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인간 10배 수준...떫은 맛 감지 '전자 혀' 개발
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인간 10배 수준...떫은 맛 감지 '전자 혀' 개발
  • 김수철 기자
  • 승인 2020.06.08 12:00
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UNIST 에너지 및 화학공학부 고현협 교수 연구팀
인간 10배 수준으로 검출 가능
[연구사진] 전자 혀를 구강모형에 부착한 모습/UNIST

개개인 마다 다를 수 있는 맛의 표현을 개관적으로 정량화하는 데 도움될 '전자 혀'가 개발돼 화제다. 

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 고현협 교수팀은 '미세한 구멍이 많은 고분자 젤'을 이용해 떫은맛을 감지하는 '전자 혀'를 개발했다고 8일 밝혔다. 

인체의 맛 감지 원리를 모방한 이 전자 혀는 떫은맛을 정량적으로 표현 할 수 있어 각종 식품, 주류 개발 사업 및 과수 모니터링 분야 등에 폭넓게 응용이 가능할 것으로 기대되고 있다. 

참고로 '떫은맛'은 인간 혀의 미각 기관인 미뢰가 느끼는 다섯가지 기본 맛이 아니라 '기계적수용체'를 통해 느끼는 '압각'으로, '매운맛'처럼 엄밀한 의미의 맛에 포함되지는 않는다. 

덜 익은 과일 등을 먹으면 입안이 텁텁해지는 떫은맛을 느낄 수 있는데, 탄닌과 같은 '떫은맛 분자'가 혀 점막 단백질과 결합하면 만들어지는 물질이 점막을 자극하여 인체는 떫은맛으로 인식한다. 

그림 5. 음식에 포함된 떫은맛 분자의 농도를 감지하는 유연 인공 혀A-B는 인간 혀의 맛 감지 과정을 모사하여 음식으로부터 맛 분자를 닦아내어 감지하는 인공 혀를 보여주는 모식도.C-D는 유연 인공 혀를 이용하여 감이 익기 전-후로 변화하는 떫은맛 농도를 측정한 결과. 감의 심지, 과육, 껍질에 가까운 부분을 닦아내어 떫은맛을 측정하였을 때, 숙성됨에 따라 떫은맛 분자의 농도가 감소함을 보여줌.
그림 5. 음식에 포함된 떫은맛 분자의 농도를 감지하는 유연 인공 혀A-B는 인간 혀의 맛 감지 과정을 모사하여 음식으로부터 맛 분자를 닦아내어 감지하는 인공 혀를 보여주는 모식도.C-D는 유연 인공 혀를 이용하여 감이 익기 전-후로 변화하는 떫은맛 농도를 측정한 결과. 감의 심지, 과육, 껍질에 가까운 부분을 닦아내어 떫은맛을 측정하였을 때, 숙성됨에 따라 떫은맛 분자의 농도가 감소함을 보여줌./UNIST

반면 단맛이나 짠맛은 혀 돌기 속 미뢰(맛 감지세포 덩어리)가 그 맛을 감지는데, 연구팀은 이 떫은맛을 감지하려면 이미 개발된 단맛 등을 감지하는 전자 혀와 다른 원리로 작동하는 전자 혀 개발이 필요하다고 설명했다. 

고현협 교수 연구팀은 떫은맛 분자와 결합하면 '소수성 응집체'가 만들어지는 '이온전도성 수화젤'을 이용해 전자 혀 개발에 성공했다고 밝혔다. 물에 섞이는 것이 친수성 물질이며, 그렇지 않은 것이 소수성 물질(기름 등)이라고 한다. 

'수화젤'은 수용성 고분자가 물리적 혹은 화학적인 결합에 의해 3차원 그물구조를 하고 있는 물질이다. 용해되지 않고 상당한 양의 물을 함유할 수 있는 친수성이 높다. 

혀 점막에서 일어나는 떫은맛 감지 원리를 모방한 것인데 이 고분자 젤은 혀 점막 단백질 역할을 하는 '뮤신'과 염화리튬이온을 포함하고 있다. 또한 미세한 구멍이 아주 많다고 한다. 

뮤신(Mucin)은 아령모양의 단백질로 인체 내에서 윤활 점액층으로 기능한다. 뮤신이 떫은맛 분자와 결합하면 미세 구멍 안에 '소수성 응집체 네트워크'가 만들어지는데. 이는 염화리튬이온의 움직임 정도(전도성)를 변화시켜 떫은맛을 전기적 신호로 검출할 수 있게 된다. 

인간 혀의 떫은맛 감지 원리를 모방한 유연한 인공 혀/UNIST

공동 제 1저자인 최아영 연구원은 "소수성 응집체 때문에 수화젤 구멍 벽면이 친수성에서 소수성으로 바뀌는데 이때 미세구멍 벽과 내부에 흐르는 이온 간의 정전기적 상호작용이 줄어들어 이온 흐름이 향상되고 도선을 흐르는 전류량이 늘어난다"고 설명했다. 

연구진은 와인, 덜 익은 감, 홍차 등의 떫은맛을 감지하는 실험에서 전자 혀가 레드, 화이트, 로제 와인 등 다양한 와인의 떪은 맛 정도를 정량적으로 감별함을 확인했다고 밝혔다. 

이번에 개발된 전자 혀는 검출해 낼 수 있는 떫은맛 범위도 넓은 뿐만 아니라 센서에 접촉 즉시 떫은맛 정도를 알아낼 수 있다. 

떫은맛 농도와 위치를 동시에 감지하는 유연 어레이 인공 혀A는 측정에 사용된 유연 기판 위 인공 혀를 보여주고, B-C는 이를 이용하여 떫은맛 분자의 농도와 위치를 동시에 감지하는 측정 결과임.
떫은맛 농도와 위치를 동시에 감지하는 유연 어레이 인공 혀A는 측정에 사용된 유연 기판 위 인공 혀를 보여주고, B-C는 이를 이용하여 떫은맛 분자의 농도와 위치를 동시에 감지하는 측정 결과임./UNIST

제1저자인 염정희 연구원은 “훈련의 받은 전문가는 수십 마이크로몰(μM) 농도의 떫은 맛 검출 할 수 있는데 반해 이번에 개발된 전자 혀는 2~3 마이크로 몰 농도 수준의 떫은맛까지 검출할 수 있다”고 설명했다.

고현협 교수는 “저렴하고 유연한 재료를 이용해 소형화된 전자 혀를 개발했다”며 “제작이 간편하고, 분석을 위한 복잡한 시편 준비 과정이 없어 식품, 주류 산업 뿐만 아니라 농업 등 다양한 분야에 적용 가능할 것”이라고 기대했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업 지원으로 이뤄졌으며, 미국과학협회(AAAS)에서 발행하는 세계적인 권위지 사이언스의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스 (Science Advances)’에 6월 6일자로 게재됐다.

[연구진사진] 고현협 교수 연구팀. 우측 부터 고현협 교수, 공동 제1저자 최아영 연구원, 제1저자 염정희 연구원/UNIST

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