바이오인

독일의 스마트한 식품 관리 기술

원산지 위조 판별 알고리즘

식료품 위·변조는 날로 지능화되어 가고 있다. 토마토가 온실에서 자란 것인지 아니면 야외에서 재배된 것인지, 송로버섯이 프랑스산인지 중국산인지 등의 정보가 정확한지의 여부를 매번 의심하는 소비자는 많지 않지만, 식자재 관련 스캔들에서 독일도 완전히 자유롭지는 못하다. 대표적으로 꿀, 가공된 생선, 올리브유 등을 꼽을 수 있으며, 저가로 판매되는 제품 중 일부는 위조되거나 원산지 정보가 정확하지 않을 거라고 믿는 소비자들도 많다. 여기에 유기농 제품의 인기까지 더해져 더 많은 상품들이 실제로 라벨에 기재된 정보와 다를 가능성을 의심하는 경우가 많아지고 있다.

독일 호엔하임 대학교 식품화학연구소의 연구팀은 이러한 문제를 방지하기 위해 독일연방식품농림부(BMWL)의 지원으로 한 단계 높은 수준의 분석 기법을 개발하고 있다. 27만 5,00유로 예산을 투입한 이 프로젝트의 목표는 식료품 원산지 및 재배환경 정보의 진위여부를 판별할 수 있는 방법론을 개발하는 것이다.

연구진은 이를 위해 전 세계 선별된 각처에서 재배된 송로버섯과 땅콩을 샘플로 수집하였다. 송로버섯은 지방이 적고 호두는 지방이 많기 때문에 이 특성을 기반으로 서로 다른 분석 방법을 검증할 수 있다는 점 외에도 송로버섯의 경우 고가에 판매된다는 점, 땅콩은 원산지 구별이 육안이나 맛으로는 구분이 어려운 제품이라는 점에서 기법의 우수성을 대중에게도 선보일 수 있는 좋은 계기라고 판단했다고 한다. 물론 공급업자들이 제공한 정확한 원산지 및 세부정보도 함께 수집하였고, 이를 놓고 동위원소, 지질분석 및 요소분석이라는 3개 기법을 정밀하게 적용하였다.

1차 테스트는 매우 성공적이었다. 중국산 송로버섯과 프랑스산 송로버섯을 구분할 수 있었고, 땅콩도 각기 상이한 샘플의 특성을 구분할 수 있었다. 연구진은 각기 상이한 방법론을 종합하여 다른 식품에도 적용할 예정이다. 가령 예를 들어 이를 가공한 트러플 버터나 호두 아이스크림 등을 대상으로 할 수 있을 것으로 보인다. 이 후속 프로젝트에는 호엔하임 대학 연구팀 외에도 함부르크 식품영양과학 연구소, 뮌헨공대 식품생물학 연구소, 튀빙엔 대학교 생물정보 연구센터 및 다수의 민간 기업이 참여할 예정이라고 한다.

휴대용 음식 스캐너

프라운호퍼 IOSB(Fraunhofer Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation) 연구소는 프라운호퍼 IVV(Fraunhofer Institute for Proces Enginering and Packaging) 연구소 그리고 2개 인근 대학교와 공동으로 일반 소비자나 유통업자들이 손쉽게 들고 다니면서 과일이나 채소의 신선도를 손쉽게 파악할 수 있는 음식물 전용 스캐너를 개발하고 있다. 이 장비는 근거리 적외선 센서를 사용하여 대상의 숙성 정도와 실제 유통 기한을 결정하고, 함량과 성분을 분석할 수 있다. 스캐너가 적외선을 쏘면 다시 측정 대상에서 반사된 스펙트럼을 측정한다. 이 때 흡수된 각 파장의 특성을 파악하여 대상의 화학 성분을 정밀하게 분석할 수 있다고 한다. 스캐너는 측정된 데이터를 블루투스를 통해 스마트폰 앱과 데이터베이스로 전송한다. 이 데이터베이스는 음식 분석을 위해 특별히 구성된 클라우드 솔루션으로, 분석된 결과는 다시 앱으로 전송된다. 앱은 사용 조건 하에서 음식이 얼마나 안전한지 또는 너무 오래 보관되어 있었는지 여부를 보여주고, 단순히 취식 가능 또는 폐기 여부를 알려주는 것이 아닌 초과된 식품을 어떻게 달리 활용할 수 있을지도 사용자에게 소개해 준다.

현재 이 앱은 시범용 버전으로 제작되어 있지만 슈퍼마켓 점주와 소비자들이 일괄적으로 인쇄되어 있는 유통기한 정보와 별개로 부패여부를 확인할 수 있는 기회를 제공해 준다. 이 연구 프로젝트는 바이에른주 식품영양농림부가 음식물 낭비를 줄이기 위해서 제안된 지자체 단위의 연구개발 사업의 일환이다. 독일에서 가장 큰 주 중의 하나인 바이에른 주에서만 연간 약 130만 톤의 음식이 냉장고나 슈퍼마켓 선반에서 뜯어지지도 않은 채 벼려진다고 한다. 이 제품은 무엇보다 사용이 간편하고, 비용 효율성도 높으며 포장 여부와 상관없이 정확한 신선도를 확인하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대하고 있다.

실험실 환경에서 연구팀은 근적외선 분광분석법(Near-infrared spectros)을 사용하여 식품의 성분을 분석할 수 있었다. 중요한 사실은 이러한 처리를 비용이 저렴한 센서로도 가능케 했다는 점이다. 더 나아가 위/변조된 식품도 판별하는데 유용할 것으로 기대하고 있다. 가령 연어와 비슷한 생선류는(예: 무지개송어) 연어로 포장되어 팔리거나 올리브 오일도 다른 저가 기름과 섞여서 팔리는 경우가 종종 있기 때문이다. 이 기술의 핵심은 센서 데이터를 최대한 활용하되, 측정된 적외선 스펙트럼을 검색하고 분석하는 지능형 알고리즘이다. 이를 토대로 식품 스캐너는 식품의 품질을 계량화하고 숙성 정도 및 유통기한을 예측할 수 있다. 연구진은 인식 정확도는 머신러닝을 통해서 크게 향상 시켰다고 한다. 가령 다진 고기의 근적외선 스펙트럼은 통계적 방법을 활용하여 세균수와 상관관계가 있음을 도출하였고 다양한 저장조건에서 미생물의 수 및 분포 정도, 그리고 이에 영향을 주고받는 화학적 매개변수를 조사하여, 실제로 측정한 세균수와 상당부분 일치하고 있음을 알 수 있었다.

그러나 한 차원 높은 개선이 필요하다. 단일 식품에 대한 품질은 충분히 데이터 및 판별 알고리즘이 높은 성능을 보이고 있지만, 냉동피자와 같이 다양한 식재료가 섞여있는 경우 그 정확도가 크게 떨어지기 때문이다. 연구진은 이를 위해 분광기 외에도 컬러 이미지와 스펙트럼 분석을 조합한 방법론에 집중하고 있다고 한다.

금년 초 부터 독일 내 몇 개 슈퍼마켓은 이 스캐너를 도입하여 성능을 테스트 하고 있다. 스캐너는 식자재 원료부터 최종소비자용 가공형태까지 두루 적용할 수 있기 때문에 음식의 변질여부를 파악하여 쓰레기통에 버릴지의 여부를 알아내기 위한 것만이 아닌 기부, 재분류 후 재유통 등의 대안을 제시해 줄 수 있다는 점에서 식품 산업의 가치 사슬 전반에 긍정적인 영향은 물론이고 친환경적 시도라는 점에서도 큰 의의를 갖는다.

특수포장용기와 센서로 부패여부 파악

이미지나 성분적 특성이 아닌 부패 시 발생되는 가스를 포장에 인쇄된 센서와 연동하여 분석하는 기술도 있다. 식료품 포장에 인쇄되어 있는 유통기한 정보는 아직 먹을 수 있는지를 판단하는 가장 중요한 정보라는 점에서는 논란의 여지가 없다. 그리고 음식의 신선도는 제품의 품질 뿐 아니라 소비자의 건강과도 직결되는 문제이기 때문에 유통업체들은 가급적 유통기한을 보수적으로 산정하고 있다. 즉 보관상태나 개별 특성을 고려하면 유통기한이 지난 음식은 모두 쓰레기통으로 버려야 하는 것은 아니다. 가령 냉장고에 보관된 포장육이나 어제 먹고 다시 용기에 담아 보관한 음식을 다시 열어보거나 맛보지 않고도 신선도나 취식 가능 여부를 알 수 있다면 음식물 쓰레기 절감, 식재료비 절감은 물론이고 친환경적 소비행태도 가능해 질 수 있을 것이다. 이러한 아이디어에 착안하여 영국 임페리얼 칼리지의 연구팀은 PEGS (paper-based electrical gas sensors, 종이기반 전기 가스 센서) 프로토타입을 개발하였다. 이 센서는 육류나 어류 제품이 부패하면서 방출되는 암모니아나 트리메틸아만과 같은 가스를 감지할 수 있다. 이 프로토타입은 탄소전극을 셀룰로스 페이퍼에 인쇄한 형태를 가지며, NFC 태그와 연동되어 있어서 스마트폰과 같은 모바일 장비로 보관된 음식의 상태를 판독할 수 있다. 포장된 생선과 닭고기를 놓고 실험한 결과 미량의 부패 가스를 신속하고 정확하게 검출할 수 있음을 확인한 연구진은 이 센서가 식품 포장지나 용기에 인쇄된 유통기한 정보를 대체할 수 있을 것임을 확신하였다.

<그림> 탄소전극이 인쇄된 셀룰로스 페이퍼를 통해 부패정도 파악이 가능하다

(사진출처: Imperial Colege London)

시민들은 자신이 구입한 음식물이 안전하다는 것을 확신하기 때문에 음식물을 폐기하지 않을 수 있게 된다. 또한 이 센서는 충분히 저렴하기 때문에 슈퍼마켓 판매대에서도 사용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이는 단순히 음식물 뿐 아니라 플라스틱의 과다 사용을 막는데도 기여할 것으로 보인다. 사실 식품 부패 센서 개발 시도는 이번이 처음이 아니다. 그러나 대개 포장비용의 1/4 이상을 차지하고 이는 제품 가격 인상과도 연결되어 있기 때문에 일반적으로 사용되고 있지는 못하다. 연구팀은 이 PEGS의 단가는 약 2센트로 예상하고 있어서 상용화 가능성도 매우 높다. 또한 색상이 변하는 센서의 경우 사용자가 색상으로 부패 여부를 판단할 수 있지만, 신선도가 조금 떨어지는 수준의 음식도 간단히 나쁜 음식으로 판단하는 경우가 많아 오히려 음식물 쓰레기를 증가시키는 경우가 많았다고 한다.

PEGS의 장점은 여기서 그치지 않는다. 기존의 부패 센서는 습도 90%가 넘는 환경이면 오작동이 많지만, PEGS는 습도가 10%가 되어도 정상작동 한다. 또한 상온에서 작동하기 때문에 별도의 열이 필요하지도 않으며 식품 산패와 관련된 가스에만 민감하게 작동한다. 연구진은 단순히 식품유통 분야 뿐 아니라 농업에서의 화학물질 감지, 대기 품질 측정, 호흡기 관련 질환 이상감지 등으로 그 분야를 확장하고자 한다.

<그림> NFC 기능이 있는 스마트폰만 있으면 포장용기 가까이에 놓는 것만으로도 부패가스배출 정도를 알 수 있다

(사진출처: Imperial Colege London)

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