서 론
시금치는 명아주과에 속하는 한해살이 또는 두해살이 풀로 아시아 서남부 일대가 원산지로 다양한 비타민 종 류를 함유하고 있다. 특히 비타민 A의 함유량은 채소 중에서 가장 많은 것으로 알려져 있으며, 칼슘과 철분 등이 풍부해 어린이와 임산부에게 좋은 알칼리성 식품이 다. 시금치의 생리학적 효과로는 변비와 빈혈의 예방과 유방암의 항암효과가 있어 고기능성 채소로 보고되고 있 다(Zhang 등, 1989; Longnecker 등, 1997). 내한성이 강 한 특징이 있지만, 기온이 30°C 이상으로 지나치게 상승 할 경우 종자 발아 불량 및 생산량이 현저하게 떨어진 다(Leskovar 등, 1999). 우리나라에서는 고온기인 여름에 평지보다는 고랭지에서 재배가 이루어지고 있으며 이러 한 까다로운 생육환경으로 시장에 공급이 불안정해져 시 금치 가격이 폭등하는 원인이 되기도 한다(Seo 등, 2005). 또한 우리나라의 고랭지 온도 역시 이상고온과 지구온난화로 평지의 온도상승 폭보다 크고 속도도 빨라 질 것으로 보고되고 있다(Ahn 등, 2008). 이에 대한 온 도 및 환경변화에 대응하기 위한 방안으로 외부환경에 영향을 받지 않고 인위적으로 환경조절이 가능한 밀폐형 식물생산 시스템을 이용한 연구가 진행되고 있다.
밀폐형 식물생산 시스템은 작물 재배시 밀폐된 시설 내에서 광, 공기, 온도, 상대습도, 이산화탄소 농도, 배양 액 등의 지상부·지하부 환경을 최적상태로 제어하고 계 절이나 장소에 관계없이 자동적으로 연속 생산하는 시스 템을 말한다(Takatsuji, 2008). 따라서 시설 내에서 최적 재배환경을 유지함으로써 작물의 품질을 균일화시키고 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한 작물의 생육환경을 정 밀하게 관리하여 비료나 농약의 사용을 저감시킬 수 있 고, 재배가 어려운 고기능성 작물을 재배함으로써 고부 가가치 농업을 실현할 수 있다(Park 등, 2013).
밀폐형 식물생산 시스템 내에서 작물재배시 중요한 환 경 요인 중 하나는 광이며, 인공적으로 조사해주어야 한다. 현재 밀폐형 식물생산 시스템에 이용되는 인공광원으로는 형광등(fluorescent lamp), 고압나트륨등(high pressure sodium lamp), 발광다이오드(light-emitting diode, LED) 등 이 이용되고 있다. 이러한 인공광원은 서로 다른 광 파 장을 가지며 식물 생육에 적합하도록 조절한다면 광합성 률을 높이거나 농산물의 생산성 향상 등 식물에 긍정적 인 효과를 볼 수 있다(Lee 등, 2015). 그 중 형광등은 식물재배용 광원으로서 다단식 재배가 가능하며, 다양한 파장 영역을 포함하는 분광 특성과 초기 투자비용이 낮 고 설치가 간편한 장점으로 폭넓게 이용되고 있다. 이전 의 연구들에서 형광등 이용으로 아이스플랜트의 생육 향 상, 당귀의 decurusin과 같은 기능성 물질 함량 증가에 도 긍정적인 효과가 보고되고 있다(Kim 등, 2016; Lee 등, 2016). 또한 다른 인공광원과 비교하였을 때, 형광등을 조사한 반결구상추 ‘Seneca RZ’의 생육이 긍정적이었다는 결과도 보고되고 있다(Kim 등, 2013). 하지만 형광등 제조 업체에 따라 형광등의 광질이 다양하여 식물 생장, 형태형 성 그리고 기능성 함량에 미치는 영향이 상이하다.
따라서 본 연구는 밀폐형 식물 생산 시스템에서 제조 업체별 형광등 제품에 따른 시금치의 생육 및 기능성물 질 함량을 검토하여 생육 및 기능성 물질 함량 증진에 적합한 형광등을 선발하기 위해 수행되었다.
재료 및 방법
1. 실험재료 및 재배환경
플러그 트레이(128-cell, 54×28×4.8cm)에 암면(Rockwool, Grodan Co. Ltd., Denmark)을 충진 한 후 1구당 1립씩 의 시금치(Spinacia Oleracea L. ‘Sushiro’) (Asia Seed Co., Korea) 종자를 파종한 후 경상대학교 시설원예학연 구실의 밀폐형 식물 생산 시스템(C1200H3, FC Poibe Co. Ltd., Korea)내에서 광도 150±10μmol·m-2·s-1 PPFD, 광주기 14/10(명기/암기), 형광등(FHF32SSEX-D, Osram Co. Ltd., Germany) 하에서 정식 전까지 육묘하였다. 식물체 의 본엽이 2-3매 출현했을 때 3종류의 형광등 #S(NBFHF 32S8EX-D, CH LIGHTING Co. Ltd., China), #O(FHF32SSEX-D, Osram Co. Ltd., Germany), #P(FLR32SS EX-D, Philips Co. Ltd., The Netherlands)가 각각 조사되는 밀폐형 식물생산 시스템(C1200H3, FC Poibe Co. Ltd., Korea)에 15×15cm의 재식간격으로 정 식 하였다. 밀폐형 식물생산 시스템 내의 재배환경은 온 도 25±1°C, 상대습도 60±10%, 광주기 14/10(명기/암기) 로 동일하게 설정하였고, 광도는 광도계(HD2101.2, Delta Ohm SrL, Italy)를 이용하여 식물체의 상부 잎을 기준으로 모든 처리구가 150±10μmol·m-2·s-1 PPFD가 되 도록 설정하였다. 재배기간 동안 재순환 담액식 수경재 배(recirculating deep floating technique) 방식을 이용하 여 코넬대학교 시금치 전용 액비(Table 1)를 조제하여 EC 1.5dS·m-1, pH 6.5로 맞추어 관주하였다.
2. 조사항목
형광등 종류에 따른 시금치의 생육을 비교하기 위해 정식 후 3주와 6주째에 시금치의 초장, 엽장, 엽폭, 최대 근장, 엽수를 측정하였고, 엽면적은 엽면적 측정기(LI- 3000, LI-COR Inc., USA)를, 경경은 버니어캘리퍼스(CD- 20CPX, Mitutoyo Co. Ltd., Japan)를 이용하여 지제부 상 단 1cm를, 지상부와 지하부의 생체중과 건물중은 전자저 울(EW220-3NM, Kern&Sohn GmbH., Germany)을 이용 하여 측정하였다. 건물중은 시료를 70°C 항온 건조기 (Venticell-222, MMM Medcenter Einrichtungen GmbH., Germany)에서 72시간 건조한 후 측정하였다. SPAD 값 은 엽록소 측정기(SPAD-502, Konica Minolta Inc., Japan)를 이용하여 측정하였다. 식물체 온도와 형광등의 종류별 온도분포를 확인하기 위해 열화상카메라(Testo 880-1, Testo Co. Ltd., Lenzkirch, Germany)를 이용하여 표면온도와 열 분포 이미지를 촬영하였고(Fig. 1), 광파 장은 분광복사계(ILT950, International Light Co. Ltd., USA)를 이용하여 300-700nm 범위를 1nm 간격으로 측 정하였다(Table 2와 Fig. 2).
Table 2. Light intensity of each wavelength at different fluorescent lamps.
| Fluorescent lampz | ight intensity (μmol·m-2·s-1) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 300- 400nm | 400- 500nm | 500- 600nm | 600- 700nm | Total | |
| #S | 3.8 | 56.3 | 61.3 | 28.6 | 150 |
| #O | 1.7 | 58.1 | 59.5 | 30.7 | 150 |
| #P | 2.9 | 56.2 | 61.1 | 29.8 | 150 |
3. 총페놀 함량 및 항산화 활성 분석
총페놀 함량과 항산화 활성 측정을 위해 시금치 지상 부 전체를 액체질소로 동결시킨 후, 막자사발을 사용해 미세한 분말로 분쇄하여 -72°C의 초저온 냉동고(NF- 140SF, Nihon Freezer Co. Ltd., Japan)에 보관하여 분석 에 사용하였다. 시금치의 총페놀 함량은 Folin-Ciocalteu 방법을 일부 변형하여 분석하였다(Yu 등, 2002). 분석을 위해 보관한 분말시료 중 1g을 5mL의 80%(v/v) 메탄올 을 추가하여 분석을 위한 샘플을 추출한 후 마이크로 튜 브에 2mL씩 넣고 암상태에서 12시간 동안 보관하였다. 그 후 샘플을 4°C에서 10,000rpm으로 10분간 원심분리 시킨 후 상층액을 이용하였다. 증류수 300μL와 50%(v/v) Folin-Ciocalteu 시약(Sigma-Aldrich, MO, USA) 250μL, 20% Na2CO3 1250μL의 혼합물에 추출물 200μL를 넣고 vortex mixer(Vortex-genie 2, Scientific Industries Inc., USA)로 2초간 섞은 후 상온에서 20분간 반응시켰다. 반 응이 끝난 시료는 분광광도계(Libra S22, biochrom Ltd., UK)를 이용하여 735nm에서 흡광도를 측정하였다. 시금 치의 총페놀 함량은 1mg당 gallic acid(μg)로 표현하였다.
시금치 추출물의 항산화 활성은 DPPH free radical 소 거법을 이용하여 측정하였다. 1,1-Diphenyl-2-picryl hydrazyl(DPPH) 시약을 1.5x10-4M로 에탄올에 녹여 DPPH 시약을 만들었으며 4°C 냉장고에 빛이 닿지 않도 록 하여 보관하였다. DPPH 시약 1mL에 시금치 추출물 200μL를 넣어 실온의 암실에서 20분간 반응을 한 후, 분 광광도계를 이용하여 517nm에서 흡광도를 측정하였다. 시금치의 DPPH free radical 소거 활성은 1mg당 trolox(μg)로 표현하였다.
결과 및 고찰
Table 3은 3종류의 형광등 하에서 정식 후 3주째 측정 된 시금치의 생육을 나타낸 것이다. 시금치의 초장과 엽 폭은 #O 형광등에서 유의적으로 높은 값을 나타냈으며, 엽장과 근장, 경경은 #O과 #P 형광등에서 시금치 생육 에 긍정적인 효과를 보였다. 엽수와 SPAD 값은 모든 형광등 처리구에서 유의적인 차이를 나타내지 않았다. 엽면적과 지상부의 생체중 및 건물중에서도 유사한 경향 으로 #S 형광등을 제외한 형광등에서 좋은 효과를 나타 내었다. 지하부의 생체중 및 건물중은 #P 형광등에서 유 의적으로 높은 값을 나타냈다. 결과적으로 시금치의 생 육은 #S 형광등이 조사 되었을 때 가장 저조하였다.
Table 3. The growth of spinach as affected by different fluorescent lamps at 3rd week after transplanting in a closed-type plant production system.
| Fluorescent lampz | Plant height (cm) | Leaf length (cm) | Leaf width (cm) | Root length (cm) | Stem diameter (cm) | No. of leaves | SPAD value | Leaf area (cm2/ plant) | Fresh weight (g) | Dry weight (g) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Shoot | Root | Shoot | Root | |||||||||
| #S | 10.6 cy | 5.0 b | 3.0 b | 28.7 b | 1.4 b | 6:00 AM | 35.7 a | 35.91 b | 1.50 b | 0.29 b | 0.110 b | 0.015 b |
| #O | 13.7 a | 7.0 a | 3.7 a | 39.9 a | 1.6 a | 6:00 AM | 33.7 a | 59.87 a | 2.53 a | 0.40 ab | 0.222 a | 0.021 ab |
| #P | 12.6 b | 6.7 a | 3.5 ab | 38.4 a | 1.7 a | 7:00 AM | 34.1 a | 62.46 a | 2.56 a | 0.44 a | 0.204 a | 0.025 a |
종류별 형광등의 발열량을 측정한 결과에서 #S 형광 등의 발열량이 최대 36.8°C로 가장 높았다(Fig. 1). 시금 치의 식물체 온도도 형광등의 발열량과 유사한 경향으로 #S 형광등에서 다른 형광등에 비해 최고, 최저, 평균 온 도 값이 유의적으로 높았다(Table 4). 그러므로 #S 형광 등에서 호냉성 채소인 시금치의 적정 생육적온인 15- 20°C보다 높게 나타나 부정적인 생육 결과가 나타난 것 으로 판단된다. 시금치의 여름철 온실 재배를 위해 은색 차광막과 fog system을 동시에 사용하여 외기온 보다 4.7°C, 엽온 6.0°C의 온도하강 효과를 보였을 때, 시금치 의 생육 및 수량이 증가하였다고 보고된 바 있다(Woo 등, 1996). 밀폐형 식물 생산 시스템에서 #S 형광등은 발열량이 높아 3주째부터 시금치의 생육에 부정적인 결 과를 나타내었고, 호냉성 채소인 시금치 재배시 이를 충 분히 고려한 적절한 광질의 형광등을 선택해야할 것으로 판단된다.
Table 4. Plant temperature of the spinach as affected by different fluorescent lamps in a closed-type plant production system.
| Fluorescent lampz | Plant temperature (°C) | ||
|---|---|---|---|
| Maximum | Minimum | Mean | |
| #S | 24.1 ay | 21.6 a | 22.9 a |
| #O | 21.4 b | 20.7 b | 21.1 b |
| #P | 21.5 b | 20.1 b | 20.9 b |
Table 5는 3종류 광질이 다른 형광등이 조사되는 밀폐 형 식물생산 시스템에 정식 후 6주째 측정된 시금치의 생육을 나타낸 것으로 3주째와 동일한 경향으로 #O 형 광등에서 유의적으로 높은 식물체의 초장을 나타냈다. 또한, 지상부의 생체중과 건물중에서 3주째 #O과 #P 형 광등에서 유의적인 차이를 나타내지 않았지만, 6주째에 생육기간이 길어질수록 #O 형광등 처리구에서 유의적으 로 무거운 값을 나타냈다. #O 형광등의 경우 다른 형광 등에 비해 600-700nm의 적색광 방사량이 높아(Table 2), 시금치의 전체적인 생육에 긍정적인 효과가 있었던 것으 로 판단된다. 고추냉이를 다양한 파장대의 발광다이오드 (LED)에 재배하였을 때, 적색광에서 자란 고추냉이의 엽 면적이 넓고 엽건물중이 높았다는 연구와 유사한 결과를 보였다(Kim과 You, 2013). 또한 상이한 피크파장의 청 색광과 적색광 하에서 상추 재배시, 634, 659nm의 적색 광 처리구에서 엽폭, 엽면적, 지상부 생체중 등의 상추 생육에 효과적이라는 연구와 유사한 결과를 보였다(Lee 와 Kim, 2014).
Table 5. The growth of spinach as affected by different fluorescent lamps at 6th week after transplanting in a closed-type plant production system.
| Fluorescent lampz | Plant height (cm) | Leaf length (cm) | Leaf width (cm) | Root length (cm) | Stem diameter (cm) | No. of leaves | SPAD value | Leaf area (cm2/ plant) | Fresh weight (g) | Dry weight (g) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Shoot | Root | Shoot | Root | |||||||||
| #S | 29.0 by | 13.7 b | 8.0 a | 60.1 a | 4.10 a | 15 a | 38.2 a | 406.8 b | 25.4 b | 3.2 a | 1.4 b | 0.18 a |
| #O | 31.8 a | 16.8 a | 9.5 a | 73.3 a | 4.66 a | 14 a | 39.4 a | 614.6 a | 39.3 a | 4.5 a | 2.5 a | 0.18 a |
| #P | 30.5 ab | 15.7 a | 8.9 a | 65.0 a | 4.41 a | 13 a | 39.1 a | 560.2 a | 33.7 ab | 4.1 a | 2.0 ab | 0.22 a |
3종류의 형광등 하에서 정식 후 3주째와 6주째에 시금 치의 총페놀 함량 및 항산화 활성 분석을 Fig. 3과 Fig. 4에 나타냈다. 3주째 총페놀 함량의 경우 #P 형광등에서 다른 형광등에 비해 유의적으로 높은 값을 나타냈다. 하 지만 6주째 #O 형광등에서 증가하는 경향을 보이며 가 장 높은 값을 나타냈다. 시금치의 엽면적이 충분히 확보 되어 수확이 가능한 6주째에 #O 형광등에서 생육과 동 일한 경향으로 총페놀 함량이 다른 처리구에 비해 크게 증가하였다. 이러한 결과는 #O 형광등의 400-500nm 청 색광 영역의 광파장에서 다른 형광등에 비해 높은 방사 량으로 인한 것으로 판단된다(Table 2). 이는 단색 발광 다이오드에서 상추 재배시 청색광이 총페놀 함량 및 항 산화도를 증진시키는 결과와 약용작물인 ‘지황’의 기내 재배 시 청색광을 조사하였을 때 총페놀 함량 및 DPPH 라디컬 소거 활성능이 증가되었다는 보고와 유사하다 (Son 등, 2012; Manivannan 등, 2015). 항산화 활성은 3 주째 #S 형광등에서 가장 낮은 값이 나타났지만, 6주째 에는 모든 처리구에서 유의적인 차이가 나타나지 않았다.
Fig. 3.
The total phenolic concentration of spinach leaf as affected by different fluorescent lamps at 3rd and 6th week after transplanting in a closed-type plant production system. #S (NBFHF 32S8EX-D, CH LIGHTING Co. Ltd., China), #O (FHF32SSEXD, Osram Co. Ltd., Germany), and #P (FLR32SS EX-D, Philips Co. Ltd., The Netherlands).
Fig. 4.
The antioxidant activity of spinach leaf as affected by different fluorescent lamps at 3rd and 6th week after transplanting in a closed-type plant production system. #S (NBFHF 32S8EXD, CH LIGHTING Co. Ltd., China), #O (FHF32SSEX-D, Osram Co. Ltd., Germany), and #P (FLR32SS EX-D, Philips Co. Ltd., The Netherlands).
3종류의 형광등하에서 정식 후 3주째와 6주째에 시금 치 1주당 생체중에 기초한 총페놀 함량 및 항산화 활성 분석 결과를 Fig. 5에 나타냈다. 총페놀 함량의 경우 3 주째와 6주째 #O 형광등에서 가장 높은 값을 나타냈고, #S 형광등하에서 재배된 시금치는 3주째와 6주째 모두 총페놀 함량 및 항산화 활성이 가장 낮게 나타났다. 항 산화 활성의 경우 6주째에 #O과 #P 형광등에서 유의적 인 차이가 나타나지 않았지만(Fig. 4), 생체중이 증가하 여 시금치의 주당 최종 산물의 함량에서는 #O 형광등이 가장 우수한 값이 나타났다(Fig. 5).
Fig. 5.
The total phenolic contents and antioxidant activity per plant of spinach leaf as affected by different fluorescent lamps at 3rd and 6th week after transplanting in a closed-type plant production system. #S (NBFHF 32S8EX-D, CH LIGHTING Co. Ltd., China), #O (FHF32SSEX-D, Osram Co. Ltd., Germany), and #P (FLR32SS EX-D, Philips Co. Ltd., The Netherlands).
결과적으로 #O 형광등 처리에서 밀폐형 식물 생산 시 스템 내 시금치의 생육과 기능성물질 함량 축적에 우수 한 결과를 보였다. 하지만 본 연구에서 사용된 3종류 형 광등의 경우 미세한 광파장 차이를 나타내었기 때문에 향후 고기능성 시금치를 밀폐형 식물생산 시스템내에서 재배하기 위하여 다양한 인공광원을 이용한 추가적인 연 구가 필요할 것으로 사료된다.
