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문제 정의
- 본 연구에서는 두류 중 가장 많이 소비되는 황색콩의 원산지를 판별하기 위하여 10 MHz의 저자장 NMR을 이용하여 대두의 원산지에 따른 relaxation pattern의 차이를 구하고 시료별 정준판별식을 통하여 국내산과 중국산의 판별 여부 가능성을 검토하였다.
- T1-IR과 T1-SR 두 개의 변수를 이용하여 판별식을 작성한 경우 국내산과 중국산 모두 96%의 판별 가능성을 보였으며, T1-IR과 T1-SR, T2-SE, T2-CPMG의 모든 변수를 이용하여 판별한 결과 국내산과 중국산 콩의 판별 정확성이 100%로 나타났다. 이 연구를 통하여 저자장 NMR을 이용하여 국내산과 중국산 콩을 유의적 선별해 낼 수 있는 가능성을 확인하였다.
- T1 이완시간이 길어지면 원자핵(nuclei)이 흡수한 electromagnetic wave에 의한 에너지를 주위의 다른 lattice로 전달하는 과정이 느려지는 것을 의미하며, T1의 시간은 시료 조직의 macromolecular status에 따라 달라지게 된다. 중국산과 국내산의 T1-IR, T1-SR 값 모두에서 유의적 차이가 나는 T1 relaxation time을 가지고 있어 저자장 NMR을 이용한 국내산 콩을 선별해 낼 수 있는 가능성을 확인하였다.
가설 설정
- 1)The value in parenthesis is a number of same posterior probability.
제안 방법
- 국내산 콩 25종과 중국산 콩 24종을 일반성분 분석을 실시하고 10 MHz pulsed NMR의 relaxation pattern을 이용하여 농산물의 원산지에 따른 차이를 구명하고 이에 따른 정확하고 신속한 원산지 판별이 가능하도록 하였다. 국내산과 중국산 콩의 일반성분 분석을 실시한 결과 수분, 지방, 회분에 유의적 차이가 없었고 조단백질 함량에서는 국내산이 중국산보다 높았다.
- 종이완시간의 두 변수인 T1-IR과 T1-SR를 이용하여 측정한 T1값들이 앞의 t-test에서 국내산과 중국산 간의 유의성이 이미 인정되었으므로, 이 두 변수를 동시에 원산지 판별을 수행하였다. 그 결과 국내산 25종 중 24종이 국내산으로 판별되어 96%의 정확성을 보였으며 중국산도 24종 중 1종만이 국내산으로 오판되어 96%의 정확성을 나타났다.
대상 데이터
- 측정항목은 종이완시간(T1, spin-lattice relaxation time)의 측정법인 T1-IR(inversion recovery: 180o -τ-90o pulse)과 T1-SR(saturation recovery: 90o-τ-90o-τ pulse), 횡이완시간(T2, spin-spin relaxation time) 측정법인 T2-SE(spin echo: 90o-τ180o-τ-180o pulse), T2-CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill method)이었다(Table 1). NMR 분석에 이용되는 시료 튜브는 직경 40 mm NMR 전용 유리 튜브를 사용하였으며, 수입산 콩과 국내산 콩은 높이가 4 cm 내외가 되도록 튜브에 넣어 사용하였다. 이 때 들어가는 콩의 개수는 약 90-120개 정도였다.
- 중국산은 2008년 경동시장, 중부시장 및 인터넷 쇼핑몰에서 중국산으로 표기된 콩을 24점을 구입하였다. 그리고 국내산 대두의 경우 2007년 전국의 농가에서 25점을 직접 구매하여 시료로 사용하였다.
- 시험에 이용된 기기는 NMS 110(Bruker GmbH, Rheinstetten, Germany)으로 45 RTS probe를 사용하였으며, 시료 튜브의 직경은 40 mm를 사용하였다. 측정항목은 종이완시간(T1, spin-lattice relaxation time)의 측정법인 T1-IR(inversion recovery: 180o -τ-90o pulse)과 T1-SR(saturation recovery: 90o-τ-90o-τ pulse), 횡이완시간(T2, spin-spin relaxation time) 측정법인 T2-SE(spin echo: 90o-τ180o-τ-180o pulse), T2-CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill method)이었다(Table 1).
- 실험에 사용된 대두는 중국산과 국내산을 구매하여 사용하였다. 중국산은 2008년 경동시장, 중부시장 및 인터넷 쇼핑몰에서 중국산으로 표기된 콩을 24점을 구입하였다.
- 실험에 사용된 대두는 중국산과 국내산을 구매하여 사용하였다. 중국산은 2008년 경동시장, 중부시장 및 인터넷 쇼핑몰에서 중국산으로 표기된 콩을 24점을 구입하였다. 그리고 국내산 대두의 경우 2007년 전국의 농가에서 25점을 직접 구매하여 시료로 사용하였다.
데이터처리
- 모든 결과는 SAS를 이용하여 국내산과 중국산간의 t-test에 의해 유의성을 검정하였으며, 원산지 판별은 SAS를 이용하여 NMR로 측정한 relaxation time을 정준판별 분석(canonical discriminant analysis)을 시행하였다. 두 그룹으로 구분지을 수 있는 판별 함수는 Mahalanobis 거리를 구하여 계산하였으며, 각 개체 X가 집단 j에 속할 사후 확률(posterior probability)은 개체로부터 부분집단 j까지 일반화된 거리(general squared distance:Dk)를 이용하여 다음과 같이 계산할 수 있다(16).
이론/모형
- 모든 결과는 SAS를 이용하여 국내산과 중국산간의 t-test에 의해 유의성을 검정하였으며, 원산지 판별은 SAS를 이용하여 NMR로 측정한 relaxation time을 정준판별 분석(canonical discriminant analysis)을 시행하였다. 두 그룹으로 구분지을 수 있는 판별 함수는 Mahalanobis 거리를 구하여 계산하였으며, 각 개체 X가 집단 j에 속할 사후 확률(posterior probability)은 개체로부터 부분집단 j까지 일반화된 거리(general squared distance:Dk)를 이용하여 다음과 같이 계산할 수 있다(16). Mahalanobis 거리는 군집분석에서 가장 많이 사용되는 거리개념으로 두 지점의 단순한 거리뿐만이아니라 변수의 표준편차와 상관계수가 함께 고려되는 통계방법이다.
- 일반성분은 콩을 60 mesh로 분쇄한 뒤 수분은 상압가열 건조법으로, 회분은 AOAC 표준방법으로 조단백질은 micro-Kjeldahl법으로 N 함량을 측정한 뒤 질소계수 6.25를 곱하여 정량하였고, 조지방은 Soxhlet법을 이용하여 측정하였다(15).
- 측정항목은 종이완시간(T1, spin-lattice relaxation time)의 측정법인 T1-IR(inversion recovery: 180o -τ-90o pulse)과 T1-SR(saturation recovery: 90o-τ-90o-τ pulse), 횡이완시간(T2, spin-spin relaxation time) 측정법인 T2-SE(spin echo: 90o-τ180o-τ-180o pulse), T2-CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill method)이었다(Table 1).
성능/효과
- 6909로 나타났다. 4가지의 측정 항목인 T1-IR, T1-SR, T2-SE, T2-CPMG를 모두 사용하여 판별한 후 사후확률을 비교하였을 때는 국내산 25종 중 21종이 국내산으로 완벽하게 판별될 확률(posterior probability=1)을 가지고 있으며, 나머지 4개의 시료도 거의 0.9000 이상의 확률로 비교적 오판이 적게 국내산을 구별해낼 수가 있는 것으로 나타났다. 중국산 콩에서 0.
- T1-IR, T1-SR에서 T2-SE의 데이터를 첨가하여 판별한 후 사후 확률을 비교하였을 때 25종 중 20종이 국내산을 국내산으로 정확히 판별될 것으로 예측되었으며, 중국산을 중국산으로 완벽히 판별할 사후확률이 좀 더 높아져 0.9948-0.6909로 나타났다. 4가지의 측정 항목인 T1-IR, T1-SR, T2-SE, T2-CPMG를 모두 사용하여 판별한 후 사후확률을 비교하였을 때는 국내산 25종 중 21종이 국내산으로 완벽하게 판별될 확률(posterior probability=1)을 가지고 있으며, 나머지 4개의 시료도 거의 0.
- 0086). T1-IR과 T1-SR 두 개의 변수를 이용하여 판별식을 작성한 경우 국내산과 중국산 모두 96%의 판별 가능성을 보였으며, T1-IR과 T1-SR, T2-SE, T2-CPMG의 모든 변수를 이용하여 판별한 결과 국내산과 중국산 콩의 판별 정확성이 100%로 나타났다. 이 연구를 통하여 저자장 NMR을 이용하여 국내산과 중국산 콩을 유의적 선별해 낼 수 있는 가능성을 확인하였다.
- 종이완시간의 측정법인 T1-SR 변수만을 이용하여 국내산과 중국산 콩을 정준판별한 결과를 살펴보면, 국내산이 국내산으로 판별된 경우는 25종 중 18종이었으며(72%), 중국산을 중국산으로 판별한 경우는 24종 중 21종이었다(88%) T1-IR 변수만을 사용하여 정준판별 분석을 시행한 결과 국내산 25종 중 19종만이 국내산으로 판별되었고 중국산 24종 중 22종만이 중국산으로 판별되어 각각 76, 92%의 확률을 나타내었다. T1-SR 단독으로 판별하였을 때보다 T1-IR 단독으로 이용하여 판별하였을 때 국내산 중국산 모두에서 정확성이 증가되는 것으로 나타났다.
- 즉 T1-IR과 T1-SR에 의한 T1 각각의 측정 항목을 단독으로 사용하여 판별하였을 때보다 두 변수를 함께 이용하면 국내산과 중국산의 판별 가능성이 크게 증가되는 것으로 나타났다. T2-SE 데이터를 위의 결과에 더하여 3개의 변수(T1-IR, T1-SR, T2-SE)로 판별한 결과 국내산 시료에 대한 판별 정확성은 향상되지 않았으나 중국산의 경우 정확성이 100%로 향상되는 것으로 나타났다. 이와 마찬가지로 4가지의 측정 항목인 T1-IR, T1-SR, T2-SE, T2-CPMG 데이터 모두를 사용하여 판별을 실시한 경우 국내산 시료의 판별 정확성이 100%로 증가하는 것을 볼 수 있었다.
- 국내산과 수입산 T1 relaxation time을 SR과 IR 방법으로 측정한 결과 국내산 콩의 평균 T1-IR 값이 96.1 ms로 중국산 콩의 79.2 ms보다 이완시간이 길게 나타났으며, T1-SR 값도 국내산이 중국산에 비하여 이완시간이 긴 것으로 나타났다(Table 3). T1 이완시간이 길어지면 원자핵(nuclei)이 흡수한 electromagnetic wave에 의한 에너지를 주위의 다른 lattice로 전달하는 과정이 느려지는 것을 의미하며, T1의 시간은 시료 조직의 macromolecular status에 따라 달라지게 된다.
- 국내산과 수입산 T2 relaxation time을 CPMG와 SE 측정한 결과는 T2-SE 값에서만 차이가 있는 것으로 나타났다. T2 이완시간이 길어지면 원자핵이 흡수한 electromagnetic wave에 의한 에너지를 주위의 다른 원자핵으로 전달하는 과정이 느려지는 것을 의미한다.
- 국내산 콩 25종과 중국산 콩 24종을 일반성분 분석을 실시하고 10 MHz pulsed NMR의 relaxation pattern을 이용하여 농산물의 원산지에 따른 차이를 구명하고 이에 따른 정확하고 신속한 원산지 판별이 가능하도록 하였다. 국내산과 중국산 콩의 일반성분 분석을 실시한 결과 수분, 지방, 회분에 유의적 차이가 없었고 조단백질 함량에서는 국내산이 중국산보다 높았다. T1-IR을 이용하여 측정한 NMR값은 중국산 콩이 국내산 콩보다 짧은 이완 시간을 갖는 것으로 나타났으며(p<0.
- 값들이 앞의 t-test에서 국내산과 중국산 간의 유의성이 이미 인정되었으므로, 이 두 변수를 동시에 원산지 판별을 수행하였다. 그 결과 국내산 25종 중 24종이 국내산으로 판별되어 96%의 정확성을 보였으며 중국산도 24종 중 1종만이 국내산으로 오판되어 96%의 정확성을 나타났다. 즉 T1-IR과 T1-SR에 의한 T1 각각의 측정 항목을 단독으로 사용하여 판별하였을 때보다 두 변수를 함께 이용하면 국내산과 중국산의 판별 가능성이 크게 증가되는 것으로 나타났다.
- 7841에 이른 것으로 나타났다. 그리고 시료 중 1종은 중국산을 국내산으로 판별할 사후확률도 매우 높아 0.7781에 이르는 것으로 나타났다.
- 단백질의 함량은 국내산의 경우 37.4±1.7%로 수입산인 35.7±3.6%보다 높았고, 회분의 경우 국내산과 수입산이 각각 4.8±0.3%, 4.2±0.2%로 나타났다.
- 이와 같은 결과는 Rho 등(4)의 20 MHz NMR 기기를 이용하여 대두분말의 원산지 판별 결과와는 다른 경향이었다. 대두분말의 결과에서는 T2-CPMG만이 국내산과 중국산 간에 유의적인 차이가 있는 것으로 나타났고 국내산과 중국산 흑태에서는 T1-IR, T2-SE, T2-CPMG 값에서 유의적 차이가 있었다. 이러한 차이는 아마도 Rho 등의 콩은 분쇄하여 사용하였으며 시료의 수가 적고 사용된 NMR frequency 주파수(20 MHz)가 차이가 나기 때문에 본 실험과 다른 성향을 보인 것으로 사료된다.
- 국내산 콩과 중국산 콩의 NMR 데이터를 가지고 사후확률을 비교한 결과는 Table 5, 6과 같다. 두 변수 T1-IR, T1-SR을 함께 이용하여 국내산 콩의 사후확률을 비교하였을 때 국내산을 국내산 25종 중 19종은 사후에 국내산으로 완벽히 판별(posterior probability=1)될 확률이 100%였다. 그러나 중국산 24종 중 23종은 중국산을 중국산으로 판별될 사후 확률이 0.
- 수분함량은 국내산이 9.6±1.8%, 수입산이 11.3±1.6%를 나타났으며, 지방의 함량은 국내산과 수입산이 각각 15.8±2.6%, 14.8±1.6%로 나타났다.
- 수입산의 콩의 경우 단백질을 제외한 수분, 지방, 회분의 함량과도 일치하는 함량을 나타내었다. 이 중 함량의 유의적 차이를 보인 항목은 조단백질로 국내산이 수입산보다 약 1.7% 더 높은 단백질 함량을 가지는 것을 볼 수 있었다.
- T2-SE 데이터를 위의 결과에 더하여 3개의 변수(T1-IR, T1-SR, T2-SE)로 판별한 결과 국내산 시료에 대한 판별 정확성은 향상되지 않았으나 중국산의 경우 정확성이 100%로 향상되는 것으로 나타났다. 이와 마찬가지로 4가지의 측정 항목인 T1-IR, T1-SR, T2-SE, T2-CPMG 데이터 모두를 사용하여 판별을 실시한 경우 국내산 시료의 판별 정확성이 100%로 증가하는 것을 볼 수 있었다.
- -CPMG를 측정한 후 t-test 결과에서 유의성이 검증된 변수들을 순차적으로 이용하여 각각 정준판별한 결과는 Table 4와 같다. 종이완시간의 측정법인 T1-SR 변수만을 이용하여 국내산과 중국산 콩을 정준판별한 결과를 살펴보면, 국내산이 국내산으로 판별된 경우는 25종 중 18종이었으며(72%), 중국산을 중국산으로 판별한 경우는 24종 중 21종이었다(88%) T1-IR 변수만을 사용하여 정준판별 분석을 시행한 결과 국내산 25종 중 19종만이 국내산으로 판별되었고 중국산 24종 중 22종만이 중국산으로 판별되어 각각 76, 92%의 확률을 나타내었다. T1-SR 단독으로 판별하였을 때보다 T1-IR 단독으로 이용하여 판별하였을 때 국내산 중국산 모두에서 정확성이 증가되는 것으로 나타났다.
- 9000 이상의 확률로 비교적 오판이 적게 국내산을 구별해낼 수가 있는 것으로 나타났다. 중국산 콩에서 0.95 이상의 확률로 정확하게 중국산으로 구별해낼 수 있는 경우는 24종 중 18종으로, 이는 3개의 변수(T1-IR, T1-SR, T2-SE)를 이용하였을 때의 12종보다 월등하게 높아진 것을 볼 수 있었다.
- 그 결과 국내산 25종 중 24종이 국내산으로 판별되어 96%의 정확성을 보였으며 중국산도 24종 중 1종만이 국내산으로 오판되어 96%의 정확성을 나타났다. 즉 T1-IR과 T1-SR에 의한 T1 각각의 측정 항목을 단독으로 사용하여 판별하였을 때보다 두 변수를 함께 이용하면 국내산과 중국산의 판별 가능성이 크게 증가되는 것으로 나타났다. T2-SE 데이터를 위의 결과에 더하여 3개의 변수(T1-IR, T1-SR, T2-SE)로 판별한 결과 국내산 시료에 대한 판별 정확성은 향상되지 않았으나 중국산의 경우 정확성이 100%로 향상되는 것으로 나타났다.
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