착하였으며, 침
엽수의 경우 기공의 수와 표피 왁스의 양이 많을수록,
활엽수의 경우 잎 표면의 거칠기가 클수록 높은 미세
먼지 흡착 경향을 나타내었다(Zhang 등, 2017). 먼지
를 제거하기 위해 전통적으로 사용해 온 방법 중의 하
나는 물을 살포하는 것인데 최근 액체의 분무를 이
용하여 미세먼지를 제거하는 연구도 보고되었다. 물
을 분무할 경우, 액적의 직경이 미세먼지의 직경과 비
슷하거나 작을 때 제거효과가 좋은 것으로 나타났다
(
Kim과 Lee, 2020). 석탄 분진 제거를 위해 분무를 사
용할 경우, 분진의 표면전하의 종류와 크기를 고려하
여 이온성 또는 비이온성 계면활성제를 분무액에 섞
음으로서 분진 제거 효율을 향상시킬 수 있다는 연구
도 보고되었다(Tessum과 Raynor, 2017).
1.3. 미세먼지의 성분
미세먼지의 구성성분은 지역, 발생원, 계절, 교통
등의 영향을 크게 받으며, 시간대에 따라서도 다른
양상을 보인다(Ham 등, 2015; Hu 등, 2015; Lee 등,
2015). 미세먼지는 탄소, 질소, 황, 암모늄 화합물, 금
속류 등의 다양한 성분으로 이루어져 있으며(Lee 등,
2015; Son 등, 2012; Zhu 등, 2001), 1차 미세먼지와
2차 미세먼지로 구분할 수 있다(Fig. 2). 1차 미세먼
지에는 원소탄소(elemental carbon, EC), 불완전 연
소로 발생되는 1차 유기탄소(primary organic carbon,
POC), 중금속 등이 포함되며, 2차 미세먼지에는
POC의 물리, 화학적 반응으로 생성되는 2차 유기탄
소(secondary organic carbon, SOC)를 비롯하여 대기
오염물질의 반응으로 생성되는 황산염, 질산염, 암
모늄염 등이 포함된다(Chow 등, 2010; Sandrini 등,
2014; Szidat 등, 2009).
2. 식품 표면특성과 흡착
2.1. 식품 표면에 대한 외부물질 흡착 연구 현황
식품 표면에는 미세먼지를 포함하여 화학물질(살
충제, 제초제, 성장촉진제, 코팅제 등), 미생물 등 다
양한 종류의 외부물질(foreign matters)이 흡착될 수
있으며 이에 대한 연구현황은 Table 2에 정리하였다.
위 1.2장에서 언급하였듯이, 재배 중 식용 작물 표면
에 흡착된 미세먼지는 위장관으로 유입되어 식품안
전에 위협이 될 수 있으므로, 과일류(사과, 자두 등)
및 엽채류(상추, 쑥갓, 시금치 등)에 대한 미세먼지
흡착이 주로 분석되었다(Jia 등, 2018; Noh 등, 2019;
Przybysz 등, 2020; Rai, 2016). 과일류의 경우 품종과
형태, 수확시기, 재배 방법 등도 미세먼지 흡착에 영
향을 주는 것으로 나타났으며, 엽채류의 경우 미세먼
지에서 유래한 것으로 추측되는 중금속의 함량이 품
종은 물론 잎의 형태, 모상체(trichome) 및 왁스 층의
특성 등에 영향을 받는다고 보고되었다.
과일류를 비롯한 식용작물의 재배에 효과적으로
농약을 처리하기 위하여 λ-cyhalothrin, β-cyfluthrin
등 농약의 흡착 특성이 분석되었다(Gao 등, 2020;
Wu 등, 2020). 또한 과일류(복숭아, 포도, 배) 표면의
비표면적, 융모의 유무, 표면의 굴곡 등은 재배 중 살
포된 hexaconazole, chlorothalonil 등 농약의 흡착 특
성과 수확 후 잔류량에 영향을 준다는 것이 보고되
었다(Lee 등, 2004). 사과, 토마토, 당근 등에 대한 효
과적인 식용 코팅을 위하여 키토산 용액의 표면 흡
착 특성에 대한 연구도 보고된 바 있다(Casariego 등,
2008; Choi 등, 2002).
식품 표면에는 병원성 세균을 비롯하여 곰팡이 등
미생물이 흡착되어 건강과 식품의 안전성을 위협할
수 있으므로, 망고, 토마토, 오렌지, 사과, 멜론, 아보
카도, 상추, 시금치 등 식용작물에 대한 미생물의 표
면흡착 특성이 연구되었으며, 살모넬라(Salmonella),
병원성 대장균(Escherichia coli O157:H7) 등의 흡
착은 물의 표면 접촉각(또는 표면 에너지), 세포
의 음전하, 미세구조(거칠기, 셀 패턴 등) 등에 큰
Table 2. Selected studies on the adsorption of foreign matters onto food surfaces
외부물질 식품 표면 표면 특성 참고문헌 미세먼지 미세먼지 사과, 자두 - Przybysz 등 (2020) 미세먼지 상추, 쑥갓, 시금치 - Noh 등(2019) 미세먼지 배추, 팍초이, 로메인, 무, 누에콩, 상추 - Jia 등(2018) 미세먼지 지의류, 란타나, 유칼립 투스, 월계수 등 - Rai (2016) 화학물질 농약(λ-cyhalothrin) 양배추 잎 젖음성(접촉각, 표면장력 면적당 부착량) Wu 등(2020) 농약(β-cyfluthrin) 및 5가지 계면활성제 용액 사과나무 잎 젖음성(접촉각, 표면장력, 표면 자유에너지) Gao 등(2020) 잔류농약 (hexaconazole 및 chlorotha-lonil) 복숭아, 포도, 배 미세구조(표면 거칠기), 비표면적, 융모의 유무 Lee 등(2004) 식용 코팅제(키토산) 식용 코팅제(키토산) 사과 젖음성(접촉각, 임계표면장력) Choi 등(2002) 토마토, 당근 젖음성(임계표면장력) Casariego 등 (2008) 미생물 Salmonella Typhimurium 망고, 토마토 젖음성(접촉각, 표면 자유에너지), 미세구 조(표면 거칠기) Fernandes 등 (2014) 구형 폴리스티렌 입자(모사 박테리아) 토마토, 오렌지, 사과, 상추, 시금치, 멜론 젖음성(접촉각, 잔류면적), 미세구조(표면 거칠기) Lazouskaya 등 (2016) E. coli O157:H7 사과, 오렌지, 아보카 도, 멜론 미세구조(표면 거칠기) Wang 등(2009)
Bacillus subtilis, E. coli, Listeria monocytogenes, Salmonella Typhimurium, Serratia marcescens, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis 소고기의 근육 및 지 방조직 세균의 젖음성(소수성) 및 표면 전하 Dickson 과 Koohma-raie(1989)
영향을 받는다는 것이 확인되었다(Fernandes 등,
2014; Lazouskaya 등, 2016; Wang 등, 2009). 소고
기에 대한 미생물(Bacillus subtilis, E. coli, Listeria
monocytogenes, Salmonella Typhimurium, Serratia
marcescens, Staphylococcus aureus, 및 S. epidermidis)
의 흡착 특성도 연구되었는데, 미생물 표면의 음전
하는 소고기 근육 및 지방조직에 대한 미생물 흡착
과, 미생물 표면의 소수성(hydrophobicity)은 소고
기 지방조직에 대한 미생물의 흡착과 비례관계를 나
타낸다는 것이 보고되었다(Dickson과 Koohmaraie,
1989).
2.2. 외부물질의 흡착에 영향을 미칠 수 있는 식품의
표면 특성
미세먼지, 화학물질, 미생물 등 외부물질이 식품
표면에 흡착, 탈착, 접착하는 현상은 Fig. 3에 나타낸
것과 같이 식품 표면의 여러 특성들의 영향을 받을
수 있다. 특히 표면 젖음성, 표면 미세구조, 표면 전하
등의 영향에 대한 연구가 다수 보고되었으며(Table
2), 미세먼지의 흡착의 경우 식품 표면 특성의 영향
은 거의 보고되지 않았다.
3. 표면 젖음성
3.1. 표면 젖음성의 정의
고체 표면의 젖음성(wettability)은 고체 표면에 놓
인 액체가 접촉하는 기체와 상호작용하며 고체 표면
위에서 퍼지거나 집적하는 경향을 말하며, 고체 표
면에 적하된 액적(droplet)은 렌즈 모양으로 고체 표
면에 집적하는 낮은 수준의 젖음(poor wetting)을 보
이거나 고체 표면에 퍼져 얇은 막을 형성하는 충분한
수준의 젖음(good wetting)을 보인다(Hong과 Chung,
2019). 젖음성이 크다는 것은 그 액체가 고체 표면과
형성하는 계면의 장력(interfacial tension) 또는 자유
에너지(free energy)가 낮다는 것이며, 특히 물과의
계면 에너지가 낮은 경우 친수성 표면, 그렇지 않은
경우는 소수성 표면으로 부른다. 액적뿐만 아니라 미
세먼지 등 외부물질의 고체 표면 흡착은 고체 표면이
기체와 이루는 계면의 자유에너지가 클수록 더 잘 흡
착되는 경향을 나타낸다.
3.2. 외부물질 흡착에 대한 표면 젖음성 연구 현황
식품이나 식용작물 표면에 대한 외부물질의 흡착
을 이해하기 위하여 표면의 젖음성을 정량화한 연구
들을 Table 3에 정리하였다. 젖음성의 정량화를 위하
여 일반적으로 접촉각 측정, Zisman 방법을 이용한
임계표면장력(critical surface tension) 측정, OWRK
(
Owens-Wendt-Rabel-Kaelble) 또는 vOCG (van
Oss-Chaudhury-Good) 방법을 이용한 표면 자유에
너지(surface free energy) 측정, 침지 후 표면에 잔류
한 액체의 면적(retention area) 측정 등의 방법을 사
용하고 있다.
3.3. 표면 젖음성 정량화 방법
3.3.1. 접촉각 측정접촉각(contact angle,
θ
)은 고체 표면의 젖음성을
나타내는 지표 중의 하나로서, 액적이 고체 표면에
접촉하는 정도를 각도로 표현한 것이다(Fig. 4). 접촉
각은 열역학적 평형상태에서 고체, 액체, 기체가 형
성하는 세 종류 계면의 에너지와 관련이 있으며 그
상관관계는 다음의 Young equation(식 1)으로 표현
할 수 있다.
(
1)
여기서 g
SG,
g
SL,
및 g
LG는 각각 고체/기체, 고체/액
체, 액체/기체 간의 계면장력을 말한다. 액적이 고체
에 완전히 퍼지는 충분한 수준의 젖음의 경우의 접촉
각은 0˚이며, 일반적으로 접촉각이 0-90˚ 사이의
경우 젖음성이 좋고 접촉각이 90˚보다 클 경우 젖음
성이 낮다고 판단한다(Fig. 5, Yuan과 Lee, 2013). 고
체 표면의 친수성과 소수성을 표현할 때에는 물의 액
적에 대한 접촉각으로 나타낼 수 있는데, 일반적으
로 접촉각이 65˚이하의 경우는 친수성 표면, 65˚
이상의 경우에는 소수성 표면으로 판단한다(Vogler,
1998).
고체 표면에 대한 액체의 흡착에너지(W
a)는 식
(
2)와 같이 나타낼 수 있으며, 식(3)에서 나타낸 것
과 같이 이 값에 액체 분자 사이의 응집 에너지(W
c= 2g
LG)를 뺀 값을 고체 표면에서 액체의 퍼짐성
(
spreadibility, S)이라고 한다(Skurtys 등, 2011).
(
2)
(3)
S
< 0일 경우 액체 분자의 응집에너지가 더 크므
로 액체는 고체 표면에서 액적을 형성하며,
S
= 0일
경우 접촉각이 0˚로서 액체는 고체표면에서 충분한
수준의 젖음으로 인하여 완전히 퍼지게 된다.
3.3.2. Zisman 방법Zisman 방법은 접촉각을 측정하여 고체 표면의 임
계표면장력(critical surface tension, g
c)을 결정하여 젖
음성을 정량하는 방법이다(Zisman, 1964). Fig. 6에
서 설명하였듯이, 액체/기체 간 계면장력(g
LG)이 다
른 여러 종의 액체를 고체 표면위에 적하하여 각각의
접촉각(
θ
)을 측정하고, g
LG에 따라 cos
θ
값을 plotting
한 다음 접촉각 0˚ (cos
θ
=1)에 해당하는 g
LG값을 외
삽법으로 예측하여 g
C값을 결정한다. g
C값이 클수록
고체/기체 간 계면장력(g
SG),
즉 고체의 표면자유에
너지(surface free energy) 값이 크고 이는 고체 표면의
Fig. 4. Contact angle (q) between liquid droplet and solid surface: gSG = solid-gas interfacial tension, gSL = solid-liquid interfacial tension, and gLG = liquid-gas interfacial tension.
젖음성이 더 높다는 것으로서 미세먼지 등 외부물질
이 더 잘 흡착할 수 있다는 것을 의미한다.
3.3.3. OWRK 방법OWRK 방법은 극성이 다른 2개 이상의 액체와 고
체 표면과의 접촉각을 측정한 후, 식(4)를 이용하여
고체/기체 간 계면장력 (g
SG),
즉 고체의 표면자유에
너지를 친수성 부분(polar component, g
p SG)과 소수성
부분(dispersive component, g
d SG)의 합으로 나타내어
(g
SG=g
p SG+g
dSG)
표면의 친수성과 소수성을 정량하는
젖음성 측정 방법이다(Gao 등, 2018).
(4)
여기서 g
p LG및 g
dLG는 각각 액체/기체 간 계면장력
(g
LG)의 친수성 및 소수성 부분을 말하며, 식(4)를 사
용하기 위해서는 이 값들이 알려진 액체를 사용하여
야 한다. Fig. 7에서 설명하였듯이, 식(4)의 좌변의 값
Table 3. Selected studies on the effects of wettability on the adsorption of foreign matters onto food and biomaterial surfaces
방법 식품 내용 참고문헌 접촉각 측정 상치아재비 저압 산소 플라즈마 노출 후 잎 표면에 대한 물의 접촉각 분석 Grzegorzewski 등(2010) 유채 잎의 접촉각을 측정하여 젖음성 분석 Fang 등(2019) 양배추 잎 잎의 농약에 대한 젖음성 분석 Wu 등(2020) 사과 잎 농약 및 계면활성제에 대한 젖음성 분석 Gao 등(2020) 사과 계면활성제 코팅제에 대한 젖음성 분석. Choi 등(2002) 망고, 토마토 살모넬라 부착 이해를 위하여 표면 젖음성 분석 Fernandes 등(2014) 인조 폴리머 (Shar-klet) 모사 박테리아의 부착을 비교하기 위해 거칠기가 다른 마이크로 패턴의 폴리머 표면의 접촉각 측정 Lazouskaya 등(2016) Zisman 방법 사과 계면활성제가 코팅제 효과에 미치는 영향을 분석하기 위하여 표면 에너지 측정 Choi 등(2002) 마늘 코팅제 최적화를 위하여 마늘의 표면 에너지 측정 Hershko 와 Nussinovitch (1998) 토마토, 당근 코팅제 최적화를 위하여 토마토와 당근의 표면 에너지 측정 Casariego 등(2008) OWRK 방법1) 벼 성장 시기에 따른 잎의 표면 에너지 분석 Zhu 등(2014) 배나무 성장 시기에 따른 잎의 표면 에너지 분석 Gao 등(2018) 딸기 딸기의 노화 지연을 위한 식용 코팅제 조성을 최적화하기 위하여 딸기의 표면 에너지를 분석. Ribeiro 등(2007) vOCG 방법2) 블루베리 키토산 용액의 코팅 효과를 높이기 위해 블루베리의 표면 에너지를 분석 Skurtys 등(2011) 다크초콜릿 초콜릿 바 제조 후 틀에 붙은 잔량을 줄이기 위해 틀 소재와 초콜릿의 표면 에너지를 분석 Keijbets 등(2009) 망고, 토마토 살모넬라의 부착을 이해하기 위해 표면 젖음성 분석 Fernandes 등(2014) 잔류면적 측정 토마토, 오렌지, 사 과, 상추, 시금치, 멜론 모사 세균 부착 비교를 위해 표면 젖음성 분석 Lazouskaya 등(2016) 1) OWRK = Owens-Wendt-Rabel-Kaelble 2) vOCG = van Oss-Chaudhury-Good
을
에 따라 plotting 한 후 선형회귀법으로 직
선의 기울기와 y의 절편 값을 구하여 g
p SG,
g
dSG,
및 g
SG를 결정함으로서 표면의 친수성, 소수성, 및 전체 자
유에너지를 정량한다.
3.3.4. vOCG 방법vOCG 방법은 Lifshitz-van der Waals/acid-base 방
법 이라고도 불리며, 고체의 표면자유에너지를 친수
성 및 소수성 부분의 합으로 측정하여 젖음성을 정량
한다는 점에서 OWRK 방법과 유사하다. 극성이 다
르며 특성이 알려진 3개 이상의 액체와 고체 표면과
의 접촉각을 측정한 후, 고체/기체 간 계면장력(g
SG),
즉 고체의 표면자유에너지를 친수성 부분(polar or
Lewis acid-base component,
)과 소수성 부분
(
apolar or Lifshitz-van der Waals component,
)
의 합으로 나타내어(g
SG=
+
)
표면의 친수성
과 소수성을 정량한다(van Oss 등, 1986, 1988). 친
수성 표면자유에너지(
)는 극성 또는 수소결합과
같은 근거리 상호작용(short-range interactions)에 의
해 나타나는 자유에너지를 표현한 것이며, 소수성
표면자유에너지(
)는 런던 힘(London force), 키
섬 힘(Keesom force), 드바이 힘(Debye force) 등 원
거리 상호작용(long-range interactions)에 의해 나타
나는 표면자유에너지를 표현한 것이다(Keijbets 등,
2009).
4. 표면 전하
4.1. 표면 전하의 정의
고체 표면은 존재하는 작용기의 이온화 또는 전하
를 가진 분자들의 흡착 등으로 인하여 전하를 띠는
경우가 많다. 미세먼지는 대부분 표면에 음전하를
갖는 것으로 알려져 있으므로(Okuda 등, 2015), 식
품 표면이 어떤 전하를 갖느냐에 따라 정전기적 친
화력 또는 반발력으로 인하여 흡착의 정도가 달라질
수 있다. 식품을 포함한 생물소재(biomaterial)의 표
면은 일반적으로 음전하를 띠는 것으로 알려져 있어
(
Tofail 등, 2011) 미세먼지와 정전기적 반발이 있을
것으로 예상되지만, 표면의 위치에 따라 음전하가 약
하거나 혹은 양전하가 발생되어 있을 수 있으므로 표
면 전하는 표면의 다른 특성과 함께 충분히 고려되
어야 한다.
4.2. 생물소재의 표면 전하에 대한 연구 현황
Fig. 6. Determination of critical surface tension (gc) by Zisman method.
Fig. 7. Determination of polar and dispersive components of solid surface free energy by OWRK model: gp
SG = polar component of solid surface free energy, gd
SG = dispersive component of solid surface free energy, gp
LG = polar component of liquid-air interfacial tension, and gd
LG = dispersive component of liquid-air interfacial tension.
콜로이드와 같이 작은 입자 형태를 가진 생물소재의
표면 전하는 일반적으로 전기영동법(electrophoresis)
을 사용하여 제타 전위(zeta potential)를 측정하여 정
량한다. 그러나 작은 입자형태가 아닌 일반적 형태
의 생물소재의 표면 전하에 대한 연구는 매우 드문
데, 흐름전위법(stream potential)을 사용하여 벼 뿌리
와 목재 표면의 제타 전위를 측정한 연구가 보고되었
다(Li 등, 2015; Muff 등, 2018).
식품이나 생물소재의 경우 표면에 주로 음전하가
형성된다고 알려져 있다. 전기이중층(electric double
layer, EDL) 이론에 의하면, 음전하 표면에는 주변의
양이온들이 달라붙어 형성하는 고정 이온층인 스턴
층(stern layer)과 그 바깥쪽으로 이온들이 움직일 수
있는 확산층(diffuse layer)이 형성되며, 이 두 층으로
이루어진 고체 표면의 이온층을 전기이중층이라고
한다(Figs. 8 and 9). 확산층은 전단면(shear plane)을
기준으로 표면의 움직임에 따라 함께 움직이는 이온
층과 그렇지 않은 층으로 나누어지는데, 전단면에서
의 상대 전위를 제타전위(zeta potential)이라고 한다
(
Hong과 Chung, 2019).
전기영동법(electrophoresis)은 상분석 광산란
(
phase analysis light scattering) 및 레이저 도플러 전
기영동(laser doppler electrophoresis)을 이용하여 전
기장 하에서 이동하는 입자의 이동도(mobility)를 측
정하여 이를 제타전위로 환산하는 방법이다(Fig. 8;
Hong과 Chung, 2019). 이 방법은 전기장 하의 액체
내에서 움직일 수 있는 작은 입자의 제타전위를 분
석할 수 있어 미세먼지 또는 식품 콜로이드 분석에
유용하지만 상대적으로 넓은 면적을 가진 고체 표
면의 전하는 분석할 수 없다. 흐름전위법(streaming
potential technique)은 압력을 이용하여 고체 표면 사
이의 통로를 통하여 전해질(electrolyte)을 흐르게 하
고, 이로 인하여 발생한 전위차, 즉 흐름전위를 측정
하여 이를 고체 표면의 제타전위로 환산하는 방법이
다(Fig. 9; Ferraris 등, 2018; Li 등, 2015).
5. 표면 미세구조
5.1. 외부물질 흡착에 대한 표면 미세구조 연구 현황
식품 또는 생물소재 표면의 미세구조는 미세먼지,
Fig. 8. Electric double layer (EDL) on a particle surface: The potential at the shear plane is called zeta potential.
Fig. 9. Electric double layer (EDL) and streaming potential formed by pressure-driven electrolyte flow.
미생물 등 외부물질의 표면 흡착에 큰 영향을 준다
고 알려져 있어, 표면 미세구조의 굴곡, 돌기, 공극
등의 형태를 분석하고 거칠기를 정량하여 외부물질
흡착에 미치는 영향을 분석한 연구들이 다수 보고되
었다(Table 1). 망고, 토마토, 사과, 오렌지, 멜론, 아
보카도, 상추, 시금치 등 식용작물의 표면 미세구조
가 살모넬라 등 병원성균의 표면 흡착에 어떠한 영
향을 주는지가 연구되었으며(Fernandes 등, 2014;
Lazouskaya 등, 2016; Wang 등, 2009), 도시의 가로수
를 미세먼지 저감화를 위한 생물학적 필터로 이용하
기 위하여 잎의 미세구조가 미세먼지 흡착에 미치는
영향이 연구되었다(Chen 등, 2017; Zhang 등, 2017).
또한 생물소재의 표면은 아니지만 스테인리스강
표면의 소수성과 거칠기가 미생물 흡착에 영향을 미
친다는 연구가 보고되었으며(De-la-Pinta 등, 2019;
Whitehead 등, 2006; Wu 등, 2018), 규조토 입자 표면
의 거칠기가 곡물 낱알에 규조토가 흡착하는 요인 중
의 하나라는 연구도 보고되었다(Plumier 등, 2019).
폴리스티렌 입자의 경우 직경이 나노필터 멤브레
인의 표면 거칠기보다 많이 클 경우 표면 거칠기가
증가할수록 입자의 흡착이 감소한다고 보고되었다
(
Bowen과 Doneva, 2000). 일반적으로 표면이 거칠
수록 미세먼지가 부착할 가능성이 높아질 것으로 예
측할 수 있는데, 이 연구결과에 의하면 표면이 거칠
다고 해서 반드시 미세먼지 흡착이 잘 되는 것이 아
니라는 것을 알 수 있다.
5.2.표면 미세구조 분석 방법
접촉식 표면 분석의 대표적 방법은 탐침(stylus)을
이용하여 표면 위를 스캐닝하면서 표면의 형태와 거
칠기(roughness)를 분석하는 탐침 프로파일러(stylus
profiler)를 사용하는 방법이다. 비접촉식 분석방법
은 주로 현미경법을 사용하는 것인데, 원자력 현미
경(atomic force microscopy, AFM), 공초점레이저주
사현미경(confocal laser scanning microsopy, CLSM),
환경주사현미경(environmental scanning electron
microscopy, ESEM), 주사전자현미경(scanning
electron microscopy, SEM), 백색광간섭계(white
light scanning interferometry, WLSI) 등의 다양한 방
법을 사용하여 표면의 형태와 거칠기를 분석한다.
Table 4. Selected studies on the effects of microstructure on the adsorption of foreign matters onto food and biomaterial surfaces.
방법 표면 내용 참고문헌 접촉식 Stylus profiler 망고, 토마토 Ra 등을 분석하여 살모넬라의 흡착 연구 Fernandes 등(2014) 비접촉식 원자력 현미경(AFM) 나뭇잎 Ra, Rz 및 미세구조 분석으로 미 세먼지 흡착 연구 Zhang 등(2017) 공초점레이저주사현 미경(CLSM) 사과, 오렌지, 아보카도, 메론 Ra를 분석하여 E. coli의 흡착 연구 Wang 등(2009) 토마토, 오렌지, 사과, 상추, 시금치, 멜론 Sa 등을 분석하여 모사 세균의 흡착 연구 Lazouskaya 등(2016) 환경주사전자현미경 (ESEM) 나뭇잎 주름(groove)의 면적, 모상체 밀 도, 잎의 형태 등을 분석하여 PM2.5의 흡착 연구. Chen 등(2017) 주사전자현미경 (SEM) 상치아재비 플라즈마 처리 전후 표면의 형태 변화 분석 Grzegorzewski 등(2010) Ra = 기준 길이 내 산-골 높이의 산술평균 Rz = 기준 길이 내 산-골의 최대 높이 Sa = 기준 면적 내 산-골 높이의 산술평균 Sq = 기준 면적 내 산-골 높이의 제곱평균 제곱근
표면의 거칠기는 접촉식 또는 비접촉식 방법을 사
용하여 일정 선 위 또는 일정 면적을 주사(scanning)
하면서 표면 미세구조의 산(peak)과 골(valley)의 크
기를 분석하고, 일반적으로 Table 5에 나타나있는 파
라미터를 이용하여 정량한다. Fig. 10은 백색광간섭
계를 이용해 관찰한 깻잎 표면의 삼차원 미세구조를
보여주며, 기준 면적 내의 산-골 차이(높이)의 산술
평균(
S
a)은 3.28 μm로 측정되었다.
요약
미세먼지는 식품, 특히 식용작물이나 길거리 식품
등을 통해 인체에 유입될 가능성이 높은데, 위장관에
유입될 경우 염증을 유발하거나 장내 마이크로바이
옴에 변화를 가져와 건강을 해칠 수 있다는 연구결과
가 최근 보고되었다. 낮은 농도라 하더라도 미세먼지
에 장시간 노출 될 경우 많은 양의 미세먼지가 식품
에 축적될 수 있으므로 현대사회에 부응하는 수준의
식품안전을 위해서는 미세먼지에 대한 고려도 반드
시 필요하다. 미세먼지가 식품 표면에 흡착하는 것은
여러 요인들의 영향을 받는 복잡한 현상으로 예측되
지만 아직 이러한 현상에 관련된 체계적 연구는 거의
보고된 바가 없다. 미세먼지의 식품 흡착 현상은 식
품 표면의 특성에 크게 영향을 받을 것으로 예상되는
데, 농약 등 화학물질이나 미생물의 식품 흡착에 대
한 연구보고를 고려할 때 특히 표면 젖음성, 표면 전
하, 표면 미세구조 등의 요인들이 미세먼지의 식품
흡착에 큰 영향을 줄 것으로 예상된다. 식품의 표면
특성이 미세먼지 흡착에 미치는 영향을 이해한다면,
미세먼지에 취약한 식품군을 분류하고 재배, 저장,
Table 5. Parameters for surface roughness.
주사 방법 파라미터 정의 참고문헌 길이 주사 Ra 기준 길이 내 산-골 높이의 산술평균 KS B ISO4287 (2019) Rq 기준 길이 내 산-골 높이의 제곱 평균 제곱근 Rz 기준 길이 내 산-골의 최대 높이 면적 주사 Sa 기준 면적 내 산-골 높이의 산술평균 KS B ISO25178-2(2017) Sq 기준 면적 내 산-골 높이의 제곱 평균 제곱근 Sz 기준 면적 내 산-골의 최대 높이 Rp = 기준 길이 내 산(peak)의 최대 높이 Rv = 기준 길이 내 골(valley)의 최저 깊이 Sp = 기준 면적 내 산의 최대 높이 Sv = 기준 면적 내 골의 최저 깊이 l = 기준 길이 A = 기준 면적
조리 등의 환경을 조정하여 보다 효과적으로 미세먼
지로부터 식품안전을 확보할 수 있으리라 판단된다.
감사의 글
본 연구는 2021년도 식품의약품안전처의 연구개
발비(19163공동기112)로 수행되었으며 이에 감사드
립니다.
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Fig. 10. 3D surface image of perilla leaf obtained by white light scanning interferometry (WLSI). The peak is higher in the order of white-colored, red-colored, yellow-colored, and blue-colored areas. Surface roughness (Sa) was estimated to be 3.28 mm.
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