Impact of Thermal-Treated Coffee Grounds on the Growth of Phaseolus Vulgaris

열처리된 커피박이 강낭콩 성장에 미치는 영향

Abstract

This study aims to identify the effects of coffee grounds on plant growth in order to propose new ways to recycle this waste product. As a way to recycle coffee grounds, the effect of placing coffee grounds on the surface of kidney bean plants on plant growth was investigated by determining the root, stem, leaf front growth, and seed germination rates. To maximize the effectiveness of coffee grounds, the effect of heat treated temperature for coffee grounds on plant growth was investigated. Normal kidney bean growth was checked for seed germination and seedling growth. The germination rate was 80 % for the non-treated case without coffee grounds, but 100% for the coffee grounds treated at 100 ℃ and 250 ℃ of heat treatment. Stem, root, and leaf growth were all improved with the use of coffee grounds compared to the non-treated case. This can be attributed to the organic matter present in the coffee grounds and the fact that coffee grounds are hydrophilic, which makes them more hydrating for plants. The coffee grounds were utilized to enhance plant growth, which could be utilized as a new way to recycle coffee grounds.

1. 서론

많은 사람들이 쉽게 마시고 접하는 음료로 커피를 제조하기 위해 많은 커피원두가 사용된다. 국제커피기구(International Coffee Organization, ICO)에 따르면 2021년 세계 커피 생산량은 96억만 kg 수준으로 매우 많다 [1]. 생산량에 대한 소비량도 비슷한 상황이다. 미국, 브라질 등 전세계에서 커피 소비량은 증가되고 있으며, 한국 역시 성인 1인당 3.5 kg의 커피를 연간 소비한다고 알려져 있다 [2]. 커피를 소비하는 양이 많듯이 커피 한잔을 만들기 위해 발생되는 커피박은 문제가 되고 있는 상황이다 [3, 4].

에스프레소 30 ml를 만들기 위해 약 20 g의 원두를 사용하고 커피를 추출하고 남는 커피박의 무게는 약 18 g 수준으로 발생된다 [5]. 즉 커피 한잔을 위해 원두의 90 %는 폐기물이 되는 것이다. 전 세계적으로 매년 200 만톤 이상의 커피박이 발생되고, 한국은 약 매년 15 만톤 수준으로 발생되고 있다 [6]. 이러한 커피박은 수분과 유기물을 동시에 보유하고 있는 셀룰로오스 물질이기 때문에 단순 매립이나 소각을 할 경우 매립지의 부피 팽창과 소각시 발생되는 메탄이 지구온난화에도 영향을 준다 [7, 8]. 하지만 반대로 생각하면 커피박은 매우 많은 유기물과 영양소를 보유하고 있기에 다양한 응용이 가능하다. 재료공학적인 관점에서 커피박은 셀룰로오스라는 강화재로 활용이 가능하며, 고분자 소재의 기계적 물성 조절을 위해 사용되는 연구가 다양하게 발표되고 있다 [9, 10]. 식물 퇴비나 비료에 질소가 풍부하다는 점을 이용하여 토양의 질을 개선하고 식물의 성장을 지원하는 퇴비, 비료로 이용이 가능하다 [11-12]. 하지만 문제는 커피박은 수분과 함께 유기물을 보유하고 있다. Crude fiber, Carbohydrate, Tannins, Extractives, Melanoidins, Caffeine, Holocellulose, Cellulose, Hemicellulose, Arabinose, Galactose, Mannose, Acetyl group 등이 존재하는데 이는 토양에 곰팡이를 형성시킬수도 있기에 사용에 주의가 필요한 상황이다 [13]. 저자는 커피박을 재활용하여 질소비료 대체효과 가능성에 대해 향후 연구를 계획하고 있다. 본 연구에서는 농업분야에 커피박을 재활용하기위한 가능성을 강낭콩의 성장 정도로 관찰하였다.

강낭콩은 전 세계적으로 중요한 식량 작물 중 하나로, 단백질과 섬유질이 풍부하여 식품가공 산업에서 널리 활용되고 있다. 우리나라에서도 강낭콩은 전통적인 식재료로서 밥 밑 용이나 떡, 앙금[14], 싹나물 [15] 등으로 사용되며, 최근에는 건강식품으로서의 수요가 증가하면서 생두용 강낭콩의 소비가 늘어나고 있어 강낭콩 우수 품종이 육성되었다 [16]. 또한 전략작물 직불제의 도입으로 논, 밭 농사에서 이모작 작부체계로 변화하는 농가가 증가하면서 강낭콩이 재배작물로 많이 이용되고 있다. 이는 농가에 경제적 안정성에 기여하고 있다. 그러나 기후 변화와 토양 비옥도의 감소 등으로 인해 재배 환경이 점점 어려워지고 있어 수확량 유지 및 증대를 위한 연구가 필요하다. 특히 강낭콩은 다른 콩과 작물에 비해 질소 요구량이 비교적 크다 [17]. 이로 인해 강낭콩 고품질을 위해 생육초기에 값비싼 질소비료를 많이 사용하고 있다. 이에 농가의 경영 비용을 절감하면서 토양의 비옥도를 유지하고 장기적인 관점에서 지속 가능한 농업을 실현하는데 필요한 친환경적인 비료 연구가 필요하다.

본 연구에서는 폐기물로 문제가 되는 커피박에 대한 재활용 방안을 제시하고 커피박을 활용하여 강낭콩의 성장에 미치는 영향을 조사하였고, 열처리 커피박 조건에 따른 강낭콩 생장의 차이를 씨앗 단계에서 평가, 모종 단계에서의 평가로 나누어 결과를 고찰하였다. 궁극적으로 커피박을 재활용하는 방안 중 하나로 식물의 성장용 재료로 활용될 수 있음을 명확히 하고자 하였다.

2. 재료 및 실험방법

2.1 커피박 열처리

본 연구에서 사용된 커피박은 ㈜스타벅스에서 제공하는 다크-로스트 원두를 사용하였으며 매장에서 폐기된 커피박을 수거하여 실험실 환경 (24℃, 50 rh%)에서 하루동안 보관한 뒤 열처리를 전기로(Muffle Furnace, Jeiotech Co., LTD., 한국)를 활용하여 100, 150, 250, 360 ℃ 조건별로 실시하였다. 이는 커피박의 성분이 다량의 수분을 머금고 있어 곰팡이가 쉽게 발생되는데, 이를 해결하고자 커피박이 열분해되는 온도를 TGA(Thermogravimetric Analyzers, 열중량 분석기)로 확인 후, 열처리 온도를 설정하였다. 열처리에 따른 특성 분석을 위해 열중량 측정기 (Q500, TA instruments Co., LTD., U.S.A.)를 사용했으며, 커피박의 형상 변화를 관찰하기 위해 전계방출형 주사 전자 현미경(S8000, Tescan Co., LTD., Czech Republic)을 사용하였다.

2.2 강낭콩 씨앗의 발아 및 성장에 커피박이 미치는 영향성 검증방법

강낭콩 씨앗 단계에서 8일 동안 성장한 강낭콩의 발아율과 뿌리, 줄기, 잎의 크기 변화를 관찰하였다. 강낭콩의 발아 및 성장 실험은 경상국립대학교 식물의학과 곤충사육실(26 ± 1℃, 45~55% RH. 광주기 16L : 8D)에서 실시하였다. 열처리된 커피박에 따른 씨앗 단계 강낭콩(Phaseolus vulgaris, 미국산)에서 발아율 및 모종 성장을 확인하기 위해 모종트레이에 일반 상토 15 g과 강낭콩 1알을 심고 커피박 1 g을 상토 표면에 골고루 도포하였다(Fig. 1a). 상토와 강낭콩의 수분 유지를 위해 4일마다 한번씩 물 40 ml을 분주하였으며, 처리 8일차에 강낭콩의 발아율과 뿌리, 줄기, 잎의 크기 변화를 관찰하였다. 각 실험은 조건별 10회 반복으로 실시하였다.

Fig. 1 Photograph of kidney beans planted in soil and coffee grounds on top: (a) seeds; (b) seedling

2.3 강낭콩 모종 성장에 커피찌꺼기가 미치는 영향성 검증방법

모종의 성장률은 6일 동안 커피박을 활용할 경우 성장되는 식물의 발육정도를 크기로 비교하였다. 열처리된 커피박에 따른 모종 단계 강낭콩에서 발육 정도를 확인하기 위해 FIg. 1과 같이 모종화분(9호; 입구 9 cm, 높이 8 cm, 바닥 6.3 cm)에 일반 상토 70 g과 15 cm 이하 어린 강낭콩 모종 1 개를 심고 커피박 1 g을 상토 표면에 골고루 도포하였다. Fig. 2와 같이 모종의 초기 줄기 길이는 평균 11.5 cm 이며 표준편차는 0.8 이었다. 잎 폭의 평균은 4.5 cm 이며 표준편차는 0.2 이었다. 잎 길이는 평균 6.9 cm 이었고, 표준편차는 0.7 이었다. 마지막으로 뿌리의 평균 길이는 12.0 cm, 표준편차는 0.3 이었다. 실험적 오류를 발생시키지 않기 위해 균질한 상태의 모종을 선별하여 실험을 진행하기 위해 변수별로 10개의 모종을 사용하여 성장률을 분석하였다. 상토와 강낭콩의 수분 유지를 위해 3일마다 한번씩 물 1,000 ml을 분주하였으며, 처리 6 일차에 강낭콩의 뿌리, 줄기, 잎의 크기 변화를 관찰하였다. 각 처리조건 별 10회 반복 실험을 실시하였다.

Fig. 2 Schematic of the sectional measurements used to analyze the growth of kidney beans

3. 결과 및 고찰

3.1 커피박 열처리 결과

Fig. 3은 TGA를 이용하여 확인한 커피박의 열분해 결과를 구간별로 나누어 모식도와 함께 나타낸 결과이다. 일반적으로 셀룰로오스 구조를 가지는 재료에 대한 구조는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌이 가장 주된 구조이며, 커피박은 복잡한 유기물을 보유하고 있는 구조이다 [18].

Fig. 3 Thermogravimetric analysis (TGA) results of neat coffee grounds in Air atmosphere

Fig. 3의 구간 ①과 같이 대부분 100℃ 구간에서부터 수분이 증발하게 되면서 170℃까지 수분 제거가 이루어진다. 이때 유기물 역시 일부분 소거가 진행된다. 그리고 ② 구간에서부터 유기물은 완벽하게 제거가 되며, 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스의 열화가 이루어진다. ③ 구간에서 리그린 층의 손상이 발생된다고 볼수 있으며, 구조의 변형이 가장 크게 발생되는 구간이다 [19]. 이러한 결과를 바탕으로 커피박의 열처리 조건을 100, 150, 250, 360℃로 나누어 실험하였으며, 그에 따른 형상 변화는 Fig. 4와 같다. 일반적으로 아무런 처리를 하지 않은 커피박은 100℃ 열처리한 Fig. 4(a)와 유사한 형태였다. Fig. 4(a)와 같이 100℃ 조건에서는 유기물 층과 셀룰오로스 뼈대가 동시에 확인되었다. 하지만 150℃ 열처리부터는 유기물 층에 대한 확인이 Fig. 4(b)와 같이 적어졌으며, 거칠기를 크게 형성함을 확인할 수 있었고, Fig. 4(c)의 250℃ 열처리 조건부터는 기공성이 확인될 정도로 큰 변화가 발생되었다.

Fig. 4 Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) results of thermal treated coffee grounds: (a) 100; (b) 150; (c) 250; and (d) 360℃

Fig. 4(d)는 셀룰로오스 뼈대가 확인되었으며, 뼈대 표면의 거칠기가 발생될 정도로 커피박의 손상이 발생되었다.

즉 열처리 조건에 따라 유기물을 선택적으로 제거할 수 있었으며, 유기물의 존재 유무와 커피박의 구조변화를 유발시킬 수 있었다.

360℃ 열처리를 함에 따라 커피박은 재와 같이 매우 검은 형태로 변화되었고, 이를 통해 탄화의 수준까지 구조가 변화된 상태이었다.

3.2 강낭콩 씨앗의 발아 및 성장에 커피 찌꺼기가 미치는 영향

Fig. 5는 무처리 강낭콩 씨앗의 발아 정도를 분석한 결과이다. 사진의 결과와 같이 일부 모종은 시들기도 하였고, 성장이 더디게 발생되는 경우도 있었다.

Fig. 5 Photograph of germination status of non-treated case kidney bean samples

Fig. 6과 같이 강낭콩 씨앗의 발아율을 정리해 보았다. 그래프 뒷면에 존재하는 색상이 있는 박스는 무처리에 대한 결과이다. 일반적으로 무처리 강낭콩은 약 80%의 발아율과 뿌리 및 잎, 줄기의 성장이 확인되었다. 25℃ 조건으로 표기한 것이 아무런 처리를 하지 않은 커피박을 이용한 결과이다. 커피박을 열처리하지 않고 사용할 경우 60%의 발아율을 보였다. 150℃ 열처리 조건에서는 열처리하지 않은 조건과 유사한 수준의 발아율을 보였으나, 전반적으로 커피박의 열처리 온도가 향상됨에 따라 발아 성공률이 증가되는 경향을 나타내었다. 특히 100℃, 250℃ 열처리 조건에서는 100%의 발아 성공률이 조사되었다.

Fig. 6 Thermal treated temperature changes in germination rate of kidney bean seeds

Fig. 7과 같이 곰팡이에 의한 영향을 받은 것으로 생각된다. Fig. 7(a),(c)와 같이 아무런 열처리를 하지 않은 25℃ 조건 커피박과 150℃ 열처리 조건에서는 높은 수분과 유기물의 함량으로 인해 쉽고 곰팡이가 형성되었다. 커피박은 토양을 비옥하게 할 수도 있겠지만, 과도한 곰팡이를 발생시킴으로써 식물 성장에 방해인자로 적용될 수 있었다. 커피박에 열처리를 함으로써 곰팡이의 생성되는 정도를 최소화 할 수 있었다. Fig. 7(b), (d)와 같이 100℃와 250℃ 열처리 조건에서는 곰팡이의 발생 정도가 크게 감소하여 소량의 곰팡이만이 관찰되었다. 또한 Fig. 7(e)와 같이 360℃ 열처리 조건에서는 곰팡이가 거의 관찰되지 않았다. 즉 곰팡이 발생은 커피박이 보유하고 있는 수분과 유기물의 정도에 따라 발생되는 영향이라 설명할 수 있다. 커피박이 보유하고 있는 수분과 유기물은 곰팡이 발생에 영향을 줄 수 있으며, 열처리를 통해 수분과 유기물을 제거한다고 하여도 수분은 제거될 수 있지만 유기물에 대한 완벽한 제거가 어렵기 때문에 소량의 곰팡이가 발생된다고 설명할 수 있다. 소량의 곰팡이가 발생되더라도 100% 발아율을 보였던 100℃와 250℃ 열처리 조건은 식물 성장에 도움이 되는 방법이었다.

Fig. 7 Degree of mould growth using thermal treated coffee grounds in seeds: (a) 25; (b) 100; (c) 150; (d) 250; and (e) 360℃

Fig. 8과 9는 강낭콩의 뿌리, 줄기, 잎의 성장 정도를 크기로 비교한 결과이다. 그래프 뒷면에 존재하는 색상이 있는 박스영역은 무처리에 대한 결과이다. Fig. 8은 뿌리와 줄기의 성장성을 길이로 정리한 결과이다. 무처리의 결과를 바탕으로 본다면 커피박을 활용할 경우 뿌리와 줄기의 성장에 큰 도움이 되었다. 특히 뿌리의 성장에 커피박은 더 큰 효과가 있었다. 열처리 조건이 높아져 셀룰로오스만 있는 커피박 구조일 경우 줄기의 성장 정도는 커피박을 사용하지 않은 무처리 결과와 유사하였다. 가장 효과적인 줄기와 뿌리의 성장을 기대할 수 있는 조건은 250℃ 열처리 조건이었다. 이는 유기물과 셀룰로오스가 안정적으로 공존하기 때문이다.

Fig. 8 Comparison of root and stem growth lengths under different thermal treatment conditions for coffee grounds

Fig. 9의 경우 잎의 성장 정도를 폭과 길이로 분석한 결과이며 250℃ 열처리 조건에서 가장 큰 잎이 관찰되었다. 360℃ 열처리 커피박을 이용할 경우 잎의 길이는 가장 길었으나 잎의 폭이 적은 편이었다. 잎 성장에 대한 최적의 조건을 결과적으로 고른다면, 250℃ 열처리된 커피박 조건이 최적이지만, 미처리 조건과 커피박 활용 조건의 결과에 대한 큰 잎 성장의 차이를 보이는 결과는 없었다.

Fig. 9 Comparison of leaf width and lengths with the different thermal treatment for coffee grounds

3.3 강낭콩 모종 성장에 커피박이 미치는 영향

Fig. 10은 강낭콩 모종의 성장에 대한 열처리 커피박이 미치는 영향에 대해서 확인한 결과이다.

Fig. 10 Comparison of leaf width and lengths with the different thermal treatment for coffee grounds

무처리의 경우 뿌리 성장률이 68.7%, 줄기 성장률이 63%, 잎 폭 성장률이 87.2%, 잎 길이 성장률이 52.5%인 결과를 보였다. 뿌리, 줄기, 잎의 성장에 대해서 확인해 볼 때, 모종단계에서는 커피박의 열처리가 뿌리의 성장에 가장 큰 영향을 미쳤다. 무처리 조건에 비해 뿌리 성장률은 열처리한 커피박 조건에서 2 배의 성장률 차이가 조사되었다. 하지만 잎과 줄기의 성장에는 열처리 온도를 높일 경우 오히려 성장을 방해하는 결과를 보였고, 전체적으로 무처리와 유사한 수준이었다. 모종의 성장 실험결과를 바탕으로 커피박을 사용하지 않는 무처리 조건에 비해 커피박을 활용할 경우 모종의 뿌리의 성장에 도움을 주는 결과를 확인할 수 있었다.

커피박을 활용할 경우 유기물, 기름, 수분의 영향으로 곰팡이가 발생되는 문제가 있었다. Fig. 1(a)와 같이 무처리 조건은 곰팡이가 발생되지 않았다. 에서 무처리는 곰팡이가 관찰되지 않았다. 열처리를 하지 않은 커피박 조건(25℃) fig. 11(b)과 100℃ 조건 fig. 11(c)에서는 다량의 곰팡이가 발생되었다. 150℃ 이상의 열처리를 한 커피박 fig. 11(d), (e), (f)에서는 소량의 곰팡이가 발생되었다. 커피박 열처리 조건은 곰팡이 발생량을 줄일 수 있는 방법임을 확인하였다.

Fig. 11 Degree of mould growth using thermal treated coffee grounds in seeding: (a) non-treated; (b) 25; (c) 100; (d) 150; (e) 250; and (f) 360℃

4. 결론

본 연구에서는 폐기물로 버려지는 커피박을 재활용하여 탄소배출량을 줄이는 하나의 방법에 조사하였다. 열처리된 커피박이 강낭콩 씨앗의 발아율과 생장에 미치는 영향 과 모종 단계에서 뿌리, 줄기, 잎의 성장률을 측정하였다. 순수 커피박은 씨앗의 발아와 모종의 성장에 피해를 일으켰으나 커피박을 열처리에 따라 커피에 존재하는 유기물과 수분을 제거하고 다공성 구조를 이루게 함에 따라 곰팡이 발생정도를 낮추고 강낭콩 생장에 이로운 효과를 나타내었다. 250℃ 열처리된 커피박을 이용하는 것은 씨앗의 발아 및 성장에 효과적이었다. 모종의 성장에는 150℃ 이상의 열처리 조건의 커피박을 활용하여야 커피박을 사용하지 않은 무처리 조건보다 뿌리의 성장에 도움이 됨을 확인하였다.

후기

본 연구는 과학기술정보통신부, 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구 결과입니다. 지원에 대해 진심으로 감사드립니다(RS-2023-00211944, 1345356213 (LINC3.0-2022-11)). 본 연구는 농촌진흥청 국가연구개발사업(과제번호: RS-2024-00398362) 과제의 지원에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.