1. 서론
옥수수 DDGS는 옥수수를 이용하여 연료용 에탄올을 생산하고 남은 주요 부산물인 옥수수 주정박을 말한다. 에탄올 생산공정은 (그림 1)에서와 같이 옥수수를 햄머밀로 분쇄하여 탱크에 넣고 물을 넣고 가열을 한 후 냉각한다. 그리고 발효탱크에 효소제와 효모를 넣고 발효를 시키면 이산화탄소가 생성된다. 발효 후 증류과정을 통하여 에탄올을 생산한다. 부산물인 고형 부산물에 액상 부산물을 일정 비율로 혼합하여 드럼건조기에 넣고 가열 건조하면 DDGS가 생산된다. 1톤의 옥수수는 에탄올 공정과정을 거쳐 약 33%는 에탄올, 약 33%는 CO2 그리고 약 33%는 부산물인 DDGS가 생산 된다.
<그림 1> 옥수수 DDGD의 생산 공정
미국의 연도별 DDGS 생산량의 추이를 보면 2005년 이후 매년 증가하고 있으며 2014년에는 3,500만 톤 까지 생산량이 증가 할 것으로 예상하고 있다. 미국에서 생산하는 원료용 에탄올의 약 40%는 습식가공 (wet milling)하여 얻은 옥수수 전분을 원료로 하는 습식에탄올 공장에서 생산되며, 그 부산물로서 글루텐피드, 글루텐밀 및 배아박 등이 생산 된다. 그러나 최근에는 옥수수를 통째로 분쇄하여 원료로 쓰는 건식에 탄올공장(dry-grind ethanol plant)이 급성장하고 있으며 현재 미국에서 생산되는 연료용 에탄올 총 생산량의 60% 이상을 차지하고 있다. 옥수수를 분쇄, 효모를 이용한 발효, 증류 등의 건식 에탄올 생산공정을 거쳐 에탄올을 생산한 후에 남은 고형물은 부산물 가공 공정을 거쳐 DDGS를 생산하게 되는데 현재 우리나라에서 수입하여 사료 원료로 이용하고 있는 DDGS는 이러한 공정을 거쳐 생산된 것이다.
본고에서는 육계 사료에 대한 옥수수 DDGS의 영양적 가치와 DDGS 급여시 육계 성적에 미치는 영향 및 사료적 가치 등에 관한 유인한 정보를 제공하고자 한다.
2. 육계 사료에 대한 옥수수 DDGS의 영양적가치
최근에 준공된 건식 에탄올 생산공장은 최신설비를 갖추고 있기 때문에 발효공정, 건조공정 등이 수 십 년 전에 건설되어 가동중인 공장의 가공 공정과는 큰 차이가 있다. 따라서 최근에 준공한 에탄올 공장에서 생산된 DDGS의 영양소 함량과 소화율은 1998년에 발표된 미국의 NRC 사양표준의 DDGS의 영양소 함량과 소화율보다 높기 때문에 배합비 담당자들은 자기 사료공장에서 이용하는 DDGS의 일반 조성분 함량을 정확히 분석한 후 배합비에 적용해야 한다.
DDGS에 함유되어 있는 특정 영양소 함량은 DDGS의 원료인 옥수수 영양소 함량에 3을 곱하여 추정할 수 있다. 그러나 DDGS의 영양소 함량은 원료 옥수수의 품종, 재배지역의 토양, 기후조건 및 에탄올 생산공장의 가공방법 등에 따라 조금씩 다르다. 옥수수 DDGS, 글루텐피드 및 글루텐밀의 영양 성분은 (표 1)에서 보는 바와 같다.
표1. 옥수수, 옥수수 DDGS 및 옥배아의 영양성분 조성
1. Data from NRC (1994)
2. Data from Waldroup et al. (2007)
3. Data from Poet Nutrition (2008)
1) 에너지
양계사료 원료의 에너지 함량을 평가할 때는 주로 외관상 대사에너지(AME)와 진정 대사에너지(TME)를 사용하고 있다. AME는 사료의 총 에너지 함량에서 산란계의 분과 오줌에 함유된 에너지의 함량을 공제한 에너지 함량을 말한다. TME는 AME에서 내생 에너지 함량을 제하고 남은 에너지 함량을 말한다.
한편 미국에서는 질소를 보정한 대사에너지 (AMEn)를 이용하고 있는데 이것은 사료내 총 에너지 함량에서 분과 오줌 속에 함유되어 있는 총 에너지 함량을 공제하고 체내에 축적된 질소량을 보정한 에너지 함량을 말한다. TMEn는 진정 대사에너지로서 AMEn에서 분변에 있는 내생 에너지 손실량을 공제한 것이다. 보통 TMEn 값이 AMEn 값에 비하여 약 3~9% 정도 높다.
(표 2)는 육계와 산란계에 대한 옥수수 DDGS의 AMEn과 TMEn 함량을 측정한 결과이다. AMEn은 평균 2,625 kcal/kg 이었고, TMEn 함량은 2,856 kcal/kg으로 TMEn 함량이 AMEn 함량보다 약 9.2% 높았다. 비록 동일한 에탄올 공장에서 생산된 DDGS의 영양소 함량은 비교적 동일하지만 산란계에 대한 옥수수 DDGS의 AMEn 함량과 TMEn 함량은 DDGS를 생산한 에탄올 공장 별 제품에 따라 차이가 있기 때문에 DDGS를 산란계 사료의 배합비에 이용하기 전에 사용하는 DDGS의 영양소 함량을 정확하게 평가한 후 사료 배합비를 설계해야 한다.
표2. 육계와 산란계에 대한 옥수수 DDGS의 에너지 함량 (kcal/kg)
옥수수 DDGS내에 함유된 높은 지방 함량 때문에 DDGS의 총 에너지 함량은 높은 편이다. 그러나, DDGS의 에너지 소화율은 변이가 큰 편이며 특히 DDGS의 비전분성 다당류(NSP) 함량에 따라 큰 영향을 받는다. 옥수수의 전분은 DDGS 생산 공정중 발효과정에서 대부분 에탄올로 전환되고 소량의 전분이 DDGS에 함유 된다. 그러나 옥수수수에 함유된 조섬유 함량 특히 NDF(중성세제 불용성 서유소)와 ADF(산성세제불용성 섬유소)는 에탄올로 전환되지 않기 때문에 옥수수 DDGS에는 약 35%의 불용성 섬유소와 6%의 용해되는 섬유소가 함유되어 있다.
단위동물에서 외관상 조섬유 소화율은 약 43.7% 정도인데(Stein and Shurson, 2009) 그 결과 DDGS의 영양소 건물 소화율이 낮아지는 원인되고 있다. 따라서 산란계 사료 배합비를 설계하는 영양학자들은 DDGS의 조섬유 함량과 DDGS의 대사 에너지 함량을 신중하게 평가하고 배합비에 적용해야 한다.
2) 아미노산
옥수수의 단백질 함량은 보통 7~8%인데 비하여 옥수수 DDGS의 단백질 함량은 옥수수에 비해서 약 3배 이상 많은 26~27%를 함유하고 있다. 그러나 옥수수 DDGS의 단백질 함량은 23~32%로 생산 공장별, 제품별로 변이가 큰 편이다. 이처럼 옥수수 DDGS의 단백질 함량의 변이가 큰 이유는 첫째, 옥수수 DDGS에 사용되는옥수수의 단백질 함량의 차이 둘째, 생산 공정 중 발효과정에서 전분 잔류량의 차이 셋째, DDGS 생산을 위하여 건조하기 전에 고형부산물에 대한 액상 부산물의 혼합 비율의 차이 때문이다. 따라서 옥수수 DDGS 제품별 아미노산 함량도 변이가 심한편이다.
여러 연구결과에 의하면 옥수수 DDGS에 함유된 양계사료에서 제1 제한아미노산인 메치오닌 함량은 0.42~0.65%로 보고되었다. 이처럼 옥수수 DDGS에 메치오닌 함량이 비교적 높게 함유되어 있기 때문에 양계사료에 옥수수 DDGS를 많이 사용하고 있다. 한편 옥수수 DDGS의 라이신 함량은 0.36%(최저 라이신 소화율)에서부터 0.86%(최고 라이신 소화율)까지 보고되었으며 제품별 라이신 함량의 변이가 큰 것을 알 수 있다.
옥수수 DDGS의 진정아미노산 소화율은 DDGS 제품을 생산하는 에탄올 공장에 따라 다르며 또한 동일한 에탄올 공장에서도 제품 배치 (batch)별 진정아미노산 소화율이 다를 수 있다. 옥수수 DDGS의 진정아미노산 소화율이 에탄올 생산 공장별로 각기 다른 주요 이유는 DDGS의 건조기술(건조기 형태, 건조 온도, 건조 시간)이 다르기 때문인데 과도한 건조 온도나 건조 시간에 의하여 DDGS 제품이 열 손상을 입게 되면 DDGS 제품의 아미노산 소화율이 저하된다. 왜냐하면 라이신의 일부 아미노기가 환원당과 반응하는 Maillard 반응(갈변화 반응)이 일어나게 되는데 이런 경우에 산란계나 육계는 라이신과 환원당이 결합된 구조를 분해할 수 있는 효소가 없기 때문에 Maillard 반응이 일어난 제품은 체내에서 흡수되지 않으며 비록 흡수된다 하더라도 체내 단백질의 합성에 이용되지 못하고 오줌으로 배출된다.
옥수수 DDGS의 진정 라이신 소화율은 62~82%로 변이가 큰 편으로 나타났으며DDGS의 총 라이신 함량과 상관 관계가 있었다 . 옥수수 , 옥수수 DDGS 및 옥배아의 진정아미노산 소화율은 (표 3)에서 보는 바와 같다.
표3. 옥수수, 옥수수 DDGS 및 옥배아의 진정아미노 산 소화율
a. Data from NRC (1994)
b. Data from Waldroup 등 (2007)
c. Data from Kim 등(2008).
한편 Fiene 등(2006)은 DDGS의 일반 조성분 함량(조단백질, 조지방, 조섬유 및 수분)을 가지고 DDGS의 필수 아미노산 함량을 예측하는 회귀 방정식을 만들었다(표 4). 필수아미노산을 예측하는 회기 방정식의 결정계수(R2)는 0.31~0.87 이었으며 일부 아미노산(Isoleucine, leucine, methionine,TSAA, threonine 및 valine)은 다른 아미노산 (arginine, cystine, lysine 및 tryptophan)에 비하여 보다 정확하게 아미노산의 함량을 예측 할 수 있는 것으로 나타났다.
표4. DDGS의 일반 조성분 함량(조단백질. 조지방, 조섬유 및 수분)을 가지고 DDGS의 필수 아미노산 함량을 예측하는 회귀 방정식 (Fiene 등, 2006)
사료회사에서 DDGS를 육계사료 원료로 이용할 때는 가공 공정 중 과도한 열처리에 의해 아미노산 소화율이 저하된 특히 라이신의 일부가 변성된 제품이 아닌 우수한 품질의 DDGS를 산란계 사료에 사용해야 사육 성적에 부정적인 영향을 주지 않으면서 권장하는 양의 DDGS를 사용할 수 있다.
DDGS가 가공 공정중 과도한 열처리에 의해 라이신이 손상되었는지 여부를 쉽게 체크할 수 있는 방법중의 하나는 DDGS 제품의 색깔을 보고 평가하는 방법이다. 일반적으로 DDGS의 색깔이 황금색에 가까울수록 짙은 갈색의 DDGS 제품에 비하여 라이신 소화율이 높았다.
또한 DDGS에 함유된 라이신과 조단백질 함량의 비율을 체크하면 쉽게 알 수 있는데 그 비율이 2.80 이상이면 좋다. 만약 DDGS의 조단백질 함량에 대한 라이신 비율이 2.80 이하이면 양계사료에 사용하지 않는 것이 바람직하며 부득이 양계사료에 사용하고자 할 때는 배합비 설계 시 합성 라이신을 반드시 보강해주는 것이 필요하다.