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ISSN : 2287-5824(Print)
ISSN : 2287-5832(Online)
Journal of The Korean Society of Grassland and Forage Science Vol.44 No.4 pp.287-293
DOI : https://doi.org/10.5333/KGFS.2024.44.4.287

A Study on Rumen Fermentation Characteristics and Greenhouse Gas Emissions of Major Domestic Feed Sources for Hanwoo

Ji Yoon Kim1, Young Ho Joo2, Chang Hyun Baeg1, Bu Gil Choi1, Arrynda Rachma Dyasti Wardani1, Seung Min Jeong3, Sam Churl Kim1*
1Division of Applied Life Science (BK21Four, Institute of Agriculture and Life Science), Gyeongsang National University, Jinju
52828, Republic of Korea
2Gyeongsangbuk-do Livestock Research Institute, Yeongju 36052, Republic of Korea
3Grassland and Forages Division, National Institute of Animal Science, RDA, Cheonan 31000, Republic of Korea

†These authors contributed equally to this work.


* Corresponding author: Sam Churl Kim, Division of Applied Life Science (BK21Four), Gyeongsang National University, Jinju 52828,
Republic of Korea, Tel: +82-55-772-1947, E-mail: kimsc@gnu.ac.kr
December 7, 2024 December 24, 2024 December 26, 2024

Abstract


This study aimed to estimate the rumen fermentation characteristics and greenhouse gas emissions of major domestic feed sources for Hanwoo. Five feed sources mainly used in South Korea were selected: corn meal (CM), soybean meal (SM), wheat flour (WF), palm kernel cake (PKC), and corn distiller’s dried grains with soluble (DDGS). These feed sources were purchased from a commercial feed company. For 24 h rumen incubation, each feed source (0.3 g) was placed into the incubation bottle with the rumen mixture (30 mL) in quadruplicates. After incubation, total gas production was measured and sub-sampled for CO2 and CH4 analyses, and the bottle content was centrifuged for rumen fermentation characteristics and in vitro dry matter digestibility (IVDMD). Crude protein content was highest in SM and lowest in CM. Ether extract content was highest in DDGS and lowest in SM, while neutral detergent fiber and acid detergent fiber contents were highest in PKC and lowest in CM. Propionate content was highest in DDGS, and butyrate and A:P ratio contents were highest in PKC (p<0.05). Total gas emission (mL/g DMD) was lowest in SM and DDGS, while CH4 emission (mL/g DMD) was lowest in DDGS (p<0.05). Therefore, this study concluded that DDGS could be an alternative feed source to reduce methane emissions.


Feed source , Greenhouse gas , Hanwoo , Rumen fermentation characteristics

한우용 주요 원료사료별 반추위 내 발효특성과 온실가스 발생량에 관한 연구

김지윤1, 주영호2, 백창현1, 최부길1, 애린다1, 정승민3, 김삼철1*
1경상국립대학교 응용생명과학부(BK21 Four)
2경상북도 축산기술연구소
3국립축산과학원 초지사료과

초록

    Ⅰ. 서론

    이상 기상으로 인한 기후변화의 주요 원인은 온실가스 발생으 로 간주되고 있다. 전 세계 온실가스 배출량은 약 49~50기가톤 CO2eq.(Gt CO2eq.)이다. 이 중 축산분야에서 발생하는 온실가스 발생량은 약 14.5%이며, 이는 약 7.1 Gt CO2eq.이다(FAO, 2022a;Ritchie et al., 2024). 축산분야에서의 온실가스 발생은 주로 반추 동물의 장내 발효에 의해 일어난다.

    반추위 내 미생물에 의한 탄수화물 발효로 acetate, propionate 등과 같은 volatile fatty acids, 이산화탄소, 메탄, 수소 등이 발생 하는데, 이때 발생한 이산화탄소, 수소, acetate 등은 메탄합성 의 전구물질로 methanogens에 의해 메탄으로 합성된다(Wang et al., 2023). 이러한 반추동물의 장내 발효에 의해 일어나는 메탄 발생량은 전 세계 메탄 발생량의 약 25~30%를 차지한다(FAO, 2022b). 사료의 화학적 특성과 발효 패턴은 메탄 생성량을 조절 하는 주요 요인으로 작용하는데, 섬유소 함량이 높은 조사료를 위 주로 급여하였을 때 메탄 발생량이 증가하는 반면, 전분 함량이 높은 농후사료를 위주로 급여하였을 때 메탄 발생량이 감소하며, 이것은 농후사료 급여량 증가로 반추위 내 propionate 함량이 증가하면서 수소이온을 이용하기 때문이다(Moss et al., 2000;Wang et al., 2022). 국내에서 한우용 사료 생산에 이용되는 주 요한 원료사료로는 분쇄옥수수(corn meal, CM), 대두박(soybean meal, SM), 소맥분(wheat flour, WF) 등이 있다(MAFRA, 2019). 이러한 원료사료들 중 분쇄 옥수수와 팜박(palm kernel cake, PKC)은 에너지 공급원의 역할을 하며, 대두박(SM)은 단백 질 공급원, 소맥분(WF)과 옥수수주정박(corn distiller’s dried grains with soluble, DDGS)은 에너지와 단백질 공급원으로 이용된다. 농후사료는 비구조성 탄수화물이 주성분으로 소화 및 발효가 상 대적으로 빨리 이루어지므로 methanogens 활동이 억제되고 이로 인해 메탄 발생량이 낮다(Knapp et al., 2014). 국내 축산업에서 는 옥수수, 부산물 등 원료를 사용한 사료가 널리 사용되고 있음 에도 이들의 발효특성과 온실가스 발생량에 대한 연구는 제한적 으로 이루어졌다.

    따라서 본 연구에서는 국내에서 이용하는 한우용 주요 원료사 료 5종을 대상으로 반추위 내 소화율, 발효특성 및 온실가스 발생 량을 조사하여, 온실가스 저감형 사료 생산의 기초자료를 제시하 고자 수행하였다.

    Ⅱ. 재료 및 방법

    1. 주요 원료사료

    국내에서 한우용 사료제조에 이용되는 주요 원료사료인 분쇄 옥수수(CM), 대두박(SM), 소맥분(WF), 팜박(PKC) 및 옥수수주 정박(DDGS)을 시험용 원료사료로 선발하였다. 각 원료사료는 합천축협 섬유질배합사료공장에서 약 5 kg씩 구입하였으며, 영양 소 함량과 반추위 내 소화율, 발효특성 및 온실가스 발생량 분석 에 이용하였다(n=3).

    2. 영양소 함량

    본 연구에 사용된 원료사료의 건물함량은 105℃ 송풍 건조기 (OF-22GW, JEIO TECH, South Korea)에서 24시간 동안 건조 후 무게를 측정하였다. 영양소 함량을 분석하기 위한 시료는 55℃ 송풍 건조기에서 48시간 동안 건조시킨 후 cutting mill 분쇄기 (Shinmyung Electric Co., Ltd., Gimpo, Korea)를 이용하여 분쇄 하였으며, 1 mm screen을 통과한 시료를 분석에 이용하였다. 조 단백질은 Kjeldahl법(B-324, 412, 435 and 719Titrino, BUCHI, Germany), 조지방은 Soxhlet법(OB-25E, JeioTech, Korea), 조회 분은 회화로(Muffle furnace, Nabertherm, Liliental, Germany)를 이용하여 분석하였으며, AOAC법(2005)에 준하여 분석하였다. Neutral detergent fiber (NDF)와 acid detergent fiber (ADF) 함 량은 Ankom 200 fiber analyzer (Ankom Technology, Macedon, NY, USA)를 이용하여 분석하였다(Van Soest et al., 1991).

    3. 반추위 내 소화율 및 발효특성

    본 실험에서 사용된 한우는 경상국립대학교 동물생명윤리 위 원회 승인을 받아 진행하였으며(GNU-191011-E0050), 반추위 내 발효실험은 Adesogan et al.(2005)의 법에 준하여 진행하였다. 티모시 건초와 육성우용 농후사료(8:2 비율)를 급여하고 있는 캐 뉼라가 장착된 한우 암소 2두에서 아침 사료급여 직전(08:00)에 반추위액을 채취하여 4겹의 cheese cloth로 걸러서 Van Soest medium buffer와 1:2 비율로 혼합하고 혐기적인 상태를 유지하 였다. 건조 분쇄한 원료사료 0.3 g과 혼합위액 30 mL 을 125 mL serum bottle에 4 반복하여 배양하였으며, 39℃ incubator (SI-900R, Jeio tech, Gimpo, Korea)에서 24시간동안 배양하였다. 배양 후 4℃ 원심분리기(1248R, Labogene, Gimpo, Korea)에서 3,000 rpm으로 15분간 원심분리하여 상층과 하층을 분리수거하였으며, 상층은 pH, Volatile fatty acid (VFA) 및 NH3-N 분석에 이용하 였고, 하층은 in vitro dry matter digestibility (IVDMD)를 측정 하였다. pH는 pH meter (SevenEasy, Mettler Toledo, Greifensee, Switzerland)를 이용하였으며, NH3-N 함량은 비색법에 준하여 분석하였다(Chaney and Marbach, 1962). VFA 함량은 auto sampler (L-2200, Hitachi, Tokyo, Japan), UV detector (L-2400, Hitachi, Tokyo, Japan) 및 column (MetaCarb 87H, Varian, CA, USA)이 부착된 HPLC를 이용하여 분석을 진행하였다(Adesogan et al., 2004).

    4. 반추위 내 가스 발생량

    Total gas 발생량은 Digital manometer (06-664-21 Fisher Scientific Pittsburgh, PA, USA)를 이용하여 측정하였으며, Jin et al. (2021)의 방법에 준하여 psi 단위로 환산하였다. 가스 성분 을 분석하기 위하여 Vaccume tube에 분석용 가스를 포집 하였으 며, TCD detector와 column (Supelco, Bellefonte, PA, USA)이 설치된 gas chromatography (Agilent Technologies HP 5890, Santa Clara, CA, USA)를 이용하여 온실가스 발생량을 분석하였 다(Patra and Yu, 2014).

    5. 통계처리

    본 시험에서 얻어진 결과는 SAS program ANOVA procedure (ver. 9.4 program; SAS, 2013)를 이용하여 통계분석을 실시하였 으며, 각 처리구간 유의성 검정은 Tukey’s test (p<0.05)로 실시 하였다.

    Ⅲ. 결과 및 고찰

    1. 원료사료의 영양소 함량

    국내에서 이용하는 주요 원료사료의 영양소 함량을 분석한 결 과는 Table 1과 같다. 원료사료 5종의 건물함량은 팜박(PKC)이 가장 높았으며 분쇄옥수수(CM)가 가장 낮았다(p<0.05; 96.3 vs. 94.6%). 조단백질 함량은 대두박(SM)이 가장 높고 분쇄옥수수 (CM)가 가장 낮았다(p<0.05; 50.2 vs. 7.79%). 또한 조지방 함량 은 팜박(PKC)과 옥수수주정박(DDGS)이 높은 반면 대두박(SM) 이 가장 낮았으며(p<0.05; 10.7 and 11.7 vs. 1.82%). 조회분 함 량은 소맥분(WF)이 가장 높고, 분쇄옥수수(CM)가 가장 낮았다 (p<0.05; 6.67 vs. 1.20%). NDF와 ADF 함량은 팜박(PKC)에서 가장 높았으며, 분쇄옥수수(CM)에서 가장 낮았다(p<0.05; 67.5 vs. 8.77%; 38.7 vs. 1.86%). 본 연구에서 사용한 원료사료는 건 물함량이 한국표준사료성분표에 비해 보다 높았다(NIAS, 2022). 조단백질 함량은 분쇄옥수수(CM)와 대두박(SM)이 한국표준사 료성분표에 비해 낮았으나, 소맥분(WF)과 옥수수주정박(DDGS) 은 높았으며, 팜박(PKC)은 본 연구와 유사하였다(NIAS, 2022). 조지방 함량은 분쇄옥수수(CM)가 한국표준사료성분표에 비해 낮았으며, 대두박(SM)과 팜박(PKC)은 유사하였으며, 소맥분 (WF)과 옥수수주정박(DDGS)은 다소 높았다(NIAS, 2022). 조회 분 함량은 분쇄옥수수(CM)와 옥수수주정박(DDGS)이 한국표준 사료성분표와 유사하였으나, 대두박(SM)과 팜박(PKC)은 낮은 반면, 소맥분(WF)은 높았다(NIAS, 2022). NDF 함량은 분쇄옥 수수(CM), 대두박(SM) 및 소맥분(WF)이 한국표준사료성분표에 비해 낮았으나, 팜박(PKC)은 높았고, 옥수수주정박(DDGS)은 유 사한 함량을 나타내었다(NIAS, 2022). ADF 함량 또한 분쇄옥수 수(CM), 대두박(SM) 및 소맥분(WF)이 한국표준사료성분표 보 다 낮게 나타났으나, 팜박(PKC)과 옥수수주정박(DDGS)은 유사 한 함량을 나타내었다(NIAS, 2022). 이러한 영양소 함량의 차이 는 원산지, 수확시기, 가공형태 등 다양한 요인에 의해 나타날 수 있다(NIAS, 2022). 대두박(SM)은 50.2%로 가장 높은 조단백질 함량을 보였는데, 이는 대두박(SM)이 단백공급원으로 주로 사용 되는 원인으로 볼 수 있으며, 또한 필수 아미노산 공급원으로 중 요한 역할을 한다(He et al., 2024). 분쇄옥수수(CM)는 조단백질 함량이 대두박(SM)에 비해 낮지만, 전분 등 비구조성 탄수화물이 주성분으로 에너지공급원으로 사용된다. 옥수수주정박(DDGS)은 에너지 밀도가 높은 사료로서, 높은 지방함량으로 인해 사료효율 성을 높이고 급여 밀도를 낮출 수 있다(Kim et al., 2015;Böttger and Südekum, 2017). 팜박(PKC)은 NDF와 ADF 함량이 높아 섬유소공급원으로서 반추동물의 되새김과 반추위 건강유지에 도 움을 주며, 이것은 반추위 발효와 섬유분해를 촉진시킬 수 있다 (Van Soest, 1994).

    2. 원료사료의 반추위 내 소화율 및 발효특성

    국내에서 이용하는 주요 원료사료의 반추위 내 소화율 및 발효 특성을 분석한 결과는 Table 2와 같다. 반추위 내 소화율은 분 쇄옥수수(CM)가 가장 높았으며, 팜박(PKC)이 가장 낮았다 (p<0.05; 84.0% vs. 53.0%). pH와 NH3-N는 대두박(SM)이 가장 높은 반면, 분쇄옥수수(CM)가 가장 낮았다(p<0.05; 6.61 and 58.6 mg/dL vs. 5.60 and 12.1 mg/dL). TVFA 함량은 대두박 (SM)이 가장 높고 팜박(PKC)과 옥수수주정박(DDGS)이 가장 낮았다(p<0.05; 49.4 mM/L vs. 29.0 and 33.2 mM/L). Acetate 함량은 분쇄옥수수(CM)(53.5% of M)가 타 원료사료에 비해 낮 은 반면, propionate 함량은 옥수수주정박(DDGS)이 가장 높았다 (23.5% of M). Butyrate 함량은 분쇄옥수수(CM)와 팜박(PKC)이 가장 높았으며(p<0.05; 24.2 and 23.0% of M), A:P ratio는 소맥 분(WF)과 팜박(PKC)에서 가장 높았다(p<0.05; 3.67 and 3.79). 분쇄옥수수(CM)는 비구조성 탄수화물인 전분이 주성분으로 반 추위 내에서 빠르게 분해될 수 있다. 또한, 대두박(SM)과 소맥분 (WF)도 팜박(PKC)과 옥수수주정박(DDGS)에 비해 NDF와 ADF 함량이 낮아서 반추위 내 분해율이 상대적으로 높을 것으로 보인다(Gleason et al., 2021). 이로 인해, 본 연구에서 IVDMD가 분쇄옥수수(CM), 대두박(SM), 소맥분(WF), 옥수수주정박(DDGS) 및 팜박(PKC)의 순으로 나타난 것으로 사료된다. 한편, 대두박 (SM)의 높은 단백질 함량은 반추위 내 분해과정에서 NH3-N 농 도를 증가시키며, 단백질과 가용성 탄수화물이 반추위 내에서 빠 르게 분해되어 TVFA 함량이 높아진다(Böttger and Südekum, 2017). 반추위 내 acetate는 사료 중 구조성 탄수화물의 주된 대 사산물이며, propionate는 비구조성 탄수화물의 주된 대사산물이 다(Hobson and Stewart, 1997). 본 연구에서 분쇄옥수수(CM)가 낮은 acetate 함량을 보인 것은 전분과 같은 비구조성 탄수화물이 주성분으로써, 반추위 내 분해과정에서 propionate와 같은 휘발 성지방산을 많이 생성하였기 때문인 것으로 사료된다. 또한, 옥수 수주정박(DDGS)의 높은 propionate 함량은 높은 조단백질, 조지 방 및 가용성 탄수화물 함량에 기인한 것으로 보인다. 한편, A:P ratio는 소맥분(WF)과 팜박(PKC)에서 가장 높았는데, 이는 팜박 (PKC)의 높은 구조성 탄수화물 함량에 기인하여 acetate 생산량 증가하였기 때문인 것으로 사료되지만, 소맥분(WF)의 높은 acetate 함량은 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다(Zhang et al., 2020).

    3. 원료사료의 반추위 내 가스 발생량

    국내에서 이용하는 주요 원료사료의 반추위 내 가스 발생량을 분석한 결과는 Fig. 1, 2 및 3과 같다. Fig. 1에서, total gas 발생 량은 DM 기준으로는 옥수수주정박(DDGS)이, DMD 기준으로 는 대두박(SM)과 옥수수주정박(DDGS)이 가장 낮았다(p<0.05). Fig. 2에서, CO2 발생량은 DM 기준으로는 옥수수주정박(DDGS) 이, DMD 기준으로는 분쇄옥수수(CM), 대두박(SM) 및 옥수수주 정박(DDGS)이 낮았다(p<0.05). Fig. 3에서, CH4 발생량은 DM 기준으로는 옥수수주정박(DDGS)이 대두박(SM)과 소맥분(WF) 에 비해 낮았으며(p<0.05), DMD 기준으로는 옥수수주정박 (DDGS)이 가장 낮은 반면 팜박(PKC)이 가장 높았다(p<0.05). 대두박(SM)은 조단백질 함량이 높아서 반추위 내 발효과정 중 NH3-N 농도를 증가시키며, 이는 반추위 내 미생물의 미생물체단 백질 합성에는 긍정적인 영향을 미칠 수 있으나, CH4와 같은 온 실가스 발생량에 미치는 영향은 적은 것으로 사료된다(Hobson and Stewart, 1997;Sujani et al., 2024). Jiang et al. (2024)은 팜박(PKC)을 사료에 첨가하면 탄수화물 대사와 반추위 내 미생 물 대사는 향상시키지만, 낮은 소화율과 느린 분해속도로 인해 total gas 발생량 대비 CH4 배출량은 감소시킬 수 있다고 보고하 였으나, 본 연구와는 상이한 결과를 보였다(Hobson and Stewart, 1997). 옥수수주정박(DDGS)은 높은 에너지 밀도와 낮은 섬유소 함량으로 인해, 반추위 내 발효과정에서 CO2와 CH4 발생량이 감 소할 수 있다(Hobson and Stewart, 1997). 본 연구에서 옥수수주 정박(DDGS)의 반추위 내 propionate 함량이 다른 원료사료에 비 해 높았는데, 이로 인한 수소이온 농도 감소로 methanogens에 의 한 CH4 합성량이 감소한 것으로 사료된다(Sujani et al., 2024). Navarro-Villa et al. (2013)은 반추위 내 propionate 농도가 높을 수록 CH4 발생량이 저감한다고 하였는데, 이는 본 연구의 결과와 일치하였다.

    Ⅳ. 요약

    본 연구는 국내에서 한우용 사료에 이용되는 5종의 주요 원료 사료를 선발하여 영양소 함량, 반추위 내 소화율, 발효특성 및 온 실가스 발생량을 조사하기 위해 수행하였다. 조단백질 함량은 대 두박(SM)이, 조지방 함량은 팜박(PKC)과 옥수수주정박(DDGS) 이 가장 높았다. IVDMD는 분쇄옥수수(CM)가 가장 높았으며, NH3-N와 TVFA 함량은 대두박(SM)이 가장 높았다. 반추위 내 acetate 함량은 분쇄옥수수(CM)가 가장 낮았고 타 원료사료 간에 는 차이가 없었으며, propionate 함량은 옥수수주정박(DDGS)이 가장 높았다. 한편, DMD 기준 온실가스 발생량에서, total gas 발 생량은 대두박(SM)과 옥수수주정박(DDGS)이 낮았고, CO2 발생 량은 분쇄옥수수(CM), 대두박(SM) 및 옥수수주정박(DDGS)이 낮았으며, CH4 발생량은 옥수수주정박(DDGS)이 낮았다. 이상의 결과에서, 국내에서 한우용 주요 원료사료 중 옥수수주정박 (DDGS)이 다른 원료사료에 비해 CH4 발생량 저감에 유리할 것 으로 사료된다. 하지만, rumen microbiota 등 CH4 저감원인 규명 과 상대적으로 낮은 소화율 개선을 위한 연구가 추가적으로 수행 되어야 할 것으로 보인다.

    Ⅴ. 사사

    본 연구는 농림식품축산기술기획평가원의 연구사업(과제번호: RS-2021-IP321083)의 지원에 의해 이루어졌습니다.

    Figure

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    The amounts of total gas emissions in feed sources incubated with rumen buffer for 24 h. CM, corn meal; SM, soybean meal; WF, wheat flour; PKC, palm kernel cake; DDGS, corn distiller’s dried grains with soluble; DM, dry matter; DMD, in vitro DM digestibility; a~dMeans with different superscripts differ significantly (p<0.05).

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    The amounts of CO2 emissions in feed sources incubated with rumen buffer for 24 h. CM, corn meal; SM, soybean meal; WF, wheat flour; PKC, palm kernel cake; DDGS, corn distiller’s dried grains with soluble; DM, dry matter; DMD, in vitro DM digestibility; a,bMeans with different superscripts differ significantly (p<0.05).

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    The amounts of CH4 emissions in feed sources incubated with rumen buffer for 24 h. CM, corn meal; SM, soybean meal; WF, wheat flour; PKC, palm kernel cake; DDGS, corn distiller’s dried grains with soluble; DM, dry matter; DMD, in vitro DM digestibility; a~dMeans with different superscripts differ significantly (p<0.05).

    Table

    The chemical compositions of different feed sources (%, DM) (n=3)

    CM, corn meal; SM, soybean meal; WF, wheat flour; PKC, palm kernel cake; DDGS, corn distiller’s dried grains with soluble; NDF, neutral detergent fiber; ADF, acid detergent fiber; SEM, standard error of the mean; a~e Means in the same row with different superscripts differ significantly (p<0.05).

    In vitro dry matter digestibility and rumen fermentation characteristics of different feed sources incubated with rumen buffer for 24 hours

    CM, corn meal; SM, soybean meal; WF, wheat flour; PKC, palm kernel cake; DDGS, corn distiller’s dried grains with soluble; IVDMD, in vitro dry matter digestibility; TVFA, total volatile fatty acid; A:P ratio, acetate to propionate ratio; SEM, standard error of the mean; a~d Means in the same row with different superscripts differ significantly (p<0.05).

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