KR20210122435A - 광질 조절에 의한 페놀릭 화합물 및 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기의 재배방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밀폐형 식물생산 시스템(closed-type plant production system)에서 배암차즈기 플러그 묘에 적색광, 청색광 및 근적외선이 혼합되어 구성되며 광량비율이 조절된 광질(light quality)의 LED 인공광원을 조사(irradiation)하며 재배하는 단계를 포함하는, 페놀릭 화합물과 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기(Salvia plebeia R. Brown)의 재배방법에 관한 것이다.

Description

광질 조절에 의한 페놀릭 화합물 및 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기의 재배방법{Cultivation method of common sage with increased phenolic compound and flavonoid content by control of light quality}
본 발명은 광질 조절에 의한 페놀릭 화합물 및 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기의 재배방법에 관한 것으로, 밀폐형 식물생산 시스템(closed-type plant production system)에서 적색광, 청색광 및 근적외선이 혼합되어 구성되며 광량비율이 조절된 광질(light quality)의 LED 인공광원을 이용한 배암차즈기(Salvia plebeia R. Brown)의 재배방법에 관한 것이다.
식물생산 시스템이란 농작물을 통제된 일정한 시설 내에서 광, 온도, 습도, 이산화탄소 농도 및 배양액 등의 환경조건을 인공적으로 제어하여 계절이나 장소에 관계없이 자동적으로 연속 생산하는 시스템을 말하며, 시설 내에서 최적 재배환경을 유지하면서 연중 균일한 품질의 식물을 자동 생산할 수 있는, 고도의 환경제어를 이용하여 식물을 주년 생산하는 시스템이라 할 수 있다.
외부와 차단된 공간에서 식물생산에 가장 중요한 요인은 태양광 대체 역할을 하는 인공광이고, 그 중에서 발광다이오드(light-emitting diode, LED)는 무수은으로 안전하고 환경 친화적이며, 형광등에 비해 수명이 길고, 전력소모가 적으며, 광질(파장) 선택 및 광량 제어가 다른 광원에 비해 용이하며, 광합성에 유리한 펄스 조사가 가능한 장점을 지니고 있으며, 열발생이 적어 식물체에 근접 조명이 가능한 특징이 있다. LED의 가장 큰 장점 중 하나는 특정 파장영역만을 갖는 광질 선택이 가능한 것으로, 광질을 조절하여 식물의 광합성 촉진 또는 개화조절 등을 수행할 수 있다는 점이다. 식물공장형 재배방식에서 LED 광원에 따른 각종 고품질 채소재배 연구가 다양하게 이루어지고 있는데 각 광질의 효과는 작물종류와 품종 간 차이가 있는 것으로 발표되고 있다(Buso and Bliss, 1988, Plant Soil. 111:67-73; Yoon et al, 2015, Korean J. Organic Agric. 23:549-565).
꿀풀과의 2년생 초본식물인 배암차즈기는 곰보배추로도 불리우며, 약재명은 여지초로 그 잎과 뿌리를 기침, 천식, 염증 치료 등에 사용되어왔다. 주로 호주, 인도, 중국, 일본 및 한국을 비롯한 여러 나라에 야생으로 분포하고 있는 식용식물이나 한국에서는 그 약효성분을 사용하고자 경기도, 경상남북도, 전라남북도 지역과 제주지역에서 등에서 상업적으로 재배 생산되고 있다. 배암차즈기는 가을부터 봄 사이에 뿌리부터 잎까지 모두 약초로 사용되고 사포닌, 플라보노이드 및 정유성분 등이 함유되어 있어 특유의 향기가 있으며 맵고 씁쓸한 맛이 난다. 배암차즈기의 플라보노이드 성분은 hispidulin, homoplantaginin, nepetin, nepitrin, luteolin, luteoloside 및 eupatorin 등으로 알려져 있다.
본 발명에서는 배암차즈기를 밀폐형 식물생산 시스템에서 생산할 시에 배암차즈기의 생육 및 유용성분의 함량을 증진시킬 수 있는 적절한 인공광원을 규명하고자 하였다.
한편, 한국공개특허 제2018-0006992호에는 '밀폐형 식물공장 시스템에서 광질을 이용한 시금치의 재배방법'이 개시되어 있고, 한국공개특허 제2013-0134306호에는 '밀폐형 식물생산 시스템에서 인공광원과 이의 광주기를 이용한 상추 재배방법'이 개시되어 있으나, 본 발명의 광질 조절에 의한 페놀릭 화합물 및 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기의 재배방법에 대해서는 기재된 바가 없다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자들은 밀폐형 식물생산 시스템 내에서 배암차즈기 생산 시 생육 및 생리활성 화합물의 함량을 증대시킬 수 있는 적정한 광질을 선발하기 위해, 적색광과 청색광의 혼합 광량비율을 다르게 구성하여 광질을 조절한 LED 인공광원을 조사(irradiation)하며 배암차즈기의 플러그 묘를 재배한 결과, 적색광과 청색광이 7 : 3의 광량비율로 구성된 LED 인공광원에서 배암차즈기의 지상부 생육이 우수하고, 총 페놀릭 화합물 및 총 플라보노이드 함량이 증진되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 적색광과 청색광이 7:3의 광량비율로 구성된 인공광원에 근적외선과 적색광이 1:1.2의 비율로 근적외선을 추가하여 조사한 결과, 근적외선이 추가되지 않은 적색광과 청색광의 혼합 인공광원에 비해 배암차즈기 내의 총 페놀릭 화합물 및 총 플라보노이드 함량이 유의하게 증가된 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 밀폐형 식물생산 시스템(closed-type plant production system)에서 배암차즈기 플러그 묘에 LED 인공광원을 170~190 μmol·m-2·s-1의 광도로 조사(irradiation)하며 재배하는 단계를 포함하는, 페놀릭 화합물과 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기(Salvia plebeia R. Brown)의 재배방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 재배된 페놀릭 화합물과 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기를 제공한다.
본 발명에 따른 밀폐형 식물생산 시스템에서 광질을 이용한 배암차즈기의 재배방법은 약용식물로 사용되는 배암차즈기의 생산을 위한 최적의 광질 규명을 통해 시설재배에서 에너지 절감 효과를 유도할 수 있으며, 고품질의 배암차즈기를 대량 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실험 1에 사용된 밀폐형 식물생산 시스템 내의 분광 분포도이다. FL; 형광등, Red; 적색광, Blue; 청색광, R7B3; 적색광:청색광 = 7:3, R5B5; 적색광:청색광 = 5:5, R3B7; 적색광:청색광 = 3:7.
도 2는 실험 1의 다양한 광질의 광 조사 후 35일째에 측정된 배암차즈기의 엽장(A), 엽폭(B), 엽면적(C) 및 비엽중(D) 결과이다.
도 3은 실험 1의 다양한 광질의 광 조사 후 35일째에 측정된 배암차즈기의 광합성률(A) 및 SPAD(B) 값이다.
도 4는 실험 1의 다양한 광질의 광 조사 후 35일째에 측정된 배암차즈기의 식물체 당 총 페놀릭 화합물의 함량(A)과 총 플라보노이드 함량(B) 결과이다.
도 5는 실험 1의 광질 조건에서 재배된 배암차즈기의 모습이다.
도 6은 실험 2에 사용된 밀폐형 식물생산 시스템 내의 분광 분포도이다. control; R7B3(적색광:청색광 = 7:3), R/FR 1.2; R7B3/FR = 1.2, R/FR 2.2; R7B3/FR = 2.2, R/FR 4.2; R7B3/FR = 4.2, FR; 근적외선(Far-Red).
도 7은 실험 2의 다양한 광질의 광 조사 후 28일째에 측정된 배암차즈기의 엽장(A), 엽폭(B), 엽병장(C) 및 엽면적(D) 결과이다.
도 8은 실험 2의 다양한 광질의 광 조사 후 14일째와 28일째에 측정된 배암차즈기의 광합성률이다.
도 9는 실험 2의 다양한 광질의 광 조사 후 28일째에 측정된 배암차즈기의 식물체 당 총 페놀릭 화합물의 함량(A)과 총 플라보노이드 함량(B) 결과이다.
도 10은 실험 2의 광질 조건에서 재배된 배암차즈기의 모습이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 밀폐형 식물생산 시스템(closed-type plant production system)에서 배암차즈기 플러그 묘에 LED 인공광원을 170~190 μmol·m-2·s-1의 광도로 조사(irradiation)하며 재배하는 단계를 포함하는, 페놀릭 화합물과 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기(Salvia plebeia R. Brown)의 재배방법을 제공한다.
본 발명에 따른 배암차즈기의 재배방법에 있어서, 상기 LED 인공광원은 적색광과 청색광이 6~8 : 2~4의 광량비율로 조절된 광질에 근적외선이 추가된 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 적색광과 청색광이 7 : 3의 광량비율로 조절된 광질에 근적외선이 추가된 것일 수 있다. 또한, 상기 근적외선은 근적외선과 적색광이 1: 1~1.5의 광량비율, 바람직하게는 1: 1.2의 광량비율로 추가되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 용어 '조사(irradiation)'는 조명 등을 이용하여 인공적으로 빛에 노출시키는 것을 의미하며, '광조사(lighting)'와 혼용되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 적색광, 청색광 및 근적외선의 광 스펙트럼은 각각 순서대로 600~700 nm, 400~500 nm 및 700~760 nm 파장(wavelength) 범위일 수 있다.
또한, 본 발명의 재배방법에 있어서, 상기 배암차즈기 플러그 묘의 재배는 담액식(deep flow technique) 수경재배 방식으로 수행되는 것일 수 있다. 상기 '담액식 수경재배'는 흙을 사용하지 않고 물과 수용성 영양분으로 만든 양액 속에서 식물을 재배하는 방식을 의미한다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 배암차즈기의 재배방법은,
24~26℃의 온도 및 55~65%의 상대습도로 내부환경이 조절된 밀폐형 식물생산 시스템에서 이루어지며,
배암차즈기의 종자를 성형배지가 충진된 플러그 트레이에 파종한 후 발아시켜 배암차즈기 플러그 묘를 육묘시키는 단계; 및
상기 육묘된 배암차즈기 플러그 묘를 1.3~1.7 dS·m-1의 전기전도도를 가지는 양액이 공급되는 담액식 수경재배기로 옮긴 후, 적색광, 청색광 및 근적외선이 혼합되어 구성된 LED 인공광원을 명기와 암기의 시간이 동일한 광주기와 170~190 μmol·m-2·s-1의 광도로 조사하며 재배하는 단계;를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 재배된 페놀릭 화합물과 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기(Salvia plebeia R. Brown)를 제공한다.
본 발명에 따른 재배방법에 의해 재배된 배암차즈기는 지상부의 생체중 및 건물중이 증가되고, 총 페놀릭 화합물 및 총 플라보노이드 함량이 증진된 것이 특징일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
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. 실험 재료와 광처리 : 적색광과 청색광의 광량비율 (실험 1)
배암차즈기 종자 (Asia seed Co. Ltd., Seoul, Korea)를 성형배지 (Terra-plug, Smithers-Oasis co. Ltd., Chenan, Korea)가 채워진 128구 트레이에 파종하였다. 실험은 밀폐형 식물생산 시스템 (FC Poibe Co. Ltd., Seoul. Korea)에서 진행되었으며, 생육조건은 온도 25±1 ℃, 상대습도 60±5%, 광주기 12/12 시간 (명/암) 및 광도 180 μmol·m-2·s-1 photosynthetic flux density 이다. 40일된 배암차즈기 묘를 재순환 담액식 수경재배방식에 정식하였고, 온실 다용도 액비 [Ca(NO3)2·4H2O 472.0, KNO3 202.0, KH2PO4 272.0, NH4NO3 80.0, MgSO4·7H2O 246.0, Fe-EDTA 15.0, H3BO3 1.4, MnSO4·4H2O 2.1, ZnSO4·7H2O 0.8, CuSO4·5H2O 0.2, Na2MoO4·2H2O 0.1mg·L-1, pH 6.5, EC 1.5 dS·m-1]를 이용하여 35일간 재배하였다. 형광등 (FL, FHF32SSEX-D, Osram Co. Ltd, Munich, Germany) 및 적색 및 청색 LED (ES LEDs Co. Ltd., Seoul, Korea)를 광원으로 하는 광 처리는 다음과 같이 사용되었다. FL (대조구), Red (Red: Blue = 10 : 0), Blue (Red: Blue = 0:10), R7B3 (Red: Blue = 7 : 3), R5B5 (Red: Blue = 5 : 5) 및 R3B7 (Red: Blue = 3 : 7).
2. 광처리 : 적색광과 근적외선의 광량비율 (실험 2)
상기 실험 1과 재배조건(온도, 광주기, 광도, 양액, 수경재배 방식 등) 동일하며, 파종 후 31일된 배암차즈기 묘에 광처리는 형광등 (FL, FHF32SSEX-D, Osram Co. Ltd, Munich, Germany) 및 적색 및 청색 LED (ES LEDs Co. Ltd., Seoul, Korea)를 이용하여 R7B3 (Red:Blue = 7:3, 대조구) 및 Red 및 Far-red의 비율 (R/FR = 1.2, 2.2 및 4.2)를 처리하였다.
3. 생육특성 조사
실험 1은 광처리 35일 후에, 그리고 실험 2는 광처리 28일 후에, 엽장, 엽폭, 지상부와 지하부의 생체중과 건물중을 측정하였으며, 엽면적은 엽면적 측정기(LI-3000, LI-COR Inc., Lincoln, NE, USA)를 이용하여 측정하였다. 생체중은 전자저울 (EW220-3NM, Kern & Sohn GmbH., Balingen, Germany)을 이용하였고, 건물중은 건조기(Venticell-220, MMM Medcenter Einrichtunger GmbH., Planegg, Germany)에서 70℃로 72시간 동안 건조시킨 후 측정하였다. 비엽중은 엽면적을 잎의 건물중으로 나누어 계산하였으며, 광합성률은 휴대용 광합성기계(CIRAS-3, PP Systems International Inc., MA, USA)를 이용하여 생장점으로부터 완전히 전개된 5번째 잎을 측정하였다.
4. 총 페놀릭 화합물 및 총 플라보노이드 함량 분석, 항산화 활성 분석
총 페놀릭 화합물과 총 플라보노이드 함량과 항산화 활성 측정을 위해 배암차즈기 지상부 전체를 액체질소로 동결시킨 후, 막자사발을 사용해 미세한 분말로 분쇄하여 -72℃의 초저온 냉동고(NF-140SF, Nihon Freezer Co. Ltd., Japan)에 보관하여 분석에 사용하였다.
배암차즈기의 총 페놀릭 화합물 함량은 Folin-Ciocalteu 방법을 일부 변형하여 분석하였다. 분석을 위해 보관한 분말시료 중 1g을 5mL의 80%(v/v) 메탄올을 추가하여 분석을 위한 샘플을 추출한 후 마이크로 튜브에 2mL씩 넣고 암상태에서 12시간 동안 보관하였다. 그 후 샘플을 4℃에서 10,000rpm으로 10분간 원심분리시킨 후 상층액을 이용하였다. 증류수 300μL와 50%(v/v) Folin-Ciocalteu 시약(Sigma-Aldrich, MO, USA) 250μL, 20% Na2CO3 1,250μL의 혼합물에 추출물 200μL를 넣고 vortex mixer(Vortex-genie 2, Scientific Industries Inc., USA)로 2초간 섞은 후 상온에서 20분간 반응시켰다. 반응이 끝난 시료는 분광광도계(Libra S22, biochrom Ltd., UK)를 이용하여 735nm에서 흡광도를 측정하였다. 배암차즈기의 총 페놀릭 화합물 함량은 1mg당 gallic acid(μg)로 표현하였다.
총 플라보노이드 함량은 Kumaran and Karunakaran(2007)의 방법을 일부 변형하여 분석하였고, 시료의 추출방법은 총 페놀릭 화합물 함량 분석과 동일하게 수행하였다. 80% 메탄올 900μL와 2% AlCl3 1mL의 혼합물에 추출물 100μL를 넣고 vortex mixer로 2초간 섞은 후 30분간 반응시켰다. 반응이 끝난 시료는분광광도계를 이용하여 415nm에서 흡광도를 측정하였다. 배암차즈기의 총 플라보노이드 함량은 1mg당 quercetin(μg)으로 표현하였다.
배암차즈기 추출물의 항산화 활성은 DPPH free radical 소거법을 이용하여 측정하였다. 1,1-Diphenyl-2-picryl hydrazyl(DPPH) 시약을 1.5x10-4M로 에탄올에 녹여 DPPH 시약을 만들었으며 4℃ 냉장고에 빛이 닿지 않도록 하여 보관하였다. DPPH 시약 1mL에 배암차즈기 추출물 200μL 넣어 실온의 암실에서 20분간 반응을 한 후, 분광광도계를 이용하여 517nm에서 흡광도를 측정하였다. 배암차즈기의 DPPH free radical 소거 활성은 1mg당 trolox(μg)로 표현하였다.
5. 통계분석
실험구 배치는 완전임의배치 3반복으로 하였고, 반복당 10주씩 정식하였다. 통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.1, SAS Institute Inc., USA)을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시하였고, 평균 간 비교는 Tukey 다중검정을 이용하였다. 그래프는 SigmaPlot 프로그램(Sigma Plot 12.0, Systat Software, USA)을 이용하여 나타냈다.
실시예 1. 적색광과 청색광의 광량비율 (실험 1)에 따른 배암차즈기의 생육 특성 및 총 페놀릭 화합물 및 총 플라보노이드 함량 분석
배암차즈기의 엽장은 Red에서 가장 길었고, R7B3에서 엽폭이 길고 엽면적이 넓었다. 비엽중은 Blue를 제외하고는 LED 처리에서는 모두 유사한 값을 보였다. FL과 비교하였을 때, 엽장과 엽폭은 적색광의 비율이 높은 Red와 R7B3에서 길이가 증가되었고, 엽면적은 모든 LED 처리에서 FL보다 엽면적이 유의적으로 증가되었다(도 2). 지상부의 생체중과 건물중은 Red와 R7B3에서 가장 우수하였으며, 지하부의 생체중과 건물중은 Red에서 가장 무거웠다(표 1).
Figure pat00001
광합성률은 R7B3에서 가장 높았으며, 엽록소 함량을 나타내는 SPAD 값은 Blue에서 가장 유의적있게 가장 낮았다(도 3). 배암차즈기 식물체 당 총 페놀릭 화합물과 총 플라보노이드 함량은 생육이 우수하였던 R7B3에서 가장 높았다(도 4). 결과적으로 밀폐형 식물생산 시스템에서 배암차즈기를 생산하기 위해 FL보다 LED 광원을 사용할 경우 생육이 우수하고 총 페놀릭 화합물과 총 플라보노이드 함량이 우수한 배암차즈기를 생산하기에 적절함을 확인하였으며, 그 중 R7B3이 생육과 광합성률이 우수하여 고품질의 배암차즈기생산을 위한 실용적인 기술로 이용될 수 있다.
실시예 2. 적색광과 근적외선의 광량비율 (실험 2)에 따른 배암차즈기의 생육 특성 및 총 페놀릭 화합물 및 총 플라보노이드 함량 분석
상기 실시예 1을 통해 선택된 R7B3 광원에 근적외선(Far-Red, FR)을 추가하여 배암차즈기의 생육에 미치는 영향을 분석하였다.
그 결과, 배암차즈기의 엽폭은 FR 비율에 관계없이 차이가 없었고, 엽장, 엽병장과 엽면적은 FR의 비율이 가장 높은 R/FR 1.2에서 가장 증가되었다(도 7). 지상부의 생체중은 대조구에 비해 FR이 포함된 LED에서 증가되었으며, 특히 R/FR 1.2와 R/FR 2.2에서 가장 우수하였다. 지상부의 건물중과 지하부의 생체중과 건물중은 처리에 따른 유의적 차이는 없었다(표 2).
Figure pat00002
배암차즈기의 광합성률은 처리 후 14일과 28일째에 대조구에서 가장 높았다(도 8). 식물체당 총 페놀릭 화합물과 총 플라보노이드 함량은 지상부의 생체중이 우수하였던 R/FR 1.2에서 유의적으로 높았다(도 9). 결과적으로 FR은 배암차즈기의 생육과 생리활성 화합물 함량에 영향을 미쳤으며, 그 중 R7B3에 FR을 추가(R/FR 1.2)한 광질이 배암차즈기의 지상부 생체중과 식물체 당 생리활성 화합물의 함량을 증가시켜 밀폐형 식물생산 시스템에서 배암차즈기 생산에 실용적인 기술로 이용될 수 있을 것으로 사료되었다.

Claims (6)

  1. 밀폐형 식물생산 시스템(closed-type plant production system)에서 배암차즈기 플러그 묘에 LED 인공광원을 170~190 μmol·m-2·s-1의 광도로 조사(irradiation)하며 재배하는 단계를 포함하는, 페놀릭 화합물과 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기(Salvia plebeia R. Brown)의 재배방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 LED 인공광원은 적색광과 청색광이 6~8 : 2~4의 광량비율로 조절된 광질에 근적외선이 추가된 것을 특징으로 하는 페놀릭 화합물과 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기의 재배방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 근적외선은 근적외선과 적색광이 1: 1~1.5의 광량비율로 추가되는 것을 특징으로 하는 페놀릭 화합물과 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기의 재배방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배암차즈기 플러그 묘의 재배는 담액식(deep flow technique) 수경재배 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 페놀릭 화합물과 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기의 재배방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 재배방법은 24~26℃의 온도 및 55~65%의 상대습도로 내부환경이 조절된 밀폐형 식물생산 시스템에서 이루어지며,
    배암차즈기의 종자를 성형배지가 충진된 플러그 트레이에 파종한 후 발아시켜 배암차즈기 플러그 묘를 육묘시키는 단계; 및
    상기 육묘된 배암차즈기 플러그 묘를 1.3~1.7 dS·m-1의 전기전도도를 가지는 양액이 공급되는 담액식 수경재배기로 옮긴 후, 적색광, 청색광 및 근적외선이 혼합되어 구성된 LED 인공광원을 명기와 암기의 시간이 동일한 광주기와 170~190 μmol·m-2·s-1의 광도로 조사하며 재배하는 단계;를 포함하는 것인, 페놀릭 화합물과 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기의 재배방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법에 의해 재배된 페놀릭 화합물과 플라보노이드의 함량이 증진된 배암차즈기(Salvia plebeia R. Brown).
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