KR100679153B1 - 반추동물의 메탄 생성량을 억제하기 위한 사료조성물 - Google Patents

반추동물의 메탄 생성량을 억제하기 위한 사료조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반추동물의 반추위 내의 프로토조아를 선택적으로 감소시키는 첨가물을 포함하는 사료조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생강, 부추 추출물 및 복합리놀레산 중 적어도 어느 하나를 포함하는 사료조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 생강, 부추 추출물 및 복합리놀레산 중 적어도 어느 하나를 포함하는 사료조성물을 반추동물에 급여하면 반추위에서 프로토조아의 성장이 억제됨에 따라 메탄 생성균의 성장이 억제됨으로써 반추동물에서의 메탄 생성량을 감소시킬 수 있다.
반추동물, 메탄가스, 메탄 생성균, 프로토조아, 부추, 마늘, 복합 리놀레산

Description

반추동물의 메탄 생성량을 억제하기 위한 사료조성물{Feed Ingredients Against Methane Gas Produced by the Rumen of Ruminant Animals}
본 발명은 반추동물의 반추위 내의 프로토조아를 선택적으로 감소시키는 첨가물을 포함하는 사료조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생강, 부추 추출물 및 복합리놀레산을 포함하는 사료조성물에 관한 것이다.
반추동물에 의해 방출되는 메탄가스는 연간 78Tg(tera gram)으로 전체 메탄가스 발생량의 약 15%를 차지하며, 지구 온난화 현상을 야기하는 주요 물질이다.
또한 메탄은 g당 약 13.15Kcal의 에너지를 갖고 있으므로 반추동물이 사료로부터 섭취한 총 에너지의 3 내지 12%가 메탄가스의 생성으로 소실되는 결과를 초래한다.
따라서 반추동물의 반추위에서 발생하는 메탄가스량을 최소화함으로써 동물의 생산성을 높이고 지구환경을 보존하기 위한 연구가 절실히 필요한 실정이다.
한편, 메탄가스는 논, 습지, 반추위 등과 같이 산소가 없는 혐기 생태계에서 만 발생되는데 상기 혐기 생태계 중 반추위는 메탄 생성량을 인위적으로 제어하기 가장 쉬운 부분이므로 지구 온난화 현상을 방지하기 위한 수단으로 주목받고 있다.
반추동물의 반추위에서의 메탄 생성을 억제하기 위한 방법으로 대한민국 특허 제 0158495호에서는 안트라퀴논을 사용하여 반추동물의 반추위에서 메탄 생성균의 메탄 생성을 억제하는 방법에 관해 개시하고 있고, 대한민국 특허공개 제 2002-0042866호에서는 폴리시클릭 퀴논 화합물과 이오노포어 화합물의 배합물을 포함하는 사료조성물을 개시하여 메탄 생성을 감소시키는 방법을 제시하고 있다.
그러나 상기 화합물들은 효과가 일시적이고, 반추위 내의 유용한 미생물의 성장을 함께 저하시킴으로써 사료 효율이 저하되고 생산성을 약화시키는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자들은 반추동물의 반추위 내 프로토조아의 성장을 선택적으로 억제시킴으로써 메탄 생성균의 성장을 억제시켜 반추동물의 메탄 생성을 감소시킬 수 있는 첨가물에 관하여 연구하던 중 생강, 부추 추출물 및 복합 리놀레산을 포함하는 첨가물이 프로토조아의 성장을 선택적으로 억제하는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 반추동물의 반추위 내의 프로토조아의 성장을 선택적으로 억제시키는 첨가물을 포함하는 사료조성물 및 상기 사료조성물을 반추동 물에 제공함으로써 반추위 내 메탄가스의 생성을 억제하는 방법을 제공하는 데 있다.
한 가지 관점에서, 본 발명은 반추동물의 반추위 내 프로토조아를 선택적으로 감소시키는 첨가물을 포함하는 사료조성물을 제공한다.
다른 관점에서, 본 발명은 상기 첨가물이 생강, 부추 추출물 및 복합리놀레산 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 사료조성물을 제공한다.
또 다른 관점에서, 본 발명은 상기 사료조성물을 반추동물에 제공함으로써 반추위 내 메탄가스의 생성을 억제하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 반추동물은 반추위(rumen)라고 불리우는 소화계에서 미생물의 발효를 통해 셀룰로즈(cellulose)를 휘발성 지방산(volatile fatty acid)으로 전환시킴으로써 이것을 그의 영양분으로 유도하는 동물을 의미하며 소, 염소, 황소, 물소, 들소, 사슴, 말코손바닥사슴, 낙타, 양 등이 이에 포함된다.
상기 반추동물이 탄수화물을 포함하는 사료를 섭취하게 되면 반추위에서 탄수화물의 분해와 발효가 일어나는데, 그 과정에서 수소가스와 이산화탄소가 생성된다. 이렇게 생성된 수소가스와 이산화탄소는 메탄 생성균이 메탄을 생성하거나 경쟁적으로 초산 생성균이 초산을 생성하기 위한 전구물질이 된다.
여기서 상기 메탄 생성균(methanogen bacteria)은 메탄을 생성할 능력을 갖 는 세균을 의미하는데, 메타노코쿠스속(Methanococcus), 메타노박테리움속(Methanobacterium), 메타노사르시나속(Methanosarcina), 메타노브레비박터속(Methanobrevibacter), 메타노테르무스속(Methanothermus), 메타노트릭스속(Methanothrix), 메타노스피릴룸속(Methanospirillum), 메타노미크로비움속(Methanomicrobium), 메타노코코이데스속(Methanococcoides), 메타노제니움속(Methanogenium), 메타노플라누스속(Methanoplanus) 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 메탄 생성균들은 특징적으로 반추위 내에서 90% 이상이 프로토조아(protozoa)라고 불리우는 미생물의 세포벽에 붙어서만 기생한다.
상기 프로토조아는 반추위 내에 존재하는 미생물로 크게 이소트리키데(Isotrichidae)와 오피로스콜레시데(Ophryscolecidae)로 대별되며 그 대부분은 혐기성 섬모충이다. 상기 프로토조아는 메탄생성균 등 반추위에 존재하는 세균보다 그 수는 적으나 크기가 월등하게 크며 단백질원으로서 세균을 활발히 탐식하므로 프로토조아의 숫자가 과도하게 증식하면 반추위 내 유용한 세균의 증식이 억제되어 에너지 효율이 저하될 수 있다.
상기 초산생성균은 초산을 생성할 능력을 갖는 세균을 의미하며, 아세토박터속(Acetobacter), 아그로박테리움속(Agrobacterium), 라이조비움속(Rhizobium), 슈도모나스속(Pseudomonsa) 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 메탄가스는 반추위 내에서 수소와 이산화탄소를 전구물질로 하여 메탄 생성균에 의해 생성되므로 상기 메탄가스 생성량을 감소시키기 위해서는 반추위 내에서 메탄 생성의 전구물질인 수소의 발생량 자체를 제어하는 방법, 이미 발생된 수소를 제어하는 방법, 전구물질들을 이용하여 메탄가스를 직접 발생시키는 메탄 생성균을 제어하는 방법 및 동일한 전구물질을 이용하여 메탄 생성균과 경합하여 초산을 생성하는 초산 생성균을 우점시켜 대사경로를 변환시키는 제어 방법 등이 있을 수 있다.
그런데, 상술한 바와 같이 반추위 내 메탄 생성균의 90% 이상이 특징적으로 프로토조아의 세포벽에 붙어서만 기생하므로 반추위 내 프로토조아의 성장을 억제하게 되면 메탄 생성균의 성장이 아울러 억제되어 메탄 생성량이 감소하게 된다.
상기 프로토조아 성장을 억제하기 위한 방법으로 항생제를 투여할 수 있으나, 반추위 내 유용한 미생물을 제거할 수 있어 오히려 사료 효율을 감소시킬 수 있다. 그런데 본 발명자들은 놀랍게도 반추동물에 생강, 부추 추출물 및 복합 리놀레산(conjugated linoleic acid; CLA) 등을 투여하면 반추위 내 유용한 미생물을 제거하지 않고 프로토조아의 성장만을 선택적으로 억제한다는 사실을 발견하였다.
본 발명에 따른 생강은 외떡잎식물 생강목 생강과의 다년생 초본으로 부작용이 거의 없는 천연 항염증제로 알려져 있으며, 매우 훌륭한 천연 방부제, 살균제의 역할을 한다. 특히 생강의 추출물은 아플라톡신을 생성하고 발암물질이 함유된 곰팡이 성장을 저해하며 살모넬라균을 죽이는 데 효과적이다. 생강에 있는 효소는 파파야 열매에서 발견되는 파파인과 유사한데 이것은 단백질을 부드럽게 분해하여 육류를 연화시키는 기능이 있다.
상기 생강을 반추동물에 투여하면 상술한 항염증작용, 항암작용, 연화작용 및 일반적으로 알려진 살균작용 뿐만 아니라 반추위내에서 특히 프로토조아 성장에 대한 억제력이 뛰어나 반추위 내 메탄 생성균의 성장을 아울러 억제시켜 메탄가스 생성량을 감소시킬 수 있다.
프로토조아의 성장을 억제하기 위한 다른 첨가물로서 부추는 카로틴, 비타민 B, 비타민 C 등의 비타민과 칼륨, 칼슘과 같은 무기질이 풍부한 것으로 알려져 있다. 상기 부추의 추출물을 반추동물에 투여하면 반추위 내에서 프로토조아의 성장을 억제하는데, 반추위 내 유용 미생물은 오히려 증가시키는 기능이 있다.
따라서 부추 추출물은 반추위에서의 메탄 생성량을 감소시킬 뿐만 아니라 사료 효율을 높일 수 있어 본 발명에 따른 사료조성물의 첨가물로서 특히 바람직하다.
상기 부추의 추출물은 시판되는 부추를 압착 추출하여 추출액을 약 4℃에서 약 24시간 동안 보관한 후 여과한 여액을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 복합 리놀레산(conjugated linoleic acid; CLA)은 필수 지방산인 리놀레산(cis-9, cis-12-octadecadienoic acid)의 기하 이성질체로 불포화 지방산이다. 리놀레산은 두개의 이중 결합을 갖고 있어 총 8개의 이성질체가 존재할 수 있는데, 특히 천연적으로는 cis-9,trans-11-octadecadienoic acid, trans- 10,cis-12-octadecadienoic acid, trans-9,trans-11-octadecadienoic acid, trans-10,trans-12-octadecadienoic acid가 존재하며 전체 CLA 이성질체 중 98% 이상을 차지하고 있다.
복합 리놀레산은 우유, 치즈, 버터 등의 낙농식품, 후라이드 그라운드 비프(fried ground beef), 식육류, 그리고 가공유지 및 이들 유지로 가공한 마가린, 쇼트닝, 샐러드 드레싱 등에 많이 포함되어 있으며 이들로부터 분리될 수 있다.
상기 복합 리놀레산은 프로토조아의 성장을 억제할 뿐만 아니라 천연 항암 및 항산화 기능이 있으며, 가축사료에 첨가할 경우 체지방을 감소시키고 살코기의 양을 증가시키는 등 성장을 촉진하고 사료효율성을 증진할 수 있어 본 발명에 따른 사료조성물의 첨가물로 바람직하다.
상기 생강, 부추 추출물 및 복합리놀레산은 단독으로 첨가되어도 무방하지만, 바람직하게는 상기 세 성분을 조합하여 첨가하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 상기 세 성분의 조성비가 중량비로 약 1:1:1인 것이 좋다.
상기 첨가물의 총량이 사료에 차지하는 비율은 사료의 총중량을 기준으로 0.0001 내지 0.1%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.001 내지 0.05%인 것이 좋다.
본 발명에 따른 사료로는 일반 볏짚, 야초, 목초, 앤시리지, 건초, 산야초 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 가축의 사육에 사용되는 사료이면 무방하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1 >
1. 반추위액의 준비
반추위 누관(fistula)이 장착된 홀스타인 수소에 농후사료와 볏짚을 4:6의 비율로 체중의 2%(풍건물 기준)를 급여한 다음 상기 수소의 반추위로부터 위액을 채취하였다.
2. 배양배지의 준비
먼저 120ml의 혈청용기(serum bottle)에 알파파(alfalfa)와 배합사료를 1:1의 비율로 하여 400mg을 담는 방식으로 충분한 수의 혈청용기를 준비하였다.
그 다음 로우의 배지(Lowe's medium) 용액을 상기 혈청용기에 각각 50ml씩 분주하였다.
상기 로우의 배지의 조성을 표 1에 나타내었다.
로우의 배지(Lowe's medium)의 조성
조 성 양(/L)
KCl 0.6g
NaCl 0.6g
MgSO4·7H2O 0.5g
CaCl2·2H2O 0.2g
NH4Cl 0.54g
KH2PO4 0.68g
Na2CO3 4g
효모 추출물(Yeast extract) 0.5g
트립티케이즈 펩톤(Trypticase peptone) 1g
PIPES 1.5g
코엔자임 엠 용액1)(Coenzyme M solution) 10ml
지방산 용액2)(Fatty acid sol'n ) 10ml
트레이스 엘리먼트 용액3)(Trace elements solution) 10ml
헤민 용액4)(Haemin solution) 10ml
레자주린 용액5)(Resazurin solution (0.1%)) 1ml
비타민 용액6)(Vitamin solution) 10ml
환원제 용액7)(Reducing agent solution) 10ml
1)코엔자임 엠 용액(Coenzyme M solution): 2-mercaptoethane sulphonic acid, 0.4g(/100ml d.w.)
2)지방산 용액(Fatty acid solution): acetic acid, 6.85ml; propionic acid, 3.0ml; butyric acid, 1.84ml; 2-methylbutyric acid, 0.55ml; isobutyric acid, 0.47ml; valeric acid, 0.55ml; isovaleric acid, 0.55ml; 0.2M NaOH, 700ml (/L d.w.). The pH was adjusted to 7.5 with 1M NaOH.
3)트레이스 엘리먼트 용액(Trace elements solution): MnCl2·4H2O, 0.25g; NiCl2·6H2O, 0.25g; NaMoO4·2H2O, 0.25; H3BO4, 0.25g; FeSO4·7H2O, 0.2g; CoCl2·6H2O, 0.05g; SeO2, 0.05g; NaVO3·4H2O, 0.05g; ZnCl2, 0.025g; CuCl2·2H2O, 0.025g (/L d.w.).
4)헤민 용액(Haemin solution): haemin 0.1g (/10ml ethanol), adjusting the volume to l L with 0.05M NaOH.
5)비타민 용액(Vitamin solution): 1,4-naphthoquinone, 0.25g; calcium D-pantothenate, 0.2g; nicotinamide, 0.2g; riboflavin, 0.2g; thiamin·HCl, 0.2g; pyridoxine·HCl, 0.2g; biotin, 0.025g; folic acid, 0.025g; cyanocobalamin, 0.025g; p-aminobenzoic acid, 0.025g (/L 5mM HEPES)
6)환원제 용액(Reducing solution): Na2S·9H2O, 2.5g; L-Cysteine·HCl, 2.5g (/100ml d.w.)
3. 생리활성물질의 준비
먼저 생리활성물질로 마늘, 생강, 부추 추출물, 플로보노이드, 옻나무 추출물, 뽕나무, 제주 화산재, 게르마늄, 목탄, CLA, 스테비아(Stevia), 안토시아니딘(anthocyanidin), 엠오에스(MOS) 및 비타바이오(Vita-Bio)를 준비하였다.
상기 생리활성 물질 중 마늘, 생강 그리고 뽕나무 등의 식물성 생리활성 물질은 블렌더(blender)로 갈아서 즙을 낸 다음 10겹의 가아제를 이용하여 액체를 분 리한 것을 메틸렌 클로라이드(Methylen chloride; CH2Cl2)를 용매로 하여 0.01%의 농도로 희석시켰다.
상기 부추 추출물, 옻나무 추출물, 플로보노이드, CLA, 안토시아니딘(anthocyanidin), 엠오에스(MOS) 및 비타바이오(Vita-Bio) 등의 액상 물질과 제주 화산재, 게르마늄, 목탄, 스테비아(Stevia) 등의 가루(분말) 물질들은 직접 메틸렌 클로라이드를 용매로 하여 0.01%의 농도로 희석시켰다.
4. 혼합배양(co-culture)
상기 알파파, 배합사료 및 로우의 배지가 혼합된 혈청용기에 공시축으로부터 채취한 위액(박테리아, 프로토조아 그리고 곰팡이 함유)을 각각 5ml씩 접종하고 상기 희석된 생리활성물질을 배양액을 기준으로 각각 0.1%의 부피비율로 접종하였다.
그 다음 CO2 가스를 혈청용기에 주입하여 혐기성 상태를 유지한 채로 48시간동안 배양기에서 배양하였다.
5. 박테리아, 곰팡이 및 프로토조아의 수의 측정
박테리아와 곰팡이의 수는 롤튜브(roll-tube)법에 의해 배지 표면에 자란 집락의 수를 카운팅하였다. 프로토조아의 수는 산 세포와 죽은 세포를 구별하기 위해 산 세포의 핵만을 염색하는 TBFS(trypanblue-formalin-saline; 증류수 900ml, 35% formaldehyde용액 100ml, trypan blue 2g, NaCl 8g) 용액으로 염색한 다음 플 랭크톤 카운터 글래스(plankton counter glass)를 이용하여 현미경으로 측정하였다. 박테리아 수는 세포형성단위(cfu, cell forming unit)로, 곰팡이 수는 엽상체 형성단위(tfu thallus forming unit)로 나타내었다.
상기 측정 결과를 표 2에 나타내었다.
생리활성물질들이 반추위 박테리아, 프로토조아 및 곰팡이의 성장률에 미치는 영향
생리활성물질 박테리아 (cfu x108) 프로토조아 곰팡이 (tfu x 104)
산 세포 (cell x102) 죽은 세포 (cell x103)
대조구 34.13±17.02 41.42±3.57 19.58±4.37 11.27±6.23
마늘 51.24±11.32 63.34±11.21 17.76±3.62 34.16±8.17
생강 9.87±7.19 6.21±7.83 47.57±8.59 23.76±5.49
부추 98.14±23.56 11.24±5.43 32.45±10.38 19.27±6.11
플라보노이드 43.62±11.25 38.87±13.56 29.38±9.22 54.88±11.01
옻나무 47.87±19.74 19.54±6.54 48.78±16.45 0.27±0.19
뽕나무 103.63±27.74 57.45±10.78 11.83±6.68 38.84±7.19
제주 화산재 38.54±13.26 38.34±8.47 39.57±7.32 22.58±3.58
게르마늄 66.87±8.42 47.32±3.69 22.42±8.39 38.69±7.39
목탄 75.69±14.24 42.78±4.78 19.71±8.87 29.57±5.12
CLA 9.32±2.64 12.08±2.53 21.23±5.19 41.18±17.89
스테비아 13.45±3.28 29.75±9.34 27.47±12.21 29.66±12.29
안토시아니딘 89.71±18.43 52.91±17.35 39.75±8.73 59.78±19.17
엠오에스 43.77±13.26 57.29±14.39 22.89±9.21 81.09±28.47
비타바이오 21.46±8.77 29.96±6.42 49.77±10.17 53.75±16.81
상기 표 2에서 생강, 부추 추출물 및 CLA의 첨가구에서 프로토조아의 산 세포의 수가 절반 이상으로 현저하게 감소하여 프로토조아 억제 효과가 뛰어난 것으로 나타났다. 또한 생강 및 CLA 첨가구는 반추위내에서 박테리아 수도 격감시켜 유용균에 대한 항생효과가 있는 것으로 나타났으나 부추 추출물 첨가구는 반추위내에서 유용 박테리아와 유용 곰팡이 수를 오히려 증가시키는 효과가 있는 것으로 나타났다.
< 실시예 2 >
먼저 실시예 1과 동일한 방법으로 반추위액을 준비하였다.
그 다음 실시예 1과 동일한 방법으로 배양배지를 준비하되, 알파파 대신 건초를 사용한 배양배지와 옥수수 전분을 사용한 배양배지를 각각 준비하였다.
그 다음 생리활성물질로 생강, 부추 추출물 및 CLA와 상업적으로 시판되고 있는 항생제인 라살로시드, 모넨신 및 살리노마이신을 준비하였다.
상기 건초 또는 옥수수 전분, 배합사료 및 로우의 배지가 혼합된 혈청용기에 공시축으로부터 채취한 위액(박테리아, 프로토조아 그리고 곰팡이 함유)을 각각 5ml씩 접종하고 상기 생리활성물질과 생강, 부추 추출물, CLA을 1:1:1의 중량비로 혼합한 혼합물 및 상기 항생제를 배양액을 기준으로 각각 0.1%의 부피비율로 접종하였다.
그 다음 CO2 가스를 혈청용기에 주입하여 혐기성 상태를 유지한 채로 48시간동안 배양기에서 배양하였다.
그 다음 혈청용기 내의 헤드 스페이스(head space)에 축적된 가스를 물여과장치(water displacement apparatus)에 부착된 주사기로 흡입한 후 뷰렛(burrett) 내의 물을 밀어 올리는 양(가스압, ㎖)을 측정하였다.
그 다음 상기 가스를 다시 포집하고 가스 액체 크로마토그래피(Gas liquid Chromatography; GC)를 이용하여 메탄가스의 함유량을 조사하였다.
상기 메탄가스 함유량을 이용하여 대조구에 대한 메탄가스의 발생비율을 계산하였다.
그 결과를 표 3에 나타내었다.
주요 생리활성물질들이 메탄가스 발생량에 미치는 영향
대조구에 대한 메탄가스 발생비율(%)
건초 옥수수 전분
대조구 100 100
라살로시드(Lasalocid) 54.5 73.3
모넨신(Monensin) 78.8 57.9
살리노마이신(Salinomycin) 83.1 55.6
생강 74.3 68.3
부추 추출물 64.5 71.8
CLA 87.3 78.2
생강+부추 추출물+CLA(중량비 1:1:1) 58.1 62.3
상기 표 3에서 생강 및 부추 추출물 첨가구는 건초와 옥수수 전분 모두에서 현저한 메탄 생성량의 감소 효과가 있었으나, CLA 첨가구는 메탄 생성량 감소 효과가 그다지 크지 않았다. 반면에 생강, 부추 추출물, CLA을 1:1:1의 중량비로 혼합하여 첨가한 첨가구는 상기 생리활성물질과 항생제의 첨가구 중에서 메탄 생성량 감소 효과가 가장 높은 것으로 나타났다.
상기에서 살펴본 바와 같이 생강, 부추 추출물 및 복합리놀레산 중 적어도 어느 하나를 포함하는 사료조성물을 반추동물에 급여하면 반추위에서 프로토조아의 성장이 억제됨에 따라 메탄 생성균의 성장이 억제됨으로써 반추동물에서의 메탄 생성량을 감소시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 생강, 부추 추출물 및 복합 리놀레산을 함유한 첨가물을 포함하는 반추동물의 반추위내 프로토조아의 선택적 감소용 사료 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 생강, 부추 추출물 및 복합 리놀레산의 중량 조성비가 1:1:1인 것을 특징으로 하는 사료조성물.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 첨가물이 사료 중량을 기준으로 0.001 내지 0.05%의 중량비로 첨가된 것을 특징으로 하는 사료조성물.
  5. 제 1항 또는 제 3항에 따른 사료조성물을 반추동물에 제공함으로써 반추위 내 메탄가스의 생성을 억제하는 방법.
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