I.INTRODUCTION
사일리지는 미생물에 의하여 사료작물이 발효되고 젖산 과 같은 유기산이 축적되는 과정을 통하여 만들어진다. 따 라서 발효과정은 사일리지의 품질을 결정짓는 중요한 생물 학적 과정이라고 할 수 있다 (Gao et al., 2008; Mohd-Setapar et al., 2012). 사일리지의 발효를 촉진시킴으로써 품질을 향상시키는 첨가제에는 다양한 것들이 있으며, 미 생물을 이용한 미생물제제 (Cao et al., 2011)와 유기산을 이용한 유기산제제 (Kung Jr et al., 2000) 등이 대표적이다. 미생물제제는 유산균을 이용하는 제품이 많으며, 단일 유 산균 혹은 다양한 유산균들을 혼합하여 제조된다 (Cao et al., 2011; Fang et al., 2012). 유기산제제는 프로피온산, 젖 산, 초산 및 시트르산과 같은 유기산 혹은 benzoic acid 및 potassium sorbate와 같은 보존제 등이 주성분으로 구성된 제품들이 많다 (Kleinschmit and Kung Jr, 2006; Kung Jr et al., 2000). 두 가지 종류의 첨가제 모두 발효 초기에 pH를 빠른 시간 내에 안정화시킴으로써 사일리지 품질 저하의 원인이 되는 오염균의 발생과 이상발효를 억제시키는 효과 를 지니고 있다. 그러나 두 가지 첨가제들은 서로 다른 특 성을 가지고 있어, 최종 사일리지의 품질에 미치는 영향은 다르게 나타낼 수 있다. 따라서 두 가지 제제들이 사일리 지 품질에 미치는 영향을 비교분석하는 것은 목적에 따른 제제의 선택에 있어 매우 중요한 자료를 제공할 수 있을 것이다. 이에 본 연구는 메타분석 기법을 이용하여 미생물 제제와 유기산 제제들이 사일리지 품질에 미치는 효과에 대한 비교분석을 수행함에 그 목적을 두고 있다.
II.재료 및 방법
1.자료 구성
본 연구에서는 1998년부터 2012년까지 국제 학술지에 게재된 논문들 중에서 총 14편의 연구논문을 임의로 선정 하여 분석에 사용하였으며, 검색된 논문들 중에서 다음과 같은 기준에 충족되는 논문들을 연구 자료로 활용하였다. 1) 사일리지 제작 및 품질 평가 결과 제시, 2) 첨가제를 사 용한 처리구와 첨가제를 사용하지 않은 대조구로 구성된 실험설계, 3) 사용된 첨가제로서 미생물 제제 혹은 유기산 제제의 포함 여부, 그리고 4) 결과의 표기에 있어서 시험구 들간의 평균표준오차 제공, 그리고 사일리지 품질 평가 항 목으로 pH, 젖산, 초산, 젖산과 초산의 비율 (lactate:acetate ratio, L/A), 프로피온산, 낙산, 수용성탄수화물 (water-soluble carbohydrate, WSC), 조단백질 (crude protein, CP), 암모니아 (NH3-N), neutral detergent fiber (NDF) 및 acid detergent fiber (ADF) 등을 사용하였다.
2.자료 분석
본 연구에 사용된 모든 연구결과들은 서로 동시에, 같은 장소에서, 동일한 재료를 이용하여 수행된 것이 아니기 때 문에 결과치의 단순 비교가 불가능하다. 이에 본 연구에서 는 자료들을 표준정규분포와 지수함수를 이용하여 자료들 의 표준화 작업을 실시하였고, 그 상세한 수식은 아래와 같다.
위 수식에서 Xij는 j 번째 연구논문의 i처리구 시험의 표 준화 결과를 의미한다. 그리고 xij는 j 번째 연구논문의 i처 리구에 해당하는 결과를 말하며, μj와 σj는 각각 j 번째 연 구논문의 결과에 대한 평균과 분산값을 의미한다. 수식의 a 와 b는 모든 자료들의 표준화 결과들이 평균값 1.5와 분산 값 0.5을 갖도록 하는 계수로서, 각각 a = 1.4142, b = 2.8854로 설정하였다.
처리 효과는 미생물제제 혹은 유기산제제의 사용을 통하 여 얻어진 사일리지 발효 특성에 대한 결과를 아무런 첨가 제를 사용하지 않은 대조구에서 얻어진 결과와 비교하여 산출하였다. 처리 효과의 크기는 메타분석 기법 중 하나인 risk ratio 산출 방법에 따라서 수행하였고, 분석에 사용된 수식은 아래와 같다.
위 수식에서 Yij는 j 번째 연구논문의 i처리구에 대한 처 리효과를 나타내며, Xcj는 j 번째 연구 결과 중 대조구의 결 과의 표준화 결과값이다.
미생물제제 및 유기산제제의 처리효과는 Borenstein et al. (2009)의 방법에 따라서 산출하였고, 상세하게는 다음과 같다. 각 처리효과에 대한 종합적 효과분석은 역분산 가중 치와 임의효과모형 (random effect model)을 이용하여 산출 하였다. 각 연구논문 결과에서 주어진 표준평균오차 (standard error of the mean, SEM) 결과를 이용하여 분산을 추정한 후에, 얻어진 분산값에 대한 역분산값을 산출하고, 역분산 가중치를 계산하였다. 얻어진 역분산 가중치와 각 처리효과값들을 이용하여 DerSimonian and Laird (1986) 방 법에 따라서 T2 (tau squared) 값을 산출하고, 이어서 임의효 과모형을 통한 종합결과를 산출하였다. 마지막으로 T2 계산 식에 기초하여 I2 통계량을 산출하여 연구들 간의 이질성 (heterogeneity)을 평가하였다. 본 연구에서는 임의효과모형 을 이용하여 종합결과를 산출하였기 때문에 별도의 publication bias 계산은 수행하지 않았다.
위 수식에서 Wij는 j 번째 연구논문 결과의 i처리 효과에 대한 역분산 가중치를 나타내며, Mi는 i처리에 대한 종합효 과를 의미한다.
처리효과에 대한 종합결론 외에 미생물제제 처리와 유기 산제제 처리의 비교는 student t-test 방법을 통하여 분석하 였고, 각 사일리지 품질 특성들 간의 상관분석은 피어슨 상관계수 분석 방법을 이용하였다. 평균비교와 상관성 분 석을 포함한 모든 통계분석은 SPSS 프로그램 (SPSS, version 18, IBM, USA)을 사용하여 수행하였다.
III.결 과
1.자료의 구성
메타분석에 사용된 연구논문들의 요약 내용은 Table 1에 서 보는 것과 같다. 사일리지 발효를 위한 미생물제제용 균주로는 Lactobacillus plantarum이 11편의 논문에서 사용 되어 가장 많이 사용된 것으로 나타났다. 다음으로는 Lactobacillus buchneri 균주로 총 5편의 논문에서 사용되었 다. 그 외에 Lactobacillus casei, Lactococcus lactis, Enterococcus faecium, Pediococcus cerevisiae, Pediococcus pentosaceus, Propionibacterium acidipropionici, Propionibacterium freudenreichii 등이 사용되었다. 미생물제제의 접종 비율은 생초 건물 1 g을 기준으로 1.0×104 ~ 1.0×106 CFU로 나타났 다. 유기산제제로는 프로피온산을 기반으로한 유기산들이 많이 이용된 것으로 나타났다. 유기산제제의 첨가비율은 생초 건물 기준으로 0.1~0.2%로 나타났다. 사일리지 발효 기간은 36일에서 최대 120일로서 다양하게 적용되었다. 사 일리지 제조를 위한 작물로는 옥수수, 보리, 알팔파 및 볏 짚 등이 이용되었다.
사일리지 발효 특성별로 메타분석에 사용된 실험의 개수 (n)과 결과치들의 평균과 오차는 Table 2에서 보는 것과 같 다. 발효 특성 항목 중 가장 많은 실험에서 측정한 항목은 미생물제제 처리구의 pH로 나타났으며, 가장 적은 실험의 수가 적용된 발효 특성 항목은 대조구의 낙산인 것으로 나 타났다.
2.미생물제제와 유기산제제의 처리효과
사일리지 발효 특성에 있어 미생물제제와 유기산제제의 처리의 종합적인 효과 및 그 유의성은 Table 3에서 보는 것과 같다. 본 연구에서는 메타분석의 하나의 기법 중 하 나인 risk ratio, 즉 비율을 이용한 방법을 사용하였다. 대조 구의 표준화된 결과를 분모로 하고 처리구의 표준화된 결 과를 분자로 하여 얻어진 결과를 이용하여 종합적인 효과 를 나타내었다. 이러한 분석결과 값이 나타내는 의미로 그 값이 1보다 크면 대조구보다 처리구의 결과 값이 높은 것 을 나타내는 것이며, 반대로 그 값이 1 보다 작으면 대조 구가 처리구보다 높은 결과 값을 갖는 것을 의미하게 된 다. 사일리지 제조에 있어서 미생물제제의 적용은 대조구 에 비하여 pH, 젖산, 초산, L/A 비율, 프로피온산 및 ADF 함량이 높아진 것으로 나타났다. 이와는 반대로 낙산, WSC, CP, NH3-N 및 NDF는 대조구에 비하여 감소하는 것 으로 나타났다. 모든 분석항목들에서 처리의 효과에 대한 높은 유의성이 관찰되었다 (p<0.001).
유기산제제의 처리효과는 ADF 결과를 제외하고 모든 조 사 항목에서 대조구에 비해 처리구에서 높은 결과를 갖는 것으로 나타났다. 그리고 모든 조사항목의 처리효과에서 높은 유의성이 나타났다 (p<0.001). 연구들 간의 이질성 (heterogeneity)을 나타내는 I2 값은 두 처리방법과 모든 조 사항목에서 88~99%의 통계량을 나타내었다 (Table 3). 이러 한 결과는 분석에 사용된 연구 결과들이 실험조건에 따라 서 일정한 경향을 가질 수 있음을 시사하고, 이를 바탕으 로 추가적인 메타회귀분석(meta regression analysis)이 가능 하다고 볼 수 있다 (Cho et al., 2013). 본 연구에서는 독립 변수로 처리에 사용된 미생물제제의 농도 혹은 유기산제제 의 농도 등을 설정할 수 있다.
3.미생물제제 및 유기산제제의 처리효과 비교
역분산 가중치를 적용하지 않고 두 가지 처리에서 얻어 진 표준화된 결과들을 이용한 처리효과들의 비교 결과는 Table 4에서 보는 것과 같다. 즉 각 연구들에서 얻어진 처 리효과들을 두 가지 처리 방법에 따라 분류한 후에 어떠한 처리방법이 우수한가를 분석하였다. 그 결과 두 처리방법 간의 유의적인 차이는 낙산, WSC, CP 및 NH3-N에서 발견 되었다. 미생물 처리 방법이 유기산 처리방법에 비하여 낙 산, WSC, CP 및 NH3-N 함량을 낮추는 것으로 나타났다 (p<0.05).
4.사일리지 발효 특성 간의 상관관계
본 연구에서는 사일리지 발효 특성에 대한 조사항목에서 나타난 처리효과 간의 상관관계를 조사하였다. 미생물제제 처리효과들에 있어 조사항목 간의 상관관계는 Table 5에서 보는 것과 같다. 그 결과, NH3-N (p<0.05)는 pH와 유의적인 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 젖산은 L/A 비율 (p<0.01)과 NDF (p<0.01)에 대하여 유의적인 상관관계를 갖 는 것으로 나타났다. 초산은 L/A 비율 (p<0.01)과 낙산 (p<0.05)에 대하여 유의적인 상관관계를 갖는 것으로 나타 났다. L/A 비율은 NH3-N (p<0.01)와 NDF (p<0.01)에 대하 여 유의적인 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 프로피온 산은 NDF (p<0.05) 및 ADF (p<0.01)에 대하여 유의적인 상 관관계를 갖는 것으로 나타났다. 낙산은 NH3-N (p<0.01), NDF (p<0.01) 및 ADF (p<0.01)에 대하여 유의적인 상관관 계를 갖는 것으로 나타났다. CP는 NH3-N (p<0.05)와 NDF (p<0.05)에 대하여 유의적인 상관관계를 갖는 것으로 나타 났다. NDF는 ADF (p<0.05)와 유의적인 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 상관성 분석의 결과, pH가 증가하면 초 산과 NH3-N도 증가하는 것으로 나타났다. 젖산이 증가하 면 L/A 비율이 증가하고 NDF 함량이 증가하는 것으로 나 타났다. 초산이 증가하면 L/A 비율과 낙산이 감소하는 것 으로 나타났다. L/A 비율이 증가하면 NH3-N 농도가 감소 하고, NDF가 증가하는 것으로 나타났다. 프로피온산의 증 가는 NDF 및 ADF의 증가와 연관이 있는 것으로 나타났 다. 낙산이 증가하면 NH3-N, NDF 및 ADF가 증가하는 것 으로 나타났다. CP가 증가하면 NH3-N와 NDF가 증가하는 것으로 나타났으며, NDF가 증가하면 ADF도 증가하는 것 으로 나타났다.
유기산제제 처리효과에 있어 각 조사항목들 간의 상관관 계는 Table 6에서 보는 것과 같다. 사일리지 발효 pH와 유 의적인 상관관계를 갖고 있는 조사항목으로는 젖산 (p<0.05), 초산 (p<0.01), L/A 비율 (p<0.01)로 나타났다. 젖 산에 대한 처리효과는 초산 (p<0.05), L/A 비율 (p<0.01), NDF (p<0.05) 및 ADF (p<0.05)들과 유의적인 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. L/A 비율은 NH3-N (p<0.01) 및 NDF (p<0.05)와 유의적인 상관관계가 있는 것으로 나타났 다. 프로피온산에 대한 처리효과는 ADF (p<0.05)와 유의적 인 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 낙산에 대한 처리효 과에 대한 유의적인 상관관계는 NH3-N (p<0.05)에서 나타 났다. 사일리지의 NH3-N 농도에 대한 처리효과는 ADF (p<0.05)와 유의적인 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 유 의적인 상관관계에 있는 모든 조사항목들의 상관성 경향은 미생물제제 처리효과의 상관관계와 동일하게 나타났다. 사 일리지 발효 특성 조사항목들에 대한 두 처리방법들의 상 관성 분석결과의 차이는 통계적 유의성을 갖는 항목들의 종류에서만 나타났으며, 상관성의 방향은 모두 동일한 것 으로 나타났다.
IV.고 찰
일반적으로 사일리지의 품질은 물리적 성상을 평가하는 외관상 방법과 화학적 방법으로 구분되어 평가되는데, 화 학적 방법에는 pH, 유기산 함량, 일반성분, 소화율 및 건물 함량 분석에 의하여 수행된다 (Mohd-Setapar et al., 2012). 품질이 우수한 사일리지의 pH는 건물에 따라서 다르지만 4.0 ~ 4.7을 나타낸다. 사일리지 발효의 목적 중 하나로 빠 른 pH 하강을 통한 안정화를 들 수 있다. 그러나 본 연구 에서는 미생물제제의 처리가 오히려 대조구에 비해 pH를 상승시킨 것을 알 수 있었다. 하지만 pH의 변화를 검토하 기 이전에 시험구들의 전체적인 pH의 범위를 살펴보면 (Table 2), 모두 안정적이고 우수한 품질의 사일리지 pH 범 위인 3 ~ 4 사이에 위치하는 것을 알 수 있다. 비록 대조구 에 비하여 pH가 다소 상승하는 결과를 나타내기는 하였으 나, 그 변화 폭이 매우 적은 것으로 판단된다. 즉 처리의 효과는 나타났으나, 모두 안정적인 범위에 속함으로 궁극 적인 효과는 찾아보기 어렵다고 할 수 있다. 사일리지 유 기산은 젖산, 초산 및 낙산 등의 함량을 이용하여 평가하 며, 총 유기산함량에 대한 비율을 기준으로 젖산은 70% 이상, 초산은 22% 미만 그리고 낙산은 3% 미만이 우수한 품질의 사일리지로 분류된다 (Mohd-Setapar et al., 2012). 또한 사일리지 내 젖산과 초산의 비율은 3 이상인 것이 바 람직하다고 보고된 바 있으며, 이를 위해서는 homolactic의 특성을 지닌 균주를 미생물제제로 사용하는 것이 좋다 (Kleinschmit and Kung Jr, 2006). 젖산은 사일리지 발효의 주요한 최종대사산물이기도 하지만 분해되어 초산과 1,2- propanediol이 생산된다 (Heinl et al., 2012; Kleinschmit and Kung Jr, 2006). 초산은 항진균활성이 있는 물질로서 사일 리지 내 진균의 발생 및 오염을 억제할 수 있는 것으로 알 려져 있다 (Woolford, 1975). 그러나 초산이 과도하게 생성 되면 사일리지의 기호성을 저하시키는 원인이 될 수 있다 는 보고도 있다 (Kleinschmit and Kung Jr, 2006). 본 연구 에서 미생물제제와 유기산제제의 사일리지 내 초산함량에 대한 효과 비교에서는 유의적인 차이가 나타나지 않았으나, 유기산제제가 다소 높은 경향을 나타내었다(p=0.066). 미생 물제제를 이용할 경우 위에서 언급한 것과 같이 heterolactic 보다는 homolactic 균주를 사용하는 것이 젖산 분해율을 낮추고 동시에 초산과 낙산과 같은 다른 유기산 의 생성을 최소화 할 수 있다 (Kleinschmit and Kung Jr, 2006). 그러나 homolactic 균주의 경우, 항진균성 유기산 생 성량이 낮아짐으로서 사일리지 숙성완료 후에 곰팡이나 효 모의 오염으로 인한 보존성이 낮아질 수 있다 (Moon, 1983). 사일리지 내 프로피온산은 젖산이 분해되어 생성된 1,2-propanediol이 미생물 대사작용에 의해 전환되어 생성된 다 (Krooneman et al., 2002). 본 연구에서도 미생물제제를 사용한 사일리지에서 대조구에 비해 높은 프로피온산 생성 량을 나타내었다 (Table 2). 사일리지의 낙산은 젖산, 초산, 프로피온산 및 에탄올과 함께 생산되는 대사산물로 알려져 있다 (Filya and Sucu, 2010). 그러나 과도한 낙산의 생성은 사일리지의 기호성 저하와 사료섭취량 감소를 야기할 수 있다 (Buchanan-Smith, 1990). 사일리지 내 낙산 생성에 대 한 미생물제제와 유기산제제의 효과 비교에서는 유의적인 차이가 나타났다 (p<0.05). 미생물제제는 대조구에 비하여 낙산 생성을 저하시키는 반면, 유기산제제는 대조구에 비 하여 오히려 낙산을 증가시키는 것으로 나타났다. 이러한 유의적인 차이는 WSC 함량에서도 나타났으며 (p<0.01), 낙 산에 대한 효과와는 반대로 미생물제제 처리가 WSC를 대 조구에 비하여 감소시키고 유기산에 의한 처리 실험들에서 는 증가되는 것으로 나타났다. 사일리지의 WSC는 젖산균 의 발효에 있어 중요한 에너지원으로 작용한다. 따라서 젖 산균의 원활한 증식을 위해서는 작물에 함유된 WSC가 충 분하여야 하며, 발효가 진행될수록 WSC는 다른 유기산들 로 전환된다 (Contreras-Govea et al., 2011; Henderson, 1993).
본 연구에 의하면 미생물제제와 유기산제제 모두 좋은 사일리지 첨가제임을 확인할 수 있었다. 그러나 몇몇 사일 리지 발효 특성에 대하여서는 서로 상반된 결과를 갖는 것 또한 확인할 수 있었다. 결론적으로 사일리지 제조 목적 및 대상 작물의 특성에 따라서 본 결과를 바탕으로 두 가 지 처리방법 중 적절한 방법을 선택할 수 있을 것으로 판 단된다. 그리고 작물별, 균주별, 유기산제제 특성별 및 발 효기간별 처리효과에 분석이 추가로 수행되면 보다 구체적 이고 종합적인 결론을 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
V.요 약
본 연구는 사일리지 발효 특성에 있어 미생물제제와 유 기산제제의 처리효과를 분석하고 비교하기 위한 목적으로 수행되었다. 사일리지 pH, 젖산, 초산, L/A비율, 프로피온 산, 낙산, WSC, CP, NH3-N, NDF 및 ADF 등을 발효 특성 항목으로 조사하였고, 메타분석기술을 이용하여 분석을 수 행하였다. 총 14편의 연구논문들을 분석에 사용하였다. 미 생물제제 처리는 대조구에 비하여 pH, 젖산, 초산, L/A 비 율, 프로피온산 및 ADF 함량 향상시키는 것으로 나타났다 (p<0.01). 이와는 반대로 낙산, WSC, CP, NH3-N 및 NDF 는 대조구에 비하여 감소하는 것으로 나타났다 (p<0.001). 유기산제제의 처리는 ADF 결과를 제외하고 모든 조사 항 목에서 대조구에 비해 처리구에서 높은 결과를 갖는 것으 로 나타났다 (p<0.001). 미생물제제와 유기산제제의 처리효 과 비교에서 유의적인 차이는 낙산, WSC, CP 및 NH3-N에 서 나타났고 (p<0.05), 미생물제제 처리가 유기산제제 처리 에 비하여 낙산, WSC, CP 및 NH3-N 함량을 낮추는 것으 로 나타났다 (p<0.05).
