KR102514034B1 - Optical Sensor for Measuring Degree of Fermentation of Kimchi - Google Patents
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Abstract
본 발명은 김치의 발효 과정에서 증식하는 김치유산균을 실시간으로 간편하고도 정확하게 모니터링 할 수 있는 광학 센서에 관한 것이다. 또한 광학적 측정방법이므로 김치국물과 직접적인 접촉이 없어 안전하고 반영구적이며 가역적으로 사용할 수 있다. The present invention relates to an optical sensor capable of simply and accurately monitoring kimchi lactic acid bacteria proliferating during the fermentation process of kimchi in real time. In addition, since it is an optical measurement method, there is no direct contact with kimchi broth, so it can be used safely, semi-permanently, and reversibly.
Description
본 발명은 김치의 발효 과정에서 증식하는 유산균을 실시간으로 간편하고도 정확하게 모니터링 할 수 있는 광학 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an optical sensor capable of simply and accurately monitoring lactic acid bacteria proliferating during the fermentation process of kimchi in real time.
유산균(젖산균, Lactic acid bacteria)은 다양한 식품산업(김치, 우유, 치즈 등)에 활용되고 있는 중요한 미생물로서 다양한 탄소원으로부터 젖산을 생성하여 식품의 저장기간을 연장시키는 역할과 더불어 식품의 향기, 물성, 그리고 영양학적으로 유익한 이점들을 제공한다. 특히 치즈나 유가공 산업 및 김치와 같은 채소 발효산업에 폭넓게 이용되고 있다.Lactic acid bacteria are important microorganisms used in various food industries (kimchi, milk, cheese, etc.). They produce lactic acid from various carbon sources to extend the storage period of food, as well as to improve the aroma, physical properties, and And it provides nutritionally beneficial benefits. In particular, it is widely used in the cheese or dairy processing industry and the vegetable fermentation industry such as kimchi.
한국인의 대표적인 음식인 김치의 발효는 배추와 무의 세포 속에 있는 효소가 작용하면서 시작되는데, 이때 효소작용으로 생긴 당분이나 아미노산이 재료에 묻어 있던 여러 가지 미생물의 먹이가 되고 이 미생물이 자라면서 발효가 시작된다. 이 과정에서 젖산균(유산균)이 자라기 시작하는데 젖산균이 만들어내는 산으로 인해 다른 미생물은 점차 죽고 염분을 견딘 내염성 젖산균만 살아남게 된다. 김치발효 초기에는 호기성균들이 많이 존재하지만 발효가 진행될수록 통성 혐기성균인 유산균이 김치발효에 주도적으로 관여하면서 젖산(Lactic acid), 아세트산, 시트릭산 등의 유기산과 탄산가스(CO2)가 생성되어 발효환경은 pH가 낮아지고 혐기적 조건으로 바뀌면서 호기성 세균의 번식이 억제된다. 유산균이란 젖산발효를 하는 세균으로서 포도당을 이용한 다음 젖산을 주로 만드는 동형발효 유산균과 젖산, 아세트산, 탄산가스, 에탄올 등을 만드는 이형발효 유산균으로 구분된다.Fermentation of kimchi, a representative food of Koreans, begins with the action of enzymes in the cells of cabbages and radishes. It begins. During this process, lactic acid bacteria (lactic acid bacteria) begin to grow. Due to the acid produced by lactic acid bacteria, other microorganisms gradually die, and only salt-tolerant lactic acid bacteria survive salt. At the beginning of kimchi fermentation, there are many aerobic bacteria, but as the fermentation progresses, lactic acid bacteria, which are facultative anaerobic bacteria, are predominantly involved in kimchi fermentation, and organic acids such as lactic acid, acetic acid, and citric acid and carbon dioxide (CO 2 ) are produced and fermented. The environment is lowered in pH and changed to anaerobic conditions, inhibiting the growth of aerobic bacteria. Lactic acid bacteria are bacteria that perform lactic acid fermentation, and are divided into homozygous fermentation lactic acid bacteria, which use glucose and then mainly produce lactic acid, and heterozygous fermentation lactic acid bacteria, which produce lactic acid, acetic acid, carbon dioxide gas, and ethanol.
발효과정에서 생성되는 여러 가지 부산물들에 의해 신맛, 청량감, 숙성도 등이 결정된다. 잘 익은 김치는 탄산미를 지니고 있는데 이는 이형발효 유산균에 의해 생성된 탄산가스에 의한 것이며 과숙된 김치의 신 맛은 동형발효 유산균에 의해 젖산이 과도하게 생성되어 형성된 결과로 볼 수 있다. 김치의 발효과정은 대체적으로 숙성기간, 균일한 상태를 유지하는 기간 및 산패와 연부 현상이 일어나는 기간으로 구분할 수 있다. 숙성기간에는 당분과 산도가 점진적으로 증가하며 pH는 저하하는데 산패기간에 산도는 급격한 변화 없이 증가하나 당분은 급격히 감소한다. pH는 숙성이 진행됨에 따라 감소하는데 김치의 맛이 가장 좋은 상태의 pH는 4.3이상이고 그 이하는 급진적으로 변화한다. 연부현상은 김치가 물러지는 현상으로 펙틴질의 분해, 배추 자체의 문제, 미량원소의 부족 등에서 기인하는 현상이다. Sourness, coolness, and degree of ripeness are determined by various by-products produced during the fermentation process. Ripe kimchi has a carbonic acid taste, which is caused by carbon dioxide gas generated by heterofermenting lactic acid bacteria, and the sour taste of overripe kimchi can be seen as a result of excessive production of lactic acid by homozygous fermentation lactic acid bacteria. The fermentation process of kimchi can generally be divided into a ripening period, a period to maintain a uniform state, and a period in which rancidity and softening occur. During the ripening period, sugar and acidity gradually increase, and pH decreases. During the rancidity period, acidity increases without rapid change, but sugar content rapidly decreases. pH decreases as aging progresses, and the pH of the best taste of kimchi is 4.3 or more, and it changes rapidly below that. Softening is a phenomenon in which kimchi becomes soft, and is caused by decomposition of pectin, problems with cabbage itself, and lack of trace elements.
김치의 발효과정을 조절하여 맛있는 김치로 숙성시키고자 하는 필요에 따라, 김치가 발효하는 과정에서 증식하는 미생물인 김치유산균을 실시간으로 모니터링하기 위한 기술에 대한 수요가 있다. 하지만, 이를 빠르게 정량 하는 것은 쉽지 않다. According to the need to adjust the fermentation process of kimchi to mature into delicious kimchi, there is a demand for a technology for real-time monitoring of kimchi lactobacillus, a microorganism that proliferates during the fermentation process of kimchi. However, it is not easy to quickly quantify it.
미생물학적 방법으로는 정량하고자 하는 유산균 시료로 여러 단계의 희석액을 만들어 각각을 적정온도에서 고체배지에 배양하여 군락을 이루는 균체의 수를 세어 정량하는 균수 측정법을 사용한다. 이 방법은 실험 중에 시료가 유산균 이외 균으로부터 오염되는 것을 막아야 하기 때문에 전문성이 필요하며 소요시간이 길고 최종적으로 눈으로 군집 균체를 계수해야 하는 어려움이 있다. 배양된 고체 배지의 일부를 채취하여 육안이나 현미경을 통해 직접 계수하는 방법도 있지만 배지의 일부를 채취한다는 면에서 샘플 전체의 균수를 측정하는데 적절하지 않다.As a microbiological method, a bacterial count measurement method is used in which several dilutions are made with lactic acid bacteria samples to be quantified, each is cultured on a solid medium at an appropriate temperature, and the number of cells forming colonies is counted and quantified. This method requires expertise because it is necessary to prevent the sample from being contaminated by bacteria other than lactic acid bacteria during the experiment, and it takes a long time, and it is difficult to finally count the colony cells by eye. There is also a method of directly counting a part of the cultured solid medium with the naked eye or a microscope, but it is not appropriate to measure the number of bacteria in the entire sample in that part of the medium is taken.
보다 간편한 유산균 정량 방법으로는 발효식품 공정에서 이용되는 pH 측정이 있으나, 이는 대략적인 측정이고 정밀도가 낮다. 김치의 경우도 김치유산균이 발효의 진행에 따라 젖산 및 아세트산과 같은 산성 물질을 배출하기 때문에 발효가 진행될 수록 pH가 낮아진다는 점에 착안하여, pH의 변화만을 통해 발효과정을 모니터링하는 방법도 사용될 수 있을 것이다. 하지만 이러한 접근은 유산균 수와 상관관계가 높은 특정물질의 직접적인 측정을 통해 유산균의 농도를 측정하는 것이 아니고, pH에 변화를 주는 많은 다른 요소들의 영향을 받기 때문에 측정 환경에 따라 측정값이 정확하지 않고 반영구적으로 사용할 수 없는 단점이 존재한다. A more convenient method for quantifying lactic acid bacteria is pH measurement used in fermented food processing, but this is an approximate measurement and has low precision. In the case of kimchi, as kimchi lactobacillus releases acidic substances such as lactic acid and acetic acid as fermentation proceeds, a method of monitoring the fermentation process through only changes in pH can be used, focusing on the fact that the pH decreases as fermentation proceeds. There will be. However, this approach does not measure the concentration of lactic acid bacteria through direct measurement of a specific substance that has a high correlation with the number of lactic acid bacteria. Since it is affected by many other factors that change pH, the measured value is not accurate depending on the measurement environment. There are disadvantages that cannot be used semi-permanently.
또한, 김치의 발효과정에서 생성되는 부산물들, 예를 들면 아세트산, CO2, 에탄올 변화를 시간에 따라 모니터링하여 김치 발효 수준을 판단할 수도 있지만, 이때 사용되는 장비와 소모품은 비싸다는 단점을 가지고 있다. 게다가, 이들 부산물들의 농도 변화와 김치유산균 개체 수와의 정확한 상관관계가 전혀 알려진 바가 없기 때문에, 이들 부산물들의 농도 변화는 김치의 발효 정도를 간접적으로 나타낼 뿐이며, 현재까지 김치유산균 개체 수를 정확하게 직접 측정할 수 있는 센서 기술이 존재하지 않는다.In addition, the level of kimchi fermentation can be determined by monitoring the change of by-products generated during the fermentation of kimchi, for example, acetic acid, CO 2 , and ethanol over time, but the equipment and consumables used at this time have the disadvantage of being expensive . In addition, since the exact correlation between the concentration change of these by-products and the number of Kimchi Lactobacillus populations is not known at all, the concentration change of these by-products only indirectly indicates the degree of fermentation of kimchi, and the number of Kimchi Lactobacillus populations has been accurately and directly measured so far. There is no sensor technology that can do that.
따라서 본 발명에서는 상기의 단점을 일시에 제거할 수 있는 반영구적으로 사용이 가능한 획기적인 방안을 제안하고자 한다. Therefore, in the present invention, it is intended to propose an innovative method that can be used semi-permanently to eliminate the above disadvantages at once.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.A number of documents are referenced throughout this specification and citations are indicated. The disclosure contents of the cited documents are incorporated herein by reference in their entirety to more clearly describe the content of the present invention and the level of the technical field to which the present invention belongs.
동형발효 유산균의 젖산 발효에 의한 요구르트, 치즈 등 일반 발효음식의 제조과정과 달리, 김치의 경우 김치 고유의 향미 및 맛을 위해서 젖산 이외의 다른 유기산, 탄산가스, 에탄올 등을 생산하는 이형발효 유산균의 작용이 대단히 중요하다.Unlike the manufacturing process of general fermented foods such as yogurt and cheese by lactic acid fermentation of homozygous fermented lactic acid bacteria, in the case of kimchi, heterofermented lactic acid bacteria that produce organic acids other than lactic acid, carbon dioxide gas, and ethanol for the unique flavor and taste of kimchi. action is very important.
이와 같이 김치의 발효는 락토바실루스에 의한 단순 젖산 발효가 아니라, 이형발효 유산균들을 우점종으로 하여 이루어지는 김치유산균 군집에 의한, 아직 명확히 밝혀지지 않은 복합적인 발효과정에 의존하기 때문에, 김치의 발효 정도를 간편하면서도 정확하게 실시간으로 모니터링 할 수 있는 광학 센서는 아직까지 제공된 바 없다.In this way, the fermentation of kimchi is not simple lactic acid fermentation by lactobacillus, but depends on a complex fermentation process that has not yet been clearly identified by the kimchi lactobacillus community, which is formed by heterofermenting lactic acid bacteria as the dominant species. However, an optical sensor capable of accurately monitoring in real time has not yet been provided.
본 발명은 이형발효 유산균들을 우점종으로 하여 이루어지는 김치유산균 군집 내 포함된 유산균의 개체 수를 정확하게 측정하고 실시간으로 모니터링 할 수 있게 하는 광학 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an optical sensor capable of accurately measuring and monitoring in real time the number of lactic acid bacteria included in a Kimchi lactic acid bacteria community composed of heterofermenting lactic acid bacteria as a dominant species.
본 발명의 다른 목적은 상기 광학 센서를 포함하는 김치 보관함 또는 김치 냉장고를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a kimchi storage box or a kimchi refrigerator including the optical sensor.
본 발명의 또 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다. Further objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description, claims and drawings.
본 발명자들은 이형발효 유산균들을 우점종으로 하여 이루어지는 김치유산균 군집 내 포함된 유산균의 개체 수를 정확하게 측정하는 기술을 제공하기 위하여 연구 노력한 결과, 김치유산균의 개체 수를 직접적으로 반영할 수 있는 적합한 파라미터를 밝혀내고, 이를 이용하여 실시간으로 김치유산균 개체 수를 광학적인 방법으로 모니터링 할 수 있는 광학 센서를 개발해 냄으로써 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have made research efforts to provide a technology for accurately measuring the number of lactic acid bacteria included in the Kimchi lactic acid bacteria community composed of heterofermented lactic acid bacteria as the dominant species. The present invention was completed by developing an optical sensor capable of optically monitoring the number of kimchi lactic acid bacteria in real time using this.
따라서, 본 발명의 하나의 관점은 (i) 김치 시료에 자외선을 조사하는 광원부; 및 (ii) 상기 조사된 자외선의 김치 시료에 의한 광흡수를 측정하는 광검출부, 또는 상기 자외선 조사에 의하여 김치 시료로부터 발생하는 발광을 측정하는 광검출부를 포함하는 김치의 발효정도를 측정하기 위한 광학 센서를 제공하는 것이다.Therefore, one aspect of the present invention is (i) a light source unit for irradiating ultraviolet rays to a kimchi sample; and (ii) an optical detector for measuring the degree of fermentation of kimchi, including a photodetector for measuring light absorption of the irradiated ultraviolet rays by the kimchi sample, or a photodetector for measuring light emission generated from the kimchi sample by the irradiation of the ultraviolet rays. to provide a sensor.
본 발명의 광학 센서에 있어서, 김치의 발효정도는 김치유산균 군집 내 포함된 유산균의 개체 수를 평가하는 것에 의하여 측정되는 것인데, 김치유산균 군집에는 대략 30여종이 넘는 균이 살고 있다. 김치유산균은 김치의 발효시기, 숙성 정도 및 온도에 따라 사는 균이 다르지만, 적숙기 김치의 경우 김치유산균 군집은 다른 유산균 군집과 달리, 이형발효 유산균을 우점종으로 하여 이루어지는 점에서 특징적이다.In the optical sensor of the present invention, the fermentation degree of kimchi is measured by evaluating the number of lactic acid bacteria included in the Kimchi Lactobacillus community, and about 30 or more species of bacteria live in the Kimchi Lactobacillus community. Kimchi lactic acid bacteria live differently depending on the fermentation time, ripening degree, and temperature of kimchi, but in the case of kimchi at the right time, the kimchi lactic acid bacteria community is different from other lactic acid bacteria communities.
바람직한 구현예에서, 본 발명의 광학 센서는 특히 적숙기 김치의 발효정도를 측정하는 것을 특징으로 한다. In a preferred embodiment, the optical sensor of the present invention is characterized in that it measures the degree of fermentation of kimchi in a particularly ripe season.
적숙기의 김치유산균은 우점종으로서 이형발효 유산균인 웨이셀라(Weissella) 속 유산균 및 류코노스톡(Leuconostoc) 속 유산균을 포함할 수 있고, 또한 동형발효 유산균인 락토바실루스(Lactobacillus)속 유산균도 포함할 수 있다.Kimchi lactic acid bacteria in the ripening period may include heterofermenting lactic acid bacteria of the genus Weissella and lactic acid bacteria of the genus Leuconostoc as dominant species, and may also include lactic acid bacteria of the genus Lactobacillus, a homozygous fermenting lactic acid bacterium. there is.
웨이셀라 속 김치유산균은 김치의 고유한 향미와 풍미를 결정하는 균으로서, 김치가 한창 무르익을 때인 한 달 무렵에 가장 왕성하게 번식하고, 위암 세포를 죽이는 효과를 갖는 것으로 알려져 있다.Kimchi Lactobacillus in Weissella is a bacterium that determines the unique flavor and flavor of kimchi, and is known to have the effect of killing gastric cancer cells by multiplying most vigorously around one month when kimchi is in full swing.
웨이셀라 속 김치유산균에는 웨이셀라 코레엔시스(Weissella koreensi), 웨이셀라 하니아이(Weissella hanii), 웨이셀라 김치아이(Weissella kimchii), 웨이셀라 솔리(Weissella soli), 웨이셀라 콘푸사(Weissella confusa) 등이 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.Kimchi Lactobacillus in Weissella includes Weissella koreensi, Weissella hanii, Weissella kimchii, Weissella soli, Weissella confusa, etc. There is, but is not necessarily limited thereto.
류코노스톡 속 김치유산균은 김치의 시원한 맛을 내는 균으로서, 10℃ 이하 저온에서 왕성하게 생성되는 균이다. 류코노스톡균은 작은 온도 변화에도 민감하다. 김치를 담근 후 18℃ 이상의 고온에 두면 류코노스톡균이 자라지 못하고 신맛을 내는 락토바실러스균만이 자라게 되어 시원한 맛이 없고 김치가 무르고 시게 된다. Kimchi Lactobacillus in Leuconostok is a bacterium that gives the cool taste of kimchi, and is a bacterium that is actively produced at a low temperature of 10 ° C or less. Leuconostococci are sensitive to small temperature changes. After soaking kimchi, if it is placed at a high temperature of 18℃ or higher, Leuconostoc bacteria cannot grow, and only Lactobacillus bacteria, which produce a sour taste, grow, resulting in no cool taste and the kimchi becomes soft and sour.
따라서 오랫동안 김치를 보관하면서 시원한 맛과 풍미를 내기 위해서는 류코노스톡균이 풍부한 김치를 만들어야 하고, 이를 위해서는 10℃ 이하 적정 온도, 좋기로는 5~7℃에서 김치를 보관해야 한다. Therefore, in order to keep kimchi for a long time and give it a cool taste and flavor, it is necessary to make kimchi rich in Leuconostocbacterium, and for this, kimchi should be stored at an appropriate temperature of 10 ° C or less, preferably 5 to 7 ° C.
류코노스톡 속 김치유산균에는 류코노스톡 시트레움(Leuconostoc citreum), 류코노스톡 락티스(Leuconostoc lactis), 류코노스톡 메젠테로이드 서브스피. 덱스트라니쿰(Leuconostoc mesenteroides subsp. dextranicum), 류코노스톡 메젠테로이드 서브스피. 메젠테로이드(Leuconostoc mesenteroides subsp. Mesenteroides), 류코노스톡 아르젠티눔(Leuconostoc argentinum), 류코노스톡 카르노숨(Leuconostoc carnosum), 류코노스톡 젤리둠(Leuconostoc gellidum), 류코노스톡 김치아이(Leuconostoc kimchii), 류코노스톡 인해(Leuconostoc inhae), 류코노스톡 가시코미타툼(Leuconostoc gasicomitatum) 등이 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The kimchi lactic acid bacteria in Leuconostoc include Leuconostoc citreum, Leuconostoc lactis, and Leuconostoc megenteroid subsp. Dextranicum (Leuconostoc mesenteroides subsp. dextranicum), Leuconostoc mesenteroides subsp. Leuconostoc mesenteroides subsp. Mesenteroides, Leuconostoc argentinum, Leuconostoc carnosum, Leuconostoc gellidum, Leuconostoc kimchii , Leuconostoc inhae, Leuconostoc gasicomitatum, etc., but are not necessarily limited thereto.
또한 김치유산균 군집에는 동형발효 유산균으로서 락토바실루스(Lactobacillus)속 유산균도 포함될 수 있다.In addition, the kimchi lactic acid bacteria community may also include lactic acid bacteria of the genus Lactobacillus as homozygous fermented lactic acid bacteria.
락토바실루스균은 주로 김치의 신맛을 담당하며, 과숙기에 활발히 활동한다. 과숙기에는 김치 내 락토바실루스 균이 증가함에 따라 탄산이 사라지면서 톡 쏘는 맛이 줄어들고, 젖산이 많이 생성되면서 점점 시어지고 김치가 물러지며, 산도도 pH4까지 내려가게 된다.Lactobacillus is mainly responsible for the sour taste of kimchi and is active during the ripening period. During the overripe period, as the number of Lactobacillus bacteria in kimchi increases, carbonic acid disappears and the pungent taste decreases. As lactic acid is produced, the kimchi becomes sour and the acidity decreases to
상기 락토바실루스(Lactobacillus)속 김치유산균으로는 락토바실루스 브레비스(Lactobacillus brevis), 락토바실루스 애시도필루스(Lactobacillus acidophilus), 락토바실루스 불가리커스(Lactobacillus bulgaricus), 락토바실루스 플란타룸(Lactobacillus plantarum), 락토바실루스 김치아이(Lactobacillus kimchii), 락토바실루스 파라플란타룸(Lactobacillus paraplantarum), 락토바실루스 쿠르바투스 서브시피. 쿠르바투스(Lactobacillus curvatus subsp. curvatus), 락토바실루스 사케이 서브시피. 사케이(Lactobacillus sakei subsp. sakei) 등이 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.Kimchi lactic acid bacteria of the genus Lactobacillus include Lactobacillus brevis, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus plantarum, and lactobacillus. Lactobacillus kimchii, Lactobacillus paraplantarum, Lactobacillus curvatus subsippy. Curvatus (Lactobacillus curvatus subsp. curvatus), Lactobacillus sake subsippi. Sakei (Lactobacillus sakei subsp. sakei) and the like, but are not necessarily limited thereto.
그 밖에 김치유산균은 장내 유해균의 생육을 억제하는 물질을 분비하는 것으로 알려진 Pediococcus(페디오코쿠스)속 유산균을 더 포함할 수도 있으며, 다양한 다른 종류의 유산균들을 더 포함할 수도 있다.In addition, kimchi lactic acid bacteria may further include lactic acid bacteria belonging to the genus Pediococcus known to secrete substances that inhibit the growth of harmful bacteria in the intestine, and may further include various other types of lactic acid bacteria.
바람직한 구현예에서, 김치유산균의 개체 수는 김치 시료 내 포함된 젖산 또는 NADH 농도를 평가하는 것에 의하여 측정될 수 있다.In a preferred embodiment, the number of lactic acid bacteria in Kimchi can be measured by evaluating the concentration of lactic acid or NADH contained in the Kimchi sample.
발효유 및 치즈 등의 일반 음식의 발효는 동형발효 유산균의 젖산 발효에 전적으로 의존하는 반면에, 김치유산균은 다양한 종류의 유기산을 포함하는 유기물질을 분비하는 이형발효 유산균에 의하여 주도되기 때문에, 김치의 발효과정을 정확하게 모니터링 할 수 있는 파라미터는 예측이 곤란하였는데, 본 발명자들의 연구 결과 김치의 발효시작부터 끝까지 선형적으로 유일하게 증가한 물질은 젖산이며, 김치발효과정에서 생성되는 젖산의 농도는 김치유산균 수와 비례하여 증가하는 것으로 밝혀졌다. 따라서 시료의 젖산의 농도를 측정하는 것에 의하여 김치유산균의 개체 수를 측정하는 것이 가능하다.Fermentation of general foods such as fermented milk and cheese completely depends on the lactic acid fermentation of homozygous lactic acid bacteria, whereas kimchi lactic acid bacteria are led by heterofermenting lactic acid bacteria that secrete organic substances including various kinds of organic acids, so the fermentation of kimchi It was difficult to predict parameters that can accurately monitor the process. As a result of the present inventors' research, lactic acid was the only substance that increased linearly from the start to the end of kimchi fermentation, and the concentration of lactic acid produced during the kimchi fermentation process was related to the number of lactic acid bacteria in kimchi. found to increase proportionally. Therefore, it is possible to measure the population of Kimchi Lactobacillus by measuring the concentration of lactic acid in the sample.
한편, 김치 발효과정에서는 궁극적으로 대사과정을 거쳐 젖산을 생성하게 되는데, 여기에 다양한 유산균 내에 존재하는 효소작용이 일어나고 있다. 그 가운데 특히 니코틴 아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드(Nicotineamide adenine dinucleotide)는 세포에서 발견되는 중요한 조효소로서 NAD+는 NAD의 산화형태이고 NADH는 NAD의 환원형태이다. On the other hand, in the kimchi fermentation process, lactic acid is ultimately produced through a metabolic process, and enzymatic action present in various lactic acid bacteria is taking place. Among them, nicotineamide adenine dinucleotide, in particular, is an important coenzyme found in cells. NAD + is an oxidized form of NAD and NADH is a reduced form of NAD.
본 발명자들의 연구 결과 조효소인 NADH 농도 또한 이형발효 유산균들을 우점종으로 하여 이루어지는 김치유산균의 개체수를 대변할 수 있는 파라미터로 확인되었는바, 시료 내 NADH 농도를 측정하는 것에 의하여 김치유산균의 개체 수를 측정하는 것이 가능하다.As a result of the present inventors' study, the concentration of NADH, a coenzyme, was also confirmed as a parameter that can represent the population of Kimchi Lactobacillus, which is made up of heterofermented lactic acid bacteria as the dominant species. it is possible
일 구현예에 따르면, 본 발명의 광학 센서는 김치 시료의 광흡수에 기반한 것이다. According to one embodiment, the optical sensor of the present invention is based on light absorption of the kimchi sample.
이 경우, 광흡수를 측정하는 광검출부는 두 개의 포토다이오드를 포함하는 것일 수 있는데, 구체적으로 광원부에서 조사된 자외선은 반거울(half mirror)을 통해 두 개의 경로로 분리되어 하나의 광은 기준 포토다이오드에 의하여 측정되고, 다른 하나의 광은 시료를 투과시킨 후 검출 포토다이오드에 의하여 측정되는 것일 수 있다. In this case, the photodetector for measuring light absorption may include two photodiodes. Specifically, ultraviolet rays irradiated from the light source are separated into two paths through a half mirror, and one light is transmitted through a reference photodiode. It may be measured by a diode, and the other light may be measured by a detection photodiode after passing through the sample.
이 방법은 UV 광흡수에 의한 광세기 감소를 모니터링함으로써 유산균 농도를 검출할 수 있으며, 특히 레퍼런스 기준점을 설정함으로써 상대적인 보정이 가능하다는 장점이 있다.This method has the advantage that the concentration of lactic acid bacteria can be detected by monitoring the decrease in light intensity due to UV light absorption, and in particular, relative correction is possible by setting a reference reference point.
또한, 유산균 내에 포함된 NADH는 340nm의 자외선광을 흡수하고, 자외선의 흡수정도는 NADH 농도에 비례하기 때문에, 상기 광원부는 340 nm 파장의 자외선을 조사하는 것일 수 있다. 이 경우, 김치 유산균의 NADH 광흡수 효율은 비어램버트 법칙에 의하여 계산될 수 있다.In addition, since NADH contained in lactic acid bacteria absorbs ultraviolet light of 340 nm, and the degree of absorption of ultraviolet light is proportional to the concentration of NADH, the light source unit may irradiate ultraviolet light with a wavelength of 340 nm. In this case, the NADH light absorption efficiency of kimchi lactic acid bacteria can be calculated by Beer-Lambert's law.
비어램퍼트 법칙(Beer-Lambert law) : I out = I in x 10-a lc Beer-Lambert law: I out = I in x 10 -a lc
II inin : 조사되는 빛의 강도 : Intensity of irradiated light
II outout : 필름을 통과한 후 빛의 강도 : Intensity of light after passing through the film
a : 흡수계수 a: absorption coefficient
l : 경로 길이 l : path length
c: 흡수하는 물질의 농도 c: Concentration of the absorbing material
다른 구현예에 따르면, 본 발명의 광학 센서는 김치 시료의 발광에 기반한 것이다. 광원부에 의하여 조사된 자외선 중 일부 에너지는 시료에 의하여 흡수되어 여기를 일으키고 그 결과 시료로부터 발광이 발생하게 되는데, 이러한 발광세기 증가를 광검출부에 의하여 모니터링함으로써 유산균 농도를 검출할 수도 있다.According to another embodiment, the optical sensor of the present invention is based on the light emission of the kimchi sample. Some of the energy of the ultraviolet rays irradiated by the light source unit is absorbed by the sample to cause excitation, and as a result, light emission occurs from the sample.
또 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 광학 센서는 시료의 광흡수 및 발광 둘 모두에 기반한 것이다.According to another embodiment, the optical sensor of the present invention is based on both light absorption and emission of a sample.
구체적으로 하나의 UV 광원과 시료의 광흡수를 측정하는 하나의 UV 포토다이오드와, 시료의 발광을 측정하는 필터를 구비한 또 하나의 포토다이오드를 이용하는 시스템일 수 있다. 이 방법의 장점은 두 가지의 검출방법(광흡수 측정 및 발광 세기 측정)을 동시에 측정함으로써 정확도를 높일 수 있다는 것이다.Specifically, it may be a system using one UV light source, one UV photodiode for measuring light absorption of the sample, and another photodiode having a filter for measuring light emission of the sample. The advantage of this method is that accuracy can be increased by simultaneously measuring two detection methods (light absorption measurement and emission intensity measurement).
본 발명의 광학 센서에 있어서, 상기 광원부는 290 내지 400 nm 파장 범위의 자외선을 조사하는 것일 수 있고, 상기 발광을 측정하는 광검출부는 400 내지 500 nm 파장의 광선을 검출하는 것일 수 있다.In the optical sensor of the present invention, the light source unit may irradiate ultraviolet rays in a wavelength range of 290 to 400 nm, and the photodetector unit for measuring the light emission may detect light rays in a wavelength range of 400 to 500 nm.
또한, NADH는 340nm의 자외선광을 흡수하여 440nm 가시광을 발광하는 특징을 가지고 있고, 발광세기는 NADH 농도에 비례하기 때문에, 상기 광원부는 340 nm 파장의 자외선을 조사하고, 상기 발광을 측정하는 광검출부는 440 nm 파장의 가시광선을 검출하는 것을 이용할 수도 있다.In addition, since NADH absorbs ultraviolet light of 340 nm and emits visible light of 440 nm, and since the emission intensity is proportional to the concentration of NADH, the light source unit irradiates ultraviolet light of a wavelength of 340 nm and the photodetector unit measures the light emission. can also be used to detect visible light with a wavelength of 440 nm.
이러한 적용 방법들은 정확도, 검출농도, 비용 등을 고려하여 최적의 조합을 도출할 수 있으며 상기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 존재할 수 있다.These application methods can derive the optimal combination in consideration of accuracy, detection concentration, cost, etc. In the above description, only parts necessary for understanding the embodiments of the present invention are described, and not all of the technical ideas of the present invention are represented. Since it is not, there may be various modified examples that can replace them at the time of this application.
본 발명의 다른 관점은 상술한 본 발명의 광학 센서를 포함하는 김치 보관함 또는 김치 냉장고를 제공하는데 있다.Another aspect of the present invention is to provide a kimchi storage box or a kimchi refrigerator including the optical sensor of the present invention described above.
본 발명에서는 저전력의 UV LED 광원부와 시료의 흡광 및/또는 발광을 측정할 수 있는 포토다이오드 적용을 통해, 저가이면서 저소비전력 구현이 가능한 광학식 유산균 센서를 제안하고 있다. 이는 광학적 측정방법이므로 김치국물과 직접적인 접촉이 없어 안전하고 반영구적이며 가역적으로 사용할 수 있는 장점이 있다. The present invention proposes an optical lactobacillus sensor capable of realizing low-cost and low-power consumption by applying a low-power UV LED light source and a photodiode capable of measuring light absorption and/or light emission of a sample. Since this is an optical measurement method, it has the advantage of being safe, semi-permanent, and reversible since there is no direct contact with kimchi broth.
또한, 김치 보관함 및 김치 냉장고와 같은 어두운 환경에서 미세한 광의 세기 변화를 쉽게 모니터링 할 수 있으며 김치 보관통에 기구적으로 접합함으로써 다양한 형태로 구현이 가능하다.In addition, it is possible to easily monitor minute changes in light intensity in a dark environment such as a kimchi storage box and a kimchi refrigerator, and it can be implemented in various forms by mechanically bonding to a kimchi storage container.
본 발명은 김치의 발효 과정에서 증식하는 유산균을 실시간으로 간편하고도 정확하게 모니터링 할 수 있으며, 또한 광학적 측정방법이므로 김치국물과 직접적인 접촉이 없어 안전하고 반영구적이며 가역적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.The present invention can easily and accurately monitor lactic acid bacteria proliferating during the fermentation process of kimchi in real time, and since it is an optical measurement method, there is no direct contact with kimchi broth, so it has the advantage of being safe, semi-permanent, and reversible.
도 1은 Lactate 효소반응과 NAD+/NADH 광 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다. NAD의 환원형태인 NADH는 340nm 광을 흡수하고 440nm 형광을 발광하지만, 산화형태인 NAD+는 그러한 현상이 나타나지 않는다.
도 2는 김치의 발효과정에서 산성분의 농도의 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 김치의 발효과정에서 Lactate 농도와 유산균 수의 관계를 나타낸 것이다.
도 4는 김치 유산균 수에 따른 NADH 광량 세기 변화를 나타낸 것이다.
도 5은 NADH 농도와 UV(340nm) 흡수세기와의 관계를 나타낸 것이다. NADH는 340nm UV를 흡수하는데 그 흡수 세기는 NADH 농도에 비례한다.
도 6은 NADH 농도와 형광(440nm) 세기와의 관계를 나타낸 것이다. NADH는 340nm UV 흡수를 통해 440nm 형광을 발광하게 하고 그 발광 세기는 NADH 농도에 비례한다.
도 7은 김치 냉장고 내 김치 보관함에서 발효가 진행됨에 따라 김치 국물내의 유산균 수 변화에 따른 NAD+/NADH 농도변화를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 광학 측정시스템 모식도를 나타낸 것이다.Figure 1 shows the lactate enzymatic reaction and NAD + / NADH light absorption spectrum. NADH, the reduced form of NAD, absorbs light at 340 nm and emits fluorescence at 440 nm, but NAD+, the oxidized form, does not show such a phenomenon.
Figure 2 shows the change in the concentration of acid components in the fermentation process of kimchi.
Figure 3 shows the relationship between lactate concentration and the number of lactic acid bacteria in the fermentation process of kimchi.
Figure 4 shows the change in NADH light intensity according to the number of lactic acid bacteria in kimchi.
5 shows the relationship between NADH concentration and UV (340 nm) absorption intensity. NADH absorbs 340 nm UV, and the absorption intensity is proportional to the NADH concentration.
6 shows the relationship between NADH concentration and fluorescence (440 nm) intensity. NADH emits 440 nm fluorescence through 340 nm UV absorption, and the emission intensity is proportional to the NADH concentration.
7 is a schematic diagram of an optical measurement system capable of monitoring in real time the change in NAD + / NADH concentration according to the change in the number of lactic acid bacteria in the kimchi broth as fermentation proceeds in the kimchi storage box in the kimchi refrigerator.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명 하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for explaining the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples.
실시예Example
김치발효에 따른 According to kimchi fermentation 산성분acid component 농도 변화 concentration change
김치유산균은 김치의 발효과정에서 젖산, 아세트산 및 시트릭산을 포함하는 산성 물질을 배출하는데, 이들 산성 물질이 발효에 따라 변화하는 패턴을 HPLC 를 사용하여 분석하였다. 분석에 사용된 HPLC 시스템은 길슨 사의 것을 사용하였으며, 수펠코사의 컬럼을 사용하였다. 산성분은 분석용 표준 품과 채취한 김치 시료를 대상으로 분석하였고, HPLC 크로마토그램은 제조사 지시에 따라 제공된 프로그램에 의하여 작성하였으며, 그 결과 각 시료별로 측정된 산성분의 농도의 변화를 도 2에 나타내었다.Kimchi lactic acid bacteria discharge acidic substances including lactic acid, acetic acid, and citric acid during the fermentation process of kimchi, and the pattern of these acidic substances changing according to fermentation was analyzed using HPLC. The HPLC system used for analysis was Gilson's, and Supelco's column was used. The acid component was analyzed for the standard for analysis and the collected kimchi sample, and the HPLC chromatogram was prepared according to the program provided according to the manufacturer's instructions. As a result, the change in the concentration of the acid component measured for each sample is shown in FIG. showed up
실험 결과, 김치 발효과정에서 생성되는 산성분 가운데 시트릭산(Citric acid) 및 아세트산(Acetic acid)의 경우 발효 초기부터 일정 농도로 유지되어 포화되는 현상을 보이는 반면에, 젖산(Lactic acid)은 지속 증가하는 현상을 보이는 것으로 나타났다(도 2).As a result of the experiment, citric acid and acetic acid, among the acid components generated during the fermentation of kimchi, are maintained at a constant concentration from the beginning of fermentation and show saturation, while lactic acid continues to increase It was found to show a phenomenon (Fig. 2).
김치유산균의Kimchi Lactobacillus 수와 젖산 농도와의 상관관계 Correlation between number and lactate concentration
김치유산균과 젖산의 농도 간에 특정 상관관계가 있는지 여부를 조사하였는데, 구체적으로 여러 다양한 발효 단계의 김치로부터 시료를 채취하여 희석하고 플레이트에 접종한 후, 37 의 항온 배양기에서 1일 동안 배양하였다. 이렇게 생성된 김치유산균 콜로니 수를 조사하고, 각각의 발효 단계에서 생성된 젖산 농도와의 상관관계를 도 3에 나타내었다.We investigated whether there was a specific correlation between the concentrations of kimchi lactic acid bacteria and lactic acid. Specifically, samples were taken from kimchi at various stages of fermentation, diluted, inoculated into plates, and then cultured in a constant temperature incubator at 37 °C for 1 day. The number of Kimchi Lactobacillus colonies thus produced was investigated, and the correlation with the lactic acid concentration produced in each fermentation step was shown in FIG. 3 .
실험 결과, 김치유산균 군집이 젖산 이외의 물질을 다량으로 생성하는 이형발효 유산균들을 우점종으로 하여 이루어지는 군집임에도 불구하고, 김치의 발효의 시작부터 끝까지 선형적으로 증가하는 유일한 물질은 젖산이며, 김치발효과정에서 생성되는 젖산의 농도는 김치유산균 수와 비례하여 증가하는 것으로 나타났다(도 3). As a result of the experiment, although the Kimchi Lactobacillus community is composed of heterozygous lactic acid bacteria that produce a large amount of substances other than lactic acid as the dominant species, lactic acid is the only substance that increases linearly from the beginning to the end of the fermentation of Kimchi, and during the Kimchi fermentation process It was found that the concentration of lactic acid produced in increased in proportion to the number of kimchi lactic acid bacteria (FIG. 3).
이러한 결과는 젖산 농도가 이형발효 유산균들을 우점종으로 하여 이루어지는 김치유산균 군집에 의한 복잡한 김치의 발효과정을 정확하게 모니터링 할 수 있는 타당한 파라미터라는 사실을 뒷받침한다.These results support the fact that the lactic acid concentration is a valid parameter that can accurately monitor the complex fermentation process of kimchi by the Kimchi Lactobacillus community, which is formed by heterofermenting lactic acid bacteria as dominant species.
김치유산균의Kimchi Lactobacillus 수와 Suwa NADHNADH 농도와의 상관관계 Correlation with Concentration
김치유산균 수와 NADH 농도 간에 특별한 상관관계가 있는지 여부를 분석하기 위하여 NADH의 형광세기를 조사하였는데, 시중에서 판매하는 캡슐 김치유산균을 사용하였고, Perkin Elmer사에서 제조한 빅터(Vitor)-X3TM 멀티 플레이트 리더의 전원 입력부에 소스 전원을 연결하고 프로그램을 실행시킨 후 소스에 따라 광원을 고정하여 440nm에서 측정된 NADH 형광 값을 읽고, 그 결과를 그래프로 작성하여 도 4에 나타내었다.In order to analyze whether there is a special correlation between the number of kimchi lactobacilli and the concentration of NADH, the fluorescence intensity of NADH was investigated . After connecting the source power to the power input of the multi-plate reader and running the program, the NADH fluorescence value measured at 440 nm was read by fixing the light source according to the source, and the result was graphed and shown in FIG. 4 .
실험 결과, 김치유산균의 수가 증가함에 따라 NADH 농도가 비례관계로 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 NADH 농도가 이형발효 유산균들을 우점종으로 하여 이루어지는 김치유산균 군집에 의한 복잡한 김치의 발효과정을 정확하게 모니터링 할 수 있는 타당한 파라미터라는 사실을 뒷받침한다(도 4).As a result of the experiment, it was found that the NADH concentration increased proportionally as the number of lactobacillus in Kimchi increased. These results support the fact that the NADH concentration is a valid parameter that can accurately monitor the complex fermentation process of kimchi by the Kimchi Lactobacillus community, which is dominated by heterofermenting lactic acid bacteria (FIG. 4).
이와 같은 도 3 및 도 4의 결과에서 유추할 수 있는 사실은, 김치 발효과정에서 지속적으로 증가하는 젖산의 농도는 김치유산균 수와 비례관계를 가지고 있으며, 김치유산균 수가 증가함에 따라 유산균 내에 일정량 존재하는 효소인 NAD+/NADH의 농도 역시 김치유산균 수에 비례해서 증가하게 되고 이를 광학적으로 측정할 수 있다는 것이다.The fact that can be inferred from the results of FIGS. 3 and 4 is that the concentration of lactic acid that continuously increases in the kimchi fermentation process has a proportional relationship with the number of lactic acid bacteria in kimchi, and as the number of lactic acid bacteria in kimchi increases, a certain amount of lactic acid present in the lactic acid bacteria The concentration of NAD+/NADH, an enzyme, also increases in proportion to the number of kimchi lactobacilli, which can be measured optically.
NADHNADH 농도와 UV Concentration and UV 흡수세기absorption intensity 및 형광 세기와의 관계 and relationship with fluorescence intensity
광활성에 의하여 NADH의 흡광도 및 형광세기가 변화하게 되는데, 340nm파장에서의 흡수세기와 NADH 농도와의 관계를 도 5에, 440 nm 파장에서의 형광 세기와 NADH 농도와의 관계를 도 6에 나타내었다.Photoactivity changes the absorbance and fluorescence intensity of NADH. The relationship between the absorption intensity at a wavelength of 340 nm and the concentration of NADH is shown in FIG. 5, and the relationship between the fluorescence intensity at a wavelength of 440 nm and the concentration of NADH is shown in FIG. .
이로부터 NADH는 340nm UV를 흡수하는데 그 흡수 세기는 NADH 농도에 비례한다는 것(도 5)과, NADH는 340nm UV 흡수를 통해 440nm 형광을 발광하고 그 발광 세기는 NADH 농도에 비례한다는 사실을 확인할 수 있다(도 6).From this, it can be confirmed that NADH absorbs 340 nm UV, and the absorption intensity is proportional to the NADH concentration (FIG. 5), and that NADH emits 440 nm fluorescence through 340 nm UV absorption, and the emission intensity is proportional to the NADH concentration. Yes (FIG. 6).
따라서 NADH의 UV 광흡수 및/또는 NADH의 형광세기를 측정하는 것에 의하여 NADH 농도를 측정할 수 있다.Therefore, NADH concentration can be measured by measuring the UV light absorption of NADH and/or the fluorescence intensity of NADH.
Claims (12)
(ii) 상기 조사된 자외선의 김치 시료에 의한 광흡수를 측정하는 광검출부, 또는 상기 자외선 조사에 의하여 김치 시료로부터 발생하는 발광을 측정하는 광검출부;
를 포함하며,
상기 광흡수를 측정하는 광검출부는 기준 포토다이오드 및 검출 포토다이오드의 두 개의 포토다이오드를 포함하고,
상기 광원부에서 조사된 자외선은 반거울(half mirror)을 통해 두 개의 경로로 분리되어 하나의 광은 기준 포토다이오드에 의하여 측정되고, 다른 하나의 광은 시료를 투과시킨 후 검출 포토다이오드에 의하여 측정되는 김치의 발효정도를 측정하며,
상기 김치의 발효정도는 상기 시료에 포함된 김치유산균의 개체 수를 측정하는 것에 의하여 측정되고,
상기 김치유산균의 개체 수는 상기 시료 내 유산균의 세포에서 발견되는 조효소인 NADH 농도를 측정하는 것에 의하여 측정되며,
상기 광원부는,
상기 NADH가 흡수하는 340nm 파장의 자외선을 조사하며,
상기 광검출부는,
상기 340nm의 자외선을 흡수한 상기 NADH가 발광하는 440nm 파장의 가시광선을 검출하는 것을 특징으로 하는 광학 센서.
(i) a light source unit for irradiating ultraviolet rays to a kimchi sample; and
(ii) a photodetector for measuring light absorption of the irradiated ultraviolet rays by the kimchi sample, or a photodetector for measuring light emission generated from the kimchi sample by the irradiation of the ultraviolet rays;
Including,
The photodetector for measuring the light absorption includes two photodiodes of a reference photodiode and a detection photodiode,
The ultraviolet rays irradiated from the light source unit are separated into two paths through a half mirror, one light is measured by a reference photodiode, and the other light is measured by a detection photodiode after passing through the sample. The degree of fermentation of kimchi is measured,
The degree of fermentation of the kimchi is measured by measuring the number of kimchi lactic acid bacteria included in the sample,
The population of the kimchi lactic acid bacteria is measured by measuring the concentration of NADH, a coenzyme found in the cells of the lactic acid bacteria in the sample,
the light source,
Irradiate ultraviolet rays of 340 nm wavelength absorbed by the NADH,
The photodetector unit,
An optical sensor characterized in that for detecting visible light of a wavelength of 440 nm emitted by the NADH that has absorbed the ultraviolet light of 340 nm.
상기 김치유산균은 이형발효 유산균을 우점종으로 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 센서.
According to claim 1,
The kimchi lactic acid bacteria is an optical sensor, characterized in that made of heterofermented lactic acid bacteria as a dominant species.
The optical sensor according to claim 1, wherein the sensor includes both a photodetector for measuring the light absorption and a photodetector for measuring the light emission.
The optical sensor according to claim 1, wherein the sensor measures the degree of fermentation of kimchi at the ripening stage.
A kimchi storage box comprising the optical sensor of any one of claims 1 to 3, 6, and 10.
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Non-Patent Citations (1)
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| 이은화 외 2 ‘김치냉장고의 숙성 후 저장 및 저온 저장 모드에서 6개월간 저장한 김장 김치의 발효특성 비교’ (한국식품영양과학회지, 2012.10.17.) pp.1619~1625. |
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