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문제 정의
- 본 연구에서는 전통주의 품질 향상과 표준화를 위하여 RFID 기술을 이용한 대용량에서의 발효과정의 원거리 측정과 발효과정의 지속적인 모니터링을 통한 이상발효의 유무를 예측하였고, 설치된 센서와 manual로 측정되는 값과의 비교를 통하여 품질관리 가능성을 확인하고자 하였다. 또한 본 기술을 통하여 전통방식의 발효과정을 보다 표준화하고 이상발효나 문제점에 대한 신속한 대응을 통하여 우리나라 전통발효주의 품질을 높일 계기로 삼고자 한다.
- 본 실험에서는 이러한 센싱 태그 기술을 개발하기 위한 목적으로 국내 전통주를 생산하는 추성고을(전남, 한국)에서 회사의 발효탱크 위에 온도, pH, 당도 등의 센서와 노드를 구성하고 수동형 태그를 이용하고 전송하여 데이터를 수집하는 기술을 도식화하였고 실제로 전통주를 발효하는 발효조에 위의 장치를 설치하여 data를 수집하였다. 발효에 사용한 장비의 구성은 Fig.
- 본 연구에서는 전통주의 품질 향상과 표준화를 위하여 RFID 기술을 이용한 대용량에서의 발효과정의 원거리 측정과 발효과정의 지속적인 모니터링을 통한 이상발효의 유무를 예측하였고, 설치된 센서와 manual로 측정되는 값과의 비교를 통하여 품질관리 가능성을 확인하고자 하였다. 또한 본 기술을 통하여 전통방식의 발효과정을 보다 표준화하고 이상발효나 문제점에 대한 신속한 대응을 통하여 우리나라 전통발효주의 품질을 높일 계기로 삼고자 한다.
- 전통주는 성장할 수 있는 전기를 맞이하고 있으나 전통적인 생산방식으로 인한 표준화, 품질관리의 문제점을 안고 있다. 이에 sensor 기술과 RFID 기술을 이용하여 품질관리와 표준화문제에 접근하고자 하였다. RFID 기술은 원거리 Sensing과 즉각적인 제어로서 표준화와 품질의 고급화를 이룰 수있는 최적화 기술이다.
제안 방법
- 항온이 되도록 발효를 유지하였고 발효기에서 20일 동안 발효하면서 발효 중간 중간 교반을 하였으며, 24시간 간격으로 시료를 채취하여 실험하였다. 그리고 발효의 종말점은 발효가 완료되면 발효 도중 발생하는 이산화탄소의 발생이 멎고, 상층으로 떠있던 술덧이 가라앉을 때 발효의 종말점으로 삼았다. 발효는 총 3회에 걸쳐 실시되었으며 1차는 2014년 8월 7일부터 25일까지, 2차는 10월 22일부터 11월 10일까지, 그리고 3차는 12월 12일부터 15년 1월 1일까지 실시하였다.
- 발효과정에 sensor를 통하여 측정이 가능한 온도, pH와 당도는 sensor data를 이용하였고, 아직 sensor로 측정이 불가능한 총산이나 알코올 함량은 manual 방식을 이용하여 측정하였다. 그리고 유리당과 유기산은 3차 실험을 통해 얻어진 시료에서 발효기간 동안의 변화를 측정하였다.
- 당도의 측정은 pH와 동일하게 센서로부터 얻어진 자료를 이용하여 당도를 측정하였다.
- 그리고 발효의 종말점은 발효가 완료되면 발효 도중 발생하는 이산화탄소의 발생이 멎고, 상층으로 떠있던 술덧이 가라앉을 때 발효의 종말점으로 삼았다. 발효는 총 3회에 걸쳐 실시되었으며 1차는 2014년 8월 7일부터 25일까지, 2차는 10월 22일부터 11월 10일까지, 그리고 3차는 12월 12일부터 15년 1월 1일까지 실시하였다.
- 발효조에 장착되어 있는 pH meter(Model 8000, VWR Scientific, West Chester, NJ, USA)로 pH를 측정하여 RFID로 전송된 data를 수집하였다. 총산 함량은 추출액 10 mL를 0.
- RFID 기술은 원거리 Sensing과 즉각적인 제어로서 표준화와 품질의 고급화를 이룰 수있는 최적화 기술이다. 본 실험에서 3차에 걸친 발효과정을 측정하였는데 발효조의 내부온도에 따라 발효종말점이 14, 17, 20일까지 달랐다. pH의 경우 발효 초기 pH가 7.
- 유기산은 유리당과 같은 방법으로 전처리한 후 분석하였다. 즉 시료 원액 2 mL를 취하여 원심분리(20,000 rpm, 15 min) 한 후 0.
- 이렇게 잘 혼합시킨 뒤 발효조의 온도를 20°C가 넘지 않는 선에서 발효기에 장착되어 있는 냉각수를 가동하여 온도를 조절하였다.
- 전통주의 발효과정 중 생성된 유리당과 유기산의 종류를 HPLC를 이용하여 분석하였으며 발효시간 경과에 따라 생성된 유리당, 유기산의 농도 변화는 Table 1, 2에서 보는 바와 같다. 전통주의 발효기간이 진행함에 따라 유리당은 1일째 4,171.
- 전통주의 발효를 총 3회에 걸쳐 실시하였다(Fig. 2). 각 회수에 발효조의 내부온도를 측정한 결과 발효 초기 3회 모두 급격한 상승이 있었고 이후 점차적으로 온도가 낮아졌다.
- 즉 시료 원액 2 mL를 취하여 원심분리(20,000 rpm, 15 min) 한 후 0.45 µm membrane filter(Agilent Technologies Inc., Santa Clara, CA, USA)로 여과한 여액을 high performance liquid chromatography(HPLC)를 이용하여 분석하였고 column은 ZORBAX Carbohydrate(4.6 mm×150 mm, Agilent Technologies Inc.)를 사용하였고 이동 상은 75% acetonitrile, 30°C에서 유속은 1.4 mL/min, 검출은 ELSD detector로 분석하였다.
- 이렇게 잘 혼합시킨 뒤 발효조의 온도를 20°C가 넘지 않는 선에서 발효기에 장착되어 있는 냉각수를 가동하여 온도를 조절하였다. 항온이 되도록 발효를 유지하였고 발효기에서 20일 동안 발효하면서 발효 중간 중간 교반을 하였으며, 24시간 간격으로 시료를 채취하여 실험하였다. 그리고 발효의 종말점은 발효가 완료되면 발효 도중 발생하는 이산화탄소의 발생이 멎고, 상층으로 떠있던 술덧이 가라앉을 때 발효의 종말점으로 삼았다.
대상 데이터
- 전통주의 제조는 담양추성주를 제조하는 추성고을의 대용량 발효설비를 이용하였고, 재료로는 국산 담양쌀과 개량누룩(증자용)(한국효소(주), Hwasung, Korea)을 지역 단위농협과 온라인 구매하여 사용하였고, 발효과정은 3,000 L 발효조에 쌀 880 kg을 증자한 후 발효조에 넣고 pellet형으로 되어 있는 개량누룩(증자용) 25 kg을 정제수에 풀어 한 번 천으로 거른 다음 발효조에 정제수 2,500 L와 함께 혼화하여 넣는다. 이렇게 잘 혼합시킨 뒤 발효조의 온도를 20°C가 넘지 않는 선에서 발효기에 장착되어 있는 냉각수를 가동하여 온도를 조절하였다.
이론/모형
- 발효과정 중에 알코올의 측정과 총당의 측정은 아직까지 자동으로 검출이 어려워 manual 방식으로 측정하였다. 전통주의 발효기간 중 알코올 함량의 변화는 Fig.
- 발효과정에 sensor를 통하여 측정이 가능한 온도, pH와 당도는 sensor data를 이용하였고, 아직 sensor로 측정이 불가능한 총산이나 알코올 함량은 manual 방식을 이용하여 측정하였다. 그리고 유리당과 유기산은 3차 실험을 통해 얻어진 시료에서 발효기간 동안의 변화를 측정하였다.
- 알코올 함량 측정은 국세청의 주류분석규정(22)에 따라 실시하였다. 15°C에서 검정한 100 mL 메스플라스크의 눈금까지 취하고 이것을 약 300~500 mL 플라스크에 옮긴 다음 이 메스플라스크를 약 15 mL의 물로 2회 씻은 액을 플라스크에 합치고 냉각기에 연결한 후 메스플라스크를 받는 용기로 하여 증류하였다.
- 유리당은 국세청의 주류시험 방법(23)에 따라 분석하였다. 즉 시료 원액 2 mL를 취하여 원심분리(20,000 rpm, 15 min) 한 후 0.
- 유액이 70 mL(소요시간은 약 20분 내외)가 되면 증류를 중지하고 물을 가하여 15°C에서 메스플라스크의 눈금까지 채운 다음 잘 흔들어 실린더에 옮긴 후, 주정계를 사용하여 값을 읽고 온도 측정을 한 뒤 Gay-Lussak의 주정환산표로 주정분을 결정하였다.
- 총당은 페놀-황산법으로 측정하였다. 먼저 환원당과 같은 방법으로 시료를 희석한 후 사용하였다.
- 0 mL/min으로 분석하였다. 함량은 외부표준법으로 계산하였다.
성능/효과
- 7과 같다. 1차에서 3차에 이르기까지 알코올 함량은 초기에 급격히 증가하다가 발효 5일째서부터 대부분 완만한 증가를 보였고, 1차 발효에서는 17.3%, 2차 발효에서는 16.7%, 3차 발효에서는 17.1%에서 발효가 완료되었다. 이는 발효과정 중에 유리당이 발효 중 효모의 영양원으로 이용되어 알코올 발효가 적절하게 일어난 것으로 판단된다.
- 89 brix로 측정되었다. 3번의 발효에서 당도의 변화는 초기 급격한 상승을 이룬 다음 중간 발효에서는 점차 낮아졌고 발효 후기에 갈수록 점차 증가하는 경향을 보였다. 이러한 발효 초기에 당도의 급격한 변화는 발효조에 부착되어 있는 당도계가 일반적인 발효물의 측정에서 사용하는 방법과 약간의 차이에 기인하는 것으로 보이는데, 발효조에 장착된 센서는 발효과정 중에 발생하거나 발효 도중 저어주는 것에 의해 부유물의 접촉 빈도가 manual 방식에서 거른 맑은 상층액으로 측정하는 방식의 차이에 의해 변화의 폭이 컸을 것으로 생각된다.
- 3과 같다. 3회에 걸친 발효에서 모두 발효 초기 pH가 7.89에서 최종 pH 3.34 정도로 급격한 pH의 강하가 이뤄졌고 이후 완만한 상승으로 진행되었다. 한편 발효기간에 따른 총산도의 변화는 Fig.
- 2). 각 회수에 발효조의 내부온도를 측정한 결과 발효 초기 3회 모두 급격한 상승이 있었고 이후 점차적으로 온도가 낮아졌다. 또한 이산화탄소의 발생이 완전히 멈춰 술덧이 발효조 아래로 완전히 가라앉는 발효의 종말점이 각기 틀리는데 이는 첫 번째 발효기가 8월에 실시하여 내부온도가 20.
- 각 산들의 분포를 살펴보면 막걸리의 풍미에 좋지 않은 영향을 미치는 acetic acid는 전 발효기간에 걸쳐 검출되지 않았다. 그리고 막걸리 발효에 적합한 pH를 제공하는 citric acid는 초기 감소하다가 점차 상승하고 있는데 초기 13.83 mg%에서 최종 19.04 mg%의 범위로 유지되어 막걸리가 부패하지 않고 안정된 발효가 일어나도록 도와주는 것을 알 수 있었다. 부드러운 신맛을 내는 malic acid도 citric acid와 유사하게 전 기간에 걸쳐 비교적 유사한 경향을 나타내고 있는데 초기 8.
- 이는 발효 기간 중에 생성된 유기산과 밀접한 관계가 있다. 당도의 측정은 발효기에 부착한 sensor를 통하여 자료를 얻었는데 발효에서 당도의 변화는 초기 급격한 상승을 이룬 다음 중간 발효에서는 점차 낮아졌고 발효 후기에 갈수록 점차 증가하는 경향을 보였다. 알코올의 측정과 총당의 측정은 아직까지 자동으로 검출이 어려워 manual 방식으로 측정하였는데, 알코올 함량은 초기에 급격히 증가하다가 발효 5일째서부터 대부분 완만한 증가를 보였고 1차 발효에서는 17.
- 또한 이들의 발효과정 중의 당도는 1차 발효가 최종 12.69 brix, 2차 발효가 10.1 brix, 3차 발효가 8.86 brix로 앞서 제시하였듯이 발효의 온도가 낮아질수록 당도도 함께 떨어지는 것을 볼 수가 있었고 이는 발효기간 중에 활동하는 미생물과의 관계로 평가할 수 있다.
- 또한 이산화탄소의 발생이 완전히 멈춰 술덧이 발효조 아래로 완전히 가라앉는 발효의 종말점이 각기 틀리는데 이는 첫 번째 발효기가 8월에 실시하여 내부온도가 20.05°C에서 시작하였고 최종 19.88°C에 이를 때까지 매우 높았으며, 2차 발효는 10월에 실시하였는데 발효 시작온도가 20.01°C에서 시작하였으나 최종 16.73°C에서 발효를 마쳤다.
- 09 mg%로 변곡점을 나타낸 다음 완만해진다. 본 실험 결과는 lactic acid와 succinic acid가 찹쌀 및 보리쌀 막걸리의 발효과정 중 주요 유기산으로 보고한 Song(37)의 결과 및 원료를 달리하여 발효시킨 막걸리의 결과(38)와 어느 정도 부합하는 면도 있었으나 malic acid와 citric acid를 중요한 인자로 보아도 될 것 같다는 결론을 얻을 수 있었다. 한편 피로물질 제거에 큰 역할을 하는 것으로 알려진 유기산으로는 lactic acid, citric acid, succinic acid, tartaric acid 등이 보고(39)되어 있으며, 막걸리의 유기산 중 lactic acid 및 citric acid는 주류발효에 적합한 pH를 제공할 뿐만 아니라 주류에 청량감과 부드러운 신맛을 부여하는 역할(39)을 하는 것으로 알려져 있다.
- 당도의 측정은 발효기에 부착한 sensor를 통하여 자료를 얻었는데 발효에서 당도의 변화는 초기 급격한 상승을 이룬 다음 중간 발효에서는 점차 낮아졌고 발효 후기에 갈수록 점차 증가하는 경향을 보였다. 알코올의 측정과 총당의 측정은 아직까지 자동으로 검출이 어려워 manual 방식으로 측정하였는데, 알코올 함량은 초기에 급격히 증가하다가 발효 5일째서부터 대부분 완만한 증가를 보였고 1차 발효에서는 17.3%, 2차 발효에서는 16.7%, 3차 발효에서는 17.1%에서 발효가 완료되었다. 유리당은 1일째 4,171.
- 전통주의 발효과정 중 생성된 유리당과 유기산의 종류를 HPLC를 이용하여 분석하였으며 발효시간 경과에 따라 생성된 유리당, 유기산의 농도 변화는 Table 1, 2에서 보는 바와 같다. 전통주의 발효기간이 진행함에 따라 유리당은 1일째 4,171.44 mg%를 나타내다 초기에 급격한 감소를 보였고 10일을 전후하여 증가폭의 변화가 둔화되었다. 전체 중에 glucose가 제일 많은 함량을 보였으며 전체에 가장 유사한 패턴을 나타내었다.
- 44 mg%를 나타내다 초기에 급격한 감소를 보였고 10일을 전후하여 증가폭의 변화가 둔화되었다. 전체 중에 glucose가 제일 많은 함량을 보였으며 전체에 가장 유사한 패턴을 나타내었다. 다음으로 많은 함량을 보인 것은 sucrose, fructose 순이었다.
- 다음으로 많은 함량을 보인 것은 sucrose, fructose 순이었다. 전체적인 경향은 총당의 감소와 매우 유사하게 나타나고 있어 발효기간에 알코올 생성과 밀접함을 알 수가 있었다. 전통주 발효의 이상 유무를 측정하는 데 유리당도 매우 중요한 지표로 판단되는 바, 유리당 변화를 HPLC에 온라인화시켜 검출, 확인하여 전통주 발효의 이상 유무를 확인하는 추가 지표로 활용 가능할 것으로 생각한다.
- 전통주의 발효과정 중 생성된 유리당과 유기산의 종류를 HPLC를 이용하여 분석하였으며 발효시간 경과에 따라 생성된 유리당, 유기산의 농도 변화는 Table 1, 2에서 보는 바와 같다. 전통주의 발효기간이 진행함에 따라 유리당은 1일째 4,171.44 mg%를 나타내다 초기에 급격한 감소를 보였고 10일을 전후하여 증가폭의 변화가 둔화되었다. 전체 중에 glucose가 제일 많은 함량을 보였으며 전체에 가장 유사한 패턴을 나타내었다.
후속연구
- 전통주의 발효에서 품질관리를 통한 전통주의 고급화 방법의 하나로 RFID 기술을 도입하여 이상발효의 차단과 적정한 sensor를 이용하여 지표로 활용, 정확한 발효과정을 판단할 필요가 있다. pH, 총산, 알코올 그리고 총당은 전통주 품질관리의 지표로 활용 가능한 바, 전통주 발효 전 과정을 monitering 하여 이상발효 유무의 중요한 지표로 활용이 가능할 것이다.
- 생산적 수준의 전통주 발효에서 발효의 품질 평가의 지표로 pH와 총산이 적합하다고 생각되는데 pH는 센서로 측정이 가능하여 RFID 시스템으로 연결하여 쉽고 빠른 측정이 확인되나 총산은 아직까지 센서화가 이뤄지지 않아 측정에 어려움이 있다. 따라서 pH만으로 전통주의 품질유지의 지표가 될 수 있는지 추가적인 연구가 필요하다.
- 또한 알코올의 변화는 총당의 변화와 함께 밀접하게 논의되어야 하는 것이 정확하다. 발효과정 중에 유리되는 당류들은 미생물에 의해 알코올로 전환되기 때문에 발효과정에 주로 반대되는 과정을 보여주고 있고 이 둘의 적절한 측정은 발효 전 과정을 monitoring 하는 데 중요한 지표로서 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 센서 태그는 RFID(radio-frequency identification) 수동형 태그에 센서를 부착하여 주변 환경을 모니터링 할 수 있는 기술로 환경정보 감시가 필요한 혈액, 식･의약품, 물류, 산업 환경 관리 및 동물 상태 추적 등의 분야에 적용될 수 있다(17-21). 이와 같이 RFID 기술을 이용하여 원격으로 확인하고 조정할 수 있을 때 비교적 우수한 품질의 전통주를 생산할 수 있을 것이고 현재의 전통주에서 나타나는 품질의 불균일을 해소할 수 있으며, 본 RFID 기술을 모바일로 연결하여 발효과정을 빠르고 정확하게 확인할 수 있을 것이다.
- 전체적인 경향은 총당의 감소와 매우 유사하게 나타나고 있어 발효기간에 알코올 생성과 밀접함을 알 수가 있었다. 전통주 발효의 이상 유무를 측정하는 데 유리당도 매우 중요한 지표로 판단되는 바, 유리당 변화를 HPLC에 온라인화시켜 검출, 확인하여 전통주 발효의 이상 유무를 확인하는 추가 지표로 활용 가능할 것으로 생각한다.
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