KR100405216B1 - 증수용 식물 생장 조정제 및 이의 추출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증수용 식물 생장 조정제 및 이의 추출 방법에 관한 것으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 폴리프레놀을 포함하는 증수용 식물 생장 조정제를 제공한다.

본 발명의 물질을 이용함으로써, 기존의 생장 조정제에 비해 낮은 가격으로 높은 생산성 증대 효과를 얻을 수 있으며, 과채류 분야뿐만 아니라 이보다 시장 규모가 큰 곡류 분야에서도 증수 효과를 얻을 수 있어 향후 농업 발전에 이바지할 수 있다.

Description

증수용 식물 생장 조정제 및 이의 추출 방법{Plant growth stimulator for improving crop yield and extracting method of the same}

본 발명은 증수용 식물 생장 조정제 및 이의 추출 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 식물의 증수 효과를 높일 수 있는 식물 생장 조정제 및 이러한 식물 생장 조정제를 식물로부터 추출하는 방법에 관한 것이다.

현재 세계의 인구는 매년 1억명씩 늘어나고 있으나 세계의 농지는 한정되어 있는 실정이고, 따라서 최대한의 생산을 위한 고밀도 집약 생산이 요구되고 있다. 특히, 한국은 농경지 규모가 작아 농사가 집약적으로 이루어지므로 단위 면적당 생산량을 높여 고품질의 상품을 생산하는 것이 중요하다. 최근에는 화학 공업의 발전에 의하여 다양한 농약, 비료가 생산되었으며, 그 결과 농업 생산성의 증대를 이룩하였다. 그러나, 이러한 화학 물질의 남용은 생태계 파괴 및 환경 오염 등과 같은 문제를 유발시켰고, 따라서 독성 및 환경 오염 문제 등에 관한 안전성 측면을 모두 만족시킬 수 있는 농약에 대한 연구 개발이 요구되고 있다.

농약은 크게 살충제, 살균제, 제초제 및 식물 생장 조정제로 나뉘어져 있다. 살충제, 살균제, 제초제 등은 작물의 감소를 예방할 목적으로 사용되는 반면 식물 생장 조정제는 식물 자체의 증수와 함께 성숙, 낙과 방지, 도복 경감 등의 다양한 생리 활성을 이용하여 생산성 및 상품성을 증대시키는 역할을 하기 때문에 그 중요성이 증대되고 있다. 식물 생장 조정제는 일종의 식물 호르몬으로서 식물체 내에서 합성된 후 이동하여 극히 낮은 농도에서 각 조직과 분화에 영향을 주는 물질을 말한다. 식물 호르몬은 여러 부분에서 합성 되며 그의 영향도 비교적 넓다.

한편, 이러한 식물 생장 조정제는 다른 살충제, 제초제 및 비료와는 달리 적은 양으로도 식물의 성장과 발육을 촉진시키는 특징을 갖고 있으며, 오옥신류 (auxin), 지베렐린류(gibbereelic acid), 사이토키닌류(cytokinin), 아브시스산 (abscisic acid), 에틸렌(ethylene) 및 브라시놀라이드(bracinolide) 등이 알려져 있다. 과수 증대 효과를 위한 생장 조정제로는 지베렐린류와 오옥신류가 일반적으로 사용되고 있으나, 과채류의 생장 촉진 분야에만 국한되어 있고 곡류 분야에 사용된 경우는 알려져 있지 않을 뿐만 아니라 가격이 매우 비싸다. 또한, 라이스 등(Riceet al.,Science195:1339-1341, 1977)은 트리콘타놀(triacontanol)이라는 물질을 분리하여 생장 촉진 효과가 있음을 확인한 바 있고, 조 등(조et al., 과학기술부 연구보고서 "식물 생장 조절제에 관한 연구" 1983)은 이를 옥수수, 보리, 쌀, 토마토 등에 적용한 바 있다. 또한, 벼의 경우 14.8%-41%, 배추의 경우 83%, 무의 경우 108.4%의 수량 증가를 보인 결과가 있으나, 역시 매우 고가여서 이러한 경제적 문제를 극복하기 위해 이를 합성하려는 시도가 있었다. 라오 등(Raoet al.,Organic preparation and procedures International24:67-70, 1992)에 의하여 트리콘타놀의 합성 방법이 개발되었으나 아직 상업화되지는 못하였다.

한편, 최근에는 식물 생장 촉진용 미생물의 개발에 대한 연구가 진행되고 있으나 화학 물질만큼의 효과를 보이고 있지 않다. 또한, 유전공학적 기법을 이용한 형질전환 식물을 개발하여 증수 효과를 보이려는 시도가 있으나, 증수 효과가 크지않고 안전성에 대한 문제가 입증되지 않아 실용화되지 못하고 있다.

이러한 요구에 따라, 본 발명자들은 식물 생장 조정제에 관한 연구를 수행하던 중 폴리프레놀이란 물질이 안정하게 작물의 증수 효과를 높인다는 것을 보임으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 식물의 증수 효과를 높일 수 있는 식물 생장 조정제를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 식물 생장 조정제를 식물로부터 추출하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 목화 잎으로부터 추출한 추출액을 고압 액체 크로마토그래피(HPLC)를 이용하여 분리한 결과를 크로마토그램으로 나타낸 것이다.

도 2는 목화 잎으로부터 추출한 추출액을 액체 크로마토그래피 질량분석기(HPLC-MASS)를 이용하여 확정한 운데카프레놀의 질량 스펙트럼(MASS spectrum) 결과를 나타낸 것이다.

도 3은 목화 잎으로부터 추출한 추출액을 액체 크로마토그래피 질량분석기(HPLC-MASS)를 이용하여 확정한 도데카프레놀의 질량 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다.

도 4는프로톤(proton)-NMR을 이용하여 얻은 목화 잎으로부터 추출한 추출액의 NMR 스펙트럼(NMR spectrum) 결과를 나타낸 것이다.

도 5는 ¹³C-NMR을 이용하여 얻은 목화 잎으로부터 추출한 추출액의 NMR 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 폴리프레놀을 포함하는 증수용 식물 생장 조정제를 제공한다.

상기 식에서, n은 9 내지 12의 정수인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

1) 식물 잎으로부터 유기 용매를 사용하여 유기 용매 가용 물질을 추출하는 단계;

2) 상기 유기 용매 가용 물질을 수산화칼륨 용액에 첨가하는 단계;

3) 상기 용액으로부터 유기 용매를 제거하고 건조하는 단계; 및

4) 상기 건조된 유기 용매 가용 물질로부터 폴리프레놀을 정제하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 식물로부터 폴리프레놀을 추출하는 방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

상기 화학식 1의 구조식을 가지는 폴리프레놀은 이소프레노이드의 연결체이며, 이소프레노이드는 자연계에서 거대한 군을 이루고 있어 30,000개 이상의 화합물에 포함되어 있고, 다양한 생화학적 기능을 담당한다. 즉, 전자전달계의 퀴논의 성분, 미생물 세포막의 구성성분, 카로티노이드, 클로로필과 같은 광합성 색소의 성분, 지베렐린, 브라시노스테로이드와 같은 호르몬의 구성 성분으로 작용한다(Taniguchiet al.,Proc. Natl. Acad. Sci. USA97:13172-13177, 2000). 또한, 폴리프레놀은 에탄올, 클로로포름, 헥산 및 아세톤과 같은 유기 용매에 잘 녹고, 독성이 없으며, 6-12개월간 장기 저장이 가능하다는 특징을 갖고 있다(Stoneet al.,Biochem. J. 102:325-330, 1967).

상기 화학식 1의 구조식을 갖는 폴리프레놀은 분자 구조내의 2개의 이중 결합 탄소 4가지가 시스형과 트랜스형의 구조를 가질 수 있다는 특징을 갖는다. 본 발명은 이러한 폴리프레놀을 증수용 식물 생장 조정제로 이용한다는 점에 특징이 있다. 상기 화학식 1의 구조식을 갖는 폴리프레놀에서 n은 9 내지 12의 정수, 구체적으로 데카프레놀, 운데카프레놀, 도데카프레놀 및 트리데카프레놀인 것이 바람직하다.

상기 폴리프레놀을 증수용 식물 생장 조정제로 사용함에 있어서, 담배, 포도, 딸기, 토마토, 오이, 옥수수, 감자, 콩나물 등과 같은 과채류; 벼, 보리, 수수 밀 등과 같은 곡류, 국화, 장미, 백합과 같은 화훼류에 적용될 수 있으며, 구체적으로 본 발명에서는 밀, 옥수수 및 오이에 적용하였다.

또한, 본 발명은 상기 폴리프레놀을 식물로부터 추출하는 방법을 제공하는데 특징이 있다.

상기 폴리프레놀을 식물로부터 추출하는 방법으로는 당업계에 공지된 방법이 이용될 수 있으며, 구체적으로 본 발명에서는 유기 용매를 이용하여 추출하는 방법을 이용하였다. 본 발명의 폴리프레놀 추출 방법을 구체적으로 살펴보면, 먼저, 목화(cotton plant), 마로니에(horse chestnut), 담배(tobacco plant), 천남성(lords and ladies), 자작나무(silver birch), 은행(ginko) 및 대두(soybean leaves) 등의 식물, 바람직하게는 목화 잎으로부터 유기 용매를 사용하여 유기 용매 가용 물질을 분리한다. 상기 유기 용매로는 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 벤젠 등이 사용될 수 있으나, 에탄올과 벤젠을 사용하는 것이 바람직하다.

이후, 상기 유기 용매 가용 물질에 수산화 칼륨 수용액을 첨가한다. 수산화칼륨 수용액을 첨가하는 이유는, 일반적으로 식물체에서 발견되는 폴리프레놀은 초산과 결합한 에스테르 형태로 존재하기 때문에 이를 산이나 염기 가수분해를 통해서 알코올의 형태로 만들 필요가 있기 때문이다. 또한, 수산화 칼륨 용액과 함께 피로갈롤을 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 추출 과정 중 형성된 유기 용매를 제거하고 건조시킨다. 건조 방법으로는 당업계에 알려진 방법, 즉, 무수 황산 나트륨, 무수 황산 마그네슘 등과 같은 무수 중성염을 이용하여 건조한다. 건조시킨 후 남은 유기층을 농축시키고, 상기 폴리프레놀만을 정제하며, 정제방법으로는 일반적인 크로마토그래피 방법이 이용된다. 크로마토그래피 방법으로는 LC, 실리카겔, 세파덱스 및 LH-20 등과 같이 당업계에 공지된 방법이 이용될 수 있으며, 본 발명에서는 실리카겔 크로마토그래피를 이용하였다. 또한, 상기 크로마토그래피 정제시, 전개 용매로는 일반적인 용매의 조합이 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 헥산과 헥산 에틸 아세테이트 조합이 사용되었다.

정제된 폴리프레놀이 상기 화학식 1로 표시되는 구조식을 갖는 본 발명에 따른 폴리프레놀인지 여부를 확인하기 위한 방법으로 당업계에 알려진 공지된 방법이 이용될 수 있으며, 구체적으로 본 발명에서는 HPLC, NMR, MASS 및 IR 스펙트럼 분석을 이용하여 확인하였다. 상기 식물, 구체적으로는 목화로부터 분리될 수 있는 폴리프레놀은 운데카프레놀(n=10) 또는 도데카프레놀(n=11)이다.

이후, 폴리프레놀을 포함하는 식물 생장 조정제를 처리한 식물의 수확량과 상기 식물 생장 조정제를 처리하지 않은 식물 대조군의 수확량을 비교하였다. 이러한 비교 결과, 본 발명에 따른 폴리프레놀을 포함하는 식물 생장 조정제를 식물에 처리하는 경우 10% 내지 70%의 증수 효과가 있음을 확인할 수 있었다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 추출된 폴리프레놀의 증수 효과를 확인하기 위하여 폴리프레놀을 제제화하였다. 상기 폴리프레놀을 일반적으로 사용되는 유화제와 혼합하여 제제로서 사용할 수 있으며, 바람직하게는 트리톤(Triton X 1000)이 유화제로서 사용될 수 있다.

또한, 폴리프레놀 용액을 식물 종자에 처리하는 방법으로는 살포 등과 같은 일반적인 처리 방법이 이용될 수 있으나, 본 발명에서는 종자 침지 방법을 이용하였다. 상기와 같은 종자 침지 방법을 사용함으로써 인건비의 절감을 꽤할 수 있으며, 또한, 처리 시기가 잘못됨으로 인해 발생할 수 있는 문제점을 최소화 할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 식물 잎으로부터 추출액 분리

건조된 목화잎 10g을 96% 에탄올 100ml, 벤젠 100ml을 3회에 걸쳐 처리하여 유기용매 가용물질을 분리하였다. 상기 추출액을 200mg의 피로갈롤(pyrogallol)과 수산화 나트륨이 50% 농도로 포함된 용액 90ml에 첨가하고 실온에서 한시간 동안 교반하였다. 상기 용액을 증류수로 희석하고 분리된 벤젠층을 분별 깔때기를 이용하여 분리하였다. 증류수로 세척한 후 무수 황산나트륨(anhydrous Na₂SO₄)을 첨가하여 건조시키고 잔류된 용액을 회전식 농축기(rotary evaporator, Buchi R-205)를 이용하여 농축시켰다.

<실시예 2> 추출액으로부터 폴리프레놀의 정제 방법

상기 실시예 1에서 분리된 추출액을 90%이상의 순도로 정제하였다. 헥산과 헥산 에틸 아세테이트의 조합을 전개 용매로 하여, 실리카 겔 크로마토그래피로 물질을 분리하였다. 전개 용매로서 처음에는 헥산을 사용하였고, 이후 에틸 아세테이트의 양을 증가시켜 극성도를 증가시키면서 용매를 전개하였다. 분리된 각각의 분획은 UV 흡광도 측정을 하여 UV 프로화일을 얻은 후, 같은 흡광도를 보이는 물질을 합쳐 저온에서 보관하였다.

이후, 상기 물질이 폴리프레놀임을 확인하기 위하여 HPLC, MASS, NMR 및 IR 스펙트럼 분석을 수행하여 화학적 구조를 분석하였다.

우선, 상기 물질을 고압 액체 크로마토그래피(기기: Waters alliance system, 컬럼: μ-Bondapak 3.8X300mm, 이동상: 100% 아세토니트릴, 이동속도: 1.0ml/min)를 이용하여 함량을 분석하였고, 결과를 도 1에 나타내었다.

상기의 결과를 바탕으로 액체 크로마토그래피 질량분석기(기기: VG BIOTECH platform, ion source : ESI, resolution : 1000, mass range : 2-3000(m/z))를 이용하여 질량 분석을 하였고, 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.

또한, 상기 물질을 NMR(FT-NMR(600MHz), AVANCE 600, Bruker) 기기로 프로톤(proton) NMR과 탄소(¹³C) NMR을 이용하여 분석한 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었으며, IR 스펙트럼 분석(MKh 1310 instrument, 150℃, 50Vt) 결과는 다음과 같았다.

IR (KBr, cm^-1): 3333, 2962, 2926, 1666

이러한 분석 결과, 상기 정제 물질이 폴리프레놀임을 확인할 수 있었고, 구체적으로 n=10인 운데카프레놀을 44.9%의 수율로, n=11인 도데카프레놀을 42.4%의 수율로 얻을 수 있었다.

<실시예 3> 폴리프레놀의 제제화

상기 실시예 2에서 추출한 폴리프레놀을 사용하여 식물의 증수 효과를 검증하기 위해 상기 물질을 제제화하였다. 상기 물질 10mg과 유화제인 트리톤(Triton X 1000) 10방울을 혼합한 후 조심스럽게 섞어 주었다. 증류수 1ℓ에 상기 혼합물을 첨가하여 사용하였다.

<실시예 4> 증수 효과 검증

4-1) 밀에서의 증수 효과 검증

각각 준비된 폴리프레놀 용액 1톤당 1g 또는 10g이 되도록 밀 종자를 통에넣었고, 3-5분간 회전 속도가 68회전/분이 되도록 혼합하였다. 이후, 상기 혼합된 종자를 2-3시간 동안 건조시키고 토지 1 헥타르당 180-200kg이 되도록 종자를 뿌렸다. 30일 후 작물 수확량을 계산하였고, 이러한 과정을 4회 반복하여 평균 수치를 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표 1에서 보는 바와 같이, 폴리프레놀을 처리하지 않은 대조군과 비교하여 본 결과, 겨울밀의 경우 대조군에 비해 수확량이 40%이상 증가하였으며, 여름밀의 경우 대조군에 비해 수확량이 12-23% 증가하였다.

밀의 수확량 비교

등급	폴리프레놀(g)/밀종자(ton)	밀 수확량 및 증가율
		수확량(ton/헥타르)	증가율 %
겨울밀	1	2.82	43
	10	2.87	46
	대조군	1.97	-
여름밀	1	6.28	23
	10	5.71	12
	대조군	5.11	-

4-2) 옥수수에서의 증수 효과 검증

밀 종자 대신 옥수수 종자를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 4-1)과 동일한 방법에 따라 폴리프레놀의 효과를 검증하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

옥수수의 수확량 비교

등급	폴리프레놀(g)/옥수수종자(ton)	옥수수 수확량 및 증가율
		수확량(ton/헥타르)	증가율 %
옥수수 잡종1	1	4.82	-5.7
	10	6.30	23.3
	100	6.83	33.9
	대조군	5.11	-
옥수수 잡종2	1	8.60	0.5
	10	8.62	1.2
	100	9.42	10.5
	대조군	8.56	-

4-3) 오이에서의 증수 효과 검증

밀 종자 대신 오이 종자를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 4-1)과 동일한 방법에 따라 폴리프레놀의 효과를 검증하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

오이의 수확량 비교

폴리프레놀(g)/오이종자(ton)	오이 수확량 및 증가율
	수확량(ton/헥타르)	증가율 %
10	3.88	12.1
100	5.79	67.3
대조군	3.46	-

상기 표 1에서와 같이, 폴리프레놀을 처리하지 않은 대조군 밀과 비교해 상기 폴리프레놀을 처리한 밀은 10%이상의 증수 효과를 보였다. 또한, 표 2에서와 같이, 옥수수의 경우도 폴리프레놀을 처리하였을 때, 처리하지 않은 대조군에 비해 10% 이상의 증수 효과를 보였다. 오이의 경우 폴리프레놀 용액에 침지한 종자가 100g일 때, 표 3에서와 같이 60%이상의 증수 효과를 보여 오이의 경우 다른 작물에비해 뛰어난 증수 효과를 기대할 수 있는 작물임을 알 수 있었다.

상기에서 상세히 기술한 바와 같이, 본 발명자들은 폴리프레놀을 포함하는 식물 생장 조정제가 식물의 성장, 특히 증수에 효과가 있음을 보였다. 또한, 식물의 추출액으로부터 분리된 폴리프레놀을 이용함으로써, 기존의 생장 조정제에 비해 낮은 가격으로 높은 생산성 증대 효과를 얻을 수 있으며, 과채류 분야보다 시장 규모가 큰 곡류 분야의 증수 효과를 얻을 수 있어 향후 농업 발전에 이바지할 수 있다.

Claims (10)

1. 하기 화학식 1로 표시되는 폴리프레놀을 유효성분으로 하는 증수용 식물 생장 조정제.

   <화학식 1>

   (상기 화학식 1에서 n은 9 내지 12의 정수이다.)
2. 제 1항에 있어서, 상기 증수용 식물 생장 조정제가 담배, 포도, 딸기, 토마토, 오이, 감자 및 콩나물로 이루어진 군에서 선택된 과채류; 벼, 보리, 수수, 옥수수 및 밀로 이루어진 군에서 선택된 곡류; 또는, 국화, 장미 및 백합으로 이루어진 군에서 선택된 화훼류에 적용되는 것을 특징으로 하는 증수용 식물 생장 조정제.
3. 제 1항에 따른 증수용 식물 생장 조정제에 식물 종자를 침지시켜 사용하는 방법.
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