[논문]식물공장 시스템에서 광원의 종류를 달리하여 재배한 브로콜리 새싹의 이화학적 특성

김태수; 이성표; 박소이; 이진영; 이수연; 전혜지

doi:10.3746/jkfn.2011.40.12.1757

식물공장 시스템에서 광원의 종류를 달리하여 재배한 브로콜리 새싹의 이화학적 특성
Physico-Chemical Properties of Broccoli Sprouts Cultivated in a Plant Factory System with Different Lighting Conditions 원문보기

한국식품영양과학회지 = Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition, v.40 no.12, 2011년, pp.1757 - 1763

김태수 ((주)미스바알텍) , 이성표 ((주)미스바알텍) , 박소이 ((주)미스바알텍) , 이진영 (호서대학교 한방화장품과학과) , 이수연 (호서대학교 한방화장품과학과) , 전혜지 (호서대학교 한방화장품과학과)

초록
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LED광원에 따른 건조한 브로콜리 새싹의 일반성분을 분석한 결과 광원에 따라 유의적인 차이를 나타냈으며, 구성당은 glucose가 2.94~3.12%로 가장 많았고, fructose는 1.54~2.04% 검출되어 총 2종이 검출되었다. 클로로필 함량은 WLD(일반광원)을 쬐인 브로콜리 새싹에서 총 클로로필 함량 $1,157{\pm}0.004$ mg%, 클로로필 a $777{\pm}0.01$ mg%로 높게 나타났다. 유기산은 총 2종의 유기산이 검출되었으며, citric acid, malic acid는 모든 시료에서 검출되었고, citric acid 함량은 908~1,136 mg%로 청색광원(BLD)에서 가장 높게 측정되었으며, malic acid는 514~834 mg%로 적색광원(RLD)에서 가장 높은 함량을 보였다. 무기질은 총 7종의 성분이 검출되었고, 이중 K 함량이 518 mg%로 가장 많았으며, 다음으로 Mg, Na 순이었고, Zn, Fe, Cu의 함량은 미량이었다. 비타민 A와 C 및 E 함량은 각각 RLD $860.62{\pm}0.02\;{\mu}gRE$, $134.570{\pm}0.14$ mg%, $1.44{\pm}0.1$ IU, BLD $432.48{\pm}0.05\;{\mu}gRE$, $137.05{\pm}0.1$ mg%, $1.11{\pm}0.12$ IU, RBLD $667.33{\pm}0.11\;{\mu}gRE$, $118.50{\pm}0.09$ mg%, $1.47{\pm}0.1$ IU, WLD $640.25{\pm}0.08\;{\mu}gRE$, $119.87{\pm}0.07$ mg%, $1.31{\pm}0.15$ IU이었다. 이상의 결과 브로콜리 새싹은 LED 광원에 따라 식물체가 발아하여 새싹으로 되면 발아와 함께 식물체 내 영양 화학적 성분에 큰 변화를 일으키는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The physico-chemical properties of broccoli sprouts cultivated in a plant factory system with different lighting conditions were investigated. We reported that there were significant differences among the chemical and nutritional properties of the broccoli sprouts grown under different light sources. Two kinds of sugars (glucose and fructose) were detected in the plants. The amount of glucose was 2.94~3.12% and that of fructose was 1.54~2.04%. Total chlorophyll was $1,157{\pm}0.004$ mg% and chlorophyll-a $777{\pm}0.01$ mg%. All over the test materials, 2 kinds of organic acids (citric acid and malic acid) were detected. The level of citric acid was 908~1,136 mg% and its highest level was under the (Blue LED) light source. The level of malic acid was 514~834 mg% and its highest level was under the (Red LED) light source. Seven different minerals were also analyzed. The amount of K was 518 mg% and its amount was significantly higher than that of Mg or Na. There were also negligible amounts of Zn, Fe and Cu. The amounts of vitamin A, C and E under the Red LED were, $860.62{\pm}0.02\;{\mu}gRE$, $134.570{\pm}0.14$ mg% and $1.44{\pm}0.1$ IU. The amounts under the Blue LED were, $432.48{\pm}0.05\;{\mu}gRE$, $137.05{\pm}0.1$ mg% and $1.11{\pm}0.12$ IU. The amounts under both Red and Blue LEDs were, $667.33{\pm}0.11\;{\mu}gRE$, $118.50{\pm}0.09$ mg% and $1.47{\pm}0.1$ IU. And finally, the amounts under a White LED were, $640.25{\pm}0.08\;{\mu}gRE$, $119.87{\pm}0.07$ mg% and $1.31{\pm}0.15$ IU. In this study, significant changes were shown in the chemical and nutritional properties of the broccoli sprouts. These findings indicate that LED light sources stimulated germination of the plants.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 식물공장 시스템에서 재배된 농산물의 이화학적 품질 특성에 대한 연구는 매우 미미한 실정이다. 따라서본 연구는 브로콜리 종자를 발아하여 광원의 종류를 달리한 식물공장에서 재배한 새싹을 건조하여 이화학적 특성 및 영양성분 분석을 통해 브로콜리 새싹의 영양 가치를 평가하여 브로콜리 새싹의 폭 넓고 다양한 기능성식품 소재로 활용할 수 있는 기초자료를 제공하고자 한다.

가설 설정

2)Each value is mean±SD of experimental group.

제안 방법

즉, 수분함량(AACC 44-15a)은 105℃ 건조법, 조단백질은 Kjeldahl법(AACC 46-10), 조회분은 회화법(AACC 08-01)으로 측정하였다. 무기질 함량은 0.5 g의 시료에 9 mL HNO₃, 1 mL H₂O₂를 가한 후 Microwave digestion system(MPR-300/12S, Milestone Co., Sorisole, Bergamo, Italy)에서 산분해하여 전 처리한 시료를 증류수로 50 mL 정용 후 ICP(Inductively Coupled Plasma, Thermo Jarrell Ash Co., Franklin, Mass achusetts, USA)로 분석하였고, 원소 Fe, K, Mg, Mn, Cu, Na, Zn의 ICP 표준시약(AnApex Co., Ltd, Daejeon, Korea)으로 표준곡선을 작성하였다.
본 실험에 사용한 브로콜리 새싹의 일반성분 분석 결과는 Table 1과 같다. 발아에 의한 영양소의 함량 변화를 평가할때에는 실질적인 고형물의 변화가 중요하기 때문에 습량기준보다는 건량기준이 효과적이라고 보고(25,26)되어 본 연구에서도 건량기준으로 일반성분 및 영양성분 함량을 관찰하였다. 저온열풍 건조한 브로콜리 새싹의 수분함량은 RHD 6.
5 with H₃PO₄) 용액을 1 mL/min의 속도로 이동시켰다. 분리된 피크는 유기산 표준물질(Sigma)과 retention time을 비교하여 동정하고, 표준곡선으로부터 정량하였다.
비타민 C 함량은 RLD(적색광원), BLD(청색광원), RBLD(적색＋청색광원), WLD(일반광원)으로 재배한 브로콜리 새싹 각각의 시료 2 g에 20 mL의 10% metaphosphoric acid를 가하여 10분간 현탁시킨 후 적당량의 5% metaphosphoric acid을 넣어 균질화한 다음 균질화된 시료를 100 mL mass flask에 옮기고 소량의 5% metaphosphoric acid액으로 용기를 씻은 후 mass flask에 합하여 100 mL로 정용한 다음 0.22μm syringe filter로 여과하여 HPLC(Agilent 1200)로 분석하였다.
본 실험에 사용된 브로콜리 새싹은 (주)미스바알텍의 식물공장에서 430 nm 내지 460 nm 파장 범위의 LED 청색광원을 발아 2일(암조건), 4일 동안 하루에 10시간씩 조사시켰으며, 적색광원은 650 nm 내지 680 nm 범위의 LED 광원, 적색＋청색 LED광원, 일반 LED광원을 사용하였다. 온도 범위는 21～23℃, 습도는 45～60%로 조절하여 브로콜리 새싹을 재배하였다. 수확한 브로콜리 새싹은 열풍건조기를 이용하여 60℃에서 24시간 건조한 후 200 mesh로 분쇄하여 분석시료로 사용하였다.
유기산 분석을 위한 HPLC 조건은 Capcell Pak C18- AQ(4.6×250 mm, 5 μm) 칼럼을 사용하여 UV 210 nm에서 검출하였으며, 이동상으로는 0.1 M NH4H2PO4(pH 2.5 with H3PO4) 용액을 1 mL/min의 속도로 이동시켰다.
이 시험용액 10 μL를 Novapak-Silica(3.9×150 mm, Waters) column이 장착된 HPLC에 주입하여 453 nm에서 β-carotene 함량을 측정하였다.
이 시험용액1 mL에 tocol 표준용액 1 mL를 가한 다음, 그중 10 μL를 Novapak-Silica(3.9×150 mm, Waters) column이 장착된 HPLC에 주입하였으며, peak 면적법으로 계산하여 시료중의 tocopherol 함량을 정량하였다.
브로콜리 새싹 3 g에 85% 아세톤 100 mL을 가하여 분쇄후 3,000 rpm, 5분간 원심분리 하여 얻은 잔사에 다시 85%아세톤을 넣어 추출하는 과정을 3회 반복 실시 후 상등액만 모아 500 mL로 정용하였다. 이 액 25 mL를 취하여 에테르 50 mL과 증류수 25 mL을 가하여 1분간 진탕, 에테르층을 취하는 조작을 3회 실시 후 sodium sulfate를 소량 가하여 수분을 제거한 다음 에테르로 100 mL 정용하여 660 nm, 642 nm에서 흡광도를 측정하여 총 클로로필, 클로로필 a, 클로로필 b 함량을 측정하였다(22).
추출한 시료액은 분석조건에 맞도록 희석한 다음 Sep-pak C18 cartridges(Waters, Milford, MA, USA)를 통과시켜 0.45 μm membrance filter(Woongki Science Co., Ltd., Seoul, Korea)로여과한 것을 HPLC(HPLC 1200 Series, Agilent)로 분석하였다(23).
05 M KH2PO4 : acetonitrile(60:40)과 1 mL/min으로 하였으며, UV파장과 injection volume은 254 nm와 20 μL였다. 표준곡선은 L(+)-ascorbic acid(Shinyo Pure Chemicals Co., LTD., Osaka, Japan)을 표준시약으로 사용하여 최종농도가 25, 50, 75, 100 ppm이 되도록 표준곡선을 작성하여 계산하였다.

대상 데이터

Column은 Shiseido C18(4.6×250 mm, 5 μm, Tokyo, Japan)을 사용하였고, solvent와 flow rate는 각각 0.05 M KH2PO4 : acetonitrile(60:40)과 1 mL/min으로 하였으며, UV파장과 injection volume은 254 nm와 20 μL였다.
본 실험에 사용된 브로콜리 새싹은 (주)미스바알텍의 식물공장에서 430 nm 내지 460 nm 파장 범위의 LED 청색광원을 발아 2일(암조건), 4일 동안 하루에 10시간씩 조사시켰으며, 적색광원은 650 nm 내지 680 nm 범위의 LED 광원, 적색＋청색 LED광원, 일반 LED광원을 사용하였다. 온도 범위는 21～23℃, 습도는 45～60%로 조절하여 브로콜리 새싹을 재배하였다.

데이터처리

모든 실험은 3회 이상 반복하여 실시하였고, 평균과 표준편차 계산 후 그 결과를 비교하였다. 통계 분석은 SAS (Statistical Analysis System, Cary, NC, USA) 통계프로그램을 사용하여 분산 분석(ANOVA)을 실시하였고, 각 시료 간의 유의성 검증은 Duncan's multiple range test를 사용하였다(p<0.
통계 분석은 SAS (Statistical Analysis System, Cary, NC, USA) 통계프로그램을 사용하여 분산 분석(ANOVA)을 실시하였고, 각 시료 간의 유의성 검증은 Duncan's multiple range test를 사용하였다(p<0.05).

이론/모형

비타민 A의 함량은 Beaulieu 등의 방법(24)을 이용하여 HPLC(HPLC 1100 Series)로 분석하였다. 즉, 시료 10 g을 취해 에탄올 30 mL과 10% pyrogallol · 에탄올 용액 1 mL를 가하여 잘 혼합하였다.
비타민 E는 Ueda와 Igarash의 방법(25)에 따라 HPLC (HPLC 1100 Series)로 분석하였다. 시험용액은 앞선 비타민 A와 동일한 방법으로 제조하였으며, 다만 석유 에테르 층을 rotary evaporator로 증류한 다음 잔류물에 hexane 1.
시료의 일반성분은 AACC(20)의 방법에 준하여 측정하였다. 즉, 수분함량(AACC 44-15a)은 105℃ 건조법, 조단백질은 Kjeldahl법(AACC 46-10), 조회분은 회화법(AACC 08-01)으로 측정하였다.
유리당 분석은 Jeong 등의 방법(21)으로 유리당 획분을 얻은 다음 0.22 μm membrane filter로 여과한 후 Sep-pak C18로 색소 및 단백질 성분을 제거하여 HPLC(HPLC 1100 Series, Agilent, Santaclara, CA, USA)로 분석하였다.
즉, 수분함량(AACC 44-15a)은 105℃ 건조법, 조단백질은 Kjeldahl법(AACC 46-10), 조회분은 회화법(AACC 08-01)으로 측정하였다.

성능/효과

Citric acid, malic acid는 모든 시료에서 검출되었으며, Citric acid는 908～1,136 mg%로 청색광원(BLD)에서 가장 높게 측정되었다. Malic acid는 514～834 mg%로 적색광원(RLD)에서 가장 높은 함량을 보였으며, lactic acid, 휘발성을 갖는 oxalic acid는 Ca과 불용성염을 형성하여 Ca의 체내 이용률을 저하시키는 유기산으로 알려졌는데(35), 브로콜리 새싹의 모든 시료에서 검출되지 않았다.
LED 광원에 따른 브로콜리 새싹의 클로로필 함량을 분석한 결과(Table 3) WLD(일반광원)의 총 클로로필 함량은 1,157±0.004 mg%, 클로로필 a 777±0.01 mg%, 클로로필 b 380±0.003 mg%의 값으로 가장 높았으며, BLD(청색광원)의 총 클로로필 함량은 852±0.004 mg%, 클로로필 a 585±0.003 mg%, 클로로필 b 267±0.01 mg%의 값으로 가장 낮은 함량을 보였다.
LED 광원을 쬐인 브로콜리 새싹은 총 2종의 유리당이 검출되었으며, glucose가 2.94～3.12%로 가장 많이 검출되었고, fructose는 1.54～2.04% 검출되었다. 적색＋청색광원을 쬐인 브로콜리 새싹에서 glucose 함량이 가장 높았고, 적색 광원을 쬐인 브로콜리 새싹에서는 fructose 함량이 높게 측정되었으며, 일반광원을 쬐인 브로콜리 새싹에서의 함량이 다른 광원들에 비해 낮게 측정되었다.
LED광원에 따른 건조한 브로콜리 새싹의 일반성분을 분석한 결과 광원에 따라 유의적인 차이를 나타냈으며, 구성당은 glucose가 2.94～3.12%로 가장 많았고, fructose는 1.54～2.04% 검출되어 총 2종이 검출되었다. 클로로필 함량은 WLD(일반광원)을 쬐인 브로콜리 새싹에서 총 클로로필 함량 1,157±0.
청록색을 나타내는 클로로필 a의 함량이 클로로필 b에 비해 높은 경향을 보였으며, 청록색을 나타내는 a 값과 총 클로로필 함량은 WLD(일반광원)를 쬐인 새싹에서 높게 나타났다. 또한 브로콜리 새싹의 클로로필 함량은 시금치 총 클로로필 947 mg%, 클로로필 a 698 mg%, 클로로필 b 249 mg%(33), 미나리 총 클로로필 612 mg%, 클로로필 a 462 mg%, 클로로필 b 153 mg%(34)보다 높았다.
유기산은 총 2종의 유기산이 검출되었으며, citric acid, malic acid는 모든 시료에서 검출되었고, citric acid 함량은 908～1,136 mg%로 청색광원(BLD)에서 가장 높게 측정되었으며, malic acid는 514～834 mg%로 적색광원(RLD)에서 가장 높은 함량을 보였다. 무기질은 총 7종의 성분이 검출되었고, 이중 K 함량이 518 mg%로 가장 많았으며, 다음으로 Mg, Na 순이었고, Zn, Fe, Cu의 함량은 미량이었다. 비타민 A와 C 및 E 함량은 각각 RLD 860.
비타민 A의 함량은 적색광원(RLD)을 쬐인 브로콜리 새싹에서 860.62±0.02 μgRE로 가장 높은 함량을 보였으며, 비타민 C의 경우는 청색광원(BLD)을 쬐인 브로콜리 새싹에서 137.05±0.1 mg%로 가장 높게 나타났다.
01 mg%로 높게 나타났다. 유기산은 총 2종의 유기산이 검출되었으며, citric acid, malic acid는 모든 시료에서 검출되었고, citric acid 함량은 908～1,136 mg%로 청색광원(BLD)에서 가장 높게 측정되었으며, malic acid는 514～834 mg%로 적색광원(RLD)에서 가장 높은 함량을 보였다. 무기질은 총 7종의 성분이 검출되었고, 이중 K 함량이 518 mg%로 가장 많았으며, 다음으로 Mg, Na 순이었고, Zn, Fe, Cu의 함량은 미량이었다.
총 7종의 무기질 성분이 검출되었다. 이 중 적색광원을 쬐인 브로콜리 새싹의 K 함량이 518 mg%로 가장 많았으며, 다음으로 Mg, Na 순이었고, Zn, Fe, Cu의 함량은 미량이었다. Kim 등(38)의 다 자란 브로콜리 잎 즙의 경우 무기질 함량은 K, Ca, Na, Mg, Mn, Fe, Zn, Mn, Se 순으로 나타나 LED 광원을 쬐인 브로콜리 새싹과 브로콜리 잎의 무기질 성분 및 함량에 약간의 차이가 있음을 알 수 있었다.
15 IU이었다. 이상의 결과 브로 콜리 새싹은 LED 광원에 따라 식물체가 발아하여 새싹으로 되면 발아와 함께 식물체 내 영양 화학적 성분에 큰 변화를 일으키는 것으로 나타났다.
저온열풍 건조한 브로콜리 새싹의 수분함량은 RHD 6.93±0.001%, BHD 6.53±0.002%, RBHD 8.24±0.001%, WHD 7.18±0.001%로 측정되었다.
04% 검출되었다. 적색＋청색광원을 쬐인 브로콜리 새싹에서 glucose 함량이 가장 높았고, 적색 광원을 쬐인 브로콜리 새싹에서는 fructose 함량이 높게 측정되었으며, 일반광원을 쬐인 브로콜리 새싹에서의 함량이 다른 광원들에 비해 낮게 측정되었다. 이러한 결과로 볼 때 브로콜리 새싹은 LED 광질의 종류에 따른 차이가 있는 것으로 사료된다.
조지방 함량은 RHD 7.48±0.01%, BHD 4.11±0.01%, RBHD 4.41±0.015%, WHD 7.30±0.014%로 측정되었고, 조단백질함량은 RHD 13.2±0.0018%, BHD 16.05±0.004%, RBHD 10.13±0.006%, WHD 14.24±0.004%로 나타났다.
01 mg%의 값으로 가장 낮은 함량을 보였다. 청록색을 나타내는 클로로필 a의 함량이 클로로필 b에 비해 높은 경향을 보였으며, 청록색을 나타내는 a 값과 총 클로로필 함량은 WLD(일반광원)를 쬐인 새싹에서 높게 나타났다. 또한 브로콜리 새싹의 클로로필 함량은 시금치 총 클로로필 947 mg%, 클로로필 a 698 mg%, 클로로필 b 249 mg%(33), 미나리 총 클로로필 612 mg%, 클로로필 a 462 mg%, 클로로필 b 153 mg%(34)보다 높았다.
클로로필 함량은 WLD(일반광원)을 쬐인 브로콜리 새싹에서 총 클로로필 함량 1,157±0.004 mg%, 클로로필 a 777±0.01 mg%로 높게 나타났다.
회분함량은 RHD 4.94±0.001%, BHD 5.20±0.002%, RBHD 5.14±0.005%, WHD 5.27±0.004%로 약간의 유의적인 차이를 나타내었다.

후속연구

일반적으로 채소류는 곡류의 조단백질 함량인 7～12%에 비하여 높은 함량을 보이지만 채소류의 단백질은 세포벽에 결합된 형태나 사람 체내에서 이용될 수 없는 형태로 결합되기 때문에 채소류를 통한 단백질 섭취량은 큰 의미가 없다고 한다(28). 조지방도 채소류가 곡류인 옥수수 3.8%와쌀 1.3%에 비하여 높은 함량을 차지하고 있으며 발아채소에 함량이 높은 것을 감안할 때 지금까지 채소류의 지방 함량에 대해서는 비중 있게 연구된 바가 없고, 한국인의 1일 영양소 섭취기준과 관련하여 논의된 적이 없기 때문에 이들을 고려해야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기능성을 갖춘 식품을 선호하는 추세가 강해지고 있는 이유는 무엇인가?	최근 생활수준의 향상에 따라 점점 웰빙(well-being)이나 LOHAS(lifestyles of health and sustainability) 붐으로 인하여 삶에 대한 소비자의 관심이 높아지면서 식품의 선택 및 섭취에 있어서 좀 더 기능성을 갖춘 식품을 선호하는 추세가 강해지고 있다(1). 21세기 지구와 인류에게는 여러 분야에서 많은 어려움에 직면하게 된 시대가 될 것이라는 예측은 현실로 나타나고 있다.
	농작물을 공장에서 생산하는 방식의 식물 공장은 어떤 시스템을 가지고 있는가?	그래서 최근 계절이나 기온, 풍수해 등 자연환경에 구애받지 않고 일정한 공간에서 농작물 생육에 필요한 여러 가지 기기를 설치하여 환경 조건을 제어하면서 농작물을 공장에서 생산하는 방식으로 식물을 재배하는 식물공장에 관심을 갖게 되었다(2). 식물공장(plant factory)이란 통제된 일정한 시설 내에서 빛, 온도, 습도, 양액조성, 대기가스 농도 등의 재배환경조건을 인공적으로 제어하여 계절이나 장소에 관계없이 농작물을 공산품처럼 계획적으로 연속 생산하는 시스템적인 농업의 한 형태를 말한다(3). 식물공장에서 사용되는 광원으로는 LED가 추천되고 있는데 이는 특정한 광파장을 조절할 수 있는 장점으로 기능성 성분의 함량을 증가시킬 수 있다고 한다(4-6).
	세계 식량 대란이라는 위험한 문제점을 가지고 있는 요인은 무엇인가?	21세기 지구와 인류에게는 여러 분야에서 많은 어려움에 직면하게 된 시대가 될 것이라는 예측은 현실로 나타나고 있다. 특히 인구증대, 에너지자원의 고갈, 토양의 황폐화와 이상기후에 의한 농업 생산의 불확실성과 정체는 세계 식량 대란이라는 위험한 문제점을 안고 있다. 우리들이 소비하는 농산물은 자연을 상대로 하여 생산하는 농업의 특성상 자연환경에 의해 수확량과 품질에 영향을 받는다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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