미생물 발효처리가 황기(Astragalus membranaceus) 부산물의 사료가치에 미치는 영향

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미생물 발효처리가 황기( Astragalus membranaceus ) 부산물의 사료가치에 미치는 영향

안준상

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강원대학교 동물생명과학대학¹, 농협사료²

Effects of Fermentation using Microorganisms on Feed Value of Astragalus membranaceus By-products

Jun Sang Ahn

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1Division of Animal Resource Science, Kangwon National University, ChunCheon 24341, Korea,

2Nonghyup Feed Co. LTD., Seoul 05398, Korea

ABSTRACT

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The feed value of Astragalus membranaceus leaves and straws was amended by fermentation using effective microorganisms, such as molasses (T1),Rhodobacter capsulatus (T2), Bacillus subtilis (T3), Lactobacillus acidophilus (T4), or Saccharomyces cerevisiae (T5), with no supplements in the control (C). The crude protein (CP), ether extract (EE), crude fiber (CF), neutral detergent fiber (NDF), and acid detergent fiber (ADF) contents in the fermentation-treatedA. membranaceus leaves decreased, whereas nitrogen free extract (NFE) content increased significantly. A decrease in the amounts of CP (except in T3), EE, CF, NDF, and ADF in theA. membranaceus straws treated with effective microorganisms was observed compared with that for the C and T1 (p<0.05).

The NFE content of the straws increased with all treatments, except T1. Fermentation treatment subtly altered the fatty acid composition of A. membranaceus leaves and straws. In contrast, the calcium and vitamin E contents inA. membranaceus leaves and straws were increased after fermentation treatment (p<0.05). However, T3 yielded higher saponin content in straws compared to that by any of the other treatments (p<0.05). The effect of fermentation with microorganisms, maintained the low pH up to 48 h (p<0.05), whereas it was random for the straws. Therefore, the data suggest that fermentation treatment with microorganisms can improve digestion rate and have a positive effect on physiologically active substances and feed value.

(Key words: Astragalus membranaceus By-products, Effective Microorganisms, Fermentation, Feed value)

Ⅰ. 서론

최근 국내 부존자원을 이용한 사료 개발 및 활용을 통해

가축의 사료비를 줄이기 위한 방안이 다각적으로 모색되고 있다. 특히, 농산물 및 약용식물과 이들 부산물을 이용한 사료화 연구가 활발히 진행되고 있다(Kang 등, 2010; Lee

** Corresponding Author: Jong-Suh Shin, Division of Animal Resource Science, Kangwon National University, ChunCheon 24341, Korea. Tel: +82-33-250-8628, E-mail: [email protected]

*

Co-author: Byung-Ki Park, Nonghyup Feed Co. LTD., Seoul 05398, Korea. Tel: +82-33-6932-9700, E-mail: [email protected] This is an Open Access journal distributed under the teams of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses(by-nc/3.0) which permits

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등, 2010; Son 등, 2008). 강원도에서 주로 생산되는 황기는 285농가(재배면적은 222ha)에서 년간 263M/T 정도가 생 산되고 있지만(Ministry for Food, Agriculture, Forestry and Fisheries Republic of Korea, 2012), 황기 뿌리를 이용 한 약재나 상품으로 생산되고 남는 잎이나 줄기는 대부분 버려지고 있는 실정이다. 특히, 황기의 학명은 Astragalus membranaceus이며, 주요성분으로는 triterpenoids, iso- flavonoids, saponins, polysaccharides, amino acids 및 trace elements 등의 물질을 함유하고 있는 것으로 보고된 바 있다(Ma 등, 2002; Lin 등, 2000). 또한 황기는 면역력 증 강, 항알러지 효과, nitric oxide(NO)생성 억제, 면역세포의 자연사 억제, 신경세포 손상 억제, 뇌손상 억제, 항산화 작 용, 신장보호 및 세포막 손상방지 등의 효과가 있는 것으로 보고되어 왔다(Chen 등, 1995; He 등, 2000; Jia 등 2005;

Jiao 등, 1999; Lee 등, 2005; Ryu 등, 2008; Toda와 Shirataki, 1999; Wang 등, 1996; ).

한편, 미생물 발효를 통해 생산되는 여러 가지 발효산물 들은 사료 이용성 및 기호성을 증진시키고, 유용미생물 우 점과 젖산 생성에 의한 pH 감소 등으로 부패 및 병원성 미생물의 증식을 억제하여 발효사료의 안전성과 저장성을 높일 뿐만 아니라 사료향취 개선과 유익한 대사산물 생성 을 증진시킨다고 보고되어 있다(Smid와 Hugenholtz, 2010). 특히 광합성 세균은 유기물의 이용을 통해 악취 감 소 및 오염 방지 효과를 나타내며, 효모균은 생리활성물질 합성 및 다른 유용미생물군의 성장을 촉진시키는 것으로 보고된 바 있다(Han, 2005). 유용 미생물은 EM(Effective Microorganism)라고 불리우며, EM을 대표하는 균종으로 는 광합성균, 고초균, 유산균, 효모 등이 있다. 최근 일본에 서는 유기농업 및 토양개량에 이용하기 위해 만들어진 액 상 미생물을 축산업, 농업, 환경 등에 적용하여 긍정적인 효과를 입증하였다(Higa, 1993, 1994). 고초균, 유산균 및 효모균 등은 액상 형태로 배양하여 가축의 사료에 접종균 으로 활용되거나 생균제로 사용하여 가축의 사료 섭취 및 성장에 많은 도움을 주고 있다. 또한 이러한 유용 미생물 을 실제 육계에 급여한 결과, 육계의 맹장과 대장 내의 미 생물 균총에 긍정적인 효과를 주며 유해균은 감소시키는 것으로 보고되고 있다(Tortuero, 1973; Li 등, 2014). Son과 Jo(2007)은 대표적인 국균인 Aspergillus oryzae 배양액을 첨 가한 사료를 육계에 급여 시 사료의 소화율 증가 및 기호 성 개선 효과를 보였다고 하였으며, 이 외에도 다양한 미 생물을 이용하여 생산된 사료의 급여는 가축의 기호성을 증가시키고 증체량을 향상하는 등의 다양한 연구 결과가 보고되고 있다(Weidmeier와 Arambel, 1985). 이 같이 가축

의 생산능력, 사육환경 등의 개선을 위해 유용 미생물을 적용한 다양한 연구 사례들이 보고되고 있다.

일반적으로 조사료(볏짚, 갈대, 청보리, 이탈리안라이그 라스, 수단그라스 등)에 대한 미생물 발효처리를 하게 되 면, 반추가축에서 조사료의 기호성과 소화율이 향상되어 사료가치가 증진되는 효과가 있는 것으로 보고되어 왔다 (Choi 등, 2015; Kim 등, 2009; Kim, 2010; Lee, 2015). 황기 부산물의 경우에도 생산시기에 따라 일부 차이는 있지만, 반추가축의 사료자원으로 이용할 경우 줄기의 높은 조섬 유, NDF 및 ADF 함량으로 인해 사료섭취량 저하 현상이 발생되고, 특유의 향취로 인해 일부 기호성 저하현상이 발 생될 수 있다. 이러한 황기부산물의 사료가치를 높이기 위 해 유용미생물을 이용하여 황기부산물에 대한 발효처리를 하게 되면 황기부산물의 기호성 뿐만 아니라 소화율 향상 에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 현재까지 반추가축의 사료자원으로써 농산부산물이나 약용식물부산 물 등에 관한 연구 자체가 상당히 부족하며, 이들 부산물 의 사료가치를 증진시키기 위해 미생물을 이용한 발효처 리 및 반추위내 발효특성 변화에 관한 연구는 찾아보기 어 려운 실정이다.

따라서 본 연구는 황기 부산물에 대한 미생물 발효처리 에 따른 영양소 변화와 반추위 발효특성 변화를 검토하여 황기 부산물의 사료자원화를 위한 기초자료로 활용하기 위해 실시되었다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 공시동물

본 연구는 강원대학교 동물생명과학대학 부설농장에서 사육되고 있는 반추위 fistula가 장착된 Holstein 암소 3두 (평균 체중 421±37㎏)를 공시하여 수행하였다.

2. 사양관리

배합사료는 1일 2회(오전 8시 및 오후 5시)로 구분하여 급여하였으며, 볏짚과 물은 항상 자유롭게 이용할 수 있도 록 하였다. 시험사료의 일반성분 분석은 AOAC법(1995)에 준하여 실시하였으며, NDF 및 ADF 함량은 Goering과 Van Soest(1970)방법을 이용하여 분석하였다. 배합사료와 볏짚의 일반성분 분석 결과는 Table 1과 같다.

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Table 1. Chemical composition of concentrate and rice straw (DM basis)

Item Concentrate Rice straw

Dry matter (%) 90.64±0.15 95.56±0.02

Crude protein (%) 15.05±0.02 4.15±0.27

Ether extract (%) 3.13±0.08 1.16±0.33

Crude ash (%) 8.83±0.21 10.05±0.04

Crude fiber (%) 5.86±0.27 33.59±0.51

Neutral detergent fiber (%) 32.28±0.15 69.81±0.77

Acid detergent fiber (%) 18.27±0.51 38.15±1.25

Table 2. Chemical composition of Astragalus membranaceus (DM basis)

Item Leaves Stems

Dry matter (%) 6.63±0.28 4.43±0.09

Crude protein (%) 36.15±0.34 6.01±0.34

Ether extract (%) 3.64±0.51 1.17±0.05

Crude ash (%) 13.39±0.10 4.28±0.11

Crude fiber (%) 7.08±0.31 47.88±0.56

Neutral detergent fiber (%) 22.82±0.60 77.68±1.55

Acid detergent fiber (%) 14.73±0.68 55.07±1.22

3. 공시재료 및 황기 부산물 발효사료 제조

(1) 공시재료

본 연구에서 사용한 공시재료는 정선군에서 생산된 황 기에서 뿌리를 제거한 지상부를 사용하였으며, 황기 부산 물은 2㎜로 분쇄하여 실험을 진행하였다. 황기 지상부의 화학적 조성분은 Table 2와 같다.

(2) 유용 미생물 생산과 황기 부산물 발효사료 제조 미생물은 경우 정선군 농업기술센터 미생물 생산 공장에 서 생산된 미생물을 사용하였으며, 광합성균은 Rhodobacter capsulatus EBN-5, 고초균은 Bacillus subtilis HA KCCM 10775P, 유산균은 Lactobacillus acidophilus ATCC 4356, 효 모균은 Saccharomyces cerevisiae를 각각 10⁸/㎖로 균일화시 켜 본 실험에 이용하였다.

황기 지상부인 잎과 줄기는 분리 후 각각 4종의 균주를 이용하여 발효처리를 하였는데, 1L 용적의 플라스크를 반 응기로 선택하였다. 대조구의 경우에는 당밀과 미생물을 투여하지 않았으며, 당밀 처리구의 경우 당밀을 5% 첨가 하였고, 미생물 처리구들의 경우 당밀 5% 배양액에 각각 미생물을 50㎖/L 접종하였으며, 배양 시작 직전에 질소가 스를 플라스크 바닥으로부터 150㎖/min의 속도로 10분간 주입하여 혐기 조건을 유도한 후 완전 밀폐시켰다. 혐기조

건 중 발생하는 가스에 의한 압력 상승을 방지하기 위해 상부에 주사기 바늘을 설치하였으며, 배양조건은 30℃의 온도에서 20일간 rotary shaking incubator을 이용하여 100rpm의 속도에서 배양하였다.

배양이 완료된 황기 부산물 발효사료는 액상을 제거한 후 65℃ 열풍 순환식 건조기에서 3일 동안 건조시켜 본 실 험에서 사용하였다.

4. 시험 설계 및

in vitro

(1) 시험설계

시험구는 황기 잎 및 줄기에 발효처리를 실시하지 않은 대조구(C), 당밀 처리구(Molasses, T1), 광합성균 처리구 (Photosynthetic bacteria, T2), 고초균 처리구(Bacillus subtilis, T3), 유산균 처리구(Lactic acid bacteria, T4) 및 효모 처리구 (Saccharomyces cerevisiae, T5)의 총 6처리로 하였다.

(2) In vitro 반추위 소화시험

In vitro 반추위 소화시험은 100㎖ bottle에 2g의 황기 잎 과 줄기를 각각 넣은 후 70㎖의 배양액을 첨가하고 O2free CO2 gas를 10초간 주입하여 혐기적인 조건으로 유도하였 다. 실험은 39℃의 shaking incubator(HB-201SLI)에서 0, 12, 24, 48 및 72시간 동안 배양을 실시하며 수행했다.

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(1) Rumen inoculum

반추위액은 반추위 fistula가 장착된 홀스타인에서 오전 사료 급여 전에 채취한 후 4겹의 cheese cloth로 여과시켜 미리 예열된 39℃ 보온병에 넣은 후 O2free CO2gas를 30 초간 주입 후 밀봉시켰다. 채취된 반추위액은 실험실로 운 반하여 39℃의 incubator에서 약 2시간 정도 정치시킨 후 사료입자를 제거하여 in vitro 배양을 위한 inoculum으로 이용하였다.

(2) In vitro 배양액

In vitro 배양 실험에서 사용한 배양액은 rumen inoculum 400㎖를 미리 제조한 인공타액 1,596㎖과 혼합 하여 제조하였다. 인공타액은 buffer solution A와 B로 구 분하여 제조하였으며, 시험 개시 전에 buffer solution A(1,330㎖)와 B(266㎖)를 혼합한 후 사용하였다. Buffer solution A와 B의 조성은 Table 3과 같다.

Table 3. Components of in vitro buffer solutions

Item g/ℓ (D.W)

Buffer solution A

KH

PO

10.0

MgSO

·7H

O 0.5

NaCl 0.5

CaCl

·2H

O 0.1

Urea (regent grade) 0.5

Buffer solution B

Na

CO

15.0

Na

S·9H

O 1.0

5. 조사항목

(1) 일반 성분

일반성분 분석실험은 시료를 65℃의 건조기에서 2일간 건조시킨 후, 실험용 분쇄기(hammer mill)를 이용하여 1.5

㎜ screen의 입자로 분쇄하여 사용하였다. 일반성분 분석 중 건물, 조회분, 조단백질 및 조섬유 함량은 AOAC(1995) 방법에 준하여 분석하였으며, NDF 및 ADF 함량은 Van Soest 등(1991)방법에 따라 분석하였다.

(2) 지방산 조성

지질은 Folch의 방법(Folch 등, 1957)에 준하여, 30㎖의 튜브에 시료를 1.0g 칭량 후 chloroform-methanol(2:1) 용 액 20㎖와 0.88% NaCl 용액을 5㎖ 가한 다음 5분간 shaking 시킨 후에 4℃ incubator에서 36시간 방치시켰다.

36시간 후에 원심분리(4℃ 3,000rpm, 30분)를 통해 하층액 25㎖를 tube에 옮겨 질소가스로 유기용매를 증발시켰다.

그 후 0.5N methanolic NaOH를 1㎖ 가하고 15분간 가열 후 냉각시키고 다시 14% BF3-methanol 2㎖를 가하여 15분 간 가열 후 냉각시켜 1㎖ heptane과 2㎖ 포화 NaCl 용액 을 가하고, 튜브를 shaking 한 다음 40분 이상 실온 방치하 였다. 그 후 상층액을 미세 피펫으로 취하여 vial에 옮겨 담고, gas chromatography(Shimadzu-17A, Japan)를 이용 하여 분석을 하였다. 지방산 분석에 사용된 GC 분석조건 은 Table 4와 같다.

(3) 칼슘, 인 및 Vitamin E

황기 지상부의 칼슘 및 인 분석은 시료 10g을 crucible에 담고, 550℃에서 약 2시간 30분 동안 회백색이 될 때까지 회화시켰다. 그 후 방냉시키고 1:1 염산 20㎖ 가하고, 24시

Table 4. GC conditions for analysis of fatty acid

Item Condition

Instrument Shimadzu, GC-17A, Japan

Column SupelcowaxTM-10fusedsilica capillary column (30 m * 0.32 ㎜ * 0.25 ㎛ film thickness)

Detector Flame ionization detector

Carrier gas Helium (99.99%, Research purity), 25 cm/sec, set at 200℃

Column flow rate 1 ㎖/min

Split ratio 30 : 1

Injection port temperature 270℃

Detection port temperature 280℃

Oven temperature 230℃ (190℃: 5 min, 190℃-230℃: 2℃/min, 230℃: 5 min)

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Table 5. HPLC conditions for analysis of vitamin E

Item Condition

Instrument Aglient Technologies1260 series, USA

Column CAPCELL PAK C18 column (5 ㎕, 250x4.6 mm thickness)

Detector UV/vis 280 nm , FLD Ex298 nm/Em325 nm

Mobile Phase 100% MeOH

Column flow rate 1 ㎖/min

Column Temperature 35℃

Injection volume 20 ㎕

간 방치 용해시킨 뒤 뜨거운 증류수를 이용하여 여과시켰 다. 1N-HNO3 표준용액(1,000ppm)으로 50㎖ 정용하여 유 도결합플라즈마 질량 분석기(inductively coupled plasma spectrometer, OPTIMA 7300 DV, Perkinelmer. USA)로 측 정하였다.

Vitamin E를 분석하기 위해 먼저 황기 지상부 시료를 2g 정량한 후 전처리를 실시하였다. 전처리는 saponification 의 경우 시료에 30㎖의 ethanol과 1㎖ 10% pyrogallol(in ethanol), KOH 3ml를 가하고 90℃의 온수조에서 30분간 방치시켰다. 그 후 냉각시키고 증류수 30㎖를 첨가하여 혼 합하였다. Ether를 이용하여 20㎖을 이용하여 지질을 용해 및 추출하였으며, ether 층을 추출하여 감압 농축시켰다.

감압농축시킨 ether에 ethanol 2㎖를 첨가한 후 시료로 사 용하였다. 시료는 HPLC, Aglient Technologies 1260 series, USA)를 이용하여 분석하였으며, 조건은 Table 5와 같다.

(4) 사포닌 및 총 유기탄소

건조 후 일정 크기로 분쇄한 시료를 열수 추출한 후 quantitative filter papers(Watman No. 3)를 이용하여 여 과하였다. Diethyl ether를 10㎖를 가하여 지용성 성분을 제거하는 방법으로 총 3회 반복하였다. 그 후 30㎖의 수포 화 N-Butanol을 가하여 사포닌을 4회 반복 추출하였다. 추 출액에 증류수를 첨가하여 유리당을 제거하고, N-butanol 을 제거하기 위해 70℃에서 감압 농축하여 중량법으로 정 량하였다.

총 유기탄소(total organic carbon, TOC) 분석을 위해 유 용 미생물을 이용하여 배양한 황기 부산물을 압착하여 15

㎖의 배양액을 용출한 후 1,500×g(4℃)에서 10분간 원심 분 리시켰다. 그 후 상층액을 분석기(Torch combustion TOC analyzer, Teledyne Tekmar, USA)를 이용하여 TOC를 측 정하였다

(5) 총 질소, 총 고형물 및 총 휘발성고형물

총 질소함량분석을 위해 Kjedahl법에 의한 정량 분석법 을 이용하였다. 유용 미생물을 이용하여 배양한 황기 부산 물 0.5g을 채취하여 kjeldahl 플라스크에 넣은 후 총 질소 시험용 분해촉진제를 2g과 H2SO4 10㎖를 첨가한다. 그 후 block digester(BD46, Lachat, USA)를 이용하여 가열시켰 으며, 백연이 발생하고 시료가 투명해질 때 까지 계속 진 행했다. 시료가 투명해지면 충분한 방열을 시킨 후 수질 분석기(QuikChem 8500, Lachat, USA)를 이용하여 TKN을 측정하였다.

총 고형물(total solids) 함량은 폐기물 공정 시험기준(ES 06303.1)에 준하여 분석하였다. 유용 미생물을 이용하여 배 양한 황기 부산물 1g을 정량하여 미리 건조시킨 방열접시 에 담고, 105℃의 dry oven(LDO-150N, Labtech, Korea)에 서 24시간 건조 후 무게를 측정하여 TS 값을 측정하였다.

총휘발성고형물(total volatile solids) 함량은 폐기물 공 정 시험기준에 준하여 분석을 실시하였다. 유용 미생물을 이용하여 배양한 황기 부산물 1g을 정량하여 미리 건조시킨 도가니에 담고, 550℃의 회화로(maffle furnace, Korea)에서 2시간 회화 후 무게를 측정하여 TVS 값을 측정하였다.

(6) pH 및 휘발성지방산

유용 미생물을 이용하여 배양한 황기 부산물의 pH는 pH meter(Corning 445, USA)를 이용하여In vitro 배양 시 간대별로 측정하였다.

유용 미생물을 이용하여 배양한 황기 부산물의 휘발성 지방산 농도의 분석은 배양하는 100㎖ bottle에서 시간대 별로 10㎖의 배양액을 채취하여 전처리를 한 후 사용하였 다. 전처리는 미생물의 활동을 저지하기 위해 포화 HgCl2

0.5㎖와 20% HPO31㎖를 첨가하고, 4,000×g(4℃)에서 5분 간 원심 분리시켰다. 시료의 상층액을 vial에 취하고, gas chromatograph(Shimadzu-17A, Japan)를 이용하여 휘발성 지방산 농도를 측정하였으며, 분석조건은 Table 6과 같다.

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Table 6. GC conditions for analysis of volatile fatty acid

Item Condition

Instrument Shimadzu, GC-17A, Japan

Column Valcoband

Capillary column (30 m* 0.32 ㎜ * 0.25 ㎛ film thickness)

Detector Flame ionization detector

Carrier gas He: 7 ㎖/min, H2: 15 ㎖, O2: 15 ㎖

Column flow rate 1 ㎕/min

Split ratio 30 : 1

Injection port temperature 230℃

Detection port temperature 230℃

Oven temperature 230℃ (100℃-230℃: 8℃/min)

Table 7. Chemical composition of Astragalus membranaceus by-products by fermentation using effective microorganisms (DM basis)

Item CP

(%) EE

(%) CF

(%) NDF

(%) ADF

(%) NFE

(%)

Leaf

C 36.15±0.34

3.64±0.51

7.08±0.31

22.82±0.60

14.73±0.68

39.74±0.31

T1 20.26±0.22

0.82±0.00

5.16±0.04

11.70±0.05

7.80±0.07

61.11±0.19

T2 21.04±0.25

1.13±0.01

5.25±0.13

15.37±0.06

9.59±0.40

60.88±0.15

T3 22.37±0.23

1.09±0.07

5.49±0.10

11.26±0.42

7.36±0.33

58.82±0.16

T4 23.28±0.05

1.40±0.11

6.23±0.03

11.84±0.58

8.10±0.35

56.33±0.03

T5 23.05±0.03

1.31±0.24

6.24±0.38

10.26±0.44

7.17±0.27

56.95±0.73

Straw

C 6.01±0.34

1.17±0.05

47.88±0.56

77.68±1.55

55.07±1.22

40.66±1.03

T1 6.00±0.15

0.87±0.01

50.28±2.48

69.07±1.28

55.12±0.81

37.80±2.40

T2 5.92±0.13

0.65±0.01

43.99±0.54

62.49±2.12

50.08±0.98

43.75±0.78

T3 6.27±0.41

0.90±0.00

43.52±0.32

60.96±1.02

48.70±0.50

43.55±0.61

T4 5.66±0.09

0.69±0.01

45.08±0.65

65.14±1.88

51.15±2.04

43.26±0.95

T5 5.39±0.24

0.86±0.00

45.42±1.11

64.32±1.22

53.55±1.03

43.41±0.81

1)

CP: Crude protein,

EE: Ether extract,

CF: Crude fiber

NDF: Neutral detergent fiber,

ADF: Acid detergent fiber,

NFE:

Nitrogen free extract.

a,b,c,d,e,f

Different superscripts within the same row indicate significant difference at p<0.05.

6. 통계분석

실험 결과는 SAS(1999) program의 General linear model(GLM) procedure를 이용하여 분석하였으며, 각 처 리구간의 유의성 검증을 위해 분산분석을 실시하고, Duncan의 multiple range test로 유의성(p<0.05)을 검정하 였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

유용 미생물 발효처리가 황기 잎과 줄기의 영양소 함량 변화에 미치는 영향은 Table 7에 나타낸 바와 같다. 조단 백질, 조지방, 조섬유, NDF 및 ADF 함량은 황기 잎에 대 한 발효처리로 인해 감소되는 결과를 보였다(p<0.05). 가용 무질소물(NFE) 함량은 황기 잎에 대한 발효처리로 인해 크게 증가되는 결과를 보였는데(p<0.05), 특히 당밀(T1) 및 광합성균(T2) 발효 처리구에서 함량이 크게 증가되는 결과 를 보였다.

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황기 줄기에 대한 유용 미생물 발효처리의 영향은 잎에 대한 발효처리 결과와는 일부 차이를 보였다. 조지방, 조섬 유, NDF 및 ADF 함량은 유용 미생물 처리로 인해 대조구 (C) 및 당밀 처리구(T1)에 비해 감소되는 결과를 보였으며 (p<0.05), 조단백질 함량은 당밀 처리구와 고초균 처리구 (T3)를 제외한 유용 미생물 처리구들에서 대조구에 비해 감소되는 결과를 보였다(p<0.05). NFE 함량은 당밀 처리구 (T1)를 제외한 모든 유용 미생물 처리구에서 대조구에 비 해 증가되는 결과를 보였다(p<0.05).

본 연구의 결과에서 황기 부산물인 잎과 줄기에 대한 유 용 미생물 처리는 조섬유, NDF 및 ADF 함량을 감소시키 는 반면에 탄수화물(NFE)의 함량은 증가시키는 것으로 판 단된다. 유용 미생물을 이용한 황기 부산물의 발효처리 과 정에서 일부 영양소(조단백질 및 조지방) 및 섬유소(조섬 유, NDF 및 ADF)의 함량이 감소된 이유는 미생물들이 발 효과정에서 증식을 위해 이들 영양소를 활발히 분해 및 이 용했기 때문인 것으로 판단된다(Son and Jo, 2007; Moon, 2009). 따라서 황기부산물과 같이 섬유소 함량이 높고 기호 성이 낮은 부산물에 대한 유용 미생물 처리는 부산물의 소 화율을 향상을 향상시키고 탄수화물 공급량을 증가시켜 조사료 대체 효과 뿐만 아니라 약간의 농후사료 대체 효과 도 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

미생물을 이용한 발효처리 과정에서 조단백질 함량이 감소되기는 하였지만, 발효처리 황기 잎의 경우에는 양질 두과 조사료인 알팔파 건초에 상응하는 수준이며(Table 8, National Institute of Animal Science, 2012), 황기 줄기의 경우에도 축우에서 조사료원으로 널리 이용되는 볏짚에 비해 높은 수준인 것으로 판단된다.

황기 부산물은 농후사료보다는 조사료 대체원료로써의 가치가 중요한데, 본 연구의 결과에서 황기 잎과 줄기에 대한 발효처리로 인해 NDF 및 ADF 함량이 대표적인 양 질 조사료인 티모시, 알팔파 및 톨페스큐 등의 건초에 비

해서도 우수한 결과를 보였으며(Table 8), 우리나라에서 가 장 폭 넓게 사용되고 있는 조사료인 볏짚에 비해서는 월등 하게 사료가치가 향상되는 것으로 판단된다. 또한 황기 부 산물에 대한 발효처리로 인해 NFE(탄수화물) 함량이 크게 증가되었는데, 알팔파, 톨페스큐 등의 수입 건초에 비해 높 은 수준이며(Table 8), 발효처리 황기 부산물의 경우 일정 부분 농후사료(탄수화물 공급원) 대체 효과도 기대할 수 있는 것으로 판단된다.

유용 미생물 발효처리가 황기 잎과 줄기의 지방산 조성 변화에 미치는 영향은 Table 9에 나타낸 바와 같다. 황기 잎과 줄기에 대한 유용 미생물 발효처리로 인해 일부 지방 산의 경우 약간의 비율 변동이 있었지만, 전반적으로 발효 처리가 황기 잎과 줄기의 지방산 조성 변화에 미치는 영향 은 적었다.

본 연구의 결과에서 황기 잎과 줄기에 대한 미생물의 발 효처리로 인해 조지방 함량은 감소되지만(Table 7), 미생물 발효처리가 지방산 조성에 미치는 영향은 적은 것으로 판 단된다. 이러한 결과는 미생물 처리에 의해 불포화지방산 함량이 증가된다는 Kim(2015)의 연구결과와는 차이가 있 었으며, 지방산 조성 변화는 발효처리에 사용된 미생물의 종류, 첨가수준, 배양조건 등에 따라 달라질 수 있기 때문 에 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

유용 미생물 발효처리에 따른 황기 잎의 생리활성물질 함량 변화는 Table 9에 나타낸 바와 같다.

유용 미생물 발효처리로 인해 황기 잎과 줄기의 칼슘 함 량이 증가되는 결과를 보였으며(p<0.05), 특히 유산균 처리 구(T4)에서 칼슘 함량이 크게 증가되는 것으로 나타났다 (p<0.05). 황기 잎과 줄기의 vitamin E 함량은 미생물 발효 처리로 인해 증가되는 결과를 보였으나(p<0.05), 줄기의 saponin 함량은 고초균 처리구(T3)에서만 증가되고 다른 미생물 처리구들에서는 감소되는 결과를 보였다(p<0.05).

Table 8. Chemical composition (DM basis) of hays (full bloom stage, sun-cured) and rice straw (National Institute of Animal Science, 2012)

Item CP

(%) EE

(%) CF

(%) NDF

(%) ADF

(%) NFE

(%)

Timothy 12.83 3.96 24.67 52.21 30.40 50.74

Alfalfa 19.63 3.15 26.96 46.74 38.86 42.50

Tall fescue 12.65 3.16 31.23 67.86 39.55 45.84

Italian rye grass 9.97 3.34 29.61 62.88 39.13 49.66

Rice straw 5.07 1.99 32.04 76.05 51.45 44.17

1)

CP: Crude protein,

EE: Ether extract,

CF: Crude fiber

NDF: Neutral detergent fiber,

ADF: Acid detergent fiber,

NFE:

Nitrogen free ext

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Table 9. Fatty acid composition of Astragalus membranaceus by-products by fermentation using effective microorganisms

Item Palmitic Stearic Oleic Linoleic Arachidic α -Linolenic Behenic

(C16:0) (C18:0) (C18:1n9c) (C18:2n6c) (C20:0) (C18:3n3) (C22:0)

Leaf

C 21.21±0.68

3.93±0.04 4.12±0.22 17.49±0.37

1.79±0.04 49.61±0.54 1.84±0.10

T1 21.12±0.23

4.03±0.01 4.35±0.03 17.53±0.05

2.02±0.01 49.13±0.35 1.82±0.15

T2 20.32±0.65

3.69±0.03 4.72±0.10 18.18±0.13

1.82±0.01 50.12±0.73 1.15±0.02

T3 19.65±0.24

3.51±0.07 4.65±0.03 18.62±0.05

2.11±0.01 50.16±0.41 1.30±0.05

T4 22.13±0.52

3.51±0.01 4.91±0.23 18.13±0.59

1.59±0.02 48.61±0.73 1.12±0.01

T5 20.95±1.10

3.89±0.06 4.35±0.31 17.31±0.52

2.26±0.01 49.89±0.38 1.35±0.13

Straw

C 25.70±0.33 7.06±0.26 8.33±0.50 28.09±0.51 5.34±0.22

19.26±0.23 6.22±0.75

T1 24.36±0.15 6.95±0.03 9.15±0.83 29.51±0.59 6.32±0.11

18.26±0.26 5.45±0.09

T2 25.25±0.36 7.65±0.16 8.82±0.29 28.65±0.23 5.89±0.15

18.59±0.44 5.15±0.05

T3 26.15±0.41 7.52±0.22 8.06±0.08 27.65±0.13 6.52±0.05

19.53±0.32 4.57±0.07

T4 24.58±0.12 6.52±0.15 8.51±0.24 28.95±0.96 6.65±0.59

18.84±0.26 5.95±0.13

T5 25.15±0.35 7.05±0.10 9.52±0.23 28.35±0.65 5.71±0.33

18.54±0.53 5.68±0.18

a,b,c,d,e

Different superscripts within the same row indicate significant difference at p<0.05.

Table 10. Bio-active substance of Astragalus membranaceus by-products by fermentation using effective microorganisms

Item Calcium (ppm) Vitamin E (ppm) Saponin (㎎/g)

Leaf

C 17,478.3±185.7

52.47±3.0

3.21±0.29

T1 20,021.7±241.0

52.65±3.52

2.75±0.15

T2 23,554.0±556.9

54.60±5.25

2.79±0.00

T3 24,128.9±515.6

81.99±2.65

3.11±0.11

T4 51,099.0±3533.9

73.31±5.32

2.73±0.05

T5 29,360.7±1513.5

60.61±2.32

2.64±0.2

Straw

C 6,472.17±77.8

128.54±9.41

0.54±0.08

T1 6,843.3±203.5

129.39±8.52

0.49±0.13

T2 11,356.9±418.8

128.57±3.15

0.54±0.07

T3 10,875.3±162.1

186.70±12.62

0.59±0.15

T4 11,190.3±76.7

173.73±10.55

0.49±0.14

T5 87,56.2±228.5

143.61±8.65

0.48±0.13

a,b,c,d,e,f Different superscripts within the same row indicate significant difference at p<0.05.

본 연구에서 유용 미생물 처리로 인해 황기 잎과 줄기의 칼슘 함량이 증가된 결과는 미생물 발효과정에서 칼슘과 같은 광물질의 함량이 증가되었다는 Paik(1989)의 결과와 유사한 것으로 판단된다. 또한 Ahn(2015) 등은 유산균, 효 모균 및 곰팡이를 이용한 동충하초 연구에서 발효로 인해 광물질 함량이 증가하였다고 보고하여 본 연구의 결과를

뒷받침해주고 있는 것으로 판단된다.

한편, 본 연구에서 황기 잎과 줄기에 대한 미생물 처리로 인해 vitamin E 함량이 증가되는 결과를 보였는데, 이러한 결과는 미생물 발효처리로 인해 vitamin 함량이 증가되었 다는 이전의 연구결과들(Kang, 1986; Paik, 1989; Moon, 2009)과 일치하는 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서는 식

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Table 11. pH changes of Astragalus membranaceus by-products by fermentation using effective microorganisms

Item Incubation time

0 12 24 48 72 Average

Leaf

C 6.88±0.01

6.30±0.01

5.91±0.01

5.79±0.01

5.78±0.00 6.28±0.46

T1 6.74±0.01

6.14±0.01

5.83±0.00

5.69±0.01

5.85±0.00 6.18±0.42

T2 6.59±0.01

6.09±0.01

5.80±0.01

5.51±0.35

5.63±0.01 6.07±0.43

T3 6.64±0.01

6.12±0.00

5.82±0.01

5.70±0.00

5.64±0.00 6.11±0.40

T4 6.56±0.01

6.12±0.00

5.77±0.01

5.70±0.00

5.69±0.01 6.11±0.39

T5 6.60±0.01

6.04±0.00

5.72±0.00

5.71±0.00

5.66±0.01 6.08±0.40

Straw

C 6.87±0.01

6.13±0.01

5.80±0.00

5.54±0.46

5.85±0.01 6.22±0.53

T1 6.76±0.01

6.19±0.00

5.90±0.01

5.53±0.46

5.81±0.00 6.21±0.48

T2 6.78±0.00

6.11±0.01

5.90±0.01

5.84±0.01

5.84±0.01 6.24±0.42

T3 6.75±0.00

6.18±0.01

5.92±0.00

5.80±0.00

5.80±0.01 6.23±0.41

T4 6.80±0.00

6.14±0.00

5.91±0.00

5.85±0.00

5.88±0.01 6.26±0.41

T5 6.77±0.01

6.16±0.00

5.98±0.01

5.86±0.01

5.86±0.00 6.25±0.38

a,b,c,d,e,f

Different superscripts within the same row indicate significant difference at p<0.05.

물계에 분포하며 트리테르펜 및 스테로이드를 아글리콘으 로 하는 배당체의 총칭으로 불려지는 조사포닌 함량이 감 소되는 결과를 보였는데, 이는 사포닌에 함유되어 있는 D- 글루코오스, D-갈락토오스, L-아라비노오스와 같은 당 성 분들이 미생물 발효과정에서 에너지원으로 이용되었기 때 문인 것으로 판단된다. 특히, 발효과정에서 고초균이 황기 부산물의 vitamin E 및 사포닌 함량은 증가시키는 효과가 높은 것으로 사료된다.

따라서 황기부산물에 대한 유용미생물 처리는 칼슘과 천연 항산화제인 vitamin E의 함량을 높여 주는 것으로 판 단되며, 유용미생물을 이용하여 발효처리한 황기부산물을 육성우에게 급여시 칼슘 공급량 증가로 골격 발달과 vitamin D 이용성 향상에 도움이 될 수 있으며, vitamin E 공급량 증가로 암소에서는 번식효율 향상과 거세우에서는 육색 개선에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.

유용 미생물을 이용하여 발효처리 한 황기 부산물의 in vitro 반추위 배양 시간별 pH 변화는 Table 11에 나타낸 바 와 같다.

황기 잎에 대한 미생물의 발효처리의 영향으로 in vitro 반추위 배양 48시간까지 pH가 낮게 유지되는 결과를 보였 지만(p<0.05), 줄기에 대한 미생물 발효처리의 영향은 미생 물의 종류 및 배양시간에 따라 일정한 경향을 보이지는 않 았다.

일반적으로 in vitro 반추위 발효배양 과정에서 배양시간 이 경과함에 따라 미생물이 탄수화물 등의 영양소를 이용

하여 젖산 등의 유기산을 생성하여 배양액의 pH가 감소되 는 것으로 보고되어 왔다(Hwang 등, 2012).

본 연구의 결과에서도 황기 잎에 대한 발효처리로 인해 in vitro 배양액의 pH가 낮게 유지된 결과는 미생물의 발 효처리 과정에서 증가된 NFE(탄수화물) 함량 증가와 연관 이 있는데, 발효처리로 인해 반추위 미생물들의 탄수화물 을 이용한 젖산과 같은 유기산 생성량 증가에 원인이 있는 것으로 판단된다. Lee (2007)는 혐기 미생물을 이용한 볏짚 의 사료가치 증진 연구에서 미생물 발효제 첨가로 인해 반 추위 미생물들이 이용할 수 있는 볏짚의 가용성 부분이 증 가되었다고 본 연구와 유사한 결과를 보고한 바 있다. 그 러나 본 연구에서 줄기 부분에 대한 발효처리는 잎에 대한 발효처리 효과와는 다른 양상을 보였는데, 이는 잎에 비해 상대적으로 섬유소(조섬유, NDF 및 ADF)와 회분 함량이 높은 줄기가 미생물의 발효처리 효과가 낮기 때문인 것으 로 판단된다.

In vitro 반추위 배양시간별 휘발성 지방산 생성량은 Table 12에 나타낸 바와 같다.

처리에 관계없이 in vitro 반추위 배양 48시간까지 휘발 성지방산 생성량은 지속적으로 증가되는 경향을 보였으며, 황기 잎과 줄기에 대한 유용 미생물 발효처리로 인해 일부 배양시간에서 처리간의 휘발성지방산 생성량이 차이는 있 었지만, 황기 부산물에 대한 미생물 발효처리의 영향은 미 생물의 종류 및 배양시간에 따라 일정한 경향을 보이지는 않았다.

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Table 12. Volatile fatty acid composition of Astragalus membranaceus by-products by fermentation using effective microorganisms

Item Incubation time

0 12 24 48 72

Leaf

Acetate (mmol/L)

C 43.91±5.40

176.48±1.93

284.09±17.02

324.86±2.82

305.24±6.45

T1 70.85±11.97

192.01±0.11

248.06±1.24

290.58±2.95

280.94±0.93

T2 80.83±11.36

166.70±3.71

251.37±5.00

282.34±3.74

326.31±0.84

T3 71.35±8.65

176.10±1.59

250.91±7.50

302.88±1.05

316.65±2.74

T4 74.09±3.52

179.15±1.10

265.27±0.32

317.88±2.24

330.25±1.32

T5 71.73±8.28

178.25±8.31

272.31±6.29

308.16±7.02

326.01±14.97

Propionate (mmol/L)

C 15.91±2.14

88.30±0.50

150.76±10.88

174.59±7.19

165.09±0.66

T1 18.15±1.70

107.96±1.31

136.40±0.44

182.41±4.98

154.85±4.24

T2 21.78±2.58

85.56±1.74

149.02±2.89

171.97±1.55

183.11±1.87

T3 19.16±4.10

89.43±1.63

142.64±7.24

186.45±3.80

176.71±1.81

T4 19.72±0.79

89.26±0.39

142.70±1.35

179.31±1.16

160.28±1.75

T5 17.80±1.06

98.50±1.75

157.38±2.99

185.98±5.86

176.27±8.09

Butyrate (mmol/L)

C 6.68±1.74 38.11±1.63

69.87±8.45

89.57±4.46

110.92±1.15

T1 8.26±1.56 45.93±0.09

77.96±0.31

94.65±3.19

114.50±2.76

T2 7.98±1.92 37.28±0.46

82.40±3.12

110.69±2.09

117.60±3.48

T3 7.39±0.70 37.19±1.08

78.99±4.19

105.52±1.36

109.78±1.67

T4 7.67±0.23 38.60±0.38

78.38±2.14

105.49±0.61

99.87±1.40

T5 7.05±0.79 39.74±1.33

80.35±0.89

104.07±2.38

105.57±9.99

Straw

Acetate (mmol/L)

C 52.55±9.87 160.31±2.08

239.17±3.26

258.63±7.45

270.03±13.10 T1 46.92±3.36 165.16±2.32

229.53±1.98

257.56±1.17

333.31±91.65 T2 46.91±2.50 181.24±9.09

219.43±3.89

197.91±1.41

297.71±70.61 T3 46.70±13.32 173.33±4.67

220.64±1.51

259.72±3.28

291.51±58.68 T4 46.21±11.29 184.12±12.71

220.47±4.15

253.49±2.55

270.41±49.79 T5 44.71±8.17 163.06±6.15

213.40±0.42

268.49±1.35

358.51±80.56

Propionate (mmol/L)

C 14.64±2.22 95.09±0.03

127.47±1.14

138.44±2.77

126.72±2.24 T1 14.45±1.07 90.45±0.47

114.95±3.12

137.91±0.97

161.07±44.29 T2 12.82±0.60 98.77±5.39

107.61±0.49

128.92±0.72

163.31±38.45 T3 12.88±5.08 94.97±3.87

107.01±1.42

140.21±0.64

163.14±35.97 T4 11.74±1.80 95.77±5.81

105.01±2.15

135.80±3.33

149.40±30.63 T5 11.67±4.23 87.89±4.65

103.30±2.10

140.65±3.63

167.77±39.73

Butyrate (mmol/L)

C 5.28±1.20 45.69±1.05

72.04±1.54

92.02±1.66

87.19±4.62

T1 5.24±0.90 41.64±0.16

68.60±4.08

90.25±1.52

103.83±27.28

T2 5.15±0.70 43.30±0.05

63.94±3.24

90.60±0.04

106.72±24.36

T3 4.60±2.13 44.88±1.94

65.75±2.07

87.74±2.47

108.90±24.10

T4 5.07±1.23 47.41±3.55

66.08±4.97

86.57±2.56

106.67±20.93

T5 5.30±1.09 39.73±2.73

61.97±2.01

92.55±2.38

109.67±28.90

a,b,c,d,e,f

Different superscripts within the same row indicate significant difference at p<0.05.

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본 연구의 결과에서 효모 처리구가 대조구 및 다른 미생 물 처리구들에 비해 전반적으로 휘발성지방산 생성량이 높은 경향을 보였는데, 이는 반추위 혐기성 미생물의 성장 과 증식에 필요한 광물질, 비타민, 필수아미노산, 소화요소 등의 영양소를 공급(Ok 등, 2006; Williams 등, 1990)을 통 해 휘발성지방산 생성량 증가와 조성 변화에 영향을 미치 는 효모균의 특성(Dawson 등, 1990; Harrison 등, 1988)과 연관이 있는 것으로 판단된다.

따라서 본 연구의 결과에서 유용 미생물을 이용한 발효 처리는 황기 부산물의 섬유소 함량 감소 및 탄수화물 함량 증가에 영향을 미쳐 소화율 개선을 통한 사료가치 증진에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단된다. 또한 항 산화효과가 있는 vitamin E와 같은 생리활성 물질의 증가 및 일부 미생물(효모균 및 고초균)의 경우 반추위 발효환 경 개선에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 사료된다.

Ⅳ. 요약

본 연구는 유용 미생물을 이용한 발효처리가 황기 부산 물의 사료가치 평가, 생리활성 물질 및 반추위 발효특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 수행되었다. 시험구는 황기 잎 및 줄기에 발효처리를 실시하지 않은 대조구(C), 당밀 처리구(Molasses, T1), 광합성균 처리구(Rhodobacter capsulatus, T2), 고초균 처리구(Bacillus subtilis, T3), 유산균 처리구(Lactobacillus acidophilus, T4) 및 효모 처리구 (Saccharomyces cerevisiae, T5)의 총 6처리로 하였다. 조단백 질, 조지방, 조섬유, NDF 및 ADF 함량은 황기 잎에 대한 발효처리로 인해 감소되는 결과를 보였지만(p<0.05), 가용 무질소물(NFE) 함량은 황기 잎에 대한 발효처리로 인해 크게 증가되는 결과를 보였다(p<0.05). 황기 줄기에 대한 조지방, 조섬유, NDF 및 ADF 함량은 유용 미생물 처리로 인해 대조구(C) 및 당밀 처리구(T1)에 비해 감소되는 결과 를 보였다(p<0.05). NFE 함량은 당밀 처리구(T1)를 제외한 모든 유용 미생물 처리구에서 대조구에 비해 증가되는 결 과를 보였다(p<0.05). 발효처리가 황기 잎과 줄기의 지방산 조성 변화에 미치는 영향은 적었다. 유용 미생물 발효처리 로 인해 황기 잎과 줄기의 칼슘 함량이 증가되는 결과를 보였다(p<0.05). 황기 잎과 줄기의 vitamin E 함량은 미생 물 발효처리로 인해 증가되는 결과를 보였으나(p<0.05), 줄 기의 saponin 함량은 고초균 처리구(T3)에서만 증가되고 다른 미생물 처리구들에서는 감소되는 결과를 보였다

(p<0.05). 황기 잎에 대한 미생물의 발효처리의 영향으로 in vitro 반추위 배양 48시간까지 pH가 낮게 유지되는 결 과를 보였지만(p<0.05), 줄기에 대한 미생물 발효처리의 영 향은 미생물의 종류 및 배양시간에 따라 일정한 경향을 보 이지는 않았다. 따라서 본 연구의 결과에서 유용 미생물을 이용한 발효처리는 황기 부산물의 섬유소 함량 감소 및 탄 수화물 함량 증가에 영향을 미쳐 소화율 개선을 통한 사료 가치 증진과 vitamin E와 같은 생리활성 물질의 증가에 긍 정적인 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단된다.

사사

본 연구과제는 2015년 농림축산식품 농생명산업기술개 발사업의 일환으로 이루어진 결과임(과제번호: 315022-3)

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(Received 07 April 2016, Revised 17 June 2016, Accepted 18 June 2016)

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