Research Article

Journal of Agricultural, Life and Environmental Sciences. October 2021. 225-235
https://doi.org/10.22698/jales.20210023

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 재료 및 방법

  •   실험재료

  •   QD-LED 식물조명

  •   새싹삼의 생육특성 조사

  •   시료 추출 및 시약

  •   표준용액의 조제

  •   진세노사이드 함량 분석

  •   통계분석

  • 결과 및 고찰

  •   새싹삼 생육특성

  •   새싹삼 진세노사이드 함량 비교 분석

  • 요약 및 결론

서 론

식물공장(Plant factory) 시스템은 식물의 생육환경 조건인 빛, 온 ‧ 습도, 이산화탄소 농도 및 양분 등을 인공적으로 제어하여 계획적인 작물생산을 목적으로 1957년 덴마크 농장의 새싹채소 생산에서 시작되었고(Kim, 2009), 최근 세계적으로 기후변화와 잦은 이상기후로 인해 식량자원 생산에 대한 위기감이 고조되면서 지속가능한 식량 공급 방안으로 식물공장에 대한 관심이 점점 높아지고 있다(Kim, 2010). 특히 엽채류는 인위적 환경 조성이 가능한 폐쇄형 시스템에서 재배가 용이하기 때문에 적정 인공광 적용이 매우 중요하고, 이는 광조건에 따라 식물의 생육에 영향을 미치기 때문이다(Um et al., 2010).

일반적으로 식물재배용 광원으로 많이 이용되는 LED(Light-emitting diode)광은 좁은 반치폭의 파장을 방출하며 다른 광원 소재에 비해 광효율이 높고 발열이 거의 없으며 반영구적이라는 장점으로 인해 식물재배 조명 시스템의 적합한 광원으로 이용되고 있다(Bula et al., 1991). 또한 폐쇄형 식물공장 시스템에서 재배하는 식물의 생육과 병 저항성 등 적용가능성에 대한 연구가 수행된 바 있다(Schuerger and Brown, 1994). 식물 생육과정에서 청색광과 적색광은 식물 광합성에 매우 중요한 파장이라는 것이 알려져 있으며(Kim et al., 2013; Kook et al., 2013), 현재 식물을 대상으로 LED 광원을 이용한 작물의 생육 관련 연구로는 청색광(BLUE, 450 nm) LED광을 이용한 상추의 안토시아닌 색소 함량 등 항산화능 증가(Choi et al., 2014; Kook et al., 2013) 및 토마토의 잿빛곰팡이균인 B. cinerea의 균사 생장 억제효과가 보고되었고(Kim et al., 2013), 적색광(RED, 660 nm)은 장미의 하우스 재배시 흰가루병의 생장억제에 대한 효과가 있으며(Suthaparan et al., 2010), 청색광과 적색광의 혼합광에서 고추냉이의 생육이 효과적으로 상승한다고 보고되어 있다(Kim et al., 2013). 최근 파장대별로 서로 다른 소자가 필요한 기존 LED와 달리 Quantum-dot LED를 폐쇄형 식물공장의 광원으로 적용하였을 경우, 상추의 주요 식물 병원성 곰팡이 억제 효과 및 고추냉이 잎과 근경의 생장 촉진 등 식물의 생육 촉진에 효과적이라는 것이 보고되어 있다(Hwang et al., 2020; Kook et al., 2013; Suthaparan et al., 2010).

양자점(Quantum-dot, QD)은 물질의 크기가 나노미터 단위로 줄어들었을 때 전기·광학적 성질이 크게 변하는 반도체 나노 입자로, 동일한 소재의 양자점으로도 에너지 크기가 다른 파장의 빛을 방출할 수 있다는 특징이 있다. Quantum-dot LED(QD-LED)는 양자점을 자제 발광소자롤 사용하여, 양자점의 크기에 의해 에너지가 조절되어 결정되는 파장의 빛을 방출한다. 현재 양자점 시장은 높은 성장세를 보이고 있으며, 디스플레이 시장에 사용되어 상용화되어 있다. QD-LED는 OLED에 비해 크기를 확대하기가 용이하여, 기존 LED-TV에 비교적 간단히 적용하여 선명하고 색재현율이 높은 디스플레이를 만들 수 있어 대체 기술로 주목받고 있다(Moon et al., 2016). QD 소재는 기존 LED 조명에 사용되는 형광체의 높은 가격 문제를 해결하기 위해 사용되어지며, 이를 분말화하여 산소와 수분 및 광량자(Photon flux)에 대한 안정성이 높은 양산화 공정 기술을 확보하였다(Hwang et al., 2019a, 2019b).

식물의 생육은 복잡한 생리작용이 요구되며 이는 빛에도 해당된다. 식물의 성장과정에서 다양한 빛의 파장이 요구되며, 빛의 상호작용에 의해서 광합성과 성장 개화, 착색 등에 에머슨 상승효과(Emerson Enhancement Effect)를 보이기 때문에 다양한 파장의 빛을 혼합한 스펙트럼의 식물생장용 조명이 요구된다. 일반적으로 사용하고 있는 식물생장용 LED 조명의 스펙트럼은 450 nm, 660 nm의 특정 파장만으로 제작하므로, 해당 파장의 크기 비율만을 조정할 수 있어서, 식물의 종류나 성장에 따른 빛의 스펙트럼 조정에 제약이 많다(Kim et al., 2018; Hwang et al., 2019a). 이에 반해 QD-LED는 QD 소재의 가장 큰 특징인 단일 소재로 되어 있으며 그 크기만을 제어하면 광여기 파장을 조정할 수 있기 때문에, 하나의 합성방법만으로도 원하는 스펙트럼을 형성할 수 있다. 즉 특정 작물의 성장과 특이 생리성분을 제어할 필요가 있을 경우, 해당 성분의 제어에 필요한 빛의 파장을 찾고 이를 제어할 수 있는 방법이 QD-LED에 존재한다.

인삼(Panax ginseng C.A. Meyer)은 두릅나무과(Araliaceae)에 속하는 다년생 식물로 다양한 약리효과를 가지고 다방면으로 이용되고 있으며, 특히 우리나라에서 재배하는 고려인삼은 전세계적으로 그 효능이 우수하다고 알려져 최고의 품질로 인정받고 있다(Chang et al., 2006; Jo et al., 2011; Park et al., 2003). 인삼은 노지에서 5-6년 이상 재배하여 상품이 되며, 성분으로 사포닌, 폴리페놀, 다당체, 알칼로이드, 지방산, 정유 성분 등이 함유되어 있고(Jo et al., 2011; Park et al., 2003, Park et al., 2007), 특히 인삼의 주요 사포닌 진세노사이드(ginsenoside)는 화학 구조에 따라 다양한 약리적 효능을 가지고 있는 것으로 보고되었다(Park et al., 2003). 또한 인삼의 진세노사이드의 함량은 뿌리뿐만 아니라 줄기, 잎 등의 부산물에도 다량 함유되어 있고 이들의 조성과 함량은 인삼의 부위, 연근, 품종, 재배방법, 재배기간, 재배지, 수확시기 등에 따라서 차이가 있는 것으로 알려져 있다(Ahn et al., 2008; An et al., 2002; Kim et al., 2020; Park et al., 2003). 인삼은 직사광선, 고온과 과습 등의 환경장해와 재배기간 동안에 뿌리썩음병(근부병), 점무늬병 등과 같은 많은 병충해에 감염되어 연작장해가 매우 심한 작물로, 다른 작물에 비해 토지 특성에 영향을 많아 받아 생산성이 매우 낮은 작물이다(Jin et al., 2009).

이에 반해, 새싹삼은 1년생 묘삼을 배양토 또는 수경재배시설에 이식하여 3-4주간 싹을 틔어 키운 작물로 농약 사용없이 청경 재배하기 때문에 기존 지하부만을 섭취하는 인삼과는 달리 전 부위를 섭취 및 이용 가능하며, 연중재배가 가능하고 연작이 가능하다는 재배 장점이 있어 최근 새싹삼에 대한 관심과 소비자 기호가 높아지고 있다(Jung, 2018). 또한 새싹삼의 잎과 줄기 지상부에는 뿌리보다 진세노사이드 함량이 높다고 보고되어 있으며(Jung, 2018), 최근 수확시기에 따른 새싹삼의 생장 증대(Jang et al., 2018) 및 LED 광원을 이용한 작물의 생육을 조절 연구는 계속해서 많이 수행되고 있는 반면 광 변화 소재의 QD 소재를 활용한 새싹삼의 연구는 아직 미흡한 실정이어서 다양한 재배 조건에서 생장 및 진세노사이드 함량의 변화에 대한 연구들이 더 추진되어야 한다.

이에 본 연구에서는 특정 파장을 조합한 QD-LED를 광원을 사용하여 새싹삼의 일반 LED를 이용한 재배 방법에 비해 QD-LED를 식물조명으로 이용 시 생장속도를 증대할 수 있다면 재배기간의 단축 및 새싹삼의 생장에 미치는 영향을 구명하는 데 기여할 것으로 판단되어 수행하였다.

재료 및 방법

실험재료

실험에 사용된 새싹삼 시료는 강원도 홍천군 새싹삼 기업 ㈜오투존으로부터 제공받아 사용하였다. 새싹삼 시료는 2020년도 5월부터 7월까지 새싹삼 재배지(홍천)에서 1년생, 2년생 묘삼(품종: 연풍, 원산지: 강원도 화천군)을 일반 LED 식물조명(Normal Plant LED, 청색 450 nm& 적색 660 nm 파장 조합) 및 광량이 상대적으로 높은 QD소재를 사용한 QD-LED 식물조명(철원플라즈마산업기술연구원 제작)으로 4주간 산소수농법으로 재배하여 사용하였다(Table 1).

Table 1.

Photosynthetic photon flux density (PPFD) measurement result

PPFB PPFG PPFR PPFIR
Normal LED 29.5% 2.9% 45.7% 4.3%
QD-LED 29.5% 8.1% 51.4% 11.0%

PPFD was measured at a distance of 300 mm using a PPFD measuring instrument.

산소수농법은 용조 산소가 풍부한 산소수를 새싹삼의 뿌리에 직접공급하여 새싹삼의 기초대사(흡수, 분해, 합성 등) 활동을 촉진시키는 친환경농법으로 실내에서 산소수농법 재배시설을 갖추고 식물조명에 따른 새싹삼 재배공간을 두 구획으로 구분하여 일반 LED와 QD-LED를 조사하였다. 식물조명등을 제외한 재배 조건(산소용존량, 양액, 온도)은 동일하게 설정하였다.

수집한 1, 2년생 시료는 지하부(뿌리) 및 지상부(잎, 줄기)을 수확하여 수세하여 세절한 뒤 동결건조기(Ilshin, Korea)에서 3일 동안 동결건조시킨 후, 전체를 분쇄하여 추출에 사용하였다. 새싹삼의 생육특성은 진세노사이드 함량 및 중량의 경우 지상부(잎, 줄기)와 지하부(뿌리) 부분만을 이용하여 분석하였다.

QD-LED 식물조명

새싹삼의 경우에는 조명에 따른 새싹삼의 생리활성물질인 진세노사이드 함량제어가 필요하며, 초기 연구(Kim et al., 2013)에서 QD-LED 식물등의 스펙트럼 제어 기술을 이용하여 다양한 스펙트럼의 조건하에서 QD-LED에 따른 광합성과 생장 조건을 실험하였고, 이 중에서 일반 LED와 함께 효율적인 스펙트럼으로 넓은 적색 스펙트럼을 갖는 QD-LED 조명을 비교 선택하여(Fig. 1), 새싹삼의 생육 및 진세노사이드의 함량 연구를 진행하였다.

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Fig. 1

Spectrum of LED plant growth light and QD plant growth lights.

Table 1은 식물생장용 QD-LED 초기 연구에서 실험한 결과를 바탕으로, 최종적으로 선택한 조명의 PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density, 광자속 밀도)를 측정한 결과이다. PPFD는 광합성에 관여하는 파장의 세기로 1평방미터에 1초 동안 떨어지는 광양자의 양이다.

본 실험에 사용한 QD-LED 조명은 일반 LED 식물조명에 비하여 높은 600 nm 이상의 광량이 상대적으로 높으며, 특히 IR(700 nm) 스펙트럼이 풍부하게 설계하였다.

새싹삼의 생육특성 조사

연생별(1년, 2년생) 새싹삼의 생육에 따른 특성 조사는 각 생육시기별(0, 1, 2, 3, 4주)로 식물조명(일반 LED, QD-LED)에 따른 수경재배 새싹삼의 지하부와 지상부 10개체씩 3반복으로 조사하였다. 생육특성 조사를 위한 샘플사이즈는 20가지 생육조건과 조건별 샘플사이즈 10개를 반영하여 새싹삼 총 200개 개체를 조사하였다.

생육조사는 식물조명 및 새싹삼의 생육시기에 따른 지하부(뿌리)와 지상부(줄기, 잎)를 분리한 후 지하부 생체중은 근경(뿌리)의 근중을 측정, 지상부(줄기, 잎)는 엽중을 측정하였다.

시료 추출 및 시약

새싹삼의 진세노사이드의 추출 및 전처리 과정은 연생별(1년, 2년생), 생육시기별(0, 1, 2, 3, 4주), 식물조명 조건(일반 LED, QD-LED)별에 따른 새싹삼을 구분하여 지상부(줄기, 잎)과 근경(뿌리)을 나누어 실시하였다. 진세노사이드 함량분석을 위한 샘플사이즈는 20가지 생육조건과 시료1 lot당 전처리 샘플사이즈 3개, 조건당 3 lot 시험 및 시료당 3반복 시료전처리(biological replicates)를 반영하여 새싹삼 총 180개 개체를 조사 하였고 3회 이상의 반복 시험 분석을 진행하였다.

진세노사이드 분석을 위해 생육시기별로 동결건조, 분쇄한 새싹삼의 잎과 뿌리 건조시료 0.1 g에 5 mL 50% MeOH을 가한 후 균질하게 혼합 후 초음파 추출법(JAC-4020, KODE, Korea)으로 30분간 추출을 실시하였다. 추출이 끝난 시료는 원심분리기(Centrifuge 5810R, Eppendorf, Germany)로 3,000 rpm에서 10 분간 원심 분리하였으며, HPLC 분석을 위해 상등액만 취해 0.45 µm membrane filter(Whatman syringe Filter, UK)로 여과한 다음 분석시료로 사용하였다.

새싹삼 추출물의 성분분석에 사용된 진세노사이드 표준품(Ginsenoside Rg1, Rb1, Rg3)은 ChemFaces(Wuhan, China)로부터 구입하여 사용하였고, 전처리 및 HPLC 분석에서 사용한 용매인 Methanol(TEDIA, Fairfield, OH, USA), Acetonitrile(TEDIA, Fairfield, OH, USA), Distilled water(Millipore, USA)은 특급 및 HPLC 등급 제품으로 구입해 분석에 사용하였다.

표준용액의 조제

분석에 사용된 표준용액은 각 진세노사이드 표준물질(Ginsenoside Rg1, Rb1, Rg3)을 이용하여 약 10 mg를 10 mL 메스플라스크에 넣고 50% MeOH로 표선을 맞추고 0.45 µm syringe filter(25 mm, Whatman syringe Filter, UK)로 여과 후 표준용액으로 사용하였다. 표준용액을 70% MeOH 으로 적절히 희석하여 검량선용 표준용액을 조제하였다.

진세노사이드 함량 분석

진세노사이드 지표성분 정량분석은 HPLC(LC-20A, Shimadzu Co., Kyoto, Japan)를 이용하여 분석하였다(Fig. 2). 진세노사이드 성분의 분리를 위한 column은 COSMOSIL-Pak C18 column(250 mm × 4.6 mm i.d., 5 µm, Nacalai Tesque, Inc., Kyoto, Japan)을 사용하였으며, column oven 온도는 30°C로 설정하였다. 이동상으로 solvent A, water와 solvent B는 acetonitrile을 사용하였고, 시간에 따른 용매의 조건은 다음과 같이 기울기 용리(gradient elution)법으로 분석하였다. 0-5 min, 20% B; 5-20 min, 23% B; 20-25 min, 30% B; 25-45 min, 40% B; 45-65 min, 50% B; 65-75 min, 20% B로 설정 후 전개하였고, 모든 시료에 대한 분석시간은 75분간 분석을 실시하였다. 이동상의 유속은 1.0 ml/min, 시료 주입량은 10 µm였으며, UV 검출기는 203 nm 파장에서 측정하여 분석하였다. 표준물질 3종은 최종농도를 약 11.1, 22.3, 44.6, 89.10, 178.20, 285.12, 356.40 ppm) 희석한 후, calibration curve를 작성하여 정량 분석에 이용하였다.

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Fig. 2

HPLC chromatograms of ginsenosides (Rg1, Rb1, and Rg3). Ginsenoside compounds were analyzed using high performance liquid chromatographic ultraviolet (HPLC-UV, Shimadzu) method. Separation and quantification were successfully achieved with a Cosmosil C18-packed column using acetonitrile (AcN) and water at UV 203 nm.

통계분석

본 실험의 모든 분석은 3회 반복하여 측정한 결과를 평균 ± 표준편차(means ± standard deviation, S.D) 값으로 표시하였다. 실험값의 통계분석은 GraphPad Prism(ver 8.0) 및 SPSS 프로그램(IBM Corp., SPSS Inc, Chicago, Il, USA)을 사용하여 처리구간의 유의적인 차이를 확인하기 위해 일원배치분산분석(one-way ANOVA)과 t-test 검정을 통해 유의수준 5%(p < 0.05)로 유의적인 차이를 검증하였다.

결과 및 고찰

새싹삼 생육특성

일반 LED 및 QD-LED 식물조명으로 총 4주간 재배한 1년, 2년생 새싹삼 샘플을 채취하여 생육특성을 확인하였으며(Fig. 3), 1년, 2년생 새싹삼의 LED 식물조명에 따른 생육특성을 조사한 결과, 뿌리는 생중량 5.8-27.0 g, 잎은 4.5-20.3 g로 확인되었다(Table 2, 3).

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Fig. 3

Ginseng sprouts cultivated for 4 weeks. (A) Normal LED and (B) QD-LED.

Table 2.

Comparison of growth characteristics to the age of ginseng sprouts (root) using LED plant lighting

Growth period Age4) Growth characteristics
Fresh weight of root (g)
Normal LED QD-LED
1week 1 6.8 ± 0.001) 7.0 ± 0.00
2 18.7 ± 0.00 15.9 ± 0.00
2week 1 5.8 ± 0.35 7.5 ± 0.82
2 17.0 ± 2.12 21.6 ± 0.48
3week 1 8.1 ± 0.61 6.3 ± 0.27
2 10.8 ± 1.45**2),3) 20.4 ± 9.76
4week 1 10.6 ± 0.97*** 9.8 ± 0.93**
2 26.0 ± 3.84* 27.0 ± 5.94

1) Each value is expressed as the mean ± SD (n=3).

2) Values in each column with different letters are statistically different (p<0.05) among the treatments according to Dunnett’s test.

3) *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001.

4) 1, one year old; 2, two years old.

Table 3.

Comparison of growth characteristics according to the age of ginseng sprouts (leaf) using LED plant lighting

Growth period Age4) Growth characteristics
Fresh weight of leaf (g)
Normal LED QD-LED
1week 1 4.5 ± 0.001) 4.8 ± 0.00
2 7.3 ± 0.00 8.2 ± 0.00
2week 1 5.5 ± 0.38 5.9 ± 0.40
2 8.5 ± 1.26 14.7 ± 2.20
3week 1 6.1 ± 0.56*2),3) 5.4 ± 0.32
2 8.4 ± 1.99 15.7 ± 6.13
4week 1 8.1 ± 1.12*** 7.5 ± 0.95***
2 19.8 ± 2.68*** 20.3 ± 6.14*

1) Each value is expressed as the mean ± SD (n=3).

2) Values in each column with different letters are statistically different (p<0.05) among the treatments according to Dunnett’s test.

3)*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001.

4) 1, one year old; 2, two years old.

부위별로 뿌리의 경우 생중량은 일반 LED에서 1년생은 4주차에 유의적으로(p < 0.001) 증가하였으며, 2년생은 3, 4주차에서 유의적인(p < 0.01, p < 0.05) 차이가 확인되었다. QD-LED의 경우 1년생 4주차만 유의적인(p < 0.01) 차이가 확인되었다.

잎의 경우 일반 LED에서 1년생은 3, 4주차에서 유의적인(p < 0.05, p < 0.001)차이가 확인되었으며, 2년생은 4주차에서만 중량이 유의적으로(p < 0.001) 증가하였다. QD-LED의 경우 1년생, 2년생 모두 4주차에서 유의적인(p < 0.001, p < 0.05) 차이가 확인되었고 나머지 주 차에서는 생육에 따른 유의적인 차이를 보이지 않았다. 새싹삼의 중량의 차이는 일반 LED 및 QD-LED에서 2년생 새싹삼이 1년생에 비해 높게 확인되었다.

식물의 성장에 있어 광질 및 광량에 따른 생육량 증가는 단색광에 비해 혼합 광이 효과적이며(Kim et al., 2013), 새싹삼의 QD-LED 식물조명을 통한 생육 효과를 얻기 위해서는 2년생 묘삼으로 특정 파장 660 nm와 680 nm 를 동시에 조사하여 재배하는 것이 실제 식물생장에 적합할 것으로 보인다. 또한 식물 생육과정에 있어 특정 파장은 중요한 광합성 상승 효과를 나타내고, 두 파장을 독립적으로 조사하는 것이 식물성장의 엽록소 작용 및 광합성 작용에 상호 연계된 영향을 미쳐 QD-LED가 새싹삼의 생육에 적합한 것으로 사료된다.

새싹삼 진세노사이드 함량 비교 분석

일반 LED 및 QD-LED 식물조명으로 총 4주간 재배한 1년, 2년생 새싹삼의 진세노사이드의 함량변화는 Table 4, 5와 같다. 연생별 새싹삼의 진세노사이드3종의 함량은 뿌리의 경우 Rb1(101.0-385.9 mg/100g)이 가장 많이 검출되었고, 다음으로 Rg1(101.0-271.0 mg/100g), Rg3(28.2-108.5 mg/100g)순서로 검출되었다.

Table 4.

Comparison of ginsenoside content according to the age of ginseng sprouts (root) using LED plant lighting

Growth
period
Age4) Contents of ginsenoside (mg/100g sample)
Rg1 Rb1 Rg3
Normal LED QD-LED Normal LED QD-LED Normal LED QD-LED
0week 1 116.2 ± 3.221) 116.2 ± 3.22 112.0 ± 3.63 112.0 ± 3.63 28.2 ± 3.88 28.2 ± 3.88
2 129.8 ± 6.90 129.8 ± 6.90 101.0 ± 8.94 101.0 ± 8.94 41.1 ± 2.96 41.1 ± 2.96
1week 1 149.5 ± 11.50 201.8 ± 14.03 148.9 ± 9.44 167.4 ± 0.66 44.2 ± 1.01 45.6 ± 0.78
2 153.1 ± 7.31 147.3 ± 4.60 188.7 ± 2.89 172.1 ± 10.32 45.4 ± 1.64 46.9 ± 0.89
2week 1 146.6 ± 21.81 149.1 ± 31.03 299.6 ± 2.18 323.1 ± 24.63 49.0 ± 3.20 56.7 ± 5.36
2 157.4 ± 25.03 168.6 ± 20.71 207.1 ± 25.77 209.4 ± 29.51 55.4 ± 0.46 66.6 ± 3.08**2),3)
3week 1 138 ± 30.95 151.7 ± 3.87 327.9 ± 17.57 385.9 ± 66.04 59.4 ± 0.87 81.0 ± 1.14****
2 173.3 ± 9.58 230.0 ± 29.99 204.2 ± 8.74 234.6 ± 17.95 84.0 ± 1.33 85.5 ± 2.70
4week 1 101.0 ± 12.59 168.6 ± 24.05* 292.5 ± 29.02 342.3 ± 14.47 83.8 ± 5.81 85.4 ± 1.46
2 204.0 ± 30.63 271.0 ± 25.16* 183.0 ± 1.85 219.4 ± 26.91 98.3 ± 1.78 108.5 ± 1.61**

1) Each value is expressed as the mean ± SD (n=3).

2) Values in each row with different letters are statistically different (p<0.05) among the treatments according to Independent sample t-test.

3) *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001.

4) 1, one year old; 2, two years old.

Table 5.

Comparison of ginsenoside content according to the age of ginseng sprouts (leaf) using LED plant lighting

Growth
period
Age4) Contents of ginsenoside (mg/100g sample)
Rg1 Rb1 Rg3
Normal LED QD-LED Normal LED QD-LED Normal LED QD-LED
1week 1 768.8 ± 14.574) 737.7 ± 3.04*2),3) 148.2 ± 7.26 151.3 ± 5.04 26.6 ± 0.83 37.2 ± 0.58****
2 1081.8 ± 34.98 972.6 ± 22.25* 142.7 ± 6.92 153.8 ± 1.51 35.0 ± 1.41 28.6 ± 0.83**
2week 1 1115.2 ± 217.37 847.5 ± 55.26 157.0 ± 8.55 193.2 ± 10.60** 39.6 ± 1.54 40.7 ± 1.16
2 923.6 ± 85.63 1105.6 ± 38.64* 222.3 ± 27.76 173.8 ± 11.93* 29.6 ± 0.31 30.0 ± 0.51
3week 1 1045.2 ± 121.71 1000.3 ± 89.69 205.4 ± 10.76 208.1 ± 9.46 41.0 ± 0.56 48.2 ± 0.71***
2 1020.0 ± 96.01 817.7 ± 140.78 240.0 ± 28.87 177.3 ± 6.39 33.1 ± 0.94 30.3 ± 4.02
4week 1 914.4 ± 37.49 1143.9 ± 154.91 201.3 ± 6.27 210.7 ± 1.68 41.7 ± 0.79 42.9 ± 1.94
2 982.3 ± 64.56 953.8 ± 103.43 199.6 ± 7.01 191.4 ± 14.76 32.0 ± 1.60 28.3 ± 2.14

1) Each value is expressed as the mean ± SD (n=3).

2) Values in each row with different letters are statistically different (p<0.05) among the treatments according to Independent sample t-test.

3) *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001.

4) 1, one year old; 2, two years old.

잎의 경우 진세노사이드 Rg1(768.8-1143.9 mg/100g)이 가장 많이 검출되고, 다음으로 Rb1(142.7-240.0 mg/100g), Rg3(26.6-48.2 mg/100g) 순서로 검출되었다. 새싹삼의 부위에 따른 진세노사이드 함량 분석에 따르면 뿌리에 비해 잎에서 진세노사이드의 함량이 높다고 보고되어 있으며(Hong et al., 2013; Jung, 2018; Jung, 2018) 본 실험에서도 비슷한 결과를 확인하였다.

또한, 일반 LED와 QD-LED에 따른 진세노사이드 함량을 비교분석한 결과, 뿌리의 경우 진세노사이드 Rg1, Rg3의 함량이 일반 LED에 비해 유의적으로 높게 나타났으며, Rb1은 유의적인 차이가 없었다. 즉, Rg1의 경우 1년생 4주차에서 101.0 mg/100g(일반 LED), 168.6 mg/100g(QD-LED)로 유의적으로(p < 0.05) 함량이 증가하였고, Rg3의 경우 3주차에 59.4 mg/100g(일반 LED), 81.0 mg/100g(QD-LED)로 유의적으로(p < 0.0001) 증가하였다.

2년생은 Rg3가 2, 4주차에 유의적으로(p < 0.05, p < 0.01) 증가하였다. 2주차에서는 55.4 mg/100g(일반 LED), 66.6 mg/100g(QD-LED)로 유의적으로(p < 0.05) 증가하였고, 4주차에서는 98.3mg/100g(일반 LED), 108.5 mg/100g(QD-LED)로 일반 LED 대비 유의적으로(p < 0.01) 높은 함량을 확인하였다.

잎에서는 Rg1의 경우 1년생 1주차에서 768.8 mg/100g(일반 LED), 737.7 mg/100g(QD-LED)로 유의적으로(p < 0.05) 감소하였고, 2년생 1주차는 1081.8 mg/100g(일반 LED), 972.6 mg/100g(QD-LED)로 유의적으로(p < 0.05) 감소하였다. 2주차에서는 923.6 mg/100g(일반 LED), 1105.6 mg/100g(QD-LED)로 유의적으로(p < 0.05) 함량이 증가하였다.

Rb1에서는 2주차에서 일반 LED와 QD-LED 에 따라 1년생, 2년생 모두 유의적인(p < 0.01, p < 0.05) 차이가 확인되었다. 1년생의 경우 157.0 mg/100g(일반 LED), 193.2 mg/100g(QD-LED)로 유의적으로(p < 0.01) 증가하였고, 2년생은 222.3 mg/100g(일반 LED), 173.8 mg/100g(QD-LED)로 유의적으로(p < 0.05) 감소하였다.

또한 Rg3는 2, 4주에서는 식물조명 차이 간 유의적인 차이가 없었으며, 1년생 1주차에서 26.6 mg/100g(일반 LED), 37.2 mg/100g(QD-LED)로 유의적으로(p < 0.0001) 증가하였고, 2년생은 35.0 mg/100g(일반 LED), 28.6 mg/100g(QD-LED)로 유의적으로 감소(p < 0.001) 하였다. 3주차에서는 41.0 mg/100g(일반 LED), 48.2 mg/100g (QD-LED)로 일반 LED 대비 유의적으로(p < 0.001) 증가하였다. 반면 연생별 진세노사이드 함량분석 결과, 2년생 새싹삼과 1년생 새싹삼에 유의적인 차이를 확인할 수 없었다.

결론적으로 뿌리보다 잎에서 더 많은 진세노사이드 함량들이 처리구 간에 유의적인 차이를 보였으며, 진세노사이드 Rg3의 경우 QD-LED 식물조명 처리구가 일반 LED 처리구보다 유의적으로 높은 함량을 보이는 것을 확인하였다.

일반적으로 광량이 많은 조건에서 새싹삼 뿌리의 총 사포닌 함량이 증가하고, 640-700 nm(적색 파장)의 광질에서 사포닌 함량이 증가된다고 보고되어 있으며(Lee et al., 2008), 이는 본 연구 결과에서도 유사한 결과를 나타내었다. 본 실험에 사용한 QD-LED 조명은 특정 파장인 660 nm와 680 nm 를 동시에 조사하여 적색광의 영향으로 새싹삼의 생리활성물질인 진세노사이드 함량 증대에 영향을 미치는 것으로 생각된다.

요약 및 결론

본 연구에서는 새싹삼을 대상으로 일반 LED와 QD-LED 식물 조명을 활용한 생육특성과 진세노사이드 함량 변화를 통해 식물조명이 미치는 영향에 대해 확인하고 하였다. 총 4주간 재배한 새싹삼 뿌리와 잎의 생체중량은 3, 4주차에서 유의적인 차이가 확인되었다.

일반 LED 및 QD-LED 식물조명 조건에서 새싹삼을 4주 동안 재배한 후 진세노사이드 Rg1, Rb1, Rg3를 분석한 결과, 뿌리의 경우 3, 4주차 Rg1, Rg3의 함량이 일반 LED보다 QD-LED에서 유의한 차이가 확인되었고, 부위별로 확인결과 뿌리보다 잎에서 진세노사이드 함량이 높게 나타났다.

작물의 생육특성에 대한 선행연구에 따르면 중량을 비롯하여 길이, 직경, 단면적 등을 비교하여 생육특성의 상관관계가 보고된 바 있다(Kim et al., 2020). 본 연구 결과는 중량만을 측정한 점에서 다소 차이가 있으며, 따라서 LED 식물조명에 따른 연생별 새싹삼의 생육조건에 미치는 요인들에 대한 추가분석이 필요하며 이는 분석 시료간 개체간의 차이를 줄이기 위해 개체수의 증대 및 비슷한 중량의 묘삼을 선별하여 진행 할 필요가 있다고 사료된다.

이러한 연구결과는 식물생장용 QD조명 기술을 활용한 새싹삼의 재배실증을 통해 생장에 따른 새싹삼의 생산량 증대와 식물생장용 조명을 이용한 새싹삼의 유효성분 증대을 위한 기초자료로 활용가능할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 강원도와 홍천군의 “2020년 바이오메디칼허브 공동연구개발사업”사업의 지원을 받아 수행된 연구결과이며, 이에 감사드립니다.

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