1.서 론

생활 수준이 높아지면서 냄새는 직간접적으로 우리 의 삶과 밀접한 관계를 맺고 있으며, 화장품, 세제 등 다양한 상품 구매 시 선택의 기준 중 하나로, 가공되지 않은 식품의 경우는 육안과 냄새를 통해 품질 상태를 판단하고 구매하는 것이 일반적인 경향이다. 이러한 소 비자의 성향을 이용하여 품질 관리뿐만 아니라 마케팅 분야까지 냄새에 대한 관심이 높아지고 있다.

일반적으로 냄새 측정방법은 사람의 후각을 이용하 는 관능법과 성분을 GC 등의 분석기기를 이용하여 성 분을 분석하는 기기 분석이 있는데, 관능법의 경우 개 인의 기호도, 식별능력, 표현방법 등에 따라 주관적 차 이가 있으며, 기기 분석의 경우는 성분 특성에 맞게 전 처리, 컬럼 등의 분석 방법을 고려해야 하는 등 전문적 인 기술, 많은 시간, 고비용이 필요할 뿐 아니라, 냄새 성분들의 상호 작용에 의한 냄새 특성을 표현할 수 없 다는 단점 등이 있다(Noh, 2005). 이런 단점들을 극복 하기 위하여 저비용, 간편한 조작, 연속적인 측정이 가 능하고, 단일 성분뿐만 아니라 복합 냄새의 평가가 가 능한 센서를 이용한 측정법에 관한 연구가 진행되고 있으며(Heo et al., 2006), 단일 센서뿐만 아니라 2종 이상의 센서를 조합한 전자코 시스템에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다. 우유의 신선도 예측(Yang et al., 1999), 사과와 귤의 신선도 분석(Lim et al., 2000), 배추김치의 숙성도 예측(Shin et al., 2005), 육류 신선 도 판별(Kim et al., 2011), 쌀의 휘발성분 패턴 판별 (Han et al., 2016), 사과의 숙성 상태(Brezmes et al., 2001), 오렌지와 사과의 품질 평가(Di Natale et al., 2001), 음식 냄새(Garcia-Gonzalez et al., 2010), 바나나 품질 예측(Sanaeifar et al., 2016) 등의 식품과 센서와 결합한 연구가 국내외에서 활발히 진행되었다.

이에 파프리카의 냄새 특성을 센서로 평가하고자 한 다. 파프리카는 가지과 한해살이풀로 단백질, 당질, 철 분, 칼륨, 비타민, 캡사이신 등을 함유하고 있으며, 노 란색 파프리카는 성인병 예방, 고혈압 등에, 주황색 파 프리카는 감기 예방, 눈의 피로해소, 노화 방지 등에, 빨간색 파프리카는 항산화, 항암작용 등에, 초록색 파 프리카는 빈혈, 변비, 다이어트 등에 효과가 좋아 대중 적으로 선호도가 높다. Mater et al. (1997)의 GC-MS 를 이용한 파프리카의 냄새에 대한 연구에 따르면 파 프리카의 냄새에서 페놀, 알데하이드, 산, 케톤, 알코올, 에테르, 질소화합물, 방향족 탄화수소, 알칸, 에스테르, 락톤 등의 성분이 검출되었다고 보고되었다. 이처럼 파 프리카의 냄새에 관한 연구도 진행되고 있으나, 기기 분석에 의한 한시적인 파프리카의 냄새 특성 결과는 식품 특성상 시간 경과에 따른 냄새 변화에 의한 품질 판단에는 한계가 있을 것이다.

따라서 본 연구에서는 가스센서를 이용하여 파프리 카의 냄새 특성을 평가할 수 있는지 확인하고자 하였 으며, 가스센서 종류 및 시간 경과에 따라 파프리카의 종류(색깔), 부패 유무, 부패 위치별 냄새 변화 특성이 어떻게 나타나는지 알아보고자 하였다.

2.연구방법

2.1.파프리카 시료

본 연구에 사용된 시료는 전라북도 김제시에 위치한 농산에서 수확한 파프리카를 이용하였다. 육안 검사를 통해 파프리카의 색깔별(빨간색, 노란색, 주황색) 자체 냄새 특성을 평가하기 위해 표면상 부패가 관찰되지 않고 상품성이 우수한 파프리카를 선별하였으며, 부패 과정의 냄새 특성을 평가하기 위해 파프리카의 상단(꼭 지) 부분에서만 표면상 부패가 나타난 색깔별 파프리 카를 선별하였고, 부패 위치별 냄새 특성을 평가하기 위해 상단, 하단, 옆면 부분에서만 각각 표면상 부패가 나타난 주황색 파프리카를 선별하였다.

시간 경과에 따른 파프리카 냄새 변화 특성을 평가 하기 위하여, 총 21일 동안 2일 간격으로 센서 어레이 시스템을 이용하여 파프리카 냄새를 총 11회 평가하였 다. 파프리카는 Fig. 1과 같이 1.2 L 유리 용기 안에 호 기성 조건을 위해 덮개를 개방한 상태의 실온(약 4°C, 습도 약 30%) 조건에서 보관하면서, 파프리카 냄새 평 가 약 1시간 전에 덮개를 닫아 밀폐시켜 외부 냄새와 의 혼합을 차단하였다.

2.2.센서 어레이 시스템의 구성

파프리카 냄새를 센서로 평가하기 위하여 반도체의 표면에서 대상가스의 흡착탈착됨에 따라 저항의 변화 또는 열전도도의 변화가 일어나는 반도체식 가스센서 10종을 장착한 센서 어레이 시스템(2개 이상의 센서를 하나의 모듈에 조합하여 동일 냄새 시료에 대한 센서 별 반응 특성을 동시에 평가할 수 있는 장치)을 자체 제작하였다. Table 1에 10종의 센서 특성을 정리하였 으며, 현재 시판 중인 센서로 다양한 물질을 감지할 수 있고, 구조가 간단하며, 비용도 저렴하여 공기 오염물 질, 가스 감지 등에 활용되고 있다.

Fig. 2는 자체 제작한 센서 어레이 시스템의 모식도 로 크게 시료 도입부, 센서 측정부, 자료 수집부로 구 성하였다. 시료 도입부는 파프리카 냄새 및 무취 공기 가 주입되는 부분으로 파프리카 냄새 주입을 위한 유 리 용기(시료 보관에 사용한 1.2 L 용기로 시료마다 별 도로 개별 사용)와 무취 공기 주입을 위한 활성탄 필터 와 파프리카 냄새와 무취 공기를 교차하면서 센서 측 정부로 주입될 수 있도록 3방향 밸브로 구성하였다. 센 서 측정부는 파프리카 냄새의 특성을 센서로 평가하는 부분으로 10종의 센서를 하나의 모듈에 제작하였고, 후단에 펌프(1.0 L/min)를 위치시켜 시료 → 센서 → 펌프 → 대기 순으로 시료가 이동할 수 있도록 구성하 였다. 자료 수집부는 센서에 의해 평가된 파프리카 냄 새의 결과가 수집되는 부분으로 데이터 수집 장치 (GL220, GRAPHTEC, Japan)과 컴퓨터로 구성하였다.

2.3.파프리카 냄새 평가

일반적으로 반도체식(금속산화물) 가스센서가 시료 냄새와 반응하여 출력되는 결과는 전압 또는 저항의 변화값이다. 변화값을 바탕으로 시료 냄새 평가 결과는 변화값 자체만을 나타내는 반응값, 반응값에 도달하는 데 소요되는 시간을 나타내는 반응시간, 시간에 따른 반응값의 변화를 나타내는 반응속도 등으로 나타내어 다양한 결과를 도출할 수 있지만, 본 연구에서는 Choi et al. (2016)과 Kim et al. (2013)의 연구와 같이 반응 값으로 시료 냄새 특성을 평가하였다. 파프리카 냄새 특성에 대한 최종 센서 결과값은 반응값(ΔV=Vmax- Vbase)으로 ΔV는 파프리카 냄새에 반응한 센서의 최 대 변화값(Vmax)에서 무취 공기에 반응한 센서의 변 화값(Vbase)을 뺀 값을 의미하며, 무취 공기에 반응한 센서의 변화값은 파프리카 냄새를 센서와 반응시키기 30초 전부터 반응시키기 직전까지 무취 공기와 반응한 센서 변화값의 평균값을 적용하였다.

센서에 의한 파프리카 냄새 평가는 1초 단위로 평가 되고 저장된다. 파프리카 냄새를 센서에 반응 시간 시 간은 30초이며, 30초 반응 후 270초 동안 활성탄 필터 를 통과한 무취 공기를 센서와 반응시켜 센서를 다시 초깃값 상태로 회복시킨 후 다음 시료의 평가를 진행 하는 방식으로 시료 1개당 평가 시간은 300초 주기로 일정하게 하였다.

3.결 과

3.1.파프리카 냄새 평가를 위한 가스센서 선정

가스센서 어레이 시스템에 적용된 10종의 센서를 모 두 이용한 파프리카의 냄새 특성 평가 과정을 단순화 하기 위해 센서별 상관분석을 통해 대표 센서를 선정 하였다. 센서 간 상관계수가 높은 센서들의 경우는 시 간 경과에 따른 냄새 특성 변화의 경향성이 유사하다 고 판단할 수 있기에 상관계수가 낮은 센서 및 제조사 별로 대표 센서를 선정하였다. 상관분석은 파프리카 고 유의 냄새를 기준으로 부패가 진행되지 않는 색깔별 시 료의 시간 경과에 따른 센서값을 이용하여 실시하였다.

Table 2에 시간 경과에 따른 냄새 특성에 대한 색깔 별 센서 간 상관관계를 분석하여 정리하였다. FIS 사의 SB-AQ1 센서만 빨간색, 주황색, 노란색의 모든 파프리 카에서 다른 센서와의 상관계수가 -0.55~0.28로 낮은 상관관계와 음의 상관관계로 나타났기에 다른 센서와 차별성이 있는 것으로 판단된다. 그러나, SB-AQ1 센 서를 제외한 FIS 사의 3종 센서와 FIGARO 사의 6종 센서는 파프리카 색깔과 상관없이 센서 간 상관계수가 0.73이상으로 양호한 양의 상관관계로 나타났기에, SB-AQ1 센서를 제외한 9종의 센서의 경우는 시간 경 과에 따른 냄새 특성의 경향성과 상관성이 양호하다고 판단된다.

상관분석 결과를 바탕으로, 대표 센서는 센서 간 상 관관계가 낮아 다른 센서와 차별성이 가장 높을 것으 로 판단되는 SB-AQ1 센서를 우선으로 선정하였고, FIS 사와 FIGARO 사에서는 SB-AQ1 센서와 상관관 계가 낮은 센서를 각각 1종씩 추가로 선정하였다. 제조 사별로 SB-AQ1 센서와 상관관계가 낮은 센서는, FIS 사의 경우, 빨간색 파프리카는 E3-02 센서, 주황색과 노란색 파프리카는 SB-41 센서이며, FIGARO 사의 경 우, 빨간색과 주황색 파프리카는 2611 센서, 노란색 파 프리카는 2600으로 나타났다. 이에 대표 센서는 SBAQ1, SB-41과 2611 센서 3종으로 최종 선정하여 시간 경과에 따른 파프리카 냄새 특성을 평가하였다.

3.2.자연적 숙성에 의한 파프리카의 냄새 변화 특성

파프리카의 순수한 냄새 특성을 평가하고자 부패가 진행되지 않은 시료를 이용하여 시간 경과, 즉 자연적 숙성에 따른 색깔별 냄새 특성을 평가하였다. Fig. 3은 시간 경과에 따른 색깔별 파프리카의 무게를 변화로 노란색 > 빨간색 > 주황색 파프리카 순으로 무게가 높 게 나타났으며, 21일차 기준 무게 감소율은 빨간색 (18.6%) > 주황색(18.1%) > 노란색(17.0%) 파프리카 순으로 높게 나타났다.

Fig. 4는 시간 경과에 따른 결과로 센서별 반응값을 살펴보면, SB-AQ1 센서는 0.127~0.223 범위, SB-41 센서는 0.112~0.278 범위, 2611 센서는 0.414~0.936 범위로 색깔과 상관없이 파프리카의 냄새에 대한 센서 반응값은 2611 > SB-41 > SB-AQ1 순으로 높게 나타 났다.

SB-AQ1 센서의 경우, 1일차에 주황색 > 빨간색 > 노란색 파프리카 순, 3일차~11일차, 17일차, 21일차에 는 주황색 > 노란색 > 빨간색 파프리카 순, 13일차에 는 빨간색 > 주황색 > 노란색 파프리카 순, 15일차에 는 노란색 > 빨간색 > 주황색 파프리카 순으로 센서 반응값이 높지만, 전체적으로 주황색 파프리카가 빨간 색과 노란색 파프리카보다 센서 반응값이 높게 나타났 다. 파프리카 색깔과 상관없이 센서 반응값은 5일차까 지 증가하다가 다시 13일차까지 감소 후 19일차까지 다시 증가 후 감소하는 경향으로 나타났다.

SB-41 센서의 경우, 1일차에만 주황색 > 빨간색 > 노란색 파프리카 순, 3일차~9일차, 21일차에는 주황색 > 노란색 > 빨간색 파프리카 순, 11일차~13일차에는 빨간색 > 주황색 > 노란색 파프리카 순, 17일차와 19 일차에는 노란색 > 주황색 > 빨간색 파프리카 순으로 센서 반응값이 높지만, 전체적으로 주황색 파프리카가 빨간색과 노란색 파프리카보다 센서 반응값이 높게 나 타났다. 전체적으로 시간이 지날수록 센서 반응값이 낮 아지는 경향으로 빨간색과 노란색 파프리카는 13일차 ~19일차, 주황색 파프리카는 9일차~15일차에 센서 반 응값이 증가했다가 다시 낮아지는 경향이 나타났다.

2611 센서는 SB-41 센서와 센서 반응값의 크기 차이 만 있을 뿐 경향성은 유사하다. 1일차에만 주황색 > 빨 간색 > 노란색 파프리카 순, 3일차~9일차, 17일차, 21 일차에는 주황색 > 노란색 > 빨간색 파프리카 순, 11 일차와 15일차에는 빨간색 > 주황색 > 노란색 파프리 카 순, 19일차에는 노란색 > 주황색 > 빨간색 파프리 카 순으로 센서 반응값이 높지만, 전체적으로 주황색 파프리카가 빨간색과 노란색 파프리카보다 센서 반응 값이 높게 나타났다. 전체적으로 시간이 지날수록 센서 반응값이 낮아지는 경향으로 빨간색은 13일차~15일차, 주황색은 11일~15일차에 센서 반응값이 증가 후 다시 낮아지는 경향이 나타났으며, 노란색은 9일차와 11일 차에 증가했다가 13일차에 다시 낮아지고 15일차~19 일차에 다시 증가 후 다시 낮아지는 경향이 나타났다.

SB-AQ1 센서와 SB-41 및 2611 센서는 자연적 숙성 에 의한 파프리카 냄새에 대한 시간 경과에 대한 경향 성의 차이가 나타났지만, 주황색 파프리카의 냄새가 빨 간색과 노란색 파프리카가 보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 빨간색 파프리카는 SB-41과 2611 센서를 통해 약 7일차 이후, 주황색과 노란색 파프리카는 SB-AQ1, SB-41과 2611 센서를 통해 약 13일차 이후 냄새 변화 가 있는 것으로 판단된다.

3.3.부패 과정에 대한 파프리카의 냄새 변화 특성

부패가 진행되는 파프리카의 냄새 특성을 평가하고 자 파프리카의 상단 부분에서 부패가 진행되고 있는 시료를 이용하여 색깔별 냄새 특성을 평가하였다. Fig. 5-(a)는 시간 경과에 색깔별 파프리카의 무게 변화로 빨간색 > 주황색 > 노란색 파프리카 순으로 무게가 높 게 나타났으며, 21일차 기준 무게 감소율은 노란색 (57.3%) > 주황색(17.5%) > 빨간색(15.3%) 파프리카 순으로 높게 나타났다. Fig. 5-(b)는 육안 판정을 통한 시간 경과에 따른 색깔별 파프리카의 부패 면적으로 1 일차의 부패 면적은 노란색(30.0%) > 주황색(2.3%) > 빨간색 파프리카 순으로 높게 나타났으며, 3일차 이후 에는 노란색 > 빨간색 > 주황색 파프리카 순으로 높게 나타났다. 노란색 파프리카는 17일차에 100% 부패하 였으며, 빨간색과 주황색 파프리카는 냄새 평가가 종료 되는 21일차까지도 20%이하로 부패하였다.

Fig. 5는 색깔별 냄새 특성의 센서별 결과로, 센서별 반응값을 살펴보면 SB-AQ1 센서는 0.107~0.682 범위, SB-41 센서는 0.074~0.499 범위, 2611 센서는 0.344~ 1.629 범위 수준으로 2611 > SB-41 > SB-AQ1 센서 순으로 높게 나타났는데, 이는 자연적 숙성에 의한 파 프리카 냄새 특성과 유사한 결과이다.

SB-AQ1 센서의 경우, 1일차, 5일차~9일차, 13일차, 15일차에 빨간색 > 노란색 > 주황색 파프리카 순, 3일 차, 11일차, 17일차~21일에 빨간색 > 주황색 > 노란색 파프리카 순으로 센서 반응값이 높으며, 전체적으로 빨 간색 파프리카가 주황색과 노란색 파프리카보다 센서 반응값이 높게 나타났다. 빨간색 파프리카는 3일, 7일 15일, 19일에 한시적으로 센서 반응값이 증가하였다가 다시 감소하였으며, 주황색과 노란색 파프리카는 센서 반응값이 5일차까지 증가하다가 13일차까지 다시 감소 하고 19일차까지 다시 증가하다가 21일차에 감소하는 경향이 나타났다.Fig. 6

SB-41 센서는 SB-AQ1 센서와 경향성이 유사하다. 1일차~13일차까지 빨간색 > 노란색 > 주황색 파프리 카 순, 15일차~21일차까지는 빨간색 > 주황색 > 노란 색 파프리카 순으로 센서 반응값이 높으며, 전체적으로 빨간색 파프리카가 주황색과 노란색 파프리카보다 센 서 반응값이 높게 나타났다. 빨간색 파프리카는 3일, 7 일 15일, 19일에 한시적으로 센서 반응값이 증가하였 다가 다시 감소하였으며, 노란색 파프리카는 3일까지 감소하다가 5일차~9일차까지 증가하다가 다시 감소하 였으며, 주황색 파프리카는 13일차까지 감소하다가 15 일차~19일차까지 증가하다가 다시 감소하는 경향이 나 타났다.

2611 센서는 1일차~15일차까지 빨간색 > 노란색 > 주황색 파프리카 순, 17일차~21일차까지는 빨간색 > 주황색 > 노란색 파프리카 순으로 센서 반응값이 높으 며, 전체적으로 빨간색 파프리카가 주황색과 노란색 파 프리카보다 센서 반응값이 높게 나타났다. 빨간색 파프 리카는 15일차에 한시적으로 센서 반응값이 증가한 것 만 제외하고 전체적으로 센서 반응값이 감소하는 경향 이며, 노란색 파프리카는 9일차에 한시적으로 센서 반 응값이 증가한 것만 제외하고 전체적으로 센서 반응값 이 감소하는 경향이며, 노란색 파프리카는 13일차까지 센서 반응값이 감소하고, 5일과 17일차에 증가하다가 다시 감소하는 경향이 나타났다.

2611 센서와 SB-AQ1 및 SB-41 센서는 부패 과정에 서 시간 경과에 따른 파프리카 냄새에 대한 경향성의 차이가 나타났으며, 빨간색 파프리카의 냄새가 주황색 과 노란색 파프리카보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 빨간색과 주황색 파프리카는 SB-AQ1, SB-41과 2611 센서를 통해 약 13일차 이후, 노란색 파프리카는 SB- 41과 2611 센서를 통해 약 7일 이후에 냄새 변화가 있 는 것으로 판단된다.

3.4.부패 위치에 따른 파프리카의 냄새 특성

파프리카의 상단, 하단, 옆면에서 부패가 진행되고 있는 시료를 이용하여 파프리카의 부패 위치에 따른 냄새 특성을 평가하였다. Fig. 7-(a)는 시간 경과에 색 깔별 파프리카의 무게 변화로 상단 > 하단 > 옆면 순 으로 무게가 높게 나타났으며, 21일차 기준 무게 감소 율은 하단(29.2%) > 옆면(18..3%) > 상단(17.5%) 순으 로 높게 나타났다. Fig. 7-(b)는 육안 판정을 통한 시간 경과에 따른 부패 위치별 파프리카의 부패 수준으로 1 일차에서 21일차의 부패 면적의 변화를 살펴보면, 상 단은 2.3% → 10.0%로 약 7.7%, 하단은 7.7% → 45.3%로 약 37.6%, 옆면은 3.3% → 28.7%로 25.4%로 부패 면적이 증가하였다. 초기 부패 면적이 가장 작은 상단이 부패 면적 변화량이 가장 적었으며, 초기 부패 면적이 가장 큰 바닥이 부패 면적 변화량 가장 크게 나 타났다.Fig. 8

Fig. 7은 부패 위치별 냄새 특성의 센서별 결과로, 센 서별 반응값을 살펴보면 SB-AQ1 센서는 0.120~0.238 범위, SB-41 센서는 0.105~0.288 범위, 2611 센서는 0.384~0.880 범위 수준으로 2611 > SB-41 > SB-AQ1 센서 순으로 높게 나타났는데, 이는 자연적 숙성과 부 패 과정에서의 파프리카 냄새 특성과 유사한 결과이다.

SB-AQ1 센서의 경우, 시간 경과에 따른 부패 위치 별 센서 반응값이 유사하게 나타났으며, 1일차에서 5 일차까지 증가하다가 7일차에 감소 후 다시 증가하다 가 다시 13일차에 감소 후 19일차까지 증가 후 21일차 에 감소하는 경향이 부패 위치별로 유사하게 나타났다.

SB-41과 2611 센서의 경우는 경향성이 유사하게 나 타났다. 센서의 경우 11일차까지 부패 위치별 센서 반 응값이 유사하게 나타났지만, 13일차부터 옆면 위치의 경우 센서 반응값이 상단과 하단보다 높게 나타나기 시작했다. 상단의 센서 반응값은 1일차에서 13일차까 지 감소하다가 15일차~19일차까지 증가 후 다시 21일 차에 감소하였으며, 하단은 3일차와 9일차를 제외하고 13일차까지 감소하다가 15일차~19일차까지 증가 후 다시 21일차에 감소하였으며, 옆면은 7일차까지 감소 하다가 9일차~19일차까지 증가 후 다시 21일차에 감 소하는 경향으로 나타났다.

SB-AQ1 센서는 SB-41 및 2611 센서와 시간 경과에 따른 경향성 차이가 나타났으나, 부패 위치별 센서 반 응값 및 시간 경과에 따른 냄새 특성 차이가 나타나지 않았기에 부패 위치별 냄새 특성 차이를 평가하는데 부적절할 것으로 판단된다. SB-41과 2611 센서를 통해 상단 부패는 약 5일 이후, 하단과 옆면 부패는 11일 이 후에 냄새 변화가 있는 것으로 판단된다.

4.결 론

가스센서를 이용한 대중적인 식재료인 파프리카의 냄새 평가 가능성 여부 확인 및 시간 경과에 따른 냄새 변화 특성을 평가하고자, 10종의 가스센서가 장착된 센서 어레이 시스템을 이용하여 부패하지 않고 자연적 으로 숙성이 진행되는 파프리카와 부패와 함께 숙성이 진행되는 파프리카의 냄새 특성 21일간 평가하였다.

본 연구를 통해, 가스센서를 이용한 파프리카의 냄 새 변화 특성 평가 가능성 및 가스센서 종류에 따른 냄 새 변화 특성이 상이함을 확인할 수 있었기에, 향후 파 프리카의 냄새 종류에 대한 정성 및 정량적 평가와 파 프리카의 냄새 평가를 위한 최적의 센서 도출 연구 등 다양한 연구가 진행된다면 경제적 및 효율적으로 식품 의 신선도 평가, 저장 기술 개발, 구매 방법 등의 다양 한 분야에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.