KR20000025730A - 반추동물 위에서 생육하는 미생물을 이용한음식물 찌꺼기의사료화 방법 - Google Patents

반추동물 위에서 생육하는 미생물을 이용한음식물 찌꺼기의사료화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음식물 찌꺼기에 함유된 불포화지방산 성분을 적절하게 처리하여 음식물 찌꺼기를 사료화하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 음식물 찌꺼기에 함유되어 있는 올레산(oleic acid), 리놀레산(linoleic acid)등의 불포화지방산을 반추동물의 위에서 생육하는 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 바실러스 서브틸리스 나-토(Bacillus subtilis natto), 루미노코커스 알부스(Ruminococcus albus), 보렐라(Borella), 박테로이드 숙시노겐(Bacteroides succinogens), 셀레노모나스 루미나티움(Selenomonas ruminatium), 부티리비브리오 피브리솔벤스(Butyrivibrio fibrisolvens), 피브로박터 숙시노겐(Fibrobacter succinogens) 등의 미생물을 이용하여 pH 5∼6, 온도 37∼38℃, 산소농도 0.3㎎/ℓ이하인 절대 혐기성 조건에서 발효하면서 불포화지방산을 수첨반응하여 스테아르산과 같은 고융점의 포화지방산으로 전환하거나 리놀레산의 경우 복합리놀레산(conjugated linoleic acid : CLA)으로 전환하여 비육돈 등의 가축에 사료로서 급여할 수 있는 반추동물 위에서 생육하는 미생물을 이용한 음식물 찌꺼기의 사료화 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 음식물 찌꺼기의 사료화 방법을 통하여 만들어진 사료를 비육돈 등에 급여할 경우 급여 가축의 소화흡수율을 높여 성장속도를 향상시키고 체지방 형성을 개선하여 육질을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

Description

반추동물 위에서 생육하는 미생물을 이용한 음식물 찌꺼기의 사료화 방법
본 발명은 반추동물(反芻動物)의 위에서 생육하는 미생물을 이용하여 음식물 찌꺼기를 사료화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반추동물 위에서 생육하는 미생물을 절대 혐기성 조건에서 발효하면서 음식물 찌꺼기에 함유된 상온에서 액상의 저융점 불포화지방산을 고융점의 포화지방산인 스테아르산(stearic acid)으로 전환하거나 고융점의 기하이성체로 전환하여 비육돈 등의 가축에 급여할 수 있는 음식물 찌꺼기의 사료화 방법에 관한 것이다.
음식물 찌꺼기는 거의 대부분 폐기물 매립장에 단순 매립 처분되고 있는데 이는 침출수의 오염도를 가중시킬 뿐만 아니라 파리등 해충서식, 악취발생등으로 인하여 2차 환경오염을 야기시키기 때문에 사료화, 퇴비화, 메탄 발효에 의한 에너지화 등으로 자원화 하는 방법이 있다.
그러나, 음식물 찌꺼기를 비육돈등 가축의 사료로 자원화 하는 경우에는 유해미생물에 오염이 되어 있으며, 이물질, 높은 함수율(含水率), 염분, 악취, 해충서식, 영양성분의 변화가 심하면서 영양의 균형이 맞지 않는 등 여러 가지의 문제점이 있으며, 무엇보다도 문제가 되는 것은 불포화지방산이 가축의 사료 기준치 보다 월등히 높다는 것이다.
사람들이 먹는 음식물에는 지방성분이 총에너지 섭취량의 25∼30％정도 포함되어 있고 특히 튀김식품, 동물성식품, 식용유 등으로 인하여 올레산(oleic acid), 알파-리놀레산(α-linoleic acid) 등의 불포화지방산의 농도가 비육돈 사료기준 0.1％(NRC기준; 미국 양돈협회 사료기준치)에 비해 상당히 많이 함유되어 있다.
불포화지방산이 다량 함유된 사료(음식물 찌꺼기, 수산부산물, 축산부산물, 생미강 및 식물의 종자 등)는 공기중의 산소와 불포화지방산이 반응하여 하이드로퍼옥사이드(hydroperoxide)가 생성되면서 쉽게 산패되어 갈변하면서 사료의 기호성과 신선도를 떨어뜨리며, 이같이 변패된 사료를 가축에 급여하면 기호성이 좋지 않아 사료 요구율 저하 및 소화율 저하로 성장속도 둔화, 고기의 저장성 저하, 육질색의 선명도 저하, 백색 연지돈 형성 또는 상강육(霜降肉 : marbling) 상태의 불량 등으로 인하여 생산성이 떨어지는 문제점이 있었다. 따라서, 음식물 찌꺼기와 같은 고지방 물질을 사료화하기 위해서는 반드시 불포화지방산을 적절히 처리한 후 가축에 급여해야 한다.
본 발명자는 반추동물인 소, 양등과 비반추동물인 돼지는 체지방 조성에 많은 차이가 있다는 것을 알게되었으며 그러한 차이는 반추동물의 위에서 생육하는 미생물의 작용에 의한 것으로 파악되었으며, 또 사료중 지방이 비반추동물의 육질과 지방조성에 큰 영향을 준다는 것도 알았다. 따라서, 본 발명자는 음식물 찌꺼기를 사료화하는 경우 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 음식물에 함유된 불포화지방산을 분해하는 미생물을 반추동물의 위로부터 분리하여 상기 미생물을 이용하여 불포화지방산을 포화지방산으로 전환 및 고융점의 기하이성체로 전환하여 음식물 찌꺼기를 사료화함으로써 이를 비육돈에 급여할 때 급여 가축의 소화흡수율을 높여 성장속도를 향상시키고 체지방 형성을 개선하여 육질을 향상시키는 방법을 제공하게 되었다.
이하 본 발명에 의한 반추동물 위에서 생육하는 미생물을 이용한 음식물 찌꺼기의 사료화 방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
반추동물의 위에서 생육하는 미생물을 반추위에서 분리하여 반추위의 환경조건과 동일한 pH 5∼6, 온도 37∼38℃, 산소농도(dissolved oxygen : DO) 0.3㎎/ℓ이하의 절대혐기성 조건에서 2∼3시간 이상 발효하여 음식물 찌꺼기에 내포된 저융점의 불포화지방산을 고융점의 포화지방산이나 복합리놀레산(conjugated linoleic acid : CLA)으로 전환하여 비육돈 등의 가축에 급여한다.
상기 발효를 위해 이용하는 미생물은 소나 양과 같은 반추위동물의 위에서 생육하는 바실러스 서브틸리스, 루미노코커스 알부스, 보렐라, 박테로이드 숙시노겐, 셀레노모나스 루미나티움, 부티리비브리오 피브리솔벤스, 피브로박터 숙시노겐 중 선택되며, 보다 바람직하게는 부티리비브리오 피브리솔벤스, 바실러스 서브틸리스, 루미노코커스 알부스 또는 셀레노모나스 루미나티움 중 어느 하나 또는 여러 미생물이 함께 선택되어 사용되는데, 특히 바실러스 서브틸리스, 바실러스 서브틸리스 나-토(bacillus subtillis natto)와 부티리비브리오 피브리솔벤스를 복합적으로 이용하는 것이 가장 바람직한데 그 이유는 상기 바실러스 서브틸리스와 바실러스 서브틸리스 나-토는 생물학적 수첨반응 효율이 우수하며 상기 부티리비브리오 피브리솔벤스는 올레산, 리놀레산을 고융점의 이성체 형성 능력이 우수하기 때문이다.
상기 반추동물의 위 내의 미생물은 중성지방(neutral fat)과 갈락토리피드(galactolipid)를 가수분해하여 지방산을 유리시키고 글리세롤(glycerol)과 갈락토스(galactose)를 발효시켜 휘발성의 지방산을 생성하며, 반추위는 환원상태로 풍부한 수소이온(H+ion)이 불포화지방산을 포화시켜 포화지방산으로 전환한다. 따라서, 반추위 내에는 포화지방산인 스테아르산이 주로 존재한다.
콩(大豆)의 성분은 수분 12.5％, 단백질 35.3％, 지방질 19.0％, 탄수화합물 및 당질 19.4％, 섬유질 2.5％이며, 지방질 중 불포화지방산의 농도는 알파-올레산 21.0％, 알파-리놀레산 56.0％, 알파-리놀렌산 8％와 기타 불포화 지방산 0.5％로 불포화지방산이 85.5％ 정도 함유되어 있으나 콩을 발효한 된장이나 일본의 납두장에는 불포화지방산이 거의 존재하지 않는데 이는 메주 발효균이나 납두 발효균인 바실러스 서브틸러스균(고초균)과 바실러스 서브틸리스 나-토균(납두균)의 미생물 수첨반응(bio-hydrogenation)에 의해 포화지방산으로 전환되는 것으로 밝혀졌다. 또한, 바실러스 서브틸리스균은 서브티린(subtilin), 서브테노린(subtenolin), 박실로마이신(bacillomycin)과 같은 유해미생물에 대한 항생물질을 생산함으로 유해미생물 생육을 억제하는 역할을 하기 때문에 음식물 찌꺼기를 사료화시에 매우 중요한 균이다.
한편, 반추위 박테리아(Bacteria)나 프로토조아(Protozoa)등은 프로피오네이트, 발린, 루신, 이소루신과 같은 아미노산으로부터의 분지 지방산(branched fatty acid)도 합성한다. 반추위 내에서 합성되는 지방산은 기질과 미생물의 종류에 따라서 달라진다(표 1).
그리고, 식물에 포함된 지방은 주로 시스(Cis)형 불포화지방산이지만 반추위 내에 들어오면 미생물에 의해 트랜스(Trans)형 이성체(Isomer)로 전환되면서 탄소수가 홀수인 분지 지방산을 생성하기도 한다.
최근의 연구결과에 의하면 반추위내 미생물에 의해 리놀레산과 같은 불포화지방산이 포화지방산인 스테아르산으로 수첨반응도 일어나지만 리놀레산중 이중결합이 컨쥬게이트되어 복합리놀레산(CLA)으로 전환되면서 융점이 높은 리놀레산 이성체의 생성 또는 감마-리놀레산(GLA)으로 전환된다.
즉, 상기 미생물 수소첨가반응(bio-hydrogenation)에 의해 포화지방산화 및 알파-리놀레산의 복합이성체화를 일으켜서 음식물 찌꺼기에 내포된 저융점(-5℃)의 액상 불포화지방산인 알파-리놀레산이 포화지방산이나 복합리놀레산(CLA)으로 전환되면서 고융점의 지방산으로 전환한다.
알파-리놀레산을 고비점의 지방산으로 전환하는 방법은 다음과 같다.
1) 수첨반응에 의해 포화지방산으로 전환한다.
2) 이중결합의 위치를 컨쥬게이트시키거나 트랜스형의 이성체로 전환시켜 고비점 지방산으로 전환한다(표 2).
표 2에서 알파-리놀레산을 CLA로 전환하여 고융점의 리놀레산의 이성체로의 전환은 전술한 바와 같이 반추동물의 위에서 생육하는 미생물인 바실러스 서브틸리스, 루미노코커스 알부스, 보렐라, 박테로이드 숙시노겐, 셀레노모나스 루미나티움, 부티리비브리오 피브리솔벤스, 피브로박터 숙시노겐 등과 같은 10여종의 미생물과 프로토조아(protozoa)를 이용하여 반추동물의 장내 조건과 동일한 조건인 37∼38℃, 약산성의 혐기적인 조건에서 발효를 행하면 수첨반응과 복합리놀레산 생성에 의해 저융점의 불포화지방산을 고융점의 지방산으로 전환시킨다. 즉, 미생물에 의한 불포화지방산의 미생물학적 반응은 이중결합의 위치와 기하학적 특성에 따라 고융점의 이성체인 CLA의 형성과 GLA의 형성으로 체지방 형성이 억제된다.
상기 반추위 미생물중에서 부티리비브리오 피브리솔벤스가 알파-리놀레산에서 시스-9, 트랜스-11 이성체인 CLA형성 능력이 우수한 것으로 알려져 있다.
체지방의 경도와 함량, 육색, 풍미등은 비육사업에 큰 영향을 미치므로 대단히 중요한 의미를 가지며 특히 비육돈의 경우 더욱 그러하다.
체지방의 조성은 반추동물과 비반추동물에 따라 상당한 차이가 있다. 이를 비교해보면 돼지고기의 지방은 소, 양과 같은 반추위동물에 비해 포화지방산인 스테아르산의 함량이 적은 반면 불포화지방산인 리놀레산의 함량이 높다. 소, 양과 같은 반추동물은 다가불포화지방산이 많은 목초를 섭취해도 위에 서식하는 미생물에 의해 수소첨가반응과 CLA화 반응이 일어나 포화지방산으로 전환되기 때문이다. 따라서, 반추동물의 지방은 비반추동물에 비해 고융점의 포화지방산의 농도가 높으며, 반면에 돼지 등 비반추동물의 지방은 저융점의 불포화지방산의 농도가 높다. 그래서, 돼지 등 비반추동물은 사료중 지방의 농도와 종류에 따라서 고기의 육질과 지방의 조성이 달라진다. 돼지고기의 경우 생미강이나 음식물 찌꺼기와 같이 불포화지방산의 농도가 높은 사료를 과량으로 급여하면 고기중에서도 불포화지방산의 농도가 높아져 황색연지돈이 생성되어 냄새가 나면서 육질이 떨어진다. 또한 보관중에도 공기중의 산소에 의해 쉽게 산패가 일어나게 되어 지방산 패취(rancid flavor)가 나게 된다.
체지방은 섭취한 사료지방 뿐만 아니라, 탄수화합물, 단백질로 부터 합성될 수도 있다. 그러나, 탄수화합물이나 단백질로부터 합성되는 지방은 한계가 있기 때문에 체지방의 형성은 사료지방에 크게 영향을 받는다. 특히 급여사료중 지방성분의 농도, 급여량, 지방산의 종류에 따른 영양이 상당히 큰 영향을 미친다.
지방산 중에서도 필수지방산(essential fatty acids)인 리놀레산이 아주 큰 영향을 미치는데, 리놀레산은 동물의 체내에서 생체합성이 되지 않으며 다른 산물의 합성에 필요한 전구체가 되기 때문에 반드시 사료중에서 가축에 급여해야 하며 돼지의 경우 NRC기준에서 0.1％는 공급해야 한다고 하고 있다. 리놀레산, 리놀렌산(linolenic acid), 아라키돈산(arachidonic acid) 등은 포유동물의 생육에 필요량이 반드시 공급되어야 하며 상기 리놀레산으로부터 감마-리놀렌산염(γ-linolenate), 에이코사트리에노산(eicosatrienoic acid), 에이코사테트라에노산(eicosatetraenoic acid), 아라키돈산등의 불포화지방산이 합성된다.
만약 필수지방산이 부족하면 성장부진, 번식장애, 피부병등 여러 가지의 장애를 유발하며, 반면에 과잉 급여시에도 설사등으로 인한 소화 흡수율이 저하하면서 성장 부진 현상이 야기되며, 지방간(fatty liver) 발생, 동맥경화 야기, 근육중 지방이 대리석 무늬처럼 함침되면서 경지육이 되는 상강육 형성이 좋지않으면서 돼지의 경우에는 풍미가 나쁜 황색의 연지돈이 생성되면서 육질이 저하되어 돈육 생산가가 떨어지는 등의 문제점을 야기시킨다.
최근 축산학자들의 연구에 의하면 CLA, GLA는 비육돈의 체지방 형성에서 근육조직중의 지방(inter-muscle fat : IMF) 조직 상태를 개선한다는 여러 논문이 발표되고 있으며 또한 CLA, GLA를 인간이 섭취하였을 때도 체지방 감소와 함께 항암능력도 향상된다고 하여 관심의 대상이 되고 있다.
또한, 음식물 찌꺼기에는 일반적으로 조지방 농도도 사료기준 농도 보다 상당히 높기 때문에 보리, 맥강, 호밀, 고구마나 감자전분박, 볏짚, 야자박과 같은 저지방질 사료를 혼합하여 영양성분 균형을 조정해야한다(표 3).
그리고 이때 라이신(lycine) 등 필수 아미노산, 미네랄 성분, 비타민 성분, 세륨(cerium), 구리, 요오드 등 미량원소도 동시에 공급하여 발효하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
불포화지방산을 처리하고 난 다음에는 사료효율향상, 소화흡수효율향상, 질병에 대한 숙주면역력 향상 등을 위해 생균제(probiotics)를 이용하여 생균제 사료를 제조하여 가축에 급이하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 기술하면 다음과 같다.
<실시예 1>
반추동물의 위에서 생육하는 미생물중 바실러스 서브틸리스와 부티리비브리오 피브리솔벤스를 반추위로 부터 분리하여 반추위의 환경조건 pH 5.5, 온도 38℃, 산소농도 0.2㎎/ℓ에서 3시간동안 발효하였다. 상기 미생물들에 의해 수소첨가반응과 CLA화 반응이 발생하여 스테아르산 및 알파-리놀레산으로 복합이성체화가 일어나면서 음식물 찌꺼기에 내포된 저융점의 불포화지방산인 알파-리놀레산(-5℃)이 포화지방산이나 복합리놀레산(CLA)으로 전환되면서 고융점의 지방산으로 전환되었다. 상기 고융점의 지방산으로 전환된 지방산이 들어있는 음식물 찌꺼기에 생균제를 이용하여 생균제 사료를 제조하여 비육돈에 급여하였다.
상기와 같이하여 만들어진 사료를 급여하여 기른 비육돈은 성장속도가 향상되었고 질병에 강했으며 우수한 육질의 고기를 생산할 수 있었다.
이상의 결과로 볼 때 음식물 찌꺼기에 함유된 불포화지방산을 적절히 처리하여 사료화함으로써 가축의 사료효율과 소화흡수율을 높여주었고 체지방 형성을 개선하는 효과를 얻을 수 있었다.
이상과 같이 바실러스 서브틸리스, 루미노코커스 알부스, 보렐라, 박테로이드 숙시노겐, 셀레노모나스 루미나티움, 부티리비브리오 피브리솔벤스, 피브로박터 숙시노겐등과 같은 반추동물의 위에서 생육하는 미생물을 절대 혐기성 조건에서 발효하면서 음식물 찌꺼기에 함유된 불포화지방산을 포화지방산으로 전환하는 본 발명에 의한 음식물 찌꺼기의 사료화 방법으로 생산된 사료를 비육돈 등의 가축에 급여함으로써 급여 가축의 소화흡수율을 높여 성장속도를 향상시키고 체지방 형성을 개선하여 육질을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 음식물 찌꺼기에 함유되어 있는 올레산(oleic acid), 리놀레산(linoleic acid)등의 불포화지방산을 반추동물의 위에서 생육하는 미생물을 pH 5∼6, 온도 37∼38℃, 산소농도 0.3㎎/ℓ이하의 절대 혐기성 조건하에서 발효하면서 불포화지방산을 수첨반응에 의해 고융점의 포화지방산으로 전환하거나 리놀레산의 경우 복합리놀레산(CLA)으로 전환하여 비육돈 등의 가축에 급여하는 것을 특징으로 하는 반추동물 위에서 생육하는 미생물을 이용한 음식물 찌꺼기의 사료화 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반추 동물의 위에 서식하는 미생물은 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 바실러스 서브틸리스 나-토(Bacillus subtilis natto), 루미노코커스 알부스(Ruminococcus albus), 보렐라(Borella), 박테로이드 숙시노겐(Bacteroides succinogens), 셀레노모나스 루미나티움(Selenomonas ruminatium), 부티리비브리오 피브리솔벤스(Butyrivibrio fibrisolvens), 피브로박터 숙시노겐(Fibrobacter succinogens) 등의 반추위 복합미생물인 것을 특징으로 하는 반추동물 위에서 생육하는 미생물을 이용한 음식물 찌꺼기의 사료화 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 미생물중 바실러스 서브틸리스, 바실러스 서브틸리스 나-토와 부티리비브리오 피브리솔벤스를 복합하여 이용하는 것이 보다 바람직한 것을 특징으로 하는 반추동물 위에서 생육하는 미생물을 이용한 음식물 찌꺼기의 사료화 방법.
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KR1019980042921A KR20000025730A (ko) 1998-10-14 1998-10-14 반추동물 위에서 생육하는 미생물을 이용한음식물 찌꺼기의사료화 방법

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100426932B1 (ko) * 2001-06-29 2004-04-14 한국생명공학연구원 음식물찌꺼기의 습식발효를 위한 양돈 사료화 능력을 보유한 신규한 균주 알칼리지네스 속 엔케이 306
KR100890689B1 (ko) * 2007-11-30 2009-03-26 학교법인 신동아학원 음식쓰레기를 이용한 사료의 제조방법

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KR100426932B1 (ko) * 2001-06-29 2004-04-14 한국생명공학연구원 음식물찌꺼기의 습식발효를 위한 양돈 사료화 능력을 보유한 신규한 균주 알칼리지네스 속 엔케이 306
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