KR100518039B1

KR100518039B1 - 다중 배열 센서를 사용한 맛과 향의 판별 장치

Info

Publication number: KR100518039B1
Application number: KR10-2001-0076048A
Authority: KR
Inventors: 이정; 김명훈; 류병규
Original assignee: 주식회사 맥사이언스
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2005-09-28
Also published as: KR20030045367A

Abstract

본 발명은 소형화된 다중 배열 센서를 이용하여 시료 속에 함유된 다종의 화학 물질의 함량이나 특성 수치를 정량화, 시료의 맛과 향을 비교, 판별하는 장치에 관한 발명임.

Description

다중 배열 센서를 사용한 맛과 향의 판별 장치{omitted}

본 발명은 모든 종류의 시료들이 가지고 있는 고유한 맛이나 향을 다중 배열 센서를 이용하여 좌표 성분으로 비교, 판별하는 방법에 관한 것으로서, 맛과 향의 측정에 있어서 대형 전극 다발을 사용하여 불편하고 부정확했던 기존의 방법을 대신하여 표준화된 다중 배열 센서를 사용하고 그 신호를 수치좌표 성분으로 변환하여 편리하고 정확하게 맛과 향을 구분, 판별토록 하는 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 의하면 연구 차원이 아닌 실생활에서 쉽고 정확하게 맛과 향을 구별, 식음료의 변질 등에 관해 객관적인 기준을 세울 수 있다.

인간이 느끼는 감각은 시각, 청각, 촉각, 미각, 후각이 있다. 이 중 시각, 청각, 촉각은 물리적 센서의 작용에 의해 탐지한다고 볼 수 있고 미각, 후각은 화학적 센서의 작용에 의해 탐지한다고 볼 수 있다.이 중 물리적 센서들은 이미 많이 상용화되어 비디오, 오디오 등의 장비로 활용되고 있으며, 인간이 작업하기 어려운 환경에 적용하기 위한 방법으로 로봇에 센서를 달아 작업하기도 한다.그러나, 화학적 요소를 측정하는 미각, 후각 센서에 대해서는 개발이 미흡한데 이는 화학적 센서가 측정하는 대상이 지속적으로 반응을 일으키는 화합물이라는 점과 또한 여러 물질의 종합적인 반응을 동시에 분석하여야 하는 어려움이 있기 때문이다.맛과 향이란 인간이 느끼는 감각에 의한 정보이며, 음식의 맛과 향은 인간의 감지 센서인 혀와 코로 인식한다. 또한, 그 감지 대상은 화학물질이며, 어떤 하나의 물질의 양이 얼마나 되는가 하는 문제가 아니라 여러 물질이 혀의 감각기관(미뢰)이나 코의 감각기관에 어느 정도의 영향을 미치느냐에 따라 인간의 뇌에서 종합적으로 분석됨으로써 인간은 그 음식의 맛과 향을 평가한다.

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일반적으로 식음료의 맛이나 향은 관능검사를 통해 비교, 판별되지만 그 정확성은 수치화되지 않는다. 이에 각국에서는 그 맛과 향을 정량화하기 위해 많은 노력을 기울여 왔다. 종래의 전기적 맛 측정 방법은 이른바 다수의 이온선별전극을 이용하여 많은 측정치의 재해석을 실행하거나 실리콘 칩을 이용, 색의 변화로 구분하는 등의 기술을 이용해 왔다.

하지만 종래의 방법은 많은 수의 큰 전극 다발을 사용하여 반복실험을 수행하거나 실리콘 칩에 극미량의 시료를 떨어뜨려 측정해야 하는 등 실험의 수행 방법이 불편할 뿐 아니라 그 결과도 관능검사에 필적하지 못하여 일반적으로 광범위하게 사용하는 데는 한계가 있어 왔다.

그리하여 미국, 일본, 러시아, 이탈리아 등지의 연구소를 중심으로 이른바 '전자 혀' 의 성능향상을 위한 노력이 계속 진행중이나 다양한 센서의 개발, 센서의 소형화 뿐만 아니라 데이터 처리 프로그램 미비 등 여러 가지 기술적 제약으로 상용화 실적은 미미하다.

소형 센서는 현재 여러 가지 종류가 있어 생물학, 생화학적 용도로 주로 사용되고는 있지만 맛과 향의 비교, 판별에 적용된 예는 없으며 그 측정값이 다변량 수치변환에 적용된 사례도 없다.

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본 발명의 기술적 과제는 인간의 감각기관인 혀와 코의 인식과 유사한 반응을 보이는 다중 배열 센서를 조합하여 이 다중 배열 센서로부터 나오는 다변량 신호를 다변량 분석 방법을 활용하여 데이터 변환 장치에 의해 직교 좌표계의 좌표 성분으로 변환하는 과정을 기준 시료에 대해 수행하여 인간이 인지하는 맛과의 정밀한 상관관계를 설정하기 위한 데이터베이스를 구축하고, 미지의 시료에 대한 측정 처리값과 비교함으로써 인간이 직접 맛과 향을 맡지 않아도 음식의 맛과 향을 분류, 판별하는데 있다.본 발명은 인간의 미각과 후각 기관인 혀와 코를 대신하여 식품, 음료의 맛과 향을 분류, 판별할 수 있게 함으로써 음식의 판별, 음식의 변질, 음식의 유해성 유무 등을 인간이 직접 맛을 보거나 향을 맡지 않아도 분석이 가능하도록 하여 식품, 음료 생산공정 및 식음료 신개발 연구용뿐만 아니라 우리 실생활에서 유용하게 활용함을 목적으로 한다.

본 발명이 제시하는 맛과 향의 판별 장치는 도 1에서 보는 바와 같이 다중 배열 센서로 구성된 신호검출부(10)와 여기서 나온 아날로그 신호를 디지털 신호화 하는 데이터 변환부(20), 이 데이터를 이용하여 음식의 맛과 향을 정량화된 수치로 인식하게 하는 데이터 처리부(30)로 구성되어 있다. 본 발명은 이 장치를 이용하여 인간이 느끼는 음식의 맛과 향을 인간이 인식하는 방식과 밀접한 상관 관계를 나타내는 정량화 방법으로 인식하는 것은 물론, 더 나아가 인간이 감지할 수 없는 미세한 맛과 향에 대해서도 인식하는 것을 가능하게 한다.본 발명은 혀, 코의 감응원리를 이용하여 식음료에 하나의 특정 물질이 얼마나 있느냐 하는 문제로 접근하기보다는, 다중 배열 센서에 대해서 각 센서에 특정한 전기적 신호값을 종합적으로 측정하고 이를 인간이 인식하는 방법과 유사한 여러 수학적 방법을 이용하여 분석한 뒤 이를 인간이 감지하는 기준에 근거하여 보정함으로써 직접 맛을 보지 않고 향을 맡지 않아도 장치가 측정한 수치나 그래프 상의 수치좌표로 그 맛이나 향을 분류, 판별할 수 있도록 하는 것이다.

삭제

본 발명에서는 종래의 맛 또는 향을 측정하는 어려움을 극복하기 위해 복합 성분으로 구성된 다중 배열 센서를 사용하여 전기적 신호를 탐지하고, 수학적 통계방법을 활용하여 시료의 관능적 특징을 알아내도록 하였다.

이를 구체적으로 살펴보면, 다중 배열 센서(110)는 금속 센서, 반도체 센서, 세라믹 센서, 유기 및 고분자 센서, 효소 센서 및 미생물 센서 중의 단일 또는 복수의 배열로 구성되어 있으며, 도 2 에서와 같이 센서들을 칩형식으로 배열하였다. 각각의 센서는 하나 또는 여러가지 물질에 대해 전기화학적, 광학적, 전위차식, 압전식, 면역화학식 또는 플라즈마 공명식 중 하나 또는 복수의 방식에 의해 측정되며 그 측정값들은 전압, 전류, 저항, 전기적 과도특성, 교류임피던스 특성 등의 전기적 신호로 감응한다. 이 중 전기화학적인 방식을 사용한 전위차에 의한 감응을 예를 들면, 다중 배열 센서의 각 센서가 기질막에 의해 센서 내의 물질과 식음료(시료)와의 전기적 신호 차이를 발생시키는 것을 이용하여 기준 전극과의 전위차를 측정하는 방식이다. 이 때, 각 센서는 다른 이온 또는 분자를 검출하도록 설계되어 있으며, 몇몇 센서는 다중 물질에 대해서 기전력의 차이를 나타내도록 되어 있다. 각각의 센서에 의해 나온 전기적 신호들로 시료 속에 들어있는 이온 또는 분자들 각각의 정보를 알 수 있다고는 하나, 각 센서들 상호간의 영향과 이온 또는 분자들간의 영향, 이온 또는 분자들과 센서간의 반응에 의해서 이러한 일차적인 데이터로는 종합적이고 정확한 정보를 알 수 없다. 시료에 대한 정확한 정보를 도출하는 방법은 뒤에서 언급하겠다.

장치는 그림 1에서 나타나듯이 전체적으로는 앞서 설명한 다중 배열 센서(110)을 포함하는 신호검출부(10)와 데이터 변환부(20), 데이터처리부(30)로 구성되어 있다. 먼저, 신호검출부(10)는 다중 배열 센서(110)이외에 센서에서 측정된 기전력이 장치에 측정오차 범위 내의 값으로 전달될 수 있도록 하기 위한 센서접속단자(120)와 신호검출기(130)로 되어있다. 신호검출부(10)에서 전달된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 데이터처리부(30)로 전송하는 기능을 하는 데이터 변환부(20)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는 아날로그/디지털 변환기(210)와 디지털 신호를 데이터처리부(30)로 전송하는 통신장치(220) 그리고, 이 두 부분을 통제하는 제어장치(230)로 되어 있다. 디지털 신호를 처리하여 식음료의 맛과 향을 평가하는 데이터처리부(30)는 디지털 신호를 받아들이는 데이터 입력장치(310)와 중앙연산장치(320), 수치좌표변환기(330), 기억장치(340), 출력장치로 되어 있다.

요약하면, 신호검출부(10)에서 나온 일차적인 데이터는 데이터 변환부(20)로 보내지며 여기서 아날로그/디지털변환기(210)를 통해 디지털화 되어 통신장치(220)에 의해 전송, 데이터처리부(30)에서 디지털 데이터로 저장된다.

이러한 과정을 거친 후에 나온 데이터를 처리하여 정확한 맛과 향에 대한 정보를 얻기 위해 수치좌표변환기(330)는 주성분 분석, 다변량 회귀분석, 퍼지논리분석, 인공 신경망분석 등 통계적 데이터 분석 알고리듬을 이용하여, 기억장치(340)에 미리 저장된 미지시료의 맛 또는 향을 판별하기 위한 판별 기준을 정하기 위하여 사전에 복수의 기준 시료를 선정하고, 미지의 시료의 판별에 사용하고자 하는 다중 배열 센서와 동종의 센서를 사용하여 측정된 복수의 기준시료에 대한 다변량 신호를 직교좌표계의 좌표성분으로 변환하였을 때 두 개 이상의 좌표값이 상대편차 0.1%내의 범위에서 동일한 값을 나타내지 않도록 하는 수치 변환인자로 구성된 데이터인 기준데이터를 참조하여, 미지의 시료에 대하여 센서로부터 측정된 다변량 신호를 측정에 사용된 센서의 개수보다 같거나 작은 차원의 직교좌표계의 좌표성분으로 수치 변환한다. 이러한 결과에 의해 직교좌표계상에서 기준시료와 미지시료가 표현되고, 미지시료는 좌표값의 상대편차 0.1%내의 범위에서 동일한 값을 나타내는 기준시료의 맛과 향과 동일한 맛과 향을 나타낸다.

[실시예 1]

실제 소비자들이 이용하는 시판 이온음료 11종에 대하여 다중 배열 센서를 이용, 시료간의 종합적인 특성을 도식적으로 나타내었다. 다중 배열 센서는 전기화학 방식을 사용한 전위차식 센서들로 구성하였으며, 캘리브레이션 과정과 완충용액에 의한 안정화 과정을 거친 후 이 다중 배열 센서로 이온음료 11종의 시료에 대한 감응도를 측정하였다. 측정 데이터 값을 정밀하게 하기 위해 고분해능 아날로그/디지털 변환기(16bit ADC)를 사용하였으며, 이를 다시 256번 평균하여 검출된 전위값의 오차 범위를 0.15mV 이하로 하였다. 측정 과정은 각각의 한 시료에 대해 약 300초씩 전위값을 측정하였으며 일정한 민감도를 나타내는 경우의 전위값을 취하여 다변량 수치 좌표변환 알고리듬을 사용, 시료간의 상대적인 특성을 도식화하였다. 표 1 은 실험 과정에서 완충용액에서의 안정화된 전위값과 실제 시료에 감응시 전위값의 차이를 나타내었다. 표 1 에서 K⁺ 전극과 Na⁺ 전극의 감응 차이가 ±125mV 정도로 크게 나타났으며 그 외 다른 전극도 ±50mV 의 감응 차이를 나타내었다. 도 3 은 실험으로 얻어진 데이터를 주성분 분석 수치변환 알고리듬을 이용하여 시료들간의 종합적인 상관 관계를 표현한 것이다. 도 3은 다변량 수치변환 알고리듬을 통하여 얻어진 데이터를 종합하여 시료들의 특성을 고려해 본 결과, 동일한 회사의 음료 시료들이 각각의 그룹으로 형성됨을 보여주고 있다. 이러한 그룹의 결과는 음료 회사들이 사용하는 주 원료의 당도 및 산도 뿐만 아니라 수질 및 이온성분, 제조상 첨가제 차이에 기인하며, 이들 음료의 맛과 향의 특성 차이를 반영하고 있다.

[실시예 2]

커피 8종에 대하여 다중 배열 센서를 이용하여 시료들의 종합적인 특성을 구별하였다. 다중 배열 센서는 전기화학 방식을 사용한 전위차식 센서들로 구성하였으며 이를 캘리브레이션 과정과 완충용액에 의한 안정화 과정을 거친 후 실제 시료로 쓰인 각각의 커피 8종에 대한 감응도를 측정하였다. 측정 데이터 값을 정밀하게 하기 위해 고분해능 아날로그/디지털 변환기(16bit ADC)를 사용하였으며, 이를 다시 256번 평균하여 검출된 전위값의 오차범위를 0.15mV 이하로 하였다. 측정 과정은 각각의 한 시료에 대해 약 300초씩 전위값을 측정하였으며 일정한 민감도를 나타내는 경우의 전위값을 취하여 다변량 수치 좌표 변환 알고리듬을 사용, 시료간의 상대적인 특성을 도식화하였다. 표 2는 실험 과정에서 완충용액에 의해 안정된 상태의 전위값과 실제 시료에 감응시 전위값의 범위를 표 2로 나타내었다. 표 2 에서 K⁺전극의 감응 차이가 ±100mV 정도로 크게 나타났으며 그 외 다른 전극의 감응차도 ±10mV ∼ ±30mV 의 감응 차이를 나타내었다. 도 4 는 실험으로 얻어진 데이터를 주성분 분석 수치변환 알고리듬을 이용하여 시료들간의 종합적인 상관 관계를 나타낸 것이다. 도 4에서 주성분 분석 수치변환 알고리듬을 통하여 얻어진 데이터를 종합해 시료들의 특성을 고려해본 결과, 동일회사 제품(1번∼6번 시료)은 두가지 처리 방식에 따라 각각 다른 두가지 그룹으로 보여짐을 알 수 있었으며 타회사 제품인 7번 시료의 경우 A 그룹과 동일하게 처리되었음을 보여 주고, 이러한 처리 방식의 차이에 기인한 맛의 구별이 이루어지고 있음을 확인하였다.

그리고 서로 다른 맛을 가진 그룹의 단순한 분리에서 나아가 미지의 시료에 대한 확인 작업도 수행하였다. 실험을 통해 얻어진 그룹에 대한 데이터와 미지시료 데이터의 비교로 수치변환 알고리듬에 의해 상관관계를 규명하여 이를 시각적으로 보여줌으로서 미지 시료의 상태, 즉 맛에 대한 정보를 알 수 있다. 도 5는 커피 시료의 저장 온도에 따른 상태 변화를 보여준다. 그룹 A와 B 그리고 C는 각각 5℃, 20℃, 50℃에서 5일간 저장한 시료들을 분석하여 얻어진 그림이며, 미지 시료는 C그룹에 매우 근접하게 위치해 있음을 보여준다. 이는 미지 시료가 C 그룹과 아주 유사한 저장 상태를 유지했음을 보여주는 것이다.

본 발명은 단시간(약 1∼2분)의 측정으로 시료의 맛과 향을 측정함으로써 실생활에서 쉽게 음식의 변질 유무를 점검할 수 있으며 더 나아가서 모든 수질 분석 (산업용 원수/폐수, 상수원 원수 및 수돗물)은 물론 해양의 오염 상태를 간편하게 파악할 수 있다.

또한 각종 식품, 음료 업체에서는 기존 관능 검사에 의존했던 식품, 음료 등의 표준을 보다 과학적으로 수치화 함으로써 식품, 음료 등의 품질관리 및 제품 개발에 상당한 효과를 기대할 수 있다.

도 1 은 신호검출부, 데이터변환부, 데이터처리부로 이루어진 맛과 향의 분석 장치의 개략적인 도면.

도 2 는 다중 배열 센서의 개략적인 도면.

도 3 은 [실시예 1] 에서 보여진 이온음료의 맛과 향을 수치좌표 성분으로 나타낸 도면.

도 4 는 [실시예 2] 에서 보여진 커피의 맛과 향의 종합적 관계를 나타낸 도면.

도 5 는 [실시예 2] 에서 보여진 커피의 저장상태에 따른 변화 추세와 미지시료의 확인을 나타내는 도면.

표 1 은 [실시예 1] 에서 보여진 이온음료에 대한 다중 배열 센서의 감응 차이를 나타낸 표.

표 2 는 [실시예 2] 에서 보여진 커피에 대한 다중 배열 센서의 감응 차이를 나타낸 표.

Claims

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맛 또는 향의 특성을 판별하고자 하는 시료에, 상기 시료와 접촉하여 상기 시료가 함유하는 단일 또는 복수의 화학물질에 독립적으로 반응하여 신호를 발생시키는 복수의 화학센서로 구성된 것을 특징으로 하는 다중 배열 센서(110)를 접촉 또는 노출시켜 상기 다중 배열 센서(110)로부터 얻어지는 다변량 신호를 검출하는 신호 검출부(10)와,

측정된 상기 다변량 신호를 디지털 데이터로 변환하는 데이터 변환부(20), 및

디지털 데이터로 변환된 상기 다변량 신호를 다변량 분석 방법에 의해 복수의 좌표성분으로 수치화하는 수치좌표변환기(330)와 수치좌표의 특성을 비교 판별하기 위한 기준 데이터를 저장하는 기억장치(340)를 포함하는 데이터 처리부(30)

를 포함하여 시료의 맛 또는 향의 특성을 수치화된 좌표성분으로 비교 판별하는 장치.
맛 또는 향의 특성을 판별하고자 하는 시료에, 금속 센서, 반도체 센서, 세라믹 센서, 유기 및 고분자 센서, 효소 센서 및 미생물 센서 중의 단일 또는 복수의 배열로 구성된 것을 특징으로 하는 다중 배열 센서(110)를 접촉 또는 노출시켜 상기 다중 배열 센서(110)로부터 얻어지는 다변량 신호를 검출하는 신호 검출부(10)와,

측정된 상기 다변량 신호를 디지털 데이터로 변환하는 데이터 변환부(20), 및

디지털 데이터로 변환된 상기 다변량 신호를 다변량 분석 방법에 의해 복수의 좌표성분으로 수치화하는 수치좌표변환기(330)와 수치좌표의 특성을 비교 판별하기 위한 기준 데이터를 저장하는 기억장치(340)를 포함하는 데이터 처리부(30)

를 포함하여 시료의 맛 또는 향의 특성을 수치화된 좌표성분으로 비교 판별하는 장치.
맛 또는 향의 특성을 판별하고자 하는 시료에, 전기화학적, 광학적, 전위차식, 압전식, 면역화학식 또는 플라즈마 공명식 중 하나 또는 복수의 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 배열 센서(110)를 접촉 또는 노출시켜 상기 다중 배열 센서(110)로부터 얻어지는 다변량 신호를 검출하는 신호 검출부(10)와,

측정된 상기 다변량 신호를 디지털 데이터로 변환하는 데이터 변환부(20), 및

디지털 데이터로 변환된 상기 다변량 신호를 다변량 분석 방법에 의해 복수의 좌표성분으로 수치화하는 수치좌표변환기(330)와 수치좌표의 특성을 비교 판별하기 위한 기준 데이터를 저장하는 기억장치(340)를 포함하는 데이터 처리부(30)

를 포함하여 시료의 맛 또는 향의 특성을 수치화된 좌표성분으로 비교 판별하는 장치.
청구항 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 측정되는 상기 다변량 신호는 소정의 측정 수단을 사용하여 복수의 채널로부터 동시 또는 순차적으로 장치에 입력될 수 있는 전압, 전류, 저항, 전기적 과도특성, 교류 임피던스 특성 등의 전기적 신호임을 특징으로 하는 맛과 향을 판별하는 장치.
청구항 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수치변환기(330)는 상기 기억장치(340)에 미리 저장된 소정의 기준데이터를 참조하여, 미지의 시료에 대하여 상기 다중 배열 센서로부터 측정된 상기 다변량 신호를 측정에 사용된 상기 다중 배열 센서의 개수보다 같거나 작은 차원의 직교좌표계의 좌표성분으로 수치 변환하는 연산 알고리듬을 포함하는 것을 특징으로 하는 맛과 향을 판별하는 장치.
청구항 제 6항에 있어서, 소정의 상기 기준데이터는, 미지의 시료의 맛 또는 향을 판별하기 위한 판별 기준을 정하기 위하여 사전에 복수의 기준 시료를 선정하고, 미지의 시료의 판별에 사용하고자 하는 다중 배열 센서와 동종의 센서를 사용하여 측정된 복수의 상기 기준 시료에 대한 다변량 신호를 직교좌표계의 좌표성분으로 변환하였을 때 두 개 이상의 좌표값이 상대편차 0.1%내의 범위에서 동일한 값을 나타내지 않도록 하는 수치 변환인자로 구성된 데이터임을 특징으로 하는 맛과 향을 판별하는 장치.
청구항 제 6항에 있어서, 상기 연산 알고리듬은 주성분 분석, 다변량 회귀분석, 퍼지논리분석, 인공 신경망분석 중 하나 이상의 분석 알고리듬을 포함하는 것을 특징으로 하는 맛과 향을 판별하는 장치.