식물공장은 시설 내에 광, 온도, 습도, CO₂농도 등 환경 조 건을 인공적으로 제어 하여 계절과 병해충, 장소에 관계없 이 안정적으로 농산물을 공산품처럼 계획적으로 연속 생산 할 수 있는 시스템으로 우리나라는 외국에 비해 30년 정도 늦은 1990년대부터 도입하기 시작하여 1993년 양액재배에 의한 시설채소의 육모공장의 상업화, 농촌진흥청 고령농업 연구 센터에서 부분제어형 식물 공장 시스템으로 무병주 씨 감자를 생산하는 등으로 발전되어 왔다.

식물 공장은 시설에 대한 구성요소의 차이와 제어수준에 따라 부분제어형 식물공장과 완전제어형 식물공장 으로 구 분 할 수 있지만(Kim, 1999; Kim, 2010), 식물 재배 시 경 비가 많이 드는 단점에도 불구하고 실용화를 위하여 재배할 작물의 경제성 확보가 중요하여 고급야채류 또는 약용 식물 등의 고부가가치의 환금 작물을 재배하는 것이 중요하다고 할 수 있다.

인삼은 비교적 낮은 광도에서 재배되는 반음지성 작물로 작사광선, 고온과 과습 등의 환경장해와 근부병 등의 의한 연작장해가 매우 심한 작물로 재배면적이 2009년에 비하여 2013년에 약 20% 재배면적이 감소되는 경향을 보이고 있 다(Seong et al., 2014; MAFRA, 2014). 또한 인삼은 해가 림으로 재배되고 있기 때문에 광 부족으로 동화작용이 부진 하여 근부의 비대가 저조해지며 광량이 지나치게 많으면 엽 록소의 분해로 근부의 비대가 저조하여 인삼의 뿌리 수량이 낮아지는 원인으로 알려져 있다(Cheon et al., 1991). Lee (2007)는 인삼의 수확량을 높이기 위해서는 건전한 잎을 오 래 지속시키고 광합성 작용에 최적 조건을 조성하여 물질 생산을 증대시키는 것이라고 하였으며 Kim et al. (2009)는 인삼의 건전한 잎을 오래 유지시키는 것 광합성 시간을 증 가시키는 방법이 더욱 효과적일 것으로 하였는데 인삼잎의 광합성 기간의 연장을 위하여 인삼의 생육에 최적의 환경을 제어할 수 있는 완전 제어형 식물공장이 그 대안으로 대두 되고 있다(Kim et al., 2009). 식물공장에서 재배한 인삼은 밭 인삼보다 생육기간의 단축(Cheon et al., 1991), 사포닌 함량의 증대(Kim et al., 2009)등의 보고가 있다. 또한 LED 청·적색 혼합 광 조사 시 다채의 어린잎 생육량를 증가시킬 뿐만 아니라 Penol, flavonoid 함량이 증가(Kim et al., 2013), 고추냉이에서도 청·적색 혼합 광 조사할 때, 단색광에 비해 식물의 생장과 발달에 효과적이라 하였고(Kim et al., 2013), Eucalyptus에 청·적색 혼합 광을 조사 하였더니 적색광에 비 해 생체중, 엽수, 뿌리 발생률이 증가하였다고 한다(Tanaka, 1999). 따라서 본 실험은 LED 청·적색광을 혼합 조사하여 2년근 인삼의 생육과 진세노사이드 함량에 미치는 영향을 분석하여 식물공장에서 인삼을 재배할 때 적절한 청·적색 LED 혼합비율을 찾아 친환경적이며 고품질의 인삼을 생산 할 수 있는 가능성을 알고자 실시하였다.

재료 및 방법

본 실험은 충청남도 농업기술원 금산 인삼약초 시험장에 구입한 묘삼(품종: 자경종)을 스티로폼 포트(L×W×D:495× 315×215 mm)에 6×9 cm간격으로 2013년 3월 15일에 이식 하였다. 재배시설은 4.4 m×5.8 m×3.8 m의 방안에 너비 1.6 m, 길이 2.6 m, 높이 2.4 m의 이층선반을 4등분하여 청색광(BL, 450 nm)과 적색광(RL, 660 nm)의 LED조명을 1:1, 1;2, 1:3, 그리고 1:4의 비율로 설치하였고 외부 빛 차단 및 빛의 반 사율을 높이기 위해 흰색반사필름으로 둘렀다. LED조명을 점등한 시간은 오전 6시부터 오후 6시까지 12시간의 광주 기로 하였으며, 재배시설 내부의 습도는 65~70%, 온도는 20~25°C으로 유지하였다. 광량은 Quantum semsor (Li0190SA, U.S.A)를 이용하여 측정한 결과 Table 1과 같이 청색과 적 색 LED 비율이 1:1은 61.21μmol s^-1m^-2였으며 1:2는 68.55 μmol s^-1m^-2, 1:3은 63.85μmol s^-1m^-2, 그리고 1:4는 62.41 μmol s^-1m^-2였다.

상토는 수분 50±10%, 용적밀도 0.3±0.15 mg/m³, PH는 5~7, ES는 0.6이하인 인삼전용상토를 사용하였다. 생육조사는 이 식 후 약 4개월 후인 7월 15일에 경장, 경직경, 잎면적, 지 상부 건물중을 측정하였으며 지하부는 6개월 후인 10월 중 순에 근경, 근직경, 근중 등을 측정하였다. 사포닌 추출과 분석은 인삼분말시료 2 g에 50% MeOH을 30 ml 첨가하여 ultrasonic bath (Powersonic 410)에 넣은 후 15분 동안 초 음파 추출한 후 여과 하였다. 같은 방법으로 총 2회 추출한 여과액을 100 ml 정용 플라스크에 담아 부피를 정확히 100 ml 로 맞춘다. Sep-pak Plus c18 cartidge를 먼저 3 ml MeOH 로 서서히 용출 시켜 조정한 후 다시 3 ml dd-H₂O로 2차 조정한 후 이전에 준비된 추출 시료액 1 ml를 cartridge에 loading 하고 10 ml dd-H₂O로 서서히 용출하여 극성이 높 은 당류 등을 제거한 다음 이 cartridge에 2 ml MeOH를 처 리하여 서서히 ginsenoside 성분을 용출 시키는데 이때 용출 액 2 ml EP tube에 받은 다음 EP tube에 용출된 시료액을 포 함하여 정확히 부피가 2 ml가 되도록 MeOH로 조절한 후 시료액은 0.45 μm membrane filter로 여과한 후 이 시료액을 autosampler vial에 옮겨 HPLC분석을 실시하였다. HPLC은 NS-4000 (Futecs, Korea)에 ELSD Detector 300s (Soft, USA) 를 사용하였다. 칼럼은 Prontosil NC (250×4.6 mm)였으며, 시 료는 5 μm PVDF filter (Whatman)로 여과한 후에 20 ㎕씩 주입하였으며 용매는 A (Water : Acetonitrile = 97 : 3), B (20 mM Ammonium acetate : Acetonitrile :Methanol = 55 : 40 : 5), C (Acetonitrile :Water =90 : 10)를 사용하였다. 이 동상의 유속은 0.8 ml/min, 칼럼온도는 35°C로 분석하였다.

결과 및 고찰

인삼 지상부 및 지하부 생육 특성

광 처리에 따른 인삼 지상부 생육 변화는 Table 2와 같다. 경장은 BL과 RL의 비율이 1:4에서 8.74 cm를 보였고, 1:2 비율에서 8.66 cm, 1:1 비율은 8.37 cm, 그리고 1:3의 비율 이 8.08 cm로 처리간에 유의한 차이를 보였으며 특히 BL과 RL의 비율이 1:4에서 다른 처리에 비하여 1~8% 증가하는 경향을 보였다. 경직경은 BL과 RL의 비율이 1:1과 1:2 처 리가 상대적으로 두꺼운 경향을 보였다. 엽면적은 BL과 RL 의 비율이 1:1 처리에서 63.29 cm²으로 가장 넓었으며, 1:3 의 비율이 54.81 cm²로 가장 낮은 경향을 보였다. 또한 인 삼의 지상부 건물중은 BL과 RL의 비율이 1:1에서 1.48 g로 1:2, 1:3 그리고 1:4 보다 상대적으로 높은 경향을 보였다.

Table 2.

Growth characteristics of top parts of ginseng in different light-conditions.

BL : RL† ratio	Stem length (cm)	Stem diameter (mm)	Leaf area (cm2 plant-1)	Top dry matter (g plant-1)
1:1	8.27ab‡	2.03a	62.18a	1.48a
1:2	8.56a	2.02a	56.09b	1.30b
1:3	8.02b	1.80c	54.61c	1.22b
1:4	8.54a	1.93b	57.51b	1.30b

†BL : Blue LED, RL : Red LED
‡Mean separation within columns by Duncan's multiple range test at 5% level

한편, BL과 RL 비율에 따른 인삼 뿌리의 근장은 BL+RL 비율이 1:2에서 18.63 cm로 가장 길었으며 1:4 비율이 17.11 cm으로 가장 작았으며 근경은 4가지 처리 모두 유의적인 차이를 보이지 않았지만 인삼 근중은 BL+RL 비율이 1:3에 서 3.94 g으로 가장 높았으며 상대적으로 BL과 RL 비율이 1:2이나 1:4가 적게 나타나 인삼 묘삼의 LED 효과를 얻게 위하서는 청색광과 적색광의 비율이 1:3의 비율로 재배해야 할 것으로 생각되었다(Table 3, Fig. 1).

Table 3.

Growth characteristics of ginseng root in different light-conditions.

BL : RL† ratio	Root length (cm)	Root diameter (mm)	Root dry matter (g plant-1)
1:1	18.46a‡	9.52a	3.66b
1:2	18.63a	8.92b	3.13b
1:3	18.58a	10.09a	3.94a
1:4	17.11b	9.03a	3.43b

†BL : Blue LED, RL : Red LED
‡Mean separation within columns by Duncan's multiple range test at 5% level

Fig. 1.

Growth Characteristics of ginseng root by different blue and red LED light ratio.

적 요

LED 청색광과 적색광을 2년근 인삼에 대하여 혼합 처리 하여 생육 반응과 진세노사이드 함량에 미치는 영향을 알아 본 결과 인삼의 지상부의 엽면적과 건물중은 청색광과 적색 광의 비율이 1:1 처리에서 상대적으로 가장 높았으나 인삼 뿌리의 건물중은 1:3 비율이 가장 컸다. 진세노사이드 함량 은 지상부은 청색광과 적색광 비율이 1:1에서 가장 높았지 만 인삼 뿌리의 함량은 1:1 비율이 가장 낮았다.