KR100859131B1 - 우유의 신선도 판별용 근적외선 분광 분석 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적정 산도(acid), PH 및 유리 지방산 등을 통해서 얻은 표준값으로 근적외선 흡수 스펙트럼과 상관성을 확인한 뒤 이 상관성으로 통해서 우유의 신선 정도를 측정할 수 있도록 함으로써 우유의 전처리 등을 하지 아니한 상태에서 측정함으로 해서 실시간 전수 검사가 가능하도록 하고, 투과형 더블 빔(double beam)에 의해 정확한 데이터를 나타낼 수 있도록 하고, 측정부와 데이터 처리부를 따로 분리하여 어느 장소에도 측정이 가능하도록 한 우유의 신선도 판별용 근적외선 분광 분석 시스템에 관한 것이다.
상기의 본 발명은,
외부로부터의 전원을 전원 공급부에서 시스템 제어장치와 데이터 처리장치에 필요한 전원을 공급하도록 하고,
상기의 시스템 제어장치의 시스템 제어 및 조절부는 사용자가 측정버튼을 온시키면 텅스텐 할로겐 광원에서 빛을 시료 도입부에 주사하도록 하고,
상기의 시료 도입부는 기준 물질과 2mm 큐벳, 5mm 큐벳, 10mm 큐벳 중 어느 하나를 통해서 측정되도록 하고,
상기의 시료 도입부는 측정을 위한 우유의 시료를 시료 입력부로 공급하여 측정 셀 선택부를 통하여 원하는 큐벳으로 선택하도록 한 후 시료 출력부를 통하여 배출되도록 하고,
상기의 텅스텐 할로겐 광원으로부터의 빛은 기준 물질과 큐벳을 동시에 측정 하는 더블 빔(double beam)으로 매우 안정된 데이터를 확인할 수 있도록 하고,
상기의 시료 도입부를 투과한 빛은 분광 및 검출기로 도입되어 빛에 의한 전기적인 신호로 변환되도록 하고,
분광 및 검출기로부터의 전기적인 신호는 시스템 제어 및 조절부를 경유하여 데이터 신호로 데이터 처리장치의 데이터 처리 및 수집부에 전달되도록 하고,
상기의 데이터 처리 및 수집부에서는 전달되는 데이터 신호를 통해서 우유의 품질 측정값을 화면 표시부에 표시하도록 하고,
상기의 데이터 처리 및 수집부에서는 사용자가 인쇄버튼을 온시키면 프린터로 우유의 품질 측정값을 출력하도록 하는 한편, 사용자가 컴퓨터 출력버튼을 온시키면 컴퓨터로 전송하도록 구성함을 특징으로 한다.
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 우유의 신선도를 측정하는 근적외선 분광 분석 시스템의 구성을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신속하게 우유의 신선도를 측정하는 근적외선 분광 분석 시스템의 내부 구성을 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 우유의 신선도 측정 스펙트럼 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 1100부터 1750nm의 부분 스펙트럼 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 날짜의 변화에 따라 적정산도의 변화를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 우유의 적정 산도 모델링을 나타낸 검량선 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 시스템 제어장치 11 : 시스템 제어 및 조절부
12 : 텅스텐 할로겐 광원 13 : 시료 도입부
14 : 분광 및 검출기 17 : 셀 선택부
20 : 데이터 처리장치 21 : 데이터 처리 및 수집부
22 : 화면 표시부
본 발명은 우유의 신선도 판별용 근적외선 분광 분석 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 적정 산도(acid), PH 및 유리 지방산 등을 통해서 얻은 표준값으로 근적외선 흡수 스펙트럼과 상관성을 확인한 뒤 이 상관성으로 통해서 우유의 신선 정도를 측정할 수 있도록 함으로써 우유의 전처리 등을 하지 아니한 상태에서 측정함으로 해서 실시간 전수 검사가 가능하도록 하고, 투과형 더블 빔(double beam)에 의해 정확한 데이터를 나타낼 수 있도록 하고, 측정부와 데이터 처리부를 따로 분리하여 어느 장소에도 측정이 가능하도록 한 우유의 신선도 판별용 근적외선 분광 분석 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 우유가 신선하고 하지 않는 것은 여러 가지 측정을 통해서 판단하게 되는데 여기에는 일반 정상적인 보관상태에서 실험실에서 화학적으로 우유생산 5일 이내 된 우유의 신선함을 인지하는 데 매우 어렵다.
우유의 신선한 정도를 측정하기 위해서는 일반적으로 사용하는 것이 주로 4가지 방법을 사용하고 있다.
즉, 지방 함량과 유리 지방산, 적정 산도 그리고 알콜의 함량을 테스트하면 서 신선도를 판단하도록 하였다.
일반적인 체세포 수 측정에서는 시일이 지남에 따라 거의 변화가 없기 때문에 우유의 날짜 변화에 따른 실측치값으로 사용하기에는 문제점이 있다.
그리고 알콜 테스트의 경우에는 중성 에틸알코올의 탈수작용에 대한 우유단백질(casein)의 열안정성 테스트의 목적으로 이용된 방법인데, 우유 속에 들어 있는 단백질(CASEIN 등)은 신선한 정도에 따라 등전점이 달라진다.
이 원리를 이용하여 우유의 신선도를 측정하는 데 이 알콜 테스트에 경우에는 양성과 음성으로 한다.
이 알콜 테스트를 통해서 간단하게 테스트를 할 수 있지만 이 역시 샘플링 측정을 해야 하는 문제점을 안고 있다.
적정산도 역시 샘플링 검사로써 일정량의 우유를 중화시키는 데 필요한 알칼리(alkali)의 양을 측정하여 이 알칼리와 결합한 산성물질 전량을 유산(lactic acid)으로 가정하고, 그것을 중량비율로 표시한 것을 적정산도라고 한다.
우유의 산도는 카세인(casein), 인산염 등의 성분에서 유래된 본래의 산도와 착유 후 유산발효에 의해 생긴 산도(developed acidity)를 합한 것으로 극히 복잡하다.
그러므로 우유의 산도를 측정하면 신선도를 알 수 있다.
즉, 보통 양호한 환경에서 착유되어 냉각된 우유의 적정산도가 0.08~0.18%이며, 변질된 것일수록 산도가 높아지기 때문에 이 산도는 우유의 신선도를 반영해 주는 것으로 해석할 수 있다.
이러한 방법으로 측정은 가능하지만 대부분을 실시간적으로 측정하지는 못하고 일부 샘플링을 하여 측정해야 하는 문제점이 있다.
이로 인해 현재 우유 유통에 있어 신선도의 판단, 그리고 FTA 및 DDA 협상으로 외국에서 수입한 음용 우유의 국내 신선 우유와의 차별화에 어려움이 있었다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 적정 산도(acid), PH 및 유리 지방산 등을 통해서 얻은 표준값으로 근적외선 흡수 스펙트럼과 상관성을 확인한 뒤 이 상관성으로 통해서 우유의 신선 정도를 측정할 수 있도록 함으로써 우유의 전처리 등을 하지 아니한 상태에서 측정함으로 해서 실시간 전수 검사가 가능하도록 하고, 투과형 더블 빔(double beam)에 의해 정확한 데이터를 나타낼 수 있도록 하고, 측정부와 데이터 처리부를 따로 분리하여 어느 장소에도 측정이 가능하도록 한 우유의 신선도 판별용 근적외선 분광 분석 시스템를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 우유의 신선도 판별용 근적외선 분광 분석 시스템은,
외부로부터의 전원을 전원 공급부에서 시스템 제어장치와 데이터 처리장치에 필요한 전원을 공급하도록 하고,
상기의 시스템 제어장치의 시스템 제어 및 조절부는 사용자가 측정버튼을 온시키면 텅스텐 할로겐 광원에서 빛을 시료 도입부에 주사하도록 하고,
상기의 시료 도입부는 기준 물질과 2mm 큐벳, 5mm 큐벳, 10mm 큐벳 중 어느 하나를 통해서 측정되도록 하고,
상기의 시료 도입부는 측정을 위한 우유의 시료를 시료 입력부로 공급하여 측정 셀 선택부를 통하여 원하는 큐벳으로 선택하도록 한 후 시료 출력부를 통하여 배출되도록 하고,
상기의 텅스텐 할로겐 광원으로부터의 빛은 기준 물질과 큐벳을 동시에 측정하는 더블 빔(double beam)으로 매우 안정된 데이터를 확인할 수 있도록 하고,
상기의 시료 도입부를 투과한 빛은 분광 및 검출기로 도입되어 빛에 의한 전기적인 신호로 변환되도록 하고,
분광 및 검출기로부터의 전기적인 신호는 시스템 제어 및 조절부를 경유하여 데이터 신호로 데이터 처리장치의 데이터 처리 및 수집부에 전달되도록 하고,
상기의 데이터 처리 및 수집부에서는 전달되는 데이터 신호를 통해서 우유의 품질 측정값을 화면 표시부에 표시하도록 하고,
상기의 데이터 처리 및 수집부에서는 사용자가 인쇄버튼을 온시키면 프린터로 우유의 품질 측정값을 출력하도록 하는 한편, 사용자가 컴퓨터 출력버튼을 온시키면 컴퓨터로 전송하도록 구성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 우유의 신선도 판별용 근적외선 분광 분석 시스템은,
외부의 콘센트(1)로부터 전원코드(2)를 통해 전원을 공급받는 전원 공급 부(3)(4)에서 전압강하와 정류 등의 과정을 거쳐 시스템 제어장치(10)의 시스템 제어 및 조절부(11)와 데이터 처리장치(20)의 데이터 처리 및 수집부(21)에 필요한 전원을 공급하도록 하고,
상기의 전원은 시스템 제어장치(10)의 텅스텐 할로겐 광원(12), 분광 및 검출기(14), 시료 도입부(13) 그리고 데이터 처리장치(20)의 화면 표시부(22)에도 공급되도록 하되,
상기의 시스템 제어장치(10)의 시스템 제어 및 조절부(11)는 사용자가 측정버튼(5)을 온시키면 텅스텐 할로겐 광원(12)에서 빛을 시료 도입부(13)에 주사하도록 하고,
상기의 시료 도입부(13)는 기준 물질과 2mm 큐벳, 5mm 큐벳, 10mm 큐벳 중 어느 하나를 통해서 측정되도록 하고,
상기의 시료 도입부(13)는 측정을 위한 우유의 시료를 시료 입력부(15)로 공급하여 측정 셀 선택부(17)를 통하여 원하는 큐벳으로 선택하도록 한 후 시료 출력부(16)를 통하여 배출되도록 하고,
상기의 텅스텐 할로겐 광원(12)으로부터의 빛은 기준 물질과 큐벳을 동시에 측정하는 더블 빔(double beam)으로 매우 안정된 데이터를 확인할 수 있도록 하고,
상기의 시료 도입부(13)를 투과한 빛은 분광 및 검출기(14)로 도입되어 빛에 의한 전기적인 신호로 변환되도록 하고,
분광 및 검출기(14)로부터의 전기적인 신호는 시스템 제어 및 조절부(11)를 경유하는 중에 신호처리되어 데이터 신호로 데이터 처리장치(20)의 데이터 처리 및 수집부(21)에 전달되도록 하고,
상기의 데이터 처리 및 수집부(21)에서는 전달되는 데이터 신호를 통해서 소프트웨어 처리되어 우유의 품질 측정값을 화면 표시부(22)에 표시하도록 하고,
상기의 데이터 처리 및 수집부(21)에서는 사용자가 인쇄버튼(6)을 온시키면 도면에 도시하지 않은 프린터로 우유의 품질 측정값을 출력하도록 하는 한편, 사용자가 컴퓨터 출력버튼(7)을 온시키면 컴퓨터로 전송하도록 구성한 것이다.
상기 본 발명의 근적외선 분광 분석 시스템은 시료 입, 출력 부분을 포함하여 간편하게 측정할 수 있는 시스템 제어장치(10)와 데이터 처리장치(20)를 일체로 구성하여 측정하면서 데이터 모니터링이 가능하도록 구성되어 있어 우유의 모니터링 측정에 적합하도록 하였다.
상기와 같이 구성한 본 발명의 우유의 신선도 판별용 근적외선 분광 분석 시스템은,
외부의 콘센트(1)로부터 전원코드(2)를 통해 전원을 공급받는 전원 공급부(3)(4)에서 전압강하와 정류 등의 과정을 거쳐 시스템 제어장치(10)의 시스템 제어 및 조절부(11)와 데이터 처리장치(20)의 데이터 처리 및 수집부(21)에 필요한 전원을 공급하도록 한다.
상기의 전원은 시스템 제어장치(10)의 텅스텐 할로겐 광원(12), 분광 및 검출기(14), 시료 도입부(13) 그리고 데이터 처리장치(20)의 화면 표시부(22)에도 공급되도록 한다.
상기의 시스템 제어장치(10)의 시스템 제어 및 조절부(11)는 사용자가 측정 버튼(5)을 온시키면 텅스텐 할로겐 광원(12)에서 빛을 시료 도입부(13)에 주사하도록 한다.
상기의 시료 도입부(13)는 기준 물질과 2mm 큐벳, 5mm 큐벳, 10mm 큐벳을 통해서 측정되도록 하되,
상기의 시료 도입부(13)에 빛을 주사하는 측정의 과정은 먼저 기준물질(Reference cell)에 대하여 품질기준인 유단백질 등의 값을 측정하도록 한다.
상기의 측정이 완료되면 우유의 시료에 대해 측정을 수행하여 기준 물질보다 흡수된 일정한 파장의 상태를 측정하여 일반적인 스펙트럼으로 나타내도록 한다.
상기의 시료 도입부(13)는 측정을 위한 우유의 시료를 시료 입력부(15)로 공급하여 측정 셀 선택부(17)를 통하여 2mm 큐벳, 5mm 큐벳, 10mm 큐벳 중에서 원하는 큐벳으로 선택하도록 한 후 시료 출력부(16)를 통하여 배출되도록 한다.
상기의 텅스텐 할로겐 광원(12)으로부터의 빛을 기준 물질이 위치하는 곳과 시료가 위치하는 곳에 각각 주사하도록 하여 기준물질과 큐벳을 동시에 측정하는 더블 빔(double beam)의 방법을 사용하여 매우 안정된 데이터를 확인할 수도 있도록 한다.
상기의 시료 도입부(13)를 투과한 빛은 분광 및 검출기(14)로 도입되어 빛에 의한 전기적인 신호로 변환되도록 한다.
분광 및 검출기(14)로부터의 전기적인 신호는 시스템 제어 및 조절부(11)를 경유하는 중에 신호처리되어 데이터 신호로 데이터 처리장치(20)의 데이터 처리 및 수집부(21)에 전달되도록 한다.
상기의 데이터 처리 및 수집부(21)에서는 전달되는 데이터 신호를 통해서 소프트웨어 처리되어 우유의 품질 측정값을 화면 표시부(22)에 스펙트럼으로 표시하 도록 한다,
상기의 스펙트럼과 우유의 시료를 측정한 여러 가지값 중에서 신선도 측정에서 가장 알맞은 표준 값인 적정산도의 표준값과 스펙트럼과의 상관관계를 검량선으로 나타낸다.
이 상관 관계가 좋고 나쁨을 나타내는 척도가 있는데 하나는 R2 이며, 다른 하나는 SEC(Standard error of calibration)과 SEP(Standard error of prediction)로 나타낸다.
R2와 SEC, SEP는 표준값과 스펙트럼의 값을 임의의 직선으로 나타낼 때 두 값의 데이터가 일정한 직선에 얼마나 가까이 있는 가에 따라 이상적인 상태를 나타나게 된다.
즉, 가장 이상적일 때 통계적으로 R2가 1에 가까울수록, 그리고 SEC와 SEP가 0에 가까울수록 표준값과 스펙트럼과의 관계가 상관성이 좋다고 할 수 있다.
이 표준값과 스펙트럼관계는 PLSR(Regression of Partial Least sqaure)을 사용하여 표준값과 스펙트럼의 관계의 상관성을 나타내었다.
최종 결과값으로 구성된 검량선을 이용하여 일상 분석을 하게 된다.
즉 이 검량선을 이용하여 우유의 신선값 즉 적정산도 값을 측정하여 우유의 신선 정도를 계속적으로 측정할 수 있다.
이 우유의 신선한 정도의 값을 신뢰도 유의성인 RMSEP(Root mean of standard error prediction)값으로 나타낸다. 이러한 신뢰도 유의성을 확인함으로 해서 직접적인 시료 측정이 아닌 실시간으로 근적외선 분광 분석 시스템을 이용하 여 정확하게 측정할 수 있게 된다.
도 3은 일 실시예에 따른 우유의 신선도 측정 스펙트럼 결과를 나타낸 것으로서,
도시한 바와 같이 측정하고자 하는 우유 시료에 광원을 주사하여 나타난 우유 스펙트럼으로, 기준 물질(reference cell)을 먼저 측정한 후에 우유를 측정하면 기준 물질에 대한 흡수 스펙트럼으로 나타난다.
이 스펙트럼의 세기는 Y축의 흡광도인 Absorbance unit(AU)값으로 나타낸다. 현재 1AU부터 8AU값까지 영역으로 나타났다.
도 6은 상기의 흡수 스펙트럼 중에서 1100부터 1750nm의 부분을 확대한 것으로서,
전체 스펙트럼 중에서 가장 많이 신선함 정도의 값이 나타나는 부분이 1100부터 1750nm 부분 스펙트럼으로써 적정 산도 등이 이 부분 스펙트럼에 의해서 상관성이 나타난다.
도 7은 날짜의 변화에 따른 적정 산도 변화를 나타낸 것으로서,
적정산도는 날짜별로 일정한 간격으로 적정산도가 높아지므로 우유의 날짜 추정이 가능할 뿐만 아니라 신선한 정도를 정확하게 알 수 있는 표준값으로 정할 수 있게 된다.
도 8은 우유의 적정산도 모델링을 나타낸 검량선 그래프로서,
적정산도와 우유의 스펙트럼 중에서 1100부터 1750nm까지의 흡수 스펙트럼과의 상관성인 R2이 0.98로 매우 직선적으로 나타나서 흡수 스펙트럼을 통한 우유의 신선 정도를 추정할 수 있다.
이로 인하여 짧은 시간 내에 간편하게 우유의 제조일별 신선도 판별이 가능하여 국내산 및 금후 예상되는 수입 음용우유의 신선도에 의해 차별화가 가능하여 낙농산업의 경쟁력을 강화할 수 있게 된다.
상기의 데이터 처리 및 수집부(21)에서는 사용자가 인쇄버튼(6)을 온시키면 도면에 도시하지 않은 프린터로 우유의 품질 측정값을 출력하도록 하는 한편, 사용자가 컴퓨터 출력버튼(7)을 온시키면 컴퓨터로 전송하도록 구성한 것이다.
상기 본 발명의 근적외선 분광 분석 시스템은 시료 입, 출력 부분을 포함하여 간편하게 측정할 수 있는 시스템 제어장치(10)와 데이터 처리장치(20)를 일체로 구성하여 측정하면서 데이터 모니터링이 가능하도록 구성되어 있어 우유의 모니터링 측정에 적합하도록 하였다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 우유의 신선도 판별용 근적외선 분광 분석 시스템에 의하여서는 적정 산도(acid) 및 pH 등을 통해서 얻은 표준값으로 근적외선 흡수 스펙트럼과 상관성을 확인한 뒤 이 상관성으로 통해서 우유의 신선 정도를 측정할 수 있고, 우유의 전처리를 하지 아니한 상태에서 측정함으로 전수 검사가 가능하며, 투과형 double beam으로 인해 정확한 데이터를 나타낼 수 있음은 물론, 시중에 유통되고 있는 국내 또는 수입 우유의 제조일을 고려하여 우유신선도를 판단, 우유 유통 및 우유가격 차별화 가능으로 국내 낙농산업의 경쟁력 강화에 기여할 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 외부로부터 전원을 공급받는 전원 공급부(3)(4)에서 시스템 제어장치(10)와 데이터 처리장치(20)에 필요한 전원을 공급하도록 하되,상기 시스템 제어장치(10)의 시스템 제어 및 조절부(11)의 측정버튼(5)에 의해 빛을 시료 도입부(13)에 주사하는 텅스텐 할로겐 광원(12)와,상기의 데이터 처리장치(20)의 데이터 처리 및 수집부(21)로 전달되는 데이터 신호를 통해서 우유의 품질 측정값을 표시하는 화면 표시부(22)들로 구성한 우유의 신선도 판별용 근적외선 분광 분석 시스템에 있어서,시료 입력부(15)를 통해 공급되는 측정을 위한 우유의 시료를 측정 셀 선택부(17)를 통하여 원하는 큐벳으로 선택하면서 시료 출력부(16)를 통하여 배출되도록 하는 시료 도입부(13)와,상기의 시료 도입부(13)를 투과한 빛을 도입받으면 빛에 의한 전기적인 신호로 변환하는 분광 및 검출기(14)와,분광 및 검출기(14)로부터의 전기적인 신호를 신호처리하여 데이터 신호로 데이터 처리장치(20)의 데이터 처리 및 수집부(21)에 전달하는 시스템 제어 및 조절부(11)들로 구성한 것을 특징으로 하는 우유의 신선도 판별용 근적외선 분광 분석 시스템.
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