에너지는 생산성이 높은(high performance) 동물들이 섭취하는 사료들 가운데 가장 비용이 많이 들어가는 성분이다. 사료 배합설계에서 에너지밀도가 높은 유지(油脂)들(fats and oils)은 중요한 에너지급원(給源)들로서, 이 원재료들의 에너지이용효율 상승은 수익성 개선에 중요하다. 영양소유화제들(Nutritional emulsifiers) 사용으로 지방소화율 개선과 에너지 이용효율 향상이 가능하다. 영양소유화제들에 의한 지방소화율 상승은 사료비용 절감과 보다 경제적인 환경친화적 동물생산에 기여하는 결과를 가져온다.
지방소화
유지(油脂:fat and oil) 또는 지질(脂質:lipid)이라는 용어들은 여러 프로필의 지방산들(fatty acids)을 가진 트리글리세리드들(triglycerides:중성지방)을 가리킨다. 소위 유리(遊離)지방산들(free fatty acids)은 글리세롤(glycerol) 같은 다른 유기화합물들과 결합하지 않은 지방산들을 가리킨다. 지질들은 모든 영양소들 중에서 가장 높은 칼로리 값을 가지므로 동물들의 주 에너지 급원으로 기여한다. 동물이 사료함유 지방으로부터 얻을 수 있는 에너지량은 지방소화율에 따르며, 소화율이 높으면 지질의 유효에너지(available energy) 함량이 높아진다. 동물에서 지방소화율은 지방의 여러 특성들과 사료에 첨가된 절대 지방함량과 관계가 있다. 연령과 같은 동물인자들도 또한 소화율에 영향을 미친다.
어린 닭들은 자체 지질분해 소화효소(리파아제) 생산수준이 낮으므로 지방소화가 제한되나, 사료에 유화제(乳化劑: emulsifiers)들 첨가로 지방소화율 향상이 가능하다. 지방소화에서 처음단계는 수분이 많은 장내강(腸內腔) 환경에서 장 연동운동(?動運動: peristaltic movement)의 도움으로 대형지방구(脂肪球:)(fat globules)들을 함유한 유화액(乳化液)이 된다.
정상적으로 지방과 수분은 혼합되지 않으므로 자체생산 유화제인 담즙산염들과 뒤섞이므로써 지방구 생성과정을 돕는다. 소형지방구들(Smaller fat droplets)이 형성되어 소화효소 리파아제와 접촉하는 표면을 넓어지며, 리파아제는 췌장에서 생산되어 장내강으로 분비되고 지방을 분해한다. 지방과 기름(油脂)들은 글리세롤(glycerol)과 세 지방산들의 에스테르(esters)들로서, 리파아제들의 작용에 의하여 지방산들은 글리세롤로부터 가수분해된다. 가수분해 결과 중성지방으로 부터 두 개의 지방산들과 하나의 모노글리세리드 (monoglyceride)를 만들어 낸다.
다음 단계는 미셀(micells:교질 (膠質)입자)들의 형성이다. 미셀들은 극성(極性) 및 비극성(非極性) 기(基) 양쪽을 가지는 지질분자들이 물에 녹아있는 모양(용해모양(溶解模樣):water soluble aggregates)들 이다. 분자들은 미셀들내에서 극성기들 쪽은 액상과 접해있는 외측(外側)에, 비극성기쪽들은 미셀들의 내부 지질중심부에 집단으로 모인다(그림 2 참조). 담즙산염과 모노글리세리드는 유화제로서 미셀들 형성을 촉진한다. 미셀들이 미융모(微絨毛) 세포막(micro villous membrane)과 접촉하면, 미셀들은 파괴되고 지방산들은 친유성세포막(親油性細胞膜:lipophilic cell membrane)에 의하여 흡수 될 수 있다. 그림 2에 지방흡수 과정이 그림으로 설명되어 있다.
<그림1> 수용액중 인지질로 형성된 미셀(micell) 모식도 (위키백과)
(주) hydrophilic head : 친수성 머리
Aqueous solution : 수용액
Hydrophobic tail : 친유성 꼬리
<그림2> 지방소화 3 단계 : 1) 소형 유화구들 형성 2)리파아제의 의한 가수분해 3) 미셀들의 형성과 상피세포층에서 세포내 진입.
(주) Fat globules (lipids): 지방구들 (지질), Bile salts/Excential Energy Plus:담즘산염/에너지플러스, Emulsion droplets:유화구들, Digestion by lipase:리파아제에 의한 소화, Free fatty acids+monoglycerides:유리지방산들+모노글리세리드을, Micelles:미셀들, Epithelial cell layer:상피세포층.
영양소유화제(乳化劑)들
담즙산염들(Bile salts)은 자체생산유화제들(natural emulsifiers)이다. 한편 지방가수분해로 형성된 모노글리세리드들(monoglycerides)도 유화제들로서 작용한다. 그러나 이 자체생산 유화제들 량(量)이 낮아서 유화제들 작용용량이 적어지면 지방소화에 제한요인이 될 수 있다. 어린동물들은 담즙산염들의 생산이 한정되어 있어서 생애초기에는 지방소화율 증가가 제한된다. 또한 사료에 함유된 유지(油脂)특성도 지방소화율을 제한할 수 있다.
유리지방산들 함량이 높은 지방산 혼합물들은 모노글리세리드 형성이 되지 않으므로 낮은 유화용량(乳化容量)을 가진다. 장쇄(長鎖)불포화지방산들과 모노글리세리드들은 미셀들을 신속히 형성하고 한편 낮은 극성(極性)이 특징인 포화(飽和)지방산들의 미셀형성능력은 낮다. 지방의 특징들은 지방소화율 차이를 설명한다. 동물지방은 대부분 포화지방산들로서 이들은 식물성지방과 같은 불포화지방산들에 비하여 일반적으로 쉽게 소화되지 않는다.한편 높은 수준의 유리지방산들은 소화율이 한정되나, 외인성(外因性) 영양소유화제들의 도움으로 소화율을 높일 수 있다. 분명히 매우 소화성이 좋은 지방의 소화율에 비교하여도 유화제 첨가로 지방소화성이 높아지는 효과가 있다.
한편 지방 첨가량이 높으면 이러한 상승효과는 더 분명해진다. 소화율이 높은 지방일 지라도 모든 경우에 유화제 혼합으로 소화율 개선효능이 관찰되었다.
중요한 친수성-친유(소수)성균형(HLB)
유화제는 수용성(친수성) 머리와 지용성(친유성) 꼬리를 가지고 있는 분자들이다. 하나의 분자내에 이 두가지 성질들의 조합이 유화제에 독특한 성질을 부여한다. 유화제가 지방 뿐만 아니라 물에도 녹을수 있는 독특한 성질을 부여하고, 지방과 물 두 분획들의 혼합을 도울수 있다. 여러 형태의 유화제들이 시판되므로 구입이 가능하다. 하나의 유화제를 선택할 때 유화제의 친수성-친유성균형(Hydrophilic-Lipohilic Balance :HLB) 원칙이 중요하다. HLB는 지방 또는 물에 한 제품의 용해정도를 판단하는 값을 제공한다. 척도는 0에서 20까지이다. HLB가 낮을수록 지용성(脂溶性)이 커지고 또한 친유성(親油性) 유화제가 된다. HLB값이 높을수록 수용성(水溶性)이 커진 친수성(親水性) 유화제가 된다(그림 3).
<그림 3> 친수성-친유성 균형(HLB)은 0에서 20까지 범위의 척도를 가진다.
(주)Lipophilic emulsifier(mix water in oil W/O): 친유성 유화제 (물을 기름에 혼합한다) , Hydrophilic emulsifier(mix oil in water O/W):친수성유화제(기름을 물에 혼합한다), Lecithin:레시틴, LysoLecithin:리소레시틴, Excential Energy Plus:엑센셜 에너지 플러스. 소량의 물이 지방 함량이 높은 환경에 혼합될 때 , 낮은 HLB가 권장된다 (지용성 유화제). 소량의 지방이 액상환경으로 혼합할려면 높은 HLB의 유화제가 권장된다(수용성 유화제).
유화제의 사용목적에 따라 낮거나 높은 HLB를 가진 유화제들 중에서 어느것이 더 적절한지 여부를 결정해야한다. 이상적으로 유화제는 연속상(連續相:continuous phase)에 용해되어야 한다(Bacroft 법칙). 소량의 물이 지방함량이 높은 환경으로 혼합할때는 낮은 HLB가 권장된다(지용성 유화제). 소량의 지방이 액상환경으로 혼합할려면, 높은 HLB를 가진 유화제가 요구된다(수용성 유화제). 한정된 양의 지방이 장(腸)의 물기 많은 환경으로 첨가할 때는 영양소유화제(nutritional emulsifier)가 사용되는 경우이다. 닭은 섭취사료에 비하여 1.5~2.0배 더 많은 물을 흡수한다. 그리고 사료는 소량의 지방만을 함유하므로, 장내강에서 물의 량은 지방량보다 높다. 이러한 경우에는 높은 HLB가 더 적합하므로, 액센셜에너지플러스와 같은 매우 높은 HLB(매우 수용성)를 가진 영양소유화제를 사용한다. 이러한 영양소유화제의 HLB는 레시틴(lecithin)과 리소레시틴(lysolecithin) 같은 영양소유화제의 HLB보다 높다(그림 2). 높은 HLB의 효능으로 인하여 지방 소화율 개선은 매우 높다.
동물 실험들
브로일러 사료에 함유된 지방의 소화율에 미치는 유화제들의 작용이 몇 개의 실험에서 증명되었다. 첫 번째 실험에서 모두 모두 비교적 높은 HLB를 가진 네 개의 영양소유화제들이 사료에 첨가되었다. 네 개의 유화제들 모두 지방과 에너지 소화율을 증가 시켰다. 그리고 지방 소화율 증가는 사료에 높은 외관상대사에너지(AMEn)값을 가져왔다. 유화제B(엑센셜에너지플러스)는 지방소화율을 가장 많이 높여서 상승된 에너지값이 거의 140kcal에 가까웠다(표 1).
표 1. 브로일러 사료들의 지방, 조단백지(CP) 및 총에너지(GE) 그리고 에너지 함량(AMEn)
같은 칸에서 다른 어께글자를 가진 숫자 사이에는 p<0.05에서 유의차 있음.
(주)유화제 B는 에너지 플러스. CP:조단백질, GE:총에너지, AMEn:질소보정 외관상대사에너지, DM: 건물
두번째 실험에서, 영양소유화제 B(에센셜에너지플러스)를 첨가한 저에너지 사료의 배합설계가 가능한지 실험하였다. 두 가지의 다른 기초사료에 여러 농도의 지방함량을 함유시켜서 실험되었다. 사료 1은 전통적 지방함량을 함유하였다. 사료 2는 높은 포화지방산을 함유하고 높은 수준의 유리지방산을 함유한 것이다. 두가지 사료에 대한 전(全) 사육기간의 실험성적이 표2에 요약 되었다. 에너지함량이 낮아도 유화제를 첨가한 사료들을 급여하면 대조사료와 동일한 생산성을 보였다. 생산성은 영양소유화제(엑센셜에너지플러스) 첨가로 5.3% 낮은 에너지 함량을 보상하는 것이 가능하다는 것을 보였다.
표 2. 영양소유화제 첨가 사료를 급여한 브로일러의 전 사육기간 (0-39일령) 생산성
(주)U/S: 불포화지방산/포화지방산. FFA:유리지방산. 영양소유화제는 엑센셜에너지플러스.
에너지 절약, 비용 절약
사료에 영양소유화제(예:엑센셜에너지플러스)첨가는 사료중 에너지함량 저하를 보상할수 있다. 이점은 브로일러 사육업자들에게 무엇을 의미하는가? 영양소유화제 첨가로 사료가 낮은 에너지 함량으로 배합설계가 가능하므로 비싼 지방 첨가를 저하시킬수 있고, 결과로서 사료제조 원가(原價)를 낮출 수 있다는 것을 의미한다. 원가에 미치는 이러한 영양소유화제의 효능범위는 사료설계에 있어서 영양적 제한점들과 사료원료가격들에 따른다. 영양제한 사항들과 사료원료가격들은 지역들에 따라 다르고 그리고 시간에 따라 다양할 것이다. 유화제 첨가효능의 크기에 대한 하나의 통찰력을 얻기 위하여 여러 에너지 함량을 가진 전형적인 브로일러사료가 배합설계되었다. 표3에는 사료의 원가에 미치는 효과를 나타내었다. 이러한 실제 예로부터 기초사료의 에너지 함량을 3150에서 3050kcal로 저하는 지방과 기름의 첨가를 감소시킬 것이다. 이점은 10US$/MT 보다 많은 원가의 절약을 유발한다.
표 3. 여러 ME 함량을 가지도록 설계된 브로일러사료(육성기 10-30일령)의 원가
영양소유화제 배합은 사료비용을 절감한다
에너지는 생산성이 높은 동물들의 사료비용을 지불하는 주 성분이다. 영양소유화제들은 지방소화율 향상에 사용이 가능하므로 에너지 이용효율을 개선한다. 실제생산 관점에서 영양소유화제에 의한 지방소화율 향상은 낮은 에너지 함량의 사료들에 영양소유화제 배합설계로 높은 에너지 함량의 사료와 동일한 생산성유지가 가능하다는 것을 의미한다. 영양소 유화제 사용은 사료비용을 절감하고 보다더 경제적 친환경적 동물생산에 기여한다.