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문제 정의
- 본 연구에서는 음식물쓰레기 재활용을 통한 자원순환과 농가의 사료비 절감에 따른 수익률 극대화를 위해 대형 음식점이나 급식소 등에서 배출되는 음식물쓰레기를 대상으로 효과적인 사료화방법을 제시하고자 하였다. 이를 위해 우리나라 토착미생물 중 음식물쓰레기 발효공정에 유효한 미생물을 동정·분리하여 그 특성과 발효에 미치는 영향을 검토하였으며 제조된 사료의 가축사료로의 활용 가능성을 평가하였다.
- 음식물쓰레기의 효율적인 사료화를 위하여 음식물쓰레기와 쌀겨 및 팽화미를 부재료로 하여 제조한 시료를 대상으로 발효반응에 유용한 토착유효미생물을 이용한 발효 사료화 방법을 연구하여 얻은 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 1) 시료내 미생물을 멸균한 F1 시료와 가축사료로의 사용 가능성 평가를 위해 동정된 토착유효미생물 2종을 조합하여 접종한 F2와 F3 시료를 14일간 발효하여 제조한 사료에 포함된 영양분 함량 변화를 분석하였다(Table 4). 가축에게 급여되는 사료는 일반적으로 사료에서 조단백질 함량이 18∼23% 요구되나 영양적 측면에서 조단백질 함량이 10% 이상이면 사료로써 이용가치가 가능한 것으로 알려져 있으며,22) 조지방 요구량은 대상동물에 따라 다소 차이를 보이나 일반적인 조지방 요구량이 2% 이상으로 보고되고 있다.
- 1과 같다.8) 또한 제조된 발효사료의 유해성 평가를 위해 현행 사료 관리법에서 규정하고 있는 유해물질을 대상으로 제조된 사료에 대한 유해물질 함유량을 조사하였다. Pb, Hg, Cd 등 3가지 중금속에 대한 함유량 분석은 폐기물공정시험법에 따라 중금속 용출 후 ICP (Inductively Coupled Plasma Lab8440, Labtam, Co.
- 9) 각각의 배지에서 가장 높은 활성을 나타내는 미생물 중 2종의 미생물을 선별하여 사료화 실험에 사용하였으며, 이들 미생물에 대한 동정을 위하여 universal primer는 SEL0904 16S rRNA sense(5'-ATC ATG GCT CAT CAG ATT GAA CGC-3')와 SEL1226 16S rRNA antisense(5'-T ACC TTG TTA CGA CTT CTA CCT-3')를 이용하였으며 PCR을 통한 16S rDNA 결과의 분석은 NCBI GeneBank network service의 BLAST program으로 수행하였다.
- Amylase 활성을 검색하기 위하여 starch agar medium에서 배양한 후 1% potassium iodide와 iodine solution을 부어 배지표면을 덮어주어 효소활성균주의 colony 주위에 보라색이 투명한 clear zone으로 형성되는 것을 관찰하여, 만들어진 clear zone을 측정하여 활성도를 0.5 cm마다 ‘+’로 표시하였다(Table 3).
- 토양으로부터 음식물 쓰레기의 사료화를 위한 토착유효 미생물의 분리 및 동정을 위하여 활성배지(starch agar medium, skim milk agar medium, sierra medium)를 이용한 효소활성 실험을 수행하였다(Table 3). 기초 실험을 통하여 1차적으로 각각의 배지에서 활성을 나타내지 않는 미생물을 제외하고 총 11종의 미생물을 대상으로 효소 활성 실험을 수행하여 높은 활성을 나타내는 2종의 미생물을 선정하였으며 이들 미생물에 대하여 동정을 실시하였다.
- 발효조는 발효사료화 장치를 지름 450 mm, 높이 500 mm 크기의 고무통 안에 설치한 후 보온용 단열재로 packing 하여 공기를 최대한 차단하고 외기의 온도 변화에 의한 영향을 줄일 수 있도록 제작하였다. 또한 반응이 진행되는 동안 발효조의 pH, ORP (Oxdiation Reduction Potential) 등을 실시간으로 측정할 수 있도록 자동측정 장치(Mutichannel system, Istek Co.)를 연결해 발효의 진행 상태를 확인할 수 있도록 하였다.
- 발효사료 제조를 위한 시료는 건조 함량을 기준으로 음식물쓰레기 16 kg, 쌀겨 9 kg, 팽화미 5 kg를 혼합하여 제조함으로써 최종 수분을 30±5%로 조절하였다.
- 음식물쓰레기의 발효사료화 장치는 아크릴을 이용하여 두께 5 mm, 지름 250 mm, 높이 450 mm의 원통형으로 제작하였다. 발효조는 발효사료화 장치를 지름 450 mm, 높이 500 mm 크기의 고무통 안에 설치한 후 보온용 단열재로 packing 하여 공기를 최대한 차단하고 외기의 온도 변화에 의한 영향을 줄일 수 있도록 제작하였다. 또한 반응이 진행되는 동안 발효조의 pH, ORP (Oxdiation Reduction Potential) 등을 실시간으로 측정할 수 있도록 자동측정 장치(Mutichannel system, Istek Co.
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5. 발효사료의 영양분 및 유해물질 분석
분리한 토착유효미생물을 이용하여 제조된 발효사료에 대하여 사료로써의 사용 가능성을 조사하기 위하여 조단백질(crude protein), 조지방(crude fat), 조섬유(crude fiber) 등의 영양분 함량을 분석하였다
. 연구에서 사용한 영양분 함량 분석방법은 1865년 독일 Weende시험 연구소에서 Henneberg와 Stohmann이 확립시킨 Weende분석법으로, 현재 우리나라 축산연구소를 비롯하여 사료 및 식품의 영양가치를 평가하기 위해 세계 각국에서 널리 사용되고 있으며 분석과정을 요약하면 Fig. - 분리한 토착유효미생물을 접종한 음식물쓰레기에 대하여 14일간의 발효과정 동안의 온도변화를 측정하였다(Fig. 2). 모든 시료의 초기 온도는 23∼24℃를 나타내었으나 분리한 토착유효미생물 시료(F2, F3)의 경우 반응 3일 후 온도가 급격하게 상승하여 각각 31℃와 35℃에 도달하였으며 이후 지속적으로 온도가 상승하여 반응 13일에서 최고 39.
- 사료화를 위한 실험재료는 충북 청주지역에 소재한 일반음식점(한식업소)에서 발생된 음식물 쓰레기를 수거하여부패 방지를 위하여 당일 완전혼합 후 음식물쓰레기의 수분함량이 60∼80%가 될 때까지 체받힘의 방법으로 자연건조한 다음 -10 mesh 이하로 분쇄하여 주재료로 사용하였다. 시료 조제시 염분, 영양분 및 수분 함량 조절을 위해 정미소에서 부산물로 발생하는 쌀겨(rice bran)와 식품 가공 공장에서 발생하는 부산물인 팽화미(popped rice)를 수거하여 음식물 쓰레기와 동일한 크기로 분쇄한 것을 부재료로 하여 주재료와 혼합하는 방법으로 발효사료화를 위한 시료를 제조하였다. 실험에서 사용한 음식물쓰레기 및 부재료는 사료표준분석방법8)에 따라 분석하여 결과를 Table 1에 제시하였다.
- 음식물 쓰기의 사료화시 활성우수균주의 영향을 정확하게 평가하기 위하여 혼합된 시료는 dry oven을 이용하여 160℃에서 4시간 동안 1차 건조 멸균한 후 autoclave를 이용하여 121℃에서 15분간 2차 멸균하였다. 음식물쓰레기 발효사료화 과정에 영향을 미치는 유효미생물을 확인하기 위하여 활성배지를 이용하여 분리․동정된 우수활성균(H1, D1) 2종을 세 개의 시료에 각각 다르게 조합하여 접종하였으며, 접종후 상온에서 14일간 발효시키면서 발효 과정을 관찰하였다. 본 실험에서 사용한 배합시료와 미생물 접종 조건을 Table 2에 제시하였다.
- 이를 위해 우리나라 토착미생물 중 음식물쓰레기 발효공정에 유효한 미생물을 동정·분리하여 그 특성과 발효에 미치는 영향을 검토하였으며 제조된 사료의 가축사료로의 활용 가능성을 평가하였다.
- 토양으로부터 분리한 토착유효미생물 중 분해효소 활성이 우수한 균 2종(H1, D1)을 이용하여 각각 다르게 조합한 2개의 접종 발효조에 대한 온도, pH, 산화환원전위(ORP) 등 3개 항목에 대한 관찰하여 보았으며 1개의 대조군 발효조를 동일한 조건에서 실험을 실시하여 결과를 비교하였다.
- 토양으로부터 음식물 쓰레기의 사료화를 위한 토착유효 미생물의 분리 및 동정을 위하여 활성배지(starch agar medium, skim milk agar medium, sierra medium)를 이용한 효소활성 실험을 수행하였다(Table 3). 기초 실험을 통하여 1차적으로 각각의 배지에서 활성을 나타내지 않는 미생물을 제외하고 총 11종의 미생물을 대상으로 효소 활성 실험을 수행하여 높은 활성을 나타내는 2종의 미생물을 선정하였으며 이들 미생물에 대하여 동정을 실시하였다.
- 음식물 발효를 위한 발효 미생물은 충북 청원군 인근의 산토양(마사토)을 채취하여 토양 중 존재하는 미생물을 활성효소 실험을 통해 분리·선별하여 사용하였다. 토착유효미생물의 분리․선별 방법은 0.9% NaCl 용액 100 mL에 산토양 5 g를 혼합하여 30분 교반 후 상등액 1 mL를 취하여 starch agar medium, skim milk agar medium, sierra medium 등의 활성배지에 접종한 후, 각각의 활성배지에서 30℃에서 3일간 배양하여 형성된 colony로부터 탄수화물, 단백질, 지질 등의 영양분 분해효소가 발생되면서 나타나는 배지의 변화로 활성을 검색하였다.9) 각각의 배지에서 가장 높은 활성을 나타내는 미생물 중 2종의 미생물을 선별하여 사료화 실험에 사용하였으며, 이들 미생물에 대한 동정을 위하여 universal primer는 SEL0904 16S rRNA sense(5'-ATC ATG GCT CAT CAG ATT GAA CGC-3')와 SEL1226 16S rRNA antisense(5'-T ACC TTG TTA CGA CTT CTA CCT-3')를 이용하였으며 PCR을 통한 16S rDNA 결과의 분석은 NCBI GeneBank network service의 BLAST program으로 수행하였다.
대상 데이터
- 사료화를 위한 실험재료는 충북 청주지역에 소재한 일반음식점(한식업소)에서 발생된 음식물 쓰레기를 수거하여부패 방지를 위하여 당일 완전혼합 후 음식물쓰레기의 수분함량이 60∼80%가 될 때까지 체받힘의 방법으로 자연건조한 다음 -10 mesh 이하로 분쇄하여 주재료로 사용하였다.
- 음식물 발효를 위한 발효 미생물은 충북 청원군 인근의 산토양(마사토)을 채취하여 토양 중 존재하는 미생물을 활성효소 실험을 통해 분리·선별하여 사용하였다.
- 음식물쓰레기의 발효사료화 장치는 아크릴을 이용하여 두께 5 mm, 지름 250 mm, 높이 450 mm의 원통형으로 제작하였다. 발효조는 발효사료화 장치를 지름 450 mm, 높이 500 mm 크기의 고무통 안에 설치한 후 보온용 단열재로 packing 하여 공기를 최대한 차단하고 외기의 온도 변화에 의한 영향을 줄일 수 있도록 제작하였다.
이론/모형
- 8) 또한 제조된 발효사료의 유해성 평가를 위해 현행 사료 관리법에서 규정하고 있는 유해물질을 대상으로 제조된 사료에 대한 유해물질 함유량을 조사하였다. Pb, Hg, Cd 등 3가지 중금속에 대한 함유량 분석은 폐기물공정시험법에 따라 중금속 용출 후 ICP (Inductively Coupled Plasma Lab8440, Labtam, Co.)로 분석하였으며 아플라톡신 B1과 살모넬라는 축산물의 가공기준 및 성분규격(농림부고시)의 방법에 의해 분석하였다.
- 시료 조제시 염분, 영양분 및 수분 함량 조절을 위해 정미소에서 부산물로 발생하는 쌀겨(rice bran)와 식품 가공 공장에서 발생하는 부산물인 팽화미(popped rice)를 수거하여 음식물 쓰레기와 동일한 크기로 분쇄한 것을 부재료로 하여 주재료와 혼합하는 방법으로 발효사료화를 위한 시료를 제조하였다. 실험에서 사용한 음식물쓰레기 및 부재료는 사료표준분석방법8)에 따라 분석하여 결과를 Table 1에 제시하였다.
- 분리한 토착유효미생물을 이용하여 제조된 발효사료에 대하여 사료로써의 사용 가능성을 조사하기 위하여 조단백질(crude protein), 조지방(crude fat), 조섬유(crude fiber) 등의 영양분 함량을 분석하였다. 연구에서 사용한 영양분 함량 분석방법은 1865년 독일 Weende시험 연구소에서 Henneberg와 Stohmann이 확립시킨 Weende분석법으로, 현재 우리나라 축산연구소를 비롯하여 사료 및 식품의 영양가치를 평가하기 위해 세계 각국에서 널리 사용되고 있으며 분석과정을 요약하면 Fig. 1과 같다.8) 또한 제조된 발효사료의 유해성 평가를 위해 현행 사료 관리법에서 규정하고 있는 유해물질을 대상으로 제조된 사료에 대한 유해물질 함유량을 조사하였다.
성능/효과
- 1) 효소활성도를 검사를 통하여 토양으로부터 분리한 2종의 유효미생물을 선별하여 16S rDNA sequencing으로 동정한 결과 Bacillus subtilis, Paenibacillus polymyxa 등으로 나타났으며, 동정된 각각의 미생물은 소화효소분해능이 우수하고, 항생효과를 나타내는 미생물이었다.
- 이러한 온도분포의 차이는 분해되기 쉬운 당·전분 등 용해성물질이 접종된 토착유효미생물에 의해 분해되어 열을 발생시켜 반응온도가 상승하여 약 40℃까지 오르기 때문으로 판단된다.18) 반응조 내의 온도를 측정하여 멸균시료와 비교해본 결과, 토양으로부터 분리한 유효토착미생물에 의한 음식물 쓰레기의 사료화 반응이 활발히 진행되는 것으로 판단할 수 있다.
- 가수분해 단계는 amylase, protease, lipase 등의 효소에 의해 고분자 물질이 저분자 물질로(당, 지방산, 아미노산, 글리세롤) 분해됨으로써 미생물 체내로 흡수 되어 대사와 에너지원으로 이용되며 가수분해산물은 에너지원으로 작용하여 저분자 유기물인 휘발성유기산 등을 생성하는데, 균의 종류와 환경에 따라 탄수화물, 단백질, 지방 등이 분해되어 다양한 생성물(acetate, propionate, butyrate, hydrogen 등)로 전환된다.19) 미생물의 작용에 의한 산생성 작용은 유기산을 생성하며 이로 인하여 pH의 감소를 가져올 수 있으며 메탄생성 단계의 경우 메탄가스는 수중 산소와 반응하여 물과 이산화탄소를 발생시키며 이러한 이산화탄소는 물의 pH를 증가시키는 현상을 초래하게 된다.20)
- 2) 토착유효미생물을 이용하여 제조한 발효사료의 영양성분을 분석한 결과 조단백질 13.7∼15.1%, 조지방 11.0∼12.0%, 조섬유 6.9∼8.1%로 나타나 가축의 급여 사료로 이용하는데 영양학적으로 문제점이 없는 것으로 나타났다.
- 21) 본 실험에서 14일간의 반응기간 동안 ORP를 측정한 결과 전체적으로 감소하는 경향을 나타내었다(Fig. 4). 멸균된 시료인 F1의 경우 초기 74 mV의 값을 나타내었으며 14일 경과 후 27 mV의 값으로 다소 감소하는 경향을 나타내었으나 이는 생물학적 반응에 의한 변화보다는 반응실험이 진행되는 기간 동안 음식물쓰레기내 유기물과 수분중 존재하는 산소의 반응과 보온용 반응기내 온도변화로 인한 용존산소의 감소에 따른 것으로 판단된다.
- 23) 또한 조섬유 함량은 반추동물을 제외한 돼지, 닭, 오리 등의 동물에게 급여하는 사료는 조섬유 함량이 높게 되면 소화율과 기호성도 떨어져 육질 및 생산성에 지장을 주게 됨으로 약 4∼8%가 적정한 함량인 것으로 알려져 있다.22) 멸균된 F1 시료의 경우 조단백질, 조지방의 함량은 각각 19.6%, 16.2%로써 사료로 사용시 요구되어지는 함량을 만족하였으나 조 섬유의 함량은 10.6%로 사료로 사용하기에 다소 높은 값을 나타내었다. 그러나 토착유효미생물을 이용하여 제조된 발효사료의 조단백질 함량은 F2와 F3 시료의 경우 각각 13.
- 3) 제조한 발효사료에 포함되어 있는 유해물질인 Pb, Hg, Cd 등 중금속과 아플라톡신 및 살모넬라균에 대한 함량 분석결과 각각의 유해물질 모두 기준치 이하를 나타냈다.
- 6) 그러나, 사료화 기술에 있어서 음식물 쓰레기의 높은 염분 함유량, 계절에 따른 성상의 변화, 기후에 따라 달라지는 부패속도, 그리고 약 80%에 이르는 높은 수분의 함량 등은 해결해야 할 문제로 남아 있다.7) 이러한 문제점에도 불구하고 외국의 경우에는 음식물 쓰레기를 이용한 사료화 기술이 다양하게 개발되어 현재는 동물의 사료로서 시판되고 있고 이를 가축에게 직접 급여하고 있는 실정이나, 국내의 경우 가축에 급여하는 사료나 사료의 원료가 되는 곡물의 대부분을 국외에서 수입하고 있음에도 불구하고 앞서 기술한 여러 가지 문제점과 심미적인 이유로 안전한 사료로서의 개발과 가축에의 직접적인 급여가 거의 이루어지지 않고 있는 실정에 있다.
- subtilis에 의하여 반응이 이루어지므로 초기 호기성 상태에서 반응이 진행되어 산소가 소모된 후 반응기내 혐기성 조건이 형성됨에 따라 3일 간의 안정기를 보이며 이후 ORP 값이 감소하는 경향을 나타내는 것으로 보인다. B. subtilis와 P. polymyxa을 혼합하여 접종한 F3 시료는 산화환원전위의 값이 F2 시료와 유사한 경향을 나타내었으나 F2 시료에 비하여 빠르게 ORP 값이 감소하는 경향을 나타내었다. F3 시료의 경우 반응 7일후 (-)의 값을 나타내었으며 이 후 지속적으로 ORP값이 감소하여 최종적으로 -170 mV의 값을 보였다.
- 5 cm마다 ‘+’로 표시하였다. Table 3과 같이 총 11종의 미생물중 6종(D1, D3, D4, Y2, H1)의 미생물이 Lipase 활성을 나타내었으며, 이중 D3와 H1종이 우수한 활성을 나타냈다
- 멸균된 시료인 F1의 경우 초기 74 mV의 값을 나타내었으며 14일 경과 후 27 mV의 값으로 다소 감소하는 경향을 나타내었으나 이는 생물학적 반응에 의한 변화보다는 반응실험이 진행되는 기간 동안 음식물쓰레기내 유기물과 수분중 존재하는 산소의 반응과 보온용 반응기내 온도변화로 인한 용존산소의 감소에 따른 것으로 판단된다. 그러나 B. subtilis를 접종한 F2 시료에서는 초기 80 mV에서 반응 4일 후 33 mV로 감소하는 경향을 나타내었으며 이후 반응이 10일까지 진행됨에 지속적으로 감소하여 혐기 상태인 (-)의 값을 나타내었고 최종적으로 반응 14일 후-119.5 mV까지 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. F2 시료의 경우 통성혐기성균인 B.
- 2로 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 분리한 토착유효미생물을 접종한 F2와 F3 시료의 pH는 초기 6.6이었으나 발효과정이 진행됨에 따라서 완만하게 감소하는 경향을 보였으며, 반응 14일 경과 후 F2와 F3시료의 pH는 각각 4.7과 4.9를 나타내었다. 이는 접종된 미생물의 산생성 반응이 진행되어져 유기산 생성되는 것으로 판단된다.
- 6%로 사료로 사용하기에 다소 높은 값을 나타내었다. 그러나 토착유효미생물을 이용하여 제조된 발효사료의 조단백질 함량은 F2와 F3 시료의 경우 각각 13.7%와 15.1%로 사료로 요구되어지는 조단백질 함량 만족시키는 것으로 나타났으며, 조지방은 11.0%와 12.0% 그리고 조섬유 함량은 각각 6.9%와 8.1%로 제조된 F2와 F3 사료들은 영양학적으로 문제가 없어 가축 사육을 위한 사료로 사용할 수 있을 것으로 보인다.
- 4). 멸균된 시료인 F1의 경우 초기 74 mV의 값을 나타내었으며 14일 경과 후 27 mV의 값으로 다소 감소하는 경향을 나타내었으나 이는 생물학적 반응에 의한 변화보다는 반응실험이 진행되는 기간 동안 음식물쓰레기내 유기물과 수분중 존재하는 산소의 반응과 보온용 반응기내 온도변화로 인한 용존산소의 감소에 따른 것으로 판단된다. 그러나 B.
- 모든 시료의 초기 온도는 23∼24℃를 나타내었으나 분리한 토착유효미생물 시료(F2, F3)의 경우 반응 3일 후 온도가 급격하게 상승하여 각각 31℃와 35℃에 도달하였으며 이후 지속적으로 온도가 상승하여 반응 13일에서 최고 39.9℃와 41.9℃를 나타내었다.
- 8 cm의 clear zone이 형성되는 것이 관찰되었다. 실험에 사용된 총 11종의 H1의 경우 탄수화물 분해에 사용되어지는 amylase의 생성이 가장 활발하게 일어나는 것으로 나타났다.
- 유효 발효 미생물을 분리하기 위해 실행한 효소활성검색을 통해 Amylase, Protease, Lipase에 대해 활성을 나타내는 2종(H1, D1)을 선택해 16s rDNA sequencing한 결과 Bacillus subtilis(H1), Paenibacillus polymyxa(D1)인 것으로 나타났다.
- 5 cm마다 ‘+’로 표시하여 Table 3과 같이 activity를 표시하였다. 총 11종의 미생물중 8종 (D1, D3, D5, Y1, R1, H1, H2, H3)에서 clear zone이 확인되어 protease를 분비되는 것을 확인할 수 있었으며, 이중 amylase 활성 검색에서 높은 활성도를 나타내었던 D1과 H1종이 protease 활성에서도 높은 활성을 나타내는 것을 알 수 있다.
- 5 cm마다 ‘+’로 표시하였다(Table 3). 총 11종의 미생물중 9종의 미생물은 탄수화물 분해 효소인 amylase 생성이 관찰되지 않았으며 D1와 H1종에서 각각 0.7 cm, 0.8 cm의 clear zone이 형성되는 것이 관찰되었다. 실험에 사용된 총 11종의 H1의 경우 탄수화물 분해에 사용되어지는 amylase의 생성이 가장 활발하게 일어나는 것으로 나타났다.
- polymyxa에 의하여 지속적으로 반응이 이루어져 F2 시료에 비하여 빠르게 ORP 값이 감소하는 것으로 판단된다. 토착유효미생물을 접종한 시료인 F2, F3 시료와 멸균 시료인 F1 시료의 ORP 변화 결과를 비교하여 보면 ORP의 변화폭이 큰 것으로 미루어 접종된 미생물에 증식이 이루어지며 또한 이에 의하여 발효반응이 원활하게 진행되어지는 것으로 판단된다.
후속연구
- 위의 실험결과 토착유효미생물을 발효제로 이용하여 버려지는 음식물 쓰레기의 사료화시 가축에게 유용하게 사용될 수 있는 사료를 제조할 수 있으며, 가축사료의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라의 현실로 볼 때 매우 유용한 음식물쓰레기의 재활용 기술로 활용되어질 것으로 기대된다.
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