플라즈마 방전수 및 바이오블록 처리를 달리한 로메인 상추의 생장변화 및 항산화 특성

본 실험에서 사용된 시료는 엽채류 중 시저스 그린 로메인 상추(Lactuca sativa Romaine L.) 품종 씨앗(Asia Jongmyo, Seoul, Korea)을 구입하여 실험하였다.

본 생육실험은 전북농업기술원 과채류연구소 내에 스마트팜 생육환경에서 생육 test bed는 500 cm×30 cm×20 cm로 제작하고, 150 cm×30 cm 스티로폼 베드를 test bed 내에 띄워서 담수경 재배하였다. 로메인 상추 씨앗을 물에 적셔 스티로폼 베드에 15 cm 간격으로 고무 홀더에 삽입하고 상부를 분무하였다. 로메인 상추(TRL)의 처리 조건은 Table 1과 같다. Ca, Mg, Na, K 등이 함유된 미네랄 양액을 사용하였고, 설치된 test bed 안쪽 바닥에 바이오블록(원적외선)을 2줄로 배열하고, 처리구 TRL-1은 바이오블록을 약 30 cm 간격으로 30개, TRL-2는 25 cm 간격으로 40개를 배치하였다. 바이오블록은 현무암 원석을 300-1,000 mesh로 분쇄 후 용해로 1,500-2,000°C 기준으로 용해하여 각 지름 7-8 cm, 두께 2-3 mm, 중량 40 g으로 제조한 것을 사용하였으며, 바이오블록 방사에너지(W/m²·μm, 37°C)는 3.57×10²이고, 방사율(5-20 μm)은 0.926을 나타냈다.

플라즈마 장치 설계는 총 세 부분으로 나뉘어 전원부, 발진부, 방전부로 센서 베드에 연결하여 조절하고, 150 mm× 800 mm 마이크로버블 제조장치(MVI-408, Wilo Co., Busan, Korea)를 중간부에 연결하였다. 마이크로버블 제조 장치는 직경이 50 μm 이하인 기포를 발생하도록 조건을 최적화하였다. 수경재배 시스템의 양액 순환 과정은 3일 1회 회수되도록 설정하고, 재활용 순환수 조건을 EC 0.5 이하, pH 5.0-7.0, DO 10 ppm 이상으로 설정하였다. 재배 환경 온도 19.5±2.0°C, 습도 43±3%RH를 유지하였다.

생육기간은 총 49일간 재배하여 종자 이식은 2020년 1월 23일에 심고, 1월 29일까지 7일간 발아하여 7일 간격으로 분석하여 2020년 3월 12일에 재배를 종료하였다. 재배기간 동안 발아율 및 생장변화(중량, 잎 길이 및 잎 개수)를 측정하였다.

총 49일간 재배한 로메인 상추(TRL)를 각 베드에서 무작위로 채취하였다. 잎과 뿌리 부분을 분리하여 잎 부분만 한꺼번에 동결건조한 후 분말화하여 사용하였다. 추출방법은 각각 다른 시험관에 일정 중량을 칭량하고, Choi 등(2013)의 실험방법을 수정하여 각 다른 시험관에서 시료를 추출하였다. 동결건조 상추 잎 분말 0.1 g을 2 mL의 80% MeOH에 50°C에서 1시간 진탕 추출(Mujigae SD-120H, Seongdong-ultra, Seoul, Korea)하고, 4°C, 10,000 rpm(Centrifuge 5804R, Eppendorf AG, Hamburg, Germany) 10분간 원심분리한 후 0.45 μm syringe filter(RC25 Syringe filter 17765, Sartorius AG, Göttingen, Germany)로 여과하고, 희석하여 각 실험에 사용하였다.

총폴리페놀 함량은 Singleton과 Rossi(1965)의 Folin-Denis 방법을 수정하여 측정하였다. 일정 농도로 희석한 시료 100 μL에 2%의 Na₂CO₃ 2 mL를 첨가하여 3분 동안 상온에서 방치시킨 다음, 1 N Folin-Ciocalteu 시약(Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) 100 μL를 넣은 후 35°C에서 11분 반응시켰다. 이후 흡광기기(Jasco V-730 Spectrophotometer, Jasco Corp., Tokyo, Japan)를 사용하여 750 nm에서 흡광도를 측정하였다. 총폴리페놀 함량은 gallic acid(Sigma-Aldrich Co.)를 표준물질로 하여 산출하였고, 동결건조 상추 100 g당 mg gallic acid equivalent(GAE, dry basis)로 함량을 나타냈다.

총플라보노이드 함량은 Moreno 등(2000)의 방법을 수정하여 측정하였다. 시료 100 μL에 증류수 1 mL와 5% NaNO₂ 용액 75 μL를 넣은 후 상온에서 5분간 반응시켰다. 이후 10% AlCl₃·6H₂O 용액 150 μL를 첨가하고, 6분 동안 상온에서 방치시킨 후, 1 M NaOH 용액 500 μL를 첨가하여 11분 동안 발색시키고 510 nm에서 흡광도를 측정하였다. 총플라보노이드 함량은 (+)-catechin hydrate(Sigma-Aldrich Co.) 표준곡선을 이용하여 산출하였고, 동결건조 상추 100 g당 mg (+)-catechin hydrate equivalent(CHE, dry basis)로 함량을 나타냈다.

1,1-Dipheyl-2-picrylhydrazyl(DPPH) 라디칼 소거능은 Blois(1958)의 방법을 수정하여 측정하였다. 일정 농도로 희석된 시료 50 μL에 0.2 mM DPPH(Sigma-Aldrich Co.) 용액 1 mL를 가한 후 암소에서 30분간 반응시켜 흡광기기(Jasco V-730 Spectrophotometer)를 이용하여 520 nm에서 흡광도를 측정하였다. 사용한 0.2 mM DPPH는 99.9% MeOH에 녹여 520 nm에서 흡광도가 1.000±0.01인 것을 사용하여 측정하였다. 측정흡광도는 L-ascorbic acid(Sigma-Aldrich Co.)를 이용하여 만든 표준곡선을 이용하여 DPPH 라디칼 소거능 결과 값을 백분율(%)로 나타냈다.

2,2'-Azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid(ABTS) 라디칼 소거능은 Re 등(1999)의 방법을 수정하여 측정하였다. 7 mM ABTS 용액과 2.45 mM potassium persulfate를 1:1로 혼합한 후 암소에서 약 24시간 반응시켰다. 이후 실험 직전에 ABTS 용액을 735 nm에서 흡광도가 1.4±0.01이 되도록 phosphate buffer saline(pH 7.4)으로 희석하여 사용하였다. 희석된 ABTS 용액 1 mL를 일정 농도로 희석한 시료 50 μL에 첨가하여 암소에서 30분간 실온 반응시켰다. 이후 흡광기기(Jasco V-730 Spectrophotometer)를 사용하여 750 nm에서 흡광도를 측정하였다. 측정흡광도는 L-ascorbic acid (Sigma-Aldrich Co.)를 이용하여 만든 표준곡선을 이용하여 ABTS 라디칼 소거능 결과 값을 백분율(%)로 나타냈다.

실험결과는 SPSS 프로그램(21.00, IBM Corp., SPSS Inc, Chicago, IL, USA)을 이용하여 분산분석(ANOVA)법을 실시하였고, 3회 반복 실험하고 실험군 간의 유의성은 Duncan’s multiple range test로 p<0.05 수준에서 유의적 차이를 검증하였다.

로메인 상추(TRL)의 발아율은 Table 2와 같다. 모든 처리구에서 약 7-14일 사이에 발아되었다. 재배 7일차 발아율이 81.7-86.7%로 모든 처리구가 비슷한 수준이었으나, 14일차 이후 TRL-2 처리구만 100% 발아율을 나타내었고, 다른 처리구는 7일차와 비슷한 수준을 유지하였다. 최종 발아율은 TRL-1은 85%이며, TRL-3은 83.3%로 나타났다. 이는 Park 등(2016)에 따르면 화산력 바이오블록을 처리한 페레니얼 레이그라스 파종 후 초기 발아 1주 때에 발아율이 80-85% 증가 되었다고 보고하였다. 또한, 초미세버블을 이용한 보리종자 연구에서 초미세버블이 종자의 발아속도 향상에 도움을 주며, 발아율이 15-20% 향상되었다고 보고하여(Hwang 등, 2016) 본 실험에서도 마이크로버블 플라즈마 방전수 및 바이오블록(원적외선)을 처리한 TRL-1, TRL-2가 높은 발아율을 보여 위 연구와 비슷한 결과를 나타냈다.

총 49일간 재배하여 수확한(2020년 3월 12일 재배종료) 로메인 상추(TRL) 생장 상태는 Fig. 1과 같으며, 재배 일수에 따른 중량 변화는 Fig. 2와 같다. 재배 21일차 TRL-1과 TRL-2의 중량은 각 0.76 g, 0.56 g으로 처리구 간 비슷한 중량을 보였고, TRL-3 중량은 0.09 g으로 시료 중 낮은 중량을 나타냈다. 이후 TRL-3은 중량이 거의 일정하게 유지된 반면에, TRL-1과 TRL-2의 중량은 각 11.03 g, 12.61 g으로 재배 42일차까지 중량이 유의적으로(p<0.05) 증가하였다. 재배 49일차에 모든 시료가 큰 증가폭을 보였으며, 그 중 TRL-2가 유의적으로(p<0.05) 높은 중량 증가를 나타냈다. Lee 등(2015)에 따르면 방풍 수경재배 시 지하부의 배양액 차이가 뿌리의 발달과 지상부의 생육에도 영향을 미친 것으로 판단된다는 결과를 보아 본 실험은 위 연구와 비슷한 결과를 보였다.

Fig. 1. Romaine lettuce cultivated for total periods of 49 days. TRL, treated Romaine lettuce.

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Fig. 2. Weight variation of Romaine lettuce by treatment conditions. TRL, treated Romaine lettuce. Each value is mean±SD (n=3). Values with different letters above the bars are significantly different p<0.05 by Duncan’s multiple range tests. ^**p<0.01, ^***p<0.000.

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재배 일수에 따라 잎 길이 및 개수 변화는 각각 Fig. 3, Fig. 4와 같다. 잎 길이는 재배 22일 차 TRL-1이 다른 시료에 비해 가장 길게 나타났다(p<0.05). 그러나 재배 42일차에는 TRL-1과 TRL-2의 잎 길이가 각각 14.87 cm, 14.20 cm로 비슷한 경향을 나타냈고, 재배 49일차에는 TRL-1과 TRL-2의 잎 길이가 각각 18.79 cm, 21.98 cm로 TRL-2가 처리구 중 유의적으로(p<0.05) 높은 성장을 나타냈다. 반면에, TRL-3은 잎 길이의 변화가 가장 낮게 나타났다. 잎 개수 결과, 또한 잎 길이와 비슷한 경향으로 나타났다(Fig. 4). 재배 7일차부터 49일차까지 TRL-1과 TRL-2는 유의적인(p<0.05) 경향으로 잎 개수가 증가하는 반면에, TRL-3은 처리구 중 적은 잎 개수로 나타났다. 이는 플라즈마 방전수를 처리한 식물에서 그렇지 않은 식물에 비해 생장이 촉진되며, 뿌리 활성에 영향을 준다는 연구결과와 비슷한 경향을 보였다(Kim과 Park, 2017; Ryu 등, 2016). 또한, 마이크로버블을 이용한 담수경 재배 상추의 지상부 생육이 유의적으로 증가했다고 보고되어 있으며(Park과 Kurata, 2009), Kim 등(2017)의 연구에서도 콩나물 재배수로 플라즈마 방전수를 이용하였을 때에 성장률이 크게 개선되었다는 보고와도 비슷한 결과로 나타났다. 따라서 TRL-1과 TRL-2는 마이크로버블 플라즈마 방전수 및 바이오블록(원적외선) 처리로 인해 중량, 잎 길이 및 잎 개수 등 생장에 영향을 받은 것으로 판단되며, 처리하지 않은 TRL-3보다 유의적으로 (p<0.05) 높은 결과를 나타냈다.

Fig. 3. Variation of leaf length of Romaine lettuce according to treatment conditions. TRL, treated Romaine lettuce. Each value is mean±SD (n=3). Values with different letters above the bars are significantly different p<0.05 by Duncan’s multiple range tests. ^***p<0.000.

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Fig. 4. Variation of the number of leaves of Romaine lettuce according to treatment conditions. TRL, treated Romaine lettuce. Each value is mean±SD (n=3). Values with different letters above the bars are significantly different p<0.05 by Duncan’s multiple range tests. ^*p<0.05, ^**p<0.01.

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로메인 상추(TRL) 총폴리페놀 및 총플라보노이드 함량은 Table 3과 같다. 총폴리페놀 함량(mg GAE/100 g sample)은 TRL-1은 58.65±1.05, TRL-2는 59.14±0.23 그리고 TRL-3은 60.96±1.17로 처리구 간 유의적인(p<0.05) 차이를 보였으나 비슷한 함량을 나타냈다. 또한 총플라보노이드 함량(mg CHE/100 g sample)은 TRL-1은 46.08±0.38, TRL-2는 45.70±0.10 그리고 TRL-3은 46.35±0.13으로 처리구 간 유의적인(p<0.05) 차이를 보였으나 비슷한 함량을 나타냈다. Woo 등(2020)에 따르면 녹색 상추의 주요 화합물은 페놀 화합물과 관련하여 플라본과 플라보놀도 비슷한 경향으로 나타난다고 보고되어 있다.

로메인 상추(TRL) DPPH 라디칼 소거능은 Fig. 5와 같다. DPPH 라디칼 소거능(2,500 μg L-ascorbic acid/g sample)은 TRL-3(83.06%)에 비해 성장이 촉진된 TRL-1은 49.30%, 그리고 TRL-2는 52.76%로 나타났다. Kim 등(2019)의 연구에 따르면 귀리의 발아가 진행됨에 따라 유의적으로 DPPH와 ABTS가 증가하다가 성장이 진행될수록 DPPH와 ABTS 라디칼 소거능이 감소하였다고 보고하고 있다. 이에 본 연구에서 성장이 촉진된 TRL-1과 TRL-2에 비해 TRL-3의 DPPH와 ABTS 라디칼 소거능이 높게 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 5. DPPH free radical scavenging activities of Romaine lettuce. TRL, treated Romaine lettuce. Each value is mean±SD (n=3). Values with different letters above the bars are significantly different p<0.05 by Duncan’s multiple range tests.

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로메인 상추(TRL) ABTS 라디칼 소거능은 Fig. 6과 같다. ABTS 라디칼 소거능(2,500 μg L-ascorbic acid/g sample)은 TRL-3(80.92%)에 비해 성장이 촉진된 TRL-1은 34.54% 그리고 TRL-2는 42.63%로 나타났다. TRL-1(34.54%)에 비해 TRL-2가 42.63%로 높은 ABTS 라디컬 소거능(%)을 나타냈으며, TRL-3의 결과 또한 DPPH 라디컬 소거능 경향과 비슷한 결과를 나타냈다.

Fig. 6. ABTS free radical scavenging activities of Romaine lettuce. TRL, treated Romaine lettuce. Each value is mean±SD (n=3). Values with different letters above the bars are significantly different p<0.05 by Duncan’s multiple range tests.

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