Authentication of beef from a Brazilian Cerrado terroir using elemental fingerprints and machine learning

식품의 세계에서 동물이 서식하는 장소와 사육 방식은 그 고기에 영구적인 흔적을 남깁니다. '테루아(terroir)'라고 알려진 이 개념은 보통 와인과 연관되는데, 토양, 기후, 그리고 지역의 농업 전통이 결합하여 다른 곳에서는 재현할 수 없는 독특한 풍미를 만들어내는 것을 의미합니다. 과학자들은 이와 동일한 원리가 소고기에도 적용될 것이라고 오랫동안 의심해 왔습니다. 포도나무가 땅으로부터 미네랄을 흡수하듯, 가축은 섭취하는 토양, 물, 식물로부터 화학 원소를 흡수합니다. 이러한 원소들은 동물의 조직의 일부가 되어, 마치 자연적인 지문과 같은 역할을 하는 화학적 서명을 생성합니다. 만약 연구자들이 이 지문을 읽어낼 수 있다면, 고기의 정확한 출처를 증명하여 소비자들을 사기로부터 보호하고, 농부들이 자신들 제품의 독특한 품질을 입증할 수 있도록 도울 수 있습니다.

브라질의 한 연구팀은 브라질의 넓은 지역을 차지하는 거대하고 다양한 열대 사바나 생태계인 세하두(Cerrado)의 소고기를 사용하여 이 아이디어를 테스트하기 위해 연구를 시작했습니다. 세하두는 브라질 축산업의 중심지이지만, 매우 광대하고 다양한 경관을 가지고 있습니다. 연구진은 세하두 내의 특정 고품질 농장에서 생산된 소고기를 동일한 지역 내의 다른 농장에서 생산된 소고기와 구별할 수 있는지 알고 싶었습니다. 그들은 비프 패션(Beef Passion)이라는 회사를 집중적으로 조사했는데, 이 회사는 탄생부터 도축까지 완전히 통합된 시스템을 통해 가축을 관리하며 독특한 생산 환경을 조성하고 있습니다. 답을 찾기 위해 그들은 맛이나 향에 의존하는 대신, 실제 고기의 화학적 구성에 주목했습니다. 연구진은 비프 패션 운영 체제와 세하두 전역의 다섯 개 지방자치단체(전형적이고 특화되지 않은 생산을 대표하는 곳들)로부터 피카냐(picanha)로 알려진 프리미엄 부위인 대퇴이두근(biceps femoris) 샘플을 수집했습니다.

고기에 숨겨진 화학적 이야기를 밝혀내기 위해, 과학자들은 두 가지 강력한 분석 도구를 사용했습니다. 첫째, 그들은 중성자 활성화 분석(neutron activation analysis) 기술을 사용했는데, 이는 건조된 고기의 미세한 샘yl을 원자로의 중성자로 조사하여 내부의 원소들이 방사선으로 빛나게 함으로써 원소를 정밀하게 식별하는 방식입니다. 또한 그들은 시료를 기화시켜 원자의 무게를 측정하는 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(inductively coupled plasma mass spectrometry)을 사용했습니다. 이러한 방법들을 통해 연구진은 칼슘, 철, 아연과 같은 미네 minerals뿐만 아니라 루비듐, 크로뮴과 같은 미량 원소를 포함하여 소고기에 존재하는 14가지의 서로 다른 화학 원소의 양을 감지하고 측정할 수 있었습니다. 두 방법의 결과를 비교했을 때, 결과가 완벽하게 일치함을 확인하였으며, 이는 데이터가 신뢰할 수 있음을 입증했습니다.

그 후 연구진은 과제에 직면했습니다. 세하두 내의 다섯 가지 서로 다른 비특화 지역을 구별할 수 있을 것인가 하는 점이었습니다. 컴퓨터 알고算法을 사용하여 소고기를 특정 마을의 출처별로 분류하려고 시도했을 때, 결과는 좋지 않았습니다. 서로 다른 마을에서 온 소고기의 화학적 프로필이 서로를 구별하기에는 너무 유사했는데, 이는 아마도 해당 지역들의 농업 관행과 환경 조건이 너무 비슷했기 때문일 것입니다. 그러나 연구진이 이 모든 비특화 샘플들을 하나로 묶어 비프 패션 샘플과 비교했을 때, 상황은 극적으로 변했습니다. 정교한 패턴 인식 도구 역할을 하는 컴퓨터 모델은 두 집단을 명확하게 구분해 냈습니다.

연구는 비프 패션의 테루아가 다른 지역과 구별되는 독특한 원소 프로필을 보유하고 있음을 보여주었습니다. 컴퓨터 모델은 샘플이 어느 그룹에 속하는지를 식별하는 데 있어 100%의 정확도를 달ей 달성했으며, 이는 분류 과정에서 오류가 없었음을 의미합니다. 분석 결과, 두 가지 특정 원소가 이 구별의 핵심인 것으로 나타났는데, 바로 루비듐과 크로뮴이었습니다. 특별한 테루아의 소고기는 다른 지역의 소고기에 비해 루비듐 함량은 유의미하게 높고 크로뮴 함량은 낮았습니다. 이러한 차이의 정확한 이유는 복잡하지만, 연구진은 이것이 토양 구성, 식생, 그리고 비프 패션 농장의 관리 방식이 결합된 독특한 조합에서 비롯되어 동물이 이 미네랄들을 흡수하는 방식에 영향을 주었기 때문이라고 제안합니다.

이 발견은 특정 테로아의 독특한 환경 및 관리 조건이 실제로 감지 가능한 화학적 서명을 고기에 각인시킬 수 있다는 것을 입증합니다. 이 연구는 적은 수의 원소만을 측정함으로써 고부가가치 소고기의 출처를 절대적인 확신을 가지고 인증하는 것이 가능하다는 점을 시사합니다. 이러한 능력은 지리적 기원에 따라 가치가 결정되는 제품의 정체성을 검증하는 강력한 도구를 제공하며, 라벨에 적힌 이야기가 포장지 안의 실제 내용과 일치하도록 보장합니다. 이 연구는 세하두가 단순히 단일하고 균일한 소고 공급원이 아니라, 특정되고 잘 관리된 지역이 그 자체만의 화학적 정체성을 가진 고기를 생산할 수 있는 경관임을 확인해 줍니다.