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육류 부패 여부 현장 측정 가능한 전자 코 개발
Bio통신원(한국생명공학연구원)
연일 이어지는 더위와 높은 습도로 식중독 지수가 ‘경고’와 ‘주의’를 오가고 있는 가운데, 국내 연구진이 육류의 부패 여부를 손쉽고 정밀하게 측정할 수 있는 바이오나노 전자 코 기술 개발에 성공하였다.
한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 감염병연구센터 권오석 박사팀은 서울대학교 박태현 교수팀, 한국과학기술연구원(KIST) 송현석 박사팀과 함께 육류가 부패하면 발생하는 유해인자를 실시간으로 측정이 가능한 휴대용 전자 코를 개발하였다고 밝혔다.
육류의 신선도를 현장에서 객관적으로 측정이 가능하여 향후 육류 관리 시스템에 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
육류 부패 판정에는 관능검사, 세균 검사, 화학적 검사를 실시하여 법적 기준 준수 여부를 확인하고 있지만, 이를 위해서는 시료를 채취하여 별도로 검사를 해야 하기 때문에 현장에서는 관능검사와 육류의 보관 방법 점검에 주로 의존하는 한계가 있다.
최근 육류의 부패 여부를 측정할 수 있는 다양한 기술들이 연구되고 있으나, 오랜 시간이 걸리거나 전처리 절차가 필요하다는 등의 단점으로 일선 현장에서 활용하기에는 어려움이 있다.
권오석 박사 연구팀은 이전 연구에서 육류가 부패하면 발생하는 카다베린(Cadaverine)과 푸트레신(Putrescine)이라는 화합물(생체아민, Biogenic amines)을 측정할 수 있는 전자 코 기술을 개발한 바 있다.
이번에 연구팀이 개발한 기술은 기존에 개발한 전자 코에 관련 법에서 정한 부패 판정 기준 중 하나인 암모니아를 측정할 수 있는 센서를 추가하여 현장 적용 가능성을 높였다.
또한, 단백질 부패 시 발생하는 악취 유발 물질 중 하나인 황화수소를 보조적으로 측정하고, 카다베린과 푸트레신 측정 센서도 기존보다 민감도를 더욱 높여 육류의 신선도를 더욱 정밀하게 측정할 수 있도록 개선하였다.
측정 결과는 스마트폰 앱을 통해 그래프로 확인할 수 있도록 하여 육류 상태에 대해 손쉬우면서도 객관적인 판단을 가능하게 하였다.
연구책임자인 권오석 박사는 “육류가 부패하면 발생하는 여러 물질을 동시에 측정할 수 있어, 육류 부패와 온도나 습도와 같은 환경요소 간 상관관계를 분석할 수 있는 기초 기술이 개발된 것”이라며,
“육류의 신선도 판정 기준인 암모니아에 대한 동시 모니터링이 가능하게 개선되어 실용화에 더욱 가까워질 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 바이오센서 분야의 세계적인 저널인 Biosensors and Bioelectronics(IF 12.545) 2022년 7월 8일자 온라인 판에 게재되었으며,
(논문명 : Wireless portable bioelectronic nose device for multiplex monitoring toward food freshness/spoilage / 교신저자 : 생명연 권오석 박사, 서울대 박태현 교수, KIST 송현석 박사 / 제1저자 : 생명연 김경호 박사과정생, 서울대 문동석 박사과정생, 생명연 안재은 석사과정생)
농림축산식품부의 스마트팜 다부처패키지 혁신기술개발사업, 과학기술정보통신부의 국민생활안전긴급대응연구사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 생체아민, 암모니아 및 황화수소는 육류의 변질/부패 시에 발생하는 악취 물질임.
○ 암모니아와 황화수소 표적인자로는 육류의 상태변화를 감지하는 데 한계가 있으며, 두 표적인자의 변화량으로는 부패 유무만을 알 수 있음.
○ 생체아민은 단백질 아미노산이 박테리아의 탈카르복실화 반응으로 생성되는 독성 악취 물질이며, 이 중 카다베린과 푸트레신은 다른 생체아민의 독성을 증가시키는 역할을 한다.
○ 육류의 변질은 사망 직후부터 시작되어 극미량의 생체아민이 발생하기 때문에 사람의 후각 또는 기존의 전자 코는 감지하는 것이 불가능하다. 또한, 표적인자들에 대한 변화량 감지 및 부패 기준치 도달 정보를 제공해 줄 수 있는 전자 코 개발이 요구되었다.
□ 연구내용
○ 본 연구팀은 기존에 그래핀 전자소자 표면에 2종의 후각 수용체를 결합하여, 극미량의 생체아민 2종 카다베린과 푸트레신을 구별 측정 가능한 인간 후각 모방 인공 후각(바이오나노 전자 코)을 개발함.
○ 인공 후각(바이오나노 전자 코)은 기존 화합물 기반 전자 코(In-situ food spoilage monitoring using a wireless chemical receptor-conjugated graphene electronic nose; biosensors and bioelectronics)보다 더욱 민감하게 반응함.
○ 휴대용 인공 후각(전자 코)에 암모니아와 황화수소 모니터링이 가능한 가스 센서 2종을 탑재함으로써 육류에서 발생하는 4종의 표적인자들을 검출 및 모니터링할 수 있는 전자 기기를 개발함.
○ 육류 변질 상태에 따른 신선도 판단 및 부패 기준치 도달을 실시간으로 판단 가능함.
○ 휴대용 인공 후각(바이오나노 전자 코)의 다양한 육류 및 환경 영향성에 검출된 농도 변화를 GC 분석, 균 수 비교를 통해 상관관계를 분석함.
○ 인공 후각의 냄새 인지부(센서부)를 유심 칩으로 개발함에 따라 일반인도 쉽게 다룰 수 있으며, 전용 App 개발을 통해 어디서든 누구나 사용 가능한 휴대용 인공 후각을 개발함.
□ 연구성과의 의미
○ 인간 후각 모방 인공 후각은 육류에서 발생하는 신선도 4종 인자들에 대한 구별 검출/모니터링 센서 개발
- 본 연구의 인공 후각(전자 코)은 후각 수용체 2종과 가스 센서 2종을 통해 육류에서 생성되는 4종의 악취 물질을 구별 검출할 수 있으며, 극미량의 농도에서부터 모니터링 가능한 인공 후각이다. 또한, 다양한 육류와 환경에서 4종의 표적인자들의 생성량/변화량의 모니터링/분석했기 때문에, 육류의 신선도, 숙성, 부패의 기준을 분석할 수 있는 연구 및 다양한 표적인자들을 측정할 수 있는 기초 기술이다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
1. 후각 수용체를 통한 후각 모방기술 및 저농도의 유해인자 검출 가능
2. 상용화 가스 센서 도입을 통한 4종의 유해인자 실시간 구별 검출 가능
어디에 쓸 수 있나
1. 다양한 육류의 변질/부패 척도 측정
2. 일반인들의 육류 보관, 숙성 냉장고에서의 육류 부패 정도 확인
실용화까지 필요한 시간은
본연구결과는 A사로 기술이전 했으며, 후각 수용체의 대량 생산 시스템 및 휴대용 기기 생산을 위한 반도체 재료 확보에 따라 3~5년 내에 가능할 것으로 예상함
실용화를 위한 과제는
실용화를 위해서는 후각 수용체 대량생산화 시스템 설비 구축이 수행되어야 하며, 반도체 장치 생산을 위한 부품 수급 및 제조가 원활히 이루어질 수 있는 여건이 형성되어야 한다고 생각함
연구를 시작한 계기는
본 연구진은 지속적으로 반도체 바이오센서를 개발해왔습니다. 최근 식중독 발병 사례가 급증하고 있으며, 음식물 부패에 따른 다양한 문제가 야기되고 있어, 초기에 감지하고 파악할 수 있는 센서를 개발을 목표로 시작되었습니다. 육류에서 발생하는 생체아민 중 생성 속도가 빠르고, 타 물질의 독성을 높이는 2종의 표적인자와 부패의 기준 인자인 2종을 빠르고 정확하게 감지함으로써, 현장에서 신선도 판단과 부패 여부를 판별할 수 있는 휴대용 바이오나노 전자 코를 개발하게 되었습니다.
에피소드가 있다면
사람의 후각으로 판별할 수 없는 냄새 물질을 실제 육류에서 발생하는 다양한 물질 중 카다베린과 푸트레신의 정확하게 구분하고, 다양한 육류와 환경에서 두 물질을 수개월 동안의 가스 정량 분석과 전자 코를 통한 분석을 통해 상관관계를 해냈고, 반도체 부품의 귀품현상으로 인한 휴대용 바이오나노 전자 코 개발에 힘겨움 속에서 암모니아와 황화수소까지 검출이 가능한 시작품 개발에 성공했습니다. 하지만, 4종의 표적인자가 기존의 연구된 가스 검출 센서들과의 동일 표적물질의 이유로 저명한 저널들로부터 심사 거절을 받았지만, 11번째 다양한 샘플, 환경에서의 4종의 표적인자의 상관관계, 휴대 용이한 전자 코 개발의 기술을 인정받아 게재를 성공적으로 이룰 수 있었습니다.
꼭 이루고 싶은 목표는
4종의 유해 표적인자들을 플랫폼을 개발하였기에, 더 다양한 표적인자들을 검출 할 수 있는 다중 검출용 전자 코와 사용자 편의성을 고려한 센서플랫폼, 더 편리한 어플 등의 개발을 통해서 일반인들도 용이하게 사용하고, 육류 산업에서 식품 안전성 향상에 기여할 수 있는 전자 코를 개발하는 것입니다.
신진연구자를 위한 한마디
국민과 정부가 요구하는 일상생활에서 활용가능한 연구의 실용화를 이룰 수 있다는 믿음으로 연구를 진행했으면하고, 다양한 교류를 통해 새로운 응용 분야를 위한 융합연구를 진행할 수 있는 기회를 많이 접하기를 응원합니다.
그림1. 육류에서 발생되는 유해인자 검출 모식도
육류가 변질하거나 부패하면 발생하는 4종의 유해인자(카다베린, 푸트레신, 암모니아, 황화수소)를 검출 가능한 육류 신선도 측정용 인공 후각 개발
그림 2. 웨이퍼 규모 그래핀 전자소자 및 표면에 후각 수용체 결합 모식도
(좌) 4인치 웨이퍼 규모상에 형성된 대량 그래핀 전자소자 사진
(우) 2종의 후각 수용체 부착 모식도
그림 3. (상) 휴대용 인공 후각 사진
(하) 실제 육류에서 발생되는 표적인자 실시간 측정 사진
본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다.
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