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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.56 No.3 pp.113-118
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2022.56.3.113

The Effect of Soybean's Moisture Content on Ultimate Strength

Gun-Ho Lee1, Byeong-Eun Moon2, Na-Eun Kim1, Hyeon-Tae Kim3*
1Department of Bio-systems Engineering, Gyeongsang National University (Institute of Smart Farm), Jinju 52828, Republic of Korea
2Department of Convergent Biosystems Engineering, Sunchon National University, Suncheon 57922, Republic of Korea
3Department of Bio-systems Engineering, Gyeongsang National University, Jinju 52828, Republic of Korea/ Institute of Smart Farm, Gyeongsang National University, Jinju 52828, Republic of Korea
* Corresponding author: Hyeon-Tae Kim (Tel) +82-55-772-1896 (E-mail) bioani@gnu.ac.kr
November 28, 2022 ; June 9, 2022 ; June 20, 2022

Abstract


The goal of this study was to increase the self-sufficiency rate of soybeans, which had recently gained popularity as a functional health food. The purpose was to measure the ultimate strength of soybeans based on moisture content to identify the cracked (breaking) section of the bean. Natural loss, threshing process loss, sorting process loss, and harvesting process loss, seem to be the four major categories of losses that occurred during the harvesting process. The threshing loss showed a higher loss ratio as compared to other components. In this experiment, the moisture content level of beans was divided into precise steps to directly measured the load that produces cracking, which was lacking in the previous experiment. The beans with the period of addition had the lowest ultimate strength value of 3.9N, while the beans without the period of addition had the highest ultimate strength value of 5.244N.



콩의 함수율이 극한강도에 미치는 영향

이 건호1, 문 병은2, 김 나은1, 김 현태3*
1경상국립대학교 바이오시스템공학과(스마트팜 연구소) 대학원생
2순천대학교 융합바이오시스템기계공학과 교수
3경상국립대학교 바이오시스템공학과 교수/ 경상국립대학교 스마트팜연구소 책임연구원

초록


본 연구는 기능성 건강식품으로 각광받고 있는 콩의 자급률을 올리기 위함이다. 콩의 함수율에 따른 극한강도를 측정하여 콩의 깨짐(파단) 부분을 파악하고 함수율에 따른 극한강도를 찾는 것을 목표로 한다. 현재 수확 과정중 발생하는 손실은 자연적 손실, 탈곡 과정 손실, 분류 과정 손실, 예취 과정 손실로 크게 4가지로 분류되며, 이중 탈곡 손실은 두류(콩)의 파손 및 손실율에 직접적인 요인으로 판단되여 다른 요인들에 비해 중요하다 판단되고 있다. 본 실험에서는 앞선 실험에서 부족했던 두류(콩)의 함수율 세부적인 단계로 나누어 실험하고, 생물체의 깨짐이 발생하는 하중을 직접적으로 측정하는 것을 목표로한다. 가수기간이 가장 긴 두류(콩)의 극한강도값이 3.9N으로 가장 낮게 측정되었으며, 가수기간을 거치지않 은 두류(콩)의 극한강도값이 5.244N으로 가장 높게 측정되었다.



    서론

    콩과에는 약 18,000종이 있으며 우리나라에서 주로 재배하는 30종(백태, 흑태, 서리태, 서목태, 청대콩 등)은 주요 식량 중 하나 이다. 콩은 골다공증, 암, 콜레스테롤 지수를 낮추는 효능을 가지고 있어(NICS, 2011), 최근에는 건강에 좋은 웰빙 두부, 매주, 콩국수 등 식품으로 인식되어 수요성이 늘어나는 추세이다. 이러한 식품에 대한 지속적인 관심 속 정부 또한 2030년 콩 자급률을 45% 설정해 (Ministry of Agricultur, Food & Rural Affairs, 2020) 농업에 대한 관심을 이어가고 있다. 하지만 실상은 재배면적이 2019년 대비 밭⋅콩 2.2% 증가 논⋅콩 15.0% 감소 합계 1.0% 감소로 재배면적은 줄어들었다. 또한 콩의 생산량은 19년 105,340톤에서 20년 80,926톤으로 23.2% 감소하였다. 국산콩에 비해 가격이 저 렴한 수입콩의 사용 증대로 인하여 국산콩의 입지가 줄어든 것이 그 이유이다. 이러한 생산량 감소는 밭농업 특성상 중요한 기계적 요인으로 극복이 가능하나, 콩의 자급률 확대에 필요한 기계화 수 준 또한 농업 선진국의 81.4% 수준으로 개선이 필요함을 알 수 있다(Ministry of Science & ICT, 2020).

    현재 수확 과정중 발생하는 손실은 자연적 손실, 탈곡 과정 손 실, 분류 과정 손실, 예취 과정 손실로 크게 4가지로 분류되며 (Pishgar-Komelh et al., 2013), 이중 탈곡 손실은 두류(콩)의 파손 및 손실율에 직접적인 요인으로 판되되며, 다른 요인들에 비해 손 실율이 높아 중요하다 판단되고 있다(Hanna & Quick, 2013). 그 렇기 때문에 이러한 탈곡손실을 줄일 지속적인 연구가 필요하며, 앞전 탈곡 손실 요인을 보안하기 위한 많은 실험은 다음과 같다. 두류(콩)의 손상을 줄이기 위해 탈곡과정중 발생하는 원인을 분석 한 연구로 탈곡시 두류(콩) 함수율이 마찰 및 충격력에 미치는 영향 (Azadbakgt et al., 2012)이 있지만 이는 탈곡과정중 탈공통 내 급치날에서 발생하는 에너지를 기준으로 서술하여 두류(콩)의 낯 알의 서술은 부족한 편이며 또한 함수율의 경우도 2그룹으로 분류 하여 함수율에 관한 내용도 빈약한 실정이다. 또한 내부 기계적 손상이 있는 대두 종자가 발아에 미치는 영향(Ning X et al., 2014) 의 경우 실제 탈곡에 사용하는 기계를 사용하여 두류(콩)의 손상에 관해 실험하였고 함수율과 두류(콩)의 직접적인 파괴에 관한 연구 는 부족하다 판단되며, 플랜터 설계와 콩의 물리 및 기계적 특성 결정 관계(Soyoye et al., 2018)의 경우 본 실험과 과장 유사하나 국내에서 주로 사용하는 두류(콩)의 종류와는 다른 종류로 국내 실용화는 어려운 실정이다. 따라서 본 실험에서는 앞선 실험에서 부족했던 두류(콩)의 함수율 단계를 세부적인 단계로 나누어 실험 하고, 플랜터 설계와 콩의 물리 및 기계적 특성 결정 관계(Soyoye et al., 2018)의 논문을 인용하여 생물체의 깨짐이 발생하는 하중을 직접적으로 측정하는 것을 목표로한다.

    재료 및 방법

    1. 실험 순서도 및 재료 확보

    실험의 전반적인 흐름을 Fig. 1과 같이 정리 하였으며, 실험 에 사용한 콩은 ‘대풍’콩으로 경상남도 진주시 경남농업기술원 (35°.21′N, 128°.11′E) 앞 콩 재배지에서 수집하였으며, 수집면적 내 모두 동일한 규격 및 방법을 통해 수집하였다. 대풍의 경우 제1 착협고가 약 17cm이므로 바닥으로부터 약 5cm 높이의 콩 줄기 부분을 낫으로 베어 수집하였다. 시료 보관은 상온의 그늘진 곳에 서 보관했으며, 탈곡과정을 거친 뒤 채에 넓게 펴 바람을 사용하여 설진을 제거 후 5그룹 각 50 g으로 세분화하였다.

    2. 시료 측정

    2.1 외부길이 및 면적 측정

    콩의 함수율에 따른 극한강도 측정은 압축 시 시료의 단면적이 필요함으로 가수과정을 거친 그룹에서 15개의 시료를 무작위로 추출하여 외부길이를 측정하였다. 모든 시료의 길이 와 폭을 측정 하였으며, 길이 측정에 사용한 장치는 디지털 버니어캘리퍼스 (CD-AX/C, Mitutoyo Co., Ltd., Japan)를 사용하였다. 측정결과를 바탕으로 시료의 면적을 계산하였으며, 긴 직경을 ‘a’, 짧은 직경을 ‘b’로 식(1)을 통해 계산하였다(Kibar & Ozturk, 2008) (Fig. 2).

    S = π a b [ m m 2 ] S = a r e a o f e l l i p s [ m m 2 ] a = l o n g r a d i u s [ m m ] b = s h o r t r a d i u s [ m m ]
    식 (1)

    2.2 가수 방식 및 함수율 측정

    두류(콩)의 수화속도는 증류수의 온도나 가수된 시간에 의해 변경되며, 온도의 경우 10℃에서 가장 완만한 함수율 증가속도를 보인다(Park & Cho, 1995). 온도가 올라 갈수록 기울기가 높아지 는 경향을 보이며, 8시간 정도의 가수후에는 대부분 일정값에 수렴 하여 그 값또한 온도가 낮아짐에 따라 함수율이 낮아지는 경향을 보인다. 그렇기 때문에 본 논문에서는 그룹간 큰 함수율의 차이보 다 작은 간격을 유지하기위하여 시료를 4℃의 증류수에 0 분(상 온), 10 분, 20 분, 30 분, 40 분 침수시킨 뒤 물기를 제거 후 사용하였다. 함수율 측정은 103℃의 온도에서 72시간 건조하여 측정하는 것이 다른 연구에서 보이는 보편적인 방식이나[6], 본실 험에서는 시간상의 이유로 105℃에서 300분 건조하는 방식 (KATS, 2010)을 사용하였으며 두 실험 방법에 결과값은 유의미한 차이를 확인 할 수 없었음으로 후자의 방식을 사용하였다. 함수율 측정을 위해 가수된 후 두류(콩)의 무게, 가수된 시료의 건조 후 무게를 측정하였으며 이때 사용한 장치는 계수용 전자거울(CAS MW-H, CAS Co., Ltd, Korea)을 사용하여 측정하였다. 이후 측 정된 무게를 식(2)를 사용하여 함수율을 계산하였다(KASTO, 2016).

    Ψ = m w m d + m w × 100 [ % ]
    식 (2)

    • md = the mass of dry material [g]

    • mw = the mass ofwater [g]

    • Ψ = Moisture content wet basis (MCw b )[%]

    2.3 그룹별 압축실험을 통한 파단 하중 측정

    시료의 파단 시 발생하는 하중을 찾기 위하여 그룹별 압축 실험 을 진행하였다. 시료의 극한강도를 측정하고, 콩의 극한강도를 파 악하기 위하여 만능재료시험기(EZ-20, Lloyd Instruments Ltd., America)를 사용하였다. 콩 낱알의 압축하중 측정을 위한 조건 설정 및 결과 분석은 전용 소프트웨어(NEXYGEN Plus 3.0, Lloyd instruments Ltd, America)를 사용하였다. 실험의 설정값 은 인장율 12 mm/min의 속도로 최대하중이 300N을 초과시 정지 시킴으로 초기값을 설정 하였다. 기존의 인장 및 압축실험에서 사 용하는 재하속도 5 mm/min ~ 12 mm/min의 값을 실험대상에 따라 사용하지만 재하속도는 결과에 큰 영향을 끼치지 않기 때문에 (Li & Larock., 2000;Park et al., 2002) 재하속도를 12 mm/min 으로 일괄 설정하여 사용하였다. 그룹당 15개의 시료를 사용하여 실험하였으며(Fig. 3), 콩 낱알이 깨질 때까지의 하중 값을 효과적 으로 관찰하기 위해 시간-하중 그래프로 측정하였다. 그 이후 식 (3) 을 사용하여 생물의 극한강도 값을 측정하였다(Shitanda et al., 2002).

    U = L S [ N / m m 2 ]
    식 (3)

    • U = ultimate strength [N/mm2 ]

    • S = area of e l l ipse [mm2 ]

    • L = the load when bean break [N ]

    3. 통계분석

    함수율에 따른 두류(콩)의 극한강도를 통계적으로 분석하기 위 해 프로그램 IBM SPSS Statistics (SPSS Statistics Program (version 25.0), SPSS Inc, Ameri)을 사용하여 분석하였다. 다양 한 선형 회귀분석중 함수율과 두류(콩)의 극한강도의 관계를 선형 적으로 보기위하여 단변량 단순 선형 회귀모델을 사용하였으며, 집단 사이의 비교 분석을 수행함으로써 그룹관의 극한강도를 비교 분석하였다. 그룹에 따른 극한강도 차이를 분석하기 위해 세 개 이상의 집단들에 대한 평균을 비교하는 일원배치분산분석방법을 사용하였으며, 이에 따른 사후검증으로 가수전 그룹 1의 극한강도 값과 침지 된 그룹 2 (10 분), 그룹 3 (20 분), 그룹 4 (30 분), 그룹 5 (40 분) 각각의 관계를 규명하기 위해 Scheffe 다중검정 방법을 수행하였다(Pak et al., 2010).

    결과 및 고찰

    1. 콩 외형 측정 결과

    증류수에 각 0 분, 10 분, 20 분, 30 분, 40 분 가수 과정을 거친 그룹에서 무작위로 15개를 추출하여 두류(콩)의 외형 길이를 측정하였다. 측정 결과에서 나온 두류(콩)의 넓이를 사용하여 압력 을 받는 시료의 면적 부분을 계산하였다. 외형 측정 결과는 다음과 같다(Table 1). 가수 과정을 거치지 않은 상온의 두류(콩)과 각 가수 과정을 10, 20, 30, 40분 거친 나머지 의 넓이 비교를 통해 알 수 있다. 상온의 두류(콩)과 40분 가수과정을 거친 두류(콩)를 비교했을 때, 그룹의 차이가 11.49%로 가장 큰 격차를 보였으며, 상온의 두류(콩)와 10분의 가수 과정을 가진 두류(콩)의 차이가 10.81%, 상온의 두류(콩)와 30분의 가수 과정을 가진 두류(콩)의 차이가 7.76%, 상온의 두류(콩)와 20분의 가수 과정을 가진 두류 (콩)의 차이가 6.77% 순으로 가수 과정을 거친 그룹이 상온의 콩보 다 넓이가 크게 나온 것을 확인 할 수 있다(Kim et al., 2015). 이는 두류(콩)의 가수중 수화 발생이 원인으로 판단되며, 두류(콩) 의 종류에 따라 속도의 차이를 보인다(Park & Cho, 1995). 하지만 본실험에서 사용한 두류(콩)은 ‘대찬’한품종만을 사용하였으며, 실 험의 다양화를 위하여 추가적인 실험이 필요하다 판단된다. 또한 두류(콩)의 형상 및 부피, 밀도등을 계산하여 외형적 특성을 정리한 논문과 달리(Singh et al., 2014), 본 논문에서는 두류(콩)의 극한강 도 실험시 만능재료실험기와 콩이 직접적으로 닿는 표면적을 타원 으로 일괄 과정하여 계산식에 사용하였기 때문에 함수율이 극한강 도값에 미치는 영향을 경향적으로는 판단 할 수 있으나, 정확한 수치를 연구하려면 보완이 필요하다 판단된다.

    2. 실험에 사용한 가수 시간별 콩의 함수율

    함수율을 측정한 결과는 다음과 같이 나타났다(Table 2). 침수 시간 증가에 비례하여 함수율 또한 증가하는 양상이다. 위의 결과 에서 살펴보면 40분간 증류수를 통해 가수한 두류(콩)에서 13.2% 로 가장 높은 함수율을 나타내고 있으며, 가수 과정을 거치지 않은 그상온의 두류(콩)에서 6.7%로 가장 낮게 나타났다. 이는 증류수 에 침수되어 있는 시간에 따라 함수율에 차이가 생긴 것으로 판단 된다. 이때 40 분간 가수된 두류(콩)는 30 분간 가수된 두류(콩)에 비해 함수율이 2.5% 증가하였으며, 다른 시간 가수된 두류(콩)와 비교했을 때 가장 큰 증가율을 보인다.

    3. 함수율에 따른 콩의 극한강도 분석

    그룹 간 평균넓이, 평균하중, 최소극한강도. 최대극한강도 및 평균극한강도의 내용은 다음과 같다(Table 3). 평균넓이의 경우 40분간 가수돈 두류(콩)의 15개 낱알의 평균 두류(콩)의 단면적이 53.495 mm²으로 가장 높게 측정되었으며, 이의 경우 가수후 두류 (콩)의 함수율이 물리적 형상에 작용한 것으로 판단된다(Kim et al., 2015). 평균하중의 경우 30분간 가수된 두류(콩)를 제외한 나 머지 그룹은 함수율이 증가함에 반비례적으로 감소함을 보인다. 40분간 가수된 두류(콩)의 평균하중값이 208.597 N으로 가장 낮 게 측정되었으며, 이는 함수율이 가장 높은 두류(콩)에서 가장 낮은 하중의 값이 발생함을 알 수 있다. 상온의 두류(콩)에서 6.452 N/mm²으로 가장 높게 측정되었고, 최소극한강도는 40분간 가수 된 두류(콩)에서 2.901N/mm²로 가장 낮게 측정되었다. 평균극한 강도의 경우 또한 40분간 가수된 두류(콩)에서 3.899N/mm²로 가 장 낮게 측정되었으며, (Fig. 4)와 같이 증류수에 장시간 가수되어 높은 함수율을 가진 그룹이 낮은 함수율을 가진 그룹보다 압력을 받는 표면적이 넓고, 파단시 발생하는 하중이 낮아 극한강도값이 낮음을 알 수 있다. 이는 극한강도 실험에서 함수율이 두류(콩)의 극한강도에 영향을 미침을 알 수 있다. 이러한 비슷한 결과를 함수 율이 목재의 압축강도에 미치는 영향에서 확인 할 수 있으며(Jang, 2000) 목재의 함수율이 높아짐에따라 섬유질경사각이 높아져 압 축강도의 감소로 이어진다 판단 하고 있다. 두류(콩) 또한 지방 및 담백질 함량이 두류(콩)의 극한강도에 영향을 끼치는 연구조사 가 있었으며(Kuźniar, et al, 2016), 함수율의 증가에 따른 두류(콩) 의 특성이 극한강도값에 영향을 끼칠 수 있다고 판단된다. 그러나 본 논문에서는 함수율만 고려하여 극한강도를 측정하였기 때문에 추후 추가적인 실험이 필요하다고 판단된다.

    4. 함수율에 따른 콩의 극한강도 통계적 분석

    함수율에 차이를 둔 그룹간 분석을 일원배치분산분석방법을 사 용하여 해석하였다. 결과는 유의수준을 0.05로 가정했을 때, 상온 의 두류(콩) 극한강도 평균은 약 5.244N 10분 가수된 두류(콩)의 극한강도 평균은 약 4.265N, 20분 가수된 두류(콩) 극한강도 평균 은 약 4.269N, 30분 가수된 두류(콩) 극한강도 평균은 약 4.12N, 40분 가수돈 두류(콩) 극한강도 평균은 약 3.9N로 나타났으며, 집단-간의 유의확률이 0.001보다 작은 값으로 통계적으로 유의미 한 모델임을 확인할 수 있다(Table 4). 해석결과 상온의 두류(콩) 평균극한강도값이 약 5.244임으로 가수 과정을 거친 두류(콩)의 극한강도값 보다 높다는 것을 확인할 수 있고, 증류수에 가수 과정 을 거친 두류(콩)이 가수 과정을 거치지 않은 두류(콩)에 비해 극한 강도값이 낮음을 알 수 있다. 이러한 결과는 함수율과 극한강도를 평가한 모델에서 확인 할 수 있으며 식 (4)와 같다. 기울기는 -0.136, 절편은 5.647로 함수율이 증가함에따라 극한강도값은 감 소하는 추세를 보인다. 하지만 함수율 과 극한강도의 상관계수 r값 은 상당히 낮은 –0.44217로 유의성이 떨어진다 판단된다. 이는 함수율 측정에 사용된 일부 시료를 압축강도실험에 사용된 15회 두류(콩)에 일괄 적용하여 결과를 분석했기 때문으로 판단된다.

    y = a + b x
    (4)

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평 가원 첨단농기계산업화기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음 (320027-3)

    Figures

    JALS-56-3-113_F1.gif

    Folow chart of experiment.

    JALS-56-3-113_F2.gif

    Length measurement soybean.

    JALS-56-3-113_F3.gif

    Load measurement of soybean using EZ-20.

    JALS-56-3-113_F4.gif

    Average ultimate strength by group.

    Tables

    Measurement of soybean dimension

    The percentage of water content in soybean

    Summary of results by group (unit. N/mm2)

    Anova table of ultimate strength

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