본 연구에서는 전통 재래식 콩된장의 제조공정을 과학적으로 해석하기 위한 연구의 일환으로 생메주의 건조 및 발효과정에 있어서 수분함량과 단백질 분해에 의한 아미노산 생성과정을 근적외 분광법으로 쉽게 판단 할 수 있는지 그 가능성을 조사하였다. 생메주를 일정한 크기($3{\times}4{\times}3cm$)로 잘라서 수분이 30%가 되도록 $25^{\circ}C$항온기에 3주간 발효시킨 모델계 발효메주를 만들어 가시광-근적외 스펙트럼을 측정하여 해석하였다. 발효가 진행됨에 따라 수분이 감소되면서 수분과 관련이 있는 1,430 nm대의 흡광도가 감소 및 시프트 되는 것이 관찰되었고, 발효기간이 길어질수록 아미노산과 관련이 있는 2,050 nm대의 흡광도가 증가하는 것을 관찰 할 수 있었다. 전통 재래식 발효메주를 속부분과 겉부분으로 분리하여 1,000-2,250 nm에서의 가시광 스펙트럼과 근적외 스펙트럼 데이터로 판별분석한 결과, 겉부분과 속부분이 잘 판별되었고, 가시광 보다는 근적외 영역에서 잘 구분되었다. 이들 전통메주중의 아미노산 농도를 비파괴 측정하기 위해 PLSR한 결과 $R^2$은 0.9 이상이며, RMSECv 0.23%로 나타났으며, 전통메주중의 수분함량도 $R^2$ 0.81, RMSECv 0.83%이어서 근적외 분광법으로 전통메주의 품질을 비파괴 측정 가능할 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 전통 재래식 콩된장의 제조공정을 과학적으로 해석하기 위한 연구의 일환으로 생메주의 건조 및 발효과정에 있어서 수분함량과 단백질 분해에 의한 아미노산 생성과정을 근적외 분광법으로 쉽게 판단 할 수 있는지 그 가능성을 조사하였다. 생메주를 일정한 크기($3{\times}4{\times}3cm$)로 잘라서 수분이 30%가 되도록 $25^{\circ}C$ 항온기에 3주간 발효시킨 모델계 발효메주를 만들어 가시광-근적외 스펙트럼을 측정하여 해석하였다. 발효가 진행됨에 따라 수분이 감소되면서 수분과 관련이 있는 1,430 nm대의 흡광도가 감소 및 시프트 되는 것이 관찰되었고, 발효기간이 길어질수록 아미노산과 관련이 있는 2,050 nm대의 흡광도가 증가하는 것을 관찰 할 수 있었다. 전통 재래식 발효메주를 속부분과 겉부분으로 분리하여 1,000-2,250 nm에서의 가시광 스펙트럼과 근적외 스펙트럼 데이터로 판별분석한 결과, 겉부분과 속부분이 잘 판별되었고, 가시광 보다는 근적외 영역에서 잘 구분되었다. 이들 전통메주중의 아미노산 농도를 비파괴 측정하기 위해 PLSR한 결과 $R^2$은 0.9 이상이며, RMSECv 0.23%로 나타났으며, 전통메주중의 수분함량도 $R^2$ 0.81, RMSECv 0.83%이어서 근적외 분광법으로 전통메주의 품질을 비파괴 측정 가능할 것으로 판단되었다.
In this study, near infrared (NIR) spectroscopy known as a non-destructive analysis technique was applied to investigate peptide cleavage and consequent release of amino acids in soybean lumps as affected by its moisture content and incubation time during fermentation at 25 for 3 weeks. The NIR spec...
In this study, near infrared (NIR) spectroscopy known as a non-destructive analysis technique was applied to investigate peptide cleavage and consequent release of amino acids in soybean lumps as affected by its moisture content and incubation time during fermentation at 25 for 3 weeks. The NIR spectra of the soybean lump semi-dried and soaked in saline water showed that absorption intensity around 1,400 nm originating from hydrogen bonds of water decreased and absorption band shifted to 1,430 nm as moisture content decreased during incubation at 25 for 3 weeks. In addition, absorption around 2,050 nm which was assigned to amino groups increased as incubation time increased. NIR spectra data from 1,000 to 2,250 nm showed higher accuracy in the discriminant analysis between outside and inside parts of fermented soybean lumps than visible spectra result. NIR spectroscopy for the amino acid and moisture contents in traditional fermented soybean lumps showed relatively good accuracy with the multiple correlation coefficient ($R^2$) of 0.91 and 0.81, respectively, and root mean square error of cross validation (RMSECv) of 0.23 and 0.83%, respectively, in partial least square regression (PLSR). These results indicate that NIR spectral observations could be applicable to control the fermentation process for preparation of soybean products.
In this study, near infrared (NIR) spectroscopy known as a non-destructive analysis technique was applied to investigate peptide cleavage and consequent release of amino acids in soybean lumps as affected by its moisture content and incubation time during fermentation at 25 for 3 weeks. The NIR spectra of the soybean lump semi-dried and soaked in saline water showed that absorption intensity around 1,400 nm originating from hydrogen bonds of water decreased and absorption band shifted to 1,430 nm as moisture content decreased during incubation at 25 for 3 weeks. In addition, absorption around 2,050 nm which was assigned to amino groups increased as incubation time increased. NIR spectra data from 1,000 to 2,250 nm showed higher accuracy in the discriminant analysis between outside and inside parts of fermented soybean lumps than visible spectra result. NIR spectroscopy for the amino acid and moisture contents in traditional fermented soybean lumps showed relatively good accuracy with the multiple correlation coefficient ($R^2$) of 0.91 and 0.81, respectively, and root mean square error of cross validation (RMSECv) of 0.23 and 0.83%, respectively, in partial least square regression (PLSR). These results indicate that NIR spectral observations could be applicable to control the fermentation process for preparation of soybean products.
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문제 정의
본 연구에서는 전통 재래식 콩된장의 제조공정을 과학적으로 해석하기 위한 연구의 일환으로 생메주의 건조 및 발효과정에 있어서 수분함량과 단백질 분해에 의한 아미노산 생성과정을 근적외 분광법으로 쉽게 판단 할 수 있는지 그 가능성을 조사하였다. 생메주를 일정한 크기(3×4×3 cm)로 잘라서 수분이 30%가 되도록 25℃ 항온기에 3주간 발효시킨 모델계 발효메주를 만들어 가시광-근적외 스펙트럼을 측정하여 해석하였다.
전통장류 제조과정 중 아플라톡신이 생겨날 우려가 남아있어 이를 조사한 연구 등(9) 전통장류의 소비를 촉진하기 위해서는 장류제조과정을 보다 과학적으로 해석하여 객관적인 공정을 수립할 수 있는 연구가 필요한데 본 연구에서는 생메주의 건조과정과 발효메주의 단백질 분해 및 아미노산 생성관계를 근적외 분광으로 쉽게 파악할 수 있는지 그 가능성을 조사하였다.
제안 방법
분말상태로 조제한 메주시료를 석영유리창이 부착되어 있는 밀폐시료용기(closed cup)에 약 5 g을 넣고 spatula로 표면을 고른 뒤 스펀지가 부착된 뚜껑으로 압박하여 잠근 뒤 CARY 5G(Varian, California, USA)시료 창에 밀착시켜 400 nm - 2,500 nm 까지 확산 반사모드로 가시 및 근적외 스펙트럼을 측정하였다(13).
본 연구에서는 전통 재래식 콩된장의 제조공정을 과학적으로 해석하기 위한 연구의 일환으로 생메주의 건조 및 발효과정에 있어서 수분함량과 단백질 분해에 의한 아미노산 생성과정을 근적외 분광법으로 쉽게 판단 할 수 있는지 그 가능성을 조사하였다. 생메주를 일정한 크기(3×4×3 cm)로 잘라서 수분이 30%가 되도록 25℃ 항온기에 3주간 발효시킨 모델계 발효메주를 만들어 가시광-근적외 스펙트럼을 측정하여 해석하였다. 발효가 진행됨에 따라 수분이 감소되면서 수분과 관련이 있는 1,430 nm대의 흡광도가 감소 및 시프트 되는 것이 관찰되었고, 발효기간이 길어질수록 아미노산과 관련이 있는 2,050 nm대의 흡광도가 증가하는 것을 관찰 할 수 있었다.
전통 양조 가공품 중 일본의 시판 된장을 대상으로 쌀 Koji에 의한 단백질의 가수 분해 정도를 파악하기 위한 척도로서 가용성 질소와 아미노산 질소를 측정하고 있으며 된장의 숙성 정도를 알기 위해 젖산과 알코올 함량을 파괴 측정하고 있는데 숙련된 전문 분석자들이 된장시료 20점의 수분, 소금, 전당, 전질소, 지질, 회분, 직접환원당, 가용성질소, formol 질소, 젖산 및 알코올 함량을 측정하는데 만 2일이 소요되어, 출하 공정에 필요한 측정 결과를 얻는데 애로가 많아서 이를 해결하고자 근적외 분석법이 도입되었다(3).
대상 데이터
2015년 11월 초순에 경상북도 청도군 금천면 전통메주 전문업체에서 국산콩을 삶아 으깬 뒤 23×20×12 cm 크기로 만든 생메주를 구입하여 냉동보존하며 사용하였다.
상기 생메주를 볏짚으로 묶어 통풍이 잘되는 한옥 처마 아래에서 1개월간 말리면서 접균 시킨 뒤 20℃ 토방에 벽돌 모양으로 쌓아서 2개월간 보존하여 만든 발효메주를 실험에 사용하였다.
데이터처리
가시 및 근적외 스펙트럼의 해석은 Camo사의 다변량 통계 소프트웨어 Unscrambler(v10.3, CAMO, Oslo, Norway)를 이용하였다. 화학분석 데이터와 근적외 스펙트럼 데이터 간에 오차를 최소화시키기 위하여 전처리로서 2차 미분, SNV(standard normal variate), smoothing처리를 적용하였다.
화학분석 데이터와 근적외 스펙트럼 데이터 간에 오차를 최소화시키기 위하여 전처리로서 2차 미분, SNV(standard normal variate), smoothing처리를 적용하였다. 검량식 작성에는 부분최소자승회귀분석(partial least square regression, PLSR)방법을 사용하였으며, 검량식의 정확도 평가는 결정계수(R2, multiple correlation coefficient), 주성분(principal component, PC), 및 검량식을 통하여 나온 검증오차인 RMSECv(root mean square error of cross validation)로 확인하였다(14).
이론/모형
발효 메주의 겉 부분과 속 부분 시료 각각의 가시, 근적외 스펙트럼 자료의 판별분석에는 1,000-2,250 nm의 스펙트럼 자료를 이용하여 전처리로서 multiplicative scatter correction(MSC) 처리 후 1차미분한 자료를 Fisher’s liner discriminant orthogonal decomposition(FDOD)방법으로 분석하였다(15).
3, CAMO, Oslo, Norway)를 이용하였다. 화학분석 데이터와 근적외 스펙트럼 데이터 간에 오차를 최소화시키기 위하여 전처리로서 2차 미분, SNV(standard normal variate), smoothing처리를 적용하였다. 검량식 작성에는 부분최소자승회귀분석(partial least square regression, PLSR)방법을 사용하였으며, 검량식의 정확도 평가는 결정계수(R2, multiple correlation coefficient), 주성분(principal component, PC), 및 검량식을 통하여 나온 검증오차인 RMSECv(root mean square error of cross validation)로 확인하였다(14).
성능/효과
23%으로 가장 좋음을 알 수 있었다(Table 2). 성분치 폭에 비해 측정오차가 약 1/10 이어서 메주에서 추출될 아미노산 함량을 비파괴 예측 할 수 있는 가능성이 인정되었다. 장차 전통 장류의 제조에 대한 공정 개선이나 객관적인 계수화 작업이 가능할 것으로 기대된다.
전통 재래식 발효메주를 속부분과 겉부분으로 분리하여 1,000-2,250 nm에서의 가시광 스펙트럼과 근적외 스펙트럼 데이터로 판별분석한 결과, 겉부분과 속부분이 잘 판별되었고, 가시광 보다는 근적외 영역에서 잘 구분되었다. 이들 전통메주중의 아미노산 농도를 비파괴 측정하기 위해 PLSR한 결과 R2은 0.9 이상이며, RMSECv 0.23%로 나타났으며, 전통메주중의 수분함량도 R2 0.81, RMSECv 0.83%이어서 근적외 분광법으로 전통메주의 품질을 비파괴 측정 가능할 것으로 판단되었다.
발효가 진행됨에 따라 수분이 감소되면서 수분과 관련이 있는 1,430 nm대의 흡광도가 감소 및 시프트 되는 것이 관찰되었고, 발효기간이 길어질수록 아미노산과 관련이 있는 2,050 nm대의 흡광도가 증가하는 것을 관찰 할 수 있었다. 전통 재래식 발효메주를 속부분과 겉부분으로 분리하여 1,000-2,250 nm에서의 가시광 스펙트럼과 근적외 스펙트럼 데이터로 판별분석한 결과, 겉부분과 속부분이 잘 판별되었고, 가시광 보다는 근적외 영역에서 잘 구분되었다. 이들 전통메주중의 아미노산 농도를 비파괴 측정하기 위해 PLSR한 결과 R2은 0.
후속연구
20℃ 조건에서 2개월간 충분히 띄운 메주의 겉 부분은 속 부분에 비해 건조가 많이 이뤄져 있음을 Table 1에서 볼 수 있는데, 수분이 상대적으로 2-3% 높게 유지된 메주의 속 부분이 겉 부분에 비해 아미노산의 생성정도가 약 2배정도 높은 것을 알 수 있었다. 생메주의 사이즈가 발효메주의 품질과 연관하여 두께가 12 cm인 것 보다 얇은 7 cm인 것이 전반적으로 품질이 좋았다는 보고(20)가 있는데 이러한 생메주의 건조 과정 중 접합된 자연계 미생물이 발효 중 단백질 분해 효소를 분비하기에 필요한 수분함량을 적절히 공급하기 위한 조건을 설정하기 위한 연구에 도움이 될 것으로 사료된다.
상대적으로 입맛이 떨어진 노년층이 행정부처의 가이드라인에 따라 습관적으로 먹어왔던 짠맛을 제대로 느끼지 못하게 조리된 음식물을 섭취해야 되기 때문에 식사를 통한 만족감이 다소 저하되는 문제점이 지적되고 있으나 이를 개선하기 위한 적합한 공익적 연구시도가 부족한 상황이다. 이와 관련하여 본 연구진이 별도로 수행한 실험에서 숙성기간이 7년까지 경과된 간장시료에서 점도가 약 2배 증가되고 짠맛이 순하게 느껴지는 현상이 보였지만 숙성 간장 중의 멜라노이딘 구조에 소금이 결합되어 짠맛이 일부 완화되는지를 밝히기 위해서는 추가연구가 수행될 필요가 있다.
성분치 폭에 비해 측정오차가 약 1/10 이어서 메주에서 추출될 아미노산 함량을 비파괴 예측 할 수 있는 가능성이 인정되었다. 장차 전통 장류의 제조에 대한 공정 개선이나 객관적인 계수화 작업이 가능할 것으로 기대된다. 중국에서 간장중의 아미노산 질소를 기준으로 0.
전통 장류의 소비를 촉진하기 위해 제조 공정을 객관적으로 수립하기 위해 본 논문에서는 생메주의 건조과정과 발효메주의 단백질 분해에 따른 아미노산의 생성관계를 근적외 분광법으로 해석하여 적용가능성이 있음을 알 수 있었는데, 이와 관련있는 연구로서 일본의 가정식 된장이 발효되는 동안 일어나는 화학적인 변화를 알기위해 근적외 스펙트럼을 측정하여 주성분 분석한 결과(30), 담금계절 및 숙성기간이 경과됨에 따라 확연한 경향 차이가 관찰된다고 보고하였는데 구체적인 화학적 성분분석을 실시하지는 않았지만 단백질의 분자 사이즈에 변화가 예상된다고 추정하고 있어, 그러한 연구의 변화해석에 본 연구결과가 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다. 한편, 간장과 된장의 색깔, 냄새 및 맛에 관한 관능적 척도를 가시 및 근적외 스펙트럼 데이터와 PLSR하여 높은 상관이 얻어졌다는 보고(31)도 있어, 사람의 오관 중 특히 혀를 써서 평가하던 된장의 품질평가법은 짠맛으로 인해 장시간 반복하여 검사하기 곤란했었는데 이러한 취약점이 개선될 수 있을 것으로 전망된다.
장차 전통 장류의 제조에 대한 공정 개선이나 객관적인 계수화 작업이 가능할 것으로 기대된다. 중국에서 간장중의 아미노산 질소를 기준으로 0.4% 이상이면 고급간장으로 인정 하고 있는데, 아미노산 질소를 분석할 때 인체에 유해한 포르말린을 쓰고 있는 현행 분석방법을 탈피하기 위해 근적외 분석법을 활용함에 있어 Genetic 알고리즘을 보강시킬 수 있는 개선된 소프트웨어를 도입함으로서 측정 정확도를 현저히 높일 수 있었다는 연구(29)에서와 같이 전통메주산업에서도 비파괴 측정 정확도를 높일 수 있는 키모메트릭스 기법을 도입할 계획이다. 수분의 경우도 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
근적외분석법은 어떤 문제점을 개선할 목적으로 개발되었는가?
식품의 품질분석을 위해 측정하여야 할 다양한 항목을 기존의 물리화학적 분석방법으로 분석하기에는 인력과 시간 및 고가의 장비들이 필요하며, 소모성 시약 및 분석 폐액 처리를 위해 많은 경제적 부담이 따르므로 이러한 문제점을 개선할 목적으로 신속 간편한 비파괴분석기술인 근적외분석법이 개발되었다(1).
장류의 제조공정은 어떻게 구성되어 있나?
장류의 제조공정은 원료처리, 제국, 발효숙성, 제성, 배합살균, 냉각, 포장으로 구성되어 있는데, 특히 제국과 발효숙성과정중의 품질 및 공정관리는 생산수율과 맛, 향기, 색상에 중요한 영향을 미치기 때문에 발효물의 화학적, 생화학적인 성분변화를 필요 때마다 즉시 측정 할 수 있는 분석법을 도입하여 공정관리를 해야만 좋은 제품을 생산할 수 있다(2).
메주의 발효 숙성 중 방부 목적으로 사용된 소금, 나트륨에 대한 연구와 실정은?
메주의 발효 숙성 중 방부 목적으로 오랜 기간 동안 사용되어온 소금이 최근 건강에 미치는 영향이 지적되기 시작하면서 전통 장류의 판매량이 줄어들고 한식업계가 어려움을 겪고 있다. 나트륨 이온이 장류의 숙성 중에 생성되는 멜라노이딘 구조 속에 들어가 소화과정을 거쳐도 체외로 배설될 만큼 안정한 결합을 하고 있을 것이라는 기초연구가 보고되어 있으나, 구체적으로 입증할만한 연구근거가 부족한 실정이다(5). 간장의 저염화를 위해서 제조비용이 들더라도 투석이나 막처리 기술을 구사할 수 있지만(6) 된장은 페이스트 상태이어서 압착하거나 여과 할 수 없어 적용할 수 있는 연구개발에 애로를 겪고 있으며, 이를 해결하기 위하여 여러모로 모색하고 있으나 근본적인 대책이 미흡한 실정이다(7-8).
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