KR20210119927A - 밀의 발아율 예측 시스템 및 발아율 예측 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀의 발아율 예측 시스템 및 발아율 예측 방법에 관한 것으로 밀 시료에 자외선 및 근적외선 광원을 조사하고 그로부터 반사되어 나오는 반사광의 스펙트럼을 분석하여 밀의 발아율을 신속 정확하게 예측할 수 있다. 본 발명은 밀에 화학적 처리를 가하거나, 분쇄하지 않고 밀 자체로 비파괴적 분석이 가능하다.

Description

밀의 발아율 예측 시스템 및 발아율 예측 방법{Prediction System of Germination Rate of Wheat and Prediction Method of Germination Rate of Wheat using the same}

본 발명은 밀의 발아율 예측 시스템 및 상기 시스템을 이용한 밀의 발아율 예측 방법에 관한 것이다.

밀(Triticum aestivum L.)은 쌀과 옥수수와 더불어 3대 작물 중 하나이며, 최근 세계 주요 밀 수출국가의 생산량 감소와 재고량의 감소로 밀 곡물가가 상승하면서 수입밀과 국산밀의 가격이 점차 좁혀지고 있다. 우리나라의 국민 1인당 밀 소비량은 연간 32.4 kg으로 쌀 다음으로 많지만, 밀의 식량 자급률은 1.7%로 연간 200만 톤을 수입하고 있다. 수입 원맥을 제분하여 국내에서 생산되는 수입 밀가루는 연간 170만톤 정도로 주로 제면(37%), 제과제빵(25% 과 가정용 소비를 포함한 기타 식품 소비(22%)로 이용된다.

발아는 적당한 환경하에서 싹이 발생 또는 그 종의 번식을 위해 생명을 시작하는 것으로 종자의 씨눈과 배젖에 있는 비활성 상태의 DNA 유전정보와 각종 효소, 영양소 등이 외적 환경 여건이 좋아지면서 활성화 되어 식물로서의 생명을 시작하는 과정이다. 씨 눈 부분이 발아되면서 영양성분인 단백질과 아미노산, 지방산, 탄수화물, 비타민, 미네랄, 식이섬유 등이 변화하며, γ-orizanol 이나 arabinoxylane, γ-aminobutyric acid(GABA), vitamin E 등의 생리활성 성분들이 증가하고, 발아 중에 효소가 활성화됨으로써 영양성분들의 체내 흡수가 용이하게 되는 것으로 알려져 있다.

발아가 이루어지기 위해서는 배아에서 효소가 활성화되어 있어야 하는데, 이러한 효소 활성 현상은 분광분석법을 적용하여 특정 파장대에서 흡광도 측정이 가능하다. 즉, 일반적인 원료 상태에서는 정도의 차이가 있지만 발아 과정과 동일하게 효소에 의한 품질 저하가 계속 발생되며, 다양한 파장대의 빛을 조사하면 원자단 및 미량 성분 함유량을 측정할 수 있다. 따라서, 발아율이 높다는 것은 배아가 살아있는 곡립의 비율이 높다는 것이며, 곡립이 살아있다는 것은 효소 활성이 있다는 것으로서 효소 활성도의 측정, 즉 효소 반응으로 발생된 대사 물질의 측정이 분광분석 기법으로 측정이 가능하다.

본 발명자들은 밀의 발아율 예측 방법을 개발하기 위해 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 밀 시료에 자외선 및 근적외선 광원을 조사하고 그로부터 반사되어 나오는 반사광의 스펙트럼을 분석하여 비파괴적인 방법으로 밀의 발아율을 신속 정확하게 예측할 수 있음을 규명함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 밀의 발아율 예측 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 밀의 발아율 예측 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 양태는 다음을 포함하는 밀의 발아율 예측 시스템에 관한 것이다:

밀 시료가 정렬되는 시료 정렬부;

광원을 포함하는 광원부;

상기 광원부에서 밀 시료에 조사(illumination)된 광원에 의해 상기 밀 시료로부터 반사되어 나오는 반사광의 스펙트럼을 획득하는 분광센서를 포함하는 반사광 검출부; 및

상기 반사광 검출부로부터 얻은 반사광 스펙트럼을 분석하여 밀의 발아율을 예측하는 발아율 예측부.

본 발명자들은 밀의 발아율 예측 방법을 개발하기 위해 예의 연구 노력하였고 그 결과, 밀 시료에 자외선 및 근적외선 광원을 조사하고 그로부터 반사되어 나오는 반사광의 스펙트럼을 분석하여 비파괴적인 방법으로 밀의 발아율을 신속 정확하게 예측할 수 있음을 규명하였다.

본 발명의 밀의 발아율 예측 시스템에서 상기 광원은 자외선 파장범위를 갖는 광원 및 근적외선 파장범위를 갖는 광원으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 광원일 수 있고, 예를 들어, 자외선 파장범위를 갖는 광원 및 근적외선 파장범위를 갖는 광원일 수 있다.

상기 광원은 시료 정렬부 상부에 위치할 수 있다.

본 발명의 밀의 발아율 예측 시스템에서 상기 반사광 검출부는 자외선 파장범위 및 근적외선 파장범위의 스펙트럼 측정을 위한 분광센서를 포함할 수 있다.

상기 분광센서는 시료 정렬부 상부에 위치할 수 있다.

상기 분광센서는 시료로부터 반사되는 반사광에서 200 내지 600 nm 대역의 자외선 광 스펙트럼 및 900-1,700 nm 대역의 근적외선 광 스펙트럼을 검출하고 이를 광전변환하여 출력할 수 있다.

본 발명의 밀의 발아율 예측 시스템에서 상기 시료 정렬부는 XYZ 축 방향으로 이동하여 상기 분광센서와 상기 밀 시료 표면의 거리를 제어할 수 있다.

밀은 형상이 매우 불균일하기 때문에 반사광 검출부와 시료 정렬부가 고정되어 있는 경우, 시료에 따라 반사광을 획득하는 높이가 다르게 된다. 동일한 높이에서 반사광을 획득하여야 밀의 발아율 예측 모델의 정확도를 높일 수 있기 때문에 본 발명에서는 시료 정렬부를 XYZ 축 방향으로 이동할 수 있도록 설계하여 밀 시료별 차이에 상관없이 일정한 높이에서 반사광을 획득할 수 있도록 하였다. 그에 따라, 밀 시료별로 반사광 획득 높이를 동일하게 함으로써 동일한 조건에서 반사광 스펙트럼을 측정할 수 있다.

상기 반사광 검출부로부터 얻은 반사광 스펙트럼은 부분최소자승법(Partial Least Squares: PLS)을 이용하여 분석하여 밀의 발아율을 예측할 수 있다.

상기 밀의 발아율 예측값은 0-1 범위(발아립: 1, 미발아립 0)이므로, 예측값 0.5를 기준으로 이치화하여 0.5 이상일 경우에는 발아립으로, 0.5 미만일 경우에는 미발아립으로 분류하여 최종 발아율 예측값을 산출할 수 있다.

본 발명의 다른 양태는 다음의 단계를 포함하는 밀의 발아율 예측 방법에 관한 것이다:

광원을 밀 시료에 조사하는 광원 조사 단계;

밀 시료로부터 반사되어 나오는 반사광의 스펙트럼을 측정하는 반사광 측정 단계; 및

상기 반사광 측정 단계에서 얻은 반사광 스펙트럼을 부분최소자승법(Partial Least Squares: PLS)을 이용하여 분석하여 밀의 발아율을 예측하는 발아율 예측 단계.

상기 광원은 자외선 파장범위를 갖는 광원 및 근적외선 파장범위를 갖는 광원으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 광원일 수 있고, 예를 들어, 자외선 파장범위를 갖는 광원 및 근적외선 파장범위를 갖는 광원일 수 있다.

본 발명은 밀의 발아율 예측 시스템 및 발아율 예측 방법에 관한 것으로 밀 시료에 자외선 및 근적외선 광원을 조사하고 그로부터 반사되어 나오는 반사광의 스펙트럼을 분석하여 밀의 발아율을 신속 정확하게 예측할 수 있다. 본 발명은 밀에 화학적 처리를 가하거나, 분쇄하지 않고 밀 자체로 비파괴적 분석이 가능하다.

도 1은 밀의 발아율 예측 시스템에 대한 기본 개념도이다.
도 2는 우리밀(금강)의 면적 분포를 나타내는 그래프이다.
도 3은 밀 시료에 대한 반사광 획득 높이를 나타내는 도면이다.
도 4a는 우리밀(금강)에 대한 근적외석 분광분석 결과이다.
도 4b는 우리밀(조경)에 대한 근적외석 분광분석 결과이다.
도 4c는 우리밀(백중)에 대한 근적외석 분광분석 결과이다.
도 5a는 이치화 전 우리밀 시료의 발아율 측정치 및 분광분석 모델 측정치를 나타낸다.
도 5b는 이치화 후 우리밀 시료의 발아율 측정치 및 분광분석 모델 측정치의 비교 결과이다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 분광분석법에 의한 쌀의 발아율 측정

1-1. 공시재료

실험에 이용한 우리밀은 금강 및 조경 등 국내에 재배되고 있는 대표적인 품종으로서, 금강은 2017년산이며 발아율은 96%, 조경은 2015년산이며 발아율은 4% 수준이었다.

발아율 측정은 국립농산물품질관리원 및 CCIA(California Crop Improvement Association) 방법에 준하여 종자소독 후 필터페이퍼(No.20, Hyundai micro Co,, Korea)를 이용하여 20℃의 인큐베이터(HK-B1028, B.O.D Incubator, 한국종합기기제작소)에 넣고 7일 이내에 발아한 미립수로 측정하였다.

종자소독은 MSBP(Millennium Seed Bank Partnership at KEW) 방법에 따라 0.5% 차아염소산나트륨(NaClO) 용액과 1% 계면활성제(Tween 20)를 혼합한 용액에 10분간 침지 후, 흐르는 물에 1분간 세척하여 실시하였다.

1-2. 측정 장치

우리밀 발아율 측정을 위한 분광분석 장치는 실시예 1의 쌀 발아율 측정장치와 동일하게 200-600 nm 영역의 UV 센서와 900-1,700 nm 영역의 NIR 센서 등 UV와 NIR의 2개 분광대역에서 측정이 가능하도록 구성하였다.

분광센서에 제공되는 광원은 2중 광원을 채택하였으며, 400-2,500 nm의 할로겐 램프(5W)와 200-600 nm의 Deuterium 램프(5W)를 적용하였으며, 광원에는 독립적으로 구성된 광량조절기를 이용하여 분광센서로 전달되는 광량을 조절할 수 있도록 구성하였으며, 사용되는 파장대역에 따른 적정광량을 독립 또는 복합적으로 제어할 수 있도록 구성하였다.

광섬유(Optical fiber)는 광원의 전달과 흡광도를 동시에 측정하기 위하여 200-2,000 nm 영역의 광케이블을 Trifurcate type(광입력 1채널, 반사 2채널)으로 구성하였다.

단립 측정이 가능한 시료대는 1회 30립(5Х6)의 측정이 가능하도록 하였고, 2개의 micro-step motor와 motion controller를 사용하여 XYZ 방향으로 정밀이동(±1 ㎛)이 가능하도록 하였고 제어장치를 구성하였다(도 1).

1-3. 높이 측정 제어 시스템

우리밀은 쌀 등 다른 곡물과 달리 기하학적 형상이 단립별로 매우 불균일하다(도 2).

동일한 높이와 밀도에서 반사광을 획득하여야 실험모델의 정밀도를 높일 수 있는데, 도 10과 같이 우리밀은 형상이 매우 불균일하여 반사광을 획득하는 높이(x0≠x1≠x2)가 다르기 때문에 실험모델의 정밀도가 낮아지는 원인이 될 수 있다(도 3).

따라서, 분광센서를 우리밀 단립에 반사시킬 경우 각 단립별 형상차이로 인한 높이 차이가 발생하게 되어 단립별 반사 스펙트럼이 발아율에 따른 데이터를 획득하기 보다는 높이 차이의 데이터를 획득할 가능성이 매우 높다.

실제 높이 차이를 무시하고 우리밀 3품종의 스펙트럼을 발아율 실측치와 분석한 결과 실험모델의 상관계수는 0.13-0.71로 매우 낮은 수준이었다(도 4a-4c).

높이 차이를 확인하기 위한 실험에는 금강, 백중 및 조경 등 3품종을 사용하였고, 품종별로 정립 300립을 이용하였다. 금강의 경우 2014년산(김제) 30립, 2017년산(영광) 270립을 이용하였고, 백중은 2015년산(광주) 300립을, 조경은 2015년산(합천) 300립을 실험에 이용하였다. 발아율은 금강 45.0%, 백중 55.5%, 조경이 48.5%로서, 실험에 이용한 가능한 적정한 범위였다.

우리밀 시료의 스펙트럼을 획득한 후 상용프로그램인 Unscrambler(ver 7, Camo CO., USA)의 부분최소자승법(Partial least square, PLS)을 이용하였으며, 흡광도로 표시된 스펙트럼과 발아율 값에 대하여 파장범위, 수학적 처리 및 전치방법을 설정하여 결정계수, 교정부 오차 등으로 분석하였다.

실험결과, 실험모델의 상관계수(0.13-0.71)가 매우 낮은 원인은 도 2와 같이 우리밀의 형상이 매우 불균일하여 반사광을 획득하는 높이가 우리밀 단립별로 서로 달라 상관계수가 낮아진 것이 원인인 것으로 판단되었다.

그에 따라, 우리밀의 근적외선 스펙트럼을 획득할 때 단면의 정중앙의 위치제어(X-Y축)뿐 아니라, 우리밀 단립의 표면과 분광센서와의 정확한 높이(Z축)를 제어하도록 시스템을 구성하였다.

1-4. 측정방법

Spectrometry 기반의 발아율 측정시스템에서 발아율 측정을 위하여 우리밀 공시재료를 대상으로 발아율 측정시스템에서 스펙트럼을 측정한 후, 각 단립별로 발아율을 측정(국립농산물품질관리원 및 CCIA 방법)한 후 이들 측정치를 이용하여 정확도를 측정하였다.

우리밀 2품종의 각각 200립에 대하여 시료대에 시료 30립을 단립으로 각각 정렬시킨 후 시료정렬부가 XYZ 방향으로 움직이면서 각 단립의 스펙트럼을 획득하였으며, 이 때 스펙트럼은 200-400 nm의 UV 영역과 900-1,700 nm의 NIR 영역에서 2-30 nm 차이의 파장대 범위로 총 460개의 파장대에서 획득하였다.

우리밀 시료의 스펙트럼을 획득한 후 자료를 텍스쳐 형태로 변환한 후 분석 프로그램을 이용하여 분석하였다.

1-5. 측정결과

우리밀 금강 및 조경시료 각 100립씩 총 200립의 분광분석 스펙트럼을 획득한 후 발아율 값과 분석한 결과는 도 5a-5b와 같다. 발아가 되는 립을 1, 발아가 되지 않는 립을 0으로 목표값을 정한 후 분석한 결과, 각 시료간의 평균 표준편차는 0.078 수준이었다.

예측값이 0-1 범위(발아립 1, 미발아립 0)이므로 예측값을 0.5을 기준으로 이치화하여 분석한 결과, 총 200립 중 발아 및 미발아를 판단한 립수는 191립으로서 정확도는 95.5% 수준으로 만족할 만한 수준이었다.

Claims (2)

1. 밀 시료가 정렬되는 시료 정렬부;
   광원을 포함하는 광원부;
   상기 광원부에서 밀 시료에 조사(illumination)된 광원에 의해 상기 밀 시료로부터 반사되어 나오는 반사광의 스펙트럼을 측정하는 분광센서를 포함하는 반사광 검출부; 및
   상기 반사광 검출부로부터 얻은 반사광 스펙트럼을 분석하여 밀의 발아율을 예측하는 발아율 예측부를 포함하고,
   상기 시료 정렬부는 XYZ 축 방향으로 이동하여 상기 분광센서와 상기 밀 시료 표면의 거리를 제어하여 밀 시료별로 반사광 획득 높이를 동일하게 하고,
   상기 광원은 자외선 파장범위를 갖는 광원 및 근적외선 파장범위를 갖는 광원을 포함하며,
   상기 분광센서는 시료로부터 반사되는 반사광에서 200 내지 600 nm 대역의 자외선 광 스펙트럼 및 900-1,700 nm 대역의 근적외선 광 스펙트럼을 검출하고 이를 광전변환하여 출력하고,
   상기 반사광 검출부로부터 얻은 반사광 스펙트럼은 부분최소자승법(Partial Least Squares: PLS)을 이용하여 분석하는 것인, 밀의 발아율 예측 시스템.
2. 광원을 밀 시료에 조사하는 광원 조사 단계;
   밀 시료별로 반사광 획득 높이를 동일하게 함으로써, 밀 시료로부터 반사되어 나오는 반사광의 스펙트럼을 측정하는 반사광 측정 단계; 및
   상기 반사광 측정 단계에서 얻은 반사광 스펙트럼을 부분최소자승법(Partial Least Squares: PLS)을 이용하여 분석하여 밀의 발아율을 예측하는 발아율 예측 단계를 포함하고,
   상기 광원은 자외선 파장범위를 갖는 광원 및 근적외선 파장범위를 갖는 광원을 포함하며,
   상기 반사광의 스펙트럼은 200 내지 600 nm 대역의 자외선 광 스펙트럼 및 900-1,700 nm 대역의 근적외선 광 스펙트럼인 것인, 밀의 발아율 예측 방법.

Images