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KR101544586B1 - Analyzing method of methane production of raw material using near infrared system - Google Patents

Analyzing method of methane production of raw material using near infrared system Download PDF

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KR101544586B1
KR101544586B1 KR1020130165995A KR20130165995A KR101544586B1 KR 101544586 B1 KR101544586 B1 KR 101544586B1 KR 1020130165995 A KR1020130165995 A KR 1020130165995A KR 20130165995 A KR20130165995 A KR 20130165995A KR 101544586 B1 KR101544586 B1 KR 101544586B1
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양시용
박민아
곽철원
이승헌
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대한민국(농촌진흥청장)
씨제이제일제당 (주)
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Abstract

본 발명은 근적외선시스템을 이용하여 사료원료에서 발생되는 메탄 발생량을 분석하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 반추위 모형 연속배양 시스템을 이용한 사료 원료의 메탄 발생량 측정값을 근적외선시스템에 적용하여 메탄 발생량 및 메탄지수를 분석 및 예측하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 근적외선시스템을 이용한 사료 원료의 메탄 발생량 분석 방법을 이용함으로써 동물 생체실험의 한계를 극복할 수 있고, 소요되는 시간 및 비용의 부담이 적으며, 실제 반추위 동물의 소화 시스템과 유사한 연속배양 시스템을 도입함으로써 정확하고 객관성있는 메탄 발생량 및 메탄지수를 분석 및 예측할 수 있다. 또한, 본 발명을 이용하여 사료 원료에 대한 메탄 발생량 및 메탄지수를 사료 시료만을 가지고 근적외선 스펙트럼을 통해 조기에 분석할 수 있으므로, 반추위 동물의 소화율 및 사료의 분해율을 유지함과 동시에 메탄 발생량을 저감시키는 친환경 사료를 개발하는데 활용될 수 있다.The present invention relates to a method for analyzing the amount of methane generated in a feedstuff using a near-infrared system. More particularly, the present invention relates to a method for analyzing and predicting the methane generation rate and methane index by applying a measurement value of methane generation amount of a feedstuff using a rumen model continuous culture system to a near-infrared system. By using the method of analyzing the amount of methane generated from the feed materials using the near-infrared ray system according to the present invention, it is possible to overcome the limitations of the animal living body experiment, and the burden of time and cost required is small and continuous cultivation similar to the actual digestive system of the rumen System to analyze and predict accurate and objective methane emissions and methane indexes. Further, since the amount of methane generated and the methane index for the feed materials can be analyzed early in the near-infrared spectrum using only the feed samples using the present invention, it is possible to maintain the digestibility of the rumen animal and the degradation rate of the feed, It can be used to develop feed.

Description

근적외선 시스템을 이용한 사료 원료의 메탄 발생량 분석 방법{Analyzing method of methane production of raw material using near infrared system}Technical Field [0001] The present invention relates to a method for analyzing a methane production amount of a feedstock using a near-

본 발명은 근적외선시스템을 이용하여 사료원료에서 발생되는 메탄 발생량을 분석하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 반추위 모형 연속배양 시스템을 이용한 사료 원료의 메탄 발생량 측정값을 근적외선시스템에 적용하여 메탄 발생량 및 메탄지수를 분석 및 예측하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for analyzing the amount of methane generated in a feedstuff using a near-infrared system. More particularly, the present invention relates to a method for analyzing and predicting the methane generation rate and methane index by applying a measurement value of methane generation amount of a feedstuff using a rumen model continuous culture system to a near-infrared system.

소의 반추위에는 수많은 미생물들이 생활하면서, 소가 섭취한 사료를 소 대신 분해하며, 소는 그 분해 과정에서 나오는 산물들을 다시 이용하는 매우 특이한 방식으로 진화해왔다. 이 과정에서 유기물이 분해되면 수소와 이산화탄소도 발생하는데, 수소가 반추위에 축적이 되면 미생물의 대사활동을 방해하는 문제가 발생하여 반추위 건강이 악화된다. 따라서, 수소를 반추위 밖으로 배출하는 방법으로 메탄생성균이 수소와 이산화탄소를 이용해 메탄을 생성하게 된다. 즉, 메탄이 만들어지는 것은 소의 반추위내 미생물 생태계를 건강하게 유지하는 중요한 방법 중 하나이다.Numerous microorganisms live in the rumen of cattle, the cattle digest feeds instead of cows, and cows have evolved in a very unusual way to reuse the products from their degradation process. In this process, when organic matter is decomposed, hydrogen and carbon dioxide are also generated. When hydrogen accumulates in the rumen, the rumen health deteriorates because it interferes with the metabolism of microorganisms. Therefore, methane-producing bacteria use hydrogen and carbon dioxide to produce methane by discharging hydrogen out of the rumen. In other words, methane production is one of the important ways to keep the microbial ecosystem in cattle rumen healthy.

현재 세계적으로 많은 연구자들의 노력에 의해 소의 반추위에서 메탄이 생성되는 기작이 밝혀짐에 따라 소를 포함한 다양한 반추위 동물들로부터 발생되는 메탄을 줄일 수 있는 메탄저감제 연구가 많이 수행되고 있다. 다만, 주요 방법으로 지방산, 항생제, 또는 화학적 합성제 등이 이용되었고, 이들 물질들이 배양병을 이용하는 실험에서는 메탄 발생량을 줄이는 효과가 있음을 확인하였지만, 소화율 감소, 항생제 사용금지, 또는 독성 잔류 등의 문제로 인해 아직 실용화할 수 있는 정도로 성숙한 기술은 없는 실정이다.As a result of the efforts of many researchers around the world, the methane production mechanism of cow rumen has been revealed, and therefore methane reducer researches have been conducted to reduce methane from various ruminants including cows. However, it has been confirmed that these materials are effective in reducing the amount of methane produced in experiments using culture bottles. However, it has been found that the reduction of digestibility, the prohibition of the use of antibiotics, or the residual toxicity There is no mature technology that can be put to practical use due to problems.

종래 사료원료별 메탄 발생량을 측정하는 방법으로는 배양법을 이용한 방법이 주로 사용되었다. 상기의 배양병 이용법은 사료 원료 시료에 미생물을 24시간 배양하여 실제 발생하는 메탄 발생량을 측정하는 방법이므로, 시간 및 비용이 많이 소요된다는 단점이 있다. 종래 근적외선 분광 분석법은 주로 사료의 성분을 분석하기 위해 사용된 예가 있으나, 사료의 성분만 가지고는 소의 반추위에서 발생하는 메탄을 효과적으로 감소시킴과 동시에 사료의 분해율을 유지하는 소위 "그린사료" 개발에 직접적인 해결책을 제공해주지 못하고 있다.  As a method for measuring the amount of methane generated by conventional feed materials, a method using a culture method has been mainly used. The method of using the above-described culture bottle is disadvantageous in that it takes a long time and a lot of cost because it is a method of measuring the amount of generated methane by culturing the microorganism in the feed raw material for 24 hours. Conventional near-infrared spectroscopy has been used mainly for analyzing feed ingredients, but it has been used directly for the development of a so-called "green feed" that effectively reduces the methane generated from the rumen of cattle and maintains the degradation rate of the feed, It does not provide a solution.

근적외선 분광 분석법에 대하여 살펴보면 하기와 같다. NIR spectroscopy is as follows.

근적외선은 가시광선 영역과 인접하고 있는 적외선의 일부로서 통상 780~2,500㎚ 범위의 전자파를 말한다. 근적외선 분광은 분자(molecule)에 의해 흡수되는 근적외광선(또는 에너지)에 관해 연구하는 것으로서 전자파와 물질 사이의 상호작용에 관한 분자 분광의 한 분야이다. 일반적으로 적외선 및 근적외선은 분자의 진동을 여기시키며, 근적외선 및 적외선을 흡수한 분자는 진동 쌍극자(vibrating dipoles)처럼 특정한 주파수와 진폭으로 진동한다. 이 때 분자진동을 일으키는 에너지와 빛의 에너지가 일치하게 되면 분자는 빛을 흡수하게 되고, 새로운 에너지 준위가 높은 상태로 천이하면서 진동 주파수는 변화되지 않으나 진폭이 커진다. 그러나, 분자진동을 일으키는 에너지와 빛의 에너지가 일치하지 않으면 빛은 반사되어 버린다.Near infrared rays are a part of an infrared ray adjacent to a visible ray region and generally refer to electromagnetic waves in the range of 780 to 2,500 nm. Near-infrared spectroscopy is a study of near-infrared light (or energy) absorbed by a molecule and is a field of molecular spectroscopy related to the interaction between electromagnetic waves and matter. Generally, infrared and near-infrared rays excite molecular vibrations, and molecules absorbing near-infrared and infrared rays oscillate at specific frequencies and amplitudes like vibrating dipoles. At this time, when the energy causing the molecular vibrations coincides with the energy of the light, the molecule absorbs the light, and as the new energy level transitions to the high state, the oscillation frequency is not changed but the amplitude is increased. However, if the energy causing the molecular vibration does not match the energy of the light, the light will be reflected.

일반적으로 유기물을 구성하고 있는 분자의 관능기(O-H, C-H, N-H, S-H기 등)는 적외선 영역에서 고유의 흡광 밴드(기준 진동밴드)를 가지고 있다. 즉, 적외선을 흡수하는 물질은 O-H, C-H, N-H, S-H기로 구성된 성분을 함유하고 있다. 이러한 특성을 이용하여 어떤 유기물에 적외선을 조사하고 적외선이 흡수(또는 반사)되는 정도를 측정함으로써 그 유기물에 함유된 성분을 측정할 수 있다. 그러나, 적외선을 유기물에 조사하면 흡광성이 너무 강하여 정량이 곤란하므로 근적외선 영역의 파장을 주로 이용하게 된다.In general, functional groups (O-H, C-H, N-H, S-H groups, etc.) of molecules constituting an organic material have a unique absorption band in the infrared region (reference oscillation band). That is, the material that absorbs infrared rays contains components composed of O-H, C-H, N-H, and S-H groups. By using this characteristic, it is possible to measure a component contained in the organic matter by irradiating infrared rays to an organic matter and measuring the degree of absorption (or reflection) of the infrared ray. However, when infrared rays are irradiated onto an organic material, the absorption is too strong to quantify, so that the wavelength of the near infrared region is mainly used.

일반적으로 근적외선 파장영역에서는 적외선 파장영역에서 유도되는 기준흡수파장에 비하여 배음(overtone)흡수 또는 결합(combination)흡수 파장을 나타내는데, 배음 흡수는 대략적으로 기준 흡수 주파수보다 2 배 또는 3 배(기준흡수 파장보다 1/2 배 또는 1/3 배)가 되는 주파수(또는 파장)에서 일어난다. 예를 들면, C-H stretch의 기준흡수가 3,380㎚의 적외선 영역에서 발생한다고 하면, 제1배음은 1,690㎚, 제2배음은 1,126㎚의 근적외선 영역에서 일어난다. Generally, in the near-infrared wavelength range, it shows overtone absorption or combination absorption wavelength as compared with the reference absorption wavelength induced in the infrared wavelength range. The harmonic absorption is approximately twice or three times the reference absorption frequency 1/2 or 1/3 times as large as the wavelength (or wavelength). For example, if the reference absorption of the C-H stretch occurs in the infrared region of 3,380 nm, the first harmonic occurs at 1,690 nm and the second harmonic occurs at the near infrared region of 1,126 nm.

유기물을 구성하고 있는 단백질이나 전분 등과 같은 다원자 관능기의 경우에는 흡수가 더욱 복잡해지는데 기준 흡수 밴드의 수는 구성원자의 수를 n 개라고 하면 3n - 6 개로 올라가고, 따라서 배음 흡수도 보다 복잡하게 된다. 또한, 2 개 이상의 흡수가 동시에 발생하면, 결합 흡수가 근적외역에 발생한다. 이와 같이 기준흡수 밴드에 대한 배음 흡수 및 결합 흡수에 의해 근적외역에서 물질 특유의 흡수스펙트럼이 나타난다. 예를 들어, C-H 스트레치의 기준흡수 파장이 2,960 nm, C-H 벤드의 기준흡수 파장이 6,849 nm의 적외선 영역에서 발생한다면 결합흡수 파장은 2,262 nm의 근적외선 영역에서 나타난다. 따라서, 유기물에 근적외선을 조사하고 각 주파수에서 흡수되는 에너지의 양을 정량화하면, 그 성분함량을 계량 화학(chemometric)적인 방법으로 측정하는 것이 가능하다.
In the case of polyatomic functional groups such as proteins and starches constituting organic matter, the absorption is further complicated. The number of reference absorption bands increases to 3n - 6 when the number of constituent members is n, and thus the absorption of harmonic absorption becomes more complicated. Further, when two or more absorptions occur at the same time, binding absorptions occur in the near-infrared region. Thus, the absorption spectrum specific to the substance appears in the near-infrared region due to absorption of the harmonic absorption and absorption of the reference absorption band. For example, if the reference absorption wavelength of CH stretch is 2,960 nm and the reference absorption wavelength of CH bend occurs in the infrared region of 6,849 nm, the absorption absorption wavelength appears in the near infrared region of 2,262 nm. Therefore, when the near infrared rays are irradiated to the organic matter and the amount of energy absorbed at each frequency is quantified, it is possible to measure the content of the organic matter by a chemometric method.

한국초지조사료학회지 제24권 제1호 (2004. 3) pp. 81-90 1013-9354 KCI Journal of Korean Society of Grassland and Forage Science Volume 24, Issue 1 (2004. 3) pp. 81-90 1013-9354 KCI

이와 같은 기술적 배경하에서, 본 발명자들은 예의 노력한 결과, 근적외선시스템을 이용하여 사료원료에서 발생되는 메탄 발생량을 분석하는 방법을 개발하기에 이르렀다.Under these technical backgrounds, the present inventors have made intensive efforts to develop a method for analyzing the amount of methane generated in a feedstuff using a near-infrared ray system.

결국, 본 발명은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 반추동물에서 사료 원료의 소화율 및 영양적 가치를 평가하기 위한 지표로서 이용할 수 있는 메탄지수를 도출하기 위하여, 반추위 모형 연속배양 시스템을 이용한 사료 원료의 메탄 발생량 측정값을 근적외선시스템에 적용하여 메탄 발생량 및 메탄지수를 분석 및 예측하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been made in order to solve the problems of the prior art. In order to derive a methane index which can be used as an index for evaluating the digestibility and nutritional value of feed materials in ruminants, The present invention provides a method of analyzing and estimating methane generation amount and methane index by applying a measurement value of methane generation amount to a near infrared ray system.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해,In order to solve the above technical problem,

본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 반추위 동물로부터 채취한 위액, 완충액, 및 반추위 미생물 배양액으로 구성된 연속배양 발효조에 사료 원료를 투입하고 메탄 발생량을 측정하는 단계; (b) 사료 원료에 근적외선을 조사하여 근적외선 스펙트럼을 얻는 단계; (c) 상기 (a) 단계에서 측정된 메탄 발생량 및 상기 (b) 단계에서 얻어진 근적외선 스펙트럼을 이용하여 메탄 발생 예측식을 생성하는 단계; (d) 상기 (c) 단계에서 생성된 메탄 발생 예측식을 데이터베이스화하는 단계; 및 (e) 임의의 사료 원료에 대한 근적외선 스펙트럼에 상기 메탄 발생 예측식을 적용하여 메탄 발생량을 예측하는 단계;를 포함하는 근적외선시스템을 이용한 사료 원료의 메탄 발생량 분석 방법이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a fermentation product, comprising: (a) feeding a feedstock to a continuous culture fermentation tank composed of a gastric juice, a buffer solution, and a rumen microbial culture collected from a rumen; (b) obtaining a near infrared spectrum by irradiating the feedstock with near-infrared light; (c) generating a methane generation prediction equation using the methane emission amount measured in the step (a) and the near-infrared spectrum obtained in the step (b); (d) converting the methane generation prediction formula generated in the step (c) into a database; And (e) estimating a methane emission amount by applying the methane generation prediction formula to a near-infrared spectrum for an arbitrary feedstock, and a method for analyzing a methane emission amount of a feedstuff using the near-infrared system.

일 실시예에 있어서, 상기 사료 원료는 소맥, 옥수수, 대두박, 대두피, 야자박, 채종박 및 팜박으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.In one embodiment, the feedstuff may be selected from the group consisting of wheat, corn, soybean meal, large scalp, palm leaves, seedlings, and palms.

일 실시예에 있어서, 상기 조사되는 근적외선은 0.80 ~ 2.50 ㎛의 파장일 수 있다.In one embodiment, the irradiated near-infrared rays may have a wavelength of 0.80 to 2.50 μm.

일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서 근적외선 스펙트럼을 얻은 다음, 미분법 또는 다분산 보정(Multiplicative scatter correction)에 따른 수학적 전처리 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the near infrared spectrum may be obtained in the step (b), and then a mathematical preprocessing step according to a differential method or a multiplicative scatter correction may be further included.

일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계에서 생성된 메탄 발생 예측식은 별도의 임의의 사료 원료를 이용하여 상기 연속배양 발효조에서 측정된 메탄발생량에 대한 표준예측오차, 표준예측보정오차 및 상관계수를 이용하여 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.
In one embodiment, the methane generation prediction formula generated in the step (c) may include a standard prediction error, a standard prediction correction error, and a correlation coefficient for the amount of methane generated in the continuous culture fermentation tank using an arbitrary feed material. And a step of verifying by using the method.

본 발명에 따른 근적외선시스템을 이용한 사료 원료의 메탄 발생량 분석 방법을 이용함으로써 동물 생체실험의 한계를 극복할 수 있고, 소요되는 시간 및 비용의 부담이 적으며, 실제 반추위 동물의 소화 시스템과 유사한 연속배양 시스템을 도입함으로써 정확하고 객관성있는 메탄 발생량 및 메탄지수를 분석 및 예측할 수 있다. 또한, 본 발명을 이용하여 사료 원료에 대한 메탄 발생량 및 메탄지수를 사료 시료만을 가지고 근적외선 스펙트럼을 통해 조기에 분석할 수 있으므로, 반추위 동물의 소화율 및 사료의 분해율을 유지함과 동시에 메탄 발생량을 저감시키는 친환경 사료를 개발하는데 활용될 수 있다.
By using the method of analyzing the amount of methane generated from the feed materials using the near-infrared ray system according to the present invention, it is possible to overcome the limitations of the animal living body experiment, and the burden of time and cost required is small and continuous cultivation similar to the actual digestive system of the rumen System to analyze and predict accurate and objective methane emissions and methane indexes. Further, since the amount of methane generated and the methane index for the feed materials can be analyzed early in the near-infrared spectrum using only the feed samples using the present invention, it is possible to maintain the digestibility of the rumen animal and the degradation rate of the feed, It can be used to develop feed.

도 1은 반추위 모형 연속배양시스템에서 측정한 주요 사료 원료별 pH 값을 나타낸 것이다.
도 2는 반추위 모형 연속배양시스템에서 측정한 주요 사료 원료별 총 가스 발생량을 나타낸 것이다.
도 3은 반추위 모형 연속배양시스템에서 측정한 주요 사료 원료별 메탄가스 발생량을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 발생 예측식을 이용한 사료 원료의 메탄 발생량의 예측 결과를 나타낸 것이다.
FIG. 1 shows the pH values of major feed materials measured in a rumen model continuous culture system.
FIG. 2 shows the total amount of gas produced by the main feed materials measured in the rumen model continuous culture system.
FIG. 3 shows the amount of methane gas generated by the main feed materials measured in the continuous culture system of the rumen model.
FIG. 4 is a graph showing a result of prediction of methane emission of a feedstuff using a methane generation prediction formula according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 반추위 동물로부터 채취한 위액, 완충액, 및 반추위 미생물 배양액으로 구성된 연속배양 발효조에 사료 원료를 투입하고 메탄 발생량을 측정하는 단계; (b) 사료 원료에 근적외선을 조사하여 근적외선 스펙트럼을 얻는 단계; (c) 상기 (a) 단계에서 측정된 메탄 발생량 및 상기 (b) 단계에서 얻어진 근적외선 스펙트럼을 이용하여 메탄 발생 예측식을 생성하는 단계; (d) 상기 (c) 단계에서 생성된 메탄 발생 예측식을 데이터베이스화하는 단계; 및 (e) 임의의 사료 원료에 대한 근적외선 스펙트럼에 상기 메탄 발생 예측식을 적용하여 메탄 발생량을 예측하는 단계;를 포함하는 근적외선시스템을 이용한 사료 원료의 메탄 발생량 분석 방법이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a fermentation product, comprising: (a) feeding a feedstock to a continuous culture fermentation tank composed of a gastric juice, a buffer solution, and a rumen microbial culture collected from a rumen; (b) obtaining a near infrared spectrum by irradiating the feedstock with near-infrared light; (c) generating a methane generation prediction equation using the methane emission amount measured in the step (a) and the near-infrared spectrum obtained in the step (b); (d) converting the methane generation prediction formula generated in the step (c) into a database; And (e) estimating a methane emission amount by applying the methane generation prediction formula to a near-infrared spectrum for an arbitrary feedstock, and a method for analyzing a methane emission amount of a feedstuff using the near-infrared system.

근적외선 스펙트럼은 여러 개의 성분의 흡수 스펙트럼이 겹쳐져서 복잡한 형상을 나타낸다. 이와 같이 서로 겹쳐진 스펙트럼에서 흡수밴드를 분리하여 성분별 스펙트럼을 정확하게 찾아내기 위하여 가장 일반적으로 사용되고 있는 방법이 미분이다. 통상적으로 1차 또는 2차 미분이 가장 많이 사용되며, 3차 또는 4차 미분도 사용될 수 있으나 over-fitting의 원인이 될 수 있다.The near-infrared spectrum shows a complex shape by overlapping absorption spectra of several components. The most commonly used method is to differentiate the absorption bands in the overlapped spectrum and to find out the spectra of each component accurately. Typically, primary or secondary differentials are used most often, and tertiary or quaternary differentials may be used but may cause over-fitting.

1차 미분에서는 (Bavg-Aavg)과 (Cavg-Bavg)를 계산하여 전체스펙트럼의 이동평균(moving average)을 구하고 각 구획의 기울기를 계산한다. 2차 미분에서는 (Cavg-Bavg) - (Bavg-Aavg)를 계산하여 전체 스펙트럼의 이동평균을 구하고 각 구획의 기울기를 계산한다. 2차 미분에서는 원스펙트럼의 흡수 피크가 음(-)의 피크로 되어 나타난다. 미분 처리에 의해 원래 스펙트럼의 피크가 나누어지면서 서로 겹쳐진 흡수 피크를 분리하는 것이 가능해진다. 따라서, 미분처리를 하게 되면 스펙트럼의 특성 추출이 용이해지고, 원 스펙트럼에서 고려해야 하는 기울기를 제거할 수 있다. 같은 시료에서 입자 크기의 상이로 인하여 스펙트럼의 기준선(baseline)이 상이해지는 것을 2차 미분에 의해 상쇄시킬 수 있다.In the first derivative, (Bavg-Aavg) and (Cavg-Bavg) are calculated to obtain the moving average of the entire spectrum and the slope of each compartment is calculated. In the second derivative, (Cavg-Bavg) - (Bavg-Aavg) is calculated to obtain the moving average of the entire spectrum and the slope of each compartment is calculated. In the second derivative, the absorption peak of the original spectrum appears as a negative peak. It is possible to separate the absorption peaks overlapping each other while dividing the peaks of the original spectrum by the differential treatment. Therefore, if the differential processing is performed, the spectrum characteristic can be easily extracted and the inclination to be considered in the original spectrum can be removed. It is possible to offset the baseline of the spectra due to the difference in particle size in the same sample by the second derivative.

다음으로, 다변량 분석 방법에 관하여 살펴본다. 근적외 스펙트럼은 적외역의 기준 흡수의 배음 및 결합 흡수가 합성되어 나타나므로 단순 물질에서는 스펙트럼형상이 그다지 복잡하지 않지만, 실제의 곡물 등에서는 성분마다 흡수 스펙트럼이 결합되어 상당히 복잡한 형상을 나타낸다.Next, a multivariate analysis method will be described. The near infrared spectra show that the harmonic and bond absorption of the reference absorption of the infrared region are synthesized. Therefore, the spectral shape is not so complicated in the simple substance, but in actual grains and the like, the absorption spectrum is combined with each component to show a highly complicated shape.

근적외 분광법에서는 이 복잡한 스펙트럼을 다변량 분석하여 수분, 단백질 등의 성분, 또는 전분의 호화특성, 가공 적정등의 매개변수(parameter) 등을 예측하기 위해서 캘리브래이션(calibration)모델을 작성한다. 다변량 분석에는 중회귀분석, 판별분석, 정준상관분석, 주성분분석, 원자분석, 클러스터분석 등 많은 방법이 있지만, 주로 사용되는 것은 다음의 3가지(중회귀분석, 주성분회귀분석, PLS회귀분석)이다. In near - infrared spectroscopy, the complex spectrum is analyzed by multivariate analysis, and a calibration model is created to predict parameters such as moisture, protein, or starch 's gelatinization properties, processing parameters and the like. There are many methods for multivariate analysis such as multiple regression analysis, discriminant analysis, canonical correlation analysis, principal component analysis, atomic analysis, and cluster analysis, but the following three mainly used (multiple regression analysis, principal component regression analysis and PLS regression analysis) .

먼저, 중회귀분석(MLR ; Multiple Linear Regression)은 현재 가장 넓게 이용되고 있는 다변량 분석법으로서 스펙트럼 중에서 여러 개의 파장을 선택하여 다음과 같이 예측모델을 작성한다.
First, MLR (Multiple Linear Regression) is the most widely used multivariate analysis method. It selects several wavelengths from the spectrum and creates a prediction model as follows.

Figure 112013119896686-pat00001
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여기서, Y i : 성분값; a 0 : 정수항; a i : 회귀계수; X i : 각 파장에 대한 흡광도(log(1/R)), 2차 미분값 등; e i : 잔차Where Y i : component value; a 0 : an integer term; a i : regression coefficient; X i : absorbance for each wavelength (log (1 / R)), second derivative, etc.; e i : residual

a 0 a i 는 최소제곱법에 의해 구한다. 회귀에 포함되는 파장수(m)와 시료수(n)는 n = m+1만 만족하면 어떠한 데이터가 있더라도 중상관계수 r은 1.0이 된다. 따라서, 가능한 적은 파장으로 정도가 높은 예측모델을 작성하기 위해서는 n을 충분히 크게 해야 한다. 또, 서로 높은 상관을 가지는 설명변수가 회귀식 중에 포함되면 예측 정도가 현저하게 저하되는 다중공선성의 문제가 발생한다. 따라서, 보다 적은 설명변수에 의해 정도가 높은 예측 모델을 작성하기 위하여 다음과 같은 여러 가지의 변수 선택법이 개발되어 있다. a 0 and a i are obtained by the least squares method. When the number of wavelengths (m) and the number of samples (n) included in the regression satisfy only n = m + 1, the number of the intermediate correlation r is 1.0 regardless of any data. Therefore, it is necessary to make n sufficiently large in order to create a predictive model with a high degree of accuracy with as little wavelength as possible. Also, when the explanatory variable having a high correlation with each other is included in the regression equation, there arises a problem of multi-collinearity in which the degree of prediction remarkably decreases. Therefore, the following variable selection methods have been developed to create a predictive model with a higher degree of accuracy with fewer explanatory variables.

총변수법 : 모든 설명변수를 조합하여 분석하고, 가장 높은 회귀계수를 얻을 수 있는 조합을 선택한다.Total Variable Method: All explanatory variables are combined and analyzed, and the combination with which the highest regression coefficient is obtained is selected.

변수증가법 : 목적변수와 가장 높은 상관계수를 나타내는 설명변수 한 개를 선택해고, 여기에 다음의 변수를 조합시키는 작업을 반복하면서 가장 높은 회귀변수를 나타내는 설명변수를 선택한다.Variable Increment Method: Select one explanatory variable that represents the highest correlation coefficient with the objective variable, and then select the explanatory variable that represents the highest regression variable by repeating the operation of combining the following variables.

변수감소법 : 전체 설명변수를 사용하여 중회귀식을 작성한 다음, 회귀계수를 낮게 하는 정도가 가장 적은 설명 변수들을 제거해 나간다.Variable Reduction Method: A multiple regression equation is constructed using the full explanatory variable, and then the explanatory variables with the least degree of decreasing the regression coefficient are removed.

변수증가법 : 설명변수를 하나씩 증가시키면서 회귀식을 구하고, 회귀계수를 높이는데 도움이 되지 않으면 중회귀식으로부터 제외시킨다.Variable increment method: The regression equation is obtained by incrementing the explanatory variable one by one and excluded from the multiple regression equation if it does not help to increase the regression coefficient.

변수지정법 : 경험적으로 중요성이 명확한 변수를 선택하여 중회귀분석에 사용한다.Variable assignment method: Empirically, variables with significant importance are selected for use in multiple regression analysis.

다음으로, 주성분 회귀분석(PCR ; Principal Component Regression)은 중회귀 분석이 가지는 고유의 결점, 즉, 시료수(n)가 많아야 하는 것, 다중공선성의 문제를 해결하기 위해 개발된 방법으로서, 본래의 변수(x)에서 추출한 주성분(z)을 설명변수로 사용하여 중회귀식을 구하는 것이다. 주성분회귀분석의 예측모델은 다음과 같이 작성한다. 회귀계수를 구하는 방법은 중회귀분석과 같다.
Next, Principal Component Regression (PCR) is a method developed to solve the inherent drawbacks of the regression analysis, that is, the number of samples (n) must be large, and the problem of multi-collinearity, We use the principal component (z) extracted from the variable (x) as the explanatory variable to obtain the multiple regression equation. The predictive model of principal component regression analysis is written as follows. The method of obtaining the regression coefficient is the same as the multiple regression analysis.

Figure 112013119896686-pat00002
Figure 112013119896686-pat00002

여기서, Y i : 성분값; a 0 : 정수항; a q : 회귀계수; Z q : q번째 주성분; e i : 잔차Where Y i : component value; a 0 : an integer term; a q : regression coefficient; Z q : q th principal component; e i : residual

주성분은 원래의 설명변수와 비교할 때 다음과 같은 특징을 가진다. 즉, 원래의 설명변수 보다 개수가 훨씬 적은 주성분에 정보를 집약할 수 있으므로 회귀분석에 필요한 시료수를 대폭적으로 줄일 수 있다. 또한, 주성분은 서로 직교하여 상호 상관성이 없으므로 다중공선성의 우려가 없다. 그리고, 고유값이 크거나 적은데 관계없이 커다란 주성분에 각각 정보와 잡음을 집약하고 있기 때문에 주성분수를 늘이더라도 오버피팅(overfitting)의 위험성이 적고, 안정된 예측모델을 얻을 수 있다. The principal components have the following characteristics when compared with the original explanatory variables. In other words, since the information can be concentrated on the principal component, which is much smaller than the original explanatory variable, the number of samples required for regression analysis can be greatly reduced. In addition, since the main components are orthogonal to each other and have no correlation with each other, there is no fear of multi-collinearity. Also, since information and noise are concentrated on each major component regardless of whether the eigenvalue is large or small, the risk of overfitting is small and a stable prediction model can be obtained even if the number of principal components is increased.

한편, PLS(Partial Least Square)회귀분석에서는 통상의 회귀분석에서 오차를 설명변수마다 가정하는 것과 달리 설명변수와 목적변수의 양 변수에 모두 오차를 가정한다. PLS회귀분석에서는 주성분회귀분석과 마찬가지로, 잠재적인 인자를 추출해서 설명변수로 하는데, 추출할 때에 설명변수와 목적변수를 함께 이용하는 것이 주성분분석과의 차이점이다. PLS법에서는 변수가 가지고 있는 전체 정보를 이용해서 회귀식를 산출하기 때문에 주성분회귀분석 보다 높은 예측정도를 얻을 수 있다. 또 주성분 분석과 마찬가지로 다중공선성과 시료수 및 변수의 문제를 동시에 해결이 가능하다는 이점이 있다.
On the other hand, in the PLS (Partial Least Square) regression analysis, error is assumed to be both the explanatory variable and the objective variable, as opposed to assuming the error for each explanatory variable in the normal regression analysis. In the PLS regression analysis, like the principal component regression analysis, the potential parameters are extracted and used as explanatory variables. The difference between the explanatory variables and the objective variables is that the explanatory variables and the objective variables are used together. In the PLS method, since the regression equation is calculated by using all the information of the variable, it is possible to obtain a higher prediction accuracy than the principal component regression analysis. In addition, like the principal component analysis, there is an advantage that the problem of multi-collinearity and the number of samples and variables can be solved at the same time.

일 실시예에 있어서, 상기 사료 원료는 소맥, 옥수수, 대두박, 대두피, 야자박, 채종박 및 팜박으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.In one embodiment, the feedstuff may be selected from the group consisting of wheat, corn, soybean meal, large scalp, palm leaves, seedlings, and palms.

일 실시예에 있어서, 상기 조사되는 근적외선은 0.80 ~ 2.50 ㎛의 파장일 수 있다.In one embodiment, the irradiated near-infrared rays may have a wavelength of 0.80 to 2.50 μm.

일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서 근적외선 스펙트럼을 얻은 다음, 미분법 또는 다분산 보정(Multiplicative scatter correction)에 따른 수학적 전처리 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the near infrared spectrum may be obtained in the step (b), and then a mathematical preprocessing step according to a differential method or a multiplicative scatter correction may be further included.

일반적으로 근적외선 스펙트럼은 재현성이 우수하나, 시료의 종류, 상태, 및 측정 조건 등에 따라 바탕선 변화 등의 약간의 변화를 수반할 수 있으므로 일 실시예에 있어서, 미분법 또는 다분산 보정에 따른 수학적 전처리 단계를 더 포함함으로써 검량 결과를 향상시킬 수 있다.In general, the near-infrared spectrum is excellent in reproducibility, but it may involve slight changes such as baseline changes depending on the kind, condition, and measurement conditions of the sample. Therefore, in one embodiment, the mathematical preprocessing step The calibration result can be improved.

다분산 보정은 개개의 스펙트럼을 시료의 이상적 스펙트럼(ideal spectrum)으로 선형화하여 산란효과를 제거하는 방법이다. 표준 정규화는 다분산 보정과 달리이상적 스펙트럼을 이용하지 않고 전체 스펙트럼에 대한 흡광도의 표준편차를 각 스펙트럼에 대해 정규화하여 스펙트럼의 산란을 제거한다. 각 모델의 개발 과정에는 다분산 보정 및 표준 정규화를 적용한 전처리 스펙트럼과 전처리를 실시하지 않은 스펙트럼이 각각 이용되었다.
Polydispersion correction is a method of eliminating scattering effects by linearizing individual spectra with the ideal spectrum of the sample. Standard normalization, unlike polydispersion correction, normalizes the standard deviation of the absorbance over the entire spectrum, without using the ideal spectrum, to eliminate scattering of the spectrum. For the development of each model, the pre-processing spectrum using polydispersity correction and standard normalization and the non-preprocessed spectrum were used, respectively.

일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계에서 생성된 메탄 발생 예측식은 별도의 임의의 사료 원료를 이용하여 상기 연속배양 발효조에서 측정된 메탄발생량에 대한 표준예측오차, 표준예측보정오차 및 상관계수를 이용하여 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the methane generation prediction formula generated in the step (c) may include a standard prediction error, a standard prediction correction error, and a correlation coefficient for the amount of methane generated in the continuous culture fermentation tank using an arbitrary feed material. And a step of verifying by using the method.

상기 단계는 선발된 메탄 예측 발생식의 예측 능력을 평가하기 위한 것으로서 메탄 예측 발생식(NIRs 검량식)에 사용되지 않는 독립적인 사료 원료 또는 미지의 사료 원료를 이용하여 생성된 예측식의 예측 정확성을 평가하는 것으로서, 메탄발생량에 대한 표준예측오차, 표준예측보정오차 및 상관계수를 이용할 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
The above step is to evaluate the predictive ability of the selected methane prediction formula and the prediction accuracy of the predictive formula generated using the independent feed materials or unknown feed materials not used in the methane prediction formula (NIRs calibration formula) Standard predictive error, standard predictive correction error, and correlation coefficient for the amount of methane generated can be used for evaluation, but the present invention is not limited thereto.

실험 방법Experimental Method

1. 반추위 모형 연속배양시스템(Rumen simulation continuous culture system)의 구축1. Construction of rumen simulation continuous culture system

(1) 배양액 : 채취한 위액을 8겹의 가제로 거른 후 유리솜으로 걸렀다. 걸러진 위액은 이산화탄소(CO2)가스로 유지(bubbling)하면서 혐기상태를 유지하였다. 미리 제조한 버퍼를 이산화탄소 가스로 유지 하면서 위액과 혼합하였다(위액 250mL, 버퍼 600mL).(1) Culture medium: The obtained gastric juice was filtered with 8 layers of gauze and then wrapped with glass wool. Filtered gastric juice while maintaining (bubbling) to carbon dioxide (CO 2) gas was maintained at anaerobic conditions. The previously prepared buffer was mixed with the gastric juice (250 mL of gastric juice, 600 mL of buffer) while keeping it in the carbon dioxide gas.

(2) 기질 : 발효조에 10 g의 기질을 투입하였다.(2) Substrate: 10 g of substrate was added to the fermenter.

(3) 완충액통 : 혐기상태를 유지하면서 완충액통에 완충액을 투입하였다. 이산화탄소 가스를 충진시킨 테들러백(Tedlar bag)을 버퍼통과 연결하고, 버퍼통과 연결된 튜브는 발효조 뚜껑 중 버퍼 투입구와 연결하였다.(3) Buffer solution tank: Buffer solution was put into the buffer solution tank while maintaining the anaerobic state. The Tedlar bag filled with carbon dioxide gas was buffered and the buffered tube was connected to the buffer inlet of the lid of the fermenter.

(4) 가스 포집 주머니 : 가스 포집 주머니와 연결된 튜브를 발효조 뚜껑 중 가스 포집구와 연결(연결 튜브는 가스용 튜브를 사용)하였다.(4) Gas collection bag: The tube connected to the gas collection bag is connected to the gas collection port in the lid of the fermentation tank (the connection tube is used for the gas tube).

(5) pH 및 온도 전극 : 전극이 배양액에 충분히 닿을 정도로 넣었다. 이 때, 교반봉에 닿지 않도록 주의하여야 한다.(5) pH and temperature Electrode: The electrode was inserted so as to sufficiently reach the culture solution. At this time, care should be taken not to touch the stirring rod.

(6) 사료투입관 : 발효조 뚜껑 중 사료 투입구에 사료투입관을 배양액에 충분히 잠길 정도로 삽입하였다.(6) Feeding tube: The feed tube was inserted into the feed inlet of the fermenter lid to the extent sufficient to lock it into the culture liquid.

(7) 발효조의 뚜껑을 발효조와 연결하고 진공용 구리스와 테프론 테입을 이용하여 혐기상태를 유지하였다. 이어서 발효조 뚜껑 중 가스 포집구를 통해 발효조 내부에 이산화탄소 가스를 약 10분간 투입하였다(발효조 내부를 혐기상태로 변화, 이산화탄소 가스는 배양이 시작되기 전까지 계속 흘려보냈다). 모든 기기의 연결부위는 진공용 구리스와 테프론 테이프로 봉합하였으며, 연동펌프를 작동 시키고, 발효조 내부로 완충액을 투입하였다(1000 ~ 1200 ml/일).(7) The lid of the fermentation tank was connected with the fermentation tank and the anaerobic condition was maintained by using vacuum grease and Teflon tape. Then, carbon dioxide gas was injected into the fermenter through the gas trap in the lid of the fermenter for about 10 minutes (the inside of the fermenter was changed to the anaerobic state, and the carbon dioxide gas was continuously flown until the start of the culture). The connecting parts of all devices were sealed with vacuum grease and Teflon tape, and the peristaltic pump was operated and the buffer was injected into the fermenter (1000 ~ 1200 ml / day).

(8) 혐기상태의 배양액을 사료투입구를 통해 오버플로우될 때 까지 발효조로 투입하였으며, 이산화탄소 가스 투입을 중지하고, 모든 입구를 막았다. 순환수조와 발효조를 연결하고 온도를 설정하였다(37 ~ 40 ℃).(8) The anaerobic culture was fed into the fermenter until it overflowed through the feeding port, stopped feeding the carbon dioxide gas, and blocked all the inlets. The circulating water tank and the fermentation tank were connected and the temperature was set (37 to 40 ° C).

(9) 교반봉의 rpm을 10 ~ 20 rpm으로 설정하고, 배양을 시작하였다. 반추위 적응기간 7일, 1번째 샘플 적응기간 7일 후 각 모선별 시료 3일간의 메탄발생 측정값의 평균으로 메탄발생량을 측정하였다. 메탄발생값을 측정하기 위한 주요 사료 원료로서 대두박, 소맥, 채종박, 야자박, 단백피, 팜박 및 옥수수가 사용되었다.
(9) The rpm of the stirring rod was set at 10 to 20 rpm, and the culture was started. Methane production was measured as the average of the methane generation measurements for 3 days of each sample after 7 days of adaptation period and 7 days of first adaptation period of rumen adaptation period. Soybean meal, wheat, soybean meal, coconut husk, protein bloom, palm and corn were used as main feed materials for measuring methane production.

2. 근적외선 시스템(NIRs)을 이용한 메탄 발생 예측식의 생성2. Generation of Methane Generation Prediction Equation Using Near Infrared Systems (NIRs)

(1) NIRs DB 확보(1) Secure NIRs DB

검량식 작성과 검정을 위하여 각 샘플의 반추위 모형 연속배양시스템의 메탄발생량 측정법과 NIRs 스펙트럼 분석법을 병행하였으며, 분석 대상 샘플의 수는 총 55개였다. 근적외선 측정장치로부터 출력되는 스펙트럼 데이터는 하기와 같이 실시간으로 컴퓨터에 입력되어 데이터베이스화되었다.
In order to prepare and verify the calibration equation, the methane emission measurement method and the NIRs spectrum analysis method of the ruminal model continuous culture system of each sample were combined and the total number of samples to be analyzed was 55. The spectral data output from the near-infrared ray measuring apparatus is input to a computer in real time in a database as described below.

① 사료 원료 분석 샘플에 대한 각각의 근적외선 스펙트럼을 측정한다.① Analyze the feedstock analysis. Measure the near-infrared spectrum of each sample.

② 측정된 스펙트럼에 각각의 사료 원료의 메탄발생량의 결과값을 입력한다.② Input the result of methane emission of each feedstock into the measured spectrum.

③ 상기 ① 및 ② 단계 완료 후 생성된 Cal 파일을 추출하여 NIRs DB를 준비한다.③ Prepare the NIRs DB by extracting the generated Cal file after completing steps ① and ② above.

근적외선 분광분석을 하기 위한 장비는 FOSS XDS Model이 사용되었다(모델명: FOSS XDS NIRs instrument, Scan range(측정 범위): 400~2500nm, Resolution(분해능): 0.5nm, Detector type: Si & Pb detecter, 측정 방식: 반석 측정 방식, 운영 S/W: ISIScan, Calibration S/W: WinISI)
The FOSS XDS model was used for the near infrared spectroscopy (Model: FOSS XDS NIRs instrument, Scan range: 400 ~ 2500nm, Resolution: 0.5nm, Detector type: Si & Pb detector, Method: Rock measurement method, Operation S / W: ISIScan, Calibration S / W: WinISI)

(2) NIRs 검량식(메탄 발생 예측식) 생성(2) Generation of NIRs calibration formula

상기 확보된 NIRs DB로부터 메탄발생량 분석결과와 NIRs 스펙트럼간의 수학 통계알고리즘을 이용한 검량식을 하기와 같이 생성하였다.
A calibration equation using the mathematical statistical algorithm between the methane emission amount analysis result and the NIRs spectrum from the secured NIRs DB was generated as follows.

① 상기 확보된 NIRs DB의 스펙트럼을 검량식 생성을 위하여 1차 미분된 스펙트럼을 사용하였고 검량식 생성시 스펙트럼은 400 ~ 2500 nm 전 영역의 스펙트럼을 활용하였다.1) The first-order differentiated spectrum was used for the calibration of the NIRs DB and the spectrum of 400 ~ 2500 nm was used for the calibration.

② 상기 ① 단계의 전처리된 스펙트럼을 이용하여 PCA(Principal Component Analysis) 알고리즘을 적용하여 그룹을 형성하여 pca file을 생성하여 그룹의 이상치 판별 도구로 활용하였다 ② Using PCA (Principal Component Analysis) algorithm using the preprocessed spectrum in step 1), a group is formed and a pca file is generated and used as a group's outlier determination tool

③ 상기 ① 단계의 전처리된 스펙트럼과 사료 원료의 분석결과는 PLS(Partial Least Squares) regression알고리즘을 적용하여 NIR 검량식(eqa 파일)을 생성하였다.
③ The NIR calibration equation (eqa file) was generated by applying PLS (Partial Least Squares) regression algorithm to the pre-processed spectrum and the feedstock analysis results in step ① above.

(3) NIRs 검량식(메탄 발생 예측식) 검증(3) NIRs calibration formula (methane generation prediction formula) verification

NIRs 검량식(메탄 발생 예측식)을 검증하기 위하여, 미지의 사료 원료 시료를 이용한 분석 결과를 토대로 표준예측오차, 표준예측보정오차 및 상관계수를 통해 NIRs 검량식(메탄 발생 예측식)의 타당성을 하기와 같이 검증하였다.
In order to verify the NIRs calibration formula (methane generation prediction formula), the validity of the NIRs calibration formula (methane generation prediction formula) was verified through standard prediction error, standard prediction correction error and correlation coefficient based on the analysis result using unknown feed material samples As shown below.

① 상기 생성된 검량식(eqa 파일)의 RSQ(R-square), 표준검량오차 SEC(Standard Error of calibration)를 이용하여 검량식의 적용 정도를 파악하였다.① The RSQ (R-square) and standard error of calibration (SEC) of the generated calibration equation (eqa file) were used to determine the degree of application of the calibration equation.

② 일반적인 호환정도(RSQ > 0.7)가 획인된 검량식은 SEC를 확인하여 현 분석치의 허용 가능 정도(허용 오차 기준)를 확인 후 적합 정도를 파악하여 활용가능 수준의 경우 미지의 사료 원료를 이용 하여 실제 적용 시의 오차를 검증한다.② Confirmation of the standard of compatibility (RSQ> 0.7) confirms the SEC, confirms the allowable degree of the current analysis value (tolerance standard), and determines the degree of conformity. If the available level is available, Verify the error in application.

③ 미지의 사료 원료에 대해 검증하여, 상기 실험 설계의 수준에서 적용 가능한 표준 예측 보정 오차(SEPc: Standard Error of Prediction corrected)를 보일 경우 기 검량식을 활용가능한 것으로 판정하여 향후 메탄발생량의 사료 원료 실험을 대체하여 NIRs 예측치(Predicted value)를 활용한다.
③ If unknown feed materials are verified and the standard error of predicted correction (SEPc) applicable at the experimental design level is shown, it is judged that the initial calibration equation is available, To take advantage of the NIRs predicted value.

실험 결과Experiment result

1. 반추위 모형 연속배양시스템에서 측정한 주요 사요 원료별 pH 값1. pH value of major raw materials measured in continuous culture system of rumen model

도 1에 나타난 바와 같이, 연속배양장치를 이용하여 사료원료별 pH 수준을 측정하였을 때 사료 원료별 pH 값의 평균은, 대두박 > 소맥 > 채종박 > 야자박 > 단백피 > 옥수수 = 팜박의 순서로 측정되었다. 옥수수에서 가장 높은 표준편차를 보였고, 대두박, 소맥, 채종박, 단백피, 팜박이 모선별 변이가 적었다.
As shown in FIG. 1, when the pH level of each feed material was measured using the continuous culture apparatus, the average value of the pH values of the feed materials was in the order of soybean meal>wheat> vegetable oil> palm oil> protein p> corn = Respectively. The highest standard deviation was observed in corn, and the variation of soybean meal, wheat, soybean meal, protein, and palm boar was small.

2. 반추위 모형 연속배양시스템에서 측정한 주요 사료 원료별 총 가스 발생량2. Total gas production by major feedstuffs measured by ruminal model continuous culture system

도 2에 나타난 바와 같이, 연속배양장치를 이용한 사료 원료별 총 가스발생량은 단백피 > 채종박 > 옥수수 > 소맥 > 야자박 > 대두박 > 팜박의 순서로 나타났다. 채종박과 야자박에서 높은 표준편차를 보였고, 대두박에서 가장 모선별 변이가 적었다. 총 가스 발생량을 통해 연속배양장치 중 발효조에서 원료사료의 발효 양상을 추정할 수 있다.
As shown in FIG. 2, the total amount of gas produced by the feed materials in the continuous cultivation apparatus was in the order of protein p>chickpea>corn>wheat>coconut> soybean cake> pharm. There was a high standard deviation in the soybean meal and palm leaves, and the least variation in the soybean meal was small. The fermentation pattern of the raw feed can be estimated in the fermentation tank of the continuous culture apparatus through the total gas generation amount.

3. 반추위 모형 연속배양시스템에서 측정한 주요 사료 원료별 메탄 가스 발생량3. Methane gas production by main feedstuffs measured by ruminal model continuous culture system

도 3에 나타난 바와 같이, 연속배양장치를 이용한 사료 원료별 메탄가스 발생량은 소맥 > 옥수수 > 대두박 > 채종박 > 야자박 > 팜박 > 단백피의 순서로 나타났다. 팜박에서 높은 표준편차를 보였고, 대두박에서 가장 모선별 변이가 적었다. 전체적인 메탄가스 발생량의 경향은 총 가스발생량과 비슷한 경향을 보였지만, 대두박과 단백피의 메탄가스 발생량은 총 가스발생량과 반대의 경향을 나타내었다.
As shown in FIG. 3, the amounts of methane gas produced by the feed materials in the continuous culture apparatus were in the order of wheat>corn> soybean meal> vegetable oil> palm oil> palm oil> protein p. There was a high standard deviation in the palm, and the least variation in soybean meal was small. The tendency of the total methane generation rate was similar to the total gas generation rate, but the amount of methane gas production of soybean meal and protein was opposite to that of total gas generation.

4. NIRs 검량식(메탄 발생 예측식)을 이용한 메탄 발생량 예측 결과4. Methane emission estimation results using NIRs calibration formula (methane generation prediction formula)

표 1 및 도 4에 나타난 바와 같이, 반추위 모형 연속배양 시스템에서 측정한 각 사료 원료별 메탄 발생량을 근적외선 시스템에 접목시켜 메탄 발생 예측식을 생성하였으며, 상기 예측식을 이용하여 사료 원료별 메탄 발생량을 예측한 결과, 상관계수는 0.842로써 통계적으로 유의한 정도로 적용 가능한 수준의 결과를 얻을 수 있었다.
As shown in Table 1 and FIG. 4, the methane generation prediction equation was generated by combining the methane emission amount of each feed material measured in the continuous culture system of the rumen model with the near-infrared system, and the methane production amount As a result of the prediction, the correlation coefficient was 0.842, which is statistically significant.

근적외선 시스템을 이용한 메탄 발생량 예측 결과Estimation of methane emission using near-infrared system 검증샘플수(개)Verification samples () 6969 평균Average 13.57613.576 표준예측오차Standard prediction error 2.6642.664 표준예측보정오차Standard Prediction Correction Error 4.5634.563 표준편차Standard Deviation 6.1546.154 상관계수Correlation coefficient 0.8420.842

따라서, 상기에 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 근적외선시스템을 이용한 사료 원료의 메탄 발생량 분석 방법을 이용함으로써 동물 생체실험의 한계를 극복할 수 있고, 소요되는 시간 및 비용의 부담이 적으며, 실제 반추위 동물의 소화 시스템과 유사한 연속배양 시스템을 도입함으로써 정확하고 객관성있는 메탄 발생량 및 메탄지수를 분석 및 예측할 수 있다. 또한, 본 발명을 이용하여 사료 원료에 대한 메탄 발생량 및 메탄지수를 사료 시료만을 가지고 근적외선 스펙트럼을 통해 조기에 분석할 수 있으므로, 반추위 동물의 소화율 및 사료의 분해율을 유지함과 동시에 메탄 발생량을 저감시키는 친환경 사료를 개발하는데 활용될 수 있다.
Therefore, as mentioned above, by using the method of analyzing the amount of methane generated from the feed materials using the near-infrared ray system according to the present invention, it is possible to overcome the limitations of the animal living body experiment, Accurate and objective methane generation and methane index can be analyzed and predicted by introducing a continuous culture system similar to the digestive system of rumen. Further, since the amount of methane generated and the methane index for the feed materials can be analyzed early in the near-infrared spectrum using only the feed samples using the present invention, it is possible to maintain the digestibility of the rumen animal and the degradation rate of the feed, It can be used to develop feed.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항 들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be obvious that it is not. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

Claims (6)

(a) 반추위 동물로부터 채취한 위액, 완충액, 및 반추위 미생물 배양액으로 구성된 연속배양 발효조에 사료 원료가 투입된 후 발생되는 메탄 가스를 포집하여 메탄 발생량을 측정하는 장치에 의해서 사료 원료의 메탄 발생량이 측정되는 단계;
(b) 사료 원료에 근적외선을 조사하여 근적외선 스펙트럼 데이터를 추출하는 근적외선 분광분석기에 의하여 상기 사료 원료의 근적외선 스펙트럼 데이터가 추출되는 단계;
(c) 상기 (a) 단계에서 측정된 메탄 발생량 및 상기 (b) 단계에서 추출된 근적외선 스펙트럼 데이터를 이용하여 메탄 발생 예측식이 생성되는 단계;
(d) 상기 (c) 단계에서 생성된 메탄 발생 예측식이 데이터베이스화되는 단계; 및
(e) 상기 근적외선 분광분석기에 의하여 추출된 임의의 사료 원료에 대한 근적외선 스펙트럼 데이터가 상기 메탄 발생 예측식에 적용되어 메탄 발생량이 예측되는 단계;를 포함하는 사료 원료의 메탄 발생량 분석 방법.
(a) The amount of methane generated in the feedstock is measured by a device for measuring the amount of methane generated by capturing the methane gas generated after the feedstock is fed into the continuous culture fermentation tank composed of the gastric juice, buffer solution and rumen microbial culture collected from the rumen step;
(b) extracting near-infrared spectral data of the feed material by a near-infrared spectroscopic analyzer for extracting near-infrared spectrum data by irradiating the feed material with near-infrared light;
(c) generating a methane generation prediction equation using the methane emission amount measured in the step (a) and the near-infrared spectrum data extracted in the step (b);
(d) a step of converting the methane generation prediction formula generated in the step (c) into a database; And
and (e) the near-infrared spectrum data of any feed material extracted by the near-infrared spectroscopic analyzer is applied to the methane generation prediction formula to predict the methane generation amount.
제1항에 있어서,
상기 조사되는 근적외선은 0.80 ~ 2.50 ㎛의 파장인 것인 메탄 발생량 분석 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the near infrared rays to be irradiated have a wavelength of 0.80 to 2.50 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 근적외선 분광분석기로부터 추출되는 스펙트럼 데이터는, 미분법 또는 다분산 보정(Multiplicative scatter correction)에 따른 수학적 전처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 발생량 분석 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the spectrum data extracted from the NIR spectroscopic analyzer in the step (b) further includes a mathematical preprocessing step according to a differential method or a multiple scatter correction.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 생성된 메탄 발생 예측식은 상기 (b) 단계에서 사용되지 않은 임의의 사료 원료에 대한 상기 연속배양 발효조에서 측정된 메탄발생량과의 표준예측오차, 표준예측보정오차 또는 상관계수가 이용되어 검증되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 발생량 분석 방법.
The method according to claim 1,
The methane generation prediction formula generated in the step (c) may include a standard prediction error, a standard prediction correction error, or a correlation coefficient with the methane production amount measured in the continuous culture fermentation tank for any feed materials not used in the step (b) ≪ / RTI > wherein the method further comprises utilizing and verifying the methane emissions.
투입된 사료 원료에 근적외선을 조사하여 근적외선 스펙트럼 데이터를 추출하는 근적외선 분광분석기; 및
미리 기억된 메탄 발생 예측식과 상기 근적외선 분광분석기에 의해 추출된 근적외선 스펙트럼을 비교함으로써, 사료 원료의 메탄 발생량을 연산하는 연산장치를 포함하는 사료의 메탄 발생량 분석 장치.
A near-infrared spectroscopic analyzer for extracting near-infrared spectrum data by irradiating near-infrared rays to an input feed material; And
And an arithmetic unit for calculating a methane emission amount of the feed material by comparing the preliminarily memorized methane generation prediction formula with the near-infrared spectrum extracted by the near-infrared spectroscopic analyzer.
제5항에 있어서,
상기 메탄 발생 예측식은,
반추위 동물로부터 채취한 위액, 완충액, 및 반추위 미생물 배양액으로 구성된 연속배양 발효조에 사료 원료가 투입된 후 발생되는 메탄 가스를 포집하여 메탄 발생량을 측정하는 장치에 의해서 측정된 사료 원료의 메탄 발생량과, 근적외선 분광분석기에 의하여 추출된 근적외선 스펙트럼 데이터를 이용하여 생성된 것인 사료의 메탄 발생량 분석 장치.
6. The method of claim 5,
The methane generation prediction formula is,
The amount of methane generated in the feedstuffs measured by the apparatus for measuring the amount of methane generated by capturing the methane gas generated after the feedstock is input into the continuous culture fermentation tank composed of the gastric juice, buffer solution, and rumen microbial culture collected from the rumen, and the near- An apparatus for analyzing the amount of methane in a feed that is produced using near infrared spectrum data extracted by an analyzer.
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