[논문]NIR을 이용한 쇠고기의 신선도 센서 개발

조성인; 김유용; 박두산; 황규영

doi:10.5307/jbe.2004.29.6.539

문제 정의

본 연구에서는 육류의 신선도를 평가할 수 있는 광학 센서를 개발하고자 한다. 근적외선 분광분석을 통해 신선도와 유의한 파장 대역을 찾고, 파장과 신선도와의 관계를 갖는 인자를 찾아내어 신선도를 측정하고자 하였다.
본 연구에서는 육류의 신선도를 평가할 수 있는 광학 센서를 개발하고자 한다. 근적외선 분광분석을 통해 신선도와 유의한 파장 대역을 찾고, 파장과 신선도와의 관계를 갖는 인자를 찾아내어 신선도를 측정하고자 하였다.

제안 방법

313723이었다. PLS 모델보다 우수한 성능을 가진 PCR 모델을 신선도 계측 센서에 적용하였다. 이과같이 높은 상관관계를 나타낸 결과는 신선도와 밀접한 관계를 갖는 tyramine이 1의 상관관계를 갖는 파장 영역과 PCR 분석을 수행한 파장이 일치하였기 때문이다.
⑥색이 발생한 선도 시험지 F-Ⅲ를 K-value 환산 색 표로 색을 비교해 다음식 (1) 에 대입하여 신선도를 판정.
근적외선 분광 분석법과 앞의 여러 논문에서 언급한 신선도 관련 물질을 이용하여 신선도의 측정 가능성을 평가하기 위해 L-lactate, D-glucose, Put, Tyn, Cad 그리고 histamine의 6가지 시약을 표 1에 제시된 농도로 조제한 후 근적외선 분광 분석기(NIRS 6500, USA)를 이용하여 투과도를 측정하고, 측정된 투과도 값과 물질의 농도 사이의 상관분석을 수행하였다. 이는 실험의 반복성을 위해 3회 시행되었다.
그러나 휘발성 염기 질소(VBN) 법은 시험자의 숙련도에 따라 측정된 값에 많은 차이가 발생하며, 시간 소요가 많다. 따라서 측정이 편리하고 숙련도에 따라 값의 차이가 작은 K 식을 이용하기 위해 56개의 시료에 대해 농촌진흥청 축산기술연구소에 의뢰하여 분석된 표 준 방 법인 VBN 값과 신선도 측정kit(환경과학 Corp, Japan)로 측정된 K식 의한 값을 상관 분석하였다. 시료는 2개체의 다른 쇠고기 도체의 4부위(등심, 양지, 사태, 우둔)를 4℃ 조건에 저장 기간을 달리하면서 실험하였다.
따라서 측정이 편리하고 숙련도에 따라 값의 차이가 작은 K 식을 이용하기 위해 56개의 시료에 대해 농촌진흥청 축산기술연구소에 의뢰하여 분석된 표 준 방 법인 VBN 값과 신선도 측정kit(환경과학 Corp, Japan)로 측정된 K식 의한 값을 상관 분석하였다. 시료는 2개체의 다른 쇠고기 도체의 4부위(등심, 양지, 사태, 우둔)를 4℃ 조건에 저장 기간을 달리하면서 실험하였다.
기존 식육의 신선도 측정은 전문기관에서 복잡하고 세밀한 과정을 통한 세균학적, 화학적 분석 방법으로 이루어졌다. 식육에 대한 안전성을 객관적으로 신속하고, 비파괴적으로 측정할 수 있는 센서를 개발하기 위해 NIR을 이용한 신선도 계 측 시스템을 구축하였고, PCR 분석법을 이용하여 신선도계측을 위한 모델을 개발하였다. 개발된 모델의 예측 데이터는 R2=0.
화면 왼쪽의 그래프는 사용된 파장대의 반사도를 그래프로 나타내어 기준(reference)를 적용할 때, 활용한다. 알고리즘을 통하여 계산된 신선도 값을 'very fresh', 'fresh', 'spoiled'의 3단계의 수준으로 표시하였다. 이 기준은 '식품의약품안전청의 식육 제품 식품공전'에서 제시한 기준과 같이 휘발성 염기 질소(VBN) 값을 기준으로 10 mg%이하, 10~20 mg%, 20 mg% 이상으로 구분하고 이에 해당되는 K식의 값으로 표시하도록 하였다 (Malle and Poumeyrol, 1989).

대상 데이터

4개체의 쇠고기에서 4 부위의 고기를 4C 조건에서 저장 기간을 표2와 같이 달리하여 총 120개를 시료로 사용하였다. NIR을 이용한 신선도 계측 센서의 구성은 그림 1과 같다.
NIR을 이용한 신선도 계측 센서의 구성은 그림 1과 같다. 광원으로 35W의 할로겐램프를 사용하는 Control Development 사의 NIR Optical Spectrograph, PC와 인터페이스를 위한 DIO(Digital Input Output) 보드, 프루브, 프루브홀더 그리고 데이터를 저장 및 처리하는 PC로 구성하였다. 사용된 NIR Spectrograph의 특성은 표 3에 나타내었다.
NIR 분광분석기와 신선도 측정 kit을 이용하여 스펙트럼과 기준값이 획득되었다. 획득된 120개 중 60개는 모델 개발에 사용되었으며, 60개는 검증에 사용되었다. 사용된 파장(1100~ 1600 nm)에 대한 흡광도와 신선도값과의 상관관계 분석 결과 1200-1299 nm의 파장 대역에서 가장 유의한 결과를 보였으며, 미분 혹은 2차 미분과 같은 데이터의 전처리를 적용한 결과와 비교했을 때보다 높은 상관관계를 갖는 것으로 나타났다.

데이터처리

DAQ-DIO-24 PCMCIA card를 사용하여 NIR Optical Spectrograph Card로부터 파장별 반사도 값은 Visual C++6.0으로 작성된 프로그램을 이용하여 획득되었다.
모델을 개발하기 위해 흡광도로 전환된 데이터들에 대하여 Matlab 6.1의 PLS_ Toolbox(ver 2.0 Eigenvector Research)을 이용하여 PLS (partial least square)와 PCR(principle component regression) 분석을 수행하였다.

이론/모형

우리나라에서 육류의 단백질 부패 측정의 표준방법으로 휘발성 염기 질소(VBN) 법이 사용된다. 그러나 휘발성 염기 질소(VBN) 법은 시험자의 숙련도에 따라 측정된 값에 많은 차이가 발생하며, 시간 소요가 많다.

성능/효과

획득된 120개 중 60개는 모델 개발에 사용되었으며, 60개는 검증에 사용되었다. 사용된 파장(1100~ 1600 nm)에 대한 흡광도와 신선도값과의 상관관계 분석 결과 1200-1299 nm의 파장 대역에서 가장 유의한 결과를 보였으며, 미분 혹은 2차 미분과 같은 데이터의 전처리를 적용한 결과와 비교했을 때보다 높은 상관관계를 갖는 것으로 나타났다.
시료로 선택된 아민류(cadaverine, putre- seine), 아미노산의 분해물질(histamine, tyramine) 그리고 당류(D-glucose)와 산( L-lactate)은 표 4에서 보는 바와 같이 각각의 다양한 파장 영역에서 매우 높은 상관관계를 보였으며 NIR을 통해서 육류에 나타나는 물질들에 대한 검출이 가능함을 보였다.

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