인산염
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1. 개요
인산염은 인 원자를 중심으로 산소 원자가 정사면체 형태로 결합된 음이온(PO₄³⁻)을 포함하는 화합물이다. 다양한 pH 조건에서 여러 형태(H₃PO₄, H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻, PO₄³⁻)로 존재하며, 피로인산염, 삼인산염과 같은 중합체 이온을 형성할 수 있다. 인산 나트륨, 인산 칼륨 등은 물에 잘 녹지만, 다른 인산염은 용해도가 낮다. 수용액에서 오르토인산은 해리 평형을 이루며, pH에 따라 다양한 이온 형태로 존재한다.
인산염은 생물학적 시스템에서 중요한 역할을 하며, 뼈와 치아의 구성 성분인 수산화인회석의 형태, ATP, DNA, RNA 등의 유기인산염 형태로 존재한다. 또한 뼈와 치아 건강, 요로 감염 치료, 식이 보충제 등으로 의료 및 생물학 연구에 활용된다. 생태계에서 인산염은 제한적인 영양소로 작용하며, 과도한 공급은 부영양화를 유발할 수 있다.
인산염은 인산염 광물에서 채굴되며, 세계 최대 생산국은 모로코이다. 주요 매장지는 북미, 아프리카, 중동, 중앙아시아, 오세아니아 등지에 분포한다. 인의 고갈에 대한 우려가 있으며, 중국, 모로코, 미국이 세계 인산염 생산량의 대부분을 차지한다.
과도한 인산염 섭취는 고인산혈증을 유발하여 심혈관계 질환의 위험을 높일 수 있으며, 가공식품을 통한 섭취가 주요 원인으로 지목된다.
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| 인산염 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
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 | |
| IUPAC 명칭 | 인산 |
| 다른 이름 | 오르토인산염 사산화인산(V) 사산화인(V)산염 |
| 식별자 | |
| CAS 등록번호 | 14265-44-2 |
| PubChem | 1061 |
| ChemSpider ID | 1032 |
| MeSH 이름 | 인산염 |
| ChEBI | 18367 |
| Beilstein | 3903772 |
| Gmelin | 1997 |
| UNII | NK08V8K8HR |
| SMILES | [O-]P([O-])([O-])=O [O-][P+]([O-])([O-])[O-] |
| StdInChI | 1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)/p-3 |
| StdInChIKey | NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K |
| 속성 | |
| 화학식 | PO₄³⁻ |
| 짝산 | 인산 일수소 |
| 몰 질량 | 94.9714 g mol⁻¹ |
| 추가 정보 | |
| 관련 문서 | |
| 참고 자료 | 인산염 개요 |
2. 화학적 특성
인산염 이온(PO₄³⁻)은 몰 질량 94.97 g/mol을 가지며, 중심의 인 원자를 네 개의 산소 원자가 정사면체 형태로 둘러싸고 있는 구조이다.
인산염 이온은 인산 수소 이온(HPO₄²⁻)의 짝염기이며, 이는 다시 인산 이수소 이온(H₂PO₄⁻)의 짝염기이고, 최종적으로 오르토인산(H₃PO₄)의 짝염기에 해당한다.
인산염은 물에 대한 다양한 용해도를 나타내며, 수용액에서는 pH 조건에 따라 여러 가지 이온 형태로 존재하며 복잡한 평형 관계를 이룬다. (자세한 내용은 하위 문단 참고)
또한 인산염은 두 개 이상의 인산 단위가 결합하여 중합된 이온을 형성할 수 있다. 대표적인 예로 피로인산염(P₂O₇⁴⁻), 삼인산염(P₃O₁₀⁵⁻) 등이 있으며, 긴 사슬 형태의 메타인산염(실험식 PO₃⁻)도 다양한 화합물에서 발견된다.
2. 1. 용해도
많은 인산염은 표준 온도와 압력에서 물에 잘 용해된다. 인산 나트륨, 인산 칼륨, 인산 루비듐, 인산 세슘, 인산 암모늄은 모두 물에 잘 녹는다. 대부분의 다른 인산염은 물에 약간만 녹거나 거의 녹지 않는다. 일반적으로 수소인산염과 디수소인산염은 해당하는 인산염보다 물에 조금 더 잘 녹는 경향이 있다.2. 2. 수용액에서의 평형
수용액에서 오르토인산(H₃PO₄)과 이로부터 파생되는 세 가지 음이온(H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻, PO₄³⁻)은 다음과 같은 해리 및 재결합 평형 상태에 따라 공존한다.[30]
| 평형 | 해리 상수 Ka | pKa |
|---|---|---|
| H₃PO₄ ⇌ H₂PO₄⁻ + H⁺ | Ka1 = [H⁺][H₂PO₄⁻] / [H₃PO₄] ≈ 7.5 × 10⁻³ | pKa1 = 2.14 |
| H₂PO₄⁻ ⇌ HPO₄²⁻ + H⁺ | Ka2 = [H⁺][HPO₄²⁻] / [H₂PO₄⁻] ≈ 6.2 × 10⁻⁸ | pKa2 = 7.20 |
| HPO₄²⁻ ⇌ PO₄³⁻ + H⁺ | Ka3 = [H⁺][PO₄³⁻] / [HPO₄²⁻] ≈ 2.14 × 10⁻¹³ | pKa3 = 12.37 |
위 표의 값들은 25°C, 이온 강도 0에서 측정된 값이다.
p''K''a 값은 각 화학종의 농도가 그 짝염기의 농도와 같아지는 pH 값을 의미한다.
- pH 1 이하에서는 인산(H₃PO₄)이 거의 해리되지 않은 상태로 존재한다.
- pH 4.7 부근(첫 번째와 두 번째 p''K''a 값의 중간 지점)에서는 인산 이수소 이온(H₂PO₄⁻)이 주된 화학종이다.
- pH 9.8 부근(두 번째와 세 번째 p''K''a 값의 중간 지점)에서는 인산 수소 이온(HPO₄²⁻)이 주된 화학종이다.
- pH 13 이상에서는 인산이 거의 완전히 해리되어 인산 이온(PO₄³⁻) 형태로 존재한다.
이러한 pH에 따른 화학종 분포 특성을 이용하여, 용액의 pH를 4.7 또는 9.8로 조절하면 각각 인산 이수소 염(예: NaH₂PO₄)이나 인산 수소 염(예: Na₂HPO₄)을 선택적으로 결정화시킬 수 있다.
오르토인산의 세 단계 해리 과정에서 연속적인 p''K''a 값의 차이가 4 이상으로 크기 때문에, H₃PO₄, H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻는 각각 별개의 약산처럼 행동한다.
인산염은 또한 여러 개의 인산 단위가 연결된 중합 이온 형태를 형성할 수 있다. 대표적인 예로는 두 개의 인산 단위가 결합한 피로인산염(P₂O₇⁴⁻)과 세 개의 인산 단위가 결합한 삼인산염(P₃O₁₀⁵⁻)이 있다. 이 외에도 긴 사슬 형태의 메타인산염 이온도 존재하며, 이는 실험식으로 (PO₃)nn- 로 표현된다.
3. 생화학
생물학적 시스템에서 인은 용액 상태의 유리 인산염 음이온(무기 인산염)으로 존재하거나, 다양한 유기인산염 형태로 유기 분자에 결합되어 존재한다.
무기 인산염은 일반적으로 '''Pi'''로 표시되며, 생리적인 pH에서는 주로 HPO42−와 H2PO4− 이온의 혼합물로 존재한다. 세포질(pH 7.0)과 같은 중성 pH 환경에서는 H2PO4− 이온(약 62%)이 HPO42− 이온(약 38%)보다 더 많이 존재한다. 반면, 세포외액(pH 7.4)에서는 이 비율이 반대로 나타나 HPO42− 이온(약 61%)이 더 우세하다.
무기 인산염은 피로인산염(P2O74−, PPi) 음이온이 가수분해되어 생성될 수도 있다.
:P2O74− + H2O ⇌ 2 HPO42−
유기인산염은 주로 뉴클레오타이드(예: AMP, ADP, ATP)의 에스터 형태나 DNA, RNA의 구성 성분으로 발견된다. 특히 ATP나 ADP와 같은 뉴클레오타이드의 인산화 및 탈인산화 반응은 많은 대사 과정에서 에너지를 저장하고 공급하는 핵심적인 역할을 한다. 이들 분자 내의 특정 인산 결합은 고에너지 인산 결합으로 불리며, 이 결합의 가수분해를 통해 에너지가 방출된다.
3. 1. 뼈와 치아
생물학적 시스템에서 인산염의 중요한 역할 중 하나는 뼈와 치아를 구성하는 구조적 물질로 사용되는 것이다. 이러한 구조는 수산화인회석 형태의 결정질 인산 칼슘으로 만들어진다. 포유류 치아의 단단하고 조밀한 에나멜은 플루오린인회석을 포함할 수 있는데, 이는 수산화인회석의 하이드록실기 일부가 플루오린화물 이온으로 치환된 것이다.3. 2. 의학 및 생물학 연구 용도
인의 의약품 형태(염)는 인산염이다. 일부 인산염은 소변을 더 산성으로 만들어 많은 요로 감염 치료에 도움을 준다.[31][4] 또한, 요로에서 칼슘 결석이 생기는 것을 막기 위해 사용되기도 한다.[31][4] 특정 질환이나 장애로 인해 식사를 통해 충분한 인을 섭취하지 못하는 환자에게는 식이 보충제로 인산염이 사용된다.[31][4] 주사 형태의 인산염은 자격을 갖춘 의료인만 다룰 수 있다.[31][4]생물학 및 생화학 분야에서 인산 화합물은 중요한 역할을 한다. 생태계에서는 인산 이온 형태뿐만 아니라 DNA, RNA를 비롯한 여러 인산에스터 형태로 존재한다. 생화학에서는 용액 상태의 인산 이온을 '''무기인산'''(eng, Pi)이라고 부르며, 이는 ATP, DNA, RNA 등에 유기적으로 결합된 인산과 구분된다. 무기인산(Pi)은 ATP가 ADP로, 또는 ADP가 AMP로 분해될 때 방출된다. 다른 뉴클레오시드 삼인산이나 이인산에서도 유사한 과정이 일어난다.
생체 내에서 인산 이온은 피로인산염(eng, PPi)이 가수분해되어 생성되기도 한다. 피로인산염(P2O74−)은 물과 반응하여 두 개의 인산 이온(HPO42−)을 만든다 (P2O74− + H2O → 2HPO42−).
근육 조직 등에서 ATP, ADP와 같은 뉴클레오타이드의 인산 결합은 생명 활동에 필요한 에너지를 저장하는 중요한 역할을 하며, 이를 흔히 '''고에너지 인산''' 결합이라고 부른다.
3. 3. 식물의 물질대사
식물은 수지상균근 경로 및 직접 흡수 경로 같은 여러 경로를 통해 인을 흡수한다.4. 생태학
생태학적 관점에서 인산염은 생물에게 필수적인 자원이다. 생물의 에너지 대사에 사용되는 ATP와 유전 정보를 담고 있는 DNA는 모두 인산을 포함하는 뉴클레오티드로 구성되어 있기 때문이다. 따라서 환경 내 인산염의 양은 생태계 전체의 바이오매스(생물량)를 결정하는 중요한 요인이 된다.
인산염은 환경에서 제한 영양소로 작용하는 경우가 많다. 즉, 다른 영양소는 비교적 풍부하더라도 인산염이 부족하면 생물의 성장 속도가 제한된다. 일반적으로 담수 환경에서는 인산염이 제한 영양소로 작용하는 반면, 해양(해수) 환경에서는 질소 화합물(주로 질산염)이 제한 영양소인 경우가 더 많다.
해양 생태계에서는 태양 에너지가 풍부한 표층 해수에 오히려 인산염이 부족한 경우가 많다. 생물이 흡수한 인은 생물이 죽은 뒤 사체가 가라앉으면서 해저로 이동하기 때문이다. 따라서 인산염은 주로 깊은 바다에 풍부하게 존재하며, 표층으로 인산염이 공급되는 것은 육지로부터의 유입이나 해저에서 솟아오르는 용승 등 제한적인 경로를 통해서이다. 이러한 인산염 공급이 원활한 지역에서 활발한 생물 생산이 이루어진다.
토양 환경에서도 인산염은 제한적인 요소이다. 토양 속 인의 총량이 많지 않을 뿐만 아니라, 대부분 물에 잘 녹지 않는 불용성 화합물 형태로 존재하기 때문이다. 식물은 토양 속 인산염을 얻기 위해 미생물(세균, 균류)과 경쟁해야 하며, 불용성 인산염을 직접 흡수하는 능력도 제한적이다. 많은 식물은 뿌리에 균류와 공생하여 균근을 형성함으로써 인산염 흡수 효율을 높인다. 식충식물처럼 극도로 척박한 환경에 적응하여 곤충을 잡아먹음으로써 인을 얻는 독특한 생존 전략을 가진 식물도 있다.
자연 상태의 생태계는 이처럼 제한된 인산염 공급에 맞춰 균형을 이루고 있다. 따라서 인위적으로 과도한 양의 인산염이 유입되면 부영양화와 같은 생태계 불균형을 초래할 수 있다.[42] 이는 과거 세제 사용이나[23] 인광석 채굴[44], 비료 사용 등과 관련하여 환경 문제로 이어지기도 했다.
한편, 세균과 점토 광물이 함께 존재하면 칼슘 수산화인회석과 방해석 같은 인산염 광물의 생물학적 침전(생물광화)이 촉진되기도 한다.[43]
4. 1. 부영양화
생태학적으로 인산염은 생물 시스템에 필수적인 자원으로 수요가 높다. 일단 사용되면 환경에서 제한적인 영양소가 되는 경우가 많으며, 그 가용성이 생물체의 성장 속도를 좌우할 수 있다. 이것은 일반적으로 담수 환경에 해당되는 반면, 질소는 해양(해수) 환경에서 제한적인 영양소가 되는 경우가 더 많다.일반적으로 인산염 농도가 낮은 환경에 높은 수준의 인산염이 유입되면 부영양화가 발생하여 생태학적으로 심각한 결과를 초래할 수 있다.[42] 과도한 인산염은 특정 식물 플랑크톤의 급격한 대량 증식을 유발하여 적조나 아오코와 같은 현상을 일으킨다. 이렇게 대량 증식한 조류는 사멸 후 분해 과정에서 산소를 고갈시키고, 수중 유기물을 증가시켜 유기물 오염의 원인이 되며, 일부 독성 조류는 다른 생물에 직접적인 악영향을 미치기도 한다. 이는 결국 다른 생물 개체군의 희생과 생태계 붕괴로 이어질 수 있다. 오염과 관련하여 인산염은 수질의 주요 지표인 총용존 고형물의 구성 요소이지만, 모든 인이 조류가 즉시 이용할 수 있는 분자 형태인 것은 아니다.[42]
생태계는 많은 경우 제한된 인산 공급에 의해 성립하기 때문에, 자연계에 과도한 양의 인산이 공급되면 종종 생태계의 붕괴로 이어진다. 과거 인산염은 세제의 수질 연화제로 흔히 배합되었으나, 인산의 수환경 방출이 부영양화 등 생태계 균형 파괴의 주요 원인이 되면서, 인산을 포함하는 합성세제의 판매 및 사용이 규제되는 지역이 늘어났다. 미국에서는 1970년 미시간호에 인접한 시카고시에서 세제의 인산염 함유량 규제가 실시되었으며[23], 일본에서는 1979년 비와호를 보유한 시가현이 조례로 세제의 인산염 함유량 규제를 시작했다.
4. 2. 인 오염
생태학적으로 인산염은 생물 시스템에 필수적이지만, 환경에서는 그 양이 제한되어 생물 성장을 조절하는 주요 요인이 된다.[42] 특히 담수 환경은 인산염이 부족한 경우가 많아, 이곳에 인위적으로 다량의 인산염이 유입되면 생태계에 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 특정 생물, 특히 식물 플랑크톤이 과도하게 번성하여 부영양화가 진행되면 물속 산소 부족을 유발해 다른 생물들의 폐사로 이어질 수 있다.[42] 심한 경우 적조나 녹조 (아오코)가 발생하여 수질을 악화시키고, 일부 유독성 조류는 다른 생물에게 직접적인 해를 끼치기도 한다.인 오염의 주요 원인 중 하나는 생활 하수이다. 과거 세제에는 세척력 향상을 위해 인산염이 많이 사용되었으나, 이것이 하천과 호수로 흘러 들어가 부영양화의 주요 원인이 되었다. 이 때문에 여러 국가와 지역에서 세제 내 인산염 사용을 규제하고 있다. 예를 들어, 미국 시카고시는 1970년부터 미시간호 보호를 위해 세제 내 인산염 함량을 규제하기 시작했으며[23], 일본 시가현은 1979년 비와호 오염 방지를 위해 관련 조례를 제정했다.
산업 활동 역시 인 오염의 원인이 될 수 있다. 인광석 채굴 및 가공 과정에서 발생하는 폐기물에는 카드뮴, 납, 니켈, 구리, 크로뮴, 우라늄과 같은 중금속이 포함될 수 있다.[44] 이러한 광미(광산 폐기물)가 제대로 관리되지 않으면 중금속이 지하수나 주변 하천으로 유출되어 심각한 수질 오염을 일으킬 수 있으며, 오염된 물을 식물이나 동물이 섭취할 경우 먹이사슬을 통해 중금속이 축적되어 인간에게까지 영향을 미칠 수 있다.[44]
농업에서 비료로 사용되는 인산염도 과다하게 사용될 경우, 빗물 등에 씻겨나가 하천이나 호수로 유입되어 부영양화를 유발하는 원인이 될 수 있다. 인산염은 식물 성장에 필수적이지만, 환경 용량을 초과하는 공급은 생태계 균형을 위협한다.
또한, 식품 첨가물 등으로 인산염을 과잉 섭취하면 체내 칼슘 흡수를 방해하여 골다공증의 위험을 높일 수 있다는 지적도 있다. 이에 따라 일부 식품업계에서는 가공식품의 인산염 함량을 줄이려는 노력을 보이기도 한다.[24]
5. 생산
인산염은 여러 인산염 광물에서 발견되는 인(P)의 자연 발생 형태이다. 광물학 및 지질학에서는 인산 이온을 포함하는 암석이나 광석을 인산염이라 부른다. 무기 인산염은 주로 농업과 산업에서 사용하기 위한 인을 얻기 위해 채굴된다.[29] 작은 섬나라인 나우루와 그 이웃인 바나바섬은 과거 최고 품질의 인산염 매장량이 많았던 곳으로 과도하게 채굴되었다.
세계 최대의 인산염 생산 및 수출국은 모로코이다. 주요 매장지는 북미(플로리다주 중부의 본 밸리 지역, 아이다호주 남동부의 소다 스프링스 지역, 노스캐롤라이나주 해안 등), 아프리카(이집트, 튀니지, 토고 등), 중동(이스라엘, 요르단 등) 및 오세아니아(나우루, 바나바섬 등)에 분포한다. 인광석은 또한 대규모 인산염 채굴 산업이 있는 국가인 이집트, 이스라엘, 팔레스타인, 서사하라, 나배사섬, 튀니지, 토고, 요르단 등에서도 찾아볼 수 있다.
인광석 채굴은 전 세계적으로 이루어지며, 주요 생산국은 중국, 모로코, 미국 등이다. 인의 고갈 가능성에 대한 우려가 제기되고 있으며, 2007년 추정으로는 현재 소비 속도로 약 345년 후 고갈될 것으로 예상되었으나,[33] 일부 과학자들은 '인 생산 정점'이 더 빨리 도래하여 향후 50~100년 내에 매장량이 고갈될 수 있다고 경고하기도 한다.[34] 2012년 미국 지질조사국은 전 세계 회수 가능 매장량을 710억ton으로 추정했다.[35]
일부 인산염 채굴 지역에서는 환경 문제가 발생하기도 한다. 예를 들어 플로리다주 멀버리의 일부 인산염 암석 퇴적물에는 상당한 양의 방사성 우라늄 동위원소가 포함되어 있어, 여기서 생산된 인산 비료 사용 시 방사능이 지표수로 방출될 수 있다는 우려가 있다.[39] 또한, 과다하게 사용된 인 비료에서 유출된 인 성분은 하천과 호수의 부영양화를 유발하여 수생 생태계에 영향을 미칠 수 있다.
5. 1. 지질학적 생성
인산염은 여러 인산염 광물에서 자연적으로 발견되는 인(P) 원소의 형태이다. 광물학과 지질학에서는 인산 이온을 포함하는 암석이나 광석을 인산염이라고 부른다. 무기 인산염은 주로 농업 및 산업용 인을 얻기 위해 채굴된다.[29][2]
세계 최대의 인산염 생산 및 수출국은 모로코이다. 북미에서는 플로리다주 중부의 본 밸리(Bone Valley) 지역, 아이다호주 남동부의 소다 스프링스(Soda Springs) 지역, 노스캐롤라이나주 해안에 가장 큰 매장지가 있다. 그 외 몬태나주, 테네시주, 조지아주, 사우스캐롤라이나주에도 비교적 소규모의 매장지가 존재한다. 작은 섬나라인 나우루와 이웃한 바나바섬은 과거 최고 품질의 인산염이 대량 매장되어 있었으나, 과도한 채굴이 이루어졌다. 인광석은 이집트, 이스라엘, 팔레스타인, 서사하라, 나배사섬, 튀니지, 토고, 요르단과 같이 인산염 채굴 산업이 발달한 국가들에서도 발견된다.
주요 인광석 광산 분포 지역은 다음과 같다.
| 지역 | 주요 국가 및 지역 |
|---|---|
| 북아메리카 | 미국 (특히 플로리다주, 노스캐롤라이나주, 아이다호주, 테네시주) |
| 아프리카 | 모로코, 알제리, 이집트, 니제르, 세네갈, 토고, 튀니지, 모리타니 |
| 중동 | 이스라엘, 사우디아라비아, 요르단, 시리아, 이란, 이라크 (아카샤트 마을 등) |
| 중앙아시아 | 카자흐스탄 |
| 오세아니아 | 오스트레일리아, 마카테아, 나우루, 바나바섬 |
2007년 추정에 따르면 당시 소비 속도로는 약 345년 후에 인이 고갈될 것으로 예상되었으나,[33][7] 일부 과학자들은 이른바 '인 생산 정점(peak phosphorus)'이 30년 안에 올 수 있으며, 50년에서 100년 안에 매장량이 고갈될 수 있다고 경고하기도 했다.[34][8] 매장량은 현재 시장 가격으로 회수 가능한 양을 의미하며, 2012년 미국 지질조사국(USGS)은 회수 가능한 전 세계 인산염 매장량을 710억 톤으로 추정했고, 2011년 전 세계 채굴량은 1억 9천만 톤이었다.[35][9] 인은 지각 질량의 평균 0.1%를 차지하며,[36][10] 인산염 광물의 주성분인 수산화인회석과 플루오린화인회석을 기준으로 할 때, 인산염 광물 자체는 약 18.5%의 인을 함유한다. 일반적인 인광석은 이러한 광물을 약 20% 포함하므로, 평균적으로 약 3.7%의 인을 함유하게 된다.
플로리다주 멀베리(Mulberry) 지역 등 일부 인산염암 퇴적물에는 상당량의 방사성 우라늄 동위원소가 포함되어 있어, 이곳에서 생산된 인산 비료를 사용할 때 방사능이 지표수로 유출될 수 있다는 문제가 제기된다.[39][13]
2012년 12월, 코민코 리소시스(Cominco Resources)는 콩고 공화국의 힌다(Hinda) 프로젝트에서 5억 3,100만 톤에 달하는 대규모 인산염 자원을 확인했다고 발표하여, 당시 세계 최대 규모의 측정 및 추정 매장량을 기록했다.[40][14] 또한 2018년경 노르웨이에서 기존에 알려진 전 세계 매장량을 합친 것과 비슷한 규모의 막대한 인산염 매장량이 발견되었다.[15][16]
2022년 7월, 중국은 인산염 수출 할당제를 시행한다고 발표했다.[17] 주요 인산염 수입국(백만 톤 기준)은 브라질(3.2), 인도(2.9), 미국(1.6) 등이다.[18]
5. 2. 채굴
(미국 지질조사국, 2021년)[41](백만 kg)
생산량
점유율 (%)
(백만 kg)