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ISSN : 2288-0992(Print)
ISSN : 2288-100X(Online)
Protected Horticulture and Plant Factory Vol.23 No.1 pp.19-25
DOI : https://doi.org/10.12791/KSBEC.2014.23.1.019

Effect of LED Light Wavelength on Lettuce Growth, Vitamin C and Anthocyanin Contents

Man Kwon Choi1, Gyeong Yun Baek2, Soon Joo Kwon4, Yong Cheol Yoon3, Hyeon Tae Kim2*
1Institute of Agricultural & Life Science, Gyeongsang National Univ., Jinju 660-701, Korea
2Dept. of Bio-Industrial Machinery Eng., Gyeongsang National Univ. (Insti. of Agric. & Life Sci.), Jinju 660-701, Korea
3Dept. of Agricultural Eng., Gyeongsang National Univ. (Insti. of Agric. & Life Sci.), Jinju 660-701, Korea
4Korea Infrastructure Safety & Technology Corporation, Goyang 411-758, Korea
Corresponding Author : bioani@gnu.ac.kr
September 4, 2013 February 7, 2014 February 21, 2014

Abstract


LED광 파장이 상추생육과 비타민 C 및 안토시아닌 함량에 미치는 영향

최 만권1, 백 경윤2, 권 순주4, 윤 용철3, 김 현태2*
1경상대학교 농업생명과학연구원
2경상대학교 생물산업기계공학과(농업생명과학연구원),
3경상대학교 지역기반환경공학과(농업생명과학연구원)
4한국시설안전관리공단

초록

In this study, we analyzed the growth characteristics of red lettuce under Light-emitting diode (LED) light environment as well as the change of vitamin C and anthocyanins of lettuce. We made five monochromatic light treatments (red 647 nm, 622 nm, blue 463 nm, 450 nm, White), six mixed red (R) and blue (B) light treatments (R : B = 9 : 1, 8 : 2, 7 : 3, 6 : 4, 5 : 5) and red + white, and three light treatments made according to photoperiod of LED with lighting sources ratio of red : blue (R : B = 8 : 2(18/06 h, 15/09 h, 12/12 h)). It was composed of totally 14 control beds. As a result, the red lettuce the most developed leaf height, leaf numbers and fresh weight under red single light, root length and leaf developed when grown under blue single light. Therefore, red light were related to above part of the lettuce, blue light were related to the growth of the underground part of lettuce. Case of the mixed light, leaf height, leaf numbers, fresh/dry weight of above and underground part were highest red + white light and root length and chlorophyll content were highest under red 7 : 3 blue light. Result of growing investigation by photoperiod, the red lettuce were considered to be most effective in 15/09 h (on/off). The content of anthocyanins; the single light source, mixed light and light irradiation period were highest under blue light (463 nm), red 7 : 3 blue and 18/06 h (on/off) light irradiation, respectively. The vitamin C showed the lowest content of 1.26 mg · L−1 under the white light, but showed the greatest content of 3.02 mg · L−1 for the control group.


    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs

    서 론

    식물공장은 식물생장에 필요한 빛, 온도, 습도, 이산화 탄소 농도 및 배양액 등의 환경을 최적의 상태로 제어 하여 시간 및 장소에 관계없이 식물을 연속적으로 생산 하는 시스템을 말한다. 연중 안정적인 식량생산을 실현 할 수 있는 식물공장은 국내뿐 만 아니라 일본, 미국, 네덜란드 등 선진국에서도 연구가 활발히 진행되고 있다. 식물 공장의 유형은 일반적으로 2가지로 구분(자연광을 이용하면서 보광을 해주는 자연광형 식물공장, 인공광원 만을 이용하는 인공광형 식물공장)할 수 있다. 종전까지 인공광원형 식물공장의 인공광원으로 형광등, 메탈할라 이드등, 고압나트륨등, 백열등이 주로 이용되어 왔다. 그 러나 발열량이 많고 소비전력이 크다는 단점이 있어, 이 를 해결할 수단으로 발광다이오드(Light-emitting diode, LED)가 새로운 인공광원으로 주목받고 있다. LED는 수명이 반영구적이고 다른 인공조명에 비해 광효율이 높 고 전력 소비량도 적어 LED를 이용한 연구가 많이 수 행되어 왔다(Lee 등, 2010; Johkan et al., 2010; Um 등, 2010).

    상추는 주로 샐러드나 쌈으로 소비되며, 비타민 무기 질이 풍부하여 빈혈 환자에게 좋다. 최근에는 샐러드와 어린잎 채소의 주요 소재로서 재배와 소비가 증가하고 있으며, 인공광형 식물공장의 생산방식에 가장 적합한 작물로 알려지면서 공시 작물로 많이 이용되고 있다(Lee 등, 2010). 상추를 대상으로 한 LED 관련 연구로는 단 일 파장의 청색광이 상추의 배축과 신장에 미치는 영향 (Hoenecke et al., 1992), 적색광과 청색광의 다양한 혼 합 광원 조건 하에서의 적상추의 안토시아닌 색소 함량 에 대한 검토(Lee 등, 2010), LED광 파장이 상추의 초 기성장과 무기질 요소에 미치는 영향 등 많은 연구가 이루어지고 있다(Shin 등, 2012). 또한 LED광을 포함한 여러 가지 광원별로 엽채류 생산을 안정적으로 할 수 있도록 광원의 설정 등 환경요인에 대한 검토(Um 등, 2009), 파프리카 및 국화 생육에 있어서 LED광이 미치 는 영향(An 등, 2011; Im 등, 2013), 브로콜리 새싹의 발아, 수박 접목묘의 활착 등(Cho 등, 2008; Choi 등, 2003) 농업분야에서 LED의 적용가능성에 대한 다양한 연구가 수행된 바 있다. 그러나 생육의 품질을 종합적으 로 고려한 LED조사기술 확립을 위한 연구는 미흡한 것 으로 보고되고 있다(An 등, 2011).

    이와 같이 LED를 이용하여 상추의 생육과 품질 변화 와 관련된 연구는 국내외에서 많이 이루어졌지만, 다양 한 LED의 조합을 통해 적치마 상추의 생장특성과 비타 민 C 및 안토시아닌 함량과의 관계에 대한 연구는 미비 한 실정이다.

    따라서 본 연구에서는 다양한 조합의 LED광 환경이 적치마상추의 생장과 비타민 C 및 안토시아닌 함량에 미치는 영향을 구명하였다.

    재료 및 방법

    본 연구는 2012년 2월 20일부터 3월 26일까지(35일간) 경상대학교 내에 설치되어 있는 1-2W형 온실(L ×W× H, 20,000 × 11,000 × 3,400mm)에서 수행하였다. 실험 기간 동 안 온실 내부의 최저, 최고, 평균기온은 각각 1.0, 33.6, 14.3°C이었으며, 외기온은 각각 −0.7, 18.0, 4.9°C이었다.

    구 육묘용 플러그트레이에 1립씩 파종(파종일 2월 6일) 하여 2주 동안 자연광에 의해 육묘한 후 각 실험구의 재배트레이에 16주씩 정식(정식일 2월 20일)하였다. 배 양액은 Sonneveld 상추 양액처방액(K+: 11.6, Ca+2: 8.6, Mg+2: 1.6, NH4+: 1.3, NO3: 19.0, SO42−: 2.1, H2PO4: 2.0me · L−1)을 이용하였으며, EC 2.7dS · m−1, pH 6.0~6.7 로 설정하여 재배트레이당 공급량을 50mL로 설정한 후 점적호스를 이용하여 15분 on, 60분 off의 주기로 공급하 였다. Fig. 1은 본 연구를 위해 제작한 실험 장치를 나타 낸 것이다. 각각의 실험구는 폭 900mm, 길이 900mm, 높이 1,300mm의 크기로 합판을 이용하여 제작하였으며, 광 효율을 높이기 위해 반사필름(은박PE, 고운산업(주)) 을 부착하였다. 실험구 내부의 상단에 설치한 LED 인공 광원은 1개 막대에 3W 칩 20개로 구성된 2개의 모듈형 LED(L600 × W60 × H20mm, Power PG LED, PARUS Inc., Korea)를 사용하여 식물의 엽록소 작용과 광합성 작용이 활발히 일어나는 피크 파장대의 단색광 구성과 파 장의 조합으로 상추의 생육 상태와 안토시아닌 및 비타 민 C 함량을 구명하기 위해 단색광 처리와 혼합광 처리 에 대해 비교 시험하였다. 단색광은 적색광(Red) 647nm, 622nm, 청색광(Blue) 463nm, 450nm 그리고 백색광 (White)의 5개 실험구로 구성하였다. 광량을 동일하게 조사하기 위해서 LED의 높이를 10mm 단위로 조절할 수 있도록 제작하였고, 모든 실험구의 광량은 150 ± 10μmol · m−2 · s−1 되도록 설정하였다. 실험구는 총 14개로 구성하 였으며, 실험구 모듈의 상단 후면에 LED에서 발생하는 열의 영향을 최소화하기 위해 배기팬을 설치하였다. 각 실험구의 파장대는 분광측정기(RPS900, ILT Inc., USA) 이용하여 광원의 파장범위를 측정하였다. Fig. 3은 적색 광(Red)과 청색광(Blue)의 조합이 8 : 2일 때, 적색광+백 색광일 때(3W LED × 40EA, Power PG LED)의 파장특성 을 나타낸 것이며, 다른 조합들도 유사한 특성을 나타났 다. 측정된 파장대는 식물의 광합성에 이용되는 400nm~ 700nm로 가시광선 파장대인 380nm~760nm와 유사한 분포를 보였다. Fig. 3(a)Im 등(2013) 이 국화생육실 험에 사용한 LED 설치 및 구조와 동일하게 설치하여 실험을 수행하였으며, 실험구 내 광 균일도는 Fig. 2에 서 나타나듯이, 하부 평면 9개점을 측정한 값을 사용한 결과, 유사한 광분포가 나타났다.

    혼합광의 경우 적색광과 청색광의 조합 5처리(9 : 1, 8 : 2, 7 : 3, 6 : 4, 5 : 5) 적색광과 백색광(R +W)의 조합 1 처리로 총 6개의 실험구를 구성했다. 또한 선행 결과에서 단색파장 적색광이 지상부의 생육을 촉진한다는 보고가 있어(Lee 등, 2010) 백색광을 조합한 혼합광에서 상추생 육이 어떻게 변하는지를 알아보기 위해 적색광 +백색광 조합에 대해서도 실험구를 구성했다. Fig. 3(b)는 적색 광 +백색광의 분광특성을 나타낸 것이다. 광혼합 비율은 적색광 :청색광 :녹색광이 약 8 : 1 : 1로 나타났다. 또한 광원의 조사반복횟수에 따른 LED 효과를 구명하기 위해 적색광과 청색광의 비율이 8 : 2인 조건에서 실험하였다. 그 이유는 청색광 비율이 15%보다 낮을 경우 오이의 광합성능력(단위면적당 잎의 질량, 엽록소 함량, 엽수 등) 이 저하되고, 청색광이 22% 이상이면 광합성능력이 비 례적으로 증대된다는 선행연구를 근거로 했기 때문이다 (Hogewoning, 2010). 본 실험에서 광주기는 3처리(on/off 주기시간 = 18/06h, 15/09h, 12/12h)로 설정하였으며, 나머 지 실험구에 대해서는 광주기를 16/08로 고정하였다.

    생육조사 항목은 상추의 직접적인 생육 반응을 파악하 기 위해 엽장, 근장(뿌리), 엽폭, 엽수, 엽록소함량에 대 해서는 엽록소 측정기(SPAD-502 Plus, Konica Minokta Sensing, Inc., Japan)를 이용하여 측정하였다. 지상부의 생체중과 건물중, 지하부의 생체중도 조사하였다. 생육조 사에 사용한 샘플은 정식 후 35일째의 상추 16주를 대 상으로 육안으로 판단하여 잎의 크기와 생육정도가 모집 단을 대표할 수 있는 5개체만 선별하여 생육조사를 실 시하였다. 통계분석은 통계분석용 프로그램(IBM SPSS Statistic Ver. 20)을 이용하여, Duncan의 다중검정으로 유의성을 검증하였다.

    Vitamin C 분석은 정식 후 35일째에 각 처리구당 생 잎을 100g씩 채취하여 분쇄한 후, 시료 5g을 동량의 10% 메탄인산용액에 가하여 10분간 현탁시키고, 5% 메 탄인산용액을 넣어 균질화한 후, 이 시료를 메스플라스 크에 합하여 100mL로 하였다. 그 후 3,000rpm에서 15 분간 원심분리를 상등액을 취하여 0.22μm의 membrane filter로 여과한 후에, 5% 메탄인산용액으로 희석하여 분 석하였다. Anthocyanin 분석은 정식 후 35일째에 각 처리 구 당 생잎 200g씩 채취하여 분쇄한 다음 40°C의 Drying oven에서 72시간 동안 건조(함수율 0%) 후 시료 10g을 채취하여 99% Methanol과 1% HCL을 혼합하였다. 혼 합된 추출액은 4°C 냉암조건에서 24시간 주기로 50mL 씩 3회 추출하였다. 이것을 감압농축기(40°C)를 이용하여 1mL로 농축하였다. 여기에 Formic acid 5%, Distilled Water 20%, Methanol 75%의 이동성 물질을 각각 5mL 씩 첨가하여 0.45μm의 Membrane filter로 여과 처리한 다음 분석하였다.

    결과 및 고찰

    1단색광

    Table 1은 LED 단색광에서 적색광 및 청색광의 파장 대에 따른 생육조사 결과를 나타낸 것이다. Lee 등 (2010)의 연구결과에 따르면 적색광에서는 지상부의 생 육이 촉진되나, 청색광에서는 생육이 억제되고 엽수 또 한 유의적으로 낮다고 보고되고 있다. 본 실험에서도 초 장은 622nm의 적색광에서 가장 컸으며, 450nm의 청색 광에서 가장 낮게 나타났다. 이는 적색광은 청색광이 없 는 조건에서 초장의 억제 효과가 낮고, 청색광은 초장의 생장을 억제시킨다는 연구결과와 유사한 경향을 보이고 있음을 의미한다(Rajapakse and Kelly, 1992). 엽수, 지 상부의 생체중에 있어서도 적색광(647nm)에서 생육이 가장 양호한 것으로 나타났다. 청색광의 경우(450nm, 463nm) 엽록소함량, 지하부 생체중, 근장에서 가장 생육 이 좋았다. 초장, 근장 엽수, 엽록소함량, 지상부 생체중 과 건물중에서는 유의차를 보였으나, 엽폭 및 지하부 생 체중의 경우에는 통계적이 차이를 보이지 않았다(Table 1). 이러한 결과로부터 지상부에의 생육에는 적색광, 지 하부의 생육에는 청색광이 전반적으로 영향을 미치고 있 는 것으로 나타났다.

    2혼합광

    LED 혼합광에서 광원 비율에 따른 생육조사 결과 Table 2와 같다. 광질에 따라 식물체의 신초 생장, 잎의 형태, 엽록소합성에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있 다(Wongnok et al., 2008). Lee 등(2010)은 LED 광질을 변환시킴으로써 상추의 생육과 색소함량의 동시조절이 가능하다고 보고하였다. 동일한 광질 하에서 수행한 본 실험에서는 근장과 엽록소 함량을 제외한 나머지는 적색 광+백색광에서 가장 높게 나타났으며, 유의적인 차이를 보였다. 이것은 백색광이 LED광원에 비해 광파장 대역 이 다양하기 때문에 생육을 증진한 것으로 판단된다. 그 리고 청색광은 엽록소 합성에 중요한 요인(Moreira da Silva and Debergh, 1997)으로 작용한다는 것과 동일하 게 전항의 단색광 실험에서도 이 적색광 처리시 보다 청색광 처리 시가 엽록소 함량이 높다는 것을 제시한 바 있으나(Table 1), 혼합광 실험의 경우에서도 적색광과 청색광 비율이(9 : 1 → 8 : 2 → 7 : 3으로) 증가할수록 엽 록소 함량이 높아지는 것으로 나타났다. 한편, 적색광과 청색광 비율 6 : 4와 5 : 5의 처리구에서는 엽록소함량이 증가하지 않았다. 그리고 엽록소함량은 통계적으로도 유 의적 차이를 보였다. 이러한 결과로부터 적색광과 청색 광의 혼합광에서 청색광 비율이 증가하더라도 엽록소함 량이 더 이상 증가하지 않은 이유에 대해서는 금후 추 가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 폐쇄형 육묘 시스템의 인공광 하에서 토마토와 오이 육 묘 시 적색광과 청색광의 혼합광 처리에서 묘 생산에 이용 가능성이 높다는 연구결과(Um 등, 2009)와 동일하 게 적색광과 청색광 비율이 7 : 3 엽록소함량이 가장 높 게 나타났다. 또한 근장에서도 단색광의 실험결과와 마 찬가지로 청색광의 영향을 받아 생장이 촉진된 것으로 판단되었다.

    3광조사 주기

    LED 광원의 적색광과 청색광 비율이 8 : 2에서 광 조 사시간에 따른 생육조사 결과는 Table 3과 같다. 초장, 엽수, 지하부 생체중에서는 유의차가 나타났으나, 근장, 엽폭, 엽록소함량, 지상부, 지하부 생체중에서는 통계적 이 차이를 보이지 않았다(Table 3). 초장, 엽폭, 엽수, 엽 록소함량, 지상부 생체중 및 근체중에 대해서는 조사시 간 15/09h일 때 가장 크게 나타났고, 초장, 엽수에서 유 의적인 차이를 보였다. 근장과 지하부 생체중의 경우는 조사시간 18/06h일 때 가장 양호한 것으로 나타났으나, 통계적인 차이를 보이지 않았다. 선행연구에 의하면 초 장은 온도와 무관하게 광주기가 길어짐에 따라 증가하는 것으로 보고되고 있다(Berghage et al., 1991; Erwin et al., 1991). 그러나 본 연구에서는 광주기가 18/06h의 처 리구보다 15/09h의 처리구에서 초장이 더 크게 나타났다. 이는 본 실험에서 구명할 수는 없었으며, 추가적인 실험 이 진행 되어야 될 것으로 판단된다. 상추의 뿌리 길이 는 조사시간이 18/06h에서 가장 크게 나타났다. 이는 단 일광과 혼합광에서의 실험결과와 마찬가지로 청색광의 조사기간이 길었기 때문에 뿌리의 생장 촉진에 영향을 받았기 때문인 것으로 판단된다.

    4안토시아닌 및 비타민 C 함량

    Fig. 4과 Fig. 5는 단색광, 혼합광, 광주기에 따른 정식 후 35일째 상추의 안토시아닌 및 비타민 C 함량을 분석 한 결과이다.

    안토시아닌 함량은 463nm의 청색광 처리에서 다른 처 리구에 비해 현저히 높았고, 광혼합 처리 시험에서는 적 색광과 청색광의 비율이 7 : 3일 때 안토시아닌 함량이 가장 높았다. 또한 적색광과 청색광 8 : 2일 때 광주기에 따른 안토시아닌 함량은 18/06h의 처리구에서 634mg · L−1로 가장 높게 나타났다. Nishimura 등(2006)의 보고 에 따르면 안토시아닌 함량은 적색광과 청색광의 두 가 지 광원을 혼합하였을 경우 증대된다고 하였지만, 본 실 험에서는 단색광이 혼합광에 비해 더 많은 함량을 나타 냈다. 이는 Johkan et al.(2010)의 연구결과와 마찬가지로 단색광일 경우 청색광에서 안토시아닌 함량이 높다는 연 구결과와 일치하였다. 비타민 C 함량은 백색광 처리구에 서 1.26mg · L−1로 가장 낮게 나타났다. 그러나 단색광, 혼합광 처리, 광조사 주기에 따른 비타민 C함량은 1.26~ 1.77mg · L−1으로 나타나 큰 차이가 없었다. 하지만 Joo 와 Lim(2000)의 연구에 따르면 노지에 재배한 상추의 안토시아닌과 비타민 C의 함량의 경우 일장이 길고 온 도가 높을 수로 함량은 증가한다는 보고와 마찬가지로 본 실험결과의 경우에도 안토시아닌은 일장이 가장 긴 18/06에서 가장 많은 함량을 나타냈지만, 비타민 C의 경 우는 12/12에서 가장 낮은 함량을 나타내 반대의 경향을 보였다. 따라서 적치마 상추에 대해서도 온도와 일장에 따른 비타민 C 함량 측정에 대한 연구가 필요하며, 이 와 더불어 적색, 청색 단색광과 혼합광 처리에 의한 비 타민 C함량을 자연광 수준 또는 그 이상으로 높일 수 있는 추가적인 연구도 수행할 필요가 있다.

    적 요

    본 연구는 단색광, 혼합광, 광조사 주기에 대해 총 14 가지 실험구를 설치하여 적치마 상추의 생육특성 안토시 아닌 및 비타민 C 함량에 대해 조사하였다. 그 결과, 단 색광 처리에서 적색광은 초장, 엽수, 지상부 생체중, 청 색광은 근장과 엽폭을 증대 시키는 것으로 나타났다. 따 라서 적색광은 상추의 지상부, 생육에 청색광은 지하부 생육에 많은 영향을 미치는 것으로 판단된다. 혼합광의 경우 적색광과 백색광 혼합광에서 초장, 엽수, 엽폭, 지 상부와 지하부의 생체중 및 건물중이 가장 높게 나타났 다. 이는 백색광이 LED광원에 비해 광파장 대역이 다양 하기 때문에 생육이 좋은 것으로 판단된다. 근장과 엽록 소 함량에 대해서는 적색광과 청색광의 비율이 7 : 3에서 가장 양호한 결과를 보였다. 광조사 시간에 따른 생육특 성은 광주기가 15/09h에서 가장 효과적인 반응을 보였다.

    안토시아닌 함량의 경우, 단색광에서는 463nm의 청색 광 처리에서 가장 높았고, 혼합광에서는 적색광과 청색 광의 비율이 7 : 3일 때 가장 높게 나타났다. 또한 광조 사 주기에 따른 실험에서는 광주기 18/06h의 처리구에서 안토시아니 함량이 가장 높았다. 비타민 C 함량은 적색 광과 청색광의 비율이 8 : 2일 때 1.77mg · L−1로 가장 높 게 나타났으며, 백색광에서 1.26mg · L−1로 가장 적은 함 량을 보였다.

    추가 주제어 :광질, 생육특성, 시아니딘, 인공광원, 적치마

    Figure

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    Picture of experimental system.

    KSBEC-23-19_F3.gif

    Spectral characteristics of a mixed red (R) and blue (B) LED with R : B = 8 : 2 and white + red LED. Total photosynthetic photon flux (PPF) was 150 ± 10 μmol · m−2 · s−1 in each treatment.

    KSBEC-23-19_F2.gif

    Location of light amount measurement in experimental system.

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    Anthocyanin content of leaf lettuce as affected by different lighting quality of LED.

    KSBEC-23-19_F5.gif

    Vitamin C of leaf lettuce as affected by different lighting quality of LED.

    Table

    Effects of light quality on the growth of lettuce on 35 days after treatment (Monochromatic light).

    zMean separation within columns by Duncan’s multiple range test at 5% level.

    Effects of Compound light on the growth of lettuce on 35 days after treatment (Compound light).

    zMean separation within columns by Duncan’s multiple range test at 5% level.

    Effects of photoperiod on the growth of lettuce on 35 days after treatment.

    zMean separation within columns by Duncan’s multiple range test at 5% level.

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