KR20110085084A - 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 근적외선 분광분석법(Near Infrared Spectroscopy)을 이용하여 보다 정확한 백미 중의 단백질함량 값을 얻고, 이 단백질함량 값과 현미 완전립 비율을 함께 고려하여 쌀의 품질을 보다 신속, 정확하게 측정하여 벼의 품질을 결정하는, 고수분 함량의 현미로부터 비파괴적인 방법으로 백미 단백질 함량을 결정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명을 활용할 경우, 수확 직후 분석에 오랜 시간이 소요되는 현 수매시스템인 제현율 위주의 벼 품위검사를 고수분 현미의 외관품위인 완전립 비율과 더불어 백미 단백질함량으로 대체가 가능하여 벼의 신속한 품질분석을 할 수 있을 뿐만 아니라 품질등급에 따른 원료곡의 건조, 저장 시 구분처리가 가능하고 가공수율이 높은 벼를 효율적으로 평가하여 등급에 따른 원료곡의 차등수매가 가능하므로 RPC 경영수지 개선, 고품질 쌀 생산기술로 활용할 수 있는 효과가 있다.

Description

근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법{NON-DESTRUCTIVE ANALYSIS METHOD FOR DETERMINING PROTEIN CONTENTS OF WET-BROWN RICES BY NEAR INFRARED SPECTROSCOPY}
본 발명은 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 근적외선 분광분석법(Near Infrared Spectroscopy)을 이용하여 보다 정확한 백미 중의 단백질함량 값을 얻고, 이 단백질함량 값과 현미 완전립 비율을 함께 고려하여 쌀의 품질을 보다 신속, 정확하게 측정하여 벼의 품질을 결정하는, 고수분 함량의 현미로부터 비파괴적인 방법으로 백미 단백질 함량을 결정하는 방법에 관한 것이다.
지금까지 벼 수확 후 관리기술은 고수분 벼의 산물형태의 건조, 저장과 관련된 부분이 중점적으로 개발되어 많은 기술개발이 이루어져 왔다.
그러나 고품질 쌀의 생산을 위해서는 산물 원료벼의 등급별 품위분석이 신속히 이루어져 건조, 저장공정 전에 등급별로 구분처리가 되어야 하나 이와 관련된 측정 시스템의 보급과 운영은 매우 미흡한 실정이다. 현재 미곡종합처리장(이하 "RPC")에서 산물벼 수매시 원료벼에 적용되는 분석은 제현율(製玄率) 위주로 진행되고 있는데 농림부에서는 2002년도에 제현율 82％ 이상의 "특" 기준을 새로 설정하여 고품질 쌀의 생산을 유도하여 왔으나 제현율 기준만으로는 품질을 정확히 분석하기에는 한계가 있다. 즉, 고품질이면서 균일품질 쌀의 연중 저장, 유통을 위해서는 현미의 완전립 비율과 사미, 미숙립 등의 외형적 특성과 수분, 단백질함량 등의 내면적 성분 측정이 함께 이루어져 종합적인 품위를 판정하는 기술이 필요하다.
단백질은 쌀에서 전분 다음으로 많은 성분이다. 단백질함량은 벼품종, 기후, 재배조건에 따라 변이가 심하며, 쌀의 품질과 밥의 물성에 크게 영향을 미쳐 단백질함량이 많을수록 밥이 단단하고 부착성이 떨어져 식미가 저하된다고 보고되고 있다.
2006년부터 국내에 밥쌀용 수입쌀이 유통되고 쌀 시장이 다양화되고 있으며, 소비자들은 식미에 대한 관심이 증가하고 고품질 쌀에 대한 요구도가 점점 높아지고 있는 실정이다. 고품질 쌀의 주요 판정기준으로서 소비자들의 알권리 보호를 위해 2008년 2월 4일부터 시행되고 있는 개선된 양곡표시제도에서는 완전미율과 단백질함량, 품종 혼입율을 품위별로 포장재에 표기하는 것을 권장사항으로 규정하고 있으며 이를 사실과 다르게 과장하거나 허위로 표시를 하였을 경우에는 양곡관리법에 의해 1년 이하의 징역 또는 1,000 만원 이하의 벌금에 처하도록 강도 높은 규제를 하고 있다. 따라서 농가별 원료곡 수매과정에서부터 산물벼 수매 · 건조후 저장창고(사일로)에 혼합되기 전인 산물벼를 원료곡 투입구에 투입하기 전에 단백질함량을 고수분 현미 상태로 미리 분석하여 쌀 품질에 따라 구분하여 저장하는 것이 매우 중요하다.
최근 RPC에서는 고품질 쌀 생산을 위해 정해진 소수의 특정 품종만으로 단일화하여 수매하고 적절한 건조시설을 갖춤으로서 완전미율과 수분함량을 최적화하는 설비를 갖추어 나가고 있다. 그러나 단백질함량은 쌀알에 함유된 고유의 성분으로 인위적으로 조절할 수 없고, 정선과 건조, 제현과 정백과정을 거쳐 백미로 가공한 후에나 함량 측정이 가능해 수매시 단백질함량을 확인할 방법이 전무한 실정이었다. 따라서 수매가를 단백질함량에 따라 차별화할 수 있는 기준이 없고, 재배과정 중 질소시비량 절감과 적정 시비시기에 대한 농가 권고만이 단백질함량을 조절할 수 있는 유일한 수단이나 벼는 살아있는 식물체이므로 수확물의 농가별 단백질함량 차이 발생은 피할 수 없는 실정이다.
한편 시중유통 고품질쌀 브랜드별 쌀품질기준을 살펴보면, 2005년 "탑라이스"(농촌진흥청)는 완전미율 95% 이상, 단백질함량 6.5% 이하, 2007년 -199G+라이스(경기도)는 완전미율 97% 이상, 단백질함량 6.3% 이하, 전라남도는 최고 품질쌀 기준으로 완전미율 95% 이상, 단백질함량 6.5% 이하 등과 같이 각 브랜드별 쌀품질을 규정하여 생산, 유통하고 있다.
그러나 이러한 단백질함량 조절을 위해 각 브랜드별로 재배관리 메뉴얼을 작성, 농가에 보급하고 있으나 벼 수확 후에는 토양성질, 기상 등에 의한 영향으로 농가별 품질이 서로 다를 수밖에 없으며 RPC에서는 원료곡을 수매후 쌀로 가공하고 나서야 비로소 단백질함량을 분석할 수밖에 없다. 따라서 RPC는 농가별 수매 원료곡을 같은 저장탱크(사일로) 또는 저장창고에 혼합하여 저장하게 되므로 상기와 같은 쌀 품질기준 적용에 대해 매우 불안해하고 있는 실정으로 산물벼의 수매 전 단백질함량 분석기술의 개발을 절실히 요구하고 있는 실정이다.
근적외선 분광분석법은 대부분의 천연물이 특정 영역 파장에서 근적외 복사선을 흡수한다는 사실에 바탕을 둔 정량분석방법으로 분자에 의해 흡수되는 근적외선 흡광 스펙트럼을 이용해 분자구조에 대한 정보를 분석하여 물질의 정량분석에 이용한다.
현재 RPC에서 농가로부터 산물벼를 수매한 후 현장에서 바로 단백질함량을 비파괴적으로 알아내기 위한 방법이 전무한 상태이다. 기존의 방법으로는 벼의 품질을 중량, 육안검사 등을 통해 주관적으로 판단하였고 단백질함량을 측정하기 위해서는 건조후 제현하여 현미로 가공 후 다시 백미로 도정하여 화학분석 또는 근적외 분광분석법으로 단백질함량을 측정하였다. 기존의 화학분석방법은 장치비용, 인력ㆍ경비 및 소요시간의 부담이 심각하고, 시료의 손실이 있다는 점에서 실용화 가능성이 낮다. 또한 기존의 근적외 분광분석기의 경우 건조와 도정을 거쳐 백미 상태로 시료를 가공한 후에만 성분 분석이 가능하였다.
본 발명의 목적은 수확 직후 벼의 왕겨만을 제거한 고수분 현미 상태로 근적외선 분광기를 이용하여 상기 벼를 백미로 도정하였을 때의 단백질함량을 비파괴적으로 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 건조 및 도정과정 없이도 신속하고 용이하게 비파괴적으로 백미 중의 단백질함량을 고수분 현미 상태에서도 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은,
1) 기준 시료가 되는 고수분 현미로부터 파장 570 내지 1100 nm에서의 근적외선 스펙트럼을 획득하는 단계;
2) 회귀분석법을 이용하여 상기 단계 1)에서 얻어진 근적외선 스펙트럼으로부터 검량식을 유도하여 검량선을 작성하는 단계;
3) 상기 단계 1)의 고수분 현미를 도정하고 분쇄하여 킬달법에 의해 단백질함량을 정량하여 상기 단계 2)에서 작성된 검량선을 검증하는 단계; 및
4) 측정대상 고수분 현미로부터 근적외선 스펙트럼을 획득하여 검증된 단계 3)의 검량선으로부터 단백질함량을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법인 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
근적외선 분광분석법은 먼저 비파괴적인 분석법으로 시료의 손실이 없고 분쇄하는 등의 형태적 변화가 필요 없으며, 정량, 분해, 냉각, 적정 등 단백질함량의 실험실내 분석을 위한 시약과 시험용 후드, 킬달(Kjeldahl) 분석기, 항온기, 비색계 등의 고가 분석기기가 불필요해 시료 전처리의 편이성이 높다는 장점을 가지고 있다. 또한 근적외선 분광분석법은 제현성이 뛰어나며 사용방법이 간단하여 비숙련자도 쉽게 사용이 가능하며, 장비가 간단하여 RPC 수매현장에 이동 설치할 수 있고 유지보수가 용이하며 또한 분석이 신속하면서도 동시에 여러 성분을 분석할 수 있다는 특성도 가지고 있다.
본 발명의 방법 단계 1)에서는 기준 시료가 되는 고수분 현미의 근적외선 스펙트럼을 획득한다. 이때 근적외선 파장대역은 570 내지 1100 nm이고 투과(transmittance) 측정방법을 사용하는 근적외선 분광기(Infratec 1241, FOSS Analytical AB)로 고수분 현미상태인 시료를 스캐닝하고 측정하여 고수분 현미 근적외선 스펙트럼을 획득한다.
본 발명에서는 수분함량이 15 내지 29 %, 바람직하게는 18 내지 27 %(평균 23% 내외)인 고수분의 현미를 사용할 수 있다. 벼를 현미로 가공하기 위해서는 현미기가 필요하며 현미기는 크게 "롤러식 현미기"와 "임펠러식 현미기"로 나누어진다. 본 발명에서는 "임펠러식 현미기"(Model FC2K, Japan)를 사용하여 벼 수분함량을 28%까지 유지하는 고수분 상태의 벼일지라도 현미가공이 가능한 점을 활용하였다.
근적외선 분광법(Near-InfraRed Spectroscopy : NIRS)은 관심있는 성분을 예측하기 위하여 시료의 NIR 흡수특성을 이용하는 기법으로 특정 영역 파장에서 근적외복사선을 흡수하는 원리를 이용하여 분자에 의해 흡수되는 근적외선 흡광 스펙트럼을 통해 분자구조에 대한 정보를 분석하여 물질의 정량분석에 활용된다. 또한 다른 비파괴검사법에 비하여 품질 평가 시스템을 구성하기 쉽고, 분석 시 숙련된 기술이 필요 없으며, 결과의 해석이 간편할 뿐만 아니라 저비용으로 측정 시스템을 구성할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 사용된 근적외선 분광광도계, Infratec 1241(FOSS Analytical AB, 스웨덴)을 도 1b에 나타내었으며, 상기 근적외선 분광광도계는 도 1a에 도시된 바와 같은 원리로 벼 시료 내에 함유된 현미의 단백질함량을 측정할 수 있다. 본 발명에 첨부된 도 1a를 참조하면, 먼저 기준시료로서 사용할 고수분 현미 시료가 호퍼에 투입되면 시료는 이송벨트에 의해 이동되고, 개폐기의 개방과 함께 시료가 분석실로 투입되면, 광원으로부터 조사되어 그레이팅 되어진 빛이 시료에 전달되고 검출기에 의해 검출되어진다(도 1c 참조). 시료는 내부 차단기의 개폐에 따라 측정시간동안 시료를 담아둘 수 있도록 하며, 측정이 완료되면 개폐기의 개방으로 시료가 밖으로 배출되는 구조를 가지고 있다.
다음으로, 본 발명의 방법 단계 2)에서는 회귀분석법을 이용하여 상기 단계 1)에서 얻어진 근적외선 스펙트럼을 이용하여 최적화 과정을 통해 검량식을 유도한다. 얻어진 스펙트럼은 복잡하고 흡광 스펙트럼의 중첩이 일어나기 때문에 이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 통계처리를 수행하여 최적의 검량식을 유도하고 이렇게 유도된 검량식으로부터 검량선을 작성한다.
먼저 고수분 현미 근적외선 스펙트럼을 수학적으로 전처리하며, 이는 조사된 빛의 산란 효과를 일차적으로 보정해 주는 것으로 이 과정에서 일정한 수준을 벗어난 이상치(outlier)를 제거해 회귀분석의 변수를 줄이고, 최종적으로 작성되는 검량선의 신뢰성을 높인다.
이러한 전처리 후 미분법을 적용하고 수처리 후 여러 회귀분석을 수행하여 검량식을 유도하며 이 경우 다변량 통계기술 중 스펙트럼 데이터에서 추출되는 주성분(principal component)과 실험실값(laboratory reference data)을 이용하여 예측값과 실험실 값의 오차가 최소가 되는 회귀식인 주성분 회귀분석법(principal component regression, PCR)을 사용한다. 회귀분석은 근적외선 분광분석기에 사용되는 계량분석화학(Chemometrics)을 이용하여 주성분회귀분석법(Principle Component Regression, PCR), 부분최소자승법(Partial Least Square, PLS), 변형 부분최소자승법(Modified Partial Least Square, MPLS) 등 여러가지 방법으로 검량식을 산출하였으며, 작성된 검량식을 상호비교 분석한 후 최적의 예측모델을 도출하였다.
본 발명에서는 고수분 현미를 이용한 백미 단백질 함량 분석 검량선 작성시 MPLS법이 가장 적합하여 이 분석방법을 이용하여 적정 검량식을 유도할 수 있다.
검량식은 바람직하게는 RSQ(피어슨곱 모멘트 상관계수의 제곱값)이 다소 낮더라도, 검증오차(SEP)와 표준오차(SEC)를 최소로 하는 식으로부터 선택되어지는 것이 바람직하다. 이와 같은 방법으로 얻어지는 검량식은 실제 현장에서 적용 시 보다 우수한 정확도를 제공할 수 있다.
본 발명의 방법 단계 3)에서는 상기 단계 1)의 고수분 현미를 도정하고 분쇄하여 킬달법에 의해 단백질함량을 정량하여 상기 단계 3)으로부터 작성된 검량선을 검증하는 것으로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 고수분 현미의 수분함량은 표준건조법에 유사한 적외선수분측정기(Kett FD-720, Japan)와 근적외선분광분석기(Infratec 1241, FOSS)에 내장된 수분 함량 예측프로그램을 이용하여 분석하였다.
단백질 함량은 킬달법에 따라 분석하였으며 그 값을 상기 유도된 검량선과 대조하여 확인한다.
상기한 바와 같이, 기준 시료의 근적외선 스펙트럼을 킬달법에 의해 얻어진 단백질함량 값과 대조한 후에는 측정대상 고수분 현미로부터 근적외선 스펙트럼을 획득하여 검증된 단계 3)의 검량선으로부터 단백질함량을 예측하여 측정값을 얻는다.
본 발명에 있어서 "산란보정"이라 함은 스펙트럼과 실험값 사이에 상관관계를 왜곡하는 비선형적 함수를 보정하는 것을 말한다. 산란되는 빛은 스펙트럼과 실험값 사이에 상관관계를 왜곡하는 비선형적 함수로 이것을 보정해 주는 것이다. 산란 항목은 No Scatter Correction, Inverse MSC(multiplicative scatter correction) 과 SNV & Detrend로 지정한 후 여러 가지 회귀식과 수처리 방식으로 검량식 작성을 수행하였다. 도 3a, 3b 및 3c는 본 발명에 의해 분석된 현미에서 백미 단백질 최고 및 최저치 시료가 나타내는 스펙트럼을 찾기 위해 3가지 산란보정(Scatter correction)을 위한 스펙트럼 처리 방식을 보여 준다.
또한, 바람직하게는 상기 분석기를 사용하는 경우 적당한 수학적 처리를 행하여도 좋다. 이러한 수학적 처리는 산란보정 이외에 미분을 포함하며, 미분법은 가장 많이 사용되는 스펙트럼 전처리 기법으로 스펙트럼을 미분하여 흡수대의 변화를 강조함으로써 스펙트럼의 변화는 증폭되고, 동시에 변화만 제시하기 때문에 바탕선의 변화와는 무관하게 되므로 바탕선 제거에 매우 효과적이다.
Infratec 1241이 이용되는 경우 미분의 예를 설명하면 다음과 같다. 미분의 설정은 미분 차수(Derivative), 스펙트럼의 nm 측정 파장 갭(gap), 파장 갭 수처리에서 스펙트럼의 연결을 부드럽게 하기 위한 수처리(smooth 1), 스펙트럼 모양을 더 부드럽게 하기 위한 수처리(smooth 2)의 값을 정하는 것으로 수행되어진다.
통상 미분은 1차, 2차 미분이 많이 사용된다. 이 경우 1 또는 2를 설정하면 된다. 갭(gap)은 미분할 때 사용되는 범위를 지정하며, 예를 들어 갭이 4이면 8 nm를 의미한다. smooth 1은 부드럽게 곡선화하기 위한 평균되는 데이터 포인트의 수로서 갭 크기와 동일하거나 작게 설정한다, 여기서도 4는 8nm를 의미한다. smooth 2는 항상 1로 설정되며, 이것은 이용하지 않겠다는 의미를 포함한다. 파장설정과 스펙트럼 전처리는 사용자가 최적의 조건에 따라 변화시킬 수 있는 부분으로 자주 사용되는 미분 계산법은 1-4-4-1 또는 2-4-4-1 등이 이용될 수 있다. 도면 3a, 3b, 3c는 본 발명에 의해 분석된 현미에서 백미 단백질함량 최고 및 최저치 시료가 나타내는 스펙트럼을 찾기 위해 3가지 수처리 방식(Math treatment)을 위한 스펙트럼 처리방식을 보여 준다.
고수분 현미를 백미로 도정 또는 분쇄하지 않고도 백미 상태의 단백질함량을 측정할 수 있는 본 발명의 방법을 이용할 경우, 벼의 품질을 결정하는데 3일 정도가 소요되는 종래의 수매시스템인 제현율 위주의 벼 품위검사를 고수분 현미의 외관품위인 완전립 비율과 더불어 백미의 단백질함량으로 대체 가능하여 13분 이내에 벼의 신속한 품질분석을 할 수 있을 뿐만 아니라 품질등급에 따른 원료곡의 건조, 저장 시 구분처리가 가능하고 가공수율이 높은 벼를 효율적으로 평가하여 등급에 따른 원료곡의 차등수매가 가능하다.
또한 본 발명의 방법은 고수분 현미상태로 현미완전립율과 본 발명인 백미기준의 단백질함량 측정을 통한 원료곡 품질별 차등관리 프로그램에 응용될 수 있다.
본 발명은 RPC의 산물벼 수매 직후 왕겨를 제거한 고수분 현미에서 건조 및 도정과정을 거치지 않고 바로 단백질함량 예측이 가능하여 신속하고 비파괴적인 방법으로 백미 단백질함량 분석을 할 수 있다.
또한 본 발명을 활용할 경우, 종래에는 수확 직후의 분석에 3일 정도로 장시간이 소요되는 현 수매시스템인 제현율 위주의 벼 품위검사를 고수분 현미의 외관품위인 완전립 비율과 더불어 단백질함량으로 대체가 가능하여 벼의 신속한 품질분석을 할 수 있을 뿐만 아니라 품질등급에 따른 원료곡의 건조, 저장 시 구분처리가 가능하고 가공수율이 높은 벼를 효율적으로 평가하여 등급에 따른 원료곡의 차등수매가 가능하므로 RPC 경영수지 개선, 고품질 쌀 생산기술로 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1a, 1b 및 1c는 본 발명에서 사용된 분석기 내부평면도, 분석기 및 분석원리를 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명에서 고수분 현미로부터 획득한 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 2b는 본 발명에 따른 스펙트럼에 Inverse MSC, 수처리 0-0-1-1을 적용한 후의 그래프이다.
도 2c는 본 발명에 따른 스펙트럼에 SNV & Detrend, 수처리 0-0-1-1을 적용한 후의 그래프이다.
도 3a는 본 발명에 따른 스펙트럼에 SNV & Detrend, 수처리 0-0-1-1을 적용한 후의 그래프이다.
도 3b는 본 발명에 따른 스펙트럼에 SNV & Detrend, 수처리 1-4-4-1을 적용한 후의 그래프이다.
도 3c는 본 발명에 따른 스펙트럼에 SNV & Detrend, 수처리 2-4-4-1을 적용한 후의 그래프이다.
도 4는 고수분현미의 근적외선 스펙트럼과 백미의 습식분석방법인 킬달법과의 상관계수, 회기분석 결정계수를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 기재된 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되지는 않는다.
실시예 근적외선 분광법을 이용한 고수분 현미의 백미 단백질함량 측정
(1) 시료 준비
고수분 현미는 국내 각지에서 2007년과 2008년에 재배된 고시히카리, 추청벼, 오대벼의 산물벼를 2년에 걸쳐 수확 후 건조하지 않은 상태로 미곡종합처리장을 통하여 수집하였다.
시료 채취 현황
지 역 생 태 형 품 종 명 시 료 수
경기 포천 조 생 종 오 대 벼 100
경기 김포 중 생 종 고시히카리 100
경기 화성 중만생종 추 청 벼 100
계 - - 300
품종별 현미 단백질함량 값
구 분 오 대 벼 고시히카리 추 청 벼
평 균 6.9 6.2 6.8
최 대 7.8 7.1 7.5
최 소 6.1 5.6 6.3
편 차 0.4 0.3 0.3
※ 단백질함량 : %
(2) 스펙트럼 획득
고수분 현미는 산물벼를 임펠러식 벼 현미기(Model FC2K, Japan)로 도정하여 근적외선 분광분석기로 현미 단백질 스펙트럼을 스캐닝하여 획득하였고 건조벼는 롤러식 벼 현미기(Model THU35B, Japan)와 정미기(Model MC-90A, Japan)로 도정하여 현미와 백미의 단백질 스펙트럼을 스캐닝하여 획득하였다
근적외선 스펙트럼은 근적외선 대역, 570 내지 1100 nm에서 고수분 현미 상태로 스캐닝 하였으며, 측정방식은 투과(transmittance)법을 사용하였고 2 nm 간격으로 스캐닝을 실시하였다(도 2 참조).
상기 표 1과 같이 많은 시료를 분석하였기 때문에 성분 함량의 변이가 넓게 나타났으며 도 2a와 같은 다양한 스펙트럼을 얻었다.
(3) 수처리(Math treatment) 및 회귀분석
Infratec 1241(FOSS Analytical AB, 스웨덴)를 이용하는 경우, 예측분석을 위해 여러 가지 회귀분석법 (PCR, PLS, MPLS)이 이용되며 이는 제품 제조사로부터 제공된다. 모델구축 전용 프로그램으로는 WinISI Ⅱ 소프트웨어(FOSS Analytical AB, 스웨덴)가 사용될 수 있다. 모델의 구축을 위해 경우에 따라서는 원시스펙트럼, 분할간격 및 평활화 간격을 변화시킨 1차 및 2차 미분 스텍트럼이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 산란보정을 적용한 전처리 스펙트럼과 전처리를 시행하지 않은 스펙트럼이 각각 이용되었다.
산란 항목을 No Scatter Correction, Inverse MSC(multiplicative scatter correction)과 SNV & Detrend로 지정한 후, 여러 가지 회귀식과 수처리 방식으로 검량식 작성을 수행하였다. 도면 2a, 2b 및 2c는 분석된 현미에서 백미 단백질 최고 및 최저치 시료가 나타내는 스펙트럼을 찾기 위해 3가지 산란보정(Scatter correction)을 위한 스펙트럼 처리 방식을 나타낸 것이다.
아래의 표 3 내지 표 5는 고수분 현미에서 백미 단백질 함량분석을 위한 검량식 작성의 결과이다.
고수분 현미에서 백미 단백질 함량분석을 위한 검량식(Scatter 항목을 No Scatter Correction으로 지정)
구 분 Calibration set
(고수분 현미 스캔에서 백미로써 단백질 예측)
회귀식 수처리 N Mean SEC RSQ SECV 1-VR
PCR 0-0-1-1 229 5.894 0.094 0.960 0.097 0.957
1-4-4-1 230 5.883 0.090 0.962 0.091 0.961
2-4-4-1 210 5.937 0.084 0.968 0.084 0.967
PLS 0-0-1-1 254 5.908 0.106 0.950 0.110 0.946
1-4-4-1 232 5.904 0.088 0.965 0.093 0.961
2-4-4-1 256 5.926 0.109 0.947 0.110 0.946
MPLS 0-0-1-1 195 5.895 0.072 0.976 0.073 0.976
1-4-4-1 207 5.900 0.076 0.974 0.080 0.971
2-4-4-1 236 5.8932 0.091 0.964 0.093 0.962
고수분 현미에서 백미 단백질 함량분석을 위한 검량식(Scatter 항목을 Inverse MSC로 지정)
구 분 Calibration set
(고수분 현미 스캔에서 백미로써 단백질 예측)
회귀식 수처리 N Mean SEC RSQ SECV 1-VR
PCR 0-0-1-1 242 5.899 0.101 0.955 0.103 0.953
1-4-4-1 246 5.895 0.103 0.951 0.105 0.950
2-4-4-1 228 5.923 0.092 0.963 0.092 0.962
PLS 0-0-1-1 228 5.879 0.091 0.961 0.095 0.957
1-4-4-1 235 5.898 0.101 0.955 0.103 0.953
2-4-4-1 231 5.902 0.092 0.963 0.097 0.959
MPLS 0-0-1-1 230 5.883 0.094 0.961 0.096 0.960
1-4-4-1 213 5.868 0.087 0.964 0.086 0.965
2-4-4-1 226 5.876 0.091 0.963 0.094 0.960
고수분 현미에서 백미 단백질 함량분석을 위한 검량식(Scatter 항목을 SNV & Detrend 으로 지정)
구 분 Calibration set
(고수분 현미 스캔에서 백미로써 단백질 예측)
회귀식 수처리 N Mean SEC RSQ SECV 1-VR
PCR 0-0-1-1 248 5.900 0.105 0.952 0.106 0.951
1-4-4-1 245 5.905 0.103 0.953 0.103 0.953
2-4-4-1 233 5.912 0.095 0.959 0.095 0.959
PLS 0-0-1-1 231 5.869 0.091 0.960 0.095 0.956
1-4-4-1 242 5.895 0.102 0.953 0.105 0.951
2-4-4-1 237 5.895 0.100 0.957 0.102 0.954
MPLS 0-0-1-1 212 5.879 0.086 0.964 0.089 0.961
1-4-4-1 245 5.890 0.102 0.954 0.102 0.954
2-4-4-1 224 5.875 0.089 0.965 0.093 0.961
SEC: 검량식의 표준오차 (standard error of calibration)
RSQ: 다중결정계수 (squared coefficient of multiple determination
in calibration)
SECV : Cross validation (CV)의 표준오차 (standard error of cross validation)
1-VR : 1-Varianace
검량식은 표 3 내지 표 5와 같이 MPLS(Modified Partial Least Square) Regression의 0차 미분이 검량식 작성에 최적인 것으로 나타났는데, 현미로써 단백질함량은 0, 0, 1, 1 (0차 미분, 측정파장의 gap: 2nm, smooth 1 항목 1 조정, smooth 2 항목 1 조정)을 통한 검량식이 가장 우수한 것으로 판단되었다(표 6).
고수분 현미에서 백미 단백질함량 분석을 위한 검량식 선정
Math treatment
 Calibration set Validation set
R2 SEC r2 SEP
MPLS, 0-0-1-1 0.976 0.072 0.967 0.086
* SEP(Standard Error of Prediction) : 표준예측오차
(4) 현미와 백미의 단백질 함량 측정
롤러식 벼 현미기(Model THU35B, SATAKE)와 정미기(Model MC-90A, TOYO)로 도정하여 현미와 백미 도정 후 분쇄(Cycrotec, FOSS)하여 현미 및 백미 가루에 진한 황산 및 촉매제를 가하여 가열분해하고 생성된 황산암모늄에 과잉의 알칼리를 가해 암모니아를 발생시켜 이것을 가열 증류해서 일정량의 산 표준액에 흡수시킨다. 산은 암모니아 양에 따라서 중화되므로 과잉의 산을 알칼리표준액으로 역적정하여 전 질소량을 구하는 방법이다. 킬달(Kjeldahl)법은 다음의 4단계 반응으로 진행된다:
- 분해반응 : 질소(N) + H2SO4 → (NH4)2SO4+SO2↑ +CO2↑ + CO↑ + H2O↑
- 증류반응 : (NH4)2SO4+2NaOH → 2NH3+Na2SO4+2H2O
- 중화반응 : 2NH3+H2SO4 → (NH4)2SO4
- 적정반응 : H2SO4+2NaOH → Na2SO4+2H2O
본 시료들의 단백질함량은 먼저 분말 시료 약 0.5 g을 취하여 정확히 칭량한 다음 분해튜브에 시료, 촉매제(CuSO4 + K2SO4) 1정, 진한 황산 10 ㎖를 차례로 넣고 분해기가 420 ℃까지 예열된 상태에서 분해튜브를 스탠드 이용 분해기에 장착하고 약 40분간 분해하였다. 분해가 완료되면 분해튜브를 자동증류, 적정장치로 옮겨 증류 및 적정하여 조단백질을 계산하였다.
조단백질(%) = (V-V0) × F × 0.0014 × 5.95(질소계수)/S × 100
상기 식에서,
V : 분석시료에 대한 0.1N-H2SO4 적정치 (㎖)
V0 : 공시료(Blank)에 대한 0.1N-H2SO4 적정치 (㎖)
F : 0.1N - H2SO4 표준용액의 팩터(factor)
5.95 : 질소환산계수
S : 시료채취량 (g)이다.
이러한 방법으로 계산된 단백질 함량은 위에서 측정된 수분함량을 기초로 수분함량 15%를 기준으로 보정 후 실험실 값으로 사용되었다.
고수분 현미 상태에서 측정된 백미 단백질 시료수와 측정결과
구 분 시료수
(점)		 수분 범위(%) 백미 단백질 범위(%) 백미 단백질 평균(%) 단백질
표준편차
고수분현미 300 18.0~26.9 5.0~7.0 5.91 0.37
(5) 검증
상기 검량식이 얻어지면 이 검량식의 적용이 합당한지를 검증하여야 한다. 따라서 검량식을 만들 때 Cross Validation (CV)을 사용하여 검량세트 내에서 내부 검증을 한다. 이 방법은 검량세트 내 시료 중 일부는 검량식을 만드는데 이용되고, 검량식 작성에 제외된 시료들을 대상으로 별도의 예측세트(Prediction set)를 만들어 검량식을 검증하는 것이다.
고수분 현미의 근적외선 분광분석을 통한 백미의 단백질함량 측정방법을 정리하면 하기와 같다
(a) 근적외선 스펙트럼의 바탕선 고정을 위한 Scatter는 No Scatter Correction, 수처리는 0차 미분법을 이용하는 것이 바람직하며, 또한 측정 파장별 갭은 2 nm 경우가 적당하다.
(b) 적정 검량식을 도출하기 위한 회귀식 작성은 MPLS(Modified Partial Least Square)법이 가장 적합하다.
(6) 적용
실시예에 따른 검량선을 확인하기 위해 최종적으로 실제 고수분 현미의 스펙트럼으로 백미 단백질함량을 예측모델에 적용하였다. 단백질 분석기준으로는 가장 일반적으로 습식분석 방식인 킬달(Kjeldahl)법과 비교하였다. 그 결과 회귀분석 결정계수는 0.967의 높은 값을 나타내어 검량식의 정확성을 확인할 수 있었다(도 4 참조).
상술한 실시예 및 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적이 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위 뿐만이 아니라 청구범위와 함께 균등범위를 포함하여 판단되어야 한다.

Claims (8)

1) 기준 시료가 되는 고수분 현미로부터 파장 570 내지 1100 nm에서의 근적외선 스펙트럼을 획득하는 단계;
2) 회귀분석법을 이용하여 상기 단계 1)에서 얻어진 근적외선 스펙트럼으로부터 검량식을 유도하여 검량선을 작성하는 단계;
3) 상기 단계 1)의 고수분 현미를 도정하고 분쇄하여 킬달법에 의해 단백질함량을 정량하여 상기 단계 2)에서 작성된 검량선을 검증하는 단계; 및
4) 측정대상 고수분 현미로부터 근적외선 스펙트럼을 획득하여 검증된 단계 3)의 검량선으로부터 단백질함량을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 고수분 현미의 수분 함량이 18 내지 27%인 것을 특징으로 하는 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 검량식은 회귀분석법을 이용하여 유도되는 것을 특징으로 하는 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 회귀분석법은 피어슨곱 모멘트 상관계수, 주성분회귀분석법(PCR), 부분최소자승법(PLS) 및 변형 부분최소자승법(MPLS)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법.
제 4항에 있어서, 상기 회귀방정식은 변형 부분최소자승법의 수처리 W-X-Y-Z(상기 식에서, W는 미분 차수이며, X는 스펙트럼의 nm 측정 파장 갭이고, Y는 파장 갭 수처리에서 스펙트럼의 연결을 부드럽게 하기 위한 수처리 smooth 1이며, Z는 스펙트럼 모양을 더 부드럽게 하기 위한 수처리 smooth 2이다.)인 것을 특징으로 하는 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법.
제 5항에 있어서, 상기 회귀방정식은 변형 부분최소자승법의 수처리 0-0-1-1인 것을 특징으로 하는 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법.
제 5항에 있어서, 상기 회귀방정식은 변형 부분최소자승법의 수처리 1-4-4-1인 것을 특징으로 하는 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법.
제 5항에 있어서, 상기 회귀방정식은 변형 부분최소자승법의 수처리 2-4-4-1-인 것을 특징으로 하는 근적외선 분광기를 이용하여 고수분 현미로부터 비파괴적으로 백미 상태의 단백질함량을 측정하는 방법.
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