사료 첨가제로서 베타인의 다양한 기능과 효과
체중, 가슴살 수율, 사료 효율 증가시키고 복부지방층 감소시켰다는 결과 도출
베타인 800mg/kg으로 급여했을 경우, 육계의 사료 효율이 유의성 있게 개선
0.1%의 베타인 콕시디아에 감염된 병아리의 장 상피 내 백혈구 수치 증가시켜
김명진 CTO
(주)에스씨아이
베타인은 세 개의 메틸기를 가진 아미노산의 일종으로 세포의 수분 균형 유지에 도움을 주는 삼투물질(삼투압 조절에 기여하는 물질)로 작용한다. 베타인이 가지고 있는 삼투압 조절 기능은 고온다습한 기후에서 일어날 수 있는 불리한 삼투압 환경에 세포가 적응할 수 있게 도움을 준다.
베타인은 세포의 수분 보존력을 향상해 세포의 체적을 증대할 수 있다. 이와 같은 기능은 동물의 동화작용 및 세포막의 무결성 그리고 성장 능력 개선에 도움을 줄 수 있다. 뿐만 아니라 그 구조에 세 개의 메틸기를 가지고 있기 때문에 메치오닌 합성에 필요한 메틸기 공여체로도 작용할 수 있다.
그림 1. 베타인의 화학적 구조
가금류를 포함한 척추동물은 신체 내에서 충분한 양의 베타인을 합성하지 못한다. 그러나 식물에서는 염분과 온도 스트레스를 방어하기 위하여 베타인을 합성하고 축적한다.
베타인은 축산산업에서 다양한 목적으로 사용되는 기능성 사료 첨가제이다. 베타인은 실제 사용되는 가금 사료에서 가금류의 성장 능력과 육질을 개선하고 콕시듐증 및 다양한 스트레스 극복, 그리고 배설물 수분 감소에 도움을 주는 역할을 한다.
정제된 형태이 베타인은 닭의 공장 중앙부에서 흡수되며, 콜린이나 메치오닌 보다 빠르게 흡수되는 것으로 알려져 있다. 콜린이나 메치오닌은 혈장 내에서 지방단백질과 연관되어 있는 반면, 베타인은 유리 상태로 존재한다. 베타인은 신체 내 간과 신장의 미토콘드리아에서 콜린을 산화시켜 생성될 수 있다. 미토콘드리아는 에너지를 생성하는 세포 소기관이다.
앞에서도 언급하였듯이 베타인은 메틸공여체 및 세포수분유지를 보조하는 삼투물질로 작용한다. 따라서 베타인 공급은 메티오닌과 콜린과 같은 메틸 공여체의 사용량을 감소시킬 수 있다. 베타인은 카르니틴 합성에 필요한 메틸기를 제공한다. 카르니틴은 지방산이 미토콘드리아 막을 통과하는 과정에서 매우 중요한 역할을 한다.
지방산은 미토콘드리아에서 산화되어 에너지를 생성하는데 이용된다. 또한 베타인은 생체내에서 메치오닌 합성을 용이하게 한다. 베타인이 간에서 S-아데노실 메치오닌과 호모시스테인 농도를 증가시킬 수 있기 때문이다.
이들 물질은 생체내에서 메치오닌 합성에 필요한 전구체 역할을 한다. 병아리에서 베타인은 메치오닌인 합성에 필요한 호모시스테인을 생성하기 위하여 메틸기를 공여하는데 이 반응은 콜린보다 3배 더 효율적인 것으로 알려져 있다. 베타인은 적절한 시스테인 공급을 통해 더욱 긍정적 효과를 발휘할 수 있다.
베타인의 삼투조절기능은 양쪽성(쯔위 터) 이온 성질과 물에 대한 높은 용해도에 기인한 것일 수 있다. 삼투조절물질은 세포의 탈수반응에서 매우 중요하다. 베타인은 세포와 주변 환경 간의 일반적 삼투압차로 인한 수분 손실을 최소화한다. 베테인의 축적은 장세포의 수분 보유력을 증가시키고 장상피 구조 변형을 통해 장 표면적을 증가시키며 점막에서 세포 증식을 자극한다.
확대된 장벽 상피는 영양소 흡수에 긍정적 효과를 가져올 수 있다. 연구에 따르면 콕시듐증에 걸린 육계에 베타인을 공급하였을 경우 라이신 및 단백질 그리고 지방 및 카르테노이드의 소화력을 개선하는 것으로 확인했다.
베타인은 그 구조에 3개의 메틸기를 포함하고 있으며 여러 생체 대사 반응에 이들을 제공한다. 따라서 베타인 공급은 메치오닌, 콜린, 엽산과 같은 영양소 요구량 감소에 도움이 될 수 있다. 분자량 기준에서 베타인은 메치오닌과 콜린보다 각각 3.75배와 0.90배의 메틸기를 함유하고 있다.
베타인은 간을 포함하여 대부분의 신체 조직에서 삼투압 조절 물질로 작용한다. 이와 같은 기능은 비-특이적 설사와 콕시듐증과 같은 고-삼투압 상태에서 수분 균형을 유지함으로써 소장 상피의 삼투압 유지에 도움을 준다.
열 스트레스와 탈수 상태에서 나트륨 이온은 세포외액으로부터 세포 내로 이동된다. 세 포내 나트륨 농도가 높을수록 세포의 영양소 흡수가 저해될 수 있다. 칼륨, 마그네슘, 인과 같은 성분들도 세포 내 농도가 높아지면 영양소 대사에 필요한 효소의 활성을 억제한다.
그림 2. 높은 삼투압 상태(hypertonic)와 열 스트레스(Thermal stresss) 조건에서 세포 기능을 유지하기 위한 베타인의 역할
〈출처: Betaine Supplementation May Improve Heat Tolerance: Potential Mechanisms in Humans. Nutrients 2020〉
세포는 정상적인 효소 활성, 기능 그리고 체적을 유지하기 위하여 세포 안에 메틸아민, 콜린, 베타인과 같은 유기 삼투물질의 농도를 증가시킨다. 가금류에서 미오이노시톨, 타우린 역시 주요한 유기 삼투물질이다. 베타인은 세포의 수분 보유력을 증가시켜 탈수를 방지한다. 삼투조절물질로 베타인을 사용하는 것은 에너지 소비 측면에서 무기 전해질 성분보다 더 효과적이다.
높은 삼투압 환경임에도 불구하고 베타인을 공급한 가금류의 장에서 점막 세포 구조의 안정성 증가하였고 점막 세포로부터 수분 이동이 감소함을 확인하였다. 베타인은 ‘나트륨-칼륨 펌프’와 ‘칼슘 펌프’ 활성을 각각 64%, 73% 감소시켜 삼투압 조절에 필요한 에너지를 절감시켰다. 이들의 주요 에너지원은 ATP이다.
탈수 상태에서 세포 내부의 전해질 농도는 증가한다. 세포 안에 원하는 농도로 물을 조절하기 위하여 칼륨(K+) 이온은 농도 구배와 반대로 세포 내부로 강제 이동된다. 농도 구배와 반대 방향으로 전해질 이온을 이동시키기 위해서는 에너지가 요구된다.
세포 내 높은 전해질 농도는 효소와 단백질을 불활성화시키는 것으로 알려져 있다. 높은 농도의 전해질이 효소의 활성 부위에 결합하기 때문이다. 베타인은 에너지 사용이나 세포 환경 및 대사 반응 방해 없이 세포막을 가로질러 이동할 수 있다. 베타인을 함유한 사료나 음수는 삼투압 조절 상태를 제어할 수 있다.
성장개선
육계의 성장과 관련하여 베타인의 효과는 사료에 포함된 여러 메틸 공여체 농도와 스트레스의 정도에 따라 달라진다. 베타인 공급이 체중, 가슴살 수율, 사료 효율을 증가시키고 복부지방층을 감소시켰다는 결과가 있다. 또 다른 연구 결과에 의하면 아미노산 농도 상관없이 메치오닌이 최적 수준 이하인 사료에 베타인을 800mg/kg으로 급여하였을 경우, 육계의 사료 효율이 유의성 있게 개선됨을 확인하였다.
메틸기 공여가 요구되는 반응
DNA/RNA 합성 및 메틸화에 의한 유전자 활성화 조절
단백질 합성 및 조직 복구
해독 및 면역기능
카르니틴 및 크레아틴 합성
스트레스 완화
스트레스는 많은 활성 산소 물질을 생성하고 이들은 장 세포막과 이온펌프를 손상시킬 수 있다. 탈수의 경우, 세포 대사기능 및 효소 활성에 장애를 초래한다. 사료 섭취는 세포 내 수분이 장 내강으로 이동하게 하고 이는 장점막 상피 수축을 유발할 수 있다. 세포 구조의 변형은 영양분 흡수, 세포막 물질 이동 그리고 대사기능을 손상시킬 수 있다.
극단적이 상황에서 점막세포의 수축은 장점막 무결성 손상을 유발하고 이는 병원균과 독소가 혈액으로 들어갈 수 있는 환경으로 이어진다. 베타인은 스트레스를 받은 세포에서 세포질 삼투압을 증가시키고 온도와 이온 교란에 대한 저항성을 높여준다. 세포 내 칼륨 이온과 같은 삼투물질의 축적은 세포의 효소 활성에 장애를 초래할 수 있다.
베타인은 세포를 삼투압 스트레스로부터 보호하고 세포를 비활성화시키는 스트레스 조건하에서 세포가 정상적인 대사기능을 유지할 수 있게 도와 준다. 열스트레스 조건하에서 베타인을 공급할 경우, 이호성:림프구 비율을 감소시킨다는 보고가 있다. 이들 비율은 가금류의 스트레스 지수로 사용된다.
육질 개선
베타인은 메치오닌 절약 효과를 가지고 있으며 카르니틴 합성에 관여한다. 따라서 베타인은 단백질과 지방대사에서 각각 역할을 하며 육질 성분을 변화시킬 수 있다. 베타인은 단백질 회전율을 감소시켜 질소 보유율을 높일 수 있는데 이는 근육 단백질 형성에 긍정적 효과를 가지고 있다.
또한 베타인은 카르니틴 합성에 관여함으로써 지방 대사 작용을 증가시키고 체내 낮은 지방 축적 유도에 도움을 준다. 복부 지방 축적과 지육 수율에 미치는 베타인의 효과는 다양한 영양분 요소에 따라 달라질 수 있다.
콕시디아증 완화
장 삼투압 환경이 비정상적일 때 삼투조절물질로서 베타인의 효과는 더욱 두드러진다. 콕시듐증은 융모 높이를 감소시키고 십이지장의 삼투압을 증가시킨다. 콕시디듐증이 발생한 가금류에서 베타인이 유익한 영향을 미치는 것은 삼투압 활성과 장점막에서 식세포 활성을 증가시키기 때문이다.
베타인은 대식세포에 의한 식균작용을 증가시킨다. 0.1%의 베타인은 십이지장 삼투압을 감소시키고 콕시디아에 감염된 병아리의 장 상피 내 백혈구 수치를 증가시켰다. 한편, 항콕시듐증 치료제 효능이 베타인 공급으로 증가될 수 있다고 알려졌다. Eimeria acervulina의 성장은 살리노마이신만을 투여한 경우보다 살리노 마이신과 베타인을 동시 투여 하였을 때 더 감소하였다고 보고했다.
사용량
육계 사료에 요구되는 베타인의 사용량은 다른 메틸공여체성분(메치오닌, 콜린, 엽산등) 농도와 사육 온도, 장 무결성 정도, 질병 감염 상태에 따라 달라진다. 일반적으로 베타인은 육계 사료에 0.05~0.08% 첨가될 수 있다.
콕시듐증에 대한 효능은 0.05%에서 보였지만 삼투물질 활성은 베타인 첨가량이 증가했을 때 높아졌다. 삼투압 균형이 손상된 설사 증상에서 설사 조절에 효과적인 베타인 양은 체중 kg당 0.15~1.5g으로 알려져 있다.
다양한 연구 결과들로부터, 베타인은 가금류의 건강 개선 및 기타 스트레스 완화, 사료효율 개선에 긍정적 효과를 가지고 있다고 판단할 수 있다. 그러나 그 효과가 다양한 인자에 의해 영향을 받기 때문에 사용량을 최적화하기 위한 추가 연구가 지속돼야 할 것으로 본다.
