Introduction
2018년 7월 미중 무역 분쟁은 두 국가간 관세 부과에 의한 상호 수출∙입이 감소하면서 한국 농산물 수출 증가에 기여하였으며(Lee, 2021), 2019년도 국내 깐마늘 수출량은 전년도 수출량 대비 550 배 상승하였다(KAFFTC, 2020). 하지만, 2020년 1월 전 세계 팬데믹 선언으로 인한 사회적 거리두기 유지, 수요 감소는 미중 무역 분쟁 이전보다 하락된 대한민국 농업 경제를 초래하였다(Seo et al., 2020). 팬데믹(Pandemic)으로 인하여 사람 간 접촉 및 해외 유입 제한으로 인하여 농업 주 인력 형태로 고용되는 해외 일용∙상용근로자 수급이 어려워졌다(Eom, 2020). 국내에 거주하는 해외인력 1 % 감소는 국내인력 임금 0.06 % 상승을 초래하며(Nam, 2013), 농업 생산비의 가장 큰 비중을 차지하는 노동비를 증가시킨다. 상승하는 임금 문제와 정부의 근로시간 제한으로 인하여 2022년 농가소득이 전년 대비 0.6 % 감소할 것으로 전망된다(Jeong et al., 2022).
작업 단계와 재배 양식이 다양한 마늘은 일용∙상용근로자 비율이 높으며, 소득 감소 문제를 직면한 노지작물이다(Hwang et al., 2020). 노동비 문제를 해결하고 인력을 대체하기 위하여 마늘과 같은 작물을 대상으로 한 밭농업 기계화 촉진 사업이 진행되고 있으며, 일용∙상용근로자 투여가 많은 작업에 해당하는 기계 개발과 수확 후 처리 가공으로 인한 상품 다양성의 목적성을 가지고 있다(MAFRA, 2022).
본 논문은 마늘 산업 기계화를 위하여 마늘의 특성을 활용한 기계 개발 및 기술 적용 연구 사례를 검토하고 관련 연구에 대한 기초 자료 및 추가 연구를 제시하기 위하여 진행되었다. 마늘의 특성을 활용한 연구 사례 검토를 통하여 새로운 마늘 기계 및 기술 개발 방향성 확립으로 대한민국 밭농업 기계화 촉진과 마늘 산업 경쟁력 향상에 기여하고자 한다.
Garlic characteristics and agricultural implement
농업 기계를 개발함에 있어 대상이 작물일 경우 해당 작물의 재배 과정과 생장 형태를 고려한 설계가 이루어져야 한다. 마늘의 재배 과정은 씨마늘, 주아를 직립으로 심는 파종, 출하 기준에 적합한 마늘의 줄기를 자른 후 굴취하여 수집하는 수확으로 나뉘며, 작물과 직접적인 접촉이 발생하는 마늘 재배 기계는 파종기와 수확기이다.
마늘을 재배하기 위하여 마늘 파종기, 수확기 개발 시 활용되는 마늘의 특성은 외관 규격과 강도이다. 파종 시 기하학적 특성에 해당하는 쪽마늘과 주아의 외관 규격을 파악하여 배종컵과 파종 호퍼의 크기를 결정할 수 있기 때문이다(Park et al., 2002). 마늘수확기는 수확 시 마늘과 직접적인 접촉이 발생한다. 이때 충격이 발생하며 기계적 특성에 해당하는 마늘의 항복강도를 벗어난 충격이 가해질 시 마늘은 손상이 발생하기 때문에 마늘의 강도는 수확기 개발 시 중요한 인자이다(Noh et al., 1999).
Choi et al. (2001)은 기계 파종 시 뿌리 발생부가 아래 방향을 향하는 직립 파종기 개발을 위하여 마늘 인편의 길이, 폭, 두께, 무게 등 기하학적 특성을 기반으로 한 형상 분석을 통하여 무게중심을 도출하였다. 마늘 인편과 접촉이 발생하는 바닥 면의 형상이 달라지면 안정적인 자세를 유지하기 위하여 마늘 인편의 무게중심이 변한다. 이때 반구형 배종 호퍼에 놓여진 마늘 인편은 경사 방향으로 무게중심이 이동하여 뿌리 발생부가 아래 방향을 향하게 된다. 따라서 마늘의 기하학적 특성을 활용하여 무게중심을 도출해냈고, 무게중심 이동 원리를 통하여 직립파종유도호퍼를 설계하였다.
Park et al. (2001)은 마늘파종기 주요 작업부 제원 설계를 위하여 품종별 마늘 쪽 130 립의 무게, 길이, 폭, 두께를 측정하였으며, 추가 연구에서 마늘의 기하학적 특성을 기반하여 파종이 이루어지는 파종 호퍼를 외관 규격 최대, 최소 마늘을 수용할 수 있는 제원으로 설계하였다(Park et al., 2002). Noh et al. (1999)은 마늘 수확기 개발을 위하여 마늘의 물리적 특성을 조사하였으며, UTM (Universal Testing Machine, Zwickroell, DEU)을 활용하여 통마늘 압축 시험을 실시하였다. 압축시험 시 통마늘이 파괴되는 지점을 통하여 마늘의 항복강도를 측정하였다. 압축 실험 결과, 평균 파괴 압축력 211.82 N, 평균 항복강도 11.23 N/cm2으로 나타났다. 이에 따라 마늘 수확기 개발 시 마늘에 발생할 압축력은 211.82 N 미만으로 판단된다.
선행 연구를 통하여 개발된 마늘 수확기는 굴취형, 인발형으로 보급되고 있다. 여러 연구에서 위와 같은 선행연구를 바탕으로 기계적 특성을 적용한 기계 개발 연구가 진행되었다. 하지만 기계 작동 시 압축뿐만 아니라 진동 및 기계 거동에 따라 마늘에 충격이 발생하기 때문에 충격을 분석하는 추가연구가 요구되는 것으로 판단된다.
Park et al. (2019)은 기계를 활용한 마늘 수확 시 발생하는 충격을 해석하기 위하여 굴취 형식 마늘 수확기를 활용하여 충격 분석을 실시한 바 있다. 충격이 발생하는 부위는 마늘을 운반하는 롤러, 롤러에 충돌 후 접촉하는 사이드 판넬로 설정하였다. 또한 굴취형 마늘 수확기의 매커니즘을 적용한 모의 실험을 실시한 후 물리적 특성을 적용한 충격 시뮬레이션 간 비교 분석을 진행하였다. 물리적 특성은 Noh et al. (1999)의 선행연구를 바탕으로 측정하였으며, 마늘의 물리적 특성을 적용한 PLA (Poly Lactic Acid) 3D 프린팅 마늘 구근을 활용하였다. 충돌 실험 장치 전방에 고속 카메라와 가속계를 설치하여 충돌 이후 반발 거리 및 가속도를 측정하였다. 모의 실험과 충돌 시뮬레이션 비교 분석 결과, 충돌 후 반발 거리가 유사하게 나타났지만, 가속도는 시뮬레이션 결과값이 비교적 높게 나타났다. 모의 실험은 바람의 영향, 실험에 활용된 재료들의 불균일한 질량 분포 등의 변수로 인하여 실험마다 결과 값이 다르게 나오는 반면, 시뮬레이션은 가상 실험이기 때문에 변수가 작용하지 않는다. 이로 인하여 모의 실험과 시뮬레이션 간 결과 차이가 발생하였지만, 충격을 분석하기 위한 수식을 적용하였을 때 결과 차이는 크지 않다고 보고하였다. 이에 따라 선행연구의 물리적 특성 측정 방법과 각 인자별 측정값은 신뢰할 수 있는 결과로 판단된다.
마늘은 출하될 때 소비자의 편의성을 위하여 껍질을 박피한 상태인 깐마늘로 출하된다(KAMIS, 2020). 수확된 통마늘의 껍질을 박피하기 위하여 기계식 박피기 개발 연구가 진행된 바 있다(Manjunatha et al., 2014). 해당 연구에서 껍질 박피 시 마늘의 손상을 최소화하기 위하여 외관 규격을 포함한 구형도를 활용하여 마늘이 투여되고 박피가 이루어지는 오목 회전 실린더를 설계하였다. 깐마늘 샘플 개수는 1,000 개를 활용하였으며, 평균 길이, 두께, 너비, 직경은 각각 26.3, 8.7, 10.4, 13.3 mm, 평균 구형도 0.5, 평균 무게는 1.8 g으로 나타났다. 마늘의 껍질을 박피하기 위하여 마찰력이 큰 고무패드를 실린더 내부에 부착하였으며, 마늘의 껍질은 너비 방향으로 둘러싸여 있기 때문에 평균 너비를 적용하여 실린더의 오목한 간격을 10 mm로 설계하였으며, 이때 최대 박피 효율 86.7, 손상률 14.18 %으로 나타났다. 해당 연구에서 마늘 박피 효율 분석 시 마늘의 함수율이 감소할수록 박피 효율도 감소한다고 언급하였다. 수확된 마늘은 박피기에 투입될 때까지 외부 환경에 의해 함수율이 변한다. 실험 샘플로 활용된 마늘의 채취 환경에 대한 언급이 없었기에 수확 직후 또는 수확 후 일정 기간 동안 저장된 마늘의 조건과 각 마늘의 초기 함수율의 범위를 제시한다면, 회전식 박피기의 회전속도에 따른 박피 성능 분석에 대한 기초 자료가 될 것으로 분석된다.
Technology taking into account the properties of garlic
수확된 마늘의 선도를 유지하기 위하여 건조 및 처리 기술 적용이 요구되기에 마늘의 특성을 고려한 가공 효율 도출이 이루어져야 한다. 건조 효율을 계산하기 위하여 수분 손실률을 알아야 한다. 수분 손실률은 시료의 열전도 상태를 통하여 알 수 있으며, 열전도에 따른 수분의 상태 변화가 건조 효율이다. 이때 수분의 확산을 가열 및 냉각 곡선에 의해 계산되며, 가장 중요한 인자가 밀도이다(Kim et al., 2006). Sharma and Prasad (2004)은 전자레인지 마이크로파에 의한 마늘 수분 확산을 알아보기 위하여 마늘의 밀도를 식 (1)과 같이, 푸리에 수(Fop)에 적용한 후 수분 비율(MR)로 표현된 피크의 확산 방정식을 응용한 식 (2)를 통하여 마늘 건조에 적합한 전자레인지 건조 공기 속도 및 활성화 에너지 범위를 도출하였다.
Fop = Kt/pCL2 (constant) (1)
Where, K = coefficient of thermal conductivity of garlic (W/m∙℃)
t = Time (s)
p = bulk density of garlic (kg/m3)
C = Specific heat of garlic (kJ/kg∙℃)
L = Half thickness of heat transfer material (m)
MR = 4λ12∙exp(-λ12∙Fop) (constant) (2)
Where, λ1 = Root of the Bessel function of one order (constant)
전자레인지 대류 건조 연구를 통하여 건조 효율은 전력 소모량과 무관했으며, 건조 공기 속도 1 m/s에서 건조 효율이 가장 좋았다. 이때 건조에 적용된 활성화 에너지 범위는 4.08 ~ 9.67 kJ/mol으로 나타났다. 건조 효율을 도출 했음에도 불구하고 주요 인자인 밀도는 해당 연구 시점보다 오래된 연구자료를 참고하였기에 실험 샘플로 활용된 마늘 집단의 밀도 측정을 통하여 통계적 데이터를 활용한다면 보다 정확한 결과가 나타날 것으로 판단된다.
Tao et al. (2018)은 마늘의 열풍 건조 시 물질 전달을 저항하기 위하여 초음파가 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 물질 전달을 저항하면 건조 과정에서 발생하는 여러 에너지 이동 현상이 줄어들고, 수분과 대기 공기 간 열전달에 집중되기 때문에 건조 효율이 증가하는 것이다. 이때 건조 중 마늘 내∙외부 물질 전달 해석을 위하여 셔우드 수(Sh)를 활용하였다. 식 (3)과 같이, 셔우드 수는 열전달 해석 함수로써, 수분을 함유한 물질의 점도와 밀도를 활용하여 물질 이동 속도 관계를 파악할 수 있다.
Sh = k∙l/De(constant) (3)
Where, k = mass transfer coefficient = (μ2/p2∙g)1/3
μ = Viscosity of garlic moisture (Pa∙s)
g = gravitational acceleration (m/s2)
l = Thickness of garlic (m)
De = Effective moisture diffusivity (m2/s)
60℃ 조건에서 초음파 처리 후 마늘 열풍 건조 효율을 관찰한 결과, 무처리 열풍 건조보다 초음파 처리 시 효율이 높은 것으로 나타났다. 효율이 증가한 최초 초음파 크기는 216.8 W/m2으로 나타났으며, 216.8 W/m2보다 큰 초음파를 주입했을 때 효율 차이는 유의하게 나타나지 않았다. 또한 초음파 처리 후 마늘 열풍 건조 시 마늘에 함유된 티오황산염, 페놀류, 유기황 등의 성분 감소가 줄어듦에 따라 품질 유지에 도움된 것으로 나타났다. 이에 따라 초음파 처리가 열풍 건조 과정에서 마늘에 미치는 영향을 분석하여 품질 유지에 작용한 현상을 파악하는 추가 연구가 요구되는 것으로 판단된다. 열풍 건조 시 이동하는 높은 온도의 수증기를 재활용하여 자동차 하이브리드 형식과 같이 활용한다면 에너지 절감을 통한 경제적 건조 장치로 활용될 것으로 분석된다. 또한 마늘을 담아둔 용기의 제원을 활용하여 마늘의 밀도를 적용하였기 때문에 비교적 정확한 결과를 위하여 마늘의 밀도 측정이 요구되는 것으로 판단된다.
마늘은 인간이 섭취하는 채소인 만큼 품질이 좋으며, 섭취로 인한 신체적 부작용이 없고 이로운 영향을 미쳐야 한다. 품질을 유지하기 위하여 마늘의 선도를 결정하는 이화학적 특성인 아미노산 일종의 알리신과 유기황 화합물을 제어해줘야 하며, 신체적 이점을 가져다 주기 위한 영양소 향상에 관한 연구가 요구된다.
Martínez et al. (2007)은 마늘의 의학적 이점을 분석하기 위하여 마늘의 이화학적 특성 조사 연구를 진행한 바 있다. 항균, 항산화, 항암 작용 시 반응하는 마늘 유기 화합물의 특성을 분석하였으며, 사포닌, 페놀 화합물이 미생물 생장에 관여하여 항균 작용을 일으키는 것으로 나타났다. 또한 마늘에 많이 함유된 알리신의 분해 산물로써 휘발성이 높은 DATS (Diallyl trisulfide)가 구충 작용을 일으켜 편모충증을 예방하는 것으로 나타났다. 마늘에서 추출한 AGE (Aged Garlic Extract)는 강력한 항산화 촉진제라고 보고하였다. 산소 전자 환원 즉, 반응성 산소종(reactive oxygen species)에 의해 세포속 DNA와 지질이 산화되면서 노화를 촉진하고 염증을 발생시켜 암 발생률을 높인다. 산화 작용 시 AGE는 산화 작용 성분을 억제하는 SAMC (S-allyl-mercapto cysteine), SAC (S-allyl-cysteine) 생성을 촉진하고, 적혈구 막을 보호하는 작용을 통하여 심혈관 및 뇌혈관을 보호한다. DNA 산화 작용을 억제함에 따라 DNA 손상이 감소하여 항암 효과도 있는 것으로 나타났다. 연구 결과를 통하여 마늘 성분 향상을 위한 기초자료로써, 알리신, 사포닌, 페놀 화합물이 주 성분으로 판단된다.
Sohrabi et al. (2020)은 황(S)과 셀레늄(Se)이 마늘의 알리신, 페놀 화합물 농도 증가에 영향이 있는 것을 바탕으로 마늘에 황, 셀레늄 살포 시 발생하는 작용과 함량이 증가는 유기 화합물을 파악하였다. 실험 결과, 황과 셀레늄은 마늘을 재배하는 토양과 마늘 줄기와 반응하여 미네랄 함량을 증가시키고 생장을 촉진하였다. 미네랄이 증가함에 따라 항산화제 역할을 하는 페놀 화합물 생성이 촉진되었으며 미네랄 함량 상승이 항산화제 생성에 유리한 인자인 것으로 판단된다. 또한 생장이 촉진되어 선도가 높은 마늘을 채취할 수 있었다. 황은 셀레늄과 반응하여 알리신 및 유기 화합물을 생성하여 항산화 작용을 하는 것으로 나타났다. 하지만 고르게 살포되지 못하여 셀레늄만 살포된 마늘은 산화가 반응이 촉진되었으며, 이에 따라 셀레늄을 분리하여 사용할 시 산화촉진제로 작용되는 것으로 판단된다.
Khubber et al. (2020)은 마늘의 이화학적 특성인 항균 및 항산화 효과를 활용하여 생물학적 특성 결과를 도출하였으며, 이를 통하여 COVID-19 (coronavirus disease 2019) 식품 치료에 관한 연구를 진행되었다. 선행연구에서 제시한 항균, 항산화 성분인 알리신 및 유기 화합물이 신체에 가져다 주는 이점을 통하여 코로나 바이러스 감염에 의해 발생하는 폐 염증, Cytokine 증상 감소를 언급하였다. 마늘 추출액 0.1 mL는 알리신, 페놀 화합물과 같은 N-acetylcysteine, S-allyl-mercapto cysteine, S-allyl-cysteine 등 9가지 성분이 항균, 항산화 작용을 통하여 스스로 면역을 조절하고, 대식세포의 활성을 촉진하여 항원∙항체 반응에 이점을 가져온다. 대식 세포는 코로나 바이러스 침입 시 1차 면역 역할을 수행하는 세포로써, 1차 면역이 무너질 시 신체는 바이러스에 노출하게 된다. 대식 세포 활성 촉진은 코로나 바이러스 증식을 억제하고 코로나 바이러스를 처단할 항체를 생성하는 동안 세포 내 바이러스 부착 단계를 차단한다. 이로 인하여 마늘에서 알리신, 페놀 화합물과 같은 성분을 추출하여 캡슐 및 섭취 방식으로 보급된다면 COVID-19 발병률 감소에 기여할 것을 기대하였다. 해당 식품 치료 연구의 마늘 추출액 기초자료를 기반으로 성분을 유지하고 보급에 유리한 캡슐 및 식품 개발 연구가 요구되는 것으로 판단된다.
Conclusions
마늘 파종기와 수확기 개발 시 마늘의 특성으로써 기하학적 특성과 기계적 특성을 활용하여 제원이 결정되고 설계가 이루어진다. 폭, 길이, 두께, 무게, 부피 등의 기하학적 특성은 파종기의 배종컵, 배종 호퍼, 직립파종유도호퍼의 설계 기초 자료로 활용되었다. 밀도는 유동 해석에 상대적 인자로 활용된다. 두 물체 간 에너지 전달 과정에서 밀도는 에너지 운반 해석에 대한 주요 인자로써, 열, 전기에너지 해석과 물질 전달 해석을 통하여 건조 특성을 분석할 수 있다. 건조 시 이동하는 물질을 재활용한다면 에너지 절감을 통한 경제적 기계 개발이 가능할 것으로 분석되며, 순환식 설계를 통하여 에너지 분석에 대한 추가 연구가 요구되는 것으로 분석된다. 기계적 특성은 마늘의 내부 해석에 활용되는 인자로써, 충격 해석을 통하여 마늘과 접촉이 발생하는 기계부의 허용응력 범위 내 설계의 기초 자료로 활용된다. 하지만 마늘의 밀도와 기계적 특성은 직접적인 측정이 불가능하기 때문에, 충분한 샘플로 실험을 통한 측정을 진행한 후 통계적으로 신뢰할 수 있는 결과 값을 활용해야 하는 방향성을 파악하였다.
마늘의 품질을 결정하는 이화학적 특성은 알리신, 페놀 화합물으로써 황, 셀레늄 처리를 통하여 유지할 수 있고, 함유량을 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다. 황과 셀레늄이 고르게 처리되지 못할 시 품질이 저하되기 때문에 황과 셀레늄을 고르게 교반할 수 있는 기술이 요구되는 것으로 분석된다. 또한 마늘의 이화학적 특성이 인간에 미치는 생물학적 특성을 통하여 N-acetylcysteine, S-allyl-mercapto cysteine, S-allyl-cysteine 등의 성분이 코로나 바이러스를 통한 폐 염증 증상 시 항원∙항체 반응을 돕는 것으로 나타났다. 추출된 성분을 활용하여 의학적 이점을 가져다 주는 제품으로 개발할 수 있을 것으로 분석된다.
본 검토는 마늘 특성을 활용한 기계 개발과 기술 적용 연구 사례 검토를 통하여 밭농업 기계화 및 마늘 산업 발전에 기여하기 위한 기초자료 제시로 진행되었으며, 미비한 내용과 향후 발전 가능한 분야에 대한 추가 연구를 제시하였다. 제시된 내용을 기반으로 일용∙상용근로자 비율이 높은 마늘 산업의 인력 문제를 해결하고, 마늘 산업 경쟁력 확보에 기여하고자 한다.
