분변 내 인 배출과 환경오염 최소화 방안
인 분해 효소제 pH, 열, 소화효소들에 대한 안전성 있어야
육성기에 골격 형성하고 계란 난각 형성하는 중요한 영양소
일반 권장량의 2~3배 증량 시 성장 성적 개선되는 것 확인
이충한 지사장
케민코리아(주)
농학박사
1. 서 론
최근 언론이나 각종 미디어들이 가장 많이 다루는 주제 중 하나는 환경과 관련된 것이며 특히 ‘탄소중립’이란 단어가 눈에 띄게 많이 늘어난 것을 볼 수 있다. 이 단어는 단지 한국에서만 유난히 많이 다뤄지는 것이 아니고, 전 세계적인 이슈가 되어 많이 언급되고 있는 주제이자 미래의 관심사항 중 하나다. 지난해 한국 정부는 축산에서 탄소중립을 실현하기 위해 몇 가지 영양소 관련 정책 규제를 공표하였으며, 그 중 새롭게 신설된 항목이 바로 인(phosphorus) 이다. 인(P)은 동물의 체내에서 주로 골격형성이나 난각 형성 등에 많은 영향을 주는 성분이다.
특히 성장기에 있는 어린 일령의 닭들에게는 반드시 필요한 영양성분이다. 따라서 사료 내 인(P)의 함량을 적절하게 유지해야만 최적의 성장과 산란율을 달성할 수 있다. 그러나 모든 영양소가 그렇듯이 인(P) 역시 소화되지 않은 잉여의 인은 동물의 체외로 빠져나가게 되는데, 그 양이 많아지고 누적될 경우 토양오염과 함께 환경에 악영향을 줄 수 있으며, 이러한 잠재적 문제로 인해 사료 내 인(P) 함량이 새로운 규제 대상으로 지정되어 관리를 받게 되었다. 따라서 우리는 사료 내 적절한 인(P)을 사용하여야 하며 체외로 배출되는 인의 함량을 최소화 할 수 있도록 노력해야 한다.
2. 본 론
인(Phosphorus)이란?
인(P)이란, 그리스어에서 유래된 빛(phos)과 운반자(phorus)라는 두 개의 단어가 합성되어 만들어졌으며, 1669년 독일의 헤닝 브란트라는 사람이 은을 금으로 바꾸는 액체를 만들려고 공기를 차단하고 오줌을 가열 정제하는 과정에서 발견하였다. 원소기호는 P, 원자번호는 15이며 원자량은 30.974 g/mol이며, 주기율표의 15(5B)족에 속하는 원소이며 황(黃)인, 자(紫)인, 흑인의 3종의 동소체가 있으며, 전도성·화학반응성·용해도·독성 등이 각각 현저하게 다르다. 산화수 -Ⅲ에서 ＋V까지 각 단계의 화합물이 알려져 있다. 생체의 모든 조직 • 세포에 없어서는 안 되는 구성요소이고, 생리구조상 가장 본질적인 역할을 하는 원소 중의 하나다. (네이버 지식백과)
인(P)의 역할과 기능
동물에 있어 인(P)은 뼈와 이를 이루는 주요 성분이며, 피틴, 인지질, 인단백질, 핵산 등의 중요한 유기 화합체로서 체내에 함유되어 있고 식물에는 0.2~0.8% 함유되어 있다. 자연 상태에서 홑 원소 상태로는 존재하지 않으며 산소와 화합한 상태로 존재하거나 인회석에 포함되어 있다.
이것은 골격의 유지와 혈액의 응고, 근육의 수축 외에 다양한 생리적인 기능에 필수적이다. 동물에 있어 요구량을 맞추기 위해서는 칼슘과 인을 동시에 고려해야 하고, 그 비율이 중요한데 육계사료 내 칼슘과 가용인(AP)의 비율은 대략 2:1 정도 안팎의 수준이 적합하며 칼슘의 비율이 인에 비해 지나치게 높아지면 인의 흡수가 제한되고 성장 정체나 골격 약화 등의 부작용이 나타난다.
옥수수나 대두박에는 양계 요구량 대비 낮은 수준으로 인이 함유되어 있기 때문에 인을 추가로 보충해주어야 한다. 인은 동물 체내 대부분의 대사과정에 관련하며, 부족하면 사료섭취량 저하, 성장지연, 사료효율 저하, 난각질 저하 등이 나타난다. 사료원료로 사용되는 곡류에서 유래한 인은 대부분 피틴산(phytic acid or phytate) 형태로 존재하고 가금류는 이런 형태를 가수 분해할 수 있는 효소가 많지 않기 때문에 이용률이 떨어지게 된다.
피틱산(phytic acid)
일반적으로 사용되는 사료원료 중 곡류 부산물이나 기름을 짜고 남은 박류 등에는 많은 피틱산이 존재하고 있다. 호분층은 곡류에 있어 피틱산을 저장하는 주요 장소이며, 쌍떡잎식물과 씨에서는 씨 전반적으로 골고루 피틱산이 존재한다. (Lott, 1984)
이 피틱산이 사료원료 내 존재함으로써 닭을 포함한 단위가축에서 소화를 방해하고, 부분적으로 이용되며 나머지는 분변을 통해 체외로 배출된다. 이렇게 분해되지 않고 체외로 배출된 후 다시 토양으로 혼입 되는데 이렇게 혼입된 후 지속적으로 토양에 축적되어 토양의 오염을 유발한다. 따라서 사료내 피틱산의 함량을 최소화하고 이용률을 높여 체외로 배출되는 양을 줄여야 한다.
그림 1. 피틱산과 피틱산 결합체들의 구조
<출처 : https://poultrypunch.com>
피틱산과 이용률
사료 곡물 내에 존재하는 전체 총 인의 함량의 2/3 가량이 피틱산 형태를 띠고 있으며, 각각의 피틱산 분자는 약 28.2%의 인을 함유하고 있다. (Simons et al., 1990) 생리구조상 닭의 체내에서 인의 이용성은 낮은 편인데 그 이유는 피틱산을 이용할 수 있는 능력이 떨어지기 때문이다. 양계에서 피틱산을 이용할 수 있는 능력은 0~50%이며, 옥수수와 대두박에서 인의 이용성은 약 10~30% 정도 된다. (Singh et al., 2003a, b)
이렇게 낮은 인의 이용성은 크게 보면 2가지의 문제를 야기하는데, 첫 번째로는 무기태인을 추가해야 할 필요성이 생기며 두 번째로는 토양오염을 야기할 수 있는 분변 내 인의 함량이 높아질 수 있다. 또한 피틱산은 단백질과 함께 복합체를 형성하는데 이로 인해 단백질 이용률이 낮아질 수 있는데 이 단백질-피틴산 복합체는 소화기관내에서 만들어진다. (Ravindran et al., 2000)
피틱산과 소화효소제의 상호작용
피틱산은 펩신, 알파 아밀라아제, 트립신과 같은 소화효소를 방해하며 (Deshpande and Cheryan, 1984), 소화효소들의 단백질 구성을 변경함으로써 단백질 가수분해를 억제한다.(Singh and Krikorian, 1982) 피틱산은 제 3 복합체를 형성하는 칼슘을 통해 트립신을 방해하여 트립신 활성을 억제한다. 이런 억제는 트립신과 알파아밀라아제의 활성에 필수요소인 칼슘이온의 킬레이트로부터 기인된다. (Liener, 1989)
.
그림 2. PH에 따른 파이테이즈 활성도 변화
<출처 : Kemin Industries>
인 분해 효소제(phytase)
인 분해 효소제라는 단어는 축산업계에서 종사하는 사람이면 누구나 한 번쯤은 들어봤을 만큼 매우 친숙하며, 그 만큼 사료 내 필수적으로 사용되고 있는 필수 효소제 중 하나다. 가장 기본적으로 사용하는 효소제라고 봐도 과언이 아닐 만큼 범용적으로 사용되고 있다.
이것을 사료 내 첨가함으로써 인과 칼슘의 이용률을 높여주며, 영양소를 추가적으로 이용하도록 도움을 주어 원가절감과 함께 양계농가 성적 향상에 기여한다. 게다가 동물 체내 잉여의 인이 체외로 빠져나가게 되는데 이때 파이테이즈가 인 분해율을 더욱 높이고 이용률을 높여 체외로 배출되는 인의 함량을 줄이게 된다.
일반적으로 인분해효소의 단위는 FTU 또는 FYT 등으로 표기되며, FTU는 37도, PH 5.5의 조건에서 sodium phytate 0.0051 mol/L 로부터 분당 1몰의 무기태인을 방출할 수 있는 인 분해효소의 양을 나타낸다. (AOAC, 2000)
인 분해 효소제 선택요령
산업계에 이미 수많은 인 분해 효소제들이 출시되어 사용되어 왔으며, 여전히 인 분해 효소제는 첨가제 중 매우 기본적이면서 필수적인 첨가제로 여겨진다. 국내에도 수많은 인 분해 효소제들이 과거부터 현재까지 경쟁하며 판매되고 있어 소비자들 입장에서는 가끔 혼란스러울 경우가 있다. 그렇다면 어떤 인 분해 효소제를 선택해야 할까?
첫 번째로는 pH에 대한 안전성이 있어야 한다. 닭의 소화기관을 보면 pH가 지속적으로 바뀌는데 특히 강산의 환경의 pH인 근위를 통과할 시 영향을 받지 않아야 한다. 그리고 좋은 인 분해 효소제는 pH 3.5~5 사이에는 최고의 효율성을 보인다.
두 번째로는 열안전성이 있어야 한다. 육계사료의 경우 일반적으로 펠렛으로 생산하게 되는데 이 때 고온의 스팀을 견딜 정도의 열안전성이 있어야 효과를 발휘하게 된다. 필자는 과거 우연치 않게 펠렛으로 생산한 육계제품으로 인 분해 효소 역가 테스트를 해보았는데 결과치가 30% 밖에 안 나와 깜짝 놀란 적이 있었다. 열안전성 확인을 통해 낭비를 줄이고 효율성을 올려야 한다.
세 번째로는 단백질 분해와 관련된 소화효소들에 대한 안전성이 있어야 한다. 예를 들면 트립신 등에 대한 안전성이 확보되어야 방해를 받지 않고 더욱 제 기능을 할 수 있게 된다.
네 번 째로는 어느 균에서 유래되었는지 확인해 볼 필요가 있다. 같은 인 분해 효소제라고 해도 진균류(fungus)에서 유래한 제품이 있을 수 있고, 세균이나 박테리아에서 유래한 인 분해 효소제가 있는데 진균류에서 유래한 제품보다는 세균이나 박테리아에서 유래한 인 분해 효소제가 좀 더 우수한 것으로 알려져 있다.
그림 3. 파이테이즈 유래 별 pH 활성도 비교
<출처 : J Sci Food Agric 2015; 95: 878–896>
슈퍼 도징(super dosing)
인 분해 효소제를 적용 시 일반적으로 약 500 FTU 정도를 사용하는데, 이 보다 더 몇 배를 증량해서 사용할 경우 성장 성적이 개선된다. 이렇게 표준 권장 첨가량보다 높은 비율로 적용하는 것을 ‘슈퍼도징(super dosing)’이라고 한다.
일반 권장량 보다 높게 첨가할 경우 피틱산을 구성하고 있는 6개의 IP(inositol phosphate)들 중에서 특히 IP6(inositol hexa-phosphate)와 IP5(inositol penta-phosphate)의 이용률이 현저히 올라가며 더욱 큰 효과를 발휘하게 된다. 아래의 결과표에 나타났듯이 일반 권장량의 2~3배 증량 시 성장 성적이 더욱 개선되는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 이것을 적용할 경우 반드시 ROI (투자 대비 수익)를 따져보고 적용하도록 한다.
표 1. 육계에서 슈퍼 도징 적용 및 결과 비교(육계 21 일령)
<출처 : 2014 Poultry Science 93 :1172–1177>
3. 결 론
인(P)은 사료를 배합하는 데 있어 반드시 필요한 중요한 영양소 중 하나이며, 앞에서도 언급했듯이 칼슘과 함께 육성기에 골격을 형성하거나 산란계에 있어서는 난각을 형성하는 중요한 영양소다. 그러나,요즘같이 인의 원료로 사용되는 인산칼슘 공급원들(DCP,MDCP,MCP 등)의 가격이 급등할 경우 사료원가상승에 영향을 주게 된다.
인(P)은 부족하면 안되는 매우 중요한 영양소이긴 하지만 반대로 너무 과하게 사용해도 잉여로 배출되어 환경오염에 영향을 주게 되므로 최적의 인의 양을 사용해야 한다. 적절한 인의 사용량은 칼슘과 가용인(AV) 기준으로 보면 비율이 약 2:1 정도로 보면 되는데, 이때 인 분해 효소제를 적용하게 되면 가용인을 0.1~0.2까지 함량을 낮출 수 있어 투자대비 원가도 절감할 수 있으며 이용률 향상과 배출량 감소로 환경오염도 줄 일 수 있다.
이때 인분해효소제를 공급하는 회사들의 매트릭스 값을 확인해보고 요즘과 같이 원재료비가 크게 올라 부담을 느끼는 경우 보수적인 정책보다는 공격적인 정책을 선택해서 인(P)의 함량을 최소화할 수 있는 방안을 검토해야 할 것이다. 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 환경오염과 관련된 많은 정책이 쏟아져 나오고 있고, 그 중 하나가 축산분뇨를 통한 토양오염에 대한 규제정책이다.
이미 유럽에서는 아연과 구리 등 광물질에 대한 규제가 시작되고 있으며, 우리나라도 벤치마킹을 통해 선진국 수준으로 기준을 지속적으로 끌어올리고 있다. 국내에서도 지난 해 단위가축에 대한 단백질과 인의 사료내 관리기준을 발표하였으며 곧 시행을 앞두고 있다. 우리가 관리기준을 준수하는 목적이 반드시 규제 때문이라기보다는 스스로 원가절감도 하고 환경오염도 줄이자는 측면에서 이해하고 적극적으로 동참하여 깨끗한 환경을 후손들에게 물려주었으면 하는 생각으로 글을 마치고자 한다.
