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문제 정의
- 하지만 현재 상용화 되어있는 전자코 장비는 고가이며, 실험실용으로 제작되어 이동하며 측정하는데 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 돈육을 대상으로 하여 빠른 시간에 신선도를 측정할 수 있는 이동성이 용이한 전자코 시스템을 개발하고자 하였다. 구체적인 연구목적은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 전자코 시스템 구축과 이를 돈육에 적용해서 돈육의 신선도 측정에 대한 가능성을 제시하였다. 그러나 돈육의 경우 부위, 저장장소와 변질요인에 따라 신선도의 변화가 차이가 발생할 수 있기 때문에 향후연구에서는 다양한 환경 조건에서 다양한 부위(등심, 전지 등)를 대상으로 실험을 실시하여 전자코 시스템을 이용한 종합적인 돈육 신선도 측정법을 개발할 필요가 있다고 사료된다.
제안 방법
- (2) 전자코 시스템은 신선도 인자를 선택적으로 감지하여 저장 기간에 따른 신선도의 변화를 측정할 수 있다고 판단되는 상용화 되어있는 7개의 센서(MOS 가스센서 6개+수분센서 1개)로 구성하였다.
- (4) 전자코 시스템 최적화 과정에서 불필요한 센서의 개수를 줄이기 위하여 총균수, 지방산패도와 상관도가 높고 센서 상호간의 상관도가 낮은 센서 4개를 선정하였다. 선정된 4개의 센서를 이용하여 주성분 분석과 선형판별 분석한 결과는 6개의 센서를 사용한 결과와 동일하게 총 10개의 그룹 중 각각 2개와 4개의 그룹으로 구분이 가능하였다.
- 1. 저장기간의 변화에 따른 돈육의 신선도 변화를 GC-MS (gas chromatograph-mass spectrometry) 측정, 미생물의 총균수 측정, 지방산패도 측정, pH 측정을 통해 분석한다.
- 2. 상용화 되어있는 MOS(metal oxide semiconductor) 센서를 이용하여 돈육의 신선도의 변화에 따라 발생하는 가스 성분을 측정할 수 있는 전자코 시스템을 구성한다.
- 3. 구성된 전자코 시스템을 활용하여 돈육의 신선도 측정능력을 평가한다.
- 이때 센서는 수분에도 반응을 하기 때문에 발생 가스에 포함되어 있는 수분을 제어하기 위하여 실리카겔을 이용하여 습도를 10% 이하로 제거하였다. 가스센서로 유입되는 온도는 40℃로 설정하였고, 시료는 저장기간별로 4개씩 vial에 취하여 각각 1회씩 계측하였다.
- 저장기간에 따른 신선도의 변화를 측정하기 위하여 저장기간별 150 g을 저장하였고, 지방과 살점의 균질화를 위해 시료를 분쇄하여 이용하였다. 냉장 저장 기간 별 신선도를 확인하기 위하여 시료는 지퍼백에 넣어 1일, 3일, 5일, 7일, 9일, 11일, 13일, 15일, 17일, 19일 동안 4℃로 냉장 저장한 후 차례대로 냉동-20℃하였다가 측정 당일 해동하여 사용하였다.
- 돈육의 신선도 변화에 따른 가스성분의 변화를 분석하기 위해 GC-MS 실험을 하였다. 돈육의 저장기간의 증가에 따라 발생한 총 48가지의 가스성분의 변화를 hydrocarbons 류, ketones 류, esters 류, alcohols 류, other nitrogen compounds 류, sulfur compounds 류로 구분하여 표 2에 나타내었다.
- 85%, NaCl) 90 mL를 첨가하여 혼합한 후 10진 희석법으로 희석한 후 배지에 도말하였다. 미생물 증식은 표준한천배양 방법으로 37℃에서 24시간 배양한 후 계수하였으며, 배지는 균수측정용 표준한천배지를 사용하였다. 계수된 미생물 수는 colony forming unit(CFU)으로 나타내었다.
- 본 연구에서는 저장기간에 따른 돈육의 신선도 변화를 GC-MS를 이용한 가스 성분의 변화, 미생물의 총균수, 지방산 패도와 pH의 변화를 통해 분석하고, MOS 센서를 기반으로 한 전자코 시스템을 구성하여, 돈육의 신선도 평가를 실시하였다. 그 구체적인 결론은 다음과 같다.
- 906으로 높은 상관을 보였다. 상관분석결과를 이용하여 전자코의 불필요한 센서를 줄이고 최적화 하는 작업을 하였다. 총균수와 TBARS value, pH와 센서와는 상관도가 높고 센서끼리는 상관도가 낮은 센서 #1, #3, #4, #5를 선정하였다
- 99 이상이 되는 240초로 설정하였다. 센서로부터 입력된 데이터에서 가스로 인해 변한 고유한 결과값은 저항의 최고값(Rgas) 과 공기의 저항값(Rair)의 비를 이용하여 표현하였다.
- 시료의 가스성분 포집은 SPME(Solid Phase Microextraction) 방법을 활용하였고" 사용된 fiber는 divinylbenzene(DVB) / carboxen(CAR) / polydimethysiloxane (PDMS) 이 코팅 된 것을 사용하였다. 시료 5 g을 25 mL의 vial에 넣은 후 septum으로 밀폐하고 시료가 열에 의해 변성되지 않는 온도인 37℃로 20분간 incubation하여 headspace로부터 가스성분을 3분간 fiber에 흡착시킨 후 분석하였다. 측정으로 얻은 spectrume 기기에 내장된 소프트웨어인 WILEY Library(Registry of mass spectral data 6th edition, WILEY, Hoboken, NJ, USA) 와 NIST Library(Mass spectral search program version 4.
- 분석하였다. 시료는 저장기간을 1일, 5일, 10일, 15일의 4개로 구분하여 분석하였고, 칼럼은 HP-5 capillary column(Cross linked 5% PHME siloxane, Hewlett-Packard, Houston, Texas, USA)을사용하였다 칼럼온도와 injector 온도는 260℃, 이송 기체는 헬륨을 사용하였다. 시료의 가스성분 포집은 SPME(Solid Phase Microextraction) 방법을 활용하였고" 사용된 fiber는 divinylbenzene(DVB) / carboxen(CAR) / polydimethysiloxane (PDMS) 이 코팅 된 것을 사용하였다.
- 시료의 저장기간에 따른 신선도의 변화 시 나타나는 가스 성분의 변화를 측정하기 위해 GC-MS(Satum 2000, Varian, Palo Alto, CA, USA)를 이용하여 가스성분을 분석하였다. 시료는 저장기간을 1일, 5일, 10일, 15일의 4개로 구분하여 분석하였고, 칼럼은 HP-5 capillary column(Cross linked 5% PHME siloxane, Hewlett-Packard, Houston, Texas, USA)을사용하였다 칼럼온도와 injector 온도는 260℃, 이송 기체는 헬륨을 사용하였다.
- 전자코 시스템 설게전자코 시스템에 사용되는 가스센서는 GC-MS 실험 결과를 토대로 돈육의 신선도 변화로 발생하는 가스성분을 검출할 가능성이 가장 높다고 판단되는 MOS 센서(TGS, Figaro, Mino, Osaka, Japan) 6개와 수분센서 1 개를 선정하여 구성하였다. 실험에서는 실리카겔을 이용하여 수분의 영향을 제거하였지만 수분의 영향성을 점검하기 위해 수분센서를 장착하였다.
- 2% BHT in ethanol 용액 100 uL을 50 mL coming tube 에 취하여 homogenizer를 이용하여 1 분 동안 균질화 하였다. 원심분리기로 층을 분리한 후 상등액을 여과지로 걸러서 취한 2 mL와 20 mM TBA 용액 2 mL를 test tube에 취하여 90℃ 에서 20분간 반응한 후 분광광도계(UV-1650, Shimadzu, Nakagyo-ku, Kyoto, Japan)를 이용하여 흡광도를 측정하였다.
- 부위를 구입하여 시용하였다. 저장기간에 따른 신선도의 변화를 측정하기 위하여 저장기간별 150 g을 저장하였고, 지방과 살점의 균질화를 위해 시료를 분쇄하여 이용하였다. 냉장 저장 기간 별 신선도를 확인하기 위하여 시료는 지퍼백에 넣어 1일, 3일, 5일, 7일, 9일, 11일, 13일, 15일, 17일, 19일 동안 4℃로 냉장 저장한 후 차례대로 냉동-20℃하였다가 측정 당일 해동하여 사용하였다.
- 총 7개의 센서를 수평으로 배열하였으며 가스의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 세라믹 히터를 장착하는 개념으로 설계하였다. 센서의 모델 및 측정 가능한 가스는 표 1에 나타내었다.
대상 데이터
- 시료는 대전 축산물유통센터에서 당일 도축한 돼지고기의 삼겹살 부위를 구입하여 시용하였다. 저장기간에 따른 신선도의 변화를 측정하기 위하여 저장기간별 150 g을 저장하였고, 지방과 살점의 균질화를 위해 시료를 분쇄하여 이용하였다.
- 바. 전자코 시스템 설게전자코 시스템에 사용되는 가스센서는 GC-MS 실험 결과를 토대로 돈육의 신선도 변화로 발생하는 가스성분을 검출할 가능성이 가장 높다고 판단되는 MOS 센서(TGS, Figaro, Mino, Osaka, Japan) 6개와 수분센서 1 개를 선정하여 구성하였다. 실험에서는 실리카겔을 이용하여 수분의 영향을 제거하였지만 수분의 영향성을 점검하기 위해 수분센서를 장착하였다.
- 상관분석결과를 이용하여 전자코의 불필요한 센서를 줄이고 최적화 하는 작업을 하였다. 총균수와 TBARS value, pH와 센서와는 상관도가 높고 센서끼리는 상관도가 낮은 센서 #1, #3, #4, #5를 선정하였다
데이터처리
- 전자코 시스템 최적화 과정에서 불필요한 센서의 개수를 줄이기 위하여 상관분석을 통해 선정된 #1, #3, #4, #5번 센서의 결과값을 이용하여 주성분 분석을 실시하였다. 6개 센서의 결과값을 이용하여 실시한 주성분 분석 결과값과 거의 동일한 결과를 보였다 이는 4개의 센서를 사용하더라도 돈육의 신선도 변화의 측정이 가능함을 보여준다.
- 전자코 시스템을 통해 획득된 데이터는 그래프 분석, 상관관계 분석, 다중비교 분석(multiple comparison analysis), 주성분 분석(principal component analysis), 선형판별분석(linear discriminant analysis)을 이용하여 시료의 저장기간별, 센서별 반응도를 분석하였다.
- 시료 5 g을 25 mL의 vial에 넣은 후 septum으로 밀폐하고 시료가 열에 의해 변성되지 않는 온도인 37℃로 20분간 incubation하여 headspace로부터 가스성분을 3분간 fiber에 흡착시킨 후 분석하였다. 측정으로 얻은 spectrume 기기에 내장된 소프트웨어인 WILEY Library(Registry of mass spectral data 6th edition, WILEY, Hoboken, NJ, USA) 와 NIST Library(Mass spectral search program version 4.5, NIST, Gaithersburg, MD USA)를 이용하여 분석하였다.
이론/모형
- 시료는 저장기간을 1일, 5일, 10일, 15일의 4개로 구분하여 분석하였고, 칼럼은 HP-5 capillary column(Cross linked 5% PHME siloxane, Hewlett-Packard, Houston, Texas, USA)을사용하였다 칼럼온도와 injector 온도는 260℃, 이송 기체는 헬륨을 사용하였다. 시료의 가스성분 포집은 SPME(Solid Phase Microextraction) 방법을 활용하였고" 사용된 fiber는 divinylbenzene(DVB) / carboxen(CAR) / polydimethysiloxane (PDMS) 이 코팅 된 것을 사용하였다. 시료 5 g을 25 mL의 vial에 넣은 후 septum으로 밀폐하고 시료가 열에 의해 변성되지 않는 온도인 37℃로 20분간 incubation하여 headspace로부터 가스성분을 3분간 fiber에 흡착시킨 후 분석하였다.
- 시료에 존재하는 총 미생물 수(Total bacterial counts, TBC)의 측정은 식품공전의 일반세균수 측정법을 따랐다. 멸균된 polyethylene 백에 시료 10 g을 넣은 후 멸균된 식염수 (0.
성능/효과
- (1) 돈육의 GC-MS, 미생물, 지방 산패도 pH를 이용한 신선도의 측정결과 저장기간이 증가함에 따라 신선도는 저하되기 시작했고, 저장기간이 9일 이후부터 급격한 신선도의 저하를 나타내기 시작했다.
- (3) 전자코 시스템을 이용한 실험결과, 그래프 분석을 통하여 돈육은 저장기간 9일 이후부터 저항값의 변화율을 확인할 수 있었^, 주성분 분석을 통하여 저장기간이 1 일~9일, 11일~19일의 두 그룹으로 구분이 가능하였다. 선형판별 분석결과에서는 주성분 분석으로 구분이 어려웠던 저장기간 1일~9일의 데이터가 1일~3일과 5일~9일로 구분이 가능하였고, 11일~ 19일의 데이터는 11일과 13일~ 19일로 총 4개의 그룹으로 구분이 가능하였다.
- (5) 전자코 시스템의 가스성분 분석결과와 미생물, 지방산 패도 pH 측정결과와 비교하였을 때, 그 변화가 유사함을 확인할 수 있어 측정의 신뢰도를 검증할 수 있었다.
- 결과값을 이용하여 주성분 분석을 실시하였다. 6개 센서의 결과값을 이용하여 실시한 주성분 분석 결과값과 거의 동일한 결과를 보였다 이는 4개의 센서를 사용하더라도 돈육의 신선도 변화의 측정이 가능함을 보여준다.
- 표 3은 돈육의 TBC, pH, TBARS의 측정값과 다중비교분석결과를 나타낸 표이다. TBC 측정결과를 이용하여 다중비교분석을 한 결과, 저장 기간에 따른 총 10개의 그룹 중에서 1일, 3일~5일, 7일~9일, 11일~ 13일, 15일~ 19일의 5개 그룹으로 구분이 가능하였다.
- , 1979). pH 결과값은 저장 기간에 따른 총 10개의 그룹 중에서 1일, 3일, 5일, 7일, 9 일, 11일~19일의 6개 그룹으로 구분이 가능하였다
- 8을 유지하며 점차 증가한다고 보고하였다. pH 는 저장기간 3일째부터 11일째까지 지속적인 증가를 보였으며, 저장기간 13일째에 상대적으로 급격한 증가현상을 보였다. 저장기간의 증가에 따라 pH가 증가하는 원인은 단백질 완충물질의 생성과 암모니아의 생성, 아미노산의 분해 때문인 것으로 사료된다(Demeyer et al.
- 그러나 선형판별분석 결과, 저장 기간이 1일~3일, 5일~9일, 11U 13일~19일의 크게 네 그룹으로 구분이 가능하였다. 결국, 돈육의 전자코 실험결과의 분석에는 주성분 분석방법을 이용한 구분보다 선형판별 분석 방법을 이용한 분석이 더 우수한 결과를 나타냄을 알 수 있다. 상관분석을 통해 최적화 된 #1, #3, #4, #5번 센서를 이용하여 선형판별분석을 실시한 결과 또한, 6개 센서의 결과값을 이용하여 실시한 선형판별분석 결과값과 거의 동일한 결과를 보였는데, 이는 4개의 센서를 사용하더라도 신선도 변화의 측정이 가능함을 보여주고 있다.
- 발생한 가스의 총량의 변화는 저장한지 1일된 돈육보다 저장한지 15일된 돈육에서 300배 이상 증가하였다. 그 중에서 hydrocarbons 류와 alcohols 류는 두드러진 증가를 보여주었는데, 저장한지 15일된 돈육에서 발생하는 가스의 양은 1일 저장된 돈육에서 발생하는 가스의 양보다 각각 400배, 370배 이상 증가한 것을 볼 수 있다. 결국, hydrocarbons 류와 alcohols 류는 돈육의 신선도의 변화로 발생하는 주된 가스성분으로 볼 수 있다.
- 주성분 분석한 결과는 그림 7과 같다. 그래프 분석에서는 저장기간이 9일이 지난 11일부터의 가스성분들의 변화가 뚜렷이 구분됨을 확인할 수 있었다. 주성분 분석도 그래프분석과 비슷한 결과를 나타내었다.
- 선정된 4개의 센서를 이용하여 주성분 분석과 선형판별 분석한 결과는 6개의 센서를 사용한 결과와 동일하게 총 10개의 그룹 중 각각 2개와 4개의 그룹으로 구분이 가능하였다. 따라서 4개의 센서만으로도 신선도 측정이 가능한 전자코 시스템 구성이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 전반적으로 저장기간이 증가함에 따라 발생하는 가스의 양이 증가함을 볼 수 있다. 발생한 가스의 총량의 변화는 저장한지 1일된 돈육보다 저장한지 15일된 돈육에서 300배 이상 증가하였다. 그 중에서 hydrocarbons 류와 alcohols 류는 두드러진 증가를 보여주었는데, 저장한지 15일된 돈육에서 발생하는 가스의 양은 1일 저장된 돈육에서 발생하는 가스의 양보다 각각 400배, 370배 이상 증가한 것을 볼 수 있다.
- 결국, 돈육의 전자코 실험결과의 분석에는 주성분 분석방법을 이용한 구분보다 선형판별 분석 방법을 이용한 분석이 더 우수한 결과를 나타냄을 알 수 있다. 상관분석을 통해 최적화 된 #1, #3, #4, #5번 센서를 이용하여 선형판별분석을 실시한 결과 또한, 6개 센서의 결과값을 이용하여 실시한 선형판별분석 결과값과 거의 동일한 결과를 보였는데, 이는 4개의 센서를 사용하더라도 신선도 변화의 측정이 가능함을 보여주고 있다.
- 선정하였다. 선정된 4개의 센서를 이용하여 주성분 분석과 선형판별 분석한 결과는 6개의 센서를 사용한 결과와 동일하게 총 10개의 그룹 중 각각 2개와 4개의 그룹으로 구분이 가능하였다. 따라서 4개의 센서만으로도 신선도 측정이 가능한 전자코 시스템 구성이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 특히 hydrogen과 hydrogen sulfide 류의 가스를 감지하는 sensor #5 와 sensor #6 의 반응도가 뚜렷하였다. 이는 GC-MS 분석결과에서 저장기간이 10일 이후부터 sulfide compounds 류의 가스성분의 증가와 관련이 있는 것으로 판단된다 저장기간이 13일, 15일 경과된 돈육의 저항값의 변화율은 11일 저장된 돈육의 저항값의 변화율보다 감소한 것으로 나타났지만 통계적으로 차이가 없는 범위 내의 감소이다. TBC, TBARS, pH 값은 1일부터 9일까지 지속적으로 변화하였으나 MOS 센서는 1일부터 9일까지의 변화를 감지하지 못하였다.
- 이 수치는 Nottingham(1982)이 보고한 삼겹살의 부패 시작점인 6-7 log CFU/g 보다 낮은 수치로 실험에 사용한 재료가 신선한 재료임을 나타낸다. 저장기간이 증가하면서 총균수는 유의적으로 증가하였는데, 특히 IV일째에서는 급격하게 미생물수가 증가하였다. 이때부터 삼겹살의 부패가 상당 부분 시작되고 있음을 나타낸다.
- 선형판별 분석결과에서는 주성분 분석으로 구분이 어려웠던 저장기간 1일~9일의 데이터가 1일~3일과 5일~9일로 구분이 가능하였고, 11일~ 19일의 데이터는 11일과 13일~ 19일로 총 4개의 그룹으로 구분이 가능하였다. 전자코 시스템 결과값 분석에는 주성분 분석을 이용한 구분보다 선형판별분석을 이용한 결과값의구분이 더 우수함을 확인할 수 있었다.
- 그림 6에 나타낸 저항값은 저장기간별 시료 4개의 측정값을 평균값으로 나타내었다. 전체적으로 모든 센서가 저장 기간에 따라 뚜렷한 저항값의 변화를 보였다. 저장기간 1 일~9일까지는 큰 변화를 보이지 않다가 저장기간 9일 이후부터는 급격한 변화를 보였는데 이는 미생물 측정 결과에서 저장 기간 9일 이후 급격한 증가를 보이는 결과와 유사하게 나타났다.
- 주성분 분석도 그래프분석과 비슷한 결과를 나타내었다. 제1주성분의 기여도는 99.4% 였고, 제1주성분 값만을 이용하여도 패턴변화의 인식이 가능함을 확인하였다. 주성분 분석결과에서는 저장 기간별 총 10개의 그룹 중에서 1일~9일, 11일~ 19일의 두 개의 그룹M 구분되었다.
- 4% 였고, 제1주성분 값만을 이용하여도 패턴변화의 인식이 가능함을 확인하였다. 주성분 분석결과에서는 저장 기간별 총 10개의 그룹 중에서 1일~9일, 11일~ 19일의 두 개의 그룹M 구분되었다. 전자코 시스템의 센서가 저장초기의 1일부터 9일까지의 변화를 구분하지 못한 이유는 발생한 총 가스의 양이 센서가 감지할 수 있는 최저 감도에 못 미쳤기 때문으로 보여진다.
- 나타낸 표이다. 총균수, TBARS value, pH의 상관도는 각각 0.906, 0.966, 0.913으로 높은 상관을 보였다. 또한, 6개의 센서와의 상관도 역시는 -0.
후속연구
- 그러나 돈육의 경우 부위, 저장장소와 변질요인에 따라 신선도의 변화가 차이가 발생할 수 있기 때문에 향후연구에서는 다양한 환경 조건에서 다양한 부위(등심, 전지 등)를 대상으로 실험을 실시하여 전자코 시스템을 이용한 종합적인 돈육 신선도 측정법을 개발할 필요가 있다고 사료된다.
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