사료첨가제로서 효소의 기능과 효과

피타아제, 인 이용률 높이고 외부 배출 줄여 환경오염 감소에 효과 좋아

글리카나아제 소화물 점도 낮추고 소화율 개선하는 효과 있다고 알려져

사료에 첨가된 효소 소화율과 성장률 개선하고 사료 생산지수 증가시켜

김명진 CTO

(주)에스씨아이

효소는 자체 변형을 유발하지 않으면서 다양한 생화학적 반응을 일으키는 생물학적 촉매제이다. 이와 같은 효소들은 세균이나 곰팡이 식물과 같은 생물체가 만들어내는 특정 화학물질로서 특정 배열에 의한 아미노산으로 구성되어 있기 때문에 자연환경에서는 단백질로 존재한다. 효소 활성의 경우, 기질 종류 및 기질의 특정 부위 형태에 따라 달라질 수 있다. 또한 효소는 음식으로부터 조직 및 장기에 이용될 수 있는 일정한 영양성분을 얻고자 살아 있는 세포에서 화학반응을 가속화시키며 소화에 있어서 모든 동화 및 이화작용에 관여한다.

효소라는 용어를 처음 사용한 학자는 독일의 빌헬름 퀴네로 “enzyme”은 그리스어로 “In leaven”이라는 뜻을 가지고 있으며, Leaven은 효모를 의미한다. 즉 한자어인 효소는 효모에 있는 요소로 풀이될 수 있다. 효소는 그 종류에 따라 각각 다르게 불려지는데 공통적으로 –아제(ase)라는 접미사가 붙게 된다. 프로테아제, 아밀라아제, 리파아제, 베타-글루카나아제, 자일라나에제 등이 그 예라 할 수 있다. 효소는 생체내의 모든 화학반응에 관여하는 물질이지만 각각의 효소들은 제한된 기질(효소가 반응하는 물질)에만 작용하는 기질 특이성을 가지고 있다.

다시 말해 효소는 자신의 활성자리에 알맞게 결합하는 특정 기질하고만 상호 작용한다는 것이다. 예를 들어 리파아제는 지방을 지방산과 글리세롤로 분해하고 아밀라아제는 탄수화물의 특정 부위를 분해하여 당으로 만드는 역할을 하는 것이다. 효소는 효소라는 용어가 있기 전인 일 만년 전부터 식품에 이용되어 왔다. 서유럽의 경우, 산업적 생산은 약 100년 전에 Aspergillus oryzae로부터 알파-아밀라아제를 생산하는 것으로부터 시작되었다. 효소는 생물학적 대사 활성에 없어서는 안 될 중요한 물질이기 때문에 모든 살아있는 생물체에서 만들어진다고 볼 수 있다.

그림 1. 효소의 작용 메커니즘

〈출처: Enzyme: how they work and what they do (Medical news today)〉

현재 상업적 효소제의 경우 곰팡이 및 효모와 세균에 의해 생산한다. 최근에는 최신 발효 기술과 더불어 분자생물학적 기술이 적용된 미생물 변이주를 개발함으로써 특정 효소의 대량 생산이 가능해졌다. 사료 첨가제로 시판되는 효소제의 대부분은 한 종류의 효소로 구성되어 있지 않고 여러 효소로 구성되어 있으며 가금류 사료에 사용된 대부분의 효소는 탄수화물 분해 효소이다(beta-glucanase, pectinase, amylase 등).

사료에 첨가되는 효소들은 다음과 같은 몇 가지 특징을 가져야 이상적인 효소라 할 수 있다. 첫째 안정하여 유통기한이 길어야 한다. 둘째 특이 활성을 보여야 한다. 셋째 열 안정성을 가지고 있어야 한다. 넷째 가격이 저렴해야 하며 안전해야 한다. 다섯째 탄닌이나 사포닌과 같은 항 영양 인자의 영향을 감소시켜야 한다. 여섯째 인, 질소, 구리, 아연과 같은 영양성분 배출 감소를 통한 환경오염을 억제시켜야 한다.

사료영양과 효소

사료의 주원료는 식물성 원료이다. 대부분의 식물들은 곤충으로부터 자신을 보호하기 위하여 특이한 물질들을 합성하는데 이러한 특이 성분들은 대부분 동물들이 소화할 수 없는 항-영양인자로 작용한다. 효소는 사료 효율 증가를 목적으로 농가에서 빈번하게 사용되고 있다. 식물유래 항-영양 인자들은 동물들의 소화 및 대사 작용을 방해하거나 성장을 감소시킬 수 있는데 효소는 이들 항 영양 인자를 제거할 수 있는 기능이 있기 때문이다.

실제로 콩과 작물의 씨앗과 대두 그리고 몇몇 다른 작물들은 우수한 단백질원이지만 항-영양인자를 하나 이상 포함하고 있기 때문에 사료로 사용하는데 제한이 따를 수 있다. 비-전분성 다당류는 전분과는 조성과 구조가 다른 다당류로 가금류에 의해 잘 소화되지 않는 물질로 알려져 있다. 이들 비-전분성 다당류는 장내에서 소화물의 높은 점도를 유발하고 높은 점도의 소화물은 장의 기능을 감소시킬 수 있다. 가금류는 곡물의 세포벽을 이루고 있는 비-전분성 다당류를 분해할 수 있는 효소를 만들지 못한다.

따라서 낮은 소화율을 가질 수밖에 없다. 연구자들은 이와 같은 비-전분성 다당류의 항 영양인자적 특징을 외부 효소를 사료에 첨가하여 해결할 수 있다고 제시하였다. 효소가 비-전분성 다당류를 분해하여 소화물의 점도를 낮추고 장 기능을 활성화함으로써 소화율을 개선한다고 하기 때문이다. 일반적으로 가금류는 항 영양인자를 분해하는 만난아제, 글루카나아제가 결핍되어 있으며 아밀라아제나 단백질분해효소 역시 최적 수준이하로 가지고 있다. 따라서 단일 효소나 혼합효소제를 급여함으로써 사료에 포함된 특정 기질(영양성분) 분해를 개선시킬수 있으며 이는 성장률 개선으로 이어질 수 있다.

효소 사용의 이점

앞에서 언급하였지만, 소화물의 점도를 낮추고 지방과 단백질 흡수를 저해하는 비전분성 다당류와 항 영양인자를 제거하기 위하여 가금류 사료에는 효소가 빈번하게 활용되고 있다. 특히 피타아제(phytase)가 널리 사용되고 있는데 피타아제는 식물유래의 인 이용률을 높이고 외부 배출을 줄임으로써 환경오염 감소에도 긍정적 영향을 미친다고 알려져 있다.

이외에도 프로테아제(protease) 역시 단백질 이용률을 높인다고 알려져 있으며 리파아제(lipase)도 지방의 소화를 증가시킨다고 알려져 있다. 아밀라아제(amylase)의 경우 초기 이유 동물의 전분 소화 개선에 도움을 준다고도 알려져 있다. 일반적으로 사료에 효소를 사용함으로써 얻을 수 있는 장점은 다음과 같은 것이 있다.

소화물 점도 감소

특히 밀, 보리, 호밀 등이 다량 첨가된 가금류 사료에 효소가 유용하게 이용될 수 있는데 Morgan 등은 밀이 들어있는 사료에 효소를 공급함으로써 위 내 소화물의 점도를 유의성 있게 줄였다고 하였고 소화물의 점도 감소는 첨가된 자일라나아제에 의해 자일란을 분해함으로써 이루어졌다고 하였다.

Gruppen 역시 엔도 자일라나아제(xylanse)와 베타갈락토시다아제(beta-galactosidase)를 첨가하여 아라비노자일란(arabinoxylan)과 베타글루칸(beta-glucan)의 주 결합을 분해하여 소화물의 점도를 감소시켰다고 보고했다.

소화 개선

곡물로 이루어진 사료에 효소를 첨가함으로써 동물의 성장 능력과 사료 이용률을 개선 시킬 수 있다는 것은 많은 연구를 통해 알려져 있다. 최근 단위 동물에 주로 사용되고 있는 효소 중에 글리카나아제(glycanase)가 있다. 글리카나아제는 비-전분성 다당류를 적은 분자량의 당으로 분해하여 소화물의 점도를 낮추고 소화율을 개선하는 효과가 있다고 알려져 있으며, 사료에 첨가 시 분변의 수분함량을 줄이는 것에도 효과가 있다고 알려져 있다.

차이는 있지만 몇몇 연구자료에서 약 10~20%의 수분 함량 개선 효과가 있다고 보고하였다. 피타아제 역시 흔히 사용되는 효소로 식물성 원료에 주로 존재하는 피트산염(phytate)유래 인의 이용률을 높인다고 알려 졌다. 실제로 피타아제를 사용함으로써 육계 사육에서 인의 배출량을 40%까지 감소 시킨 보고가 있으며 산란계의 경우 산란율 개선은 물론 계란 무게 증가에도 긍정적 효과를 보인다고 하였다.

건강 개선

Morgan과 Bedford등에 의하면 콕시듐 예방에 효소가 도움을 줄 수 있다고 하였다. 글리카나아제가 포함된 사료를 급여한 실험구와 그렇지 않은 대조구에 콕시듐 질병을 유발하였을 때 실험구의 성장률은 35% 감소하였지만 대조구는 성장률은 52%까지 감소하였다고 보고하였다. 소화물의 수분 감소와 빠른 통과 속도가 영향을 주었을 것으로 판단하고 있다.

환경에 대한 효과

대부분의 효소가 생물로부터 추출되어 만들어지거나 미생물 발효를 이용하여 생산되는 자연 물질이기 때문에 동물들에게 위험성이 거의 없다고 볼 수 있다. 또한 효소는 농장으로부터 발생될 수 있는 일부 오염 물질을 감소시킬 수 있기 때문에 효소는 친환경 물질로도 인식되고 있다.

실제로 농장에서 악취 저감을 목적으로 미생물 또는 식물 유래 효소를 이용하거나 사료에 첨가함으로써 사료 이용률을 높여 외부로 배출되는 환경오염 물질을 줄이고 있다. 집약적 사육 시스템에서 인의 배출량은 종종 높은 경우가 있는데 이는 부영양화와 같은 환경 문제와 직결된다. 곡물 사료에 포함된 인의 대부분은 피트산염 형태로 존재하는데 가금류는 이를 이용할 수 없기 때문이다.

피타아제는 사내의 인뿐만 아니라 일부 다른 미네랄 및 피트산염에 결합된 단백질이나 아미노산까지 분리시킬 수 있다. 이와 같이 분리된 영양 성분은 그 이용률이 높기 때문에 사료에 요구되는 인의 함량을 감소시킬 수 있다.

효소제 사용에 의한 가금류의 성장효과

가금류는 식물 세포벽 성분 분해에 필요한 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 카실라나이제, 베타 글루카나아제와 같은 효소를 만들어내지 못한다. 가금류 사료의 85-90%가 식물 물질로 구성되어 있으며 이들 식물은 많은 섬유소를 함유하고 있다. 상업적 효소 사용의 목적은 이들 문제를 극복하기 위한 하나의 방법이다.

가금류 사육에 있어서 효소를 이용한 좋은 결과들은 주요 곡물을 밀이나 보리를 이용하였을 때 얻었다. 이들 곡물들은 비전분성다당류(non-starch polysaccharide) 및 효소에 의해 일부 제거될 수 있는 항 영양 활성을 모두 가지고 있기 때문이다. 어린 닭의 소화 장기에 존재하는 베타글루칸의 항 영양효과는 미생물 유래의 글루카나아제(glucanase) 첨가에 의해 제거될 수 있다.

베타글루카나아제(b-glucanase) 첨가는 보리가 가금류 사료의 주 성분으로 사용되는 것을 가능케 한다. 또한 자일라나아제(xylanase) 공급은 밀을 기초로 한 사료의 효율 개선에 도움이 된다. 보리나 귀리, 밀, 호밀이 포함된 사료에 효소 첨가의 이점은 점액성의 NSP 가수분해에 있다고 할 수 있다. 몇몇 연구에서 효소첨가에 의한 사료효율 및 증체량 개선이 보고되었다(Raghavan, 1990; Arora et al 1991; Wenk, 1992).

일반적으로 소화물의 점도 증가는 가금류의 성장 활성과 관련이 있다. 밀을 기본으로 하여 제조된 사료에 효소가 첨가되었을 경우 장 내용물의 점도를 감소시킨다고 하였다. 그리고 이와 같은 점도 감소가 가금류의 성장 개선과 관련 있다고 Bedford(1996)에 의해 보고되었다. 최근 분변에 포함된 인을 감소시키고자 사료 첨가제로 피테아제가 새로운 관심을 받고 있다. phytic acid는 가금류의 소화 장기에서 가수분해되기 어렵다. 이는 피테아제의 자체 생산이 부족하기 때문이다.

많은 곡물과 식물들이 높은 수준의 phytic acid를 포함하고 있다. 다시 말해 인의 60-80%가 효소 결핍으로 가금류가 이용할 수 없는 phytate로 구성되어 있는 것이다. 이와 같은 phytate는 소화의 어려움 이외에도 칼슘이나 망간, 아연, 철과 복합체를 이루어 그 이용성을 감소시킨다. 따라서 외부에서 피테아제 첨가는 식물 유래의 phytate 분해를 통하여 인 소화율을 개선시킬 수 있다. Den bow(1995)나 Senastian(1996)은 피타아제 급여가 육계의 증체량과 사료 효율을 개선시킨다고 하였다.

또한 Simons(1990)은 미생물 유래의 피타아제 급여를 통하여 인 이용성을 60% 이상까지 증가시켰다고 보고하였으며 Palluf(1992)는 돼지 사료에 피테아제를 첨가함으로써 마그네슘, 아연, 구리와 철 흡수를 각각 13%, 13%, 7%와 9%까지 증가시켰다고 하였다.

가금류 산업에서 효소 첨가제의 사용 빈도는 점차 증가되고 있다. 사료에 첨가된 효소는 사료의 소화율 및 성장률 개선과 같은 긍정적 효과를 가지고 있어 사료의 생산지수를 증가시킬 수 있기 때문이다. 또한 사료 조성에 있어서도 그 확장성을 개선시켜주고 질소와 인 배출을 감소시킴으로써 환경오염 방지에도 잠재적 효과가 있기 때문이다.

결론

식물성 원료를 기반으로 한 사료에 상업적 효소의 사용은 계속적으로 증가해 왔다. 그러나 피타아제를 제외한 베타만난아제, 알파갈락토시다아제, 알파아밀라아제, 자일라나아제, 베타글루카나아제등과 같은 기타 다른 효소들 및 혼합제들은 아직까지 그 규모가 크지 않은 게 사실이다.

지금까지 대부분의 연구에서는 이들 효소를 사용함으로써 소화물의 점도를 감소시키고 장내 미생물의 성장환경을 개선하여 사료효율 및 증체량을 증가시킨다고 하였다. 그러나 아직까지 효소를 사용함으로써 발생될 수 있는 장내 영양소 이용 및 소화율 변화에 대한 많은 정보가 알려져 있는 것은 아니다. 따라서 효소의 효과를 검증하고 효율적 사용을 위해서는 지속적인 연구가 필요할 것이다.