Green Disinfestation Strategies for Different Stored Grains: Microwave, Infrared and Ultrasound Inactivation of the Red Flour Beetle (Tribolium castaneum Herbst)

매년, 한 명의 침묵하는 도둑이 세계의 식량 공급을 훔쳐갑니다. 밀이나 렌틸콩 한 알이 주방에 도달하기도 훨씬 전부터, 그것들은 저장된 수확물 내부에서 살고 번식하는 곤충들에게 취약한 상태가 됩니다. 이러한 해충 중 가장 끈질긴 것 중 하나는 레드 플라워 비틀(red flour beetle)로, 창고와 사일로에서 번성하며 곡물을 먹어 치우고 맛, 냄새, 그리고 안전성을 망치는 배설물을 남깁니다. 수십 년 동안 이 해충들에 대한 표준 방어책은 화학적 훈증이었으며, 이는 곤충을 죽이기 위해 저장 구역을 독성 가스로 채우는 과정입니다. 그러나 이 방식은 점점 더 실행 가능성이 낮아지고 있습니다. 많은 곤충 개체군이 이러한 화학 물질에 대한 저항성을 발달시켰고, 남겨진 잔류물은 인간의 건강과 국제 무역에 위험을 초래하기 때문입니다. 세계가 더 안전하고 깨끗한 방식으로 식품을 보호하는 방법을 모색함에 따라, 과학자들은 독성 물질 없이 그 일을 수행하기 위해 물리적인 힘인 열과 소리에 주목하고 있습니다.

최근 한 연구에서 연구진은 다섯 가지 다른 종류의 저장 곡물인 밀, 불굴(bulgur), 메밀, 렌틸콩, 병아리콩을 대상으로 레드 플라워 비틀에 대한 세 가지 특정 물리적 방법을 테스트했습니다. 가지안테프 대학교(Gaziantep University)에 기반을 둔 연구팀은 마이크로파, 적외선, 초음파를 사용하여 곡물 자체를 먹기에 안전하게 유지하면서도 비틀을 죽일 수 있는지 확인하고자 했습니다. 그들은 단순히 곤충이 죽었는지 여부만을 본 것이 아니라, 이러한 처리가 곡물의 수분, 색상, 온도를 어떻게 변화시키는지 면밀히 측정했습니다. 목표는 해충은 제거하되 식품의 품질은 높게 유지하는 균형점을 찾는 것이었습니다.

첫 번째로 테스트된 방법은 마이크로파였습니다. 이 기술는 곡물과 곤충 내부의 물 분자를 빠르게 진동시켜 내부로부터 열을 발생시키는 방식으로 작동합니다. 연구진은 360에서 900와트 사이의 다양한 출력 수준에서 10초에서 40초 사이의 짧은 시간 동안 마이크로파 에너지를 곡물 샘플에 노출했습니다. 결과는 놀라울 정도로 빨랐습니다. 가장 높은 출력 설정에서 비틀은 30~40초 이내에 완전히 죽었습니다. 생성된 열은 매우 강렬하여, 어떤 경우에는 곡물의 온도를 90도씨까지 높였습니다. 이 급격한 가열은 곤충을 죽이는 데 매우 효과적이었지만, 곡물의 수분을 일부 손실시키기도 했습니다. 연구진은 곡물이 노출되는 시간이 길어지고 출력이 높아질수록 곡물이 더 건조해진다는 것을 발견했습니다. 이러한 건조 효과에도 불구하고 곡물의 시각적 외관은 거의 변하지 않았는데, 이는 식품이 소비자에게 여전히 수용 가능한 모습일 것임을 시사합니다.

두 번째 접근 방식은 태양이 피부를 따뜻하게 하는 것과 매우 유사하게 물체의 표면을 가열하는 적외선 복사를 이용한 것입니다. 이 연구 부분에서 곡물 샘플은 적외선 히터 아래에 놓였으며, 3분에서 5분 사이의 기간 동안 50, 70, 90도씨의 온도로 노출되었습니다. 내부를 빠르게 가열하는 마이크로파와 달리, 적외선 방식은 표면을 더 점진적으로 데웠습니다. 비틀은 노출된 온도와 시간에 크게 의존하여 죽었습니다. 90도씨에서 곤충은 약 4분 후에 완전히 박멸되었습니다. 이 방법 또한 곡물을 건조시켰지만, 연구진은 식품의 색상이 놀라울 정도로 안정적으로 유지된다는 것을 관찰했습니다. 곡물은 비틀이 죽은 후에도 갈색으로 변하거나 타버린 것처럼 보이지 않았습니다. 이는 적외선 가열이 외관 변화에 민감한 곡물을 소독하는 부드러운 방법이 될 수 있음을 시사합니다.

세 번째 방법은 고주파 음파를 사용하여 기계적 스트레스와 살아있는 세포를 손상시킬 수 있는 미세한 기포를 만드는 초음파입니다. 연구진은 곡물과 비틀을 지퍼백에 넣은 뒤, 50, 70, 90도씨의 온도로 설정된 초음파 욕조에 담갔습니다. 이 과정은 다른 두 방법보다 훨씬 오래 걸려 10분에서 30분 사이의 노출 시간이 필요했습니다. 50도의 낮은 온도에서는 초음파만으로는 긴 시간이 지나도 비틀을 죽이기에 충분하지 않았습니다. 그러나 온도를 70도나 90도로 높이자, 소리와 열의 결 조합이 치명적이 되어 20~30분 이내에 모든 곤충을 죽였습니다. 이 방법의 장점은 곡 자체에 가하는 변화가 가장 적다는 것이었습니다. 처리된 곡의 수분 함량과 색상은 원래 상태와 매우 유사하게 유지되었으며, 이는 대규모 사용을 위해 과정을 빠르게 만들 수 있다면 식품의 품질을 보존하는 데 유망한 옵션임을 보여줍니다.

연구의 핵심 발견은 모든 곡물이 이러한 처리에 동일하게 반응하지 않는다는 것이었습니다. 곡물의 물리적 구조가 중요했습니다. 메밀이나 렌틸콩처럼 작고 가벼운 곡물은 마이크로파와 적외선 히터로부터 에너지를 더 효율적으로 흡수하여 더 빠른 가열과 더 빠른 곤충의 죽음을 유도했습니다. 반면, 밀이나 병아리콩처럼 밀도가 높은 곡물은 동일한 치사 온도에 도달하기 위해 더 긴 노출 시간을 필요로 했습니다. 이러한 차이는 단일 설정이 모든 종류의 식품에 적용될 수 없음을 강조하며, 처리는 보호되는 특정 곡물에 맞춰 조정되어야 함을 보여줍니다.

연구진은 또한 처리 조건과 결과 사이의 관계를 분석했습니다. 그들은 마이크로파와 적외선 열 모두에서 도달한 온도와 노출 지속 시간이 비틀을 죽이는 데 있어 가장 결정적인 요소라는 것을 발견했습니다. 곡물이 얼마나 뜨거워졌는지와 얼마나 많은 곤충이 죽었는지 사이에는 명확한 연관성이 있었습니다. 연구는 또한 이러한 물리적 방법들이 효과적이기는 하지만, 곡물을 약간 변화시킨다는 점을 확인했습니다. 마이크로파와 적외선 열은 모두 수분 함량을 감소시켰으며, 이는 나중에 곡물을 저장하거나 가공하는 방식에 영향을 줄 수 있습니다. 그러나 색상의 변화는 모든 방법에서 미미했으며, 이는 식품이 상하거나 매력적이지 않게 보이지 않을 것임을 의미합니다.

궁극적으로, 이 연구는 화학적 독성 물질을 사용하지 않고도 레드 플라워 비틀을 제거하는 것이 가능하다는 것을 입증합니다. 테스트된 세 가지 방법 각각은 서로 다른 트레이드오프(절충 관계)를 제공합니다. 마이크로파는 가장 빠르며 초 단위로 곤충을 죽이지만 급격한 건조의 위험이 있습니다. 적외선 열은 곡물의 외관을 보존하면서 더 고르게 온도를 높여주지만 몇 분간의 노출 시간이 필요합니다. 초음파는 곡의 품질에 가장 부드럽지만 시간이 가장 오래 걸리며 효과를 내기 위해 높은 온도가 필요합니다. 연구진은 이러한 기술들이 화학적 훈증의 실행 가능한 대안이지만, 그 성공 여부는 각 특정 곡물에 맞춰 설정을 정교하게 조정하는 데 달려 있다고 결론지었습니다. 적절한 물리적 힘을 적절한 식품에 맞춤으로써, 식품을 안전하고 깨끗하며 화학적 잔류물이 없는 상태로 유지하면서 세계의 곡물 공급을 해충으로부터 지켜낼 수 있을 것입니다.