플라스마 중합을 이용한 LDPE 식품포장재의 성능 향상

김 진국, 조 동련

전남대학교 공과대학 정밀화학과

Improvement of Efficiency of LDPE food packaging material

by Plasma Polymerization

J. G. Kim, D. L. Cho

Dept. of Fine Chemicals and Process Eng., Chonnam University

서  론

식품포장에 사용되는 일반적인 합성수지중 가장 많이 이용되는 수지는 LDPE (low density polyethylene)이다. 이 LDPE 필름은 경제적이면서 우수한 가공성과 물리, 화학적인 특성을 지니고 있어 현재, 식품 포장의 재료로 많이 사용되고 있다.

그러나, 기존의 LDPE 필름은 식품 포장에 사용되는 다른 합성수지 필름에 비해 상대적으로 수분 및 O2와 CO2 투과성이 높다는 단점을 가지고 있어, 식품 포장에 있어서 약간의 취약한 면을 보이고 있다. 따라서, 포장재로서의 기능을 최대한으로 발휘하기 위해선 수분 및 O2 그리고 CO2 투과성을 낮추어야만 한다.

본 실험에서는 플라스마 중합을 이용 LDPE 필름의 수분 및 O2와 CO2에 대한 차단성을 향상시킴으로써 이러한 LDPE 필름의 단점을 보완하고자 하였다. 또한, 실질적으로 식품을 포장함에 있어서 기존의 LDPE 필름과 비교시 얼마만큼의 더 향상된 성능을 보이는가를 알아보고자 하였다.

실  험

실험에 사용한 LDPE 필름의 밀도는 0.921, 두께는 25□이었다. 포장을 위해 10×10□ 규격으로 절단하여 사용하였다.

플라스마 중합을 위한 monomer로는 O2+HMDSO (Hexamethyldisiloxane), 아세틸렌 가스를 사용하였다. 플라스마 중합은 관형 반응기(tubular reactor)에서 진행하였다. 개략적인 장치도는 Fig. 1에서 나타내었다.

실험은 먼저 로터리 펌프를 이용하여 반응기를 진공으로 만든 상태에서 monomer를 도입하고, R.F 전력 공급장치(R.F power supply, 13.56MHz)를 사용 플라스마를 형성시켜 LDPE 필름의 한쪽면에 일정시간동안 코팅하였다. 여러 monomer flow rate에서 discharge power를 10∼40W까지 변화시키면서 플라스마 중합을 하였으며 처리시간은 5∼20분이었다.

플라스마 중합 처리한 LDPE 필름의 O2 및 CO2 투과도는 자체 제작한 투과도 측정장치로 측정하였으며, 수분 투과도는 처리한 필름으로 밀폐시킨 용기내의 물의 무게 감소를 40℃에서 24시간 간격으로 측정함으로써 산출하였다.

여러번의 실험을 통하여 각 monomer의 최적 조건을 찾았으며, 그 조건하에서  플라스마 중합된 LDPE 필름을 가지고 식품을 포장하였다.

식품 재료로는 팽이버섯을 사용하였으며 그의 포장을 위해서 간단한 수동식 impulse sealer를 이용하였다. impulse sealer를 사용하여 포장을 한후 vacuum pump로 진공 상태로 만들었는데 모두 다 진공을 하지않고 진공을 하는 것과 하지않은 것 두 가지 방식으로 나누어 구분하였다.

플라스마 중합되지 않은 LDPE 필름과의 성능 비교를 위해서 25℃에서 보관하여 그에 따르는 신선도를 관찰하고 무게감소를 측정하였다. 신선도는 그 값을 나타내기 위해 요일별 변화 정도를 qualitative scale로 표시하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of a tubular plasma reactor

A : Vacuum pump    F : R.F generator

B : Sample           G : Pressure gauge

C : Sample holder     H : Monomer reservoir

D : Vacuum chamber  I : Monomer (gas)

E : Electrode

결과 및 토론

Monomer인 아세틸렌과 HMDSO + O2의 플라스마 중합 최적조건은 Table 1과 같음을 알 수 있었다. 물론, 이는 O2 및 CO2 투과도에 근거를 하고 있다.

플라스마 중합으로 처리되지 않은 LDPE 필름과 비교해서 O2 + HMDSO, 아세틸렌 플라스마 중합으로 처리된 LDPE 필름의 O2 및 CO2 그리고 수분 투과도를 측정한 결과 모든 조건에서 더 낮았으며 차단성을 향상시킬 수 있었다.(Fig. 2, 3)

각 monomer의 최적 조건하에 플라스마 중합으로 처리된 LDPE 필름과 중합 처리되지 않은 LDPE 필름으로 팽이버섯를 포장하고 25℃에서 보관하여 기일에 따라 그 신선도를 관찰하였다.

아세틸렌 플라스마로 처리된 LDPE 필름으로 진공 포장을 하였을 경우의 팽이버섯 신선도가 가장 낳은 결과를 보였다. 중합처리 되지 않은 LDPE 필름으로 포장한 것과 비교시 2.5배 정도의 향상된 결과치를 볼 수가 있었다.   O2 + HMDSO 플라스마로 처리된 LDPE 필름으로 포장한 것 역시 2배 정도 향상되었다.(Fig. 4) 이는 플라스마로 처리된 LDPE 필름이 포장 외부로부터의 O2와 내부에서 외부로의 CO2 차단성능이 월등하기 때문이다. 그로인하여, 팽이버섯 자체의 호흡을 상대적으로 더 많이 억제시킬 수 있어 숙성을 지연시키고 품질의 변화를 최소화 해주었다고 여겨진다.

아세틸렌 플라스마와 O2 + HMDSO 플라스마로 처리된 LDPE 필름의 포장 성능 비교에서는 아세틸렌 플라스마로 처리된 필름이 1.25배 정도 낳은 결과를 보였다. 이것은 플라스마 처리된 두 LDPE 필름의 CO2 투과도 차이에서 그 원인을 찾을 수가 있다. 아세틸렌 플라스마로 처리된 필름은 O2 + HMDSO의 그것과 비교해서 O2 투과도에서는 별다른 차이를 보이지 않았지만 CO2 투과도는 아세틸렌 플라스마로 처리된 것이 더 낮았다. 따라서, O2에 의한 숙성은 어느 정도 두 가지 경우에 있어 똑같다고 볼 수 있다. 반면, 포장 내부에서의 CO2는 호흡생리를 적절히 억제하는 기능을 가지고 있기 때문에 그만큼 CO2 투과도가 높은 O2 + HMDSO 플라스마로 처리된 필름에서는 그러한 효과를 보는 것이 덜할 것이다. 결과적으로 포장 내부에서 외부로의 CO2를 얼마만큼 막아주느냐에 따라 그 성능에 차이를 보인다고 추정된다.

포장의 성능에 영향을 미치는 인자에 있어 O2 및 CO2 투과도 외에 수분을 들수가 있다. 그 영향을 살펴보기 위해 신선도 외에 무게 감소를 측정하였다.(Fig. 5) 팽이버섯은 85%∼95%의 수분을 함유하는 고수분식품이므로 자체 수분의 손실 정도에 따라 그 신선도에 차이가 있을 것이다. 진공 포장 경우를 살펴보면   아세틸렌과 O2 + HMDSO 플라스마로 처리된 LDPE 필름은 그렇지 않은 경우에 비해 무게 감소를 효과적으로 줄일 수 있었다. 이것은 신선도와 연결되어  좋은 결과를 얻었다. 하지만, 진공 포장을 하지 않은 것에서는 아세틸렌 플라스마 처리된 LDPE 필림포장의 경우 플라스마 처리되지 않은 것과 무게 감소면에서 반대의 결과를 보였다. 하지만, 그 무게 감소에 의한 수분 손실이 신선도에 미친 영향을 찾지 못했다. 수분의 손실이 신선도에 그다지 중요 인자라고 보기가 어려웠다. 수분 투과도를 살펴보면 아세틸렌과 O2 + HMDSO 플라스마 처리된 LDPE 필름의 경우 더 낳은 수분 차단성을 보인다. 이것으로 보아 진공 포장을 하지 않은 경우에 있어 무게 감소는 팽이버섯 자체의 수분 손실외에 신선도에 그다지 영향을 미치지 못하는 다른 요소가 작용한 것으로 추정되는데, 그 요소는  무엇인지는 확신할 수는 없을 것 같다. 전체적으로 수분의 영향에 대해서는 확실한 규명을 하기 어려웠다.

결론적으로, 플라스마 중합으로 처리된 LDPE 필름은 CO2 및 O2 그리고 수분에 대한 차단성을 향상시킬 수 있었으며, 실질적인 식품 포장에 있어 기존의 LDPE 필름보다는 더 낳은 성능을 보였다.

감 사

본 연구는 농업 진흥청 농업 특정연구비의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사 드립니다.

참고 문헌

1. H. Yasuda, Plasma Polymerization Academic press, Inc (1985)

2. L. Robertson, Food Packaging, Marcel Dekker, Inc (1993)

3. 이 수근, 포장재의 선택과 사용, 포장기술, 64, 47 (1993)

4. 하 영선, 강 주회, 식품포장공학, 문운당 (1983)

5. 차 동렬, 유 창현, 최신 버섯재배 기술, 농진회 (1989)

Table 1. 각 monomer에 따른 플라스마 중합 최적 조건

구 분	아세틸렌	HMDSO + 02
Flow rate Discharge power Treatment time	0.75 SCCM 10 W 10 min	HMDSO : 0.6 SCCM O2 : 7.4 SCCM 40 W 20 min

Fig. 2 아세틸렌, HMDSO+O2 플라스     Fig. 3 아세틸렌, HMDSO+O2 플라스

마로 처리된 LDPE 필름의 CO2,          로 처리된 LDPE 필름의 수분

02 투과도                               투과도

Fig. 4 보관 일수에 따른 팽이버섯의    Fig. 5 25℃ 보관시 포장조건에 따른 팽

신선도(qualitative scale, 25℃에         이버섯 무게 감소량

서 보관)

1 : 매우 좋음

3 : 비교기준점, 갈변 시작

5 : 매우 나쁨