장 내 환경 개선을 위한 프로바이오틱스 활용

바실러스, 외부 환경에 대한 저항능력 강해 소장까지 도달 비율 높아

효모, 배지 성분 포함돼 동물의 성장에 필요한 영양소 공급에 도움 줘

제품의 균주 안정성과 작용 모드, 장내 균총상태에 따라 효과 달라져

CTO 김명진

(주)에스씨아이

사료 첨가제는 동물의 생산성 증진을 목적으로 사용되는 필수적 도구이다. 프로바이오틱스, 즉 살아있는 미생물은 축산 산업에서 가장 오랫동안 사용해온 사료 첨가제의 일종이며 동물의 장 건강 개선 및 면역력 개선에 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 미생물이란, 그 단어적 의미에서 볼 수 있듯이 눈에 보이지 않는 매우 작은 생물을 지칭한다.

이와 같은 미생물은 매우 작지만 동물의 생명 활동과 매우 밀접하게 관련되어 있다. 때로는 공생 관계 때로는 적대적 관계를 가지고 있는 것이다. 인간은 유사 이전부터 미생물을 실생활에 이용해 왔지만, 미생물의 실체를 처음 밝힌 것은 19세기 말 파스퇴르라는 과학자에 의해서다. 발효 또는 부패가 미생물의 작용에 의한 것임을 증명한 것이다.

이후 관련 연구자들에 의해 미생물의 다양한 능력이 밝혀지게 되면서 미생물을 이용할 수 있는 기술도 함께 개발되었다. 최근 미생물과 관련된 첨단 바이오 기술은 화학적으로 합성하기 어려운 의약품이나 기타 활성 물질들을 생산하는데 매우 유용하게 사용되고 있다. 항생제, 항암제, 면역조절제와 같은 의약품이 그 예이다.

미생물은 크게 박테리아와 곰팡이 그리고 바이러스로 분류할 수 있다. 바실러스나 락토바실러스, 대장균, 살모넬라 등은 박테리아에 속하며 효모, 누룩은 곰팡이에 속한다. 세균의 경우 다시 산소 이용도에 따라 크게 호기성 세균(산소를 이용하는 세균)과 혐기성 세균(산소를 이용하지 않는 세균)으로 나뉠 수 있으며, 곰팡이의 경우 형성되는 포자 형태에 따라 자낭균, 담자균, 불완전 균 등으로 나눠진다.

미생물은 발효라는 단어와 매우 밀접하게 연관되어 있다. 발효를 일으키는 주체가 미생물이기 때문이다. 발효라고 하는 말은 ‘fevere’, 즉 ‘끓다’라고 하는 라틴어에서 유래되었는데 효모의 혐기적 대사에 의해 생성된 탄산가스가 마치 물이 끓는 듯한 현상을 일으키기 때문이다. 미생물이 바이오산업에서 미생물을 유용한 수단으로 사용할 수 있는 것은 미생물이 다음과 같은 특징을 가지고 있기 때문이다.

√ 빠른 성장 속도 : 미생물은 매우 빠른 증식 속도를 가지고 있으며 짧은 시간 내에 분열 증식을 되풀이할 수 있다.

√ 광범위한 물질의 자화성 : 다양한 물질을 이용하여 필요 물질을 합성할 수 있다.

√ 다양한 화학 활성 및 반응의 특이성 : 새로운 화학 활성을 유도할 수 있으며 그 반응이 매우 특이적이다.

√ 형질 변환의 용이성 : 용도에 맞게 인공 변이를 비교적 쉽게 할 수 있다.

√높은 균일성 : 생활환이 비교적 간단해 발효 재현성이 높다.

√ 고온, 고압을 필요로 하지 않음 : 많은 미생물들이 상온, 상압 하에서 생육하며 필요한 반응을 수행한다.

프로바이오틱스 (유용미생물)

프로바이오틱스(생균제)란 살아있는 형태로 적당량 섭취할 경우, 건강에 도움을 주는 미생물을 의미한다. 현재 시장에서 프로바이오틱스라고 부르는 미생물제제의 포괄적 의미는 균체를 포함하는 미생물 배양물을 의미한다. 그러나 모든 미생물이 생균제로 이용될 수 있는 것은 아니다. 이상적인 생균제로 적용하기 위해서는 가축의 장내에서 정상적으로 서식하거나 GRAS로 등록된 균종이어야 하며, 동물의 위산 및 소화효소에 저항성이 있어야 하고, 사료의 가공 과정 동안 파괴되지 않아야 한다.

또한 발효산물이 항균력을 가지고 있어 병원성 세균의 증식을 억제하여야 하며, 면역 촉진 및 가축의 생산성 증진 효과를 가지고 있어야 한다. 항생제 사용금지에 따른 대체제로 생균제가 많은 관심을 받고 있지만 생균제가 항생제(성장촉진제 및 세균 감염성 질병치료)의 기능을 완벽하게 대체할 수는 없다. 따라서 생균제를 의약품으로 여겨서는 안 되며 동물의 건강을 유지 및 개선에 도움을 주는 하나의 도우미로 생각하는 것이 바람직할 것이다.

프로바이오틱스의 종류 및 작용기전

사료 첨가제용 프로바이오틱스는 공급되는 미생물의 종류에 따라 박테리아제제, 효모, 곰팡이성 제제 및 혼합제제로 나눌 수 있다. 박테리아성 생균제에는 락토바실러스, 바실러스, 비피도박테이움 등이 속하며 효모, 곰팡이성 생균제에는 사카로마이세스속과 및 아스퍼질러스속의 균이 이용된다. 이들 생균제는 사용된 각각의 균주의 특성에 따라 그 효과가 달라지게 되므로 용도에 맞게 사용해야 한다.

▲ 프로바이오틱스의 작용 기전 (Daniel et al., 2019)

동물의 장은 영양소 흡수 외에도 신체의 가장 큰 면역기관으로서 중요한 역할을 수행한다. 외부에서 침입한 병원성 물질로부터 자신을 보호하는 방어 작용을 하기 때문이다. 동물의 장 내 환경은 출생 시에 무균상태지만 출생 이후에 외부환경으로부터 침입한 세균의 영향을 받아 장내 미생물군을 형성하게 된다.

동물의 장내에는 수많은 종류의 미생물에 의해 장내 균총을 구성하고 있으며 대개의 경우 숙주 동물과 상호보완적 관계를 갖고 있다. 장내 균총은 영양생리학적 작용은 물론 병원균 증식 억제 등의 방어 기능도 가지고 있다. 연구에 의하면 무균동물은 살모넬라와 같은 병원균을 소량 투여하는 것만으로도 치사하지만 정상적 장내 균총을 가지고 있는 동물은 다량 투여하였을 경우 치사하는 것으로 알려져 있다. 생균제의 일반적 기능은 다음과 같다.

√ 장내세균총의 변화를 유도하고 경쟁적 배제에 의한 병원성 미생물의 장내 증식 및 콜로니 형성을 억제

√ 유기산을 생성하여 장내 pH를 감소

√ 미량의 항생물질을 생성

√ 면역반응을 자극하여 항체 생산을 증가

√ 장독소 배제

√ 소화 흡수 개선

바실러스(Bacillus)

바실러스 속의 미생물은 토양에서 발견되는 막대 모양의 그람 양성 세균으로 바실러스 서브틸리스는 동물용 프로바이오틱스에 사용되는 대표적인 유용 미생물이다. 바실러스는 포자를 형성하는 능력이 있기 때문에 생균제로 이용함에 있어서 추가적 이점이 있다. 포자는 바실러스의 생육 환경이 좋지 않을 때 생성되는 바실러스의 또 다른 형태로 이들 포자는 외부 환경(위산 등)에 대한 저항능력이 강하기 때문에 소장까지 도달하는 과정 중에 사멸되는 비율이 현저히 감소되며 또한 제품을 장기 보관하는데 유리하다.

바실러스 포자가 사료와 함께 섭취되었을 때 이들 포자는 소화 기관에서 발아하게 되며 균으로 성장하게 된다. 바실러스 포자가 효과를 나타내기 위해서는 상부 소화 기관에서 반드시 발아되어야 한다. 이들 발아 과정 중 다양한 대사산물이 발생하게 되고 이들 대사산물이 외부로 분비되어 특정 효과를 발휘하게 되기 때문이다. 발아과정은 영양분과 수분이 존재하고 적당한 온도가 되어야 진행된다. 또한 바실러스는 장내 부착 미생물이 아닌 transient flora에 속하기 때문에 생균제 효과를 지속적으로 얻기 위해서는 계속적인 급여가 필요하다.

효모(Yeast)

효모는 제빵 및 알코올 발효와 같은 산업에서 오래전부터 사용해온 대표적 미생물이다. 효모 배양물에는 살아 있는 효모뿐만 아니라 대사 물질(효소 등) 및 미생물 배지 성분(아미노산, 비타민, 미량광물질)이 포함되어 있어 동물의 성장에 필요한 영양소 공급에 도움을 준다. 또한 효모는 산소 제거 능력을 가지고 있어서 장내 미생물의 균형을 유지시키며 대장균의 증식을 억제시키는데 도움을 줄 수 있다.

관련 연구자료에 따르면, 효모 배양액에 존재하는 용해성 물질이 면역세포인 자연 살 세포와 B세포의 활성 증가에 영향을 준다고 알려졌으며 소화율 개선 및 장점막 발달에도 긍정적 효과를 준다고 알려졌다.

프로바이오틱스의 사용 방법

프로바이오틱스가 유효하게 작용하기 위해서는 살아있는 균이 일정량 이상 위를 통과하여 장에 도달하여야 한다. 판매되는 대부분의 프로바이오틱스는 장내에 부착할 수 있는 우점종이 아니기 때문에 프로바이오틱스를 간헐적으로 사용하기보다 지속적으로 사용하였을 때 원하는 효과를 얻는데 효과적일 것이다.
 

사용된 프로바이오틱스는 제품의 균주 안정성 및 작용 모드, 장내 균총의 상태에 따라 그 효과가 달라지기 때문에 최적 급여량 및 기간을 정하기는 매우 어렵다. 또한 사용 시 사료에 포함된 다양한 성분들이 프로바이오틱스와의 혼용 사용에 적합한지 반드시 체크되어야 한다. 특히 항생제의 경우, 미생물 성장 억제 기능으로 인하여 프로바이오틱스의 활성의 감소와 직접적 연관이 있을 수 있다. 때문에 항생제 사용 이후에 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로 다음과 같은 경우에 프로바이오틱스 첨가량을 높일 수 있다.

√ 장내 균총이 완전하게 형성되지 않았을 경우(어린 동물)

√ 외부 스트레스(사료 변화, 이동, 기후변화)에 의한 장내 균총이 불안정화 될 경우

√ 외부 조건에 의한 질병 발생 빈도가 높아질 우려가 있을 경우

√ 특정 사료 조성이 소화기관내 병원성 미생물 증식을 유도할 경우(pH완충성분: 단백질, 인, 칼슘 등)

√ 질병치료로 인하여 장내 균총이 약화되었을 경우

프로바이오틱스는 축산 산업에서 가장 많이 사용되는 사료 첨가제 중 하나로, 그 사용량이 지속적으로 증가되고 있다. 그러나 생산 비용 문제로 인하여 대부분의 농장주는 가격이 저렴한 제품만을 찾아 사용하고 있을 것이다. 생산 효율 개선에 따라 프로바이오틱스 가격이 저렴해진 측면도 있지만 과도한 시장 경쟁에 따라 제품 단가가 낮아진 측면도 무시할 수 없다고 판단된다. 후자의 경우 일부 제품일 수 있지만 품질 저하로 이어지는 경우도 있을 것이다.

품질이 낮은 제품을 사용한다면 프로바이틱스의 효과를 보기 어려울 수 있다. 따라서 원하는 프로바이오틱스 효과를 얻기 위해서는 미생물의 특성을 이해하고 적정한 사용법과 사용량 그리고 품질이 우수한 제품을 구분하여 사용하는 것이 매우 중요할 것으로 판단된다.