KR101578720B1 - 특정 파장의 led 조사를 이용한 삼 식물체 부정근의 바이오매스를 증가시키는 방법 - Google Patents

특정 파장의 led 조사를 이용한 삼 식물체 부정근의 바이오매스를 증가시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 삼 식물체 부정근에 LED(light emitting diode)를 적색광 파장인 625~630㎚ 범위로 조사하여 배양하는 단계를 포함하는 삼 식물체 부정근의 바이오매스를 증가시키는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 특정 파장의 LED 조사를 이용하여 삼 식물체 부정근의 생물반응기 배양을 위한 최적 증식 조건의 개발을 통하여 삼 부정근의 양호한 부정근의 형성 및 생육과 바이오매스의 증가를 확립함에 따라, 생물 반응기내 삼의 부정근의 대량생산을 산업화하여 기후 및 환경 조건에 영향을 받지 않고 고부가가치의 삼을 년 중 생산할 수 있으며 또한 다양한 수요층에 저렴한 가격으로 공급할 수 있게 하는 조직 배양에 의한 삼 부정근의 대량 증식 방법을 제공할 수 있다.

Description

특정 파장의 LED 조사를 이용한 삼 식물체 부정근의 바이오매스를 증가시키는 방법{Method for increasing biomass of adventitious root of wild grown ginseng using light emitting diode irradiation of specific wavelength}
본 발명은 특정 파장의 LED 조사를 이용한 삼 식물체 부정근의 바이오매스를 증가시키는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼 식물체 부정근에 LED(light emitting diode)를 적색광 파장인 625~630㎚ 범위로 조사하여 배양하는 단계를 포함하는 삼 식물체 부정근의 바이오매스를 증가시키는 방법을 제공한다.
식물이 광합성을 하는 경우 생육을 위해 사용하는 빛은 특정 파장 영역으로 제한되어 있다. 그러나 인공조명의 대부분은 인간의 시감을 위해 개발되었기 때문에 같은 양의 밝기라도 정착 식물에 유효한 빛은 아주 적은 편이다. 예를 들어 최근에 도시화 농업을 이끌고 있는 식물공장에 도입되는 인공조명은 지구 온난화의 주범인 온실가스 저감을 위해 에너지 소비를 최소화하고 식물 생육활동에 있어 광합성 유효파장의 최대효율 및 광 형태 형성에 관여하는 광색 밸런스로 나타내는 파장 대역을 내는 인공 광원이 필요하다. 최근에는 그동안 사용되어 온 백열등 또는 형광등에 비하여 특정 파장역만을 선택적으로 사용할 수 있는 광효율이 높은 친환경 녹색조명인 LED(Light Emitting Diode) 조명을 활용한 식물 생육 환경을 구현하고 있다.
LED(light emitting diodes)는 백열등에 비해 전환이 빠르며, 낮은 에너지 소비, 긴 수명, 소형, 내구성 및 신뢰성 등의 여러 가지 장점을 지니고 있어서, 식물의 광 형태 형성 및 생장을 조절하기 위한 광원으로 사용하고자 하는 많은 연구가 진행되고 있다(Heo, 2002 Plant Growth Regulation 38 : 225-230).
식물의 생육에 영향을 미치는 광 환경을 보자면 광도(light intensity), 광질(light quality) 및 일장(daylength)이 있다. 광합성은 빛의 광도(light intensity)에 영향을 받으며, 적색광 및 청색광의 파장대가 식물의 생육 등에 효과적이다. 식물은 자외선이나 가시광선 영역 중 특정 파장에 의하여 광합성이 촉진되기도 하고 형태적인 형성이 이루어지기도 한다. 특히 청색광(400-500nm)은 광합성을 촉진하고 줄기 신장을 억제하며 적색광(600-700nm)은 광합성 촉진, 개화 및 줄기신장에 관여하고 녹색광(500-600nm)은 광합성의 보조역할을 한다고 알려져 있다. 그리고 원적색광(700-800nm)은 개화, 줄기신장 촉진, 종자 발아조절에 관여하고 자외선 A 및 B는 피토토케이컬(Phytochemicals) 합성에 관여한다고 밝혀졌다. 또한 식물은 일장에 따라 개화시기가 결정되기도 한다.
현재 활용되고 있는 식물 생장용 조명에는 형광등, 백열등, 수은등, 고압나트륨등 및 메탈 할라이드등이 이용되고 있다. 본 발명에서는 이러한 식물의 광도, 광질 및 일장 등을 조절하여 특약용 부가가치 작물인 산삼 배양근에 도입을 시켜 산삼 배양근의 생장과 발육에 미치는 효율성을 극대화하여 형태학적인 생육과 바이오매스를 연구하고자 한다.
한편, 한국등록특허 제0710857호에서는 '고품질 산삼배양근(부정근)의 대량 생산방법'이 개시되어 있고, 한국공개특허 제2004-0088450호에서는 '조직배양 산삼 부정근 또는 그 추출물을 함유하는 조성물'이 개시되어 있으나, 본 발명에서와 같이 LED 조사를 이용한 삼 식물체 부정근의 바이오매스를 증가시키는 방법에 대해서는 개시된 바가 없다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명에서는 삼 식물체 부정근을 생물반응기를 이용하여 배양할 때 625~630㎚ 범위의 LED(light emitting diode)를 조사하여 배양한 결과, 양호한 부정근의 형성 및 생육과 바이오매스의 증가를 확인하였고, 이때의 최적화된 배양 조건을 확립함으로써, 본 발명을 완성하였다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 삼 식물체 부정근에 LED(light emitting diode)를 적색광 파장인 625~630㎚ 범위로 조사하여 배양하는 단계를 포함하는 삼 식물체 부정근의 바이오매스를 증가시키는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 바이오매스가 증가된 삼 식물체 부정근을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 바이오매스가 증가된 삼 식물체 부정근을 함유하는 식품 또는 음료를 제공한다.
본 발명에 따른 특정 파장의 LED 조사를 이용하여 삼 식물체 부정근의 생물반응기 배양을 위한 최적 증식 조건의 개발을 통하여 삼 부정근의 양호한 부정근의 형성 및 생육과 바이오매스의 증가를 확립함에 따라, 생물 반응기내 삼의 부정근의 대량생산을 산업화하여 기후 및 환경 조건에 영향을 받지 않고 고부가가치의 삼을 년 중 생산할 수 있으며 또한 다양한 수요층에 저렴한 가격으로 공급할 수 있게 하는 조직 배양에 의한 삼 부정근의 대량 증식 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 LED 광 조사에 따른 산삼 부정근의 생물배양기를 이용한 배양을 나타낸다. A, LED 광 조사를 이용한 생물배양기 배양; B, 파장이 다른 LED 광 조사에 의한 산삼 부정근의 배양; C, 파장이 다른 LED 광 조사를 이용하여 배양한 단일의 산삼 부정근(좌, LED 적색광: 우, LED 청색광); D, 파장이 다른 LED 광 조사를 이용하여 15ℓ 회분 배양 후의 산삼 부정근(좌, LED 적색광: 우, LED 청색광)
도 2는 파장이 다른 LED 광 조사에 의한 산삼 부정근의 배양 후 형태적 특징을 나타낸다. A, 백혈등(형광 램프), 1700±5.98 lx; B, 적색광(625-630nm), 128±4.38 lx; C, 청색광(460-465nm), 112.29±6.78 lx.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 삼 식물체 부정근에 LED(light emitting diode)를 적색광 파장인 625~630㎚ 범위로 조사하여 배양하는 단계를 포함하는 삼 식물체 부정근의 바이오매스를 증가시키는 방법을 제공한다.
용어 "LED"는 발광 다이오드(light emitting diode)를 말하는 것이고, LED 조명기구는 식물의 종류와 생육과정에 맞추어 최적(最適) 파장의 빛을 발산하는 여러 종류의 LED를 적당한 비율로 조합하고, 이들을 패널(panel) 등의 부재(部材)에 다수 배치하여 형성하는 조명기구를 말하는 것이고, 더 구체적으로는 적색, 청색, 녹색, 백색의 LED 중에서 선택되는 1종류 이상의 LED를 보드(board) 상에 적당한 비율로 다수 배치하여 이루어진다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 LED 파장은 바람직하게는 적색광 범위일 수 있고, 더욱 바람직하게는 600~700㎚ 범위일 수 있고, 더 더욱 바람직하게는 610-650㎚일 수 있고, 가장 바람직하게는 625-630㎚일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
용어 "조사"는 표면 상에 광을 비추는 것으로 LED 광에 식물체 표면을 노출시키는 것을 지칭한다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 삼 식물체는 인삼 및 재배삼, 장뢰삼 또는 산삼일 수 있으며, 바람직하게는 산삼 또는 인삼 식물체일 수 있고, 가장 바람직하게는 산삼일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 배양은 바람직하게는 pH가 6~6.5이며, IBA(indole butyric acid) 1~3 ㎎/ℓ, KNO3 2.3~2.7g/l, CaCl2·2H2O 0.1~0.3g/l, MgSO4·7H2O 0.3~0.5g/l, NH4H2PO4 0.2~0.4g/l, KI 0.0005~0.0015g/l, H3BO3 0.04~0.06g/l, MnSO4·H2O 0.005~0.015g/l, ZnSO4·7H2O 0.0005~0.0015g/l, Na2MoO4·2H2O 0.00005~0.00015g/l, CoCl2·6H2O 0.00005~0.00015g/l, FeSO4·7H2O 0.01~0.02g/l, Na2EDTA 0.015~0.025g/l 및 이노시톨(Inositol) 0.5~1.5g/l를 포함하는 배지가 함유된 25~32℃의 생물반응기에서 산삼 식물체 부정근을 4~6주간 배양할 수 있고,
가장 바람직하게는 pH가 6이며, IBA(indole butyric acid) 2 ㎎/ℓ, KNO3 2.5g/l, CaCl2·2H2O 0.2g/l, MgSO4·7H2O 0.4g/l, NH4H2PO4 0.3g/l, KI 0.001g/l, H3BO3 0.05g/l, MnSO4·H2O 0.01g/l, ZnSO4·7H2O 0.001g/l, Na2MoO4·2H2O 0.0001g/l, CoCl2·6H2O 0.0001g/l, FeSO4·7H2O 0.015g/l, Na2EDTA 0.02g/l 및 이노시톨(Inositol) 1g/l를 포함하는 배지가 함유된 30℃의 생물반응기에서 산삼 식물체 부정근을 5주간 배양할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 제조된 바이오매스가 증가된 삼 식물체 부정근을 제공한다. 본 발명의 일 구현 예에 따른 바이오매스가 증가된 삼 식물체 부정근에서, 상기 삼 식물체는 인삼 및 재배삼, 장뢰삼 또는 산삼일 수 있으며, 바람직하게는 산삼 또는 인삼 식물체일 수 있고, 가장 바람직하게는 산삼일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 바이오매스가 증가된 삼 식물체 부정근을 함유하는 식품 또는 음료를 제공한다.
본 발명의 특정 항산화 물질의 함량이 증가된 삼 식물체 부정근을 식품 첨가물로 사용할 경우, 상기 특정 항산화 물질의 함량이 증가된 삼 식물체 부정근을 그대로 첨가하거나 다른 식품 또는 식품 성분과 함께 사용될 수 있고, 통상적인 방법에 따라 적절하게 사용될 수 있다.
유효 성분의 혼합양은 그의 사용 목적에 따라 적합하게 결정될 수 있다. 일반적으로, 식품 또는 음료의 제조시에는 본 발명의 특정 항산화 물질의 함량이 증가된 삼 식물체 부정근 원료에 대하여 0.1 내지 15 중량%, 바람직하게는 0.2 내지 10 중량%의 양으로 첨가된다. 그러나, 건강 및 위생을 목적으로 하거나 또는 건강 조절을 목적으로 하는 장기간의 섭취의 경우에는 상기 양은 상기 범위 이하일 수 있으며, 안전성 면에서 아무런 문제가 없기 때문에 유효성분은 상기 범위 이상의 양으로도 사용될 수 있음은 확실하다.
상기 식품 또는 음료의 종류에는 특별한 제한은 없다. 상기 물질을 첨가할 수 있는 식품 또는 음료의 예로는 육류, 소세지, 빵, 쵸코렛, 캔디류, 스넥류, 과자류, 피자, 라면, 기타 면류, 껌류, 아이스크림류를 포함한 낙농제품, 각종 스프, 음료수, 차, 드링크제, 알콜 음료 및 비타민 복합제 등이 있으며, 통상적인 의미에서의 건강식품 또는 건강음료를 모두 포함한다.
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. LED 광 조사 처리에 의한 산삼 부정근 배양
생물반응기를 이용한 산삼 부정근 배양에 있어 LED 처리 효과를 분석하기 위하여 최적화된 배양조건(pH가 6이며, IBA(indole butyric acid) 2㎎/ℓ가 포함된 표 1의 배지 조성을 갖는 배지 사용)에 산삼 부정근을 배양하면서 LED 조사에 따라 배양 5주 후 부정근 형성 및 수율을 조사하였다. 생물반응기 15ℓ의 배양시스템이 갖추어진 2개의 생물 반응기실(bioreactor culture room)을 만들어 독립적인 공간에서 기내 배양을 실시하였고, 독립적으로 분리된 각 방에 청색광(465nm) 및 적색광(630nm)으로 나누어 처리하였으며, 대조군으로 형광등(White light, fluorescent light)을 1700 lux로 구성하여 사용하였고, 대조군 및 각 처리군을 4세트씩 3 반복하여 배양하였다.
Figure 112012107790281-pat00001
2. LED 광 조사 설비
LED 광 조사 설비는 일체형으로 발광에 필요한 전기 회로를 LED 광원이 손쉽게 착탈이 가능하도록 구성하였으며, LED 광원은 직사각형 형태로 배치하여, 총 9개의 발광다이오드 및 전도 억제제(conducting inhibitor)로 하나의 집단을 구성하였다. 실험에는 총 4개의 집단이 사용되었고, 직사각형 발광체 세트 제작에 사용된 전체 사용 발광다이오드의 숫자는 108개로 하였다. 광원은 식물재배 연구용 LED 램프로 청색광(460nm-465nm, LED-10M/AHH-BL, Hi-Jungu Supplier, 한국) 및 적색광(625nm-630nm LED, LED-10M/HP-R, Hi-Jungu Supplier, 한국)을 사용하였다. 광량 측정은 퀀텀 센서(Li0190SA)로 실시하였고, 38±2 umol/m2/s로 광량을 조절하였다. 배양조건은 30±2℃로 유지하였다.
Figure 112012107790281-pat00002
3. LED 광 조사 처리별 산삼 배양근의 바이오매스
배양 5주 후 LED 광 조사 처리별 산삼 배양근의 총중량은 생체중량(FW, fresh weight) 및 건중량(DW, dry weight)으로 나누어 다음과 같은 순서로 측정하였다. 스테인리스 스틸(stainless steel)을 사용하여 뿌리(root)를 분리한 후, 생체중량(FW)은 소독 세척 후 물기를 제거하여 측정하였고, 건중량(DW)은 드라이 오븐을 이용하여 60℃에서 더 이상 온도 변화가 없을 때까지 48h 건조 후 측정하였다.
실시예 1. LED 를 이용한 산삼 부정근의 생장
생물반응기를 이용한 산삼 부정근 배양에 있어 부정근의 형성 및 생체량 증대에 미치는 LED 광 처리 효과를 분석하기 위하여 최적화된 배양조건에 산삼 부정근을 배양하면서 LED 광 조사에 따라 배양 5주 후 부정근 형성 및 수율을 조사한 결과, LED 적색광 조사 처리를 하는 경우 산삼 부정근의 생체중량, 건중량 및 길이가 증가하는 경향을 나타내었다.
Figure 112012107790281-pat00003
a회분 배양(15L)마다 총 부정근의 생체중 및 건중; b단일 부정근의 길이 및 직경, 3배수 실험구의 평균±표준편차를 나타냄.
+백열등(형광등), 1700±5.98 lx; 적색광(625-630㎚), 128±4.38 lx; 청색광(460-465㎚), 112.29±6.78 lx
표 3에서 보는 바와 같이 대조구인 형광등에서는 생물반응기 15L 당 부정근 생체중이 540g, 건중이 42g으로 나타난 반면, LED 적색광 처리는 생체중 571g, 건중 52g으로 나타나 생체중 31g, 건중 10g의 증가를 나타내었다. 반면, LED 청색광 처리는 생체중 364g, 건중 28g을 나타내어 대조구 형광등보다 낮은 생체중 및 유사한 수준의 건중을 나타내었다. 단일 부정근의 길이에 있어서도 대조구인 형광등에서는 9.3㎝를 나타낸 반면 LED 적색광 처리에서는 11.1㎝로 증가하였으나, LED 청색광 처리는 7.5㎝로 형광등 조사보다 오히려 감소하였다. 하지만 부정근의 두께에서는 LED 청색광 처리가 형광등이나 적색광보다 다소 증가하였다.
본 발명에서 액체 배지 상태의 생물반응기에 의해 운용되는 산삼 부정근 배양의 경우 잎과 줄기는 광합성을 촉진시키는 청색광 조사의 영향은 크지 않으며, LED 청색광 처리시 산삼 부정근의 두께가 증가한 것은 LED 청색광 처리가 일부 탄수화물 대사산물이 뿌리로 이동되는 것을 촉진하였기 때문으로 생각된다. 또한 LED 적색광 처리가 탄수화물 대사와 질소대사산물 형성에 영향을 미쳐 부정근 형성을 촉진시킨 것으로 분석되고, 따라서 산삼 부정근의 배양에 있어 LED 적색광 처리는 부정근의 길이, 부정근의 중량과 같은 식물체의 생장에 크게 영향을 줄 수 있는 것으로 판단된다.

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  7. pH가 6~6.5이며, IBA(indole butyric acid) 1~3 ㎎/ℓ, KNO3 2.3~2.7g/l, CaCl2·2H2O 0.1~0.3g/l, MgSO4·7H2O 0.3~0.5g/l, NH4H2PO4 0.2~0.4g/l, KI 0.0005~0.0015g/l, H3BO3 0.04~0.06g/l, MnSO4·H2O 0.005~0.015g/l, ZnSO4·7H2O 0.0005~0.0015g/l, Na2MoO4·2H2O 0.00005~0.00015g/l, CoCl2·6H2O 0.00005~0.00015g/l, FeSO4·7H2O 0.01~0.02g/l, Na2EDTA 0.015~0.025g/l 및 이노시톨(Inositol) 0.5~1.5g/l를 포함하는 배지가 함유된 25~32℃의 생물반응기 내의 산삼 식물체 부정근에 LED(light emitting diode)를 적색광 파장인 625~630㎚ 범위로 조사하여 4~6주간 배양하는 단계를 포함하는 산삼 식물체 부정근의 바이오매스를 증가시키는 방법.
  8. 제7항의 방법에 의해 제조된 바이오매스가 증가된 산삼 식물체 부정근.
  9. 제8항의 바이오매스가 증가된 산삼 식물체 부정근을 함유하는 식품.
  10. 제8항의 바이오매스가 증가된 산삼 식물체 부정근을 함유하는 음료.
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