완전제어형 식물공장에서 저칼륨 상추 생산을 위한 적정 칼륨 농도 조성 및 처리시기 개발 Development of Potassium Concentration of Nutrient and Supply Method for Low Potassium Lettuce Production in a Closed-type Plant Factory System원문보기
채소내의 칼륨은 만성 신부전 환자에게 악영향을 주는 것으로 알려져 있다. 하지만 채소는 많은 다른 영양 물질 또한 함유하고 있으므로, 이러한 환자들에게 채소의 섭취는 불가피하다. 본 연구는 완전제어형 식물공장에서 신장환자들을 위해 적합한 저칼륨 상추 개발을 위해 수행되었다. 본 연구에 사용된 상추 품종은 '찰스' 품종이었다. 완전제어형 식물공장에서 정식 후 28일간 수행되었으며, 광 환경은 LED (W:R, 9:1), 일장 16시간, $200{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$ 이었고 재배 온도, 상대습도와 이산화탄소 농도는 각각 $15-21^{\circ}C$, 65%와 $600-650mg{\cdot}L^{-1}$ 이었다. 1차 실험에서 배양액은 수확 전 1주전과 2주전에 칼륨농도를 10%와 5%로 낮게 처리하였고, 이를 토대로 2차실험의 처리는 수확 전 2주전 5%, 1% 낮춘 처리와 원수로 재배한 처리였다. 식물체 내의 다량원소 분석을 위해 수확 후 ICP 분석을 하였으며 생체중과 엽수를 측정하였다. 실험 결과 식물체 내 칼륨함량은 대조구에 비해 2주전 처리에서 통계적으로 유의하게 낮았다. 생체중과 엽수는 대조구와 처리구에서 유의적인 차이를 보이지 않았으나 처리구간의 유의적인 차이는 있었다. 신장환자들의 채소섭취량을 고려했을 때, 저칼륨 상추 생산을 위한 적당한 칼륨농도 조성은 수확 2주전 1%와 5%로 낮춘 처리였다. 본 연구를 통해 양액 내 칼륨함량과 처리시리를 조절하여 신장환자를 위한 저칼륨 상추를 개발할 수 있었다.
채소내의 칼륨은 만성 신부전 환자에게 악영향을 주는 것으로 알려져 있다. 하지만 채소는 많은 다른 영양 물질 또한 함유하고 있으므로, 이러한 환자들에게 채소의 섭취는 불가피하다. 본 연구는 완전제어형 식물공장에서 신장환자들을 위해 적합한 저칼륨 상추 개발을 위해 수행되었다. 본 연구에 사용된 상추 품종은 '찰스' 품종이었다. 완전제어형 식물공장에서 정식 후 28일간 수행되었으며, 광 환경은 LED (W:R, 9:1), 일장 16시간, $200{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$ 이었고 재배 온도, 상대습도와 이산화탄소 농도는 각각 $15-21^{\circ}C$, 65%와 $600-650mg{\cdot}L^{-1}$ 이었다. 1차 실험에서 배양액은 수확 전 1주전과 2주전에 칼륨농도를 10%와 5%로 낮게 처리하였고, 이를 토대로 2차실험의 처리는 수확 전 2주전 5%, 1% 낮춘 처리와 원수로 재배한 처리였다. 식물체 내의 다량원소 분석을 위해 수확 후 ICP 분석을 하였으며 생체중과 엽수를 측정하였다. 실험 결과 식물체 내 칼륨함량은 대조구에 비해 2주전 처리에서 통계적으로 유의하게 낮았다. 생체중과 엽수는 대조구와 처리구에서 유의적인 차이를 보이지 않았으나 처리구간의 유의적인 차이는 있었다. 신장환자들의 채소섭취량을 고려했을 때, 저칼륨 상추 생산을 위한 적당한 칼륨농도 조성은 수확 2주전 1%와 5%로 낮춘 처리였다. 본 연구를 통해 양액 내 칼륨함량과 처리시리를 조절하여 신장환자를 위한 저칼륨 상추를 개발할 수 있었다.
Potassium in vegetables is known to have an adverse impact on a patient with chronic kidney desease. However, since vegetables also contain many other nutrient, consumption of vegetables by these patients is inevitable. The objective of this study was conducted to develop a fresh lettuce which conta...
Potassium in vegetables is known to have an adverse impact on a patient with chronic kidney desease. However, since vegetables also contain many other nutrient, consumption of vegetables by these patients is inevitable. The objective of this study was conducted to develop a fresh lettuce which contains low level of potassium for nephropathy in a closed-type plant factory system. Lettuce of "Charles" was used for experiment. The plants were cultivated in hydroponic system with a 16-h photoperiod at $15-21^{\circ}C$, 65% RH, $200{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$(LED W:R, 9:1) and $600-650mg{\cdot}L^{-1}$$CO_2$ during 28 days. Nutrient solution which contains 1%, 5% and 10% potassium compared to conventional composition were supplied at 1 week and 2 weeks before harvest. The content of potassium and macro elements in leafy vegetables were analyzed by ICP emission spectroscopy after harvest. The potassium content in leaf of the 2 weeks before harvest treatment was significantly lower at than control. There were no significant differences between control and treatments in fresh weight and number of leaves. But there were differences among treatments. Considering the vegetable amounts consumed by nephropathy patients, the supply of nutrient which contain 1% and 5% potassium at 2 weeks before harvest was suitable for low potassium lettuce production. This study indicated that low potassium lettuce could be produced by developed nutrient composition and supply method.
Potassium in vegetables is known to have an adverse impact on a patient with chronic kidney desease. However, since vegetables also contain many other nutrient, consumption of vegetables by these patients is inevitable. The objective of this study was conducted to develop a fresh lettuce which contains low level of potassium for nephropathy in a closed-type plant factory system. Lettuce of "Charles" was used for experiment. The plants were cultivated in hydroponic system with a 16-h photoperiod at $15-21^{\circ}C$, 65% RH, $200{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$(LED W:R, 9:1) and $600-650mg{\cdot}L^{-1}$$CO_2$ during 28 days. Nutrient solution which contains 1%, 5% and 10% potassium compared to conventional composition were supplied at 1 week and 2 weeks before harvest. The content of potassium and macro elements in leafy vegetables were analyzed by ICP emission spectroscopy after harvest. The potassium content in leaf of the 2 weeks before harvest treatment was significantly lower at than control. There were no significant differences between control and treatments in fresh weight and number of leaves. But there were differences among treatments. Considering the vegetable amounts consumed by nephropathy patients, the supply of nutrient which contain 1% and 5% potassium at 2 weeks before harvest was suitable for low potassium lettuce production. This study indicated that low potassium lettuce could be produced by developed nutrient composition and supply method.
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문제 정의
식물 내 칼륨은 다량원소로 효소의 활성, 광합성작용, 기공개폐와 삼투압조절 등에 관여하고 있어(Leigh andWyn, 1984; Marschner, 2011) 결핍되면 생육이 저해되고(Besford, 1975) 병해충의 위협이 증가한다(Amtmann,2008). 따라서 본 연구는 완전제어형 식물공장에서 신장환자들을 위한 칼륨함량이 낮은 상추의 생산을 위해 적정 양액처리 방법을 규명하고자 진행되었다.
하지만 채소는 많은 다른 영양 물질 또한 함유하고 있으므로, 이러한 환자들에게 채소의 섭취는 불가피하다. 본 연구는 완전제어형 식물공장에서신장환자들을 위해 적합한 저칼륨 상추 개발을 위해 수행되었다. 본 연구에 사용된 상추 품종은 ‘찰스’ 품종이었다.
신장환자들의 채소섭취량을 고려했을 때, 저칼륨 상추 생산을 위한 적당한 칼륨농도 조성은 수확 2주전 1%와 5%로 낮춘 처리였다. 본 연구를 통해 양액 내 칼륨함량과 처리시리를 조절하여 신장환자를 위한 저칼륨 상추를 개발할 수 있었다.
제안 방법
완전제어형 식물공장에서 정식 후 28일간 수행되었으며, 광 환경은 LED (W:R, 9:1), 일장 16시간,200µmol·m-2·s-1 이었고 재배 온도, 상대습도와 이산화탄소 농도는 각각 15-21oC, 65%와 600-650mg·L-1 이었다. 1차 실험에서 배양액은 수확 전 1주전과 2주전에 칼륨농도를 10%와 5%로 낮게 처리하였고, 이를 토대로 2차 실험의 처리는 수확 전 2주전 5%, 1% 낮춘 처리와 원수로 재배한 처리였다. 식물체 내의 다량원소 분석을 위해수확 후 ICP 분석을 하였으며 생체중과 엽수를 측정하였다.
2차 실험은 1차 실험의 결과를 참고하여 정식 후 원수로 재배한 처리, 칼륨의 당량을 5%로 낮춘 처리와 1%로 낮춘 처리(H+ 1.1meq·L-1, Ca2+ 2.0meq·L-1, Mg2+1.0meq·L-1, K+0.1meq·L-1, NH4+ 2.0meq·L-1, NO3-2.1meq·L-1, SO4- 1.2meq·L-1, PO4- 1.5meq·L-1)를 수확 2주전에 처리하였다.
칼륨 및 무기질 함량은 유도결합 플라즈마 분석기(ICP, Elan DRC-e,USA)로 측정하였다. 상추 샘플은 수확 후 지하부를 제거한 뒤 동결건조기(MGS-2100F, Tokyo Rikakikai Co.,LTD, JP)를 이용하여 건조한 후 분쇄하여 분석 전처리를 위해 HNO3-으로 산 분해 하였다. 전처리 후 용해용액의 무게를 정밀히 측정하여 무기성분을 측정하였다.
상추의 생육을 비교하기 위해 수확 후 각 처리구별로지상부와 지하부의 생체중을 측정하였고 노화되어 떨어진 잎을 제외한 엽수를 측정하였다. 칼륨 및 무기질 함량은 유도결합 플라즈마 분석기(ICP, Elan DRC-e,USA)로 측정하였다.
1차 실험에서 배양액은 수확 전 1주전과 2주전에 칼륨농도를 10%와 5%로 낮게 처리하였고, 이를 토대로 2차 실험의 처리는 수확 전 2주전 5%, 1% 낮춘 처리와 원수로 재배한 처리였다. 식물체 내의 다량원소 분석을 위해수확 후 ICP 분석을 하였으며 생체중과 엽수를 측정하였다. 실험 결과 식물체 내 칼륨함량은 대조구에 비해 2주전 처리에서 통계적으로 유의하게 낮았다.
생체중과엽수는 대조구와 처리구에서 유의적인 차이를 보이지 않았으나 처리구간의 유의적인 차이는 있었다. 신장환자들의 채소섭취량을 고려했을 때, 저칼륨 상추 생산을 위한 적당한 칼륨농도 조성은 수확 2주전 1%와 5%로 낮춘 처리였다. 본 연구를 통해 양액 내 칼륨함량과 처리시리를 조절하여 신장환자를 위한 저칼륨 상추를 개발할 수 있었다.
실험종료 후 수확한 상추는 생육 및 무기성분 분석을위해 각 처리구별로 단순임의추출법으로 3개의 샘플을통해 실시하였다. 통계분석은 SPSS 프로그램(SPSSstatistic 24, IBM company, USA)을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시하였고 평균간 비교는 던컨의 다중범위검정으로 하여 5%의 유의수준으로 검정하였다.
완전제어형 식물공장에서 정식 후 28일간 수행되었으며, 광 환경은 LED (W:R, 9:1), 일장 16시간,200µmol·m-2·s-1 이었고 재배 온도, 상대습도와 이산화탄소 농도는 각각 15-21oC, 65%와 600-650mg·L-1 이었다.
위 결과의 적용가능성을 알아보기 위해 평가모형을 제안하였다. 국내 만성신부전환자의 평균체중을 기준으로 일반적인 채소 섭취량과 제한해야 할 칼륨 섭취량을 고려했을 때 저칼륨 채소로 적당한 칼륨량을 다음 식으로 계산하였다.
,LTD, JP)를 이용하여 건조한 후 분쇄하여 분석 전처리를 위해 HNO3-으로 산 분해 하였다. 전처리 후 용해용액의 무게를 정밀히 측정하여 무기성분을 측정하였다. 상추의 무기성분은 단위 건물중(g) 당 mg으로 표현하였다.
상추의 생육을 비교하기 위해 수확 후 각 처리구별로지상부와 지하부의 생체중을 측정하였고 노화되어 떨어진 잎을 제외한 엽수를 측정하였다. 칼륨 및 무기질 함량은 유도결합 플라즈마 분석기(ICP, Elan DRC-e,USA)로 측정하였다. 상추 샘플은 수확 후 지하부를 제거한 뒤 동결건조기(MGS-2100F, Tokyo Rikakikai Co.
대상 데이터
본 연구에 사용된 상추 품종은 ‘찰스’ 품종이었다.
실험에서는 상추(Lactuca sativa L. ‘Charles’, (주)바이엘크롭사이언스)를 사용하였다.
실험은 경북 안동시에 위치한 식물공장 (‘바이오웍스’,Kor., 36o37'29.3"N, 128°38'06.9"E)에서 진행되었다.
실험종료 후 수확한 상추는 생육 및 무기성분 분석을위해 각 처리구별로 단순임의추출법으로 3개의 샘플을통해 실시하였다. 통계분석은 SPSS 프로그램(SPSSstatistic 24, IBM company, USA)을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시하였고 평균간 비교는 던컨의 다중범위검정으로 하여 5%의 유의수준으로 검정하였다.
성능/효과
계산 결과 생채소 100g당 167mg 이하의 칼륨을 함유한 채소가 저칼륨 채소로 적당한 것으로 판단된다. 대조구와의 상추 함수율은 96.
또한 칼륨함량이 TW처리구와 칼륨이 함유되어 있는 처리구 간의유의적인 차이가 없었던 것으로 보아 칼륨 외 다른 이온의 결제는 칼륨함량을 낮추는데 큰 효과가 없을 것으로 판단된다. 나트륨 함량은 TW처리구에서 유의적으로 높게 나타났다(Fig. 3). 이는 나트륨이 칼륨과 길항작용을 하기 때문에(Dibb and Thompson, 1985) 흡수가 원활했기 때문으로 판단된다.
계산 결과 생채소 100g당 167mg 이하의 칼륨을 함유한 채소가 저칼륨 채소로 적당한 것으로 판단된다. 대조구와의 상추 함수율은 96.0-97.0% 수준으로 이를 작물 내 칼륨량으로 환산하면 2W5% 처리구와 2W1% 처리구 그리고 TW처리구가 적합하나(Table 2) TW처리구의경우 생육이 불량해 상품적인 가치가 떨어져 실질적으로 식물공장에서 저칼륨 상추 개발에 적합한 양액처리 방법은 2주전 칼륨을 당량 기준으로 5%와 1%로 제한하여 공급하는 것이 적합할 것으로 판단된다. 또한 채소 체내의 무기함량은 함수율에 큰 영향을 받으므로 수확 후 관리되는 기술로 일정수준의 수분을 유지하고 실제 환자가 섭취했을 때 칼륨양을 고려하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
이는 Pujos(1996)가 배양액 내 칼륨 제거 처리후 약 2주가 지났을 때부터 유의적으로 생육이 저해된다는 보고와 일치하였다. 따라서 선행연구와 본 연구 결과 내용을 바탕으로 수확 2주 전 5%이하의 칼륨 처리에 의해 상추의 생육장해 없이 저칼륨 상추의 생산이 가능할 것으로 판단되었다.
이것으로 보아 상추의 엽수는 양액의 처리보다 다른 환경요인에 더 많은 영향을 받은 것으로 판단된다. 또한 TW처리구는 대조구, 2W5%처리구와 유의한 차이는 없었으나 결핍증상이 발생하고 상품적인 가치가 낮아졌다(Fig. 5)
이는 식물체내 칼륨이 생육 초기에 주로 사용되어 체내에서재분배율이 높기 때문(Alison and Philip, 2009)인 것으로 보인다. 또한 나트륨 함량은 2W5% 처리에서 높은 경향은 있었으나 대조구와 다른 처리구보다는 유의적인차이를 보이지 않았다. 상추의 생육조사 결과 생체중과엽수 모두 수확기에 유의적인 차이를 보이지 않았다(Fig.
이는 1W5% 처리, 1W10% 처리와 2W5% 처리, 2W 10%처리에서 유의적인 경향은 보이지 않았으나 10% 처리에 비해 5%처리가 낮아지는 경향을 보였던 것과 대조적이었다. 또한 칼륨함량이 TW처리구와 칼륨이 함유되어 있는 처리구 간의유의적인 차이가 없었던 것으로 보아 칼륨 외 다른 이온의 결제는 칼륨함량을 낮추는데 큰 효과가 없을 것으로 판단된다. 나트륨 함량은 TW처리구에서 유의적으로 높게 나타났다(Fig.
또한 나트륨 함량은 2W5% 처리에서 높은 경향은 있었으나 대조구와 다른 처리구보다는 유의적인차이를 보이지 않았다. 상추의 생육조사 결과 생체중과엽수 모두 수확기에 유의적인 차이를 보이지 않았다(Fig. 2). 이는 Pujos(1996)가 배양액 내 칼륨 제거 처리후 약 2주가 지났을 때부터 유의적으로 생육이 저해된다는 보고와 일치하였다.
이는 나트륨이 칼륨과 길항작용을 하기 때문에(Dibb and Thompson, 1985) 흡수가 원활했기 때문으로 판단된다. 상추의 생체중은 대조구와 처리구에서 유의적인 차이가 없었으나 2W5%처리구와TW처리구에 비해 2W1%처리구가 유의적으로 높았다(Fig. 4). 이는 1차 실험에서 2W10%와 2W5%의 생체중의 유의적인 차이가 없었던 것에 비해 대조적이었다.
식물체 내의 다량원소 분석을 위해수확 후 ICP 분석을 하였으며 생체중과 엽수를 측정하였다. 실험 결과 식물체 내 칼륨함량은 대조구에 비해 2주전 처리에서 통계적으로 유의하게 낮았다. 생체중과엽수는 대조구와 처리구에서 유의적인 차이를 보이지 않았으나 처리구간의 유의적인 차이는 있었다.
저칼륨 상추 생산을 위한 적정 배양액조성 탐색을 위한 2차 실험에서 대조구에 비해 모든 처리구에서 수확시기 상추의 칼륨함량이 유의적으로 낮았으나(Fig. 3) 처리구간 유의적인 차이는 없었다. 이는 1W5% 처리, 1W10% 처리와 2W5% 처리, 2W 10%처리에서 유의적인 경향은 보이지 않았으나 10% 처리에 비해 5%처리가 낮아지는 경향을 보였던 것과 대조적이었다.
정식 후 모든 실험구의 재배환경은 상추의 정상적인 생육조건을 고려해 CO2 600-650mg·L-1, 광도 200µmol·m-2·s-1, 상대습도 65%, LED광원 W:R(9:1), 온도(주간 21℃ 야간 15℃)로 일정하게 관리되었고 정식일 기준으로 28일간 재배하였다.
후속연구
0% 수준으로 이를 작물 내 칼륨량으로 환산하면 2W5% 처리구와 2W1% 처리구 그리고 TW처리구가 적합하나(Table 2) TW처리구의경우 생육이 불량해 상품적인 가치가 떨어져 실질적으로 식물공장에서 저칼륨 상추 개발에 적합한 양액처리 방법은 2주전 칼륨을 당량 기준으로 5%와 1%로 제한하여 공급하는 것이 적합할 것으로 판단된다. 또한 채소 체내의 무기함량은 함수율에 큰 영향을 받으므로 수확 후 관리되는 기술로 일정수준의 수분을 유지하고 실제 환자가 섭취했을 때 칼륨양을 고려하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
한국 채소의 생산량과 1인당 섭취량은 얼마인가?
한국 채소 생산량은 2016년 기준 5,270,936ton이며, 한국인 1인당 채소 섭취량은 평균 303.7g·day-1로 이는 식사의 약 20%의 수준이다(Hwang 등, 2014; Lee 등,2016). 사람은 채소로부터 비타민, 무기질, 식이섬유 등을 공급받아 채소의 섭취비율을 늘리는 것은 비만, 대사증후군을 유의하게 낮춘다고 보고하고 있고, 특히 무기질 중 칼륨은 채소에서 약 30%를 공급받아(Lee 등2013, Lee 등, 2017) 인체 세포액 내 다량으로 존재하여 근육과 신경의 기능을 조절하기 때문에 하루 3,500 mg의 섭취량을 권장하고 있다(KNS, 2015).
채소에서 약 30%를 공급받을 수 있는 칼륨의 섭취를 제한이 필요한 경우는?
그러나 신장의 기능이 저해된 만성신부전환자의 경우 섭취한 칼륨을 정상적으로 배설하지 못하므로 혈중 칼륨농도가 높아지고(Lim, 2006), 특히 혈액투석을 요하는 환자의 경우 고칼륨혈증의 위험으로 칼륨섭취량을 일일40 mg·kg-1이하로 제한이 필요하다(NKF, 2009). Woo 등(2014)은 채소의 섭취량과 혈청 칼륨농도의 상관관계 연구에서 채소류 섭취량에 따라 혈청 칼륨농도가 유의하게 높아진다고 하였는데 칼륨 함유량이 높은 채소를 주로섭취하는 환자의 경우 혈청 칼륨농도가 5.
사람이 채소로 부터 얻을 수 있는 긍정적 영향은?
7g·day-1로 이는 식사의 약 20%의 수준이다(Hwang 등, 2014; Lee 등,2016). 사람은 채소로부터 비타민, 무기질, 식이섬유 등을 공급받아 채소의 섭취비율을 늘리는 것은 비만, 대사증후군을 유의하게 낮춘다고 보고하고 있고, 특히 무기질 중 칼륨은 채소에서 약 30%를 공급받아(Lee 등2013, Lee 등, 2017) 인체 세포액 내 다량으로 존재하여 근육과 신경의 기능을 조절하기 때문에 하루 3,500 mg의 섭취량을 권장하고 있다(KNS, 2015).
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