Ⅰ. 서론

본문가축 사양에 있어 건초의 중요성은 간과할 수 없다. 한우 및 젖소 사양 농가에서는 가축 생산성과 편리함을 고려하여 양질의 건초 급여를 선호하고 있으며, 매년 약 110만톤 내외의 건초가 해외로부터 수입되고 있다(Kim, 2021). 소 사육두수는 매년 증가 하고 있어 조사료 수요도 증가되고 있으나 농가에서는 품질의 안정성 등을 이유로 수입 조사료를 선호하고 있다. 그러나 수입 조사료는 농식품부에서 할당관세 물량으로 제한하고 있기에 농가 에서는 혼합건초로 우회하여 수입을 하고 있으며 2020년에는 531천톤에 이르게 되었다(Kim, 2021).

국내에서의 조사료 생산은 수확기의 잦은 강우, 이모작에 따른 짧은 생육기간 등으로 인해 사일리지 위주로 유통이 되고 있으나 높은 수분함량, 이물질 등의 이유로 양축농가에서는 품질에 불만을 갖고 있어 만족도가 매우 낮은 실정에 있다(Jeong, 2021).

수입 조사료는 2024년 캐나다를 시작으로 2026년은 미국, 2028년은 호주까지 시장이 개방되며 이로 인해 국내산 조사료 사용 비율이 감소할 것으로 전망된다. 국내산 조사료 의식조사(Jeong, 2021)에 의하면 한우 농가의 44.8%, 낙농농가의 59.9% 및 TMR 공장의 51.0%가 수입개방이 되면 국내산 조사료 이용을 감축할 예정이라고 한다. 따라서 국내에서도 인공건초를 만들 수 있는 기술 개발이 시급하다고 판단된다.

원적외선은 가시광선인 적색광 바깥에 있는 적외선 영역 중 파장이 비교적 긴 광선을 말하며 높은 건조효율과 저렴한 유지비 등으로 인해 다양한 산업 분야의 건조에 활용이 되고 있다. 주로 4.0~1,000μm 사이의 파장을 활용하여 대상물을 건조 시키고 있다 (Cho et al., 2016). 농업 분야에서는 더 짧은 3~6μm 이상의 원 적외선을 이용하여 여러 가지 형태(수직형, 수평형, 캐비닛형, 다층형 등)의 건조기가 개발되어 보급되었다(Ning et al., 2014). 원적외선을 활용하여 다양한 분야에서 건조가 이루어지고 있는데 간접가열방식인 열풍방식보다 복사에너지가 직접 조사되어 제어가 용이하고 빠른 열응답성을 가지고 있어 섬유, 종이, 자동차 및 용기 도료건조 등 많은 산업분아에 적용이 되고 있다(Kim et al., 2008). 특히 열풍건조에 비해 에너지를 절약할 수 있고 제품을 변질 또는 변색시키지 않고 분진발생이 적은 장점을 가지고 있다 (Sang and Bae, 2005).

외국에서는 인공건초 조제 기술이 상업화를 통해 다양한 제품을 활용하고 있다. 인공건초는 신속하게 건조를 할 수 있으며 날씨에 제약을 받지 않아 그 이용이 늘어나고 있는데 이는 가열된 공기를 고속으로 흘려보내 건조속도를 높이고 곰팡이 발생을 줄인다는 결과에 기인하고 있다(Misener et al., 1990;Plue and Bilanski, 1990). 또한 인공건초는 자연건초보다 수확 중 잎 부분 손실을 줄여 더 높은 영양가를 가질 수 있으며, 먼지와 토양으로부터의 오염을 현저히 줄이며 곰팡이 및 내부 발효를 감소시키고 추가적인 영양소 (유기산, 비타민 등)를 잘 보존할 수 있는 장점이 있다

따라서 본 연구는 우리나라에서 인공건초 조제를 위한 기술 확보를 위해 원적외선을 이용하여 조사료의 건조 기술을 확립 하고자 수행되었다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 원적외선 건조 시스템의 구성

원적외선을 이용하여 조사료를 건조하기 위한 건조 조건 탐색을 위해 시스템을 구성하였다. 본 시스템은 원적외선 발생장치, 원적 외선 열량 조절부, 제트기류 발생부, 온도조절장치 및 제어·계측 부로 나누어서 구성을 하였다(Fig. 1).

원적외선 발생장치는 석영으로된 히터(500WATT T3 QUARTZ HEATER)로 구성되었으며 열량 조절은 디지털제어 1~99%범위를 1%단위로 조절토록 하였다. 수분 건조를 위한 제트기류 발생은 모터를 이용하여 25m/sec의 속도를 낼 수 있도록 하였다. 원적외 선의 조사거리도 400~640 mm의 범위에서 25 mm단위로 조절이 가능하도록 하였고, 제어·계측부에서는 원적외선 조사량, 건조시간 및 기류 온도 등을 종합적으로 조절할 수 있도록 하였다. 본 시제 품은 ㈜한국에너지기술의 협조를 받아 제작을 하였다.

2. 건조를 위한 사료작물의 수확

원적외선을 활용한 조사료 건조 시스템 개발을 위해 제작한 시 제품의 건조 능력을 판단하기 위한 시료는 조성 3년차인 알팔파를 대상으로 하였다. 2019년 가을에 조성한 ‘Common’ 품종의 알팔파 재배지로 파종량은 ha당 30kg를 하여 매년 연간 4회 수확을 하였다. 조성 당일 N-P₂O₅-K₂O 기준으로 18-180-120 kg/ha의 비료를 질 소와 인산질 비료는 당일에 그리고 칼리질 비료는 매 수확시마다 분시하였다. 시험지의 토양은 Kim et al. (2021)의 시험에 이용한 동일한 포장을 사용하였는데 토양상태는 약산성이며, 유기물 함량은 높았고 총 질소 및 유효인산 함량은 낮은 편이었다(Table 1). 시험에 이용된 알팔파 시료는 2021년 4차 수확(10월 27일)한 알팔파를 이용하여 건조 능력 평가를 수행하였다. 4차 수확된 알 팔파의 건물함량은 23.92%로 나타났으며 수확당시의 생육상태와 수량은 Table 2에서 보는 바와 같다.

3. 알팔파 시료 건조

포장에서 수확된 알팔파는 실내에 있는 원적외선 건조장치로 옮겨 건조를 하였다. 최적 건조조건 탐색을 위해 원적외선 방사량, 내부 온도, 기류속도 그리고 건조시간을 변경하였다. 원적외선 방사량은 기기를 기준으로 하여 36~42%까지 조절을 하였으며 온도는 58~65℃로 설정하여 단백질 변성을 방지하였다. 기류의 속도는 40~60 m/s로 조절토록 하였고 건조시간은 10분, 15분, 20분, 25분 및 30분의 단일 조합과 15-15분, 20-20분, 25-25분 및 30-30분의 복합 조합으로 구성하였다. 각각의 조건에 따른 전력량은 시중에서 판매되는 전력계를 사용하여 측정하였다.

4. 사료가치 분석

건조 전후의 알팔파에 대한 건물함량 측정은 열풍 건조기를 이용하였다. 자체 보유중인 65℃ 순환식 열풍건조기에서 72시간 건조한 후 알팔파의 건물함량을 조사하였다. 사료가치 분석을 위한 시료는 65℃ 순환식 송풍 건조기 내에서 72시간 이상 건조 시킨 시료를 전기믹서로 1차 분쇄 후 20 mesh mill로 다시 분쇄 한 후 이중마개가 있는 플라스틱 시료통에 넣고 직사광선이 들지 않는 곳에 보관하여 분석에 이용하였다.

조단백질 함량은 Dumas (1821)법에 의거하여 분석하였고, NDF(neutral detergent fiber) 및 ADF (acid detergent fiber) 함량은 Goering and Van Soest (1970)법에 따랐으며, TDN (total digestible nutrient) 함량은 Holland et al. (1990)에 의거 ADF 함량으로 추정하여 (TDN % = 88.9 － (0.79 × ADF %)) 공 식에 의해 계산하였다 . 또한 RFV (relative feed value)는 ADF 함량으로 DDM(digestible dry matter)을 추정하였고(% DDM= 88.9－(ADF %× 0.779)), NDF 함량으로 DMI (dry matter intake)를 산정한 후 (% DMI = 120 / NDF %) RFV 값을 산출하 였다 (RFV = (% DDM× % DMI) / 1.29). In vitro 건물소화율 (IVDMD)은 Tilley and Terry법(1963)을 Moore (1970)가 수정 한 방법을 사용하였다. 시험에 쓰인 위액은 평소 조사료를 자유채 식 한 한우에서 아침 사료를 급여하기 전에 채취하여 이용하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 건조 조건의 설정

원적외선을 이용한 알팔파의 건조 조건은 Table 3에서 보는 바와 같다. 부착된 원적외선 발생장치의 방사율을 40% 내외로 설정을 하였으며 복합 조건에서는 시간이 지날수록 방사율을 낮추었다. 온도는 식물체내 당과 단백질의 Malliard 반응으로 인한 단백질 변성을 막기 위하여(AFIA, 2011) 60~65℃로 온도를 설정 하였으며, 기기내의 기류의 속도는 60m/s로 고정하였다. 전체적인 건조시간은 단일조건에서는 30분으로 하였고 복합 조건은(방사율 및 온도변화) 60분(30-30분) 그리고 90분(30-30-30분)으로 설정 하여 시간대별로 방사율과 온도에 변화를 주었다.

2. 조건에 따른 건조 및 전력량

건조 조건에 따른 알팔파 건초의 건물함량은 Table 4에서 보는 바와 같다. 건조 조건 1 (30분건조)의 경우에는 최종 건물함량이 46.26%로 건초에 적합한 건물에는 도달하지 못하였다. 일반적으로 건물함량 80% 이상을 건초로 분류하고 있다(Pitt, 1991). 그러나 나머지 2~7번 건조 조건에 해당하는 알팔파는 모두 건물함량이 80% 이상으로 나타나 최적의 알팔파 건초가 생산되는 것으로 판단이 되었다.

한편 6번 건조 조건의 최종 건물함량이 83.37%로 같은 건조 조건인 5번과 7번(98.91 및 97.08%) 조건에 비해 낮게 나타났는데 이는 초기 건물함량에서 2~5%정도 차이가 있어 건조 속도에서 영향을 받은 것으로 보여진다. 또한 내부의 온도도 건조에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났고 특히 65℃로 지속된 건조 조건에서는 전력량도 많이 소요되었다. Kim et al. (2007)은 원적외선 건조기 를 이용한 표고버섯의 건조 특성 조사에서 건조 온도가 높아질수 록 건조 시간이 줄어들었고 열풍건조보다는 원적외선 건조기가 건조속도가 더 빠르게 나타났다고 보고하였다.

건조 조건에 따른 전력 소비량의 차이를 보면 2번 건조조건에서 4.7KW로 가장 낮게 나타났으며 나머지 건조 조건은 6.5~7.1KW 로 높았다. 이는 향후 건조 시스템 운영에서 가장 낮은 전력 소비 를 보인 조건을 선택하기 위한 기초 자료로 활용이 가능하다. Kim et al. (2007)은 표고버섯 건조에서 건조 온도가 높고 송풍속 도가 빠른 조건에서 소비전력량이 증가하는 경향이었다고 하였다. 특히 송풍속도가 빠른 처리구의 전력소비량이 많은 이유는 원적 외선 복사에너지 일부가 빠른 풍속에 의해 손실된 결과라고 하였다.

조건별 건조율의 차이를 보면 1번 건조 조건에서 가장 낮은 비율을 나타내었으며 최종 건물함량이 가장 높았던 5번과 7번 건조 조건에서 높은 비율을 나타내었다. 3번 건조 조건 그리고 2번과 4번 건조 조건 순으로 높았다. 한편 Zhu and Pan (2009)는 원적 외선을 활용한 사과 건조에 있어서 높은 방사량과 얇은 두께로 투입시 수분제거가 더 빨리 일어난다고 하였는데 본 시험에서도 방사량이 많은 5, 6 및 7번 건조조건에서 건조 속도가 양호하였다.

3. 조건에 따른 건초 품질

건조 조건에 따른 건초의 품질은 Table 5에서 보는 바와 같다. 조단백질 함량은 평균 25.91%로 높게 나타났으며 수확 당시 (23.39%)보다 전체적인 함량은 높아졌다. 또한 5번 건조 조건에서 가장 높은 함량을 나타내었으며(26.93%) 6번 건조 조건에서 가장 낮은 값을 나타내었다(25.16%). ADF 및 NDF 함량은 평균 18.55 및 41.76%로 나타났으며 대체적으로 열풍건조에서 유의적으로 높은 함량을 보였다. 그러나 원적외선 건조 조건에서는 큰 차이를 보이지는 않았다. 소화율은 평균 84.90%로 높은 값을 나타내었 으며 처리간에 유의적인 차이를 나타내지 않았다(p>0.05). Seo et al. (2001)은 봄철 자연건조된 알팔파 및 연맥 건초의 품질을 분 석할 결과 건초 조제로 인해 CP 함량은 낮아졌으며 ADF 및 NDF 함량은 증가되었다고 보고하였는데 이는 자연 건조로 인해 품질손실이 발생한 것으로 보여지며 원적외선 건조시에는 품질적 인 변화가 낮음을 보여주는 결과이다.

TDN 함량은 ADF 함량을 기반으로 하여 계산된 수치로 전체 적인 경향은 ADF 함량과 비슷하였으며 원적외선 건조 조건에서 대체로 높은 경향을 보여주었다. 한편 4차 예취한 알팔파 건초의 RFV 값은 평균 166으로 높았으며 열풍건조 조건에서 유의적으 로 낮았으며 원적외선 건조 조건에서는 큰 차이가 없었다.

Ⅳ. 요약

본 시험은 우리나라에서 인공건초 조제 기술을 확보를 위해 수행되었다. 원적외선 히터를 활용하여 온도, 송풍량, 원적외선 방사량을 조절할 수 있는 기기를 제작하여 4차 수확한 알팔파를 대상으로 실시하였다. 건조를 위한 조건은 전체 4개의 조건을 선택 하여 수행하였으며 각각의 조건은 방사율은 40% 내외(33-42%)로 설정을 하여 복합 조건에서는 시간이 지날수록 방사율을 낮추었다. 온도는 58~65℃로 설정하였으며, 기기내의 기류의 속도는 60m/s 로 고정하였다. 전체적인 건조시간은 단일조건에서는 30분, 복합 조건은 60분(30-30분) 및 90분(30-30-30분)으로 설정하여 시간 대별로 방사율과 온도에 변화를 주었다. 건조 조건 1 (30분건조) 의 경우에는 최종 건물함량이 46.26%로 건초에 적합한 건물에는 도달하지 못하였다. 그러나 나머지 2~7번 건조 조건에 해당하는 알팔파는 모두 건물함량이 80% 이상으로 나타나 최적의 알팔파 건초가 생산되었다. 건조 조건에 따른 전력 소비량의 차이를 보면 2번 건조조건에서 4.7 KW로 가장 낮게 나타났으며 나머지 건조 조건은 6.5~7.1KW로 높았다. 조단백질 함량은 평균 25.91%로 높게 나타났으며 수확 당시(23.39%)보다 전체적인 함량은 높아 졌다. 또한 5번 건조 조건에서 가장 높은 함량을 나타내었으며 (26.93%) 6번 건조 조건에서 가장 낮은 값을 나타내었다 (25.16%). 소화율은 평균 84.90%로 높은 값을 나타내었으며 처 리간에 유의적인 차이를 나타내지 않았다(p>0.05). TDN 함량은 ADF 함량을 기반으로 하여 계산된 수치로 전체적인 경향은 ADF 함량과 비슷하였으며 원적외선 건조 조건에서 대체로 높은 경향을 보여주었다. 한편 4차 예취한 알팔파 건초의 RFV 값은 평균 166으로 높았으며 열풍건조 조건에서 유의적으로 낮았으며 원적외선 건조 조건에서는 큰 차이가 없었다. 이상의 결과를 종합 하여 볼 때 2번 건조조건이 가장 유리한 것으로 판단되었다.