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최근에 사과는 재배기술과 저장기술의 발달로 저장기간 목표에 따라 적합한 성숙기에 과실을 수확하기 위하여 수확시기를 예측하는 등 고품질의 사과를 지속적으로 공급하고 있다(Drake et al., 2002). 사과는 조기에 수확할 경우 저장성은 좋으나 과실 품질과 수확량이 감소하고, 늦게 수확할 경우 과실의 크기는 다소 증가하나 저장성이 떨어지고 각종 생리장해가 발생하므로 고품질의 과실 생산 및 저장성 유지를 위해서는 과실의 성숙정도를 명확하게 판단할 수 있는 기준이 필요하다(Jan et al., 2012). 현재 사과의 수확시기 예측을 위해서는 만개 후 일수, 착색정도, 경도, 당 및 산 함량, 전분지수, 과실의 크기나 모양 등이 그 기준이 사용되어 왔다(Doerflinger et al., 2015). 그러나 대부분의 수확기 예측 지표들은 당해 기상환경, 과실 품종, 대목의 종류, 수형, 비배관리 등 다양한 요인에 의해 과실의 성숙 정도가 일정하지 못하므로 현재까지 과실의 성숙 정도를 판단하는데 전분지수(starch pattern index, SPI)를 참고로 사용하여 왔다(Cho and Hwang, 1998; Cho et al., 2001).
사과 과실은 생육기동안 잎에서 광합성을 통해 합성된 당은 과실로 이동하여 전분의 형태로 축적되며, 과실의 성숙과 숙성이 진행될수록 축적된 전분은 포도당으로 전환되어 사과의 단맛이 증가하게 된다(Seymour et al., 1993). 이 과정은 아이오딘-전분 비색 반응을 이용하여 확인이 가능하며 사과 품종들은 고유한 아이오딘 염색 패턴과 염색 반응속도를 갖고 있다. 사과의 SPI를 확인하기 위해서는 사과의 적도부분을 기준으로 과실을 절단한 뒤 과육부분을 아이오딘 용액(KI + I2)에 침지하여 과육에 있는 전분 성분 중 아밀로오스가 아이오딘 반응에 의해서 청색으로 염색되는 정도를 기준으로 구분하고 있다(Blanpied and Silsby, 1992; Fan et al., 1995).
전 세계적으로 사과재배 지역들은 아이오딘 착색 면적에 따라 고유한 SPI를 채택하여 활용하고 있으며, 미국 동부 Cornell University에서는 ‘McIntosh’, ‘Empire’, ‘Delicious’ 그리고 ‘Idared’ 사과의 성숙정도를 판별하기 위해 개발한 Cornell SPI를 이용하여 1-8 수준으로 구분하여 이용하고 있다(Blanpied and Silsby, 1992). 그리고 미국 서부 워싱턴주의 경우 Washington State Tree Fruit Research Commission에서 ‘Honey crisp’와 ‘WA38’ 사과를 이용하여 제작한 SPI를 이용하여 1-6 수준으로 구분하고 있고, 독일은 SPI 1-10, 이탈리아는 SPI 1-5 로 각 지역마다 그 기준을 달리한 고유의 SPI를 제작하여 성숙지표로 활용하고 있다(Hanrahan, 2012). 그러나 미국 및 유럽과 다른 기후 및 재배환경을 가진 우리 나라는 SPI 변화 양상과 성숙 진행 소요기간에 대한 연구결과는 없는 실정이다.
최근 농촌진흥청 국립원예특작과학원에서는 소비자들의 다양한 수요를 충족시키기 위하여 사과 품종들을 육성하여 보급하고 있으나, 이들 품종에 대한 과실 성숙기를 판단하는 명확한 기준이 설정되어 있지 않다(Yoo et al., 2020a, 2021). 이러한 이유로 사과과실의 성숙정도는 과피의 착색을 기준으로 수확하고 있는 실정이지만 최근 지구온난화로 인한 기온상승과 재배환경 차이로 인해 착색 불량 및 지연, 과실 내·외부의 성숙 불균형이 발생하는 등 과실성숙과 착색의 관련성이 부족해지면서 사과품종별 수확시기를 설정하는 것이 어려워지고 있다(Kim et al., 2010; Moon et al., 2022). 더불어 사과의 품종에 따라 과실 성숙이 진행되는 정도가 다른 경우가 많아 국내에서 육성된 사과품종들에 대한 전분이 당으로 전환되는 패턴과 과실의 성숙도를 파악하여 각 품종에 적합한 SPI 차트를 제작할 필요성이 있다고 판단되었다.
그러므로 본 연구는 국내에서 육성된 사과품종들을 대상으로 전분이 소실되는 패턴을 확인하고 국내 육성 사과품종에 적합한 SPI 차트를 개발하여 과실품질 평가 및 수확시기 설정을 위한 기초자료로 활용하고자 실시하였다.
재료 및 방법
실험재료
본 실험은 농촌진흥청 국립원예특작과학원에서 육성한 사과(Malus domestica) 5품종을 대상으로 실시하였다. ‘루비에스(RubyS/실생)’ 사과는 경북 영천시 금호읍(북위 35° 54' 42.8864", 동경 128° 51' 45.4026"), ‘아리수(Arisoo/M.9)’와 ‘황옥(Hwangok/M.9)’ 사과는 경북 군위군 군위읍(북위 36° 11' 16.8219", 동경 128° 33' 38.3371"), ‘피크닉(Picnic/M.9)’ 사과는 경북 예천군 지보면(북위 36° 33' 58.0962", 동경 128° 24' 42.2680") 그리고 ‘컬러플(Colorpple/M.9)’ 사과는 경북 안동시 일직면(북위 36° 28' 44.7977", 동경 128° 40' 9.6761")에 위치한 과수원에 재식되어 있는 7–8년생 사과나무 5주를 대상으로 1.0–2.0m높이에 착과되어 있는 외관상 성숙정도가 유사한 과실을 각 5과씩 총 25과를 수확하였다.
전분지수(SPI) 및 수확시기
SPI에 따른 적합한 수확시기를 설정하기 위해 관행 수확 약 1개월 전부터 2–3일간격으로 10개의 과실을 수확하여 과실 적도부를 횡으로 절단한 후에 자른면을 I2-KI(8.8g KI + 2.2g I2/L) 용액에 2분간 침지한 뒤 5분후에 국제적으로 가장 널리 이용되고 있는 Cornell SPI(Blanpied and Silsby, 1992)를 이용하여 1(미성숙)–8(성숙)로 나타내었다. 과실품질 특성조사에 이용된 과실은 장기저장에 적합할 것이라고 예상되는 SPI 6(과육 40%착색)과, 중기 혹은 단기저장을 목표로 하는 SPI 7(과육 20%착색), 그리고 즉시 유통을 목표로 하는 SPI 8(과육 0%착색) 시기에 각각 수확하였다. 수확한 과실은 당일에 경북대학교 원예생산물품질관리학 연구실로 이동하여 실험을 진행하였다.
과실 특성 조사
과실경도는 직경 11mm plunger가 장착된 rheometer(Compac-100Ⅱ, Sun Scientific Co., Tokyo, Japan)를 이용하여 과실 적도부의 과피를 제거한 다음, 과실당 3회 측정한 값을 평균하여 Newton(N)으로 나타내었다. 과실 전체를 착즙한 후, 가용성 고형물 함량은 디지털당도계(PR-201α, Atago Co., Ltd., Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였고, 산 함량은 전위차 적정기(DL-15, Mettler Toledo Co., Greifensee, Switzerland)를 사용하여 과즙 5mL에 증류수 45mL로 희석하고 0.1N NaOH로 pH 8.1까지 적정한 후 malic acid로 환산하였다. 그리고 과피의 색도는 색차계(CR-210, Konica Minolta, Osaka, Japan)를 이용하여 과실의 착색정도를 측정하였다.
내생 에틸렌 발생량
내생 에틸렌 발생량(Internal ethylene concentration, IEC)은 주사기를 과실 꽃받침 부위에 삽입하여 과심부에서 1mL gas를 채취한 뒤 FID(flame ionization detector)를 장착한 gas chromatograph(GC 7820A, Agilent Co., Santa Clara, USA)를 이용하여 측정하였다. 분석 조건은 Porapak Q(80/100 2m, Youngin Frontier, Seoul, Korea) column을 이용하였으며, injector temperature 200°C, oven temperature 90°C, detector temperature 250°C로 설정하였고, carrier gas는 He, flow rate는 25mL·min-1로 하였다.
통계분석
조사과실에 대해서는5과실을 1반복으로 설정하여 총 5반복 25개 과실을 통해 평균(mean) ± 표준오차(standard error, SE)로 나타내었다.
결과 및 고찰
과실 특성
각 품종별 SPI에 따른 과실품질 특성을 보면(Table 1), 모든 품종에서 SPI가 증가함에 따라 과중은 증가하였으며 반면에 경도와 산 함량은 감소하는 경향을 보였다. 이는 과실이 성숙기에 도달할수록 과실이 비대해지면서 과중은 증가하고(Westwood et al., 1967), 경도는 성숙이 진행되면서 감소하며(DeEll et al., 2001; Johnston et al., 2002a; Kim et al., 2018; Yoo et al., 2020b), 유기산은 과실의 호흡기질로 사용되어 감소하는 것으로 알려져 있다(Kingston, 1992). 본 연구에 사용된 국내 육성 사과품종들과 외국 품종인 ‘Honeycrisp’ 사과(Wargo and Watkins, 2004; Watkins et al., 2005), ‘Jonagold’ 사과(Girard and Lau, 1995), 그리고 ‘Golden Delicious’ 사과에서도(Rutkowski et al., 2008) 동일한 경향을 보였다. SPI에 따른 가용성고형물 함량은 성숙기(SPI 8)에 도달할수록 증가하였다. 이는 과실내에 함유되어 있는 fructose(Harker et al., 2002), glucose, 그리고 sucrose(Ackermann et al., 1992; Iwanami, 2011)와 같은 유리당과 함께 전분이 가수분해되어 glucose로 분해됨에 따라 가용성고형물 함량이 증가하는 것으로 알려져 있다(Visser et al., 1968). 에틸렌 발생량은 과실의 성숙이 진행되면서 다소 증가하는 경향을 보였으나 그 발생량은 낮은 수준이었다. 사과 과실은 클라이막테릭형 과일로서 과일의 성숙이 진행될 때 에틸렌 발생량이 증가하게 되는데(Bulens et al., 2012; Yoo et al., 2021; Kwon et al., 2022), 본 결과에서도 성숙이 진행되면서 낮은 수준이지만 수확시기가 늦어질수록 에틸렌 발생량이 증가하였다.
과피의 색변화는 전분지수가 8에 가까울수록 명도를 나타내는 L* 값과 황색도를 나타내는 b* 값은 감소하고 적색도를 나타내는 a* 값은 증가하였다. 단, 황옥 품종은 황색 사과로서 다른 품종들과 달리 a* 값이 (–) 수치를 보였고 b* 값은 상대적으로 높은 값을 보였다(Table 1 and Fig. 1). 이와 같은 과피색 변화는 과실의 성숙과 연관되어 있으며, 과실의 성숙이 시작될 때 과피에 존재하는 엽록소가 소멸되기 시작하여 초록색이 옅어지고, 적색계 사과는 과피 내부에 붉은색 색소인 안토시아닌이 합성되어 붉게 착색이 진행된다(Ubi, 2004). 그리고 황색계통의 사과는 과피 내부에 황색 색소인 크산토필이 합성되어 황색을 띄게 되는 것으로 알려져 있다(Kingston, 1992; Iwanami, 2011; Telias et al., 2011). 본 실험에서 수확기준이 될 수 있는 SPI 6, 7, 8에 따른 외형적 과실의 표현형을 보면 과실의 성숙이 진행됨을 확인할 수 있었다(Fig. 1).
Table 1.
Fruit quality attributes of Korean apple cultivars with starch pattern index (SPI) at harvest
| Cultivars | Region |
SPI (Harvest date) |
Fruit weight (g) | Hunter value |
Firmness (N/Φ11 mm) |
SSC (°Brix) |
TA (%) |
IEC (µL·L-1) | ||
| L* | a* | b* | ||||||||
| RubyS | Yeongcheon | SPI 6 (Aug. 17) | 60.0 ± 2.0z | 43.0 ± 0.7 | 27.0 ± 0.8 | 15.7 ± 0.6 | 102.8 ± 3.0 | 13.1 ± 0.1 | 0.61 ± 0.02 | 1.51 ± 0.16 |
| SPI 7 (Aug. 20) | 61.5 ± 1.3 | 35.7 ± 0.7 | 27.2 ± 0.4 | 12.3 ± 0.4 | 87.6 ± 1.2 | 13.3 ± 0.1 | 0.50 ± 0.01 | 3.29 ± 0.23 | ||
| SPI 8 (Aug. 27) | 66.2 ± 0.7 | 35.2 ± 0.7 | 27.4 ± 0.4 | 10.6 ± 0.6 | 87.0 ± 2.6 | 13.4 ± 0.2 | 0.50 ± 0.01 | 2.48 ± 0.24 | ||
| Arisoo | Gunwi | SPI 6 (Aug. 26) | 278.4 ± 16.4 | 40.8 ± 3.1 | 18.0 ± 2.8 | 12.9 ± 1.3 | 71.5 ± 1.2 | 12.0 ± 0.4 | 0.40 ± 0.02 | 1.82 ± 0.95 |
| SPI 7 (Aug. 30) | 290.8 ± 20.1 | 39.5 ± 0.6 | 21.3 ± 0.6 | 10.9 ± 0.6 | 68.0 ± 1.4 | 12.1 ± 0.3 | 0.39 ± 0.03 | 1.65 ± 0.33 | ||
| SPI 8 (Sep. 04) | 324.7 ± 13.4 | 38.7 ± 1.8 | 21.9 ± 1.7 | 11.5 ± 0.7 | 65.0 ± 0.5 | 12.3 ± 0.2 | 0.35 ± 0.01 | 1.43 ± 0.39 | ||
| Hwangok | Gunwi | SPI 6 (Aug. 26) | 191.0 ± 7.0 | 68.1 ± 1.1 | ‒15.9 ± 2.6 | 28.7 ± 0.3 | 75.3 ± 1.8 | 12.8 ± 0.1 | 0.61 ± 0.05 | 0.63 ± 0.27 |
| SPI 7 (Aug. 31) | 199.7 ± 6.1 | 64.8 ± 0.6 | ‒13.8 ± 0.4 | 27.8 ± 0.2 | 69.7 ± 0.9 | 12.9 ± 0.1 | 0.58 ± 0.03 | 1.74 ± 0.27 | ||
| SPI 8 (Sep. 07) | 207.2 ± 7.1 | 63.0 ± 1.0 | ‒9.5 ± 0.8 | 27.6 ± 0.3 | 68.7 ± 1.0 | 13.2 ± 0.2 | 0.48 ± 0.04 | 2.10 ± 0.22 | ||
| Picnic | Yecheon | SPI 6 (Sep. 09) | 240.8 ± 5.0 | 40.6 ± 0.9 | 22.5 ± 0.7 | 13.0 ± 0.3 | 70.4 ± 0.9 | 14.1 ± 0.2 | 0.39 ± 0.01 | 1.98 ± 0.34 |
| SPI 7 (Sep. 16) | 249.8 ± 9.7 | 39.5 ± 1.2 | 27.5 ± 0.9 | 14.3 ± 0.1 | 65.1 ± 0.8 | 14.1 ± 0.2 | 0.37 ± 0.01 | 3.24 ± 0.68 | ||
| SPI 8 (Sep. 23) | 255.3 ± 1.9 | 39.3 ± 0.8 | 28.4 ± 0.5 | 12.2 ± 0.5 | 60.8 ± 1.3 | 14.2 ± 0.2 | 0.33 ± 0.01 | 4.13 ± 0.27 | ||
| Colorpple | Andong | SPI 6 (Sep. 24) | 210.9 ± 8.4 | 46.0 ± 0.1 | 20.2 ± 0.2 | 19.3 ± 0.2 | 74.9 ± 1.0 | 12.0 ± 0.1 | 0.67 ± 0.03 | 0.11 ± 0.01 |
| SPI 7 (Oct. 04) | 234.2 ± 8.9 | 41.4 ± 0.8 | 25.5 ± 1.2 | 14.6 ± 0.6 | 69.6 ± 0.6 | 12.3 ± 0.2 | 0.53 ± 0.02 | 0.36 ± 0.02 | ||
| SPI 8 (Oct. 14) | 267.7 ± 4.2 | 35.9 ± 0.9 | 28.9 ± 0.2 | 9.9 ± 0.5 | 65.2 ± 0.3 | 12.4 ± 0.1 | 0.48 ± 0.03 | 0.47 ± 0.06 | ||
사과품종별 전분지수(SPI) 특성
모든 국내 육성 사과의 SPI 변화는 과심부의 전분이 먼저 손실되기 시작하여 이후 점차적으로 과실 외부의 과피쪽으로 소실되는 양상을 보였으며(Figs. 2, 3, 4, 5 ,6), 이는 Cornell SPI에 제시된 SPI 변화 양상(Blanpied and Silsby, 1992)과 동일한 패턴을 보였다. 그리고 전분이 아이오딘 반응을 통해 착색되는 패턴을 보면, 최근 워싱턴주립대학교에서 육종하여 워싱턴주를 중심으로 재배되고 있는 WA38(Cosmic crisp®) 사과의 경우 SPI 형태가 flower(꽆잎 모양) 패턴과 radical(방사형) 패턴 두 가지 형태로 착색이 진행되는 특징을 보이고 있으며(Hanrahan, 2012), 시험재료인 국내 육성 사과 5개 품종 모두에서 성숙이 진행되며 SPI 형태가 radical 패턴을 나타내었다(Figs. 2, 3, 4, 5, 6).
과실 성숙이 진행되는 동안 국내육성 사과 품종들에서 전분이 소실되는 기간을 보면(Table 1), 본 연구에 활용된 사과의 수확시기로 기준을 설정하였던 SPI 6에서 7로 진행되는 소요일수를 확인한 결과 8월 중순 수확을 하였던 ‘루비에스’ 사과의 경우 3일만에 SPI가 변화되는 것으로 관찰되었고, 8월 하순 과실을 수확하였던 ‘아리수’와 ‘황옥’ 사과의 경우 각각 4일과 5일이 소요되었다. 그리고 9월 초와 9월 말 수확을 실시한 ‘피크닉’과 ‘컬러플’ 사과의 경우 각각 7일과 10일이 소요되어 수확시기가 늦을수록 SPI의 변화기간이 오래 소요되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 SPI 7에서 8로 전분이 완전히 당으로 전환되는데 소요 일수 역시 8월 중순에서 9월 초에 수확한 ‘루비에스’, ‘아리수’, ‘황옥’, 그리고 ‘피크닉’ 사과는 5–7일의 소요일수를 보였고, 9월 말 수확한 ‘컬러플’ 사과의 경우 전분이 완전히 당으로 전환되는데 10일의 시간이 소요되는 것으로 관찰되었다. 사과 과실의 성숙은 품종 고유의 유전적 특성, 과수원의 위치, 당해 기상환경, 재배환경 등 다양한 요인에 의해 영향을 받게 된다(Johnston et al., 2002a; Costa et al., 2010; Sugiura et al., 2013; Chagné et al., 2014; Doerflinger et al., 2019). 그리고 Serra et al.(2018)은 나무의 상단 혹은 하단, 외부 혹은 내부와 같이 과실의 착과 위치에 따라 태양광의 노출정도가 다르며 그로 인하여 동화산물의 축적 정도 차이와 함께 과실 스트레스 및 성숙 정도 역시 차이를 보인다고 하였다. 또한 사과 과실의 크기와 수확시기에 따라 성숙정도와 수확 후 저장성에 차이를 나타낸다고 하였다(Johnston et al., 2002b). 국내 육성 사과품종 역시 각 품종에 따라 품종 고유의 과실크기와 적숙기 등의 차이를 보이고, 그에 따라 과실 성숙정도의 차이로 인하여 SPI가 변화하는데 소요되는 성숙기간은 품종에 따라 많은 차이가 있음을 확인할 수 있었다(Table 1 and Figs. 2, 3, 4, 5, 6).
따라서 본 연구는 재배지역에 따른 환경적 요인이나 재배적요인에 따라 많은 영향을 받기 때문에 절대적인 결과지표로써 활용할 수는 없지만, 국내 육성 사과품종에 적합한 SPI및 과실 성숙 소요일수 등을 조사하고 또한 SPI 차트를 개발하므로서 국내 육성 사과품종의 성숙도 평가를 위한 기초자료로써 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단되었다.
