자일라나제 활용방안

장내 미생물 효율적으로 활용해 에너지 이용률 향상

아라비노자일란 짧은 사슬로 쪼개 장내 점도 줄여줘

이충한 지사장

케민코리아(주)

농학박사

서론

일반적으로 국내 사료회사들은 사료 내 효소제를 대부분 사용하고 있으며, 이 효소제를 통하여 소화 이용률을 높여 성적을 개선시키거나 아니면 에너지 다운스펙을 통한 원가절감을 추구한다. 하지만 효소제는 소맥이나 기타 박류를 많이 사용할 경우에만 사용하고 옥수수-대두박 위주의 배합비에서는 사용하지 않아도 된다고 생각하는 일부의 사람들이 있다. 필자도 사실 그런 일부의 사람들 중 한명이었다.

그래서 전에 사료회사에 근무할 때 옥수수-대두박 위주의 배합사료로 제품이 설계가 될 경우 원가를 절감하는 차원에서 사료 내 효소제를 슬그머니 빼곤 했던 기억이 있다.(down spec.을 안하고 on-top으로 설계) 보통 옥수수와 대두박은 소화율이 높고 NSP 함량이 많지 않아 효소제를 넣어도 그다지 큰 효과를 거두기가 어렵다는 생각을 하는 사람들이 많다.

그렇다면 옥수수-대두박 위주의 사료에서는 효소제가 정말로 필요하지 않은 것일까? 필자는 이번 호에서 옥수수-대두박 위주의 사료 내에서 NSP(Non-starch polysaccharide) 효소제의 역할 특히, 자일라나제의 기대효과에 대해 논의하고자 한다.

본론

최근 국제 곡물시세를 보면 옥수수 및 대두박 가격이 하향 안정되어 있음을 알 수 있다. 소맥가격 역시 안정을 유지하고 있긴 하지만 경쟁을 하는 품목인 옥수수에 비해 그다지 경제성이 높지 않기 때문에 옥수수와 비교해 볼 때 소맥의 구매량은 상당히 적은 편이다.

이렇듯 사료원료로 사용되는 주원료들의 국제시세가 하향 안정화되어 있으며, 따라서 앞으로도 당분간 지속적으로 국내 사료회사들은 옥수수-대두박 위주의 제품을 설계할 것으로 예상된다.

1. NSP(non-Starch polysaccaride)

우리는 보통 NSP라고 하면 가장 먼저 떠오르는 사료원료는 소맥이다. 따라서 소맥을 많이 사용하는 배합설계가 되었을 경우에는 반드시 NSP 효소제를 써야 한다는 일반적인 상식을 가지고 있다. 소맥의 경우 NSP의 함량은 약 9.5%를 함유하고 있으며, 이들 9.5% 내에서 Arabinoxylans가 63%로 가장 많은 비중을 차지하고 있다.

그 외 나머지는 셀루로우즈와 헤미셀룰로우즈 등으로 구성되어 있다. 이에 반해 옥수수의 경우에는 총 NSP의 함량의 경우 약 8.1% 정도이고, 이중에서 대략 50% 정도가 Arabinoxylans로 구성되어 있으며, 나머지 절반 정도가 마찬가지로 셀루로우즈와 헤미셀룰로우즈 등으로 구성되어 있다.(https://feedase.com/nsp-in-raw-materials/)

그림 1. 소맥 내 NSP 구성

〈출처 : https://feedase.com/nsp-in-raw-materials/〉

이렇듯 우리가 일반적으로 생각하는 것과는 달리 옥수수의 NSP 함량이 예상보다는 많은 편이며 소맥과 비교해 봐도 크게 적지 않다. 그러므로 우리는 옥수수 위주로 사료를 설계했다고 해서 NSP 함량을 가볍게 여겨서는 안 될 것이다.

한편, 대두박의 경우에는 NSP 함량이 대략 22% 정도 차지하며 그 중에서 Arabinoxylans은 전체 NSP 함량 중 약 25% 정도로(https://briworldwide.com/wp-content) 옥수수나 소맥과 비교해보면 상대적으로 낮은 편이나, 전체적인 NSP 함량은 옥수수나 소맥에 비하면 두 배 이상으로 많은 편이다. 옥수수-대두박 위주의 사료는 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 볼 때도 가장 많이 사용되는 기본 형태이며(유럽지역 제외), NSP를 다양한 수준으로 함유하고 있다.

이것은 양계에 있어서 영양소 이용률을 저해하는 탄수화물의 한 종류로 분류된다.(Bach Knudsen, 1977) 이렇게 영양소 이용률을 저해하는 요인 중 일부는 비용해성 세포벽 안에 전분, 지방, 단백질이 갇혀 있어 이용률이 떨어지는 것이고, 그 세포벽은 내생 효소들에 대한 접근을 차단시켜주는 물리적인 장벽과 같은 역할을 한다.(Theander et al., 1989) 용해성 섬유질 역시 장내에서 높은 점도를 유발할 수 있으며 이로 인해 소화흡수력과 사료의 통과율을 떨어뜨릴 수 있는 것으로 알려져 있다.(Bedford et al., 1991)

그림 2. NSP의 분류

〈출처 : Asian-Aust. J. Anim. Sci. Vol. 23, No. 10 : 1386-1398 October 2010〉

앞에서도 언급하였듯이 옥수수와 대두박의 NSP의 함량은 가각 약 8.1%와 22% 정도이며 그 중 옥수수는 약 50% 그리고 대두박은 약 25%가 Arabinoxylans으로 구성되어 있다. 따라서 이 NSP 분해를 목적으로 하는 외부유래 효소제를 첨가할 경우 세포벽을 깨뜨려 세포벽 안에 갇혀 있던 영양소들을 추가로 이용할 수 있게 되거나 세포벽에 달라붙어 소화효소제의 접근성을 높여줘 영양성분들을 추가적으로 이용할 수 있도록 도움을 준다.

특히, 자일라나제를 첨가해 줄 경우 세포벽에 있는 아라비노자일란을 가수분해하여 세포 내용물에 대한 외생효소들의 대한 작용을 높여주고(Meng et al., 2005), 췌장에서 아밀라제와 뮤신 분비에 대한 변화를 통해 아미노산의 허실을 줄여준다.(Jiang et al., 2008)

2. 자일라나제로 인한 미생물 발효 효과

아라비노자일란과 펜토산으로 알려진 자일란들은 주로 곡류와 같은 외떡잎식물들의 세포벽들 안에 있는 가장 많은 헤미셀룰로스이며 이러한 NSP들은 단위 가축에 있어 직접적으로 에너지 이용성을 저해하는 역할을 한다. 이것은 주로 아라비노자일란이 장내 점도를 높여주기 때문에 발생한다.(Choct and Annison, 1990)

이러한 부정적인 효과들은 엔도-베타 1,4 자일라나제를 첨가하면 어느 정도는 완화할 수 있으며, 이 엔도-베타 1,4 자일라나제는 자일란의 기본 축을 가수분해해주는 역할을 한다.

이러한 자일라나제들은 역시 이들을 분해하여 짧은 사슬의 자일란 또는 자일로 올리고당으로 만들어 주며, 결과적으로 분자량이 적은 자일란과 아라비노자일로올리고당, 자일로 올리고당 등의 혼합체를 생성해준다.

또한, 이러한 일련의 과정을 거쳐 기존 1,000개 정도의 당이 5,000개 이상의 당으로 증가하게 되는데 그 결과 단쇄 자일란과 자일로 올리고당은 장내 미생물에 의해 효율적으로 이용될 수 있어 에너지 이용률이 향상되는 결과를 만들어 낸다.

맹장과 결장의 박테리아 미생물들이 NSP를 가수분해하면서 발생되는 최종 산물들을 발효시켜 에너지를 생성하기 시작한다. 장내 박테리아에 의한 AXOS(아라비노자일로올리고당)과 XOS(자일로올리고당)의 선택적인 발효는 장내 미생물들의 활동과 조성을 향상시키고 동시에 건강과 성적을 개선시켜 주는 역할을 한다. 따라서 XOS는 결국 프리바이오틱스와 같은 역할을 한다.

XOS의 잠재적인 프리바이오틱스와 같은 기능은 결장 기능을 최적화해주며, 단쇄지방산(short chain fatty acids- SCFA)의 조성을 변화시키거나 증가시키고, 미네랄의 흡수와 면역체계 그리고 장내 융모발달 등을 향상시켜준다.(Kim et al., 2011) 자일로올리고당의 발효는 뷰트릭, 아세틱산 등과 같은 단쇄지방산을 생산하게 되고, 이 중에서 뷰트릭산의 경우 장내 상피세포의 에너지를 공급하고 융모를 발달하게 해주는 역할을 한다. 이러한 일련의 과정을 통해 뷰트릭산은 육계에 있어 성적개선과 긍정적인 장내 미생물 조성과 대사 행동 등에 좋은 영향을 미친다.(De Maesschalck et al., 2015)

표 1. 단쇄지방산(SCFA) 생성량 비교

〈출처 : Natalie K. Morgan et. al, 2018〉

3. 소장 내 점도 감소 효과

에너지와 영양소 소화율이 증가되는 것은 육계의 성적개선과 많은 밀접한 관련이 있다. 효소제를 첨가하면 장내 점도를 줄여주고 이는 곧 영양소 이용률 증가로 이어져 성적향상으로 나타나게 된다.

옥수수-대두박 위주의 사료에서도 마찬가지로 NSP로 인한 소장 내 점도문제가 존재하는데 특히, 소맥 위주의 사료일 경우 소장 내 점도의 증가가 더욱 두드러지고, 이러한 문제를 자일라나제를 첨가하면 상당부분 해소할 수 있다.(Morgan et al., 1995)

이렇듯 소장 내 점도감소의 효과가 나타나는 것은 근본적으로 곡류 내 아라비노자일란의 분자량과 점도 증가가 직접적으로 비례관계에 있기 때문에 자일라나제의 효소역할을 통해 자일란을 분해하여 분자량을 작게 해주고 결과적으로 점도를 낮춰주는 효과로부터 기인된다.(Bedford and Classen, 1933)

결과적으로 자일라나제를 첨가하면 긴 사슬 모양의 아라비노자일란을 짧은 사슬로 쪼개줘 장내 점도를 줄여준다. 다른 연구의 결과를 보면 다량의 펜토산에 의해 음수 섭취량을 증가시키고 이로 인해 야기된 장내 점도 증가는 결국 연변이나 설사 등을 유발하게 된다고 보고하고 있다.(Dunn, 1966)

그림 3. 육계에서 11, 21, 42일령 장내 점도 측정결과

〈출처 : Animal Feed and Technology 234 (2017) 29-42〉

결론

위에서 서술했듯이 옥수수 내에는 생각보다 많은 양의 NSP가 존재하고 있다. 그 중에서 약 50%가 아라비노자일란으로 구성되어 있는데, 이것은 장내 점도를 증가시키고 영양소의 흡수와 이용을 방해한다. 결과적으로 증체 및 사료효율 등이 떨어지게 되고 전체적인 성적을 저하시키게 되는 요인으로 작용하게 된다.

따라서 이렇게 문제가 되는 아라비노자일란을 분해시키기 위해 외부로부터 자일라나제를 공급하고 이를 통해 장내 점도를 낮추어 영양소의 흡수와 이용률을 향상시켜 결과적으로 전체적인 성적을 향상시킬 수 있다.

또한, 자일라나제가 아라비노자일란을 분해하면서 생성되는 자일로 올리고당을 통해 장내 미생물들의 발효작용을 촉진시키고 이는 곧 다량의 단쇄지방산(SCFA)을 생성·촉진시켜 장내 에너지원으로 다시 사용되어 결국 사료 내 에너지를 추가로 공급해주는 효과를 얻을 수 있다.

요약하자면 위의 두 가지 요인에 의해 옥수수-대두박 위주의 사료에서도 보다 더 많은 영양소 이용률과 추가적인 에너지 공급 효과를 통해 생산성 개선이라는 긍정적인 결과를 얻을 수 있고, 이를 활용하여 배합설계 시 다운스펙을 적용하여 원가절감 효과를 얻을 수 있다. 기본적으로 NSP 함유량이 좀 더 많은 소맥을 다량사용 시 좀 더 효과적이긴 하나 옥수수 위주의 사료에서도 자일라나제 적용을 통해 많은 이익을 얻을 수 있다는 사실을 간과하면 안 될 것이다.