[논문]홍삼의 내부 품질과 자기 공명 특성과의 연관성

임종국; 김철수; 김성민

문제 정의

PCA에 의한 패턴 인식(Pattern recognition)법은 다양한 농산물의 NMR 측정 데이터에 응용되고 있다(Belton et al, 1997). 따라서 본 연구에서는 측정된 NMR 특성 인자들과 내부 품질과의 연관성을 도출하고 PCA를 이용하여 홍삼 등급 간의 차이를 제시하고자 하였다.
4일 때의 값을 이용한 FID ratio 값을 사용하였다. 본 연구에 있어서 FID 신호의 ratio를 구한 이유는 실험에 사용한 홍삼의 크기는 모두 다르고, 그렇기 때문에 동일한 내부 조직 상태를 가지는 시료라 할 지라도 크기에 의한 FID 신호의 차이가 발생하기 때문에, 각 샘플의 서로 다른 크기로 인해 발생되는 신호의 차이를 상쇄시키기 위해서이다.

제안 방법

1차 및 2차 NMR 실험에 있어서 Ti, T2, T/을 측정하기 위하여 사용된 pulse sequence는 동일한 변수 및 설정을 사용하여 측정하였다. 각각의 실험에 있어서 자기 공명 신호의 신뢰성을 높이기 위해서 한 시료에 대하여 3회 반복 측정을 하였으며 자장의 불 균일성 및 시료 형태의 불규칙을 감안하여 홍삼을 sample tube에 삽입한 후 두 번째 측정 시에는 시료를 120° 회전시키고 마지막으로 세 번째 측정 시에는 240° 를 회전시켜서 측정하였다.
동일한 변수 및 설정을 사용하여 측정하였다. 각각의 실험에 있어서 자기 공명 신호의 신뢰성을 높이기 위해서 한 시료에 대하여 3회 반복 측정을 하였으며 자장의 불 균일성 및 시료 형태의 불규칙을 감안하여 홍삼을 sample tube에 삽입한 후 두 번째 측정 시에는 시료를 120° 회전시키고 마지막으로 세 번째 측정 시에는 240° 를 회전시켜서 측정하였다. 홍삼 시료에 대한 Ti 값을 측정하기 위해 IR(Inversion Recovery) pulse sequence를 사용하였으며, T2 값을 측정하기 위하여 CPMG(Carr Purcell Meiboom Gill) pulse sequence를 사용하였다.
정상, 중간 및 불량의 세 등급으로 분류된 홍삼에 대해서 주성분 분석을 이용하여 각 홍삼 시료에 대한 등급을 파악하기 위해서 주성분 분석을 실시하였다. 주성분 분석에 있어서 입력변수로는 Ti의 3번 반복 측정한 값, T2의 3번 반복 측정한 값, TJ의 3번 반복 측정한 값 및 FID ratio에 있어서 3회 반복 계산된 값을 모두 변수로 설정하여 총 12개의 변수로 설정하였다.
주성분 분석법을 이용하여 NMR 측정 인자들인 T1( T2, T2, 및 FID ratio을 측정변수로 하고 정상, 중간 및 불량의 79편의 홍삼 시료를 관측 대상으로 하여 홍삼의 내부 품질과 주성분 Principal Component, 이하 PC)과의 연관성을 도출하고자 하였으며, 이러한 분석은 상용 프로그래밍(MATLAB & PLS Toolbox, version 5.3, Mathworks, USA) 소프트웨어를이용하였다.
시료에 대한 등급을 파악하기 위해서 주성분 분석을 실시하였다. 주성분 분석에 있어서 입력변수로는 Ti의 3번 반복 측정한 값, T2의 3번 반복 측정한 값, TJ의 3번 반복 측정한 값 및 FID ratio에 있어서 3회 반복 계산된 값을 모두 변수로 설정하여 총 12개의 변수로 설정하였다. 관측 대상으로서는 실험에 사용했던 총 79개의 홍삼을 이용하였다.

대상 데이터

분류 기준은 체형과 같은 외형적인 기준보다는 내부조직을 기준으로 선별하였다. 각각 세 등급으로 분류된 홍삼은 정상 홍삼 (Normal red ginseng)이 30편, 중간 홍삼 (Medium red ginseng)이 10편, 불량 홍삼(Undergrade red ginseng)이 39편으로 총 79편이 준비되었다. 또한 그림 1에서 보는 바와 같이, 두 차례의 NMR 실험에 있어서 준비된 홍삼 시료는 1차 NMR 실험에 있어서는 뇌두 (Rhizome)를 제거한 후 측정(이하, 1차 측정)하였으며, 2차 NMR 실험에 있어서는 뇌 두가 제거된 몸통으로부터 하단 부로 약 10-15 mm 정도 제거한 후 측정(이하, 2차 측정을 하였다.
주성분 분석에 있어서 입력변수로는 Ti의 3번 반복 측정한 값, T2의 3번 반복 측정한 값, TJ의 3번 반복 측정한 값 및 FID ratio에 있어서 3회 반복 계산된 값을 모두 변수로 설정하여 총 12개의 변수로 설정하였다. 관측 대상으로서는 실험에 사용했던 총 79개의 홍삼을 이용하였다.
본 실험에 사용된 NMR 장비는 한국식품개발연구원(Korean Food Research Institute) 에서 보유하고 있는 10 MHz Pulsed NMR system(NMS 110, Bruker, Germany)이다. 중심 자장은 0.
본 실험에 사용된 시료는 부여 고려인삼창에서 제조하고 홍삼 선별 전문가에 의해서 분류된 세 등급의 홍삼을 사용하였다. 분류 기준은 체형과 같은 외형적인 기준보다는 내부조직을 기준으로 선별하였다.
있는 10 MHz Pulsed NMR system(NMS 110, Bruker, Germany)이다. 중심 자장은 0.23 Tesla인 영구자석 이 장착되어 있으며 사용된 sample tube는 직경 40 mm 유리관을 사용하였다.

이론/모형

최근에는 장 (1998)등이 비파괴적인 품질 검사 방법중의 하나인 핵 자기 공명(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)장치를 이용하여 홍삼의 NMR 측정인자와 용적밀도의 상관성을 검토하였다. 또한, 홍삼의 내부 품질에 따른 둥급간의 차이를 규명하기 위해 다변량 분석법 (Multivariate data analysis)중의 하나인 주성분분석 (Principal Component Analysis, PCA) 을 이용하여 분석에 적용하였다. PCA에 의한 패턴 인식(Pattern recognition)법은 다양한 농산물의 NMR 측정 데이터에 응용되고 있다(Belton et al, 1997).
각각의 실험에 있어서 자기 공명 신호의 신뢰성을 높이기 위해서 한 시료에 대하여 3회 반복 측정을 하였으며 자장의 불 균일성 및 시료 형태의 불규칙을 감안하여 홍삼을 sample tube에 삽입한 후 두 번째 측정 시에는 시료를 120° 회전시키고 마지막으로 세 번째 측정 시에는 240° 를 회전시켜서 측정하였다. 홍삼 시료에 대한 Ti 값을 측정하기 위해 IR(Inversion Recovery) pulse sequence를 사용하였으며, T2 값을 측정하기 위하여 CPMG(Carr Purcell Meiboom Gill) pulse sequence를 사용하였다. T2* 값 측정에 있어서 사용한 FID(Free Induction Decay) 신호 획득 간격은 0.

성능/효과

그림 7과 그림 8에서 X축은 분산이 가장 높은 PC₁ 을 기준으로 하였으며, y축은 각각 PC₂와 PC₃을 각각 도시하여 그 경향을 관찰하였다. 각각의 scores plot에서 보듯이 PC₁ 의 분산이 약 65% 이상으로 홍삼의 등급별 분포 추이에 있어서 높은 신뢰성을 가질 수 있으며, 그림 7과 그림 8의 PC₁ 의 0을 중심으로 하여 좌측의 (-)영역에는 정상 홍삼이 분포되어 있으며 중간 등급은 PC₁ 축의 중앙에 불량등급은 PC₁ 축의 우측에 분포되어 있었다. 전체적인 홍삼 등급의 변화에서 파악되듯이 PC₁ 의 0을 기준으로 하여 좌측인 (-)영역에서 우측의 (+)영역으로 이동할수록 홍삼의 내부품질이 하락하는 홍삼이 분포되어 있다고 볼 수 있다.
그림 3의 그래프에서와 같이, Ti값의 경우에 있어서 홍삼의 내부 품질이 양호하지 않은 홍삼일수록 그 값이 증가하는 경향이 있었으며 각각의 등급에 해당하는 홍삼의 평균 및 표준편차의 값은 정상 홍삼의 경우 17.786 + 0.081 msec(l차 측정) 및 18.807 ±0.167 msec(2차 측정)이었으며, 중간 홍삼의 경우 18.757 ±0.144 msec(l차 측정) 및 20.178 ±0.187 msec(2차 측정)의 수준으로 1차보다는 2차 측정에 있어서 다소 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 불량 홍삼의 경우에 있어서는 26.
관찰할 수 있다. 특히, Ti이나 FID ratio와는 달리 1차보다는 2차 측정에 있어서 T2와 T/의 각 등급별 값이 전체적으로 낮아짐을 관찰할 수 있으며 T/의 경우, 정상 홍삼은 1차 측정에 있어서 0.206 ±0.005 msec에서 2차 측정에 있어서는 0.013 msec가 낮아진 값이 0.193± 0.005 msec로 측정되었으며, 중간 홍삼은 0.184± 0.007 msec(l차 측정) 및 0.173 + 0.005 msec(2차 측정)이며, 불량 홍삼은 0.167±0.005 msec(l차 측정) 및 0.156±0.004 msec(2차 측정)으로 분석되어졌다.

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