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ISSN : 1225-8504(Print)
ISSN : 2287-8165(Online)
Journal of the Korean Society of International Agricultue Vol.28 No.3 pp.358-363
DOI : https://doi.org/10.12719/KSIA.2016.28.3.358

Change of Physicochemical Properties in Barley Kernels By High Temperature During the Ripening Stage

Hyeon-Seok Lee, Dae-Wook Kim, Woon-Ha Hwang, Jae-Hyeok Jeong, Seung-Hyeon Ahn, Jeong-seon Baek, Jae-Ran Kang, Han-Yong Jeong, Jong-Tak Yun, Geon-Hwi Lee, Kyung-Jin Choi†
Crop Production & Physiology Division, NICS, RDA, Wanju 55365, Korea
Corresponding author : (+82-63-238-5262) (choikj@korea.kr)
October 29, 2015 September 8, 2016 September 9, 2016

Abstract

This experiment was conducted to clarify the effect of the high temperature on physicochemical properties of barley kernels during ripening stage. High temperature treatment was lasted from each 10, 17 and 24 days after heading(DAH) until the harvest time at 21°C, 24°C, 27°C in artificial climate room. The results showed that ripening period from heading to maturity was tend to be shorter at higher temperature treatment condition and at longer duration treatment condition. and 1000-grain weight was decreased as the ripening period shortened. Furthermore, gelatinization properties was changed by high temperature due to the reduction of starch and amylose contents. As the shortening of grain filling period by a high temperature treatment, the protein content was increased. In the 10 DAH at 27°C treatment, the grain filling period was shortened by 9 days. The starch contents was reduced by 5.7 %, and the protein content was increased by 5.6 % in a such condition. Protein contents was showed negative correlations with amylose, starch contents and gelatinization properties, respectively. Starch contents, however, showed positive correlations with amlyose content and gelatinization properties.


등숙기 고온조건에 따른 보리종실의 이화학적 특성 변화

이 현석, 김 대욱, 황 운하, 정 재혁, 안 승현, 백 정선, 강 제란, 정 한용, 윤 종탁, 이 건휘, 최 경진†
농촌진흥청 국립식량과학원 작물재배생리과

초록


    Rural Development Administration
    PJ010262012016

    보리는 1970년대만 해도 쌀 다음의 주식으로 큰 비중을 차 지하며 농지 이용률 제고에 크게 기여했으나, 국가경제의 발전 에 따라 소비량이 지속적으로 줄어들고 있다(Statistics Korea, Crop Production Survey Kosis, 2015). 그러나 최근 보리에 고함유되어 있는 β-glucan의 유용한 생리적 기능이 밝혀지면서 (Ranhotra et al., 1991) 점차 보리에 대한 관심이 증가하고 있 다. 이에 취반용, 식품가공용 등 다수의 보리 품종이 개발 되 었으며, 종실의 전분입자구조, 팽윤력, 용해도와 같은 전분 및 취반 특성 등 품질에 관한 연구가 수행 되고 있다. 보리 등숙 기간의 여러 환경적 요인은 보리 종실의 품질특성 차이에 영 향을 미칠 것으로 생각되며, 지구온난화에 따른 평균기온 상승 은 품질특성 차이의 주요 요인들 중 하나일 것으로 사료된다.

    지구온난화가 진전됨에 따라 발생하는 등숙기 고온은 등숙 관련효소의 활성에 영향을 미쳐 등숙속도를 증가시키며 등숙 기간을 단축시키게 된다. 등숙기간이 단축되면 동화산물 축적 이 감소되며, 이때 증가된 등숙속도가 이를 보상하지 못하여 전분합성 저해 및 종실중의 감소를 일으킨다(Tahshiro & Wardlaw, 1989; P. Liu et al., 2011). 또한 고온스트레스에 따 른 반응으로 엽록소 분해효소의 활성 증가, 광합성색소 감소 등으로 광합성효율이 감소된다. 이는 탄소대사에 영향을 주며 (Todorv et al., 2003; Sharkey & Zhang, 2010), 결국 탄소대 사 저해로 인해 전분 합성은 감소하지만(Yamakawa et al., 2007), 단백질의 합성은 전분합성에 비하여 고온스트레스에 덜 민감하게 반응하므로(Bhullar & Jenner, 1985), 종실 내 전분, 단백질, 지질 함량 등의 변화에 따른 전분호화특성 변화가 예 상된다(Jilal, 2011; Chang & Jung, 1994).

    한편 고온스트레스에 따라 과산화지질 및 지질막의 유동성 이 증가해 세포막 손상에 의한 조직의 노화가 일어나는데 (Savchenko et al., 2002), 이는 종실내외부적 특성변화에 영향 을 미칠 것으로 사료된다. 본 실험에서는 지구온난화에 따른 보리 등숙기의 평균기온 상승에 따른 품질특성 변화를 예측하 기 위해 인공기상제어시설을 이용 하여 등숙 기간 중 시기별 고온처리를 통해서 보리 종실로부터 전분, 단백질 함량, 전분 호화특성, 종자 침출물의 전기전도도 등 이화학적 특성을 비 교, 분석하였다.

    재료 및 방법

    재료

    시험에 사용된 재료는 흰찰쌀보리로 2월 15일 봄 파종하여 출수 전 10일까지 자연조건(전주, 국립식량과학원 전작포장)에 서 재배 후 온도 처리를 위해 1/5000 a wagner pot로 5주씩 이식하여 인공기상동의 정밀유리실로 이동하였다. 등숙기 온 도처리 전까지의 온도는 출수후 1일부터 5일까지는 15°C, 출 수후 6일부터 10일까지 18°C (최고23°C/최저13°C)로 처리하였 고 출수 후 10, 17, 24일부터 성숙기까지 등숙온도가 상이한 고온조건에서 처리를 하였다. 각 처리 시기별로 온도조건은 대 조구 21°C (최고26°C/최저16°C) 및 처리구 24°C (최고 29°C/ 최저19°C), 27°C (최고32°C/최저22°C)로 설정하였고, 포트별 N-P2O5-K2O: 8.2-6.9-3.4 (kg/10 a)을 기준으로 각 1/5000 a포 트별로 시비하여 성숙기까지 재배하였으며, 성숙기는 포트별 90 %이상의 이삭이 이삭목까지 황화한 날을 기준으로 설정하 였다.

    종실중, 립장, 립폭, 전기전도도

    각 처리 별 50립씩을 무작위로 선별 후 Mitutoyo Digimatic caliper (Mitutoyo, Japan)를 이용하여 립장, 립폭 등과 같은 종실 크기 특성을 측정 하였으며, 5반복씩 무게를 측정하여 천 립중을 조사하였다. 전기전도도는 전기전도도계(Thermo electron, US/Orion 4-star, USA)를 사용하여 3 g 씩 30 ml의 증류수에 침지 시켜 6시간 후에 측정하였다. 측정 전 표준용 액으로 전기전도도 및 pH를 보정하였고 수온은 25°C으로 자 동 보정하여 계산하였다. 전기전도도 측정 시 침출액을 균일 하게 혼합하기 위하여 10 ~ 15초간 플라스크를 가볍게 흔든 후 전기전도도 전극(dip cell)을 용액에 담가 시료마다 10분 간격 으로 실시하였다.

    단백질, 호화특성

    단백질분석은 분쇄한 시료 250 mg을 Elementar Analyzer System (Vario MACRO, Germany)을 이용하여 분석한 총 질 소함량 값과 켈달장치를 이용하여 분석한 값을 비교하여 보정 계수를 구하고 보정계수를 각 분석 값에 곱하여서 구하였다.

    호화특성은 Rapid-Visco Analyser (Newport scientific model RVA-4, Australia)를 이용하여 AACC Method 61-02 에 의하 여 Peak viscosity (최고점도), Trough viscosity (최저점도), Breakdown (강하점도), Final viscosity (최종점도)를 측정하 였다.

    아밀로스, 전분

    아밀로스 함량은 Juliano (1971) 방법에 의하여 분석하였다. 분쇄한 시료 0.1 g을 평량 후 95% ehtanol 1 ml과 1 N NaOH를 첨가, 끓는 물에서 10분간 가열하여 호화시켰으며, 2ml I2-KI 용액과 1 N acetic acid를 첨가하여 발색반응을 일 으킨 뒤 620 nm에서 흡광도를 측정하였다. 아밀로스 함량은 amylose from potato (Sigma Aldrich A0512, USA)를 이용 하여 표준곡선을 작성하여 구하였다.

    전분함량 측정은 Starch assay kit (Sta20, SIGMA, USA) 를 이용하여 분석 하였다. 분쇄한 시료 25 mg을 정량하여 80% 5 ml 에탄올을 처리하여 maltodextrin과 glucose 제거하 였고 1 ml DMSO를 넣고 끓는 물에서 5분간 가열하여 저항 전분 제거 과정을 거친 후, 전분을 분해하여 발색반응으로 glucose함량을 540 nm 파장에서 측정하였다.

    통계 처리

    모든 실험은 3회 이상 반복하여 결과 값을 평균값으로 나타 냈으며, 각 실험결과의 통계처리는 R 통계프로그램(Version 3.2.2)를 이용하여 분산분석(ANOVA) 후 Duncan’s multiple range test로 p < 0.05 수준에서 유의적 차이를 검정하였다.

    결과 및 고찰

    등숙기 고온처리에 따른 등숙 기간 및 종실의 형태적 특성 변화

    등숙 시기 및 온도 처리에 따른 성숙까지의 기간 및 종실의 형태적 특성 차이를 분석한 결과는 Table 1에 나타낸 바와 같 다. 출수부터 성숙기까지 걸린 기간은 평균온도 21°C 조건 (대조)에서 처리된 시험구는 40일 소요된 반면, 출수 후 10일 부터 성숙까지 27°C조건에서 처리된 시험구는 33일이 소요되 어, 처리온도가 높고 처리기간이 길수록 성숙기간은 짧아지는 경향을 보였다. 밀과 벼의 경우 고온에 따른 등숙기간의 단축 을 등숙속도의 증가가 만회하지 못하여 종실중이 감소한다고 하였는데(Tashiro & Wardlaw, 1989), 본 실험재료인 보리에서 도 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 대조구에서는 천립중이 31.7 g, 출수 후 10일부터 27°C조건에서 처리된 시험구의 천립중은 21.8 g으로 나타나 온도가 높고 처리기간이 길어 등숙기간이 단축 될수록 천립중은 감소하는 경향이었다. 반면 등숙초기에 생장이 완료되는 종실의 길이는 처리기간 및 처리온도에 따른 차이를 보이지 않았으며, 종실의 폭은 처리 기간에 따른 차이 는 보이지 않았지만, 처리온도에 따라서 고온처리에서 폭이 다 소 감소하는 경향을 보였다(Fig. 2). 종실 폭의 이러한 차이는 최종 처리시기인 출수 후 24일 이후 종실의 수분이 감소함에 따라, 종실의 크기가 감소하는 유숙후기부터 황숙기까지의 시 기에 영향을 받은 것으로 보이며, 이때 전분축적이 상대적으 로 적었던 고온등숙 처리의 수축 정도가 더 컸기 때문인 것으 로 판단되었다.

    등숙기 고온처리에 따른 종실의 이화학적 특성 변화

    고온처리에 따른 전분호화 결과(Table 2), 최고점도는 대조 구에서 256 RVU로 나타났으나, 출수 후 10일부터 27°C에서 처리된 시험구는 106 RVU로 나타나 처리온도가 높고 처리기 간이 길어 등숙기간이 짧아질수록 최고점도가 낮아졌으며 최 저점도, 최종점도, 강하점도 에서도 비슷한 양상을 보였다. 이 러한 변화 양상에 대한 원인구명을 위해 종실 구성성분 중 전 분, 아밀로스, 단백질을 분석한 결과는 Table 3에 나타낸 바와 같다. 종실 성분 중 전분 비율은 등숙기간이 42일이 소요된 대조구에서는 61.8%였으나, 출수 후 10일부터 27°C로 처리된 시험구에서는 56.1%로 감소하였다. 이는 등숙기간 단축에 의 해 전분함량이 감소된다고 보고한 P.Liu et al. (2011)의 실험 과 유사한 실험 결과를 보였다. 또한 아밀로스 함량은 전분과 유사하게 감소하는 경향을 보였지만 21°C 처리 외의 처리 간 에는 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 아밀로스 함량 변화 에 대한 결과는 Chun (2009)의 결과와 같이 감소하는 경향을 보였지만 처리 간 함량 차이가 다소 작았으며, Zhao et al. (2006)의 실험과는 유사한 경향을 보였다. 반면 종실 성분 중 단백질의 비율은 대조구에서 13. 6% 였으나, 출수 후 10일부 터 27°C에서 처리된 시험구에서는 19.2%로 등숙기간이 9일 감소하였을 때 함량이 5.6% 증가하여 전분비율과는 반대로 등 숙기간이 단축 될수록 증가하는 경향을 보였다. 이는 Fig. 3에 서 보는바와 같이 단백질 합성이 고온스트레스에 둔감하여 (Bhullar & Jenner, 1985), 고온등숙 조건에서 단백질함량 차 이는 거의 없었지만, 상대적으로 전분합성은 고온스트레스에 민감하여 전분함량이 감소되었기 때문에 전체 종실 구성성분 중 단백질의 비율(%)이 증가한 것으로 판단되었다. 단백질과 전분과의 함량비율은 종실내 전분비율이 감소할수록 호화점도 가 감소하는 등 종자품질특성 변화에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Juliano et al., 1965; Saleh & Meullenet, 2007).Table 4

    종자 침출물을 이용하여 고온처리에 따른 전기전도도 차이 를 분석한 결과는 Fig. 4에 나타낸 바와 같으며 24°C 및 27°C 고온등숙 조건에서는 처리기간이 길어질수록 EC값은 증 가하였으며 그 증가 정도는 27°C처리에서 더욱 컸다. 대조구 와 비교하였을 때 27°C처리는 모든 처리기간에서 대조구보다 EC값이 유의하게 높았고 24°C처리에서는 출수 후 10일부터 처리한 시험구만 대조구보다 EC 값이 유의하게 높았으나 처 리기간이 짧았던 출수 후 17일 및 24일부터 처리한 시험구는 유의성이 인정되지 않았다. 등숙기간과 종자 침출물의 전기전 도도(EC)와의 관련성을 나타낸 결과는 Fig. 5에서 보는바와 같으며 등숙기간이 단축됨에 따라 종자 침출물의 전기전도도 값이 증가하는 뚜렷한 경향을 나타내었다. 이는 고온스트레스 에서 발생하는 과산화지질 및 지질막 유동성의 증가로 인한 세포막 손상과 관련이 있을 것으로 생각된다. 고온처리에 따 른 보리종실의 이화학적 특성을 나타내는 지표 간 상관관계를 분석한 결과(Table 3), 전기전도도는 단백질함량과는 정의 상 관관계를 보였고 전분, 아밀로스 함량 및 호화점도와는 부의 상관관계를 보였다. 단백질함량은 전분, 아밀로스 함량 및 호 화점도와는 부의상관관계를 보인 반면 전분과 아밀로스 및 호 화점도와는 정의 상관관계를 보였다. 이러한 상관관계를 통하 여 고온처리에 따른 탄소대사 저해 및 등숙기간 단축의 영향 으로 발생한 전분, 아밀로스 및 단백질 함량의 변화는 호화점 도 특성변화에 유효한 영향을 준 것으로 생각되며, 또한 고온 처리에 따른 이화학적 특성 변화와 유의한 관계를 나타낸 종 자 침출물의 전기전도도의 변화는 원인구명을 위한 좀 더 면 밀한 검토가 필요할 것으로 생각된다.

    적 요

    인공기상시설의 정밀유리실에서 등숙기 고온조건에서 보리 종실의 이화학적특성 변화를 분석한 결과는 다음과 같다.

    • 1. 온도에 따른 등숙기간은 출수 후 10일부터 성숙까지 평 균온도 21°C 처리(대조)에서 42일, 출수 후 10일부터 성숙까 지 27°C조건의 처리구에서는 33일이 경과하는 등 처리온도가 높고 처리기간이 길수록 단축되는 경향을 보였다.

    • 2. 천립중은 고온처리에 따라 등숙기간이 단축 될수록 감소 하였지만, 종실의 길이는 처리온도 및 처리기간에 따른 차이 를 보이지 않았으며, 종실의 폭은 처리 온도에 따른 차이만을 보였다.

    • 3. 고온처리에 따른 전분호화특성에서 최고점도는 처리온도 가 높고 처리기간이 길어 등숙기간이 단축 될수록 점도가 낮 아졌으며 최저점도, 최종점도, 강하점도 등에서도 유사한 양상 을 보였다.

    • 4. 고온처리에 따라 등숙기간이 9일 단축되었을 경우 전분 함량은 5.7 % 감소하였고, 단백질함량은 5.6 % 증가하였는데 이는 전분합성의 감소에 따른 상대적으로 단백질함량이 증가 한 것으로 보이며, 아밀로스함량 변화는 큰 차이를 볼 수 없 었다.

    • 5. 고온처리로 인한 보리 종실의 단백질함량은 전분, 아밀로 스함량 및 호화점도 와는 부의상관관계를 보인 반면 전분함량 은 아밀로스 함량 및 호화점도와는 정의 상관관계를 보였다.

    ACKNOWLEDGMENTS

    본 논문은 농촌진흥청 연구사업(세부과제명: 생육시기별 고 온조건에서 보리 품종의 수량 및 품질 변화 연구, 세부과제번 호: PJ010262012016)의 지원에 의해 이루어진 결과의 일부이 며 연구사업 수행에 협조해 주신 모든 분들에게 감사드립니다.

    Figure

    KSIA-28-358_F1.gif

    Relationship between 1000-grain weight and ripening period by high temperature treatment during ripening stage.

    KSIA-28-358_F2.gif

    Appearance characteristic of barley grains by high temperature treatment during ripening stage.

    KSIA-28-358_F3.gif

    Difference in starch, amylose and protein contents (mg grain-1) of barley grains according to the ripening period gap by high temperature during ripening stage.

    KSIA-28-358_F4.gif

    Difference in electrical conductivity of barley grains by high temperature during ripening stage.

    KSIA-28-358_F5.gif

    Relationship between electrical conductivity of barley grains and ripening period after heading by high temperature treatment during ripening stage.

    Table

    Ripening period and appearance characteristics of barley grains.

    †Mean separation within colums by Duncan’s multiple range test at 5% level
    ‡Thermal treatment was lasted until the harvest time.

    Paste viscosities of barley starch by high temperature treatment during ripening stage

    †Mean separation within colums by Duncan’s multiple range test at 5% level
    ‡Thermal treatment was lasted until the harvest time.

    Starch, amylose and protein contents(%) of barley grains by high temperature treatment during ripening stage

    Correlation coefficient among physicochemical properties of barley grains by high temperature treatment during ripening stage.

    †*,**: Significant at p=0.05, 0.01 respectively
    ‡Thermal treatment was lasted until the harvest time.

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