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ISSN : 1225-8504(Print)
ISSN : 2287-8165(Online)
Journal of the Korean Society of International Agricultue Vol.29 No.4 pp.400-407
DOI : https://doi.org/10.12719/KSIA.2017.29.4.400

Changes in Functional Materials and Antioxidant Activity according to Cultivation Environment in the Grain of Sorghum ‘Donganme’

MyeongEun Choe*†, JeeYeon Ko*, SeukBo Song*, ChangHwan Park*, JongCheol Ko**, DoYeon Kwak*
*Department of Southern Area Crop Science, NICS, RDA, Miryang 50424, Korea
**Research and Planning Div., NICS, RDA, Jeonju 55365, Korea
Corresponding author : +82-55-350-1244cme0807@korea.kr
20170929 20171122 20171127

Abstract

Sorghum is a rich source of various phytochemicals including phenolic compounds that have potential to significantly benefit human health. Phytochemical production may be induced not only by genotype but also by a number of environmental factors including temperature and an amount of sunshine. The objective of this study was to determine the effect of planting dates and harvesting stages on the quality traits of ‘Donganme,’ a grain sorghum variety developed to produce high antioxidants. ‘Donganme’ was planted in three locations on four dates from early May to early July. Each planted fraction was harvested 35, 40, 45, 50, and 55 days after the head shooting date, respectively. The results showed that significant differences existed between the growth period and content of polyphenol and flavonoid. The sorghum harvested at 35 days after head shooting had the higher polyphenol and flavonoid content in all planting times and the tannin content was increased as the planting date was delayed. So the sorghum grown in late planting dates (July 5) had highest polyphenol content (2.07 gGAE/100g) at early harvesting (35 days) while late planting gave the low grain yield (1.3 ton/ha). Polyphenol index to average temperature during 35 and 45 days after heading of ‘Donganme’ showed that total polyphenol contents were decreased by 5.2% and 4.4%, respectively, with increasing average temperature of 1°C. And high correlation (R=0.85) was observed between accumulated temperature and the amount of polyphenol of ‘Donganme’, confirming the major contribution of the quality traits is temperature. To produce high quality grain from sorghum the relation between the yield and nutrition components must be considered simultaneously (i.e., Sorghum produced the highest polyphenol and flavonoid when planted in June 15 and harvested at 40 to 45 days after head shooting .


재배환경에 따른 ‘동안메’수수의 기능성물질 및 항산화활성 변화

최명은*†, 고 지연*, 송 석보*, 박 장환*, 고 종철**, 곽 도연*
*농촌진흥청 남부작물부
**식량과학원 기획조정과

초록


    Rural Development Administration
    PJ012255022017

    서 언

    최근 건강에 대한 관심의 증가로 전세계적인 기능성 식품 소재 연구 증가추세 가운데 수수의 기능성에 대한 연구도 활 발히 추진되고 있다. 수수의 종실은 흰색, 노랑, 빨강, 주황, 갈 색, 검정 등 색이 다양한데. 흰색, 노랑, 빨간색의 발현은 유전 자의 영향을 받지만 진하기와 밝기는 과피의 색과 두께, 배유 의 색과 종피의 유무에 영향을 받는다(Rooney & Miller, 1982, Rooney, 2000). 일반적으로 흰수수는 탄닌이나 안토시아 닌, 페놀함량이 낮고, 붉은수수는 과피에 페놀함량이 많으며, 검정수수는 안토시아닌의 함량이 높고, 갈색수수는 탄닌 함량 이 높은 것으로 알려져 있다(Awika & Rooney, 2004).

    수수가 가지는 탄닌, 페놀산, 안토시아닌, 파이토스테롤, 폴 리코사놀 등 다양한 생리활성 물질(phytochemical)은 항산화성 을 높이고 콜레스테롤을 낮춰 심혈관 질환 치료에 효과가 있 다고 알려져 있다(Awika & Rooney, 2004). 수수의 페놀은 주 로 phenolic acid와 flavonoids로 구성되어 있고 해충과 질병 으로부터 작물을 보호해주는 역할 뿐만 아니라 항산화, 항염 증, 항암효과가 있다는 연구 결과가 있으며(Bralley et al., 2008), 종실에 함유된 탄닌은 칼로리 이용성을 낮춰 비만예방 효과가 있다고 보고되고 있다(Barros et al., 2012).

    여러 가지 작물에서 생리활성물질은 광과 온도 같은 비생물 학적 요인에 따른 변이가 일어난다는 연구 결과가 있으며 (Christie et al., 1994; Leyva et al., 1995; Orczyk et al., 1996; Han et al., 2009, Dykes et al., 2009) 곰팡이 발생과 같은 생물학적 요인에 따른 플라보노이드 함량변이 연구가 수 행 된바 있다(Hipskind et al., 1990; Synder & Nicholson, 1990; Weiergang et al., 1996; Lo & Nichlson, 1998). Broomcorn의 경우 저온과 붉은광 조건에서 안토시아닌 함량 이 증가했으며(Shichijo et al. 1993) 미국에서 건강기능성 활 용을 위해 육성한 검정수수 Tx3362는 광량이 많을수록 3- deoxyanthocyanidins 탄닌과 페놀함량이 높다는 연구 결과가 있다(Pfeiffer & Rooney. 2015)

    일반적인 수수의 파종 한계기는 밀양기준으로 6월 20일이며 그에 따른 수확시기는 출수 후 45일 상간으로 알려져 있지만 품종, 파종시기 및 재배 조건에 따라 달라지므로 지역 및 파 종시기별 수확시기 설정이 필요하다. 특히, 국립식량과학원에 서 육성된 동안메는 항산화 및 항당뇨 활성을 가지고 있어 가 공이용 뿐 아니라 건강기능성 식품에 활용하려는 시도가 있지 만 환경에 따른 생리활성 물질 변이 정도는 분석된바 없다. 출수기 전후의 기상조건은 수수의 색깔뿐 아니라 기능성분 및 항산화 활성의 변화에 영향을 미치므로 본 연구에서 동안메의 파종 및 수확시기를 달리하여 기능성물질 발현 및 항산화 활 성변이를 분석하여 고품질 수수를 생산할 수 있는 재배관리기 술 확립을 위한 자료를 얻고자 수행하였다.

    재료 및 방법

    시험재료 및 재배방법

    시험재료는 고기능성 품종인 동안메를 밀양(35° 29′ 31.7″ N, 128° 44′ 31.0″ E), 원주(37° 12′ 55.9″ N, 128° 05′ 31.4″ E), 파주(37° 58′ 9.6″ N, 126° 56′ 54.7″ E) 3지역에 2016년 5월 5일, 5월 25일, 6월 15일, 7월 5일에 직파하였고 각 파종시기에 따른 출수기 차이에 따라 35일, 40일, 45일, 50일, 55일 등 5번에 걸쳐 수확하였다. 재식거리는 주간 20 cm, 조간 60 cm로 1휴 1열로 수수표준재배법으로 재배하였 다. 시험성적 분석은 지역을 주구, 파종시기를 세구, 수확시기 를 세세구로 하는 세세구배치 3반복으로 처리하였다.

    조사방법 및 내용

    조사항목은 농업 형태적 특성으로 출수기, 간장, 분지, 천립 중, 수량 등을 조사하였으며 이삭의 50%가 엽초에서 나오는 시점을 출수기로 하였다. 수량성은 구당 50주를 수확하여 13% 로 건조시켜 무게를 측정하였고, 수확 면적을 조사하여 10a로 환산하였다. 기능성 성분과 항산화 활성은 각 지역과 파종 및 출수기에 따라 수확된 종자를 사용하여 분석을 실시하였다.

    총 폴리페놀 및 플라보노이드

    총 폴리페놀 함량분석은 Folin-Ciocalteau colorimetric method(Choi et al., 2006)을 변형하여 분석하였다. 분쇄된 시료 2 g을 80% 메탄올 20 mL를 가하여 실온에서 24시간 진탕 추출한 다음 원심분리하여 상등액 10 μL를 취하였다. 10% folin-ciocalteu reagent 100 μL를 가하고 5분간 방치 한 후 7.5% Na2CO380uL를 첨가하고 30분 후 750 nm에서 spectrophotometer Reader (VERSAmax, Molecular devices, USA)로 흡광도를 측정하였다.

    플라보노이드 함량분석은 Zhishen et al., 1999의 방법을 변 형하여 측정하였다. 각 추출액 100 μL에 증류서 400 μL와 5% NaNO2용액 30 μL를 가하였다. 5분 방치한 다음 10% AlCl3·6H2O용액을 30 μL 가한 뒤 1분 방치하였다. 위의 반응 액에 1 M NaOH 200 μL와 증류수 240 μL를 가한 후 13,500 rpm에서 6분 동안 원심분리하여 상등액 200 μL를 취 하여 510 nm에서 흡광도를 측정하였다.

    항산화활성

    2, 2-diphenyl-1-picrylhydrazyl(DPPH), ABTS(2, 2′-azino-bis- 3-ethylbenzthiazoline -6-sulphonic acid) 라디칼 소거활성은 Trolox equivalent antioxidant capacity (TEAC) 분석법을 변 형하여 수행하였다(Khan et al., 2012). ABTS 측정법은 7.4 mM ABTS 용액과 2.6 mm Potassium persulfate 용액을 1:1 비율로 섞고 4°C 암조건에서 24시간 보관하여 ABTS 양이온 을 형성시킨 후 흡광도 값이 0.8~0.10이 되도록 증류수로 조 절하였다. 시료 20 μL에 시약 200 μL 첨가하고 30분동안 암 반응시킨 다음 Microplate Reader (VERSAmax, Molecular devices, USA)를 사용하여 735 nm에서 흡광도 값을 측정하였 다. DPPH 측정법은 0.2 mM DPPH 200 μL를 20 μL 시 료에 첨가한 뒤 30분간 암반응시킨 후 Microplate reader (VERSAmax, Molecular devices, USA)로 520 nm에서 흡광 도를 측정하였다.

    통계처리

    자료분석은 통계프로그램 R version 3.2.2을 이용하였고, 분 산분석(ANOVA) 및 다중검정(Duncan’s multiple range test) 으로 유의성 검정하였다.

    결과 및 고찰

    재배조건에 따른 동안메의 기능성 물질 함량 및 항산화활성 지역, 파종시기, 수확시기에 따른 각 특성조사 결과를 ANOVA분석한 결과 유의한 차이를 보였다(Table 1). 이것은 재배 지역(L; Location), 파종시기(P; Planting date), 수확시기 (H; Harvesting date)에 따라 수량, 폴리페놀, 플라보노이드와 항산화 활성이 영향을 받는다는 것으로 나타났다. L × P, P × H에 따라 수량, 초장, 폴리페놀, 플라보노이드 및 항산화 활 성이 유의성을 가지는 것으로 보아 파종시기와 수확시기가 이 들 형질에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었다.

    동안메의 파종 시기에 따른 세 지역의 폴리페놀, 플라보노 이드, 항산화 활성 평균결과는 Table 2와 같다. 파종시기별 기 능성분 함량 분석 결과 5월 25일 이후 함량이 증가하여 7월 5일 파종에서 가장 높았고(2.07 gGAE/100g) 수확시기가 늦어 질수록 항산화 활성이 낮아졌다. 수량은 6월 15일에서 가장 높았고(452.2 kg/10a) 7월 5일 파종에서 가장 낮았다(259.1 kg/10a). 수량과 기능성은 1,000립중과 관련이 있는데 수량이 낮고 기능성이 높은 7월 5일 파종 종자의 천립중이 가장 낮았 다. 이는 수수의 기능성 물질은 종피에 있기 때문에 종실이 미성숙하여 상대적으로 표면적의 비율이 높기 때문에 g당 함 량이 높다는 보고와 같은 경향을 보였다(Awika & Rooney, 2004). 그러나 5월 25일 파종의 경우 수확시기와 관계없이 모 두 동일한 수량성을 가지는데 이때에도 기능성물질은 수확시 기가 늦어질수록 낮아지는 경향을 보였다. 이는 수량성 이외 에 기능성 물질 생산에 영향을 미치는 요인이 있음을 추측할 수 있다.

    10a당 폴리페놀과 플라보노이드 함량을 비교한 결과 6월 15 일 파종 40일 수확에서 가장 안정적인 생산량을 가졌다(Fig. 1). 파종시기별 10a당 폴리페놀과 플라보노이드 생산량은 5월 5일과 5월 25일 파종에서는 거의 유사한 생산량을 가지다 7월 15일 파종에서 증가하였으나, 7월 5일 파종에서는 45일까지 증가하다 급격히 감소하는 추세였다.

    기상환경과 폴리페놀 함량의 상관관계

    밀양, 원주 파주지역의 출수 후 기온 변화는 Table 3와 같 다. 8월 평균기온은 밀양지역 21.7°C, 원주 20.7°C, 파주 19.7°C 이었고 9월 평균기온은 밀양 22.3°C, 원주 21.8°C, 파 주 21.1°C으로 0.5~0.7도 차이가 났다.

    평균 출수기는 위도가 낮은 밀양에서 출수기간이 가장 짧았 고 원주와 파주에선 파종시기에 따라 5월 5일>5월 25일>7월 5일>6월 15일 순으로 출수일수가 짧아졌으며 밀양에서는 5월 기상이 좋아 5월5일>7월 5일> 5월 25일>6월 15일 순으로 출 수일수가 짧았다(Table 4). 7월 5일 파종조건과 5월 5일 파종 조건을 비교했을 때 출수일수는 당겨졌지만 출수 후 30일, 35 일 수확 시 등숙이 불량했다. 밀양지역에서의 출수 후 환경요 인과 폴리페놀과의 상관관계를 나타낸 결과가 Fig. 2와 같다. 평균 적산온도, 적산일교차, 적산일사량, 적산강우량 중 평균 적산온도와 가장 높은 부의 상관관계를 가졌다. 동안메의 기 능성분인 폴리페놀의 함량은 출수 후 평균 적산온도가 누적 적산온도의 적산온도와 일사량이 높을수록 폴리페놀이 감소하 는 부의 상관관계를 가졌다(R=-0.85, R=-0.82). 각 파종시기별 기능성 물질 함량이 가장 높았던 재배지역과 수확시기의 함량 을 100으로 하고 각 파종 및 수확시기별 함량을 100에 대한 지수로 표시한 자료를 이용하여 각 기능성물질 함량지수와 이 에 대한 출수 후 수확시기까지의 평균기온과의 상관관계를 나 타낸 내용이 Fig. 3.에서 보는 바와 같이 부의 상관관계가 성 립하였다. 출수 후 35일 수확에서는 평균기온이 1°C 증가할 때마다 폴리페놀 함량은 약 5.2%, 45일 수확에서는 4.4% 감 소하였고, 55일 수확에서는 0.7%씩 증가하는 것으로 나타 났다. 55일 수확의 경우 파종시기에 따라 저온의 생육환경이 지속되어 폴리페놀 생성에 장해를 받은 결과로 판단된다. 이 러한 결과는 저온조건에서 안토시아닌과 플라보노이드 생합성 유전자가 유도된다는 연구결과 (Albert et al., 2009; Christie et al., 1994; Leyva et al., 1995; Padda & Picha, 2008)와 동일한 결과이다. 그러나 Pfeiffer & Rooney (2015)의 실험결 과와 상반되는 결과로 햇빛으로 인해 색소가 침착되는 검은수 수 Tx3362와 다른 메커니즘으로 동안메의 생리활성물질이 생 합성 됨을 추측할 수 있다. 적산온도 1000°C 까지는 총 폴리 페놀 함량과 반비례하는 경향이었고 그 이하의 조건에서는 총 폴리페놀 증가 경향이 없는 것으로 나타났다.

    적 요

    • 1. 본 연구는 항산화 활성이 우수한 수수품종 ‘동안메’의 지 역별 파종시기 및 수확시기에 따른 기능성물질 발현 및 항산 화 활성변이를 분석하여 고품질 수수를 생산할 수 있는 재배 기술의 기초자료를 얻고자 수행하였다.

    • 2. 지역, 파종시기, 수확시기에 따른 특성분석결과 지역과 파 종시기, 파종과 수확시기, 지역별 파종 및 수확시기 모두 유의 성을 가졌다. 기능성 성분(폴리페놀, 플라보이드)과 항산화활 성(ABTS, DPPH)이 동일한 경향치를 보였는데 종실 100g당 폴리페놀 함량의 경우 7월 5일 파종 및 출수 후 35일 수확에 서 가장 높았다.

    • 3. 파종시기별 수량성은 6월 15일 파종에서 가장 높았으며 (452.2 kg/10), 6월 15일 파종 출수 후 40~45일 수확에서 가 장 높은 폴리페놀과 플라보노이드 생산량을 가졌다.

    • 4. 출수 후 평균적산온도, 일사량과 기능성 성분 함량의 상 관관계 조사결과 상관계수 R값이 각 0.85, 0.82로 부의 상관 관계를 가졌고, 출수 후 35일 수확과 45일 수확에서 평균기온 이 1°C 증가할 때마다 폴리페놀 함량이 각 5.2%, 4.4% 감소 하였다.

    ACKNOWLEDGMENTS

    본 논문은 농촌진흥청 연구사업(세부과제번호: PJ012255022017)의 지원에 의해 이루어진 것임.

    Figure

    KSIA-29-400_F1.gif

    Total polyphenol and flavonoid amount in a 10a on the different planting and harvest times.

    KSIA-29-400_F2.gif

    Correlation between the amount of polyphenol and climate conditions (a) AAT, accumulated average temperature; (b) ADTV,; accumulated daily temperature variation (c)ASR; accumulated solar radiation (d) Precipitation from flowering to harvesting in Miryang in 2016.

    KSIA-29-400_F3.gif

    Correlationships between polyphenol index and average temperature during 35(○), 45(□) and 55(△) days after heading of ‘Donganme’ as affected by cultivation regions and planting time in 2016.

    Table

    Analysis of variance of agronomic traits, phenolic compounds and antioxidants between location, planting date and harvesting date across 60 different conditions.

    Polyphenol, Flavonoid and antioxidant activity of sorghum with three locations average classified by cultivation regions, planting and harvesting time.

    Average monthly temperatures and rainfall at three locations in 2016.

    Weather condition after heading of sorghum as affected by regions, planting and harvesting time.

    †AAT, Accumulated average temperature
    ‡ADTV, Accumulated daily temperature variation
    §ASR, Accumulated solar radiation from flowering to harvesting

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