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[농기계 최신기술] 농산물 비파괴선별기술“초분광영상기술로 내부품질 확인”

[연간기획] 농기계 최신기술

농업분야 생산성을 확대하고 부가가치를 높이는데 있어서 농기계의 중요성은 더욱 강조되고 있다. 특히 스마트팜·ICT융복합·정밀농업 등 첨단기술 확장을 통한 농기계 연구개발이 지속적으로 이뤄지고 있다. 농업 생산작업의 자동화·로봇화기술, 농가경영안정을 위한 에너지절감기술, 농산물 부가가치향상을 위한 수확후 품질관리·가공·유통기계기술, 농업재해 예방관리기술 등 국내 농업기계 연구개발을 전담하고 있는 국립농업과학원 농업공학부의 최신기술을 연간기획으로 살펴본다.

 

① 농산물 비파괴 선별기술

“초분광영상기술로 내부품질 확인”

근적외선·초분광영상기술 접목으로 내부품질 샅샅이확인

소도체 비파괴 품질검사·쌀가루 분말판별기술 등 연구도

 

서영욱 국립농업과학원 수확후관리공학과 연구사

농산물 선별기술의 중요성

수확한 농산물을 처리하는 과정은 정선과 선별로 나눌 수 있다. 농산물에 포함된 이물질을 제거하는 정선과 품질별로 분류하는 선별과정을 통해 상품성을 향상시키고 가공제품의 수율 및 품질을 제고하게 된다.

농산물 내부품질의 측정기술

농산물의 품질은 내부품질과 외부품질로 나눌 수 있다. 먼저 내부품질은 당도·산도·갈변·밀병·공동 등을 말하며, 외부품질은 색·모양·크기·경도·무게 등을 포함한다. 농산물을 선별할 수 있는 가장 간단한 선별기준은 크기와 무게다. 대추·밤·토마토·콩 등의 소과류 혹은 두류의 경우 체 형태로 구성된 크기별 구멍이 있는 선별구에 투입해 선별체의 구멍보다 크면 통과하고 작으면 배출구로 나오게 된다. 무게선별은 저울을 이용하거나 컨베이어 벨트를 이용하는 경우 로드셀을 이용해 무게를 측정·선별한다. 최근에는 색깔·맛·결함 등 소비자가 원하는 품질요인이 변화함에 따라 품질안전성계측연구실에서는 머신비전이나 근적외선센서 등을 이용해 농산물의 외부품질 뿐만 아니라 내부품질까지 비파괴적인 방법으로 측정하고 선별하는 기술을 연구하고 있다.

근적외선을 이용한 비파괴 선별

비파괴 선별기 중에서 가장 많이 보급된 기술은 근적외선을 이용한 과일의 당도선별기다. 근적외선은 780~2500㎛의 파장의 전자기선을 말하며, 붉은색 바깥에 있는 파장이라는 뜻에서 적외선이라고 한다. 적외선은 근적외선, 중적외선 및 원적외선으로 나뉘는데 선별기에 사용되는 적외선은 짧은 파장이라는 뜻에서 근적외선이라고 불린다. 근적외선이 물질내부에 조사되면 분자를 진동시키는데 유기물질인 N-H, O-H, C-H의 분자구조를 가진 경우 조사된 빛을 많이 흡수해 진동하게 된다. 순수물질인 경우 뚜렷한 피크를 보이지만 수분이 많은 농산물의 특성상 물분자의 파장이 중첩돼 대부분은 순수물질의 피크를 자세하게 알기는 어렵고 부분적인 경향을 파악할 수 있다. 사과당도의 경우 전체 사과무게의 5.6%의 당성분이 있는데 70% 이상의 수분성분이 근적외선 모양에 큰 영향을 끼치기 때문에 당도가 얼마인지 가늠하기는 힘들다. 그러나 케모메트릭스(chemometrics)라는 수학적·통계적 분석을 통해 당도 예측모델을 만들면 선별기를 사용할 수 있게 된다. 국내에서 많이 사용하는 감귤·사과·수박 등 과일선별기는 대부분 근적외선을 과일에 투과해 얻은 검정선으로 예측모델을 개발해 당도선별을 하게 된다.

초분광영상기술의 적용

근적외선 센서가 안전성평가에 좋은 결과를 보이지만 하나의 기계로 한 점에서만 스펙트럼을 얻기 때문에 한계는 있다. 농산물의 사진을 찍으면 겉모양이나 색깔, 형태는 알 수 있지만 내부품질을 알 수 없고, 근적외선은 내부품질을 예측할 수 있지만 전체의 스펙트럼을 획득하는데는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 개발된 초분광영상(hyperspectral image)기술은 카메라와 근적외선을 합한 기술로 사진을 찍은 모든 영역에서 스펙트럼을 얻을 수 있다. 예를 들어 배가 멍이 들면 근적외선 영상으로는 멍이 든 영역을 확인할 수 있지만 칼라나 흑백영상으로는 구분이 불가능하다. 또한 쌀가루에 전분가루를 섞은 경우 영상으로는 도저히 구분이 불가능하지만 근적외 영상으로는 판별이 가능하다. 이처럼 영상과 스펙트럼을 결합함으로써 신속, 정확, 정밀한 연구가 가능해졌다. 최근 중국에서 젖먹이들의 분유에 플라스틱의 한 종류인 멜라민을 섞어 내용물의 양을 속여 판 것이 적발되어 전세계적으로 지탄을 받은 일이 있었는데 그로 인하여 비파괴 식품 안전성평가기술의 중요성이 다시 주목을 받게 됐다. 국립농업과학원에서는 초분광 영상기술을 이용해 분유와 멜라민을 판별할 수 있는 연구를 수행했고 해외 유수의 논문에 결과물을 출판한바 있다. 또한 활력이 좋은 우량종자 선별 및 양상추의 이물질 검출도 97%이상의 정확도를 보였다는 연구결과를 발표했다. 현재는 소도체의 비파괴 품질검사기술, 쌀가루분말의 판별기술 연구 등이 진행중이다.

초분광영상기술을 통한 비파괴 수박당도 측정 모습

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