Phytase in Swine Diets - KSU Phytase Calculator

 

 

 

Phytate는 식물 기원의 사료에 인을 저장하는 주요 물질입니다.

그러나 phytate에 결합된 인은 20~30% 범위의 소화율로 대부분 돼지에게 사용할 수 없습니다.

Phytase는 phytate에 작용하여 돼지가 사용할 수 있는 형태로 인을 방출하는 효소입니다.

Phytate는 또한 단백질 및 미네랄과 복합체를 형성하여 영양소 흡수를 방지합니다.

phosphorus(인) 소화율을 개선하고 Phytate의 항영양 효과를 줄이기 위해 돼지 사료에 Phytase를 전략적으로 사용하는 방법이 이 팩트 시트에서 논의됩니다.

 

 

Phytate

 

Phytic acid는 일반적으로 phytate 형태로 식물에서 phosphorus(인)의 주요 저장고이며 식물 기원 사료에서 인의 60~80%에 기여합니다(Eeckhout and De Paepe, 1994).

Phytate는 6개의 인산염에 결합된 inositol bound(이노시톨)로 구성되며 약 28%의 phosphorus(인)을 포함합니다.

옥수수-대두박 기반 돼지 사료는 일반적으로 1%의 Phytate 또는 0.28%의 phytate-bound phosphorus(피테이트 결합 인)을 포함하지만 그 수치는 식단의 성분에 따라 다릅니다.

Phytate는 돼지의 인, 에너지 및 기타 영양소의 소화율을 감소시키기 때문에 돼지의 항영양 인자로 간주됩니다.

인 가용성에 대한 phytate의 항영양 효과는 돼지가 phytate에서 효과적으로 인을 방출할 수 없기 때문에 발생합니다. phytate는 돼지의 소화관에서 음전하를 띠게 되는데, 이는 phytate가 소화관에서 칼슘, 아연, 철과 같은 미네랄 및 단백질과 안정한 복합체를 형성할 수 있는 능력을 부여하여 영양소 흡수를 방지합니다(Woyengo 및 Nyachoti, 2013).

따라서 소화관 상부의 phytate 분해는 인 가용성을 개선하고 phytate의 항영양 효과를 제거하는 데 필수적입니다.

 

 

Phytase

 

Phytase는 phytate에서 인의 방출을 촉매하는 효소입니다.

돼지 영양과 관련된 phytase 공급원은 다음과 같습니다.

소장에서 생산되는 내인성 phytase,

대장에서 생산되는 미생물 phytase,

사료에서 파생된 고유 식물 phytase,

식단에 추가된 외인성 미생물 phytase (Humer et al., 2015).

내인성 phytase 활성은 돼지에서 무시할 수 있으며 사료의 고유 phytase 활성은 가변적이며 옥수수와 대두는 일반적으로 약간의 phytase 활성을 포함합니다(Eeckhout and De Paepe, 1994).

결과적으로 phytate에 결합된 인의 20~30%만이 이러한 phytase 공급원의 작용에 의해 방출됩니다(Adeola 및 Cowieson, 2011).

돼지 사료에 외인성 미생물 phytase를 첨가하는 것은 phytate에서 인 방출을 효율적이고 경제적으로 향상시키는 일반적인 관행입니다(Selle and Ravindran, 2008).

외인성 미생물 phytase의 효과는 수확 체감 곡선을 따르며, 대부분의 유익한 효과는 식이 phytate의 30~40%를 분해하는 데 필요한 phytase 용량 내에서 생성되고 그 이후에는 효과가 비례적으로 감소합니다.(Cowieson 외, 2017).

외인성 미생물 phytase는 일반적으로 대장균, 아스페르길루스 니거, 페니오포라 리시이 및 부티옥셀라 종과 같은 박테리아 또는 진균에서 유래합니다. (Selle and Ravindran, 2008).

이들 미생물 phytase제는 phytate에 대한 작용 부위에 따라 3- and 6-phytases로 나뉘며, 발생 세대에 따라 1세대 또는 신세대로 분류된다.

상업적으로 이용 가능한 돼지용 미생물 phytase는 모두 산성 phytase로 분류되며 최적의 활성은 pH 2.5~5.5입니다(Humer외, 2015).

Table 1은 돼지에 대한 현재 상업적인 일부 phytase 공급원의 특성을 나타냅니다.

 

 

 

 

 

Phytase activity

 

Phytase 활성도는 Phytase 단위(FTUs 또는 FYTs)로 표현됩니다.

1 FTU는 공식적으로 pH 5.5 및 온도 37°C에서 0.0051 mol/L sodium phytate(피테이트 나트륨)로부터 분당 1mmol의 무기 인산염을 유리시키는 데 필요한 phytase 양입니다(AOAC, 2000).

 

 

Phytase efficacy

 

phytase의 효능은 phytase 특성에 따라 다르며,

phytase origin(피타아제 기원 - 박테리아 또는 진균 피타아제), phytase generation(피타아제 세대 -제1세대 또는 신세대), phytate에 대한 phytase 작용 부위(3- 또는 6-피타아제, phytate에서 가수분해의 초기 탄소 부위) 등에 따라 결정됩니다. .

phytase 효능에 영향을 미치는 가장 중요한 특성에는 상부 소화관의 활동, phytate에 대한 친화성 및 분해에 대한 저항성이 포함됩니다.

 

 

Phytase 효능에 영향을 미치는 특성

 

상부 소화관의 활동:

소화관 상부(위 및 상부 소장)에서 phytate 분해는 인 가용성을 개선하고 phytate의 항영양 효과를 제거하는 데 필수적입니다(Dersjant-Li et al., 2014).

Phytase의 최적 pH 범위는 소화관 상부의 phytase 활성을 나타냅니다.

돼지의 공복 pH는 일반적으로 2.0~2.5이고 사료를 먹으면 점차 3.5~4.0으로 증가하는 반면, 돼지 상부 소장의 pH는 약 4.0~6.0입니다(Pagano et al., 2007).

Phytase 활동을 위한 최적의 pH는 일반적으로 2.5에서 5.5 범위에서 다양합니다.

 

Phytate에 대한 친화성:

가장 효과적인 phytase는 phytate에 큰 친화력을 가지고 있으며 낮은 농도와 많은 사료 공급원에서 phytate를 표적으로 삼을 수 있습니다(Dersjant-Li et al., 2014).

 

열화에 대한 저항성:

Phytase는 소화관에서 효소에 의해 분해될 수 있는 단백질이므로 가장 효과적인 phytase는 소화관에서 효소에 의한 분해에 내성이 있습니다(Dersjant-Li et al., 2014).

 

 

피타아제 효능에 영향을 미치는 식이 요인

 

Phytase 특성 외에도, 식이의 피테이트 양, 식이에 첨가된 피타아제의 양, 식이 제제를 포함하여 여러 요인이 피타아제의 효능에 영향을 미칩니다.

식이 제제가 phytase 효능에 어느 정도 영향을 미치는지는 명확하지 않지만 phytase 활성에 영향을 미치는 식이 요인을 이해하는 것이 중요합니다.

 

사료원료:

사료에 따라 phytate의 phytase에 대한 감수성에 상당한 차이가 있습니다.

또한 고유 phytase의 양은 사료에 따라 다르며, 예를 들어 밀은 옥수수보다 고유 phytase를 더 많이 함유하고 있습니다(Selle and Ravindran, 2008).

 

Phytase 대비 phytate의 비율:

phytate에 대한 phytase의 이상적인 비율은 phytate에서 인의 최대 방출을 허용합니다.

그러나 대부분의 경우 phytase 또는 phytate 수준이 제한적입니다.

Phytase가 제한 인자일 때, 더 많은 phytase를 추가하면 인의 방출이 향상됩니다.

Phytate가 제한 요인일 때 모든 phytate가 phytase에 의해 고갈될 때까지 인의 방출이 발생하지만 추가 phytase 추가로 개선되지 않습니다(Cowieson et al., 2016).

 

칼슘과 인의 무기 공급원:

칼슘과 인의 무기 공급원을 고농도로 사용하면 phytase 효능에 방해가 됩니다.

석회석 및 인산일칼슘과 같은 공급원은 내장 pH를 증가시킬 가능성이 있으며, 이는 phytase 활동에 영향을 미치고 phytate 용해도를 감소시킵니다(Dersjant-Li et al., 2014).

 

칼슘 수준 및 Ca:P 비율:

높은 칼슘 수치와 폭넓은 칼슘:인 비율로 구성된 식단은 phytase 효능을 낮출 것입니다.

칼슘은 phytate 활성에 대한 phytate 감수성을 감소시키는 phytate와 복합체를 형성합니다(Selle et al., 2009).

 

아연의 약리학적 수준:

약리학적 수준의 아연으로 구성된 식단은 phytase 효능이 낮습니다.

칼슘과 유사하게 아연은 phytate와 복합체를 형성하여 phytase 활성에 대한 phytate 감수성을 감소시킵니다(Selle and Ravindran, 2008).

 

 

Phytase 안정성

 

저장 및 사료 가공 중 phytase 안정성은 효능만큼 phytase의 궁극적인 가치를 결정합니다.

열 안정성, 코팅, 저장 형태, 저장 온도, 저장 기간 및 사료 가공을 포함하여 phytase 안정성에 영향을 미치는 많은 요인이 있습니다(Table 2).

 

 

 

열 안정성 및 코팅

 

Phytase는 저장 및 사료 가공 중 과도한 온도에 의해 변성되기 쉽습니다.

Phytase의 열안정성은 Phytase를 보호하기 위한 코팅 적용 또는 phytase를 본질적으로 열안정성으로 만드는 유전자 변형을 통해 달성할 수 있습니다.

열에 안정한 phytase는 열에 안정하지 않은 phytase에 비해 펠렛화하는 동안 저장 및 열 적용 시 고온을 견딜 수 있습니다(Slominski et al., 2007).

더욱이, 코팅은 또한 환경 손상으로부터 phytase를 보호합니다.

코팅된 phytase는 코팅되지 않은 phytase에 비해 프리믹스 성분, 높은 보관 온도 및 긴 보관 기간의 일부 부작용을 상쇄할 수 있습니다(Sulabo et al. 2011).

 

 

보관 형태

Phytase는 순수한 형태로 보관하거나 비타민 또는 비타민과 미량 미네랄과 혼합하여 보관할 수 있습니다.

Phytase 활성은 비타민만 함유한 프리믹스보다 비타민과 미량 무기질을 함유한 프리믹스에서 더 많이 손실됩니다.(Sulabo et al., 2011; De Jong et al., 2016).

Phytase와 프리믹스 성분의 상호작용은 Phytase 안정성에 영향을 미치는 것으로 보이며, 무기 미량 미네랄은 phytase와 상호작용할 가능성이 가장 높은 성분으로 지정됩니다(Shurson et al., 2011).

순수한 형태의 Phytase 저장은 Phytase 안정성을 최적화하고 보관 중 phytase 활성 손실을 최소화하는 가장 좋은 방법입니다(Sulabo et al., 2011; De Jong et al., 2016).

 

 

보관 온도

Phytase는 위치와 계절에 따라 보관 중에 다양한 온도와 습도에 노출됩니다.

고온 다습한 조건(예: 99°F 및 75% 습도)에서 보관하면 phytase활성이 상당히 감소합니다(Yang et al., 2007; Sulabo et al., 2011).

-4°F에서 냉동 보관하면 Phytase 활성도 감소합니다(De Jong et al., 2016).

일반적으로 실온(73°F) 또는 39~73°F의 낮은 습도에서 보관하는 것이 저장 중 phytase 안정성을 최적화하고 phytase 활성을 최대화하는 데 이상적입니다(Sulabo et al., 2011; De Jong et al., 2016).

 

 

저장 기간

Phytase는 함유율과 사료 분쇄기 부피에 따라 다양한 시간 동안 저장됩니다.

Phytase 활성은 저장 기간이 증가함에 따라 점차 감소하지만 저장 형태와 저장 온도 모두 저장 중 분해 속도에 영향을 미칩니다(Sulabo et al., 2011; De Jong et al., 2016).

일반적으로 순수한 형태로 90~120일 미만 또는 프리믹스에서 60일 미만 동안 phytase를 보관하면 phytase 안정성이 최적화됩니다(De Jong et al., 2016).

 

 

사료 공정

Phytase 안정성에 영향을 미치는 돼지 사료에서 가장 일반적으로 채택되는 사료 공정은 펠릿화입니다.

펠렛화 조건은 장비와 식단에 따라 다르지만 일반적으로 149~203°F 범위의 컨디셔닝 온도로 구성됩니다.

내열성 phytase를 사용하더라도 컨디셔닝 온도가 149°F 이상으로 증가하면 phytase 활성이 점차 감소합니다(De Jong et al., 2017).

대안으로, 액체 Phytase를 펠릿에 사후 펠릿 적용하는 것은 phytase 안정성을 유지하기 위한 한 가지 전략입니다(Gonçalves et al., 2016).

 

 

 

Phytase의 추가 인산 효과 - "Extra-phosphoric effects of phytase"

 

인 방출을 넘어서는 phytase 효과는 phytase의 'extra-phosphoric(인 외)' 효과라고 합니다.

Phytase의 주요 효과는 phytate에서 인을 방출하여 인 가용성을 향상시키는 것입니다.

그러나 phytate는 또한 소화관에서 단백질 및 칼슘, 아연, 철과 같은 미네랄과 안정한 복합체를 형성하고 영양소 흡수를 방지합니다(Woyengo and Nyachoti, 2013).

따라서 phytase의 extra-phosphoric 효과는 그러한 복합체의 해리를 통한 에너지, 아미노산 및 미네랄의 소화율 개선과 관련이 있습니다(Selle 및 Ravindran,2008)

Phytase 추가 인산 효과는 식이 요법에서 경제적 이점을 제공하고 식이 phytase의 가치를 향상시킵니다.

소화 가능한 칼슘 기준에서 칼슘 방출에 대한 매트릭스 값은 소화 가능한 인 방출과 유사한 것으로 보입니다.

그러나 다른 미네랄과 아미노산에 대한 매트릭스 값의 지정은 주의해서 채택해야 합니다(Cowieson et al., 2017).

효과가 더 다양하고 완전히 설명되지 않았기 때문입니다(Adeola and Cowieson, 2011).

특히 아미노산의 경우 아미노산 매트릭스 값의 사용을 뒷받침하는 증거가 있지만 그 효과가 명백하거나 일관적이지 않기 때문에 보다 보수적인 접근 방식을 사용하는 것이 적절합니다(Cowieson et al., 2017).

 

기존 수준(500~1,000 FTU/kg) 이상의 phytase를 사용하면 적절한 인 수준에서 예상되는 것 이상으로 성장 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력이 있는 것으로 보입니다(Zeng et al., 2014).

높은 phytase 수준의 정확한 작용 방식은 알려지지 않았지만, phytate의 더 큰 분해로 인한 인외 효과와 관련이 있는 것으로 여겨집니다(Adeola and Cowieson, 2011; Cowieson et al., 2011).

Phytate의 더 큰 분해는 phytate의 항영양 효과의 대부분을 제거하여 에너지, 아미노산 및 미네랄의 소화성을 더욱 향상시킵니다(Selle and Ravindran, 2008).

더욱이,phytate의 완전한 분해는 많은 대사 기능을 가진 비타민 유사 화합물인 미오이노시톨을 방출합니다(Laird et al.,2018; Moran et al.,2018).

높은 수준의 phytase를 사용하면 자돈의 성적에 더 큰 영향을 미칠 가능성이 있는 것으로 보며(Zeng et al., 2014; Gourley et al., 2018; Laird et al., 2018), 성장-비육 돼지 성능에 미치는 영향에 대한 증거가 적습니다(Holloway et al., 2016; Miller et al., 2016; She et al., 2018).

더욱이, 높은 phytase 수치의 영향은 수치를 이해할 경우 더 큰 것으로 나타납니다.

이 개념을 최고의 인과 통합하기 위해 칼슘 및 기타 미네랄은 식단에서 한계가 있습니다(Zeng et al., 2014; Miller et al., 2016; Laird et al., 2018).

또한, 높은 phytase 수치의 효과는 curve of diminishing returns(수확 체감 곡선)을 따르며, 대부분의 유익한 효과는 식이 phytate의 30~40%를 파괴하는 데 필요한 phytase 투여량 내에서 생성되고 그 이후에는 비례적으로 효과가 낮아지는 것으로 제안되었습니다 (Cowieson et al., 2017).

 

 

피타아제 공급원 비교

 

여러 phytase 공급원이 돼지 사료에 사용하기 위해 상업적으로 이용 가능합니다.

Pytase 특성의 차이와 제품 간에 유사한 인 방출에 대한 권장 수준의 차이로 인해 phytase 공급원을 효과적으로 비교할 수 있는 관심이 있습니다(Jones et al., 2010).

서로 다른 phytase 공급원을 비교하기 위한 접근 방식은 특정 가용 인 또는 표준화된 총관 소화 가능한 인 방출 값에 도달하는 데 필요한 피타아제 활성을 비교하는 것입니다.

이를 통해 동일한 활성 수준에서 제품을 비교하여 각 phytase 공급원의 대체율을 결정할 수 있습니다(Gonçalves et al., 2016).

Table 3은 현재 상업적인 phytase 공급원 중 일부를 비교하기 위한 aP 및 STTD P 방출 값을 나타냅니다.

돼지 생산자에게 일관된 정보를 제공하기 위해 데이터를 요약하고 계산기(KSU Phytase Calculator)를 개발하여 돼지 사료에서 인 방출에 대한 권장 사항을 제공했습니다.

이 도구에 사용된 데이터는 피타아제 공급업체에서 제공했으며 모든 방출 값은 골재, DEXA(이중 에너지 X선 흡수 측정법) 스캔 및/또는 데이터에서 사용 가능한 경우 골인 분석을 포함한 뼈 광물화 측정을 기반으로 합니다.

Pytase는 뼈의 광물화 이상의 성장 이점을 제공하는 것으로 알려져 있습니다.

그러나 이 도구의 목표는 뼈 광물화의 추정치를 기반으로  phytase 공급원에 대한 방출 추정치를 제공하는 것입니다.

더욱이 인 방출 값을 결정하는 데 사용되는 분석 기술은 상업적  phytase 제조업체마다 다양합니다(Jacela et al., 2010).

이 때문에  phytase 단위당 방출되는 인의 양은  phytase 제품마다 다릅니다.

표준 방법은 AOAC 분석(AOAC, 2000)이지만 일부  phytase 공급업체는 다른  phytase 특성에 따라 이 방법을 수정합니다.

 

 

 

 

이 계산기의 중요한 개념은 phytate P의 100%는 적절한 phytase가 있는 경우에도 소화할 수 없다는 것입니다.

따라서 예상되는 인의 방출은 식단 내 피테이트 P의 양에 따라 달라집니다.

방출될 수 있고 돼지에게 이용될 수 있는 피테이트 P의 정확한 비율은 현재 이용 가능한 완전한 정보가 아닙니다.

계산기는 적절한 피타아제가 이용 가능할 경우 방출될 수 있는 식이 피테이트 P의 잠재적인 양의 추정치를 제공하기 위해 기본값 70%를 사용합니다.

모든 계산에 사용된 피타아제 수준은 피타아제 공급원의 분석 농도를 기반으로 하며 피타아제 단위는 제조업체 분석을 사용하여 보고됩니다.

 

 

 

Phytase 제품 배합 기준

식이 phytase 수준 목표를 달성하기 위해 돼지 사료에 포함되어야 하는 phytase 제품의 양은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

식이 phytase 수준 목표, FTU/kg ÷ phytase 제품 농도, FTU/g = phytase 제품 포함, g/kg

Phytase 제품 포함, g/kg X 907.2 kg/ton = Phytase 제품 포함, g/완제품의 톤

(Phytase 제품 포함, g/ton ÷ 453.6 g/lb = Phytase 제품 포함,전체 식단의 lb/ton)

 

예를 들어 목표는 식단에서 200 FTU/kg의 phytase를 달성하는 것이고 phytase 제품에는 2500 FTU/g이 포함되어 있다고 가정합니다.

위에서 설명한 계산을 사용하여 식단에 포함해야 하는 phytase 제품의 양은 다음과 같이  72.6 g/ton (0.16lb/ton) 입니다.

 

200 FTU/kg ÷ 2500 FTU/g = 0.08 g/kg phytase product inclusion

0.08 g/kg X 907.2 = 72.6 g/ton phytase product inclusion

(72.6 g/ton ÷ 453.6 g/lb = 0.16 lb/ton phytase product inclusion)

 

 

Phytase calculator

상업적으로 이용 가능한 일부 phytase 공급원에 대한 식이 phytase 수준과 돼지 사료에 포함될 phytase 제품의 양을 결정하기 위해 phytase 계산기가 개발되었습니다.

(KSU Phytase Calculator)

 

 

GN12factsheetPhytase.pdf

0.26MB

 

 

KSU Phytase calculator 2022.xlsx

0.17MB