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문제 정의
- 본 연구에서는 생체광자를 이용하여 양돈 육질의 품질평가를 생체광자를 이용하여 평가 가능 하는 것에 목적을 두었다. 특히 키토산 첨가 사료와 일반사료를 사용한 양돈 육질 품질 평가 기준의 척도를 판단하고 생체광자 현상을 이용해 측정 가능하게 되었다는데 큰 의미가 있다.
제안 방법
- 미세한 생체광자 신호를 측정하기 위하여 주변에서 나오는 외부광을 차단하여 신호대잡음비(S/N)가 높은 신호를 측정하였다. PMT는 완전 암실 내에 있는 암 상자 속에 설치하여 측정하였으며, 시료들과 실험기구들이 외부광에 노출되면 빛을 방출하므로 실험 전 충분히 암실에 적응시키고, 암실이 설치되어 있는 실험실 자체도 외부광에 노출되는 것을 방지하여 실험을 실시하였다.
- 이 조건에서 PMT의 noise level은 40 cps로, 같은 model의 PMT 중, 특별히 잡음 수준이 낮은 것을 골라 사용하였다. PMT에서 나오는 신호는 미약하므로 신호 처리를 위해 preamp (C6865, Hamamatsu)에 의해 증폭된 신호는 PC에 있는 photon counting board (M8794 Hamamatsu)로 전달되어 생체광자의 숫자를 측정한다. 미세한 생체광자 신호를 측정하기 위하여 주변에서 나오는 외부광을 차단하여 신호대잡음비(S/N)가 높은 신호를 측정하였다.
- 1). 돼지고기 등심 시료의 경우 지방이나 단백질이 약간 섞여 있을 가능성은 있으나 시료수를 한 개체로 하여 측정 시에는 PMT기기를 측정하는 부위를 변경시켜 측정하였다.
- PMT에서 나오는 신호는 미약하므로 신호 처리를 위해 preamp (C6865, Hamamatsu)에 의해 증폭된 신호는 PC에 있는 photon counting board (M8794 Hamamatsu)로 전달되어 생체광자의 숫자를 측정한다. 미세한 생체광자 신호를 측정하기 위하여 주변에서 나오는 외부광을 차단하여 신호대잡음비(S/N)가 높은 신호를 측정하였다. PMT는 완전 암실 내에 있는 암 상자 속에 설치하여 측정하였으며, 시료들과 실험기구들이 외부광에 노출되면 빛을 방출하므로 실험 전 충분히 암실에 적응시키고, 암실이 설치되어 있는 실험실 자체도 외부광에 노출되는 것을 방지하여 실험을 실시하였다.
- 본 연구는 생체 조직 간의 또 다른 정보전달자로서 생체광자의 역할에 주목하여 생체조직 연구에 간편한 광학시스템을 활용하였다[15]. 특히 사료 첨가제에 대한 육질의 척도를 생체광자 현상을 이용해 측정 가능하게 되었다는 것과 복잡한 생화학적 실험에서만 해명할 수 있었던 기기분석법등을 빛의 양으로 간단하게 측정할 수 있다는 것에 큰 의미가 있다[16].
- 과학이 발달함에 따라 광자의 측정기술이 고도화되고 아주 미약한 빛까지도 측정할 수 있게 되면서 생체에서 나오는 빛에 대한 연구를 통해 빛의 파장은 물론 가시광선 영역이나 그것보다 더 짧은 파장까지도 측정 가능하게 되었다[11].이러한 기기분석법의 발달을 토대로 이미 보고된 바와 같이 조직 내 생체광자의 흡수율이 적으면 정상 조직으로 평가하게 되었다. 즉 미약한 생체광자의 방출은 생체 대사활동에 있어서 불완전성에 기인한다는 사실이 정립되었다[12].
- 조직 시료는 ㈜우리바이오택에서 사육한 돼지에게 키토산 혼합물을 첨가한 사료를 먹인 돼지 120kg의 체중이 되었을 때 도축한 등심 부분을 이용하였고, 사육조건은 대조군돼지와 동일한 조건으로 이루어졌다. 단백질 시료는 조직 지방을 제거하고, 지방 시료는 단백질이 없는 지방부분만을 사용 하였다(Fig.
- 측정은 매회 한 시료당 3분씩 3회 반복 실시하였고, 실험 전 PMT 기기 보정을 위해서 암실과 냉장실에서 조직을 반복 측정하여 오차를 최소화하였다. 실험결과는 3분 동안 측정된 생체광자의 총 빛의 흡수율로 나타내며, 포톤흡수율 숫자가 높을수록 포톤광자들이 많이 방출된다는 것을 의미 한다.
- 실험결과는 3분 동안 측정된 생체광자의 총 빛의 흡수율로 나타내며, 포톤흡수율 숫자가 높을수록 포톤광자들이 많이 방출된다는 것을 의미 한다. 현미경에의한 조직 관찰은 해부 현미경 (Stereo Microscope, Nikon TS100)을 사용하였고 400배율에서 일괄적으로 사진을 찍었다.
대상 데이터
- 기기의 반응 파장대는 300∼650nm이고, 최대 반응 파장대인 420nm에서 시료를 측정하였으며, 이때 양자효율은 28%였다. 광전자증폭관(PMT)의 직경은 45mm이고, 조직과 PMT 간의 간격은 15mm이며, 작동 전압은 1,600 V로 하였다. 이 조건에서 PMT의 noise level은 40 cps로, 같은 model의 PMT 중, 특별히 잡음 수준이 낮은 것을 골라 사용하였다.
- 조직 시료는 ㈜우리바이오택에서 사육한 돼지에게 키토산 혼합물을 첨가한 사료를 먹인 돼지 120kg의 체중이 되었을 때 도축한 등심 부분을 이용하였고, 사육조건은 대조군돼지와 동일한 조건으로 이루어졌다. 단백질 시료는 조직 지방을 제거하고, 지방 시료는 단백질이 없는 지방부분만을 사용 하였다(Fig. 1). 돼지고기 등심 시료의 경우 지방이나 단백질이 약간 섞여 있을 가능성은 있으나 시료수를 한 개체로 하여 측정 시에는 PMT기기를 측정하는 부위를 변경시켜 측정하였다.
- PMT가 들어있는 암 상자의 온도는 20℃로 일정하게 유지하였다. 일반적으로 유리는 400nm 이상의 파장을 투과하며 UV를 흡수하므로, 본 연구에서는 생물광자의 파장대가 250nm 이상임을 고려하여 시료 접시는 석영 재질로 제작된 것을 사용하였다(직경 35mm, 두께 2mm). 일반적으로 생물광자는 표면적에 비례하는 경향이 있으므로, PMT의 측정기기에 접하는 시료 면을 시료 접시 바닥면에 고르게 펴줌으로 단위 면적당 생물광자의 양을 용이하게 측정하였다.
성능/효과
- 또한 키토산 혼합물 첨가 사료로 사육된 돼지고기의 지방과 단백질 조직으로 분리하여 생체광자량을 측정한 결과, 지방 조직에서는 대조군보다 4.8배가 적은 2,924였고(그림 4), 단백질 조직에서는 2.8배가 적은 333으로 현저히 차이가 있음을 알 수 있다(그림 5). 이러한 결과로 미루어 볼 때 키토산 혼합물 첨가 사료를 먹인 돼지고기 조직에서 포톤양이 적은 것으로 보아 생체광자의 포톤양으로 육질의 품질측정이 가능하고 키토산 첨가 돼지고기가 현저하게 품질이 좋은 것으로 판단된다.
- 측정은 매회 한 시료당 3분씩 3회 반복 실시하였고, 실험 전 PMT 기기 보정을 위해서 암실과 냉장실에서 조직을 반복 측정하여 오차를 최소화하였다. 실험결과는 3분 동안 측정된 생체광자의 총 빛의 흡수율로 나타내며, 포톤흡수율 숫자가 높을수록 포톤광자들이 많이 방출된다는 것을 의미 한다. 현미경에의한 조직 관찰은 해부 현미경 (Stereo Microscope, Nikon TS100)을 사용하였고 400배율에서 일괄적으로 사진을 찍었다.
- 8배가 적은 333으로 현저히 차이가 있음을 알 수 있다(그림 5). 이러한 결과로 미루어 볼 때 키토산 혼합물 첨가 사료를 먹인 돼지고기 조직에서 포톤양이 적은 것으로 보아 생체광자의 포톤양으로 육질의 품질측정이 가능하고 키토산 첨가 돼지고기가 현저하게 품질이 좋은 것으로 판단된다. 즉 지방조직과 단백질조직 모두에서 키토산 혼합사료를 사용한 시료는 육질이 섬세하여 빛의 뜨임 현상이 적은 것으로 사료된다.
- 실험대상의 조직을 광학현미경으로 관찰한 결과는 그림 3에 나타내었다. 키토산 혼합물 첨가 사료로 사육한 조직 시료군이 대조군보다 육질이 섬세하고 색깔도 선명한 적색을 띄어 확실한 품질의 차이를 한눈에 알 수 있었다.
후속연구
- 본 연구는 일반적인 생물학적 측정법보다도 간단하고 저렴한 시스템으로 현장에서의 육질 평가 기준을 수치로 알 수 있어 현장 활용이 높을 것으로 사료된다.
- 생체광자의 원천은 활성화 산소에 의한 대사과정과 DNA의 형태(conformation) 변화에 기인한다고 알려져 있다[7]. 생체광자는 물리학적으로는 양자결맞음(quantum coherence) 특성이 있으므로 기본적인 중요성을 가지며, 생물학적으로는 세포의 분열과 분화, 성장과정, 상처와 치유 과정에서 많이 방출되어 발달과정의 이해에 새로운 기여를 할 것으로 기대된다[8]. 특히 암세포 및 조직에서 나오는 생체광자의 양과 정상세포 및 조직에서 나오는 양이 서로 다르다는 것이 여러 연구에서 밝혀지고 있다[9].
- 키토산 첨가 혼합사료 이용 육질을 알 수 있는 통계적 DB 구축을 통해 항산화 면역 체계 육질을 알아 낼 수만 있다면, 화학적 방법이 아닌 PMT, 바이오센서 등의 물리적 방법에 의해서도 육질 품질을 여러 측면에서 알아 낼 수 있을 것으로 사료된다. 이는 향후 FTA체결에 의한 외국산 육류들과의 비교 측정에까지 활용될 수 있는 새로운 기기 분석법으로 널리 사용될 수 있는 가능성이 있다는데 그 의미가 있으며 첨단기기 분석법의 제시에 새로운 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구결과에 의하면 사료 첨가제로 사용된 키토산이 항산화 효과의 유도와 면역 체계에 좋은 결과를 나타냈다는 많은 보고가 있는데[17]. 키토산 첨가 혼합사료 이용 육질을 알 수 있는 통계적 DB 구축을 통해 항산화 면역 체계 육질을 알아 낼 수만 있다면, 화학적 방법이 아닌 PMT, 바이오센서 등의 물리적 방법에 의해서도 육질 품질을 여러 측면에서 알아 낼 수 있을 것으로 사료된다. 이는 향후 FTA체결에 의한 외국산 육류들과의 비교 측정에까지 활용될 수 있는 새로운 기기 분석법으로 널리 사용될 수 있는 가능성이 있다는데 그 의미가 있으며 첨단기기 분석법의 제시에 새로운 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
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