초록 ▼

연구의 목적 및 내용
○ 연구목적: 비파괴 식품성분 측정기술로 활발히 연구되고 있는 단파적외선(Short Wave Infra-Red, SWIR) 및 라만(Raman)분광 측정기술에 공간 정보를 융합한 첨단기술인 융합 초분광 영상기술을 활용하여 기존의 분광기술로는 측정이 어려웠던 식품 내 유해·위조물질 함유여부를 신속, 정확하게 판별할 수 있는 현장 적용형 유해·변조식품 판별시스템을 개발하고자 함.

○ 연구내용
- 라만 및 SWIR 초분광 영상 시스템 개발
- 유해·위조 물질별 & 농도별 검출 모델 개발<

연구의 목적 및 내용
○ 연구목적: 비파괴 식품성분 측정기술로 활발히 연구되고 있는 단파적외선(Short Wave Infra-Red, SWIR) 및 라만(Raman)분광 측정기술에 공간 정보를 융합한 첨단기술인 융합 초분광 영상기술을 활용하여 기존의 분광기술로는 측정이 어려웠던 식품 내 유해·위조물질 함유여부를 신속, 정확하게 판별할 수 있는 현장 적용형 유해·변조식품 판별시스템을 개발하고자 함.

○ 연구내용
- 라만 및 SWIR 초분광 영상 시스템 개발
- 유해·위조 물질별 & 농도별 검출 모델 개발
- 실시간 복합 초분광 영상처리 알고리즘 개발
- 복합 초분광 영상 시스템을 이용한 유해·위조식품 판별 현장 적용 및 성능 평가

연구개발성과
○ 정량적 성과: 본 연구에서는 라만 및 SWIR 초분광 영상시스템을 이용하여 농도별 위조 및 유해물질을 판별할 수 있는 시스템을 개발하고 성능을 검증하는 것을 목표로 당초 특허 출원 2건, 등록 2건, SCI논문 3편, 비SCI논문 2편 및 기술실시(이전), 상품화, 정책자료 각 1건 발행 성과를 목표로 하여, 특허출원 3건 중 2건을 등록하고, SCI논문 5편과 비SCI논문을 2편 및 4건의 학술발표를 하는 등 당초 목표 이상의 활발한 연구를 수행함.

○ 정성적 성과
가. 초분광 SWIR 영상데이터 이용한 판별결과
위조물질 혼입량의 판별을 위해 양파, 마늘, 생강 등의 양념분말에 옥수수전분을 혼합시료 농도별로(1, 3, 5, 10, 12, 15, 18, 20, 25%) 9그룹으로 구성하여 초분광 SWIR영상시스템으로 측정하여, PLSR 방법으로 전처리없이 판별한 결과 생강(R²_c=0.84와 R²_v=0.81, R²_p=0.81이고 표준오차는 SEC=3.12%과 SEV=3.44%, SEP=3.44%), 양파의 경우 평균 정규화 전처리 법을 적용한 결과(R²_c=0.92와 R²_v=0.91, R²_p=0.91이고 표준오차는 SEC=2.26%과 SEV=2.36%, SEP=2.35%)를 나타냈으며, 마늘의 경우 최대 정규화 전처리를 이용하여 (R²_c=0.93와 R²_v=0.91, R²_p=0.92이고 표준오차는 SEC=2.20%과 SEV=2.32%, SEP=2.33%)의 성능을 보임.
초분광 SWIR 영상시스템을 이용한 유해물질(아플라톡신) 판별 결과는 SNV전처리한 데이터를 PLSR로 모델을 만든 경우 가장 우수한 R²_c=0.99(SEC=0.10)와 R²_v=0.97(SEV=0.24), R²_p=0.98(SEP=0.23)의 결과를 나타냄.
위조식품의 실시간 판별을 위한 영상판별분석은 PLS-DA를 이용하였으며, 25%의 농도가 가장 낮은 농도를 가진 이미지와 다른 판별색을 띄었음.
아플라톡신의 농도별로(0, 10, 100, 500, 1000 ppb) PLS-DA 모델을 이용하여 예측된 옥수수의 농도값의 경우 1차 미분 전처리한 데이터를 흰찰옥수수, 금황찰옥수수, 흑찰옥수수의 정확도는 각각 94%, 94%, 98.6%이었으며, 검증모델의 정확도는 86.6%, 80%, 91.1%로 판별됨

나. 라만분광을 이용한 판별결과
라만분광을 이용한 위조물질을 판별을 위해 양파, 마늘, 생강분말의 시료는 1, 3, 5, 7, 10 %의 전분 시료를 혼합하여 제작하였으며, SNV전처리를 거친 데이터를 이용하여 생강의 경우 R²_c=0.70와 R²_v=0.59, R²_p=0.27이고 표준오차는 SEC=1.89과 SEV=2.22, SEP=3.21의 결과를 나타냄
라만을 이용한 위해물질의 판별을 위해 아플라톡신의 농도를 50 ppb로 제작하였으며, SNV전처리의 경우 PLS-DA로 R²_c=83.3%와 R²_p=83.3%의 정확도를 얻음

다. 실시간 판별결과
초분광 SWIR 영상시스템 이용결과 부분 평활화 전처리 후 PLSR모델의 성능은 마늘의 경우 R²_c=0.83와 R²_v=0.80, R²_p=0.79이고 표준오차는 SEC=3.24%과 SEV=3.49%, SEP=3.64%를 나타냄. 생강의 경우 전처리로 MSC를 사용하였으며, R²_c=0.62와 R²_v=0.56, R²_p=0.55이고 표준오차는 SEC=4.85%과 SEV=5.23%, SEP=5.28%를 나타냄. 양파의 경우 부분 평활화 적용 결과 R²_c=0.88(SEC=2.71%), R²_v=0.87(SEV=2.88%), 및 R²_p=0.87(SEP=2.89%)를 보임
초분광 SWIR을 이용한 아플라톡신 판별결과는 MSC 적용결과 R²_c=0.95와 R²_v=0.91, R²_p=0.91이고 표준오차는 SEC=0.30과 SEV=0.43, SEP=0.43로 가장 우수한 성능을 나타냄

연구개발성과의 활용계획(기대효과)
- 개발된 시스템을 활용하여 수입물품 통관검사 또는 대형 급식기관 현장에서 신속하고 정확하게 유해 및 위조식품을 검출할 수 있어 식중독 사고 및 식품위조 등으로부터 소비자의 건강과 생명 보호 및 경제적 손실을 방지할 수 있음
- 안전한 식품 공급체계를 확립할 수 있어 식품유통에 대한 신뢰도가 제고되어 식품소비 증가 등 식품산업의 안정적인 부가가치 증가가 이루어짐
- 세계적으로 기술개발 및 상용화가 실현되지 않은 첨단 초분광 복합 영상기술을 국내 연구팀 주로도 개발하므로 유해 식품 검출의 원천기술 확보와 국내 식품 기반산업의 육성 및 식품안전성 현장검증 체계 구축에 기여할 수 있게 됨

(출처 : 국문 요약문)

Abstract ▼

Purpose&Contents
○ Development of real-time on-site hyperspectral imaging system for detecting adulterated and hazardous foods
○ Perform data acquisition of hyperspectral raman images for food materials
○ Determination optimal/proper illumination conditions to acquire the hyperspectral rama

Purpose&Contents
○ Development of real-time on-site hyperspectral imaging system for detecting adulterated and hazardous foods
○ Perform data acquisition of hyperspectral raman images for food materials
○ Determination optimal/proper illumination conditions to acquire the hyperspectral raman images
○ Determine rapid spectral imaging methods for detecting hazardous food materials
○ Develop experimental designs for using hyperspectral raman and SWIR imaging system
○ Analyze the hyperspectral images and determine the spectral characteristics of hazadous food materials using chemometrics methods
○ Develop final hyperspectral raman and SWIR imaging system for commercialization

Results
○ Quantitative results: we issued 2 patents, published 3 SCI jounal papers and 2 non-SCI journal papers, presented 4 conference oral or poster presentation in domestic and international conferences.

○ Qualitative results
a. Results of hyperspectral SWIR imaging system
In order to analyze adulterated materials in powder seasoning, we made 9 different concentration (1, 3, 5, 10, 12, 15, 18, 20 and 25% of corn starch) to onion, ginger, and garlic powder. The results with PLSR without pre-processing method with ginger, onion, and garlic were R²_p=0.81(SEP=3.44), R²_p=0.91(SEP=2.35), and R²_p=0.92(SEP=2.33), respectively.
In the case of hazardous analysis results using SWIR had R²_c=0.98(SEP=0.23) based on PLSR with SNV pre-processing method.

b. Results of hyperspectral raman imaging system
Raman system showed R²_p=0.27(SEP=3.21) based on PLSR with SNV pre-processing method in five concentration (1, 3, 5, 7, 10%) of corn starch in ginger powder. However, in the hazardous analysis, PLS-DA with SNV showed R²_p=83.3% in aflatoxin 50 ppb.

c. Results of real-time analysis
Using hyperspectral SWIR imaging system, PLSR showed R²_p=0.79(SEP=3.64) garlic powder with range normalization, R²_p=0.55(SEP=5.28) ginger powder with MSC pre-processing, and R²_p=0.87(SEP=2.89) onion powder with range normalization. Besides, to analyze hazardous material using SWIR, PLSR showed R²_p=0.91(SEP=0.43) with MSC pre-processing method.

Expected Contribution
- The developed adulterated or hazardous analysis system can work for inspection of import materials in airport or school cafeteria to protect the consumers of health and life from hazardous foods.
- We can build the safe food supply chain through the inspection system, besides, through the trust for food safety system we can expect to more consumption of food.
- For the first time, in Korea, we involved in high technology research for analysis of adulterated and hazardous foods using hyperspectral imaging system, we can have the core knowledge of detection and identification of hazardous materials from food.

(출처 : 영문요약문)

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2보고서 요약서 ... 3국문 요약문 ... 4영문 요약문 ... 6영문목차 ... 8목차 ... 9제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 10 1. 연구개발 목적 ... 11 2. 연구개발의 필요성 ... 11 3. 연구개발 범위 ... 14제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 18 1. 국내 연구 현황 ... 19 2. 국외 연구 현황 ... 23제 3 장 연구수행 내용 및 결과 ... 25 1. 초분광 SWIR 영상시스템 및 측정기술 개발 ... 26 2. 초분광 라만영상 시스템 및 측정기술 개발 ... 51 3. 통합선별시스템 및 측정기술 설계 ... 614. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 90 1절. 목표달성도 ... 90 2절. 관련분야 기여도 ... 915. 연구결과의 활용계획 ... 926. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 937. 연구개발결과의 보안등급 ... 938. 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 939. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 9410. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 9612. 참고문헌 ... 98별첨 1 ... 101끝페이지 ... 102