KR101394308B1 - Ｌｅｄ 조사를 이용한 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추의 재배 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양상추를 LED(light emitting diode)로 조사하는 것을 특징으로 하는 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추의 재배 방법, 상기 방법으로 재배된 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추 및 상기 양상추가 함유된 식품을 제공한다.

Description

ＬＥＤ 조사를 이용한 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추의 재배 방법{Method for cultivating lettuce with increased head formation and growth using light emitting diode irradiation}
본 발명은 양상추를 LED(light emitting diode)로 조사하는 것을 특징으로 하는 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추의 재배 방법, 상기 방법으로 재배된 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추 및 상기 양상추가 함유된 식품에 관한 것이다.
양상추는 국화과의 식물로 결구상추 또는 통상추라고도 한다. 유럽 남부 및 서아시아가 원산지이며, 유럽 및 미국에서 오래전부터 샐러드용으로 재배하였다. 우리나라에서는 해방 이후 미군들이 들어온 후에 군납용으로 재배하면서 널리 퍼졌다. 키는 30∼100 cm이고, 줄기는 아주 짧으며, 잎은 뿌리에 가깝게 붙는다. 줄기에 달린 잎은 잎자루와 잎이 매우 짧게 붙고 줄기 위로 올라갈수록 작아지며 흰색의 가루가 많이 붙는다. 양상추의 발아에 알맞은 온도는 18∼21℃이고, 26℃ 이상이 되면 발아하지 않는다. 파종 후 6∼8일이면 싹이 나오며, 싹이 난 후 2주일이 지나면 옮겨 심는 것이 가능하지만 잎이 1∼2개 나온 후에 옮겨 심는 게 좋다. 품종은 크게 크리습 헤드(Crisp head)류 및 버터 헤드(Butter head)류로 나뉜다. 크리습 헤드는 현재 가장 많이 재배되는 종류로 잎 가장자리가 깊이 패어 들어간 모양이고 물결 모양을 이룬다. 버터 헤드는 반결구이고, 유럽에서 주로 재배하며 잎 가장자리가 물결 모양이 아니다. 양상추는 샐러드로 많이 이용된다. 양상추의 구성 성분으로는 수분이 전체의 94∼95%를 차지하고, 그 밖에 탄수화물, 조단백질, 조섬유 및 비타민C 등이 함유되어 있다. 양상추의 쓴맛은 락투세린(Lactucerin) 및 락투신(Lactucin)이라는 알칼로이드 때문인데, 이것은 최면 및 진통 효과가 있어 양상추를 많이 먹으면 졸음이 온다.
LED(Light Emitting Diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기적인 신호를 적외선 또는 빛으로 변화하여 신호를 보내고 받는데 사용되는 반도체 소자로서, 다른 발광체에 비하여 수명이 길고, 낮은 전압을 사용하는 동시에 소비전력이 적으며, 응답속도 및 충격성이 우수하고 소경향화가 가능한 장점이 있다. 최근에 생산되고 있는 LED는 에너지 효율적이며, 400~700 nm 범위에서 백열등보다 훨씬 더 높은 총 광양자 밀도(totoal photon flux density)를 지니고 있다.
기존의 조명은 넓은 파장대의 영역을 가지고 인간의 시각에 맞춰진 조명인 반면, LED는 식물이 필요로 하는 정확하고 짧은 파장을 구현할 수 있기 때문에 컴퓨터처럼 정확한 식물재배가 가능하다. 1960년대에 발명된 LED는 미국의 NASA에서 최초로 우주공간에서 식물을 재배하는 목적으로 사용되었고, 현재는 대량생산에 의한 가격하락과 함께 다양한 분야에 적용되고 있다. 식물재배에 필요한 광도를 구성하기 위해서는 광합성의 특성에 부합하는 광합성 광양자 밀도(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)라는 단위를 사용한다. 동일한 조건으로 10,000 lux를 비출 때 식물이 흡수하는 정도는 일반 백열등이나 형광등에 비해 LED 조명에서 몇 배 이상의 효율을 낼 수 있는 것으로 알려져 있다.
LED 광원은 파장의 선택성 및 에너지 절감 등이 매우 우수하므로, 식물의 광합성 및 광형태 형성 반응에 필요한 단색광 혹은 혼합광을 사용하여 이를 기반으로 하는 다양한 완전폐쇄형 식물공장 설립이 가능하기 때문에 신 농업 부분에서 최근 주목을 받고 있다. 보통 식물재배는 자연 기상조건을 이용하여 재배하고 있으나 완전폐쇄형 식물공장은 최적의 인공기상 조건하에서 식물을 계획생산할 수 있는 첨단 작물재배 시스템으로서, 각각의 식물에 따라 최적의 인공환경을 조성하여 연중 계획생산할 수 있는 획기적인 생산 시스템이다.
기존의 식물공장에 관한 선행 연구에서, 적색광 5 nm 간격의 차이에 의해 식물의 지하부 생육에 큰 차이가 발견되어, 식물의 최적생장 조건을 확보하기 위해 다양한 파장을 조합한 식물생장 전용 LED 광원의 필요성이 제기되었다. 기존 LED 광원 적용 시 발열문제가 심각하여 식물 생장 조건의 변화가 보고된 바 있으며, 이를 감소시키기 위한 고효율 LED 패키지 및 모듈 개발의 필요성이 제기되었다. 또한, 식물공장 내 인공기상환경 조절기술을 이용하여 양상추를 생산하기 위해서는 결구 조건 확립 및 관련 기술의 개발이 필요한 실정이다.
한편, 한국등록특허 제0902071호에는 'LED 램프를 이용한 식물 촉성 재배 방법 및 그 장치'가 개시되어 있고, 한국공개특허 제2012-0021050호에는 '자연광과 엘이디광을 사용하는 식물성장 방법 및 식물성장용 램프'가 개시되어 있으나, 본 발명의 LED 조사를 이용한 양상추의 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추의 재배 방법에 대해서는 개시된 바가 전혀 없다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명에서는 완전폐쇄형 식물공장에서 효율적이고 친환경적인 특정 파장의 LED(light emitting diode)를 양상추에 조사하여 양상추를 재배한 결과, 형광등을 이용한 재배에 비해 LED 조사된 양상추의 결구 형성이 증가되고, 생육 기간이 10~15일 정도 단축되었으며, 품질이 균일한 것을 통해 LED 기반 식물공장 운용기술을 확립함으로써 본 발명을 완성하였다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 양상추를 LED(light emitting diode)로 조사하는 것을 특징으로 하는 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추의 재배 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 재배된 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 양상추가 함유된 식품을 제공한다.
본 발명에서는 특정 파장의 LED를 이용하여 완전폐쇄형 식물공장에서 재배한 양상추가 형광등을 이용한 재배에 비해 결구 형성이 증가되고, 생육 및 수량성이 증가되는 것을 통해, 본 발명에서 활용한 LED를 인공 광원으로 사용하여 기능성 및 안정성이 우수한 식물을 대량으로 생산할 수 있게 하는 장점을 확인하였다. 이는 환경기후의 변화에도 영향이 없으며, 농약 및 비료 사용이 필요 없는 친환경적인 식물 재배 방법이며, 온도의 변화 없이 광원의 변화로 결구 식물의 결구를 유도하고, 생육을 증진시킬 수 있는 유용한 생산 시스템으로, 양상추 외에 계절적으로 생산이 불가능한 작물의 생산에도 적용이 가능하여 연중 공급 체계를 갖출 수 있게 하므로, 산업적으로 유용하게 이용될 수 있다.
도 1은 적색 및 청색 LED 단일파장의 주 광도(Dominant irradiance) 및 상대 광도(Relative irradiance)를 나타낸다. 660 nm의 적색 LED 단일파장은 붉은색 선으로 나타내고, 450 nm의 청색 LED 단일파장은 검정색 선으로 나타내었다.
도 2는 적색 LED 단일파장, 청색 LED 단일 파장, 적색 및 청색 LED 단일파장을 혼합한 혼합파장을 조사한 양상추 센세이션 품종의 생육을 비교한 결과를 나타낸다. A는 660 nm의 적색 LED 단일파장, B는 적색 및 청색을 3:2로 혼합한 혼합파장, C는 적색 및 청색을 2:3으로 혼합한 혼합파장 및 D는 450 nm의 청색 LED 단일파장을 조사한 양상추를 나타낸다. Ⅰ는 정식 15일 후, Ⅱ는 정식 30일 후, Ⅲ는 정식 45일 후, Ⅳ는 정식 60일 후, Ⅴ는 정식 80일 후의 양상추의 생육을 나타낸다.
도 3은 적색 LED 단일파장, 청색 LED 단일파장, 적색 및 청색 LED 단일파장을 혼합한 혼합파장을 조사한 양상추 센세이션 품종의 정식 80일 후의 결구 형성 및 수량성을 비교한 결과를 나타낸다. A는 660 nm의 적색 LED 단일파장, B는 적색 및 청색을 3:2로 혼합한 혼합파장, C는 적색 및 청색을 2:3으로 혼합한 혼합파장 및 D는 450 nm의 청색 LED 단일파장을 조사한 양상추를 나타낸다. E, F, G 및 H는 각각 A, B, C 및 D의 LED 광원을 소등하고 형광등하에서의 양상추 결구형성 및 수량성 등의 생육 발달 정도를 나타낸다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양상추를 LED(light emitting diode)로 조사하는 것을 특징으로 하는 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추의 재배 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 양상추 종자를 발아시킨 후, 3~4주 동안 육묘하여 정식한 다음 80일의 전 생육기간 동안 20±1℃의 온도에서 LED를 조사할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 양상추는 저온성 채소로서 보통 18~21℃ 정도에서 생육한다. 생육 중기 이후에 결구하는 특성이 있으며, 결구를 형성하는 주요 요인은 온도이다. 결구를 형성하는 적절한 온도 조건은 주·야간 온도차가 크고, 야간의 온도가 15℃ 이하일 경우 결구 형성이 촉진된다. LED를 이용한 식물공장 내에서의 작물 재배는 작물 각각의 생리·생태적 특성에 맞게 인공 환경을 조절하는 기술이 확립되어야 가능하다. 특히 양상추의 경우에는 일반 과채류와 달리, 전개한 잎들이 결구되어야 하는 특성이 있다. 일본의 경우, 식물공장에서 재배하여 판매하고 있는 양상추는 결구율이 매우 낮아 상품성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서 상품성을 높이기 위해 온도, LED 조사 기간 등의 생육 환경 조절을 통해 결구율을 높여야 한다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 LED는 청색 LED 단일파장 또는 적색 및 청색 LED 혼합파장일 수 있으며, 상기 적색 LED 단일파장은 주 파장이 650~670 nm이고, 청색 LED 단일파장은 주 파장이 440~460 nm일 수 있고, 바람직하게는 상기 적색 LED 단일파장은 주 파장이 660 nm이고, 청색 LED 단일파장은 주 파장이 450 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 적색 및 청색 LED 혼합파장은 적색 LED 단일파장:청색 LED 단일파장의 광량 비율이 2:3~3:2가 되도록 혼합할 수 있고, 바람직하게는 상기 적색 및 청색 LED 혼합파장은 적색 LED 단일파장:청색 LED 단일파장의 광량 비율이 2:3이 되도록 혼합할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
식물은 광원의 여러가지 파장에 대하여 형태형성, 광합성 및 생육 등의 각각 다른 반응을 나타내는데, 일반적으로 적색광은 식물의 광합성 기관 발달에 중요한 역할을 하며, 잎에서 형성된 광합성 산물의 이동(translocation)을 억제하여 탄수화물의 축적을 증가시키는 역할을 한다고 알려져 있다. 청색광은 엽록체 형성 및 엽록소 발달, 기공의 열림, 효소 합성, 광합성 주기의 활성화 및 광형태 형성 등에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 각각의 광원을 적절히 배합하여 사용하는 것이 식물 생장 효율 증대 및 2차 대사 산물의 함량 증가 등에 중요하다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 양상추 종자를 발아시킨 후 20±1℃의 온도에서 450 nm 범위의 파장을 방출하는 청색 LED로 정식한 다음 80일의 전 생육기간 동안 조사할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 양상추 종자를 발아시킨 후 20±1℃의 온도에서 650~670 nm 범위의 파장을 방출하는 적색 LED 및 440~460 nm 범위의 파장을 방출하는 청색 LED를 2:3의 비율이 되도록 혼합한 LED 혼합파장으로 정식한 다음 80일의 전 생육기간 동안 조사할 수 있고, 바람직하게는 양상추 종자를 발아시킨 후 20±1℃의 온도에서 660 nm 범위의 파장을 방출하는 적색 LED 및 450 nm 범위의 파장을 방출하는 청색 LED를 2:3의 비율이 되도록 혼합한 LED 혼합파장으로 정식한 다음 80일의 전 생육기간 동안 조사할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명은 또한, 상기 방법으로 재배된 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추를 제공한다. 상기 양상추는 센세이션, 샐러드익스프레스, 아리랑 또는 아비 등의 품종일 수 있으며, 바람직하게는 센세이션 품종일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명은 또한, 상기 양상추가 함유된 식품을 제공한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
재료 및 방법
1) 공시재료
본 발명의 LED 조사를 이용한 양상추 생육 및 재배 조건 시험을 위해 양상추의 품종 중 센세이션 품종을 사용하였다.
2) 파종 및 육묘
양상추 재배 시 묘소질의 차이를 줄이기 위하여, 파종 1일 전에 지름 87 mm의 페트리 디쉬에 여지(No. 2) 2장을 깔고 증류수 10 ㎖을 공급하였다. 그 후에 일정량의 종자를 균일하게 뿌리고, 파라필름으로 밀봉하여 15±0.5℃의 인큐베이터에서 최아시켰다. 약 24시간 후 식물공장 정식용 스펀지(60x30 cm, 200구)에 200립의 종자를 파종하였다. 최아 종자를 파종한 정식용 스펀지는 수도(벼) 육묘상자에 넣어 육묘실 발아상에서 발아시켰다. 육묘실의 온도는 20±1℃로 유지하였고, 광원으로는 T5 형광등을 이용하였고, 광합성 광양자 밀도(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)는 120 μmol m-2s-1@20 ㎝ 정도로 유지시켰다. 육묘는 유묘의 생육에 따라서 3~4주 동안 실시하였다.
3) 정식 및 생육
양상추 재배 시 시험구간의 묘소질에 따른 시험 오차를 줄이기 위하여, 품종별로 일정한 수준의 유묘를 선택하여 완전폐쇄형 LED 식물공장 내에 정식하여(재식거리 25x25 cm) 생육시켰다. 재배환경으로 온도는 20±1℃로 유지하였고, 광원은 주문 제작한 4가지 형태의 모듈(module)을 사용하였으며, 4가지 타입 LED의 PPFD는 최소 200에서 최대 235 μmol m-2s-1@20 ㎝ 정도였다. 정식 80일 후에 생육 및 수량 조사를 수행하였다. 생육 및 수량 조사 방법은 농업과학기술 연구조사 분석기준(농촌진흥청, 2003)에 준하여 실시하였다. PPFD(Photosynthetic Photon Flux Density)는 퀀텀 미터(Quantum meter, SKP 200, 영국) 및 센서(SKP 217, 영국)를 이용하여 측정하였으며, 광원별 PPFD는 표 1에 나타내었다.
LED 광원 별 광양자 밀도
광원 Red R3:B2 R2:B3 Blue
광양자 밀도
(μ㏖ m-2 sec-1)		 200±12.5 212±11.5 223±10.6 235±13.8
Rx:Bx; 적색 및 청색 LED 단일파장의 혼합 비율
4) LED 모듈
본 발명에 사용한 적색(Red), 청색(Blue) 단일 및 혼합 LED 모듈은 별도로 주문 제작한 모듈로써, 적색은 660 nm, 청색은 450 nm의 파장을 공시하였다. 적색 및 청색 LED 모듈을 이용하여 양상추의 결구에 적합한 파장을 구명하고, 단일광 및 혼합광을 비교하였다. 혼합광의 경우 PPFD 값의 비율을 조절하여 최적의 혼합비율을 조사하였다. 상기 모듈의 주 광도(dominant irradiance) 및 상대 광도(relative irradiance)는 도 1에 나타내었다.
실시예 1. 적색, 청색 LED 의 단일 및 혼합파장에 따른 양상추의 생육 비교
식물은 광원의 파장에 대하여 반응이 각각 다르게 나타나는데, 여러 파장대 별로 식물체가 생육조건, 생육단계 등에 따라 이용하는 파장 영역이 각각 다르다. 따라서 선택된 LED 파장의 광자극에 따라 식물 및 미생물의 생장 제어, 기능성 물질 축적, 고품질 원료 생산 및 생물학적 방제 시스템 개발이 가능하다. 식물 생육에 대한 광선의 파장은 표 2에 나타내었다.
660 nm 파장을 방출하는 적색 LED 단일파장 및 450 nm 파장을 방출하는 청색 LED 단일파장의 주 광도(Dominant irradiance) 및 상대 광도(Relative irradiance)를 도 1에 나타내었다.
적색, 청색 LED 단일 파장 및 이들을 일정 비율로 혼합한 혼합파장의 광원을 양상추에 조사한 후 광원에 따른 양상추의 생육 정도를 관찰하였다. 그 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, 적색 LED 단일파장을 조사한 처리구에서는 양상추의 도장현상이 나타났으며, 생육이 비정상적이며 기형으로 발육하는 모습을 보였다. 청색 LED 단일파장을 조사한 양상추에서는 도장이 나타나지 않고, 잎의 조직도 적색 LED 조사구에 비하여 치밀하며 단단한 것으로 나타났다. 생육 역시 노지재배 양상추와 유사한 경향을 나타내었다. 적색 및 청색 LED 단일파장을 2:3 또는 3:2의 비율로 혼합한 처리구에서는 중간적인 광형태 형성 반응을 나타내었다. 적색 LED 단일파장 처리에 비해 청색 LED 단일파장을 처리한 경우가 양상추의 생육 및 발달에서 향상된 결과를 보여, 완전폐쇄형 식물공장 및 LED를 이용한 양상추 시설 재배에서 청색 LED의 도입이 양상추의 생육에 효과적인 것으로 판단된다.
식물 생육에 대한 광선의 파장
파장(nm) 식물에 대한 작용
적외부 1,000 이상 식물에 대하여 특별 작용 없음, 식물체에 흡수되면 거의 열로 변함
1,000~700 식물을 신장시킴
가시부 700~610 광합성 및 광주기성에 유효
610~510 광합성에 그리 유효하지 않고 형성작용 떨어짐
510~400 광합성은 적외부 다음으로 유효, 광주기성에도 유효
자외부 400~315 형성작용, 초장을 짧게 하고 엽육 두껍게 함
315~280 식물에 유해, 기능성 물질 향상 영향
280 이하 식물을 죽임
실시예 2. 적색, 청색 LED 의 단일 및 혼합파장에 따른 양상추의 결구 형성 및 수량성 비교
양상추 센세이션 품종을 공시하여 적색, 청색 LED 단일 파장 및 이들을 일정 비율로 혼합한 혼합파장의 광원을 양상추에 조사한 후, 광원에 따른 양상추의 결구 형성 및 수량성을 관찰하였다. 그 결과, 청색 LED 단일파장 및 적색과 청색 LED 단일파장을 2:3으로 혼합한 LED를 조사한 경우에 결구가 형성되었고, 수량도 높게 나타났다(도 3 및 표 3).
양상추 센세이션 품종의 청색 및 적색 파장에 따른 결구 형성 및 수량성
LED 엽구
형성ⅰ 		단경
(cm)		 장경
(cm)		 구고
(cm)		 엽구
밀도ⅱ 		수량ⅲ
(g)
Red (660 nm) 1b - - - - 467b
R3:B2 1b - - - - 489b
R2:B3 2a 8.7b 11.3b 9.6b 3 611a
Blue (450 nm) 2a 14.3a 18.5a 12.2a 5 654a
ⅰ 1; 비결구, 2; 반결구, 3; 포합형, 4; 포피형
ⅱ 1; 매우 엉성, 3; 엉성, 5; 중간, 7; 치밀, 9; 매우 치밀
ⅲ 지상부 생체중
Rx:Bx; 적색 및 청색 LED 단일파장의 혼합 비율
DMRT는 각각 5% 수준을 나타낸다.

Claims (5)

  1. 양상추를 청색 LED(light emitting diode) 단일파장 또는 적색 LED 단일파장:청색 LED 단일파장의 광량 비율이 2:3의 적색 및 청색 LED 혼합파장으로 조사하는 것을 특징으로 하는 결구 형성 및 수량이 증진된 양상추의 재배 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항의 방법으로 재배된 결구 형성 및 수량이 증진된 양상추.
  5. 제4항의 양상추가 함유된 식품.
KR1020120089849A 2012-08-17 2012-08-17 Ｌｅｄ 조사를 이용한 결구 형성 및 생육이 증진된 양상추의 재배 방법 KR101394308B1 (ko)

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