KR20010097619A - 육류의 연도 측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

육류를 파괴하지 않고 그 연도(연한 정도)를 측정하는데 소비되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 육류의 연도 측정장치 및 방법이 게시된다. 근적외선(Near Infrared) 발생장치, 상기 근적외선 발생장치와 연결되어 발광 및 수광할 수 있는 프루브(probe) 및 상기 프루브에서 검출된 빛의 신호를 입력받아 처리하는 데이터 처리장치를 포함하는 육류의 연도 측정장치와 근적외선을 발생하는 단계, 프루브(probe)에 구비된 발광부를 통해 근적외선이 조사되는 단계, 프로브의 수광부를 통해 근적외선을 검출하는 단계, 상기 수광부에서 검출된 빛의 스펙트럼을 분석하는 단계 및 데이타 처리장치에 의해 전단력을 계산하는 단계를 포함하는 육류의 연도 측정방법이 제공된다. 육류를 파괴하는 과정이 필요 없어서 생산자와 소비자에게 모두 경제적 이익이 될 수 있고 연도측정을 수초내에 수행할 수 있어서 등급 판정소 등에서의 자동화 공정을 유도할 수 있으며 판매자와 소비자의 거래 현장에서도 측정이 가능하므로 공정한 유통이 가능해진다. 또한, 육류의 품질판정시 가장 중요하게 고려되는 연도를 등급판정 요소로 정착화시킬 수 있으므로 객관적인 육류 등급판정이 가능하게 된다.

Description

육류의 연도 측정장치 및 방법{Apparatus and Method for measuring the tenderness of meat}

본 발명은 육류의 연도(연한 정도,tenderness) 측정 장치와 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 근적외선(Near Infrared)을 이용하여 육류를 절단하지 않고도 용이하게 그 연도를 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

동서양은 물론이고 우리나라에서도 소득증대와 소비자 기호의 변화로 육류의 품질평가 기준으로서 연도가 가장 중요하게 고려되는 요소 중의 하나로 취급되고 있다. 연도는 육류의 중요한 품질인자이나 육류 시료를 파괴하는 방법으로 그 전단력을 측정하여 연도로 규정하는 것이 관행이다. 현재 육류의 연도 측정에 있어 공식적으로 사용되고 있는 방법은 워너 브라츠러 블레이드(Warner Bratzler blade, 이하 WB 블레이드로 호칭함)를 이용한 육류의 전단력(shear force), 즉, WB 전단력을 측정하는 것으로 다음과 같은 절차를 거친다.

우선 육류로부터 일정량의 덩어리를 잘라낸 후 비닐랩 이나 비닐팩에 봉인한 후 항온수조에 넣어서 약 70℃ 에서 1시간 가량 가열한다. 가열 후 지름이 13mm 혹은 25mm 정도되는 코어를 이용하여 원통형으로 잘라낸 다음 도 1에 도시된 인스트론 유티엠(Instron-UTM)(10)에 육류의 근육 방향이 절단날의 방향과 직교하도록 올려놓은 후 WB 블레이드(20)를 이용하여 절단한다. 완전히 육류를 절단하는데 요구되는 힘, 즉 전단력을 측정하여 그 결과를 육류의 연도로 규정하게 된다.

그러나, 상술한 종래의 육류의 연도 측정방법에는 다음과 같은 몇 가지 문제점을 가지고 있다.

종래의 육류 연도 측정방법에서는 육류를 절단해야 하므로 생산자 및 판매자로서는 연도측정을 위한 육류를 따로 마련해야 하는 경제적 손실이 발생한다.

또한, 연도측정을 수행하려면 절단-가열-측정에 이르는 복잡한 측정과정을 거쳐야 하기 때문에 시간이 오래 걸리게 되고 따라서 모든 육류를 대상으로 그 연도측정을 일일이 할 수 없을 뿐만 아니라 그 측정값도 오차가 많아지는 단점이 있다.

상기와 같은 문제점 등으로 연도가 육류의 품질 평가시 가장 중요하게 고려되어야 함에도 불구하고 아직 품질평가의 측정요소로서 자리를 잡지 못하고 있다.

본 발명은 종래의 육류 연도 측정방법의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 목적은 육류를 파괴하지 않고 그 연도를 측정할 수 있는 근적외선을 이용한 육류의 연도 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 육류의 연도측정에 소비되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 근적외선을 이용한 육류의 연도 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 육류의 전단력 측정장비인 인스트론 유티엠(Instron-UTM)의 사시도.

도 2는 예비실험 결과를 설명하기 위한 전단력의 실험치와 계산치의 상관관계도.

도 3은 본 발명에서 개발된 전단력 예측 모델식을 검증하기 위한 예비실험 결과를 설명하기 위한 상관관계도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근적외선 스펙트럼을 이용한 육류의 연도 측정 장치.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 ; 프로브 110 ; 발광부

120 ; 수광부 130 ; 육류시료

140 ; 데이터 처리장치 150 ; 근적외선 발생장치

160 ; 광케이블

상기의 목적들을 달성하기 위하여 발광부와 수광부가 구비된 프로브, 상기 프로브에 근적외선을 공급하는 근적외선 발생장치 및 상기 수광부에서 검출되고 측정된 연속된 신호(스펙트럼)를 입력받아 그 신호 데이터를 처리하는 데이터 처리장치를 포함하는 육류의 연도 측정장치와 육류의 연도 측정방법이 제공된다.

여기에서 사용되는 근적외선은 가시광선과 중적외선 사이에 존재하는 빛으로700㎚ 내지 2,500㎚(14,000∼4,000㎝^-1) 사이에 존재하고 있다.

상기 근적외선 발생장치로부터 상기 프로브로 공급된 근적외선이 발광부를 통해 시료에 조사되면 시료는 그 시료의 분자내 결합의 진동에 관련된 파장의 빛을 흡수하고 이에 따라 해당 파장의 빛의 세기(intensity)가 감소한다.

이러한 빛의 세기의 변화는 시료내의 특정 물질의 농도와 관련이 있으며, 상기 빛의 세기의 변화는 상기 수광부에 의해 검출된 연속된 신호(스펙트럼)로 나타나며, 상기 신호(스펙트럼)는 상기 데이터 처리장치에 입력되고 소정의 신호처리 과정을 거친후 최종적으로 육류의 연도가 계산되어진다.

육류에 발광부에서 발생된 빛이 조사(radiation)되면 여러 가지 반응이 일어나는데 표면반사와 투과, 재반사, 그리고 산란이 일어난다. 본 발명에서는 상기의 여러 반응 중에서 투과의 원리를 이용하여 육류의 연도를 측정하고자 한다.

상기 투과의 경우 흡수되는 빛의 에너지 투과도T는 다음과 같이 표시되어진다.

----------------------------------------(1)

I는 투과되어 나오는 빛 에너지 강도이고,I _o 는 입사되는 빛 에너지 강도이다.

투과도T와 물질 내에서 빛을 흡수하는 특정물질의 분자농도와의 관계는 Beer/Lambert 법칙에 의해 다음과 같이 기술될 수 있다.

---------------------(2)

여기서k는 비례상수이고c는 흡수하는 분자의 농도이며d는물질을 통해 조사된 빛이 통과하는 거리이다.

상기 (2)식에서와 같이 물질내의 빛을 흡수하는 성분의 농도는 투과도T를 측정함으로써 간단하게 농도를 측정할 수 있다. 본 발명에서는 상기 빛을 흡수하는 물질의 분자 농도와 육류의 연도 혹은 전단력과 상관관계가 있음을 전제하고, 육류로 투과되기 전과 후의 빛의 강도로써 투과도를 측정함으로써 육류의 전단력 즉, 연도를 결정하는 것이다.

이하, 근적외선을 이용한 육류의 연도 측정에 관한 예비실험을 실시한 결과를 설명한다.

본 예비실험은 근적외선을 이용한 육류 연도 측정이 WB 블레이드로 측정한 WB 전단력 값에 가장 근접할 수 있도록, 근적외선 스펙트럼 결과를 최적으로 캘리브레이션(calibration)하는 전단력 예측 모델식을 획득하는 것이 그 목적이다.

WB 블레이드를 이용한 전단력 측정은 유니버설 테스팅 머신(Universal Testing Machine, UTM, Stable Micro System, USA)을 이용하여 측정하였고, 근적외선 스펙트럼 측정은 스펙트로미터(NIRSystem Inc., USA)를 사용하였으며, 측정 파장대는 가시/근적외선 영역(400∼2,500㎚, 2㎚간격)을 이용하였다. 획득한 스펙트럼은 분석용 소프트웨어인 NIRS2(Infrasoft International, USA)를 이용하여 분석하였다.

예비실험의 시료는 갓 도축된 육류의 등심부위 중 32개소를 선택하여 채취하였다. 이때, 채취된 32개소의 시료로부터 또다시 각각 2개씩(WB 전단력 측정용 1개, 근적외선을 이용한 측정용 1개)의 시료를 채취하였다.

첫번째로 32종류의 시료 중 임의로 선정한 19종류의 시료를 우선 실험하였다. 여기서의 실험목적은 근적외선 측정 결과로써 계산된 육류의 전단력이 WB 전단력 결과와 가장 근접하도록 예측할 수 있는 전단력 예측 모델식을 개발하는 것이다.

상기 전단력 예측 모델식을 개발하기 위해 스텝와이즈(stepwise) 변수선택법과 다중 선형회귀법,주성분회귀법, 부분 최소 자승법 각각에 대하여 원 스펙트럼과 1차 미분 스펙트럼, 그리고 2차 미분스펙트럼에 대하여 회귀식을 유도하고 그 중 가장 높은 결정계수 값을 가지는 방법을 선택하였다.

이하, 상기 유도된 방법에서 사용되는 결정계수r ²를 간략히 설명하면 아래와 같다.

결정계수r ²은 독립변수x와 종속변수y의 관계정도를 나타내는 것으로서 아래와 같이 통상 유도되어진다.

표본상관계수는 다음과 같이 기술된다.

------------------------------(3)

상기 (3)식을 제곱하면 다음의 식이 된다.

--------------------------------(4)

상기 (4)식은 다음과 같이 변형된다.

----------------------------(5)

상기 (5)식에서 (Σxy)²/Σx ²은 변량y가x에 대한 회귀로 인한 자승합인 Σy^²이 된다. 그러므로 다음과 같이 표현될 수 있다.

r ² =Σy^² /Σy ²---------------------------(6)

따라서, 자승한 상관계수, 즉 결정계수는y의 전체 자승합에 대한 회귀로 인한 자승합의 비율이 된다. 회귀에 대한 분산분석에서 Σy^²은 회귀로 인한 자승합이며, 이것은 회귀로부터 설명이 되는 부분이다. 따라서y의 전체변이 중에서 회귀로 설명되는 부분의 비율이 바로 자승한 상관계수r ², 즉 결정계수가 되는 것이다. 상관계수 값이 1에 가까울수록 그 관계정도는 크다고 할 수 있다.

전단력 예측 모델식을 얻기 위한 스텝와이즈 변수선택법은 다음과 같이 요약된다.

S를 일정한 간격의 파장들 λ _n , n=0, 1, 2, 3...,에 대하여 정의된 스펙트럼이라 하면 점 n에서는 1차 미분은 다음과 같이 주어진다.

-----------------------------(7)

여기서g는 스텝(step) 혹은 미분크기(derivative size)라 불리는 정수값이고,S _n 는 점 n에서의 log(1/T) 이다. 여기서T는 투과도이다.

유사한 방법으로 2차 미분은 다음의 식으로 주어진다.

---------------------(8)

예를 들어 시료가 n개 주어지면 각 파장들 λ _n , n=0, 1, 2, 3...에 대하여 스펙트럼이 n개가 존재하게 된다.

상기와 같은 방법으로써 각 파장대에서 대한 스펙트럼으로 측정된 투과도를 이용하여 도출된 전단력과 과 WB 전단력과의 상관관계를 구해 결정계수인r ² 값이 가장 큰 파장대를 복수개로 구할 수 있다. 이와 같이 구해진 파장대에서 투과도를 측정하여 전단력 계산에 사용할 수 있다.

도 2는 상기 19종류의 데이터에 대한 예비실험에서 정립한 전단력 예측 모델식을 이용하여 예측한 결과이다. 상기 예측 모델식은 아래 식(9)과 같다.

도 2를 참조하면, 총 32개 시료 중 19개 시료를 통한 근적외선 스펙트럼과 WB 전단력과의 관계는 다음과 같이 도출되었다.

결정계수 =r ²= 0.6463,

SEC(standard error of calibration) = 9.07(N, newton).

상기의 결정계수는 파장대 552㎚와 1,988㎚ 영역에서 결정된 값이다. 즉, 상기 파장대 552㎚와 1,988㎚ 영역에서 가장 큰 결정계수가 도출되었다.

19종류의 시료 측정결과에서 WB 전단력에 대한 전단력 예측 모델식을 다음과 같이 개발하였다. 다음 예측 모델식에는 상술된 바와 같이 파장대 552㎚와 1,988㎚ 영역에서의 투과도T가 사용되어진다.

전단력(연도)=748.98 ×log(1/T)_λ1988+ 65.513 ×log(1/T)_λ552+ 13.047

----------------------------------------------(9)

상기 예측 모델식의 타당성을 검증하기 위해 나머지 13종류의 시료에 대해 검증을 실시한 결과는 그림 3과 같다.

도 3을 참조하면, 나머지 13종류의 시료에 대해 앞서 얻은 예측 모델식을 적용하여 검증한 결과는 아래와 같다.

결정계수 =r ²=0.7082,

SEP(standard error of prediction) = 14.8(N).

즉, 결정계수의 값으로 판단할 수 있듯이 상기의 실험결과에 의거하면, 근적외선 스펙트럼을 이용한 육류의 연도 측정결과로써 근적외선을 이용한 육류의 연도 측정이 가능하다고 결론지을 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근적외선 스펙트럼을 이용한 육류의 연도 측정 장치를 도시한 것이다.

근적외선 발생장치(150)에서 주사된 근적외선이 광케이블(160)을 통해 탐침용 프로브(100)에 이르게 되고, 육류시료(130)에 꽂혀진 단부가 뾰족한 탐침용 프로브(100) 내의 발광부(110)에서 근적외선이 주사된다.

바람직하게는 근적외선 발생장치(150)는 아래표와 같은 사양으로 구성될 수 있다.

(High-sensitivity Fiber Optics NIR Spectrometer Control Development, Inc., USA)

Wavelength Range	900∼1,700(upto 1,100∼2,200㎚)
Wavelength Stability	< 0.05㎚ over 48hr
Spectral Dispersion	3.125 ㎚/pixel
Spectral Bandwidth	6.0 ㎚
Photometric Repeatability	< 0.00005AU
Photometric Stability	< 0.00005AU over 48hr
Sensitivity	500 A/D
Noise Level	< 0.000028 AU RMS

상기와 같이 주사된 근적외선은 발광부(110)와 수광부(120) 사이에 위치하는 육류시료(130)를 투과하게 된다. 발광부(110)와 수광부(120)는 서로 대면하는 위치에 소정의 간격을 두고 위치한다. 상기 근적외선이 육류시료(130)를 투과하는 과정에서 분자내 결합의 진동에 관련된 파장의 빛이 흡수되어 해당 파장의 빛의 세기(intensity)가 감소하게 된다.

이러한 빛의 세기의 변화는 시료내의 특정 물질의 농도와 관련이 있으며 그 변이는 수광부(120)에 의해 검출되고 검출된 연속된 신호(스펙트럼)는 데이터 처리장치(140)를 통해 처리되어 최종적으로 육류시료(130)의 전단력, 즉, 육류시료(130)의 연도가 측정되어진다.

이상에서 설명한 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 후술하는 특허청구범위에 기재된 범위 내에서 이루어질 수 있는 다양한 변종 및 변형을 모두 포함한다.

본 발명에 따른 육류의 연도 측정장치를 사용함으로써 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

우선, 종래의 육류 연도 측정방법에 수반되던 육류를 파괴하는 과정이 필요 없으므로 경제적 손실을 줄여 육류 생산농가와 판매자 그리고 소비자에게 모두 이익을 가져다 줄 수 있다.

또한, 육류의 연도측정을 실시간으로 수 초 내에 수행할 수 있어서 도축장 또는 등급 판정소에서의 자동화 공정을 유도할 수 있고, 백화점 및 할인점 단위에서는 판매자와 소비자의 거래 현장에서 측정이 가능하므로 공정한 유통이 가능해진다.

또한, 육류의 품질판정시 가장 중요하게 고려되는 연도를 등급판정 요소로 정착화시킬 수 있으므로 객관적인 육류 등급판정이 가능하게 된다.

더욱이, 아직까지 세계 시장에서 쇠고기의 비파괴 품질판정 시스템이 개발되지 않고 있으며 외국인들 또한 연도를 육류 품질판정의 가장 중요한 성분으로 생각하고 있기에 연도별로 등급화된 육류수출에 의해 많은 외화획득을 예상할 수 있다.

상술한 바에 따르면 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 의하여 한정되지 않고 하기의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (12)

1. 근적외선 발생장치;

   상기 근적외선 발생장치로부터 발생된 근적외선이 조사되는 발광부와 상기 발광부의 근적외선을 수광하는 수광부가 구비된 프로브(probe); 및

   상기 수광부에서 검출된 빛의 신호를 입력받아 처리하는 데이터 처리장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 육류의 연도 측정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 근적외선 발생장치와 상기 프로브는 광케이블로써 연결되는 것을 특징으로 하는 육류의 연도 측정장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 발광부와 수광부는 상기 프로브의 일측에 서로 대면하게 마련되는 것을 특징으로 하는 육류의 연도 측정장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 발광부와 상기 수광부는 소정의 간격을 두고 마련되는 것을 특징으로 하는 육류의 연도 측정장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 데이터 처리장치는 스펙트럼 분석용 소프트웨어를 내장하고 있는 것을 특징으로 하는 육류의 연도 측정장치.
6. 근적외선 발생장치로부터 근적외선을 발생하는 단계;

   프로브(probe)에 구비된 발광부를 통해 근적외선이 조사되는 단계;

   프로브에 구비된 수광부를 통해 근적외선을 검출하는 단계;

   상기 수광부에서 검출된 빛의 스펙트럼을 측정 및 분석하는 단계; 및

   데이타 처리장치에 의해 육류의 전단력을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 육류의 연도 측정방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 스펙트럼을 측정하는 단계는 그 측정 파장대가 400nm 내지 2500nm인 것을 특징으로 하는 육류의 연도 측정방법.
8. 제6항에 있어서,

   상기 육류의 전단력을 계산하는 단계는 검출된 상기 스펙트럼 중 특정 파장대에서 측정된 빛의 투과도들을 측정하여 상기 육류의 전단력을 계산하는, 소정의 예측 모델식을 이용하는 것을 특징으로 하는 육류의 연도 측정방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 예측 모델식은 스텝와이즈 변수선택법에 의해 유도하는 것을 특징으로 하는 육류의 연도측정 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 스텝와이즈 변수선택법은 2차 미분 스펙트럼에 대하여 그 회귀식을 유도하여 가장 큰 결정계수를 가지는 복수개의 파장대를 도출시키는 것을 특징으로 하는 육류의 연도측정 방법.
11. 제8항 또는 제10항에 있어서,

    상기 예측 모델식에 사용되는 빛의 투과도들은 가장 큰 결정계수를 가지는 복수개의 파장대에서 측정된 값인 것을 특징으로 하는 육류의 연도측정 방법.
12. 제10항에 있어서,

    상기 결정계수의 두 변수중 하나는 워너 브라츠러 블레이드(Warner Bratzler blade)를 이용한 육류의 전단력 측정값이고, 다른 하나는 근적외선의 투과도를 이용하여 도출시킨 육류의 전단력인 것을 특징으로 하는 육류의 연도측정 방법.