로열젤리 생산기술 개선을 통한 생산성 증대 비교 평가
Abstract
This study was carried out to improve royal jelly production technique. It is very important to increase the productivity of royal jelly prior to a registration of health functional food ingredient. This technique was a process using machines and consists of 4 steps: making larvae plate, Transferring, larvae removal, and royal jelly collection. In the conventional process, 95.5±8.2 out of 128 larvae were successfully accepted, and in the process using the machine, 110.5±1.6 out of 128 larvae were accepted. Comparing the productivity of royal jelly, the production yield of royal jelly was 42.6±3.5 g in conventional process. In the process using the machine, 57.1±0.8 g of royal jelly was produced. As a result of calculating the production efficiency, in the conventional process, it was 1.28±0.9 g/min, and in the process using the machine, it was 6.38±0.2 g/min. The production efficiency using machines was 4.9 times higher than when using the conventional process. The 10-HDA content of produced royal jelly using the two different process, it was 2.3±0.4% for the conventional process and 2.2±0.3% for the process using machines production system. No significant difference in content of 10-HDA was observed between two process. Therefore, the process using the machine according to this study is expected to increase productivity of royal jelly for massive production.
Keywords:
Apis mellifera, Royal jelly, 10-HDA, Semi-automatic system서 론
로열젤리는 일벌들이 꿀과 화분을 섭취한 뒤 인두부를 거쳐 분비되는 유백색의 물질로서 봉군 내의 어린 유충을 비롯한 여왕벌 유충의 먹이로 사용되며, 독특한 향과 맛을 지니고 있다 (Moritz and Edward, 1992). 로열젤리의 60% 이상은 수분이며 아미노산, 단백질, 단당류, 지방산, 미네랄 등으로 구성되어 있다 (Krell, 1996). 우리나라에서는 1960년대 후반부터 로열젤리를 본격적으로 생산하기 시작하였으며, 항산화, 항염증, 항암, 콜라겐 생성 및 피부 보습 등 다양한 약리 활성을 갖는 것으로 보고되어 있다 (Nakaya et al., 2007; Pavel et al., 2011; Kim et al., 2014). 특히 아시아에서는 피부 보습과 관련하여 화장품, 건강보조제 등의 시장이 형성되어 있으며, 국내에서도 국산 로열젤리가 멜라닌 합성 효소인 티로시나아제 (tyrosinase)의 발현을 억제한다는 연구가 보고된 바 있다 (Han et al., 2011). 최근에는 UV 조사를 통한 인간 각질형성세포 (HaCaT)의 손상과 관련하여 동결건조 로열젤리의 피부재생 효과 및 피부노화 억제 효과를 확인하고 피부 건강과 관련하여 건강기능식품 원료로서의 가능성을 입증하였다 (Kim et al., 2020).
건강기능식품 원료 등록을 위해 로열젤리 생산량 확보는 매우 중요하다. 과거 로열젤리의 생산성을 향상하기 위한 연구가 활발히 수행되었으며 현재까지도 진행되고 있다 (Woo et al., 1998; 고, 2002; Wu et al., 2015; Kim et al., 2020). 일반적으로 로열젤리 생산성은 꿀벌의 품종별로 차이를 보이며 (Khan et al., 2021), 서양종 꿀벌 중 카니올란 계통의 꿀벌이 유충의 접수율이나 로열젤리 생산성이 우수한 품종으로 확인되었다 (Mouro and Toledo, 2004; Cao et al., 2016). 로열젤리의 생산성을 증가시키는 요인으로 꿀벌의 품종과 같은 유전적인 요인 외에도 기후, 온도, 습도, 채취 시기 등의 환경적인 요인이나 유충의 일령, 이충 시 전처리, 봉군의 벌집 배열 형태, 이충 횟수, 자극사양 등 봉군을 관리하는 기술적인 요인도 존재하였다 (Woo et al., 1998; Lee et al., 2007; Kim et al., 2020).
따라서 본 연구는 로열젤리의 피부 보습 관련 건강기능식품원료 개발에 앞서 로열젤리의 생산성을 높이기 위해 기기를 이용하여 작업시간을 단축하고, 노동력을 절감하여 단시간에 로열젤리를 대량 생산하는 것을 목적으로 한다.
재료 및 방법
1. 실험 설계
실험은 2021년 7월 경상남도 진주시에 소재하는 기기를 이용하여 로열젤리를 생산하는 양봉농가에 방문하여 실시하였다. 실험에 사용된 재료로는 성봉의 수가 2만 마리 이상인 건강한 봉군을 이용하였으며, 각 봉군마다 8매의 소비를 넣어 관리하였다. 로열젤리 채유광 1개당 1줄에 64구의 왕대를 형성하는 왕대틀을 2개씩 설치하여 1개의 봉군당 총 128개의 유충을 이충하였으며, 이를 6개의 봉군에 넣어 로열젤리를 생산하였다.
사양관리는 전 시험구에 대하여 기존의 일반적인 관리 방식에 의거하여 관리 (조, 1997)하였으며, 전 시험구에 동일하게 화분을 공급하였다. 로열젤리 채집은 유충제거 및 채유과정을 일일이 수작업으로 진행하는 일반적인 방법과 유충제거기와 채유기 등의 기기를 이용하는 반자동 시스템을 이용하였다. 각각의 방법에 대한 접수율을 조사하기 위해 왕대가 형성된 왕완을 일일이 세었으며, 로열젤리 생산량을 측정하기 위해 채집 즉시 무게를 측정하였다.
로열젤리 생산 시 소요되는 노동력 및 시간의 절감 효과를 비교해보기 위해 이충 단계에서 소요되는 시간과 유충제거 및 채유 단계에서 소요되는 시간을 각각 측정하였다. 로열젤리 생산 효율을 비교하기 위해 로열젤리 총생산량을 소요된 시간으로 나누어 시간당 생산량을 계산하였다.
2. 기존 로열젤리 생산기술
기존의 로열젤리 생산 시스템은 양봉협회보에 실린 ‘로얄제리 생산기술’ (고, 2002)과 Sherif et al. (2018)을 참고하였다. 별도의 소비 제작 없이 이충용 소비를 찾는 방법으로 로열젤리 생산군과 이를 뒷받침하는 보조군을 함께 이용하였다. 생산군으로는 세력이 강한 계상을 이용하였으며, 생산군의 공소비와 보조군의 봉충·봉개 소비를 교환시켜 생산군의 세력을 유지하였다. 보조군에 넣어준 공소비는 여왕벌이 곧 산란하게 되므로 일령에 맞추어 이충용 유충 소비로 활용하였다. 보조군에서 소비를 선별하여 이충을 실시하였으며, 이것을 다시 생산군에 넣고 72시간 경과 후 채유하였다. 채유 과정은 왕대를 잘라낸 후 핀셋을 이용하여 유충을 제거하였으며, 채유용 스푼을 이용하여 로열젤리를 채집하였다.
3. 기기를 이용한 로열젤리 생산기술
유충제거기 (청산양봉원, 창원) 및 채유기 (청산양봉원, 창원) 등의 기기를 이용하여 로열젤리를 생산하는 기술로 해당 과정은 이충에 필요한 유충을 직접 제작하는 단계, 적합한 유충을 채유광으로 옮기는 이충 단계, 유충제거기를 이용하여 유충을 한 번에 제거하는 유충 제거 단계, 채유기를 이용하여 로열젤리를 채집하는 채유 단계로 나눌 수 있다 (Fig. 1).
Schematic diagram of process using machines for royal jelly production.
이충 효율을 높이기 위해 별도의 유충 소비를 제작하여 사용하였다. 벌통에서 공소비 한 장을 꺼내서 흐르는 물을 이용하여 꿀이나 알 등을 깨끗하게 세척한 후 그늘에서 건조시켰다. 이후 벌통에 수직 격왕판을 설치하여 여왕벌을 한쪽으로 격리시키고 먹이장 1장과 세척한 공소비 1장을 함께 넣어 소비장 전체에 동일한 시기에 산란이 일어나도록 유도하였다 (Fig. 2). 소비를 넣은 후 4일 뒤에 유충을 확인하고 이충을 위해 사용하였다.
The process of making larvae comb. (A) washing comb, (B) and (C) display of each combs in hive.
1~2일령 유충만으로 균일하게 제작된 소비에서 유충을 꺼내 채유광에 이충하였으며 기존의 방식과 동일하게 이충하였다. 차이점은 기존의 방식은 벌통에서 이충용 소비를 찾아서 이충해야 한다면, 개선된 생산 시스템에서는 소비를 제작하여 그대로 이충한다는 것이다.
왕대가 형성된 채유광을 꺼내 왕완을 분리한 후 커팅기를 이용하여 밀납을 제거하였다. 밀납이 제거된 왕완을 유충제거기의 핀셋 하단에 넣고 레버를 당겨 유충을 제거하였다. 유충이 제거된 왕완을 빼내고 레버를 밀어 유충을 따로 모아 수거하였다 (Fig. 3).
Process of removing larvae. (A) removing cover of cells, (B) operating of larvae remover, (C) collected larvae.
채유기의 상단에 왕완 (64구)을 쌓아 올리고 레버를 돌리면 기기 내부로 왕완이 들어가 회전하게 된다. 이때 스푼이 회전 속도에 맞춰 왕완 내에 존재하는 로열젤리를 채유하였다. 기기 내부에 모인 로열젤리는 기울어진 관을 따라 흘러내리게 되고 채유를 끝낸 왕완 (64구)은 외부로 배출되었다.
4. 10-HDA 함량 분석 조건
기존의 생산 방식과 반자동 생산 시스템을 통해 생산된 로열젤리의 10-HDA 함량 차이를 확인해보기 위해 Waters (Minneapolis, MN, USA) ACQUITY UPLC I-Class를 이용해 분석하였으며, 분석조건은 Table 1과 같다.
UPLC conditions for 10-HDA analysis in royal jelly
5. 통계처리
모든 데이터는 6회 반복 실험 후 평균±표준편차로 나타내었으며, 그룹 간의 평균비교는 IBM SPSS ver 25.0을 이용하여 독립표본 t-검정을 통해 p<0.05에서 유의성을 검정하였다.
결과 및 고찰
1. 유충 소비 제작을 통한 이충 효율 비교
보조군에서 이충용 유충소비를 선별하는 방식 (고, 2002)에 의한 로열젤리 생산은 균일한 일령의 유충을 다량 생산하기 어렵다. 이충에 적합한 소비를 찾기 위해서 여러 봉군을 탐색해야 하며, 여왕벌의 산란이 불규칙하여 하나의 소비에 다양한 일령의 유충들이 존재하며 소비의 상부에는 꿀이 저장되어 있기도 하여 효율적인 이충이 어렵다 (Fig. 4A). 본 연구에 사용된 유충 소비를 제작하여 이충을 할 경우 (Aparna, 2020)에는 소비 전체에 1~2일령 유충이 균일하게 들어 있었으며 별도로 적합한 유충을 선별할 필요가 없었다 (Fig. 4B).
Comparison of (A) larvae comb in conventional process and (B) larvae comb made by queenbee excluder.
결과적으로 접수율을 비교해 봤을 때, 기존의 방식을 이용하였을 때는 128개의 유충 중에서 평균적으로 95.5±8.2개의 유충이 이충에 성공하였다 (Table 2). 6회 반복 실험에 대한 접수 성공 정도를 비교해 보면 85~111개로 편차가 크게 나타났다. 이는 꿀과 다양한 일령의 유충들이 혼재되어 있다보니 이충에 적합한 1~2일령 유충의 개수가 제한적이었으며, 부적합한 유충을 이충하여 일벌에 의해 제거되는 경우가 발생하였기 때문이다 (Woo et al., 1998). 이충용 유충소비를 제작하여 이충한 경우에는 128개의 유충 중에서 평균적으로 110.5±1.6개의 유충이 이충에 성공하였다 (Table 2). 기존의 방식을 이용했을 때보다 이충용 유충소비를 제작하여 생산하였을 경우 접수율이 높았으며, 통계적으로 유의하였다 (t-test, t=-3.708, p<0.05).
Acceptance of larvae according to process using machines or not
전체적인 접수 정도를 비교해 봤을 때도 108~113개로 편차가 크지 않았다. 이는 소비 전체에 동일한 1~2일령의 유충이 존재하여 별도로 선별할 필요가 없었으며, 이충 기술이 미숙하지만 않으면 부적합한 유충을 이충할 확률이 현저히 낮아 높은 접수율을 보였다.
소비를 제작하여 이충할 경우 작업시간 또한 단축되었는데, 기존의 방식대로 이충할 경우 14.2±1.4분이 소요되었으며, 소비 제작을 통한 개선된 방식을 이용할 경우 8.2±0.3분 (t-test, t=9.520, p<0.05)이 소요되었다. 기기를 이용할 경우 기존 방식에 비해 6분 정도의 시간이 절감됨을 알 수 있었다 (Table 4).
2. 로열젤리 생산량 비교
기존의 일반적인 생산 방법과 기기를 이용한 방법에 따른 로열젤리 생산량을 비교해 본 결과 기기를 이용하여 생산한 경우 생산량이 더 높게 나타났다. 기존의 일반적인 생산 방법을 통해 로열젤리를 생산할 경우 6개의 봉군에 대한 총 생산량은 255.8 g이었으며, 평균 42.6±3.5 g이 생산되었다. 기기를 이용하여 생산한 경우에는 총 생산량이 342.3 g이었으며, 평균 57.1±0.8 g이 생산되었다 (Table 3). 기기를 이용할 경우 14.5 g 정도 더 많은 양이 생산됨을 알 수 있었으며 (t-test, t=-8.849, p<0.05), 이는 이충용 유충 소비를 제작하여 이충하였기 때문에 접수율이 높아 생산량 또한 높게 나타났다. 왕완 1개에서 생산되는 로열젤리의 양을 비교해 보면 기존 생산 시스템에서는 0.4±0.01 g이 생산되었고, 기기를 이용할 경우 0.5±0.01 g으로 0.1 g 더 생산됨을 알 수 있었으며 유의적인 값을 나타냈다 (t-test, t=-48.829, p<0.05). 기존의 생산 방식에 비해 유충소비를 제작할 경우 이충에 적합한 동일한 일령의 유충이 이충되기 때문에 유충이 성장을 위해 실제 먹는 로열젤리의 양이 상대적으로 적어 생산량이 높았다 (Sahinler and Kaftanoglu, 1997).
Comparison of royal jelly production according to process using machines or not
3. 기기를 이용한 유충제거 작업시간
로열젤리만을 순수 채유하기 위해서는 왕대 내에 존재하는 유충을 제거하는 작업을 거쳐야 한다. 일반적으로 유충제거는 왕대의 밀랍 부분을 칼로 제거한 후 핀셋을 이용하여 유충을 하나씩 수작업으로 제거하는 방법을 이용하였다 (Krell, 1996). 본 연구에서는 기기를 이용하여 밀랍 제거부터 유충 제거까지의 과정을 단순화하였다.
수작업으로 작업 시 128개의 왕대의 밀랍 제거한 후 유충을 제거하는데까지 평균적으로 3.2±0.2분의 시간이 소요되었으며, 기기를 이용하여 유충을 제거할 경우에는 0.5±0.1분 (t-test, t=4.969, p<0.05)의 시간이 소요되었다 (Table 4). 기기를 이용할 경우 작업에 걸리는 시간을 6배 이상 단축시켜 노동력을 절감할 수 있었다.
Comparison of production efficiency according to process using machines or not
4. 기기를 이용한 로열젤리 생산 작업시간
유충이 제거된 로열젤리는 일반적으로 채유스푼을 이용하여 수작업으로 채집하였다. 이러한 방법은 다량의 로열젤리를 채집하기에는 많은 작업시간과 노동력을 요구하는 작업으로 생산력을 낮추는 주요 요인이었다. 반면 기기를 이용한 반자동화된 채유 방법은 왕완 (64구)에 존재하는 로열젤리가 기기적인 원리에 의해 한번에 채유되는 방식으로 작업시간과 노동력을 대폭 줄일 수 있었다.
기존의 방식을 이용하여 수작업으로 채유할 경우, 하나의 봉군에 존재하는 로열젤리를 채집하는데 7.2±0.5분의 시간이 소요되었으며, 채유기를 이용하여 작업할 경우 0.2±0.1분의 시간이 소요되었다 (Table 4). 작업시간을 비교해봤을 때 기기를 이용할 경우 36배의 효율을 나타내었으며 통계적으로 유의하였다 (t-test, t=29.495, p<0.05). 한번에 왕완 1개를 채유하는 방식이 아니라 64개의 왕완을 채유하기 때문에 작업시간을 매우 절감할 수 있었다. 또한 레버만 돌리면 채유기가 회전하면서 알아서 채유해주기 때문에 매번 채유스푼을 이용하여 퍼내야 하는 기존 방법에 비해 노동력을 절감할 수 있었다.
5. 기기를 이용한 로열젤리 생산효율 평가
각각의 봉군에서 생산되는 로열젤리의 평균 생산량을 생산에 소요된 평균 작업시간으로 나누어 시간당 생산되는 로열젤리의 양 (생산효율)을 계산하였다. 생산에 소요된 작업시간은 충판을 찾는 과정, 이충과정, 유충제거과정, 로열젤리 채집과정 등의 시간을 각각 계산하여 더하였다. 기존의 생산 방식에 의해 생산된 로열젤리의 평균 생산량은 42.6±3.5 g이었으며, 소요된 평균 작업시간은 33.3±3.1분으로 생산효율은 1.28±0.9 g/min으로 나타났다. 기기를 이용한 로열젤리의 평균 생산량은 57.1±0.8 g이었으며 (t-test, t=-8.849, p<0.05), 이때 소요된 평균 작업시간은 9.0±0.4분 (t-test, t=19.336, p<0.05)으로 6.38±0.2 g/min (t-test, t=-48.829 p<0.05)의 생산효율을 보였다. 기존의 생산 방식에 비해 기기를 이용할 경우 4.9배의 생산 효율성을 나타냈다 (Table 4).
Comparison of conventional process (A) and process using machines (B) for gathering royal jelly.
6. 생산기술에 따른 10-HDA 함량변화
로열젤리에 존재하는 10-HDA는 로열젤리의 품질평가 지표물질로 이용되고 있다 (Bloodworth et al., 1995). ISO 국제 표준화기구에서 규정하는 로열젤리의 10-HDA 함량기준은 1.4% 이상이다(Kanelis et al., 2015). 기존의 생산 방식과 기기를 이용하여 생산된 로열젤리의 10-HDA의 함량을 비교해 본 결과 기존 방식에서는 2.3±0.4%였으며, 기기를 이용한 생산 방식에서는 2.2±0.3%로 유의적인 차이를 보이지 않았다(t-test, t=5.533, p<0.05). 두 시스템 모두 국제 기준치인 1.4% 이상을 만족하였으며, 기기를 이용한 생산 방식을 적용하더라도 주요성분인 10-HDA의 함량변화에 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다(Table 5).
10-HDA contents in the royal jelly produced by different production process
적 요
로열젤리의 대량생산을 목적으로 하는 경우 기존의 양봉관리에 의한 생산법은 많은 시간과 노동력을 요구한다. 이충과정부터 로열젤리 채취까지 모두 수작업을 통해 진행되기 때문에 시간대비 생산성이 낮다. 본 연구를 통해 기존의 일반적인 방법이 아닌 기기를 이용한 반자동 생산 시스템을 도입하였을 경우 로열젤리 생산 효율이 4.9배 증가함을 확인할 수 있었으며, 생산에 들어가는 시간을 크게 절감하여 효율적으로 로열젤리를 생산할 수 있었다. 이러한 생산 시스템을 통해 로열젤리 생산한다면 적은 시간을 투자하여 많은 양의 로열젤리를 생산할 수 있을 것으로 기대되어진다.
Acknowledgments
본 연구는 농촌진흥청 농업기초기반연구 (과제번호: PJ0151352021)에 의하여 수행되었습니다.
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