Growth Characteristics and Potential for Health Promotion of Cabbage and Radish Treated with Nutrient-Enhanced Effective Microorganisms Powder

영양 강화 유용미생물 분말 처리에 따른 배추와 무의 생육특성 및 건강증진 활용 가능성

Abstract

Purpose : Kimchi, a traditional Korean food, is gaining global recognition for its health benefits. In response to the changing agricultural landscape, including climate change, decreasing farmland, and soil desertification, the efficient cultivation of golden napa cabbage (GC), radishes, and turnips is increasingly necessary for use as food ingredients. Therefore, this study aims to investigate the cultivation of napa cabbage and radish using nutrient-enhanced effective microorganism (EM) powder and assess its quantitative and qualitative effects, and potential effects on human health. Methods : A mixture extracted from fruit pomace, seaweed, perilla seed cake, and eggshells, combined with six types of EM, Bacillus subtilis, Bacillus velezensis (GH-13), Lactobacillus plantarum, Rhodobacter sphaeroides (GT), Chlorella sp., and Bacillus thuringiensis (BT), was used to cultivate NC, GC, radishes, and turnips over 10 weeks as an alternative to chemical fertilizers. The weight of each crop was measured, while its active ingredients, inorganic compounds, and dietary fiber content were analyzed to predict the effects of cabbage and radish consumption on human health. Results : In GC, the content increased by 40 %. Potassium levels significantly increased in all crops, while magnesium showed the greatest increase in radish. Additionally, dietary fiber content generally increased. The experimental fertilizer group, which included nutrient-enhanced EM powder, demonstrated both quantitative and qualitative effects on NC, GC, radishes, and turnips. Vitamin C content exhibited the most significant increase in radish at 16 %. Calcium content in NC increased by 22 %. Conclusion : The results suggest that nutrient-enhanced EM powder supports the environmentally friendly production of high-quality cabbage and radish, highlighting its potential for organic farming. Furthermore, the active ingredients in these crops are expected to have positive effects on human health.

Ⅰ. 서론

배추는 네 개의 꽃잎이 십자 형태로 자라는 특징을 가지는 십자화목의 과이다. 무, 갓, 배추, 케일과 겨자, 청경채 등의 식용 작물이 이 분류에 속하는데 특히 배추와 무는 한국인들에게는 없어서는 안 될 식재료이다. 한국인의 밥상에서 빼놓을 수 없는 부식이자 한국을 대표하는 음식인 김치를 만드는 주재료이기 때문이다(Cheigh 등, 1994). 1980년대 이후로 급속한 경제발전과 더불어 우리 고유의 문화와 음식이 해외로 퍼지기 시작하였고 그 중 김치가 발효과정에서 만들어내는 Lactobacillus, Leuconostoc, Weissella와 같은 유익한 미생물과 비타민, 프로바이오틱스 등의 효능이 알려지면서 더욱 많은 관심을 받으며 세계적으로 슈퍼푸드로 인정받고 있다(Kim 등, 2023; Park 등, 2014; Surya & Nugroho, 2023). 그러나 김치의 주재료인 배추와 무는 주로 노지에서 재배하는 작물로 기후 환경의 영향을 많이 받는다. 특히 고온과 건조한 환경은 배추와 무의 생육 저하 및 결구 불량 등으로 생산량을 급격히 감소시킨다(Chae 등, 2024; Lee 등, 2021; Swe 등, 2022). 2024년 여름은 전 세계적으로 유난히 더웠으며 9월 추석은 폭염 추석, 열대야 추석으로 불릴 만큼 늦더위가 기승을 부렸다. 일반적으로 배추와 무 모종은 8월 하반기에 정식하게 되는데 이에 차질이 생긴 농가가 많아질 수밖에 없었고, 2024년 정부비축 사업으로 비축된 여름 배추 물량은 전년 대비 51.5 % 줄어든 탓에 배추 한 포기가 1만원에 육박하는 상황이 발생했다. 가격조사기관에 따르면 올해 배추 공급이 줄어들면서 김장철 배추 가격이 포기당 처음으로 9,000원을 넘을 것으로 예상하였으며(Korea Price Research Center, 2024), 정부는 2년 만에 중국산 배추 1,100톤을 긴급 수입하는 사태까지 초래했다. 우리나라 전통음식인 김치를 중국산 농산물로 만드는 일은 매우 아이러니한 일이 아닐 수 없다. 최근 급변하는 이상기후로 인해 농산물의 생산량을 예측하는 일은 더욱 힘들어짐에 따라 이를 대비하기 위한 대책이 필요한 실정이며 우리 땅에서 자란 작물로 만든 우리나라 전통의 김치 효능을 활용하여 세계화하는 노력이 필요하다. 또한 Johns와 Pine(2002)에 따르면 건강에 관한 관심이 증가함에 따라 건강한 먹거리를 선호하며 각 식재료가 건강에 미치는 영향을 고려하는 인구가 늘어남에 따라 해당 작물이 인체에 유익한지 과학적 관점에서 살펴봄으로써 작물을 고품질화 할 필요가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 영양성분을 강화한 혼합물과 1 %glycerol 보존제를 함유한 유용미생물 분말 6종(특허출원번호: 10-2022-0182085, 영양성분이 강화된 분말형태의 유용미생물 비료 제조 방법)을 이용하여 배추와 무의 생육을 용이하게 하여 효율 재배의 가능성을 확인하고자 하였다. 더불어 작물 내 함유된 유효성분과 무기물 및 식이섬유 함량을 분석하여 배추와 무를 섭취하였을 때 인체에 미치는 영향을 예측하였다.

Ⅱ. 연구방법

1. 재배방법

충청남도 천안시 동남구에 위치한 대형마트에서 둔포육묘장에서 재배된 배추(Brassica rapa var. glabra)와 황금배추(Brassica rapa subsp. pekinensis[Lour.] Hanelt), 무(Raphanus sativus L), 순무(Brassica rapa subsp. rapa)를 구매하여 2024년 8월 31일에 충청남도 천안시 동남구 광덕면 소재의 노지 텃밭에 모종을 정식하였다. 이때 모종은 수돗물을 처리하는 대조군과 실험군으로 수돗물에 영양성분을 강화한 유용미생물 분말을 20,000배 희석한 농도로 용해하거나, 상용화된 일반비료(Multical, Biocrops, Korea)를 수돗물에 10,000배 희석한 농도로 용해하였다(Heo, 2024a; Heo, 2024b). 그 후 각각 30 ㎖씩 10분간 담근 후 정식하였다. 재식거리는 30 ㎝×30 ㎝이다(n= 20).

2. 생체중량 측정

각 개체의 생체중량은 모종을 정식하고 10주 후 배추, 황금배추, 무, 순무의 총체를 수확하였다. 배추와 황금배추는 뿌리를 포함한 지하부를 절단한 후 지상부만의 무게를 3회 반복 측정하여 평균값을 계산하였으며 무와 순무는 무청으로 불리는 지상부를 절단한 후 나머지 지하부 무게를 배추와 동일한 방법으로 측정하였다(LD2012-10, Lodus, China).

3. 엽록소 측정

각각 5번째 겉엽의 가장자리에서부터 5 ㎝ 떨어진 부위를 정사각의 10 ㎠ 크기로 잘라 25 ℃ 회전식 식품건조기(LID-16SR, Foshan Topone Electrical Appliances Co., Ltd, China) 에서 하루 동안 말린 후 DMSO를 10 ㎖ 추가하여 60 ℃에서 1시간 동안 배양하였다. 663 ㎚와 645 ㎚에서 흡광도를 측정하여(UV-VIS SM1200, AZZOTA, USA) 엽록소 a 함량은 Chl a= 0.0127A663-0.0269A645, 엽록소 b 함량은 Chl b= 0.0229A645-0.0269A645, 총 엽록소 함량은 C_total= 0.008046A663+0.02029A645식으로 계산하였다(Choi 등, 2024).

4. 총 폴리페놀 측정

각 그룹별 배추, 황금배추, 무, 순무를 무작위로 10구씩 정중앙부를 40 ㎜ 두께로 종단으로 절단하고(ASV-IV8000, Bandi, China), Folin-Denis 방법을 이용하여 총 폴리페놀을 측정하였다. 각 시료 2 ㎎/㎖을 0.2 N Folin Ciocalteu’s phenol reagent 10 ㎖첨가하여 5분간 반응시키고 7.5 % Na2CO3 8 ㎖을 첨가 후 암소에서 1시간 동안 정치 후 760 ㎚에서 흡광도를 측정하였다. 표준곡선 작성을 위한 standard reagent는 tannic acid로 하였으며(A760-0.183)/0.006의 식에 대입하여 총 폴리페놀 함량을 계산하였다(An 등, 1998; Hwang 등, 2012).

5. Vitamin C 측정

총 폴리페놀 분석 시 사용한 동일 시료를 vitamin C 함량 분석을 KOTITI 시험 연구원에 의뢰하여 2.4-디니트로페닐하이드라진(dinitrophenyl hydrazine; DNPH)에 의한 정량법으로 분석하였다(Lambda25, PerkinElmer, USA).

6. 무기물 측정

총 폴리페놀 분석 시 사용한 동일 시료를 대상으로 칼슘, 칼륨, 마그네슘 측정을 위해 한국농업기술진흥원에 의뢰하여 식품의약품안전처 고시에 따라 건식회화법과 유도결합플라즈마-발광광도법을 변형하여 분석하였다(Optima 8300, Perkin Elmer, USA).

7. 총 식이섬유

총 폴리페놀 분석 시 사용한 동일 시료를 한국농업기술진흥원에 의뢰하여 효소-중량법의 총 식이섬유 함량 측정법을 이용하여 총 식이섬유 함량을 분석하였다.

Ⅲ. 결과

1. 작물의 무게

정식 10주 후 각 작물의 양적 성장 변화를 관찰하기 위해 배추의 지상부 무게를 측정한 결과 일반배추는 대조군과 비교하였을 때 일반비료군과 실험비료군에서 모두 소폭 증가하였으나 유의적인 수준은 아니었다. 황금배추의 경우 일반비료군과 실험비료군에서 각각 4756.60 g과 4839.20 g 으로 대조군 3633.60 g에 비해 30 %, 33 % 무게가 증가하는 유의성을 보였다. 무는 일반비료군과 실험비료 시비시 1.9 ㎏이상으로 대조군에 비해 48 % 유의적으로 증가하였고 순무 또한 각 비료군에서 750 g이상의 무게로 대조군에 비해 90 % 큰 폭으로 증가한 결과를 보였다(Table 1).

Table 1. Average of weight (g)

***p<.001, CTL; control, GF; general fertilizer, TF; test fertilizer

2. 엽록소 함량

엽록소 a, 엽록소 b, 총 엽록소를 측정한 결과 Fig 1과 같이 일반배추는 실험비료 시비시 엽록소 a 함량은 53.83 g/ℓ로 대조군에 비해 1.8배, 총 엽록소 함량은 41.42 g/ℓ로 1.25배 유의미하게 증가하였다. 황금배추는 실험비료 시비시 엽록소 b 함량이 27.27 g/ℓ로 대조군에 비해 1.32배 유의미하게 증가하였다. 무와 순무는 일반비료와 실험비료 시비시 엽록소 a, 엽록소 b, 총엽록소 함량이 대체로 증가하였지만 유의적인 수준은 아니었다.

Fig 1. Average chlorophyll concentrations (㎎ (100 g)-1) of chlorophyll. The data shows the changes in average chlorophyll concentrations and standard deviation of 20 cabbages and radishes (A) Napa cabbage, (B) Golden cabbage, (C) Radish, (D) Turnip. * p<.05, **p<.01 and ***p<.001 represent a significant difference compared with the control group, Total Chl; total chlorophyll, Chl a; chlorophyll a, Chl b; chlorophyll b, CTL; control, GF; general fertilizer, TF; test fertilizer

3. 총 폴리페놀 함량

배추와 황금배추는 일반비료 시비 시 폴리페놀 함량을 Folin-Denis 방법을 이용하여 분석한 결과 Fig 2와 같이 각각 158.48 ㎎/g 204.75 ㎎/g으로 대조군에 비해 16 %, 11 % 유의적으로 높게 측정되었고, 무는 일반비료 시비 시 160.86 ㎎/g, 실험비료 시비시 184.64 ㎎/g으로 대조군에 비해 8 %, 14 % 유의적으로 높게 측정되었다. 순무는 실험비료 시비시 221.69 ㎎/g으로 대조군에 비해 12 % 유의적으로 높게 측정되었다.

Fig 2. Average concentrations (㎎/g) of total polyphenol. The data shows the changes in average and standard deviation of 20 cabbages and radishes. * p<.05, **p<.01 and ***p<.001 represent a significant difference compared with the control group, NC; napa cabbage, GC; golden cabbage, R; radish, T; turnip, CTL; control, GF; general fertilizer, TF; test fertilizer

4. Vitamin C 함량

황금배추의 vitamin C 함량을 2.4-디니트로페닐하이드라진(dinitrophenyl hydrazine; DNPH)에 의한 정량법을 이용하여 대조군과 비교한 결과 Fig 3과 같이 일반비료군에서 35.93 ㎎·100 g-1fw, 실험비료군에서는 34.84 ㎎·100 g-1fw으로 모두 유의적으로 증가하였으며 무의 vitamin C 함량 또한 일반비료군에서 36.34 ㎎·100 g-1fw으로 28 %, 실험비료군에서 36.79 ㎎·100 g-1fw으로 유의적으로 증가하였다.

Fig 3. Average concentrations (㎎·100 g-1fw) of vitamin C. The data shows the changes in average and standard deviation of 20 cabbages and radishes. * p<.05, **p<.01 and ***p<.001 represent a significant difference compared with the control group, NC; napa cabbage, GC; golden cabbage, R; radish, T; turnip, CTL; control, GF; general fertilizer, TF; test fertilizer

5. 무기물 함량

각 작물 내 포함된 유효성분 중 무기물 함량을 식품의 약품안전처 고시에 따라 분석한 결과 Fig 4와 같이 칼슘 함량은 배추에 실험비료를 처리하였을 때 127.79 ㎎/100 g으로 대조군에 비해 22 % 증가하였고 황금배추에 일반비료와 실험비료를 처리하였을 때 각각 101.59 ㎎/100 g, 104.96 ㎎/100 g으로 대조군에 비해 36 %, 40 % 큰 폭으로 증가하는 유의성을 보였다. 그러나 무, 순무에서는 대조군과 비슷한 양의 칼슘을 함유하고 있었다. 칼륨 함량은 네 가지 작물에서 모두 실험비료를 처리한 경우 큰 폭으로 유의적 증가를 보였다. 특히 무에 실험비료를 처리한 경우 314.97 ㎎/100 g으로 63 % 증가하였다. 마그네슘 함량은 네 가지 작물에서 대부분 증가하는 경향을 보였으나 무에 실험비료를 처리한 경우만 유의성이 나타났다.

Fig 4. Average concentrations (㎎/100 g) of mineral. The data shows the changes in average and standard deviation of 20 cabbages and radishes. (A) Calcium, (B) Potassium, (C) Magnesium. * p<.05, **p<.01 and ***p<.001 represent a significant difference compared with the control group, NC; napa cabbage, GC; golden cabbage, R; radish, T; turnip, CTL; control, GF; general fertilizer, TF; test fertilizer

6. 식이섬유

Fig 5와 같이 식이섬유 함량은 네 가지 작물 중 배추에 일반비료를 처리한 경우만 2.19 g/100 g으로 대조군에 비해 15 % 증가하여 유의성을 보였다.

Fig 5. Average concentrations (g/100 g) of dietary fiber. The data shows the changes in average and standard deviation of 20 cabbages and radishes. * p<.05, **p<.01 and ***p<.001 represent a significant difference compared with the control group. NC; napa cabbage, GC; golden cabbage, R; radish, T; turnip, CTL; control, GF; general fertilizer, TF; test fertilizer

Ⅳ. 고찰

한국의 대표 전통 음식 중에서 하나만 꼽으라고 하면 단연 김치일 것이다. 한국인들에게 김치는 단순한 음식 이상의 의미를 가지며 문화와 전통을 상징하는 중요한 요소이다. 김치는 채소를 소금에 절여 보존하는 방식에서부터 비롯되어 조선시대에 들어서 매운 고추를 사용한 매운 김치가 보편화되었다(Lee & Ahn, 1995; Lee 등, 2014). 오늘날 김치는 다양한 효능이 밝혀짐에 따라 우리나라에서 뿐만 아니라 세계적인 관심을 받으며 글로벌 푸드로 자리매김하고 있다(Jung 등, 2011; Jung 등, 2014; Lee, 2008). 2013년 한국의 김장문화는 제8차 유네스코 무형문화유산 위원회에서 세계 인류무형문화유산에 등재된 바 있다(Surya & Lee, 2022). 김치의 사회문화적인 의미와 소비량은 우리나라가 더 많지만 중국의 제조기술의 발달, 저렴한 인건비와 생산비로 인해 생산량과 수출량은 중국이 더 많은 실정이다(Kim 등, 2006). 중국에서 생산한 김치는 세계 여러 각 국으로 수출되며 아이러니하게도 우리나라로 수입되기도 한다. 우리의 전통을 지키기 위한 노력이 절실하며 이를 위해서는 무엇보다도 김치의 기본 재료가 되는 배추, 무 등을 안정적으로 재배하여 공급하는 것이 뒷받침되어야 할 것이다. 더불어 건강과 환경에 대한 소비자들의 관심이 높아짐에 따라 비료와 농약 사용을 최소화하여 작물의 품질 경쟁력을 높일 필요가 있다. 그러므로 본 연구에서는 화학비료 대신 과일박, 김, 깻묵, 계란 및 전복의 껍데기에서 추출한 혼합물과 고초균(Bacillus subtilis), GH-13(Bacillus velezensis), 유산균(Lactobacillus plantarum), 광합성균(Rhodobacter sphaeroides), 클로렐라(Chlorella sp.), BT균 (Bacillus thuringiensis)을 동결건조하여 분말화한 것을 이용하여 친환경적으로 효율적인 유기농 농산물의 재배 가능성을 확인하고자 하였다. 황금배추는 상용화된 비료를 시비한 일반비료군과 영양성분이 강화된 유용미생물을 첨가한 실험비료군에서 각각 30 %, 33 %로 무게가 증가하는 유의성을 보였다. 무는 일반비료군과 실험비료 시비시 1.9 ㎏이상으로 대조군에 비해 48 % 유의적으로 증가하였고 순무 또한 대조군에 비해 90 % 이상으로 큰 폭으로 증가한 결과를 보였다. 그 이유는 Heo( 2024a)의 연구에서 밝혀진 바와 같이 열매를 맺고 성장하는데 필요한 주요성분인 인산과 칼륨을 영양성분을 강화한 유용미생물 분말이 충분히 함유하고 있었기 때문으로 사료된다. 식물의 광합성 과정에서 빛을 흡수하여 에너지를 생성하는 데 필요한 주요 성분인 엽록소의 함량은 특히 배추에서 큰 폭으로 증가하는 결과를 볼 수 있었는데, 일반배추에 실험비료를 시비시 엽록소 a 함량이 1.8배, 총 엽록소 함량은 1.25배 유의미하게 증가하였다. 황금배추는 실험비료 시비시 엽록소 b 함량이 대조군에 비해 1.32배 증가하였다. 이로서 각 배추에 영양성분이 강화된 유용미생물 처리로 인해 효율적인 광합성이 유도되며 작물의 원활한 생장이 일어난 것으로 볼 수 있다. 총 폴리페놀 함량은 일반비료와 실험비료를 시비 시 모두 증가하는 경향을 보였는데 특히 무와 순무에는 실험비료 시비 시 일반비료를 시비한 경우보다 더 증가폭이 높았으며 vitamin C 함량 또한 무에 실험비료를 시비 했을 때 더 많이 함유하고 있는 것으로 나타났다. 실험비료 시비 시 배추는 칼슘 함량이 22 %, 황금배추는 40 %로 크게 증가하였고 칼륨 함량은 모든 작물에서 유의적 증가를 보였으며 마그네슘 함량은 무에서 가장 큰 폭으로 증가하였다. 이로써 본 영양성분이 강화된 유용미생물분말을 처리함으로서 재배 작물이 양적, 질적으로 모두 향상되는 결과를 확인할 수 있었다. 농작물의 양적증가효과는 기후변화, 농업환경의 변화 등에 따른 작물생산량의 감소에 대응할 수 있는 고무적인 결과라 할 수 있다. 또한 칼슘이 많은 음식을 섭취하는 것은 뼈, 심장에 도움이 되며(Chung 등, 2016), 칼륨 섭취를 늘리면 고혈압 환자의 혈압이 감소하고 뇌졸중 위험이 감소하며 성인의 혈중 지질 농도, 카테콜아민 농도, 신장 기능을 정상으로 유지하도록 돕는 것으로 나타났다(Aburto 등, 2013; D'Elia 등, 2011). 마그네슘 섭취는 제2형 당뇨병 발병과 반비례 관계임이 밝혀짐에 따라 마그네슘이 풍부한 식품을 섭취하면 제2형 당뇨병의 위험을 줄일 수 있음을 시사한다(Larsson & Wolk, 2007). 더불어 Kim 등(2019)과 Tarsitano 등(2024)은 활동량이 많거나 강렬한 운동을 하는 사람은 마그네슘 요구량이 10~20 % 더 높으며 인지기능, 집중력 및 운동 경기력에 영향을 미치는 것으로 나타남에 따라 마그네슘이 풍부한 음식 섭취를 통해 혈중 마그네슘 수치를 권장범위내로 잘 유지할 필요가 있다고 언급했다. 엽록소, 폴리페놀, vitamin C, 무기물과 식이섬유 함량이 높은 배추와 무를 식재료로 하여 만든 음식은 항산화, 항염을 비롯한 다양한 인체 내 긍정적인 효과를 가질 것으로 기대한다. 또한 유기농 재배를 위해 각종 시설과 재료를 구비하는데 상당한 비용이 들지만 본 영양성분을 강화한 유용미생물분말은 각종 농수산부산물을 활용한 것으로 별도의 시설과 비용이 들지 않을 뿐만 아니라 각종 식자재 폐기물 감소에 기여함으로써 환경적으로도 유익한 효과를 가진다. 장기간 화학비료를 사용하게 되면 토양이 산성화되어 칼슘, 마그네슘과 같은 주요 영양소의 흡수가 어려워져 농작물 성장에 영향을 주게 되는데 본 영양성분을 강화한 유용미생물분말을 사용하면 토양 건강과 생태계의 균형을 유지할 수 있다. 이에 따라 친환경 농업을 실현할 수 있으며 보다 다양한 작물을 대상으로 고품질의 지속가능한 친환경 유기농 작물 생산이 가능할 것으로 사료된다.

Ⅴ. 결론

우리나라 전통의 대표음식인 김치의 주재료가 되는 배추와 무를 친환경적으로 재배하며 급변하는 이상기후에도 효율적으로 대응할 수 있는 농업 기술이 요구됨에 따라 영양성분을 강화한 유용미생물 분말을 이용하여 배추와 무의 생육을 용이하게 하는 효율 재배의 가능성을 확인하고자 하였다. 일반비료와 영양성분이 강화된 유용 미생물 분말인 실험비료를 처리하며 10주간 재배한 결과 중량이 증가하는 양적효과와 엽록소, 총 폴리페놀, 비타민 C, 무기물, 식이섬유가 증가하는 질적 효과를 관찰할 수 있었다. 작물의 유효 활성 성분은 인체 건강에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 사료된다. 영양성분을 강화한 유용미생물 분말은 각종 농수산부산물을 활용한 것으로 경제적, 환경적으로 유익한 효과를 가지며 보관과 이동, 사용 방법이 간단하여 작물을 재배하고자 할 때 쉽고 간편하게 친환경, 유기농 재배를 실현할 수 있을 것으로 기대한다.