FT-NIR과 Raman 장비를 이용한 콩의 단백질, 지방 함량 예측

이훈수 ( Hoonsoo Lee ),손수인 ( Soo-insohn ),지희연 ( Hee-youn Chi ),박수철 ( Soo-chul Park ),조병관 ( Byoung-kwan Cho ) 한국농업기계학회 2012 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.17 No.1

근적외선 초분광 영상을 이용한 천일염 내 미세플라스틱 검출

이훈수 ( Hoonsoo Lee ),정환조 ( Hwanjo Chung ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

플라스틱은 해양오염의 높은 비중을 차지한다. 이들 중 일부는 여러 과정을 거쳐 크기 5mm이하로 잘게 변형되는데 이를 미세플라스틱이라 한다. 미세플라스틱은 미생물에 의해 분해되지 않으며 생식 합병증, 효소활동 중단, 해양생물 성장률 둔화 등 부작용을 일으킬 수 있다. 특히 바닷물을 통해 얻은 천일염에 함유된 미세플라스틱은 인간의 건강을 위협하고 있다. 따라서 이 연구의 목적은 근적외선 초분광 영상 시스템을 이용하여 천일염 내 존재하는 미세플라스틱의 정성 및 정량 검출 모델을 개발하는 것이다. 총 8가지 종류의 플라스틱 시료를 10가지 농도로 시료를 제작한 뒤 데이터를 획득했으며, 1mm 이하의 입자 크기를 실험에 사용되었다. 근적외선 초분광 영상은 1000nm~1800nm의 파장정보를 획득할 수 있는 분광기 및 영상센서를 이용하여 획득되었다. 정성 및 정량 최적 모델개발을 위해 Partial least square regression(PLSR) 및 lesat square support vector machine (LS-SVM)기법을 이용하였다. 8가지 종류의 플라스틱시료 중에서 테프론을 제외한 나머지 7가지 시료에 대한 근적외선 초분광영상은 천일염의 초분광영상과 구분이 가능하였다. 플라스틱별 최적모델은 PLSR 모델결과가 LS-SVM 모델보다 낮은 SEP 값을 나타내어 정량검출 최적모델로 선정되었으며, 정량검출 한계는 최소 1%로 확인되었다. 근적외선 초분광영상은 천일염 내 미세플라스틱의 검출 뿐만 아니라 농산물 및 식품 내 미세플라스틱의 정성 및 정량 검출에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

유기질 비료 내 음식물류폐기물건조분말의 분광특성분석

이훈수 ( Hoonsoo Lee ),조현정 ( Hyunjeong Cho ),류진환 ( Jinhwan Ryu ),조병관 ( Byoung-kwan Cho ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

유기농업이란 화학비료와 농약 등의 합성 화학물질을 사용하지 않고 유기물과 자연광물, 미생물 등의 물리적, 미생물적으로 제조된 자재만을 사용하여 농산물을 생산하는 농업을 말한다. 즉, 유기농업을 위해서는 인증된 유기농업자재를 사용하여야 하지만, 최근 음식물류폐기물건조분말이 고품질의 유기질비료로 둔갑된 사건이 발생되었다. 이는 음식물류폐기물건조분말 내 염분의 농도가 2% 이상으로 높아 연작시 토양의 염류 집적화 및 작물의 생육 저해로 이어질 가능성이 있다. 현재 음식물류폐기물건조분말의 혼입여부를 측정하기 위한 방법은 염분의 농도를 측정하는 방법이 적용되어 시행되고 있으나, 현장에서 유기질 비료 내 음식물류 폐기물건조분말의 혼입여부를 신속정확하게 측정할 수 있는 기술이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 분광분석기술을 적용하여 음식물폐기물건조분말과 유기질비료의 원재료간의 분광특성을 비교분석하고자 한다. 유기농업자재의 원재료 내 음식물류폐기물건조분말의 정성검출 판별모델을 개발하기 위해 음식물류폐기물건조 분말이 혼입된 시료 102개와 혼입되지 않은 시료 93개의 근적외선 분광스펙트럼 데이터베이스를 이용하였다. 스펙트럼의 전처리에 따른 모델개발의 비교분석을 위해 7가지의 전처리방법을 적용하였고, 부분최소자승법(Partial least square regression)은 최적모델개발에 활용되었다. 모델 개발(Calibration)에는 전체시료의 75%를 이용하여 모델 개발에 사용하였고, 모델 개발에 사용하지 않은 25%의 스펙트럼데이터(Prediction)는 모델의 성능평가를 위해 적용되었다. 음식물류폐기물건조분말이 혼입된 시료를 검출하는 최적 모델은 스펙트럼 전처리기법을 적용하지 않은 기본 스펙트럼을 이용하고, 1000∼2500nm의 전파장을 사용하였을 때 가장 낮은 모델의 SEC 값을 나타내었다. Calibration 결과는 전체시료 146개 중에서 6개를 제외한 140개의 시료를 구분할 수 있었고, 95.9%의 정확도를 나타내었다. 모델 성능평가에서는 사용된 49개 시료중 3개의 시료를 제외한 46개의 시료를 구분함으로써 93.9%의 예측성능을 보여주었다. 이 결과는 근적외선 분광스펙트럼 데이터는 유기농업자재 내 부정혼입되어 있는 음식물류폐기물의 정성검출모델 개발에 적용가능성이 높음을 나타낸다.

다분광 영상을 이용한 배추의 고온스트레스 판별 분석

이훈수 ( Hoonsoo Lee ),임승현 ( Seunghyun Lim ),위승환 ( Seunghwan Wi ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

환경스트레스에 대한 배추의 피해를 예방하기 위해서는 우선적으로 피해를 조기 진단할 수 있는 기술이 요구된다. 하지만, 채소작물의 환경스트레스로 인한 작물의 생육상태는 생물ㆍ화학적 방법을 이용하여 작물 내 다양한 물질대사 산물 분석을 통해 진단하지만, 환경스트레스로 인한 주요 채소작물의 피해 기준의 설정과 조기진단을 비파괴적으로 신속 분석할 수 있는 기술이 요구된다. 따라서, 본 연구에서는 다분광 영상을 이용하여 배추의 고온스트레스에 의한 반응을 조기 진단할 수 있는 모델을 개발하고자 한다. 실험에 사용된 배추는 정식 후 40일이 지난 작물을 사용하였고, 3단계의 온도처리(16/20℃, 24/28℃, 32/36℃)가 8일간 처리되었다. 획득된 분광영상정보는 462nm부터 870nm까지 총 38장의 분광영상정보가 획득되었고, NDVI, Red-Edge Ratio, PRI 식생모델과 스펙트럼 정보를 이용하여 개발한 PLS 및 LS-SVM 모델의 성능을 비교하였다. 20도와 28도의 스펙트럼 판별확도는 5가지의 모델 중 LS-SVM 모델이 가장 높은 정확도를 나타내었다. 또한, 28도와 36도, 20도와 36도의 결과 역시 LS-SVM 모델을 사용하였을 때의 정확도(93.6%)가 가장 높은 결과를보여주었다. 이는 비선형 hyperplane(경계판)으로 각 그룹을 구분하는 것이 배추의 스펙트럼 비교분석에 필요함을 나타내는 것으로 판단되며 됨. 또한 20도와 28도의 결과보다는 28도와 36도의 판별정확도가 높았고, 28도와 36도의 판별정확도보다는 20도와 36도의 판별정확도가 높았다. 이 결과는 고온에 의한 배추작물의 내외부의 변화가 온도가 높아질수록 증가하는 것으로 사료된다. 따라서 본 연구의 결과는 다분광영상을 이용한 비선형판별모델이 배추의 고온스트레스에 의한 반응을 예측하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

온도스트레스에 의한 배추의 분광영상분석

이훈수 ( Hoonsoo Lee ),임승현 ( Seunghyun Lim ),위승환 ( Seunghwan Wi ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

기후변화에 따른 이상기상현상은 노지 채소 작물의 생장지연 및 생리장해를 야기한다. 배추(Brassica campestris subsp. napus var. pekinensis)는 김치의 주재료로 국내의 안정적인 생산이 요구되는 채소중 하나이다. 특히 배추는 고온에 민감한 채소작물이므로 지구온난화로 인한 평균 온도의 증가 및 이상고온현상으로 인한 피해가 예상된다. 하지만 배추의 환경스트레스에 의한 생리·화학적 기작의 구명 및 비파괴적으로 신속한 환경스트레스 반응을 예측하는 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구의 목적은 고온에 의한 배추의 환경스트레스 반응을 조기에 진단하기 위해 분광영상정보와 머신러닝기법을 이용하여 조기진단 모델을 개발하는 것이다. 배추는 3단계의 온도처리(16/20℃, 24/28℃, 32/36℃)가 정식 후 40일째에 실시되었다. 다분광 영상정보는 462nm부터 870nm까지 총 38장의 분광영상정보가 획득되었고 머신러닝기법을 이용하여 온도처리 간 차이를 분석하였다. 3단계의 온도처리 중에서 20℃와 36℃의 고온환경에 8일간 처리된 배추간에는 파장비 영상에서 유의한 차이가 확인되었다. 하지만 분광영상의 차이의 원인을 구명하기 위한 추가적인 생리적 반응에 대해 추가적인 연구가 필요하다. 따라서 본 연구의 결과는 다분광영상이 배추의 고온스트레스에 의한 반응을 예측하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

가시광/근적외선 분광기술을 이용한 유기질 비료 내 음식물류폐기물건조분말 정성검출 모델 개발

이훈수 ( Hoonsoo Lee ),류진환 ( Jinhwan Ryu ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

유기질비료는 비료공정규격에 의한 부산물비료 중 유기질비료와 유기농업자재 중 유기질비료로 구분된다. 2019년 3월 비료관리법이 개정되기 전까지는 모든 유기질비료의 원료로 음식물류폐기물건조분말의 사용이 허용되지 않았으나 2019년 3월 개정된 비료관리법에서는 유기농업자재로 인증 받지 않은 유기질비료에는 염분 2%이하, 수분 15%이하의 음식물류폐기물건조분말을 전체원료의 30% 내에서 사용할 수 있도록 허용하였다. 하지만, 유기농업자재로 인증받기 위한 유기질비료의 원재료로는 음식물류폐기물건조분말의 사용은 금지되어 있다. 따라서 본 연구목적은 가시광/근적외선 분광기술을 이용하여 유기농업자재 중 유기질비료 내 음식물류 폐기물건조분말의 정성검출 가능성을 평가하는 것이다. 가시광/근적외선 스펙트럼은 200-1100nm 파장을 획득할 수 있는 분광기를 이용하였고, 유기질 비료 원재료와 음식물류폐기물건조분말을 0, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50%로 혼합하여 시료를 제조하였다. 모델 개발은 PLSR 기법을 이용하였고, 획득한 스펙트럼 데이터의 75%는 모델개발에, 나머지 25%는 모델검증에 사용하였다. 최적모델의 검출 정확도는 95.8%를 나타내어 가시광/근적외선 분광기술의 유기질 비료 내 음식물류폐기물건조분말의 혼입여부의 검출에 활용될 수 있을것으로 판단되었다.

Vis/NIR 초분광 분석을 이용한 고춧가루 색도 간이 측정법 개발

한고은,이훈수,강진호,최은아,오세정,이용직,조병관,강병철,Han, Koeun,Lee, Hoonsoo,Kang, Jin-Ho,Choi, Eunah,Oh, Se-Jeong,Lee, Yong-Jik,Cho, Byoung-Kwan,Kang, Byoung-Cheorl 한국원예학회 2015 원예과학기술지 Vol.33 No.5

단파적외선 초분광영상장비를 이용한 유기질 비료 내 음식물류폐기물건조분말 검출 최적 파장비 분석

류진환 ( Jinhwan Ryu ),이훈수 ( Hoonsoo Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

음식물류폐기물건조분말은 혼합유기질원료로만 30%이하로 혼입하는 것이 허용되어 있기 때문에 유기질 비료에 30%초과 혼입하거나 유기농업자재에 혼입은 금지되어 있다. 현재 음식물류폐기물건조분말의 혼입 여부 및 정량 검출할 수 있는 표준화된 방법이 없다. 따라서 본 연구에서는 단파적외선초분광영상(SWIR)을 이용해 유기질 비료 또는 유기농업자재 내에 혼입되어있는 음식물류폐기물건조분말을 검출할 수 있는 최적의 파장비를 찾고자 한다. 900nm ~ 2500nm 파장영역을 획득할 수 있는 단파적외선초분광영상시스템은 음식물류폐기물건조분말과 원재료(아주까리, 채종박, 골분, 미강, 대두박 및 어분)에 대한 초분광영상정보 획득에 사용되었다. 분산분석법(ANOVA)은 음식물류폐기물건조분말의 검출을 위한 최적파장비분석을 위해 이용하였다. 음식물류폐기물건조분말과 원재료를 구분할 수 있는 최적의 파장비는 1224nm / 1335nm 로 확인되었다. 따라서 분산분석을 통해 제안된 최적파장비는 유기질 비료 또는 유기농업자재 내 존재하는 음식물류폐기물건조분말의 정성검출에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Vis/NIR 초분광 분석을 이용한 고춧가루 색도 간이 측정법 개발

한고은(Koeun Han),이훈수(Hoonsoo Lee),강진호(Jin-Ho Kang),최은아(Eunah Choi),오세정(Se-Jeong Oh),이용직(Yong-Jik Lee),조병관(Byoung-Kwan Cho),강병철(Byoung-Cheorl Kang) 한국원예학회 2015 원예과학기술지 Vol.33 No.3

색도는 고추의 품질을 결정하는 중요한 요인으로, 색도 측정을 위해 high-performance liquid chromatography(HPLC), thin layer chromatography(TLC), ASTA-20 방법 등이 활용되고 있다. 특히 ASTA-20 방법은 간단하고 정확하게 다수의 시료에 대한 색도 분석을 수행할 수 있다는 장점 덕분에 주로 사용된다. 하지만 전처리 과정에 시간이 많이 소요되고 아세톤과 같은 폐시약이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 ASTA-20 방법을 대체하기 위하여 Vis/NIR 초분광 분석법을 활용한 빠른 색도 분석법을 개발하고자 하였다. ASTA-20 방법과 Vis/NIR 초분광 분석법의 상관관계를 분석하기 위하여 총 488점 고춧가루의 색도를 두 가지 방법으로 측정하였다. 이후 무작위로 선발한 366개의 시료를 이용하여 Vis/NIR 초분광 분석법으로 측정한 값으로부터 ASTA 값을 예측하는 부분최소자승법(PLS) 모델을 확립하였다. 모델 개발에 활용하지 않은 122개 시료의 ASTA 값을 PLS 모델을 이용하여 예측하고, ASTA-20 방법으로 측정한 값과 비교해본 결과, 매우 유의성 있는 상관관계(R²=0.88)를 나타내 Vis/NIR 초분광 분석법의 신뢰도를 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 개발한 간편하고 빠른 ASTA 값 측정 방법은 전처리 단계를 요구하지 않고, 30분 이내에 100개 시료에 대한 분석을 수행할 수 있어 다수의 고춧가루 색도를 빠르게 측정하는데 유용하게 사용될 것으로 기대한다. Color is one of the quality determining factors for pepper powder. To measure the color of pepper powder, several methods including high-performance liquid chromatography (HPLC), thin layer chromatography (TLC), and ASTA-20 have been used. Among the methods, the ASTA-20 method is most widely used for color measurement of a large number of samples because of its simplicity and accuracy. However it requires time consuming preprocessing steps and generates chemical waste containing acetone. As an alternative, we developed a fast and simple method based on a visible/near infrared (Vis/NIR) hyperspectral method to measure the color of pepper powder. To evaluate correlation between the ASTA-20 and the visible/near infrared (Vis/NIR) hyperspectral methods, we first measured the color of a total of 488 pepper powder samples using the two methods. Then, a partial leasts quares ( PLS) model was postulated using the color values of randomly selected 366 samples to predict ASTA values of unknown samples. When the ASTA values predicted by the PLS model were compared with those of the ASTA-20 method for 122 samples not used for model development, there was very high correlation between two methods (R² = 0.88) demonstrating reliability of Vis/NIR hyperspectral method. We believe that this simple and fast method is suitable for highthroughput screening of a large number of samples because this method does not require preprocessing steps required for the ASTA-20 method, and takes less than 30 min to measure the color of pepper powder.

단파적외선 초분광 영상을 이용한 수수의 일반영양성분 및 탄닌 측정 모델 개발

곽동휘 ( Donghwi Kwak ),이훈수 ( Hoonsoo Lee ),조병관 ( Byoung-kwan Cho ),이홍석 ( Hongseok Lee ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

수수는 풍부한 양의 단백질, 탄수화물 등을 함유하고 있어 세계적인 주요 작물로 널리 재배되고 있다. 또한 수수는 식물성 식품 중에서 탄닌 함량이 가장 높은 식품이다. 수수의 탄닌은 다양한 생리학적 효과를 가지고 있다. 항산화 작용을 통해 세포 손상을 예방하고, 면역력을 강화하며 혈당 조절과 소화 촉진에 도움을 준다. 따라서 본 연구에서는 수수의 영양성분과 기능성 물질인 탄닌을 비파괴적이고 신속하게 측정하기 위해 초분광 영상 정보를 이용한 검출 기술을 개발하고자 한다. 본 연구에 사용한 수수 시료는 시중에 유통되는 98가지의 제품을 사용하였다. 수수 낱알로부터 단파적 외선 초분광 영상을 획득하기 위하여 1000 nm~2500 nm의 범위를 측정할 수 있는 시스템을 이용하였다. 시스템은 수수의 낱알로부터 일반성분분석은 수분정량은 상압건조방법으로 105°C에서 2시간 건조하여 정량하였고 조단백질은 semimicro-Kjeldhl법으로 자동 단백질 분석기로 분석하였으며, 조지방은 Soxhlet 추출기를 사용하여 diethyl ether로 추출하여 정량하였다. 탄닌 함량 측정은 수수 시료를 분말화한 후 분말 시료 100 mg을 30 mL의 70% 에탄올/H2O(v/v)로 12시간 동안 추출하고 HCOOH를 사용하여 pH를 2.0으로 조정하였다. 얻어진 추출물을 15 mL의 n-헥산을 사용하여 탈지하고 진공 증발기로 옮겨 용매를 증발시켜 동일한 용액으로 헹구어 최종 부피 1.5 mL를 얻었다. 그리고 HPLC-DAD 시스템을 이용하여 탄닌 분석을 수행하였다. 일반영양성분 및 탄닌의 함량 예측 모델 개발을 위해 본 연구에서는 PLS 방법을 이용하였다. 총 98개의 수수 시료로부터 근적외선 스펙트럼 분석결과 일반성분 모두 0.90 이상의 결정계수를 나타내며, SEP는 0.48%로 낮은 오차를 나타내었다. 개발된 조단백질 예측 모델 역시 수분모델과 유사하게 0.92의 높은 값을 나타내었으며, 조지방과 탄수화물 예측 최적모델의 SEP값도 0.47%과 0.96%로 낮은 오차값을 나타내었다. 또한 기능성 성분 함량 결과에 있어서 은 0.73, SEP는 1460 mg/kg을 나타내었다. 이는 시료 내 미량이 함유된 탄닌 함량 예측에 단파적외선 초분광 스펙트럼의 활용의 가능성을 확인할 수 있었으며, 향후 수수 작물의 탄닌 함량의 실시간 예측을 통한 수확시기 결정에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.