Ⅰ. 서 론

정부의 강력한 조사료 증산 정책과 사료비 절감 차원에서 자 급 조사료 생산의 중요성이 부각되면서 국내에서 조사료 재배면 적은 매년 소폭으로 증가하고 있으나 조사료 자급률은 80% 내외 로 정체현상이 지속되고 있다(MAFRA, 2019). 국내산 조사료의 수급 불안정은 생육기 가뭄과 추위, 수확시기에 잦은 강우 등 이 상기상이 주요 원인으로 파악되고 있으며 부족한 조사료는 대부 분 외국에서 수입에 의존하고 있는 실정이다.

조사료 수입 물량(할당 및 TRQ 통관)은 최근 매년 증가 추세 로 2018년에 1,189천톤이 수입되었고 2019년에는 1,432천톤(할 당 89만 2천톤, 알팔파 24만톤, 혼합건초 30만 톤)의 조사료가 수입될 예정이며 수입 조사료의 90%는 건초형태로 수입되고 있 다. 국내에 수입되는 조사료의 품질은 초종과 저장형태에 따라 매우 다양하며 생산지역 또는 수입과정에서 제시된 품질등급과 국내에서 유통되고 있는 수입 조사료의 품질은 현저한 차이가 있 다고 하였다(Lee and Lee, 2000; Han et al., 2009). 또한 2026년 부터 수입 조사료의 할당물량(쿼터제)이 폐지되어 관세가 전혀 없는 대량의 수입 조사료가 축산농가에 유통 될 것으로 전망됨에 따라 국내에서 수입 조사료의 올바른 유통체계를 확립하기 위해 수입 조사료의 품질평가에 대한 기준 설정이 무엇보다도 중요하 다고 하였다(Kim et al., 2014; Lee et al., 2001).

최근 품질변이가 많은 농식품분야에서 다량 농산물의 품질을 신속하게 분석하고 평가할 수 있는 근적외선분광법(Near infrared reflectance spectroscopy, NIRS)이 현장에서 활용되고 있다(Burns and Ciurczak, 2007;Chung and Kim, 2000). 국내 조사료 분야 에서도 근적외선분광법을 이용한 국가 전체 조사료의 품질검사 및 등급제 사업을 추진하고 있으며(MAFRA, 2019) 동계사료작 물인 이탈리안 라이그라스(Park et al., 2012), 청보리(Park et al., 2013), 호밀(Park et al., 2014) 사일리지의 사료가치와 발효품질 분석이 가능한 근적외선 DB가 구축되어 현장에서 활용되고 있다.

조사료 수입 자유화에 선제적으로 대응하고 국내 유통 조사료 의 품질관리 강화측면에서 수입 조사료의 품질평가 및 관리 체계 구축이 필요한 실정이다. 따라서 본 연구는 근적외선분광법을 이 용한 수입 건초의 품질평가 근적외선 DB 구축과 최적 검량식을 개발하기 위하여 수행되었다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 시료 및 NIR 스펙트럼 수집

근적외선분광법을 이용한 수입 조사료의 품질평가 근적외선 DB 구축과 최적의 검량식 개발을 위하여 2016년부터 2018년까 지 전국 건초 수입상, TMR 회사와 축산 농가에서 수입 화본과와 두과 목건초 392점을 수집하였다. 수집된 시료는 NIR 스펙트럼 측정 전까지 -20℃ 냉동고에 밀봉하여 보관하였다.

냉동 보관되어진 동계사료작물 시료는 5℃ 냉장고에서 해동하여 식물체를 가위로 5~7cm정도로 절단하여 직경 15cm인 원형 시료 컵에 약 100g 정도를 충진하여 근적외선분광기(Unity SpectraStar 2500X, Brookfield, WI, USA)를 이용하여 680~2,500nm의 파장 범위에서 매 1 nm의 간격으로 반사도를 측정한 후 검량식 유도를 위해서 흡광도(log 1/R : absorbance)로 변환시켜 수집하였다.

2. 수분함량 및 사료가치 분석

수집된 수입 건초 시료의 수분, 조단백질 및 조회분 함량은 AOAC (2011)법에 의거하여 분석하였고 조단백질 함량은 Dumas의 방법 (AAAS, 1884)에 따라 원소분석기(Vario Max CNS, Elementar, Germany)를 이용하였다. 시료 200 mg에 1200℃의 온도를 가해 연소시켜 발생하는 질소 가스를 측정하여 질소함량을 구한 후 조 단백질 함량(% CP=% N × 6.25)을 산출하였다. 조사료의 neutral detergent fiber(NDF)와 acid detergent fiber(ADF) 함량은 Goering and Van Soest(1970)법에 준하여 Ankom fiber analyzer(ANKOM Technology Corp., Fairport, NY, USA)로 분석하였다.

조사료의 상대적 사료가치(RFV)는 ADF와 NDF가 건물소화율 과 섭취량의 높은 상관관계를 가진다는 점에 근거하여 ADF와 NDF 분석치에 의한 계산식(RFV= (DDM x DMI) / 1.29)으로 산 출하였으며(Holland et al., 1990) 근적외선 분광기의 내장된 산출 프로그램(Scientific, Unity, 2010)에서 자동으로 계산되어졌다.

3. NIR 검량식 작성

검량식 작성 알고리즘은 시료의 스펙트럼에서 입자의 크기, 수분, 밀도 등 물리적 성질에 의한 산란효과에 대한 오차를 줄이기 위해 원시 스펙트럼을 Standard Normal Variate and Detrending(SNV-D) 전처리 기법과 수 처리(Math treatment) 기법을 이용하여 보정하 고 회귀분석은 부분최소제곱법(Partial Least Square)을 이용하여 검량식을 유도하였다. 통계적 처리는 상업용 프로그램인 Ucal version 3.0.4.15(Unity Scientific, Brookfield, CT, USA)를 이용 하였다. 작성된 검량식의 예측 정확성에 대한 평가에는 검량식 결 정계수(Determination Coefficient, R²), 검량식 표준오차(Standard Error of Calibration, SEC), 상호검증표준오차(Standard Error of Cross Validation, SECV)를 이용하였다. 최적의 검량식은 SECV 가 가장 낮은 값을 갖는 것을 선택하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. NIR 스펙트라의 특성

수입 건초 시료의 근적외선 영역인 680 nm ~ 2500 nm에서의 원시 NIR 스펙트라를 1차 미분 처리한 스펙트라와 3D 주성분분 석(PCA) 그래프는 Fig. 1에서 보는바와 같다. 수입 건초 시료집단 의 근적외선 배역대에서의 흡수 스펙트라를 살펴보면 1,400~50과 1,850~900nm 배역대에서 흡수피크가 가장 크게 나타났으며 나 머지 배역대에서는 큰 차이를 보이지 않았다. 배역대별 흡수강도 는 1차 미분 처리한 스펙트라와 3D 주성분분석(PCA) 그래프에 서 나타난 것과 같이 건초 시료의 종류에 따라 다른데 특히 이질 적인 건초시료가 포함된 것으로 판단된다.

Deaville and Flynn(2000)은 조사료의 근적외선 스펙트라의 성분별 주요 흡수 배역대는 수분함량은 1,450과 1,940nm에서 흡 수가 일어나고 탄수화물은 2,100과 1,600nm, 단백질은 2,180과 2,055nm 배역대에서 흡수가 일어난다고 하였다. 또한 세포벽 물 질인 NDF와 ADF는 1,555~1,674, 2,294nm(Williams, 1987) 근 처에서 흡수가 주로 일어난다고 보고 하였다.

근적외선 분광기의 재현 및 반복성은 우수한 편이지만 항상 같은 스펙트라를 얻는 것은 현실적으로 불가능하고 측정된 근적 외선 흡수 스펙트라는 성분별 흡수피크(peak)들이 넓고 중첩되어 있으며 시료의 밀도, 온도, 입자크기 등의 차이로 인한 산란차이 에 의해 바탕선의 변화가 발생하게 된다(Hruschka, 1987). 이러 한 변화는 검량식 작성시 많은 오차를 유발하는데 스펙트라의 수 처리 방법(미분법)은 바탕선의 변동 및 흡광도의 방해요인으로 인한 오차를 보정해주고, 검량식 (Calibration)을 안정하게 하여 특정 성분의 정량 및 정성분석의 필수적인 도구로 이용되어진다 (Shenk and Westehaus, 1991b;Garcia-Cuidad et al., 1993).

2. 수입 건초의 이화학적 특성

조사료의 품질평가를 위한 검량식 (Calibration) 개발에 이용 되어진 수입 건초의 시료집단 (Calibration set)의 화학적 조성분 의 범위는 Table 1에서 보는 바와 같다. 수집된 수입건초 시료집 단의 수분함량 범위는 2.61 ~ 13.32%로 나타났으며 평균 수분함 량은 5.65%로 장기저장에 필요한 건초의 수분함량(≤ 15%)보다 낮은 것으로 나타났다. 조사료의 섬유소 성분인 ADF와 NDF 함 량의 평균은 각각 38.84%와 60.38%로 나타났으며 이는 Park et al.(2019)이 보고한 국내 동계사료작물 조사료의 섬유소 함량 (ADF 37.48%, NDF 59.33%)과 유사한 분포를 보인 것으로 나 타났다. 조단백질(CP) 함량과 상대사료가치(RFV)의 분포는 각 각 2.12 ~ 22.59%와 61.81 ~ 163.93으로 나타났으며 수입건초 의 초종에 따른 범위 폭이 크게 나타났다(Fig. 2).

Valdes et al.(1987)은 예측 정확성이 우수한 검량식을 개발하 기 위해서는 검량식 작성을 위한 모집단의 중요성을 강조하였는 데, 모집단은 넓은 범위와 고른 분포를 가지고 있어야한다고 보 고하였다. 또한 넓은 범위를 가진 검량식 작성 모집단이라고 할 지라도 각 성분에 대한 분포빈도가 고르지 못하면 예측능력이 떨어지게 된다고 하였다.

3. 검량식 작성 및 검증

해외에서 국내로 수입된 건초 시료의 흡광도 스펙트라와 실험 실 분석 결과값과의 중회귀분석을 통해 작성된 검량식의 예측능 력과 검증결과는 Table 2와 Fig. 3에서 보는 바와 같다.

수집된 수입 건초의 시료집단을 토대로 작성된 검량식의 평가 는 검량식 결정계수(R2), 검량식의 표준오차 (SEC) 및 상호검증 의 표준오차 (SECV)가 이용되어지는데 결정계수(R2)는 높을수 록 우수한 검량식이고 SEC와 SECV는 낮을수록 우수한 검량식 이라고 하였다(Shenk and Westerhaus, 1991a).

수입 건초의 사료가치 평가를 위한 성분별 예측에 대한 검량식 작성 (SEC)과 검증결과 (SECV)는 대부분 우수한 예측능력을 보였 다. 수분함량 평가에 대한 예측능력은 각각 SEC 0.50%(R²=0.92) 와 SECV 0.61%(R²=0.87)로 우수한 예측능력을 보였으나 Park et al. (2019)이 보고한 근적외선분광법을 이용한 동계사료작물의 수분함량 예측능력(SEC=1.53%, SECV=1.59%)보다 다소 낮은 것 으로 평가되었다. 조사료의 섬유소 함량의 주요 평가 항목인 ADF 와 NDF 함량의 예측능력은 각각 SEC 0.56%(R²=0.98), SECV 0.65%(R²=0.97) 및 SEC 0.36%(R²=0.97), SECV 0.40%(R²=0.95) 로 나타났다.

조단백질 함량은 각각 SEC 0.04%(R²=0.99)와 SECV 0.06% (R²=0.98)로 조사료의 사료가치 평가 성분 중 가장 우수한 예측 능력을 나타내었다. Roberts et al.(2003)은 근적외선분광법을 이 용한 조사료 및 사료의 품질평가에서 조단백질과 질소화합물함량 의 예측능력이 가장 우수한 결과를 얻었다고 보고하였으며 이러한 우수한 결과들은 NIR 지역에서 N-H 결합이 가장 강한 흡수가 일 어나고 사료 및 조사료 내에 조단백질 함량이 30~500g/kg(건물기 준) 범위로 비교적 높은 농도가 함유되어있기 때문이라고 하였다.

수입된 건초에 흙이나 돌과 같은 이물질의 혼입 여부를 판정하 기 위한 조회분 함량의 예측결과는 SEC 0.44%(R²=0.99), SECV 0.06%(R²=0.97)로 국내산 동계사료작물의 예측결과보다 우수한 예측능력을 보였다. 이는 수입 건초의 시료 집단은 흙과 같은 이 물질 혼입이 적고 함량의 변이가 적은 집단이어서 예측능력이 국 내산 동계사료작물의 예측능력보다 우수한 것으로 판단된다. 조 사료의 에너지 가치를 평가하는 총가소화양분 (TDN)과 건초의 품질 등급인 상대사료가치 (RFV)의 예측 능력은 각각 SEC 0.44%(R²=0.98), SECV 0.51%(R²=0.96) 및 SEC 2.63%(R²=0.97), SECV 3.04%(R²=0.96)로 나타났으며 수입건초의 TDN과 RFV 평가는 섬유소 성분인 ADF와 NDF 함량을 이용하여 산출되어진 값으로 근적외선분광법을 이용하여 적은 오차범위 내에서 분석 하고 평가가 가능한 것으로 나타났다.

이상의 결과를 종합해보면 근적외선분광법을 이용하여 국내에 수입된 외국 건초의 수분함량과 각종 영양성분을 적은 오차범위에 서 분석·평가가 가능하였다. 따라서 본 결과를 바탕으로 향후 조사 료 수입 자유화에 대응한 국내 수입 조사료의 올바른 유통체계 구축 과 수입 조사료의 품질관리 체계 구축이 필요할 것으로 판단된다.

Ⅳ. 요 약

본 연구는 근적외선분광법을 이용한 수입 건초의 신속한 품질 평가를 위하여 2016년부터 2019년까지 전국 건초 수입상, TMR 회사와 축산 농가에서 화본과와 두과 수입 목건초 392점을 수집 하여 수입 건초의 품질평가 NIR-DB를 구축하고 구축된 DB를 바탕으로 최적의 품질평가 검량식을 개발하고 검증하였다. 수집 된 건초 시료는 근적외선 분광기를 이용하여 스펙트라를 측정한 후 측정된 스펙트라와 실험실 분석값간에 상관관계를 이용한 다 변량회귀분석법을 통하여 검량식을 작성한 다음 각 성분별로 예 측 정확성을 평가하였다. 수입건초의 수분함량 평가에 대한 예측 능력은 각각 SEC 0.50%(R²=0.92)와 SECV 0.61%(R²=0.87)로 나타났으며 ADF와 NDF 함량의 예측능력은 각각 SEC 0.56% (R²=0.98), SECV 0.65%(R²=0.97) 및 SEC 0.36%(R²=0.97), SECV 0.40%(R²=0.95)로 나타났다. 조단백질 함량은 각각 SEC 0.04% (R²=0.99)와 SECV 0.06%(R²=0.98)로 조사료의 사료가치 평가 성 분 중 가장 우수한 예측능력을 나타내었으며 총가소화양분 (TDN)과 건초의 품질 등급인 상대사료가치 (RFV)의 예측 능력은 각각 SEC 0.44%(R²=0.98), SECV 0.51%(R²=0.96) 및 SEC 2.63% (R²=0.97), SECV 3.04%(R²=0.96)로 나타났다. 이상의 결과를 종합해보면 근 적외선분광법을 이용하여 국내에 수입된 외국 건초의 수분함량 과 각종 영양성분을 적은 오차범위에서 분석·평가가 가능하였다.