정확도와 정밀도만으로는 부족할 때: 현대 식품 및 사료 연구소가 실제로 요구하는 것

오늘날의 식품 및 사료 연구소는 점점 더 까다로워지는 분석 환경에서 운영되고 있습니다. 시료 양은 늘어나고, 규제 요건은 더욱 엄격해지며, 연구자들은 종종 여러 대의 분석기를 동시에 운영해야 하는 상황에 놓입니다. 이러한 환경에서 분석 기기는 단순히 정확한 결과를 제공하는 것 이상으로, 수년 간의 기기 별 전문 교육을 받지 않은 사람들도 실제 업무 흐름에 맞춰 원활하게 사용할 수 있어야 합니다.

질소 및 단백질 분석은 식품, 사료 및 농업 분야에서 가장 일상적이고 상업적으로 중요한 측정 항목 중 하나입니다. 이 역시 과거의 측정 장비가 설계 당시 목표로 했던 기능과, 오늘날의 연구소가 실제로 필요로 하는 요구사항 사이의 격차가 극명히 드러나는 분야 중 하나입니다. 이러한 논의가 바로 듀마스 연소법(Dumas combustion method)에 따라 작동하는 exceed PLUS 시리즈의 질소 및 단백질 분석기를 개발할 때 설계의 원동력이 되었습니다.

질소와 단백질은 실용적인 이유뿐만 아니라 법적 규제 준수를 위해서도 다양한 산업 분야에서 가장 기본이 되는 핵심 지표입니다. 농업 분야에서 질소 측정은 토양 비옥도에 대한 중요한 정보를 제공하여, 보다 정밀한 영양소 관리를 가능하게 하고 수확량 최적화를 뒷받침합니다. 식품 및 사료 생산 분야에서 질소 측정에서 도출된 단백질 함량은 핵심 영양 가치로, 라벨링 규정 준수, 제품 품질은 물론 유제품과 같은 분야의 경우 공급망 전반에 걸친 상업적 가격 책정에 직접적인 영향을 미칩니다.

전 세계적인 식량 안보에 대한 우려가 고조되고, 더 많은 지역에서 규제 기준이 더욱 엄격해짐에 따라, 정확하고 효율적인 질소 및 단백질 분석의 중요성은 더욱 커질 것입니다. 이는 입고 검사, 배합 개발, 생산 관리, 출하 검사 및 라벨링에 이르기까지 모든 단계의 품질 관리 핵심에 자리 잡고 있습니다.

킬달(Kjeldahl)법은 오랫동안 다양한 시료 매트릭스에서 질소 정량 분석을 위한 기준 표준법으로 여겨져 왔습니다. 그러나 처리 시간 단축, 시료 처리량 증대, 실험실 안전성 향상에 대한 요구가 커짐에 따라 많은 기관에서 기존의 작업 흐름을 재검토하고 있습니다. 킬달법은 유해 시약, 흄 후드 인프라가 필요하며, 전체 배치 또는 심지어 단일 시료 하나만 분석하는 데도 약 90분의 분석 시간이 소요되는 반면, 듀마스(Dumas) 방식은 일상적인 사용에서 근본적으로 다른 방식으로 작동합니다.

듀마스법에 따른 질소 및 단백질 정량 분석에서는 시료를 고온 연소로에 투입하여 산소가 풍부한 환경에서 연소시킴으로써 유기 질소를 질소 산화물로 전환합니다. 이 질소 산화물은 분자 질소(N₂)로 환원되는 한편, 황, 염소 및 과잉 산소는 제거되고 물은 포집됩니다. 생성된 가스 흐름은 열전도도 검출기로 측정되며, 이를 처리하여 질소 함량을 결정합니다. 일반적인 분석 시간은 시료당 약 4~6분이 소요됩니다.

유해한 시약을 사용하지 않으며, 특별 처리가 필요한 액체 폐기물도 없고, 작업자가 지속적으로 주의를 기울일 필요도 없습니다. 시료를 세팅하고 자동 시료 주입 장치를 사용하여 그대로 작동시키면 됩니다. 이 방법은 단순히 속도가 빠를 뿐만 아니라, 운영자의 일상적인 개입을 줄여 더 자동화되고 유지보수가 적은 작업 환경을 가능하게 합니다. 또한, 듀마스 연소법은 킬달(Kjeldahl)과 같은 습식 화학 방식에 비해 자원 소비량이 현저히 적습니다.

질소 및 단백질 분석의 정확성과 정밀성은 이미 충분히 검증되었으며 결코 타협할 수 없는 기본 요소입니다. 이는 제품이 갖춰야 할 당연한 기준이며, 킬달(Kjeldahl)법과 듀마스(Dumas)법 모두 수많은 숙련도 시험과 연구를 통해 그 성능을 입증 받았습니다. 예를 들어, 프랑스 유제품 기관인 CNIEL이 약 350개의 유제품 시료 분석 결과를 비교한 최근 연구에 따르면, 평가 대상 모든 유제품에서 듀마스법과 킬달법 간 높은 수준으로 일치한다는 것을 확인하였습니다.

오늘날 실험실 관계자들과 대화를 나누다 보면, 그들이 제기하는 과제는 다음과 같습니다. 숙련된 직원의 이직으로 신규 직원을 교육해야 할 때 기존의 처리량을 어떻게 유지할 것인가? 결과의 품질을 저하시키지 않으면서 경험이 부족한 운영자의 업무 부담을 어떻게 줄일 것인가? 작업 과정에서 유해 물질을 어떻게 최소화할 것인가? 그리고 장기적인 유지 비용을 적절한 수준으로 유지하려면 어떻게 해야 할 것인가?

이러한 질문들이 바로 듀마스(Dumas) 기반의 exceed PLUS 분석기 설계를 주도한 요소들입니다. 듀마스 방식이 지닌 기존 장점 외에도, 이 분석기들은 견고하고 직관적으로 설계되었습니다. 즉, 기술 및 경험 수준이 서로 다른 사용자들도 신뢰할 수 있는 결과를 도출할 수 있는 시스템으로, 더 광범위한 사용자 층과 실험실 환경에서 일관된 성능을 보장합니다. 실제 운영에서 시료 처리량은 단일 분석의 순수 사이클 시간보다는 다음 두 가지 요인에 의해 더 크게 좌우됩니다. 첫째, 전체 분석 시퀀스 중 보정이나 예비 가동이 아닌 실제 분석에 활용되는 비중은 얼마나 되는지, 두번째는 유지 보수 작업에 들어가는 작업자의 시간이 얼마나 소요되는지도 중요한 요소입니다.

생산성을 더욱 높이기 위해, exceed PLUS 분석기의 기기 조작이 대폭 간소화되어 시료 처리량의 이점을 실현했습니다. 또한, 장기적으로 안정적인 교정과 매트릭스에 독립적이기 때문에, 재교정을 위해 중단할 필요 없이 다양한 시료 매트릭스를 동일한 시퀀스 내에서 연속적으로 직접 분석할 수 있습니다. 이는 실무적인 관점에서, 오토샘플러 위치가 보정 표준물질이나 기준 검증 시료로 차는 것을 줄여 실제 분석할 시료를 더 많이 장착할 수 있음을 의미합니다. 그 결과, 한 번의 분석 당 더 많은 실제 측정 값을 얻을 수 있습니다.

두 번째 요소는 유지 보수입니다. 시료 배치를 한 번 세팅하면 무인 상태로 실행될 수 있는 측정과 달리, 유지 보수 및 일일 예비 가동 루틴은 운영자가 기기 옆에 직접 있어야 합니다. 바로 이 때문에 유지 보수의 속도와 간편성이 중요한 것입니다. 복잡한 측정 또는 유지 보수 단계에 소요되는 1분은 실험실 기술자가 다른 업무에 할애할 수 없는 1분이기 때문입니다. exceed PLUS 분석기를 사용하는 실험실은 이전 세대 기기에 비해 유지 보수 개입 횟수가 최대 60% 감소하는 이점을 누릴 수 있으며, 빠르고 간단한 일일 예비 가동 루틴과 결합되어 실험실이 기기에서 얻을 수 있는 성과를 제한하는 바로 그 종류의 인력 투입이 필요한 가동 중단 시간을 줄여줍니다.

동시에 시료 당 비용이 크게 절감되어, 실험실의 분석 성능을 저하시키지 않으면서 운영 비용을 낮출 수 있습니다. 이러한 비용 절감은 소모품 소비량 감소 및 유지 보수 주기 연장 등 여러 요인에 기인합니다. 또한, 헬륨 대신 비용 효율적인 운반 가스 대안인 아르곤이나 CO₂를 사용함으로써, 실험실은 변동이 심한 헬륨 시장에 대한 의존도를 낮추고 헬륨 가격 상승으로부터 보호 받을 수 있습니다.

exceed PLUS 시리즈의 주요 적용 분야는 고처리량·정밀한 단백질 분석이 운영상 필수적이며 상업적으로도 민감한 분야, 즉 유제품, 곡물, 동물 사료, 대체 단백질, 원료 및 광범위한 식음료 부문입니다. 이러한 산업 분야의 규제 준수 및 품질 보증은 생산 체인의 모든 단계에서 일관되고 추적 가능한 질소 측정에 달려 있습니다.

또한 이 분석기는 극히 낮은 질소 농도를 검출해야 하는 분석적 난이도가 높은 전분 생산 분야는 물론, 질소 함량이 중요한 품질 지표인 폴리머, 플라스틱, 고무 등 화학 산업 분야에도 매우 적합합니다.

이 제품군은 또한 헬륨 부족과 가격 변동성에  따른 운영의 불안정성을 원치 않는 실험실을 위한 솔루션이기도 합니다: rapid MAX N exceed PLUS는 대체 캐리어 가스로 아르곤을 사용할 수 있는 옵션을 제공하며, rapid N exceed® PLUS는 CO₂를 사용하여 작동하므로, 이러한 모든 산업 분야의 실험실은 자사가 통제할 수 없는 공급망으로부터 분석 처리량을 분리할 수 있는 방법을 확보하게 됩니다.

앞으로 몇 년 동안 질소 및 단백질 분석 분야는 두 가지 요인의 영향을 지속적으로 받게 될 것입니다. 첫 번째는 인력 문제입니다. 숙련된 분석자를 채용하고 유지하기가 예전보다 어려워졌으며, 실험실에서는 가장 많은 훈련을 받은 사람 뿐만 아니라 해당 교대 근무에 배정된 누구라도 신뢰할 수 있는 결과를 도출할 수 있는 장비가 점점 더 필요해지고 있습니다. 이로 인해 실험실은 하드웨어와 소프트웨어가 긴밀하게 통합되어 전문가의 개입을 최소화하면서도 높은 지능, 연결성, 운영 편의성을 갖춘 시스템으로 전환하고 있습니다. 다양한 시료 매트릭스에서 일관된 정확도를 유지하는 교정과, 몇 시간이 아닌 단 몇 분 만에 완료되는 유지 보수 절차는 단순한 편의성 향상이 아닙니다. 이는 개별 측정 속도가 아무리 빠르더라도 실험실이 하루에 실제로 처리할 수 있는 시료의 양을 결정하는 핵심 요소이며, 이를 통해 실험실 직원들은 기기 관리 대신 데이터 해석에 집중할 수 있게 됩니다. 두 번째는 헬륨입니다. 공급이 여전히 부족하고 가격이 변동성을 보이는 가운데, 캐리어 가스의 선택은 단순한 부수적인 고려 사항에서 진정한 조달 기준으로 자리 잡고 있습니다.

exceed PLUS 시리즈는 이러한 방향에서 의미 있는 진전을 보여줍니다. 이 시리즈는 실험실이 성능과 사용 편의성, 처리량과 안전성, 또는 분석 능력과 지속 가능성 사이에서 선택을 강요하지 않습니다. 분석 실험실에 대한 요구가 끊임없이 증가하는 분야에서, 이러한 종류의 기기 설계는 매우 중요합니다.