아메리카동애등에(Hermetia illucens)는 파리목 동애등에과에 속하며 black soldier fly (BSF)라고 불린다. 전 세계적으로 약 1,500종이 서식하고 있으며, 우리나라의 경우 9속 14종이 알려져 있다(Kim, 1997). BSF는 유기성폐기물을 분해 처리할 수 있는 강력한 소화효소를 지니고 있어 환경정화곤충으로 불리며 대량의 음식물쓰레기를 효율적으로 분해할 수 있다(Sheppard et al., 2002). 또한, BSF 유충과 번데기의 조단백질 함량은 43% 이상을 함유하고 있어 단백질 공급원으로서 가치가 높다(Park et al., 2013). 현재는 반려동물, 양돈, 양계 등 다양한 사료의 대체 단백질원으로 사용하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있으며 특히 어류와 가금류에 적용시키려는 연구 또한 지속되고 있다(Bondari and Sheppard, 1981;Choi et al., 2013). 먹이활동 후 유충의 분변은 작물비료로 활용하는 실험을 한 결과 비료 적합 판정이 나왔으며 강낭콩 성장 실험에서도 성장률을 증진시키는 효과도 있다(Choi et al., 2013).
이와 같이 BSF는 산업곤충으로서 음식물쓰레기의 처리수단 및 대체단백질로의 이용을 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 BSF 먹이원인 음식물쓰레기는 초기에 직접 활용되기도 했지만 농가에서 다루기가 어렵고, 악취발생이 많아 대부분 음식물쓰레기를 한번 끓여서 나온 습식사료를 주로 먹이로 주고 있다. 지금까지 보고된 남은 음식물 사료에 대한 연구들은 대부분이 건조사료에 중점을 두었으며, 습식사료 급여가 BSF 사육에 미치는 영향에 대한 결과 보고는 미흡한 실정이다. 또한 사료 내 단백질, 지질, 성상 등 영양소 함량에 따라 소화율이 달라질 수 있으므로(Austreng et al., 1979;Morales et al., 1994;Stroebakken et al., 1998) BSF 유충 사육을 위한 습식사료의 성분 분석은 매우 중요하다.
(사)한국음식물자원화협회(Korea Food Recycling Association, 2005)에 따르면 습식사료는 전국 음식물처리장에서 음식물쓰레기를 처리하는 최종단계에서 100°C로 30분 이상 끓인 형태이다. 국내 습식사료는 처리하는 음식물 처리장마다 나오는 수분의 함량이 70~90%로 다양하게 생산되는데, 이는 해외 가정용 폐기물의 수분함량은 67%, 과일 및 채소 폐기물의 수분함량은 90%인것과 비슷한 수준이다(Garcia et al., 2005). BSF의 먹이로 습식사료를 활용하게 될 때 수분의 함량이 높거나 낮으면 유충의 생육이 저하되며(Barros et al., 2019), 과도한 수분함량 일 때 사료를 먹지 않고 이탈하는 상황이 발생하여 음식물쓰레기 처리 시 문제가 발생하고 있다. 또한 BSF 유충을 이용한 음식 물쓰레기 처리에서 유충 투입 비율이 높을수록 짧은 시간에 높은 처리 효율을 나타내지만, 이로 인해 유충 성장에 부정적인 영향을 미친다는 연구 결과도 있다(Kim et al., 2017).
따라서 본 연구에서는 BSF의 먹이원으로 습식사료를 활용할 때 습식사료의 수분함량과 사육밀도가 BSF 유충 생장에 미치는 영향을 알아보고자 실시하였다.
재료 및 방법
실험재료
본 연구를 위해 2022년 농촌진흥청에서 사육중인 BSF를 난괴로 분양받아 누대사육 하였다. 사육 시 필요한 먹이는 충북 내 음식물처리업체(청주 옥산, ㈜그린웨이)를 통해 100°C에서 30분이상 살균처리한 남은음식물 사료를 습식과 건식 2가지 형태로 받아 활용하였다.
먹이원별 생육특성 검정
습식사료와 건식사료를 60시간동안 동결건조하여 1%의 수분함량으로 맞춘 후 사료 500 g에 증류수를 첨가하여 30%, 50%, 70%, 90%의 수분이 포함되도록 조성하였다. 사육온도는 28±2°C, 상대습도 40±5%로 조성 후 BSF 3령 유충 3,500마리를 6 L 사육상자(275×205×127 mm, Neobox 60, KOMAX)에 투입하여 7일 간 수분함량별로 유충무게를 조사하였다. 또한, 유충 투입량에 따른 사육밀도 연구를 위해 2,000 mm × 1,000 mm × 150 mm 규격의 단프라 소재(폴리프로필렌, PP)로 제작된 사육상자에 사육하였으며, 사육온도는 28±2°C, 상대습도 40±5%으로 설정하였다. 수분함량 70%의 습식사료 100 kg에 부화한지 2~3일 된 3령 유충을 10만마리, 15만마리, 20만마리, 25만마리별로 투입하였다. 7일 후 유충 사육밀도에 따른 BSF 총 생산량과 100마리당 평균무게를 조사하였으며, 남은 사료 잔여량은 체(5 mesh, Φ4.0 mm)에 걸러 조사하였다.
주요 성분분석
남은음식물 사료 및 먹이원 급여에 따른 건조유충과 분변토의 일반성분은 AOAC(2005)의 기준에 준하여 분석하였다. 수분함량은 105°C 상압건조법, 조회분 함량은 550°C 직접회화법을 이용하여 분석하였으며, 조단백질 함량은 micro-Kjeldahl법을 이용한 질소정량법, 조지방 함량은 diethyl ether를 첨가하여 12시간동안 soxhlet법에 따라 성분 함량을 측정하였다. 펩신소화율은 시료 1 g을 정량하여 탈지한 다음 0.2% 펩신 염산용액 150 mL를 가하여 항온수조(45°C에서 16시간)에서 소화시킨 후 여과지(Whatman NO.2)로 여과하여 조단백질 정량법에 준하여 불소화물의 조단백질 함량과 시료에 대한 조단백질 함량을 구한 다음 [(시료 중 조단백질 함량(%)-불소화물 중 조단백질 함량 (%)/시료 중 조단백질 함량(%)]×100으로 계산하였다.
통계분석
본 시험에서 얻어진 분석 결과는 SPSS 프로그램(Version 29.0)을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실사하였다. 모든 통계 수치는 평균에 대한 표준오차를 나타냈으며 데이터값의 유의차는 Tukey’s honestly significant differences test를 이용하여 5% 유의수준에서 통계적 차이를 분석하였다.
결과 및 고찰
먹이원 수분함량별 유충무게 비교
BSF 대량사육을 위한 먹이원으로 습식과 건식사료의 생육 특성을 비교하기 위하여 먹이원 성상별 수분함량에 따른 유충 무게를 조사하였다. 습식사료 수분함량별 BSF 3령 유충을 7일 간 처리한 결과 초기 3일차에는 90% 수분함량에서 유충 100마리당 평균무게가 3.95 g으로 가장 높게 나타났으나 5일 차부터 70%의 수분함량에서 유충무게가 7.75 g으로 77% 더 높게 나타났다(Fig. 1). 7일 차에선 90% 수분함량에서 유충무게는 7.19 g 으로 조사되었고 70%의 수분함량에서는 10.54 g으로 조사되었다. 이는 선행연구와 유사한 결과를 보였으며, 80% 수분함량의 닭사료를 급이하였을 때 BSF 유충이 모두 폐사하였고 사료의 성상에 따라 차이는 있으나 90%이상의 높은 수분함량은 유충의 기문을 통한 호흡을 방해해 생장과 생존율에 영향을 준다고 알려져 있다(Barros et al., 2019). 습식사료 50% 수분함량을 급 이한 유충의 3일 차 무게는 1.56 g으로 70% 대비 0.93g 낮았으며 5일 차 무게는 1.73 g로 나타났다. 습식사료 30%의 수분함량을 급이한 유충의 3일 차 무게는 0.80 g로 나타났으며 7일 차엔 0.55 g으로 나타나 발육이 제대로 이루어지지 않았다. 이처럼 사료의 수분함량이 90%이상 또는 50% 이하로 처리 시 생육이 저조한 결과를 나타냈으며 70%정도의 수분함량을 가진 사료를 투입하는 것이 적절하다고 사료된다.
같은 조건으로 건식사료의 수분함량을 30%, 50%, 70%, 90%로 처리한 결과 초기 3일 차 70%의 수분함량 유충무게는 3.67 g으로 90% 수분함량의 유충무게 3.02 g 대비 0.65 g 높게 나타났으나 5일 차부터 점차 발육이 감소하는 경향을 보였다 (Fig. 2). 7일 차 70% 수분함량 건식사료의 유충무게는 2.81 g으 로 조사되었고 90% 수분함량 건식사료의 유충무게는 2.46 g으 로 습식사료 대비 발육이 저조한 경향을 보였다. 남은 음식물을 활용한 건식사료는 100°C 이상에서 30분 이상 가열 처리를 해야 하며 건조과정을 통해 가소화 및 대사성 에너지의 많은 손실을 일으키고 영양성분의 변형이 일어난다는 연구 결과가 있다 (Jee et al., 2005). 이는 유충 발육을 저해할 수 있는 조건이며 먹 이원으로서 건식사료보단 습식사료를 활용하는 것이 효율적이라 판단된다.
먹이원 사료 및 유충, 분변토 주요성분 비교
먹이원 사료와 사료급여에 따른 BSF 유충 및 분변토의 성분 분석 결과는 Table 1과 같다. 습식사료의 조단백질 함량은 8.18%, 건식사료 조단백질 함량은 25.34%로 건식사료 조단백 질 함량이 유의적으로 높게 나타났으나 이는 습식사료가 건식 사료 대비 수분함량이 높아 조단백질이 낮게 분석된 것으로 판단된다. 습식사료를 급이한 건조유충의 조단백질 함량은 46.09%, 건식사료를 급이한 건조유충 조단백질 함량은 43.02%로 유의한 차이가 나타났다.
습식사료 조지방 함량은 습식사료 0.67%, 건식사료는 7.66%으로 나타났다. 습식사료를 급이한 건조유충은 23.12%, 건식사료를 급이한 건조유충은 7.87%으로 유의한 차이가 나타났다. 습식사료를 급이한 유충의 분변토는 1.35%으로 나타났고 건식 사료를 급이한 유충의 분변토는 0.54%으로 유의한 차이가 나타 났다.
습식사료와 건식사료의 염분함량은 각 1.12%, 1.37%로 유의성이 없었으며, 습식사료를 급이한 건조유충은 1.23%, 건식 사료를 급이한 건조유충은 0.46%로 나타났다. 그러나 습식사료를 급여한 유충의 분변토는 6.28%, 건식사료를 급여한 유충 분변토는 2.43%으로 나타났으며 “비료공정 규격 설정”에 따르면 부산물 비료인 가축분퇴비는 염분(NaCl) 2%이하여야 사용이 가능하다 고시하고 있다. 이에 따라 동애등에 유충의 분변토를 비료로 활용하기 위해선 염분 수치를 낮출 수 있는 추가적인 연구가 필요하다.
사료 내 조섬유는 섬유질을 총칭하는 성분으로 영양소 소화율을 감소시키고(Noblet and Le Goff, 2001), 섬유질 함량이 증가할수록 사료 부피가 증가해 포만감으로 사료섭취량 저하를 일으킨다고 알려져 있다(Bindelle et al., 2008). 습식사료의 조섬유 함량은 1.62%이며 건식사료의 조섬유 함량은 16.53%으로 10배 정도 높게 나타났다. 이에 따라 습식사료를 급이한 유충이 건식사료를 급이한 유충보다 사료 소화율이 더 높을 것으로 사료 된다.
펩신 소화율은 단백질 소화능률을 보여주는 지표로써 습식 사료의 경우 90.88%, 건식사료는 42.35%로 두 배 이상 높았다. 이로써 동애등에 유충이 먹이원을 섭취 후 단백질을 소화시키기 좋은 먹이원은 습식사료인 것으로 판단된다. 또한 습식사료를 급여한 건조유충의 펩신 소화율은 87.35%로 건식사료를 급여한 건조유충 80.46%보다 높고 통계적 유의한 차이가 나타났다. 이에 따라 습식사료를 급이한 경우 유충의 먹이원 소화능률이 높아지고 동물사료로서 활용가치 또한 높아질 것으로 사료된다.
유충의 사육밀도 검정
대량사육을 위하여 단프라 소재의 사육상자(2,000 × 1,000 × 150 mm)에 습식사료 100 kg를 지급하였으며, BSF 밀도는 3령 유충 10만마리, 15만 마리, 20만 마리, 25만 마리를 각각 7일 간 처리하였다. 그 결과 총 생산된 유충무게는 10만 마리의 경우 17.61 kg, 20만 마리는 21.32 kg, 20만 마리는 22.15 kg, 25만 마리는 22.79 kg로 유충밀도를 많이 투입할수록 총 무게는 점점 무거워지는 경향이었다(Fig. 3). 하지만 처리밀도가 15만마리부터 25만마리까지는 처리간 차이가 없었으며 10만 마리 대비 15만 마리의 경우 생산량이 21% 증가하였다. 또한 100마리당 유충 평균무게를 조사한 결과 10만 마리는 16.90 g로 가장 높게 나타났으며, 15만 마리는 15.20 g, 20만 마리는 11.30 g, 25만 마리는 9.50 g으로 조사되었다. 10만마리와 15만 마리의 경우 통계적 유의성은 없었으며, 20만 마리 대비 15만 마리의 무게가 34% 증가하였다. 이에 따라 경제적인 바탕과 효율적인 측면을 보았을 때 습식사료 100 kg에 15만 마리를 투입할 경우에 총 유충생산량과 유충 발육이 증대하는 것을 확인할 수 있었다.
Parra Paz et al. (2015) 결과에 따르면 17일 간 유충 사육밀도 가 10만마리일때가 생산량이 가장 높게 나타났다고 보고되었으나 이는 사료의 성상이 다르고 초기 사료 공급방식의 차이가 이러한 결과를 나타낸 것으로 생각된다. 하지만 본 연구에서는 국내 방식을 기준으로 수행하였으므로, 유충 사육밀도는 15만 마리의 처리가 적당하고 판단된다.
유충 사육 시 음식물류 폐기물을 투입할 경우 일시적으로 악취가 증가하나 시간이 경과할 수록 악취가 저감되는 특징을 보였다(Shin, 2023). 또한 과도한 사료량은 폐기물 감소 지수가 감소하는 경향이 있으며 유충이 소비할 수 있는 한계가 있다고 알려져 있다(Parra Paz et al., 2015). 이는 먹이원으로 남은음식물 사료를 활용하므로 유충투입 대비 과도한 사료량은 유충이 완전히 처리하지 못하게 되어 음식물 부패과정에서 발생하는 악취가 발생할 수 있다. 습식사료 100 kg에 유충 사육밀도별로 사육 후 체에 걸러진 남은음식물 사료 잔여량은 Table 2와 같다. 10만마리의 경우 556.40 g의 처리되지 못한 습식사료가 조사되었으며 15만마리는 60.17 g, 20만마리는 47.83 g, 25만마리는 42.50 g으로 조사되었다. 과도한 양의 사료급여 시 유충은 사료를 제대로 소화시키지 못해 체에 걸러지는 효율이 낮아진다 (Cheng et al., 2017). 이에 따라 적정 사육밀도가 중요하며 수분 70%의 습식사료 100 kg에 15만마리 이상 투입하여야 사료 처리 효율이 높아 유충과 분변토의 선별이 용이할 것으로 사료된다.
본 연구를 요약하자면 BSF 사육 시 남은 음식물 사료의 수분 함량과 사육밀도에 따른 유충 무게에 미치는 영향을 알아보기 위해 수행되었다. 수분 함량이 70%인 습식사료가 유충의 생육과 발육에 가장 효과적임을 확인하였으며 초기 3일 차에 90% 수분 함량에서 유충의 평균 무게가 가장 높게 나타났으나, 5일 차 이후 70% 수분 함량에서 유충 무게가 77% 증가하는 결과를 보였다. 이는 높은 수분 함량이 유충의 호흡을 방해하고 생육에 부정적인 영향을 미친다는 기존 연구와 일치한다. 또한, 건식사료의 경우 수분 함량이 70%일 때 초기 유충 무게는 상대적으로 높았으나, 시간이 지남에 따라 발육이 감소하는 경향을 보였다. 이는 건식사료의 가열 처리로 인한 영양 손실과 대사성 에너지의 손실이 유충의 성장을 저해했음을 시사한다. 따라서 BSF 유충의 사료로는 습식사료가 더욱 효율적임을 확인하였다.
사료 성분 분석 결과 습식사료의 조단백질 및 조지방 함량은 건식사료에 비해 낮았으나, 유충의 조단백질 함량은 오히려 높게 나타나 유충이 습식사료에서 더 높은 소화율과 영양가치를 보임을 확인하였다. 이러한 결과는 BSF 유충이 습식사료를 섭취했을 때 단백질 소화율이 높은 것으로 나타났으며, 이는 유충의 사료 활용 가치를 높이는 중요한 요소로 작용한다.
유충의 사육 밀도 실험에서는 15만 마리가 최적의 결과를 보였으며, 사료 처리 효율이 높았다. 사육 밀도가 증가함에 따라 유충의 총 생산량은 증가하였지만, 15만 마리 이상에서 유의적인 생산량 증가가 없었음을 확인하였다. 또한, 20만 마리 이상 사육할 경우 100마리당 유충의 평균 무게가 점차 줄어드는 경향 을 보였으며, 이는 과도한 사육 밀도가 유충의 생장을 저해할 수 있음을 시사한다.
결론적으로, 습식사료 100 kg을 급여할 경우 BSF 대량사육의 최적 조건은 수분 함량을 70%로 유지하고 사육 밀도를 15만 마리로 설정하는 것이 가장 효과적임을 확인하였다. 이러한 조건을 통해 유충의 생산성과 사료 처리 효율을 극대화할 수 있을 것으로 판단되며 향후 연구에서는 습식사료의 수분 함량 조절과 사료 성분 개선을 통해 유충의 성장과 생산성을 더욱 높이는 방향으로 나아가야 할 것이다.