장건강은 의학과 동물건강에 자주 사용되는 용어이나 정의는 덜 되어있다. 영양을 통한 장미생물상 균형과 면역 반응성 조정 및 성장생산성 향상 사이에 합리적 연관성은 양질 단백질 생산요구 충족에 중요하다. 동물에서 대사 및 면역항상성 달성은 상호작용하는 영양소들 검출관리와 질병원들 검출 관리수단이다. 영양소, 독소들, 그리고 무익(無益)세균에 대한 면역반응은 유전인자 및 가금의 생산환경의 영향을 받는다. 장내 미생물생태계의 부정적 영향력 극복을 위한 효소제, 프로바이오틱스같은 사료첨가제들의 계군적용에 의한 장건강과 생산성 조정 역할이 밝혀지고 있다.
균형 미생물상과 영양은 상호작용한다
가금의 장미생물상(microbiota:미생물군 유전체:microbiome)균형은 장건강 달성에 가장 중요하다. 장미생물상은 장형태, 영양, 장질환 및 면역반응에 영향을 미치기 때문이다. 영양은 장미생물군집들(microbial communities)과 숙주 면역반응에 영향을 미치고, 장미생물상은 장 점막층, 상피세포들 그리고 면역세포들의 동적(動的)균형에 영향력을 행사한다.
성숙 장미생물상으로의 발달은 병아리부화시부터 시작한다. 부화직후 부터 환경과 사료세균이 장에 부착하기 시작하므로, 가금과 미생물의 사이좋은 관계발전이 장건강 달성을 위한 관건이 된다. 특히 밀집사육 환경에서는 방어적 장미생물상 발달이 생산성 향상을 위하여 넘어야 할 과제로서 매우 중요하다. 깔짚에 존재하는 무-익세균(無益細菌:non-beneficial bacteria)이 신속히 어린 병아리 장에서 증식하여 건강에 영향을 미치기 시작한다. 영양과 육추환경에 따라서 2-3주 이내에 성숙닭의 전형적 소장 미생물상이 확립되고, 다음에 안정적 세균성장이 지속한다(Snel 등, 2002). 성숙부로일러의 장은 500종 이상 세균의 숙주가 되며, 이들은 그램-음성 세균 보다 항생물질 감수성이 높은 그램-양성 세균들이다. 이 세균들의 수는 가금세포수의 10배가 넘는다. 충분히 성숙한 미생물상은 불균형(不均衡)시에 문제가 될 수 있는 무-익세균을 함유한다. 미생물상 불균형은 면역기관을 자극하고 이어서 진행하는 염증반응 해소를 위한 에너지를 소비와 내인성 손실을 증가시킨다. 미생물상 불균형이 끼치는 장 대사의 부정적 영향은 일당 에너지소비의 20-36%를 증가시켜서 성장생산성에 파급 된다. 질병증세 발현 오래전에 미생물상 불균형은 사료요구율을 저하시킨다는 증명이 많다.
소장내 미생물과 성장은 가금의 영양소 소화율저하와 관련이 있다(Smits, 1996). 불소화 영양소들이 장 후반부로 흘러 들어가면 성장생산성에 영향을 미칠뿐만 아니라 미생물상 불균형으로의 전환에 직접 기여하여 사료요구율과 가금건강에 나쁜 영향을 미친다(Romero 등, 2011).
성장촉진용 항생제
항생제작용양식 아직 불분명 : 건강촉진용 사료첨가항생제들(AGPs)의 사용금지나 사용량 감소가 진행되는 시점에서 장미생물상 균형유지를 위하여‘영양을 통한 장건강 관리’는 중요하다. 성장촉진용 항생제들은 증체효과가 1946년 발표된 이래 비-치료 가금산업용으로 널리 사용되어 왔다. 항생제들의 작용양식은 수많은 연구가 실시되었지만 아직도 100% 분명하지 않다. 항생제들의 가장 유력한 증거는 성장률을 저하시키는 미생물대사물 감소작용과 점막 두께를 두껍지 않게 억제하여 영양소 흡수를 높이는 점이다(Andersen 등,1999, Visek 1978). 한편 가금이 생리적 스트레스하에서 AGPs는 더 잘 작용한다(Andersen 등,1999). 가금은 보통 사용되는 항생제들 대부분에 대하여 면역반응을 한다는 연구증명이 있다(Kabir, 2009).
항생제 내성과 사용금지 : AGPs가 가금사용 개시 한해 전 1945년에 항생제들 비-치명적 투여량 사용은 저항성 유전자 생성으로 세균들 생존을 가능하게 한다고 경고되었다. 한편 항생제 내성은 가장 일반적인 전세계적 사람의 설사원인균인 살모넬라종들(Salmonella spp.)과 캄필로박터 종들(Campylobacter spp.)에 식품사슬을 통한 전파가 가능하다는 증명이 쌓이고 있다. 식품 안전성 염려 때문에, 지난해 미국의 네 개 주들은 항생제 사료용 사용 금지에 서명하였고, 말레시아는 전면적 항생제 금지를 고려하고 있다. 미국의 세 번째로 가장 큰 식품 회사인 퍼듀푸드(Perdue Foods)는 최근에 가금 계군에 많든 적든 사람용 항생제들 투여를 완전중지성명을 발표하였다. 식품회사 맥도날드(McDonald's), 칙필레(Chick-Fil A) 및 타이슨(Tyson)은 모두 사용량 감소을 맹세하였다. 이미 EU는 2006년에 한국에서는 2011년에 전면적 사용이 금지되었다.
아직도 사용되는 항생제 : 성장 생산성 향상을 위한 AGP's 의존 때문에 사료용 항생제들 사용감소 규제법률은 전세계의 주요 가금생산지역에서 큰 충격을 주고 있다. 미국에서는 한해 판매항생제들의 80% 이상이 축산용으로 사용된다. 중국은, 세계에서 두 번째로 큰 가금생산과 가장 많은량의 사료수입국으로 다른나라들보다 더 많은 량의 항생제들을 생산하여 사용하고 있다. 사용되는 항생제들의 반 이상이 축산용이다. 부라질은 전세계에서 첫번째 가금육 생산국이지만, 모범적 생물학적안전성 실천으로 사용량이 낮다. 부라질 중서부의 대규모농장과 기계환기실시는 부로일러의 항생제들의 치료적 사용 필요성 증가를 의미한다.
안정장생태계 유지용 항생제대체제 : 가금생산자들에게 치료량이하 항생제 사용량 감소로 인한 동물 생산성과 생존율 감소를 개선하는 방법들을 찾는 것은 무었보다도 중요하다. 한편 안정 장생태계 보장을 위하여 무익(無益)미생물들과 싸우기 보다는 유익(有益)미생물의 접종 양생(養生)에 의한 생산성향상 추구도 중요하다.
효소제의 프레바이오틱스 작용들
사료첨가제로서 크실라나아제(xylanase), 아밀라아제(amylase) 및 프로테아제(protease)같은 효소들 사용은 장 미생물상 균형을 개선한다. 십이지장(duodenum), 공장(jejunum) 및 회장(ileum)에서‘기질들('substrates)'로 사용되는 불소화영양소들의 양을 감소시키기 때문이다(Romero 등, 2013, 2014). 옥수수-기반 사료들은 소화성이 높으나, 옥수수는 경작과 수확 상황들에 따라서 섬유질 함량이 높아지므로 품질이 다양하다. 크실라나아제 같은 효소들은 옥수수-기반 및 소맥-기반 사료들에서 불용성 아라비녹실란들(헤미셀루로스) 분해에 두드러진 영향력을 행사한다(Kiarie, Romero 및 Ravindran, 2014). 프로테아제는 세포벽들의 구조 단백질들 분해로 들어나는 섬유의 소화를 돕는다(Colombatto와 Beauchemin, 2009). 크실라나아제와 프로테아제는 옥수수-용출물함유 주정박(DDGS)에서 펜토산들(pentosans)과 단백질 추출에 공동작용을 한다.
프로테아제는 세포벽 구조탄수화물 분리 : 부로일러 사료들에서 프로테아제 반응으로 크실로즈(Xylose)와 아라비노스(arabinose)의 소실율이 증가한다(Olukolsi 등,2012). 프로테아제의 정상적 효능은 단백질소화이지만, 프로테아제의 섬유 가용화작용 존재는 분명하다. 프로테아제는 세포벽들의 구조단백질들을 분리하여 섬유소화율 개선을 돕는다(Colombatto과 Beauchemin, 2009). 섬유소화율 개선은 영양소함량을 높이고 가금 장내 균형미생물상 형성을 촉진하는 효과들을 가진다.
불소화단백질 분해로 장기능개선 :불소화단백질은 프로테아제 및 프로테아제-크실라나아제 혼합물들로 소화가 가능하다. 한편 장내 불소화단백질 존재는 가금의 괴저성장염(壞疽性腸炎: necrotic enteritis) 관련 클로스트리듐퍼프린젠스 정착 및 콕시듐증 발병 요인중 하나이다(Williams, 2005). 불소화단백질과 불소화전분은 괴저성장염 관련 세균불균형증(dysbacteriosis)의 취약요인(predisposing factor)이 되는 역할을 하고, 프로테아제 첨가는 아이메리아 종들(Eimeria spp.)로 공격한 가금들의 생산성이 개선된다(Peek 등, 2009). 콕시듐 아이메라아 종들(Eimeria spp.)은 괴저성장염의 취약요인들 중 하나이다.
프로테아제는 불소화단백질 저하작용 뿐만아니라 직접적 점액생산을 자극하여 콕시듐공격들에 대한 닭들의 더 양호한 생산성 반응들과 관련이 제안되었으나(Peek 등, 2009), 아직 확인이 남아있다.
크실라나아제의 아라비노-크실로 올리고당들(AXOX) 생성 : 크실라나아제 같은 효소들은 소장에서 가용성 아라비녹실란들(arabinoxylans)을 가수분해하여 아라비노스-크실로스 올리고당들(arabino-xylo-oligosaccharides:AXOX)을 생성한다. AXOX는 소화물점성을 저하시킬 뿐만아니라 유익균들 성장을 선별적으로 자극하는 프레바이오틱스(prebiotics) 기능을 수행한다.
한편 특히 AXOX 맹장발효로 장내에 단쇄지방산들(SCFA)들이 생성되어 동물의 에너지원으로 이용된다. 인비트로에서 소맥강을 크실라나아제 프레바이오틱스로 가수분해로 유도된 단쇄 arabino-xylo-oligosaccharides(AXOS)구조에 따른 사료급여 쥐 맹장내에서 비피더스 균수가 달라졌다. 건강관련 곡물유래 AXOS는 제2형 당뇨병환자들에서 분중 물기와 점조도를 정상화(Okazaki등, 1990)하여 혈액 포도당 수준들을 개선한다.
닭에서 AXOS는 가금의 맹장, 총배설강 그리고 비장에서 살모넬라를 저하시킨다. 소맥과 옥수수 기반 사료들에 크실라나아제 적용은 맹장에서 휘발성지방산 생산을 증가시킨다(Kiarie 등, 2014). 또한 고초균(枯草菌:B. subtilis) 유래 크실라나아제와 프로테아제 첨가 소맥기반 사료들을 급여한 부로일러들의 맹장에서 부가적인 SCFA생산이 관찰되어 왔다(Choct 등,2009). 한편 소맥기반 사료에 크실라나아제 적용은 캄필로박터제주니(Campylobacter jejuni)공격 모델에서 가금생산성 개선이 증명되었다(Fernandez 등, 2000).
프로바이오틱스의 유익성
사료첨가 효소들처럼 프로바이오틱스(probiotics)는 생산성개선을 지원한다. 프로바이오틱스는 살아있는 미생물 사료첨가제들로 숙주동물의 장미생물 균형개선에 유익한 작용을 한다(Fuller 등, 1989). 유익작용 양식은 가금 장(腸)에 다양하고 안정한 미생물군의 확립유지로서 효소들과 다르 다. 장 환경에 안정 미생물군이 확립유지되면 동물생산성 저 가능성이 있는 미생물군집화를 억제한다(Lee 등, 2010).
포자형성 바실러스 : 프로바이오틱스는 가금생산업자들이 실행가능한 항생물질성장촉진제들 (AGPs)대체제들의 중요한 수단들로 떠올랐다. 포자(아포)형성 바실루스 속인 B. amylo-quifaciens, 바실러스리체니포르미스(B.licheniformis), 바실러스푸밀리스(B. pumilis) 및 바실러스서브틸리스(枯草菌:B. subtilis)는 특히 동물사료 첨가에 좋은 조건이다. 소화과정과 사료생산과정에서 안정성이 증명되어 있기 때문이다. 내생포자(endospore) 형성 바실러스 속은 장내 효소적 소화와 강산성(强酸性)에서 선천적저항성을 가지고 착생능력이 있어서, 소화관 상부의 산성환경에서 살아남아서 위장관 하부의 작용위치에서 군집을 형성한다(Alexpoulos 등;Duc 등; Jorgensen과 Kurti, 2004; Jadamus등, 2002; Hoa 등, 2001, Adami 과 Cavazzoni,1998). 바실러스는 pH, 온도, 그리고 영양소 부족 같은 스트레스 환경을 만나면 증식이 가능한 환경이 될 때까지 선천적으로 내포라고 불리는 저항성 ‘외투:coats’를 만들고 대사적휴면기를 유지한다. 바실러스 포자는 증식에 도움이 되는 환경에서는 활성세포로 변하여 일시적으로 장벽에 부착하며, 불과 40분이내에 분명한 작용이 가능한 2배수로 증식한다. 장관에서 산소를 섭취하여 서브틸리신(subtilisin:세린단백질가수분해효소) 와 카탈라아제(catalase:과산화수소분해효소)같은 효소들을 생산하고, 균주는 유산(젖산)균과 같은 유익균 생성 환경을 만들며, 유산균들은 장점막에서 군집을 형성하고 유해세균의 부착위치를 선점 억제한다. 한편 유산균이 생성한 유산은 살모넬 라 , 대 장 균 , 캄 필 로 박 터(campylobacter)와 클로스트리듐(clostridium) 같은 유해세균의 양을 감소시킨다(Hosoi 등, 2000; Maruta 등, 1996, Fritts 등, 2000; Ragione과 Woodward, 2003).
이와같이 바실러스는 환경변화 와 치료제 과사용 같은 스트레스시에서 가금 생산성을 돕는다. 성장중인 동물들에서는 대장균들의 군집화 억제로 장벽 융모발달을 촉진하고 동물의 영양소 흡수능력을 향상한다(Lee 등, 2010). 다른 프로바이오틱스들과는 달리 열(熱)과 고압(高壓)에 견디는 바실루스 속들은 사료산업에 일반적으로 사용되는 적대적 고압증기 펠릿화과정에서 생존하고, 생존기간이 길어서 사료생산업자들에게 유익하다.
다중-바실루스 균주 : 최고 성장생산성을 달성하는 가장 효과적 균주분리 확인실험은 바실루스 공급원 선정에 필요하다. 다중-바실루스 균주는 동일 단일균주보다 더 효과적이다. 부화 후 첫주의 다중-바실루스균주 접종으로 분명한 사료요구율 개선작용이 증명되었다. 부화후로부터 28일령까지 궤사성 장염에 걸린 부로일러에서 다중-바실러스 균주적용으로 증체가 개선되었다(도표 1).
<도표1> 바실러스 다중-균주는 0-28일령 닭에서 궤사성 장염 공격시에 증체를 개선하였다.
(주) Body weight gain(g):증체중(g), FCR: 사료요구율, Unchallenged control: 대조 미접종, Challenged control:대조 궤사성장염균 접종, CC+BMD: 궤사성장염균 접종+바실러스 다중균주, CC+DFM: 궤사성장염균접종+직접급여 미생물.
발가락바닥 피부염 : 다중-바실루스 균주 프로바이오틱스는 닭 발가락 상처시에 현저한 개선원인이 되었다. 닭발은 아시아시장에서 가치있는 제품들이다. 발가락바닥피부염(Footpat dermatitis)은 특히 깔짚과 가금들에서 주로 관찰되는 황색포도상구균 (Staphylococcus aureus)과 대장균( E. coli) 같은 세균감염들에 의해서 발병한다. 발가락바닥피부염은 시각적 조직결함 원인으로 저 품질 닭발이 되므로 생산자들에게 중요한 문제점이다. 가금사료에 다중-바실루스 균주 급여는 발가락바닥피부염 점수를 개선하였다.
용량 적정화 : 각 생산단계에서 프로바이오틱스의 적정량 결정은 공급자와 소비자의 공동조사가 요구된다. 가금장내에서 세균착생과 증식을 위한 영양소들과 위치는 제한되므로 과량첨가는 양호한 성적을 얻는데 불필요하다. 실제로 다중 바실러스 균주는유익성 제공 없이 바로 장관을 통과할 뿐만 아니라 균주들은 위장관에서 착생부위들과 경합하고 염증반응원인이 될 수 있다. 이것은 가금이 성장 생산성으로 향할 에너지를 소비하게 한다. 용량 적정화는 바실루스가 동물의 면역기관에 과부하 없이 균주의 발생개시와 증식이 가능한 양이다.
다른첨가제들과의 시너지 : 바실러스 균주들의 다른 장점은 유기산들, 항생제들(Einthoven과 van der Lee,2004) 및 효소제들 같은 여러 생산성향상 영양첨가제들과의 양립(공존)성이다(도표 2). 몇 개의 섬유성 곡류 부산물들을 함유한 옥수수/대두박 사료를 급여한 정상 부로일러들을 사용한 실험에서, 다중 균주 바실러스 프로바이오틱과 크실라나아제, 아밀라아제 및 프로테아제 효소들을 첨가하면 질소보정 외관상 대사에너지(AMEn)값이 유의하게 증가하였하였다(Romero 등, 2013). 이러한 대사에너지값 증가들은 한편 특정 궤사성장염(NE) 공격 모델에서도 관찰 되었다(Southern Poultry Research Georgia, USA,2013). 양쪽 실험들에서 혼합제품은 체중보정 사료요구율(FCR) 개선으로 현사료 가격을 기준으로 공격한 대조 대비 생체중증가당 비교 비용으로 14%의 순이익 증가를 주어서, 실험적 NE 공격 상황에서 높은 경제적 가치를 설명한다.
<도표2> 다중-균주 바실러스 프로바이오틱스와 크실라나아제, 아밀라아제 및 프로테아제 조합으로 급여로 생성된 외관상 대사에너지값(AMEn)의 증가
(주) AMEn (kcal/kg DM): 외관상질소보정 대사에너지 값((kcal/kg 건물),control:대조, Bacills: 바실러스 첨가사료,XAP:크실라나아제, 아밀라아제 및 프로테아제 첨가사료, Bacillus+XAP : 바실러스균주+크실라아나아제, 아밀라아제 및 프로테아제 첨가 사료.