17. Enzymes and Enzyme Supplementation of Swine Diets - Sustainable Swine Nutrition 2nd Edition

 

17.  Enzymes and Enzyme Supplementation of Swine Diets

Chan Sol Park and Olayiwola Adeola

 

 

Introduction

 

돼지 사료는 곡물에서 유래한 사료 성분과 지방추출된 콩과 식물 종자등의 단백질이 풍부한 부산물을 기반으로 만들어졌습니다

식물 사료 성분의 대부분의 영양소는 돼지 내인성 효소에 의해 소화될 수 있지만 영양소의 소화 및 흡수는 종종 식물 사료 성분의 식이 항영양 성분의 존재로 인해 방해를 받습니다.

또한 고농축 식이항영양소를 함유한 대체 사료원료(예: 곡류 가공 부산물, 콩과류, 콩 이외 종자의 기름추출 부산물)의 재사용 및 생산원가 절감이 주목받고 있다.

 

Phytic acid는 식물 사료 성분에서 P의 주요 저장 형태입니다.

대부분의 식물 사료 성분에는 상당한 농도의 P가 포함되어 있습니다.

그러나 phytic acid의 P는 내인성 phytase 생산이 낮고 위장관(GIT)에서 phytate(양이온을 가진 염 형태의 phytic acid)의 용해도가 낮기 때문에 돼지에 의해 거의 소화 및 흡수되지 않습니다.

따라서 식물 사료 성분에 있는 P의 대부분은 소화되지 않고 분변으로 배설되어 부영양화를 일으킬 수 있습니다.

게다가, 식물 사료 성분에서 P의 소화율이 낮기 때문에, mono- or di­-calcium phosphate 같은 무기 P 공급원은 돼지 사료에 사용되어 왔는데, 한정된 공급원으로 생산 비용의 상당 부분을 차지합니다.

식이 phytate 및 섬유질의 부정적인 영향으로 인한 영양소 이용 감소는 돼지 사료에서 영양소의 과잉 공급을 초래하여 영양소 배설 및 총 생산 비용을 증가시킵니다.

이러한 항영양 인자의 부정적인 영향을 완화하기 위해 외인성 효소가 돼지 사료에 사용되었습니다.

 

현재 세계 사료 효소 시장은 약 9억 4천만 달러입니다.

동물 사료에서 외인성 효소의 사용은 2024년까지 미화 10억 달러를 넘어설 것으로 예상되며, phytase, carbohydrases, and proteases는 사료 효율 및 영양소 활용을 개선하고 환경 오염배출원을 줄이기 위한 주요 동물 사료 효소로 사용됩니다.

Phytase와 carbohydrases는 돼지 사료에서 식이 phytin and carbohydrates 를 분해하는 두 가지 지배적인 외인성 효소입니다.

또한, phytase 를 초과 투여하면 예상 반응을 초과하는 돼지의 성장 성능을 향상시킬 수 있습니다.

또한 최근 연구에서는 외인성 탄수화물 분해 효소에 의해 식이 섬유에서 방출되는 oligosaccharides 가 돼지의 장 건강을 개선할 수 있다고 제안했습니다.

이 장에서는 돼지 사료에서 carbohydrases and phytase 중심으로 외인성 효소의 다양한 측면을 기질에 대한 간략한 소개와 함께 논의합니다.

또한 외인성 효소에 대한 이해와 함의를 향상시키기 위해 필요한 향후 연구를 제안한다.

 

 

 

Antinutritional Effects of Phytic Acid and Dietary Fiber

 

Phytic Acid

 

식물 사료 성분의 Phytic acid 중 대부분은 inositol ring(고리) 와 6개의 phosphate esters (myo-inositol 1,2,3,4,5,6-hexakis dihydrogen phosphate; IP₆; Figure 17.1a).  로 구성된 구조로 존재합니다.

6개의 인산기 중 5개는 적도 방향을 향하지만 2번 탄소의 인산기는 축 방향을 향하므로 피타아제 활성에 저항성을 갖게 됩니다(Adeola and Cowieson 2011).

완전히 해리된 phytic acid 는 12개의 음전하를 가질 수 있으며, 모두 다양한 양이온, 단백질의 기본 AA 잔기 또는 탄수화물에 결합할 수 있습니다(Olukosi 및 Adeola 2012).

 

 

Hypothetical structure of phytic acid, phytate, and phytin in plants; phytic acid

 

Figure 17.1  Hypothetical structure of phytic acid, phytate, and phytin in plants; phytic acid

(a) "myo-inositol 1,2,3,4,5,6 - hexakis dihydrogen phosphate; potassium phytate

(b) salt of phytic acid chelated with two K+ replacing two protons at phosphate group on carbon 1; phytin

(c) mixed salt of phytic acid chelated with K^' Mg^2*, and Ca²⁺ molecules replacing protons in phosphate groups.

 

 

Phytate는 양이온으로 킬레이트화된 phytic acid 을 말합니다(그림 17.1b).

식물에서 phytic acid는 일반적으로 K, Mg 및 Ca와 같은 양이온과 혼합된 염(즉, 피틴)의 형태로 존재합니다(그림 17.1c). Phytin의 용해도는 부분적으로 킬레이트 양이온 사이의 비율에 따라 달라집니다.

2가 양이온에 대한 phytic acid의 강한 친화력으로 인해(Rimbach et al. 2008) Ca²⁺ + Mg²⁺  :  K⁺ 비율이 높은 Phytin은 Ca²⁺ + Mg²⁺ :  K⁺ 비율이 낮은 Phytin보다 용해도가 낮습니다.

일반적으로 기름 추출 후 콩과 식물 종자와 그 부산물은 곡물보다 Ca²⁺ + Mg²⁺ :  K⁺의 비율이 더 낮습니다.

한편, Phytin은 배아가 피틴 저장의 주요 부위인 옥수수를 제외한 대부분의 곡물의 호분층에 주로 위치하며(O'Dell et al. 1972; Steiner et al. 2007), 콩과 식물 종자는 자엽 전체에 Phytin을 함유하고 있습니다(Reddy et al. 1982).

따라서 껍질을 벗기는 과정은 여러 곡물에서 Phytin의 일부를 제거하고 항영양 효과를 줄일 수 있습니다.

 

식이 Phytin 섭취 후, 양이온은 위의 산성 조건에서 양성자(수소)로 대체되어 부분적으로 양성자화된 phytic acid 가 유리됩니다(Schlemmer et al. 2001).

유리된 phytic acid의 인산염 그룹은 고유 식물 phytase에 의해 부분적으로 분해될 수 있습니다(Rodehutscord et al. 2016).

그러나 식물 내재성 phytase의 활성은 단백질 분해 소화에 대한 식물 내재성 phytase의 낮은 저항성 및 위와 소장의 바람직하지 않은 pH로 인해 제한됩니다(Rodehutscord 및 Rosenfelder 2016).

또한 식물 내재성 phytase는 일반적으로 열 손상에 취약하므로 펠릿화 또는 압출과 같은 사료의 열 처리는 식물 내재성 phytase의 활성을 감소시킵니다(Schlemmer et al. 2001).

실제로, 내인성 phytase는 돼지의 소장, 주로 공장의 점막층에서 생산됩니다(Hu et al. 1996).

그러나, phytic acid에서의 'P'는 phytate 용해도가 낮아 소화 및 흡수가 되지 않는다.(Adeola and Cowieson 2011).

 

소장을 따라 소화액의 pH가 점차 증가함에 따라 phytic acid 는 2가 및 3가 양이온과 쉽게 결합하여 안정한 복합체를 형성하며, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn 및 Cd를 포함한 양이온성 미네랄뿐만 아니라 phytic acid 의 용해도를 감소시킵니다.(Rimbach et al. 2008).

Mineral-phytate complex의 형성은 내재성 식물 phytase 및 내인성 phytase 뿐만 아니라 외인성 phytase에도 내성이 있다.

Maenz et al.(1999)은 Zn-phytate 복합체가 중성 pH에서 phytase 활성에 가장 저항성이 있다고 보고했지만 Ca-phytate 복합체는 다른 식이 양이온에 비해 식이에서 Ca 농도가 가장 높기 때문에 가장 문제가 될 수 있습니다(Dersjant-Li et al. 2015).

식이 phytic acid 는 또한 Na의 내인성 손실을 증가시킬 수 있습니다(Woyengo et al. 2009).

Cowieson et al.(2006)은 육계에서 유사한 결과를 관찰했으며 십이지장 소화액의 pH가 phytic acid 에 의해 감소하여 췌장에서 NaHCO³의 분비가 증가한다고 논의했습니다. 소장에서 내인성 Na 분비의 변화는 Na-K-ATPase의 활성을 손상시킬 수 있기 때문에 다른 영양소의 흡수에 중요할 수 있습니다(Dersjant-Li et al. 2015).

그러나 가금류와 달리 돼지의 경우 대장에서 Na의 재흡수가 일어날 수 있으므로 전해질의 불균형은 소장에서만 국소적인 영향을 미칠 수 있으며 신체의 전체 생리 시스템에는 영향을 미치지 않습니다(Woyengo et al. 2009).

 

Phytic acid는 단백질에서 양전하를 띤 아미노산(AA) 잔기에 결합하고 산성 pH 조건에서 이원 단백질-식물성 복합체를 형성하거나 중성 pH 조건에서 Ca 및 말단 단백질-Ca-식물성 복합체와 함께 단백질에 결합할 수 있습니다(Selle et al. 2012).

단백질-피테이트 복합체의 형성은 단백질의 용해도를 감소시키고(Kies et al. 2006a; Yii et al. 2012), 이는 AA 소화율을 감소시킨다.

더욱이 phytic acid는 펩시노겐과 결합하여 위에서 펩신의 활성을 감소시킬 수 있습니다(Woyengo et al. 2010).

AA의 내인성 손실은 피트산에 의해 영향을 받을 수 있으며 육계에서 지속적으로 관찰되었습니다(Cowieson et al. 2004; Cowieson and Ravindran 2007; Liu and Ru 2010).

Cowieson et al.(2009)이 제안한 가능한 메커니즘은 단백질-피테이트 복합체에 의한 펩시노겐 및 HCl 분비의 위 자극을 포함하여 소장에서 점액 및 췌장액의 분비를 증가시킵니다.

내인성 분비물의 재흡수는 산성 소화액에 의해 자극된 NaHCO3 분비 증가로 인해 손상될 수 있습니다.

그러나 Woyengo 등(2009)은 돼지의 내인성 AA 손실은 정제된 사료에 피틴산을 첨가해도 영향을 받지 않는다고 보고했습니다.

Woyengo와 Nyachoti(2013)는 돼지의 경우, AA의 내인성 분비가 식이 피트산에 의해 증가될 수 있지만, 그러한 AA의 재흡수는 영향을 받지 않을 수 있습니다.

 

Phytic acid는 α-amylase(Knuckles and Betschart 1987) 또는 lipase(Knuckles 1988)와 상호 작용하여 총에너지(GE)의 소화율을 감소시킬 수 있습니다.

십이지장 또는 공장에서 점막 아밀라아제, 수크라아제 및 말타아제의 감소된 활성이 피틴산 함량이 높은 사료를 먹인 육계에서 관찰되었습니다(Liu et al. 2008).

그러나 GE의 소화율 또는 돼지의 에너지 값(i.e., digestible energy or metabolizable energy) 에 대한 phytic acid의 부정적인 영향은 phytase로 수행된 연구 결과의 편차로 인해 불분명합니다.

 

 

 

Dietary Fiber

 

 

식이섬유는 주로 식물 사료 원료에 세포벽 성분으로 존재함 식이섬유의 주요 성분은 단당류(i.e, pyranose and furanose)가 다양한 위치와 방향으로 서로 결합하여 복잡한 구조를 형성하는 비전분 다당류(nonstarch polysaccharides, NSP)임(Bach Knudsen 2011) .

일반적으로 곡물의 NSP는 주로 arabinoxylan, β-glucan, and cellulose로 구성되는 반면 콩과 식물 종자의 NSP는 주로 cellulose, xylan, xyloglucan, 펙틴 다당류pectin polysaccharides 및 당단백질 glycoproteins(Choct 1997; Bach Knudsen 2011) 로 구성됩니다.

 

식이 섬유는 영양분의 소화를 물리적으로 막거나 위장관의 소화 효소를 화학적으로 방해할 수 있습니다(Adeola and Cowieson 2011).

식이섬유의 농도를 높이면 영양소의 소화율이 감소하는 것으로 보고되었다(Le Goff and Noblet 2001; Dilger et al. 2004; Navarro et al. 2019).

또한, 영양소의 소화율 감소는 식이섬유 섭취에 의한 위장관 운동성 변화와 관련이 있을 수 있습니다.

위장관 운동성은 주로 장 신경계의 자극과 반응, 소화액의 점도에 따라 결정됩니다.

Wenk(2001)는 식이섬유가 GIT의 연동 운동을 자극하고 소화관의 체류 시간을 감소시킨다고 제안했습니다.

Wilfart et al.(2007)은 또한 식이섬유의 주성분으로 불용성 NSP를 함유한 밀기울의 식이농도 증가가 소장에서 소화물의 체류시간을 감소시킨다고 보고하였다.

소장에서 소화액의 체류 시간 감소는 소화액의 영양소가 소화 및 흡수되기 전에 대장으로 흘러갈 수 있기 때문에 영양소의 소화율 감소로 이어질 수 있습니다.

한편, 용해성 NSP는 소화액의 점도를 증가시켜 위 배출을 지연시키고(Johansen et al. 1996) 소화액의 체류 시간을 증가시키는 것으로 알려져 있습니다(Owusu^Asiedu et al. 2006).

이전 검토 연구에서는 소화액의 체류 시간이 가용성 NSP에 의해 증가하고 불용성 NSP에 의해 감소될 수 있다고 제안했습니다(Montagne et al. 2003; Zijlstra et al. 2010).

그러나 NSP의 용해도, 소화액의 점도, 체류시간 간의 관계를 검증하기 위해 수행한 선행 연구 결과는 특히 정제된 식이섬유원을 사용한 경우 일관성이 없다(Owusu-Asiedu et al. 2006; Hooda et al. 2011).

또한, 가용성 NSP에 의한 돼지의 위배출 지연은 사료 섭취량 및 성장 성능의 감소로 이어질 수 있습니다(Zijlstra et al. 2010; Adeola and Cowieson 2011).

따라서 소화관의 운동성과 점성도에 대한 불용성 NSP와 수용성 NSP의 복잡한 상호작용이 영양분의 소화능력과 성장능력에 영향을 미칠 수 있다는 결론을 내릴 수 있다.

 

소화액의 체류 시간과는 별개로 소화액 자체의 점성도 점막의 교반되지 않은 수층을 통한 영양소 흡수를 방해하여 영양소의 소화율에 영향을 줄 수 있습니다(Johnson and Gee 1981).

또한 소화액의 점도 증가는 소장에서 융모 높이와 융모 높이와 선와 깊이 사이의 비율을 감소시켜 영양소 흡수를 감소시킬 수 있습니다(McDonald et al. 2001).

소화액 점도의 부정적인 영향이 가금류에서 관찰되었지만(Pekel et al. 2015; Konieczka and Smulikowska 2018), 이러한 영향은 돼지에서 일관되지 않습니다(Bartelt et al. 2002; Hooda et al. 2011; Laerke et al. 2015).

소화액 점도의 증가는 N 및 AA의 내인성 손실을 증가시켜 소화율 값을 과소평가할 수 있습니다(Chen et al. 2017).

 

 

 

Phytase

 

Mode of Actions

 

Phytase(myo-inositol hexakis dihydrogen phosphate hosphohydrolases)는 피트산에서 인산기를 단계적으로 가수분해합니다.

대부분의 상업용 Phytase는 촉매 메커니즘에 따라 히스티딘 산성 피타아제로 분류됩니다(Greiner and Konietzny 2010).

Phytase가 인산염 에스테르의 가수분해를 개시하는 위치(즉, 탄소 번호)에 따라 피타아제는 Enzyme Commission(EC) 식별자 3.1.3.8, 3.1.3.72 및 3.1.3.26을 갖는 3-phytase, 5-phytase 및 6-phytase로 나눌 수 있습니다.

 

상업용 피타아제는 대부분 3-또는 6-Phytase입니다.

미생물에 의해 생성되는 Phytase는 3-Phytase로 간주되는 반면, 식물에 의해 생성되는 Phytase는 6-Phytase로 간주됩니다. 그러나 이것은 일반적인 규칙이 아닙니다(Greiner and Konietzny 2010).

상업용 Phytase는 대량 생산이 가능한 유전자 변형 미생물의 발효에 의해 생산됩니다(Greiner 및 Konietzny 2010).

일반적으로 동물 사료 산업에서 시판된 최초의 피타아제인 Aspergillus niger에 의해 생산된 진균 Phytase는 1세대 Phytase로 간주되며, 곰팡이 Phytase 이후에 생성된 Escherichia coli에 의해 생성된 박테리아 Phytase는 새로운 세대의 Phytase로 간주됩니다(Dersjant-Li et al. 2015).

 

Phytase는 먼저 지정된 위치(즉, 탄소 3, 5 또는 6)의 인산기를 가수분해한 다음, 주위의 피트산을 순차적으로 이동시켜 다음 인산기를 가수분해합니다(Adeola and Cowieson 2011).

탄소 2에 위치한 인산염 그룹의 축 방향으로 인해 촉매 반응의 최종 생성물은 5 orthophosphates (Pi) 및 myo-inositol 2-phosphate (IP1; Yu et al. 2012)입니다.

하지만, phytase의 다양한 조건과 특성에 따라, 피타아제의 반응은 일반적으로 Pi와 myo­ inositol penta- (IP5)，tetra- (IP4)，or triphosphate(IP3; Menezes-Blackburn et al. 2015)과 같은 부분적으로 인산화된 myo-inositol phosphates을 방출합니다.

Phytase가 IP6의 phosphate group을 완전히 가수분해하지는 못하지만 myo-inositol ring의 phosphate group의 수가 감소함에 따라 phytic acid의 용해도가 증가하며(Schlemmer et al. 2001), 피틴산이 내인성 피타아제에 이용 가능하도록 하고 피틴산이 다른 영양소에 미치는 해로운 영향을 감소시킵니다.

 

Phytase의 활성을 나타내는 표준 단위는 없으나 보통 phytase 단위(FTU)로 표현하는데, 이는 pH 5.5, 37°C에서 0.0051M sodium phytate 으로부터 분당 1μmol의 Pi를 유리시키는 피타아제의 양을 정의합니다 (method 2000.12; AOAC 2000).

피타아제 활동의 단위는 종종 FYT로 제공되지만 FTU와 동의어입니다.

FTU는 phytase 활성에 대한 일반적인 정보를 제공할 수 있지만, 생체 내 조건과 시험관 내 조건의 차이 때문에 돼지에게 먹였을 때 phytase의 실제 활성을 나타낼 수는 없습니다.

 

외인성 피타아제는 주로 phytic acid이 가용성 형태로 존재하는 위와 근위 소장에서 작용합니다.

Rutherfurd et al.(2014)은 1,107 또는 2,215FTU/kg의 옥수수-대두박(corn-soybean meal, SBM) 기반 사료에 피타아제를 첨가했을 때 피테이트 복합체의 72-78%가 말단 공장 이전에 분해되었다고 보고했습니다.

반면 피테이트 복합체의 40%는 phytase가 없는 사료를 먹인 돼지에서 분해되었습니다.

따라서 약산성 조건에서 phytase의 활성과 단백질 분해에 대한 저항성은 phytase의 생체 내 효능에 중요합니다.

Menezes-Blackbum et al.(2015)은 여러 상업용 phytase의 관련 특성을 평가했으며, 그 결과의 일부를 Table 17.1에 나타내었다.

 

 

 

대부분의 상업용 phytase는 pH 3.0~5.5 범위의 약산성 조건에서 최적 활성의 80%를 유지했습니다.

그러나 Peniophora lycii 및 A. niger(각각 Table 17.1 PL 및 AN)에서 생성된 phytase는 pH 3에서 활성이 감소했습니다.

모든 phytase는 pH 7에서 낮은 활성을 보였다. 대부분의 phytase는 P.lycii 및 A. niger에서 생성된 것을 제외하고는 펩신에 내성이 있었다.

최적의 pH 범위와 펩신에 대한 감수성의 차이로 인해 phytase의 효능은 시중 제품마다 다를 수 있습니다.

Phytase의 효능은 또한 기질 특이성에 달려 있습니다.

기질 특이성이 넓은 phytase는 IP₆을 5Pi와 IP₁로 가수분해할 수 있으며, 기질 특이성이 좁은 phytase는 IP₆를 Pi와 다양한 부분적으로 인산화된 myo-inositol 인산염으로 가수분해할 수 있습니다(Greiner and Konietzny 2010).

예를 들어,FTU는 같지만 기질 특이성이 다른 두 개의 피타아제가 있는 경우, 기질 특이성이 좁은 phytase는 IP₆ 또는 IP₅ 방출 Pi를 보다 신속하게 제거하고 IP₃ 또는 IP₄와 같은 다양한 myo-inositol 인산염을 생성합니다.

넓은 기질 특이성을 가진 phytase는 주로 IP₆에 작용하고 거의 완전한 가수분해에 의해 동일한 양의 Pi를 방출합니다.

따라서 동일한 양의 Pi가 두 피타아제에 의해 방출되더라도 기질 특이성이 좁은 피타아제는 기질 특이성이 넓은 피타아제보다 적은 인산기(즉, IP₃ 및 IP₄)로 더 많은 myo-inositol을 생산할 수 있습니다.

인산기가 적은 myo-inositol은 IP₅ 또는 IP₆보다 용해도가 더 크기 때문에 돼지에게 더 유익할 수 있습니다(Greiner 및 Konietzny 2010; Adeola 및 Cowieson 2011).

 

Phytin의 구성, 구조 및 농도는 사료 성분에 따라 다릅니다.

따라서 피타아제의 효능은 사료 성분의 이용 가능한 기질에 달려 있습니다.

Almeida et al.(2017)은 P의 표준화된 총 소화관 소화율(STTD)을 최대화하기 위한 피타아제 농도가 SBM의 경우 160FTU/kg에서 해바라기 가루의 경우 1,219FTU/kg 범위라고 보고했습니다.

또한, Almeida와 Stein(2012)은 0에서 1500FTU/kg까지의 식이 피타아제의 등급별 농도가 Pin corn,  corn high-protein distillers dried grains, and corn  배아의 STTD를 2차적으로 증가시키는 것을 발견했습니다.

그러나 DDGS 건조 곡물에는 없습니다.

DDGS의 P의 STTD는 곡물의 phytin이 발효 과정에서 부분적으로 가수분해되어 에탄올을 생성하기 때문에 식물에서 유래한 다른 사료 성분보다 상대적으로 큽니다(Pedersen et al. 2007).

따라서 DDGS나 고농축 DDGS를 함유한 사료에서 phytase의 효능이 감소될 수 있습니다.

그러나 이전의 다른 연구에서는 DDGS에서 P의 소화율 증가가 관찰되었다는 점에 유의해야 합니다(Xue and Adeola 2015; Almeida et al. 2017).

또한, 사료의 열처리는 피타아제의 활동에 영향을 미칩니다.

De Jong et al.(2017)은 컨디셔닝 온도가 65°C에서 95 °C로 증가함에 따라 4가지 상업용 피타아제의 잔류 활성이 76.2%에서 20.2%로 선형적으로 감소함을 밝혔습니다.

 

칼슘은 피틴산에 결합하여 GIT에서 피타제 활성에 저항하는 Ca-phytate 복합체를 형성할 수 있습니다.

Ca-phytate 복합체의 형성은 소화액의 pH와 Ca과 phytic acid 사이의 분자량 비율에 따라 달라집니다(Selle et al. 2009).

Selle et al.(2009)은 일반적으로 pH 5에서 Ca-phytate 복합체의 형성이 일어난다고 보고하였다.

따라서, Ca-phytate 복합체 형성 가능성이 낮은 위장에서의 phytase 활성은 phytase의 효능에 매우 중요합니다.

Phytase가 phytic acid의 phosphate group을 완전히 가수분해할 수는 없지만 myo-inositol ring의 phosphate group의 수가 감소함에 따라 Ca 이온과 결합하는 phytic acid의 친화력은 감소하며(Luttrell 1993), 내인성 및 외인성 phytases에 대한 phytic acid의 가용성 증가로 이어집니다.

또한, 식이 Ca 농도 또는 Ca 대 P 비율(Ca:P)의 증가는 피타아제의 효능을 감소시킬 수 있습니다.

Brady 등(2002)은 Ca:P가 1.85:1인 사료보다 Ca:P가 1.15:1인 사료에서 362FTU/kg의 P의 apparent total tract digestibility (ATTD)이 더 크다고 보고했습니다.

또한, Beaulieu et al.(2007)은 피타아제가 500FTU/kg의 사료에 첨가되었을 때 Ca:P가 1.12:1 또는 1.66:1로 준비된 사료에서 P의 ATTD 증가를 관찰했습니다.

그러나 2.31:1의 Ca:P로 준비된 식단에서는 그렇지 않습니다.

그러나 Adeola et al.(2006)은 성장 성능에 대한 10000FTU/kg 피타아제의 유익한 효과가 1.2에서 1.8:1로의 식이 Ca:P에 의해 영향을 받지 않는다는 것을 보여주었습니다.

이는 phytase 첨가에 관계없이 성장 성능을 선형적으로 감소시켰습니다.

Poulsen et al.(2010)은, Phytase 첨가에 의한 P의 ATTD(750FTU/식이 kg)는 Ca:P 비율을 0.9에서 1.8:1로 증가시켜도 영향을 받지 않았으며, phytase의 효능에 대한 Ca의 부정적인 영향은 비율보다는 Ca와 P 자체의 식이 농도에 따라 달라질 수 있다고 논의했습니다.

NRC(2012)에서 권장하는 Ca:P를 1~1.25:1로 고려할 때, 식이를 공식화할 때 영양소 구성이 적절하게 제어된다면 피타아제 활동에 대한 Ca 또는 Ca:P의 부정적인 영향은 문제가 되지 않는 것 같습니다.

또한 앞서 언급한 연구 결과에 따르면 500FTU/kg 이상의 phytase 첨가는 식이 Ca:P와 상호 작용하지 않을 수 있습니다.

그러나 표준화된 총 소화관 소화 Ca 및 P를 적용할 때는 주의를 기울여야 합니다.

Phytase는 식이 제제에서 고려해야 하는 식이에서 Ca와 P 모두의 STTD에 영향을 미친다는 점에 유의해야 합니다(Stein et al. 2016).

 

 

Studies on Nutrient Utilization

 

이전 연구에서는 phytase를 첨가하면 다양한 사료 성분에서 P의 STTD가 개선되는 것으로 나타났습니다.

Rojas et al.(2013)은 P의 STTD를 개선하기 위한 phytase의 효과가 corn and hominy feed에서 더 크다고 보고하였다.

Corn DDGS는 phytate complex에 P를 15%만 함유하고 있는데 비해 이들은 모두 phytate complex에 약 80%의 P를 함유하고 있습니다.

구체적으로, P in com 및 hominy feed의 STTD는 51% 및 61% 향상되었으며，Corn DDGS는 phytase를 600FTU/kg 첨가했을 때 8% 향상되었다.

한편, Rodnguez et al.(2013)에서는 사료성분과 phytase의 영향 간의 상호작용이 관찰되지 않았으며, 오일 추출 후 유지종자 또는 그 가루를 포함한 7가지 다른 사료 성분에서 500FTU/kg에서 외인성 피타아제에 의해 P의 개선된 STTD를 보여주었습니다.

완전한 식이에서 P 및 기타 영양소의 소화율에 대한 phytase 효과를 결정하기 위해 수행된 이전 연구는 사료 성분에 대한 연구보다 많습니다.

일반적으로 저농도의 P를 함유한 사료에서 차등 phytase 농도로 수행된 대부분의 연구는 연구에 사용된 phytase 제품에 관계없이 P의 ATTD에서 선형 또는 2차 증가를 보고했습니다.

 

이전 연구 중 일부는 무기 P 공급원이 없는 식이에서 차등 phytase 농도가 P의 ATTD를 2차적으로 증가시켜 무기 P 공급원에 의해 적절한 농도의 P를 포함하는 양성 대조군 식이에 대한 값에 근접한다고 보고했습니다(Jendza et al. 2005; Zeng et al. 2011; Almeida et al. 2013; She et al. 2017; Arredondo et al. 2019).

무기 인 공급원이 없는 Corn-SBM 기반 사료에서 인의 ATTD를 최대화하기 위한 phytase 농도는 weanling pigs 경우 1016FTU/kg(Almeida et al. 2013) 및 1107FTU/kg(Arredondo et al. 2019), growing pigs 경우 801 FTU/kg(Almeida et al. 2013)에서 모두 broken-line analysis 로 추정되었습니다.

식이 phytase 의한 P의 증가된 ATTD는 임신돈과 수유돈 모두에서 관찰되었다(Jongbloed et al. 2004; Hanczakowska et al. 2009; Jang et al. 2014).

 

P의 ATTD 증가에 대한 phytase의 효과는 이전 연구에서 분명하지만, 식단에서 P의 ATTD를 증가시키는 정도는 부분적으로 실험에서 사용된 다른 phytase 특성으로 인해 연구마다 다양했습니다.

옥수수-SBM 기반 사료에서 P의 ATTD에 대한 4가지 다른 phytase 효과는 Figure 17.2에 제시되어 있습니다.

Kerr et al.(2010)에 의해 보고된 연구에서, 4개의 phytase 효능은 분리된 4개의 실험에서 평가되었으며, 실험 사료의 성분 구성은 동일했으며 돼지의 평균 초기 체중(BW)도 82.4~89.3kg 범위의 4가지 실험에서 일관성이 있었습니다.

P의 ATTD는 A. niger 또는 E. coli 유래 phytase를 0 내지 1000 FTU/kg 범위에서 첨가하였을 때 2차적으로 증가하였고, 반면에 P의 ATTD는 대장균(이전 phytase와 다른 제품) 또는 P. lycii에서 유래한 phytase를 첨가했을 때 선형적으로 증가했습니다.

 

식이에 피타아제를 첨가하면 피틴산의 항영양 효과 때문에 다른 영양소의 소화율을 높일 수 있습니다.

이는 extraphosphoric 효과라고 합니다 (Adeola and Cowieson 2011).

Ca의 ATTD의 선형 또는 2차 증가는 일반적으로 P의 ATTD와 함께 관찰되었다.

그러나 Ca의 ATTD에 대한 phytase의 영향은 다른 연구에서는 관찰되지 않았다(Zeng et al. 2011; She et al. 2017).

이러한 결과의 차이는 실험에 사용된 사료의 성분 구성이나 피타아제 공급원의 차이 때문일 수 있습니다.

또한, GE 또는 AA의 ATTD에 대한 피타아제의 효과에 대한 결과는 이전 연구에서 다양했습니다.

여러 연구에서 GE의 ATTD가 phytase의 첨가에 의해 증가했다고 보고했습니다.

그러나 소화율 값을 증가시키는 정도는 P의 ATTD 응답보다 적었다(Adedokun et al. 2015; Velayudhan et al. 2015; Arredondo et al. 2019).

Liao et al.(2005)은 Arg, His, Phe, Thr 및 Vai의 apparent ileal digestibility(AID)이 Wheat-SBM-Canola meal-based diets에 피타아제를 첨가함으로써 증가함을 발견했습니다.

그러나 Corn-SBM-, Wheat SBM-, 또는 Barley-Pea-Canola meal-based diets 에서는 그렇지 않습니다.

Cowieson 등(2017a)은 식이에서 AA의 소화율에 대한 피타아제의 영향을 결정하기 위해 28개의 동료 검토 논문의 데이터를 기반으로 메타 분석을 수행했습니다(Table 17.2).

 

메타 분석에서 대부분의 연구는 250~20,000FTU/kg 범위의 피타아제를 첨가한 옥수수 기반 식단으로 수행되었습니다.

결과는 Arg, Met 및 Trp를 제외한 필수 AA의 AID가 식이에 피타아제를 첨가함으로써 개선되었음을 보여주었다.

 

이전 연구에서도 피타아제를 첨가하여 미네랄의 개선된 소화율이 관찰되었습니다.

그러나 결과는 다양했습니다.

일반적으로 K와 Mg의 ATTD는 식이 피타아제 농도가 증가함에 따라 선형 또는 2차적으로 증가하였고,

그러나 다른 광물의 ATTD 개선은 연구 간에 일관성이 없었습니다(Adedokun et al. 2015; Velayudhan et al. 2015; Arredondo et al. 2019).

 

 

Studies on Growth Performance

 

Phytase에 의한 개선된 성장 성능은 일반적으로 P의 증가된 소화율과 함께 관찰됩니다.

따라서, 돼지의 성장 성능에 대한 피타아제의 유익한 효과는 대부분 사료에서 인의 소화율 증가로 설명할 수 있습니다.

일반적으로 돼지의 평균 일일 증체량(ADG)과 사료 대비 증체율(G:F)은 사료 내 피타아제 농도가 증가함에 따라 선형 또는 2차적으로 증가했습니다.

이는 P의 ATTD 응답과 일치합니다.

그러나 평균 일일 사료 섭취량(ADFI)에 대한 피타아제의 효과는 이전 연구에서 다양했습니다.

이는 일반적으로 42일 이상 수행된 실험에서 관찰되었습니다(OJQuinn et al. 1997; Adeola et al. 2004; Jendza et al. 2005; Torrallardona and Ader 2016).

이러한 관찰은 돼지의 ADG 개선이 돼지의 ADFI 증가 때문이 아니라 돼지의 소화율 증가 때문이며 ADFI 개선은 실험 기간 동안 증가된 BW의 누적 효과 때문임을 나타낼 수 있습니다.

 

뼈 파괴 강도, 뼈 회분 함량 또는 뼈 회분의 P 농도와 같은 뼈 매개변수의 개선은 weanling pigs(Radcliffe and Kornegay 1998; Zeng et al. 2011) 및 growing-finishing pigs(O’Quinn et al. 1997; Jendza et al. 2005; Veum and Liu 2018)의 성장 성능 증가와 함께 관찰되었습니다.

이것은 또한 식단에서 P의 증가된 소화 능력으로 설명될 수 있습니다.

이전 연구에서는 돼지에게 피타아제 농도를 단계별로 공급했을 때 혈장 내 Ca 및 P 농도가 선형 또는 2차적으로 증가하는 것을 관찰했습니다(Adeola et al. 2004; Beaulieu et al. 2007).

따라서 phytase에 의한 Ca와 P의 흡수 증가는 뼈 발달을 증가시킵니다.

한편, 양적 도체 형질은 비육돈용 사료에 피타아제를 첨가해도 영향을 받지 않는 것으로 보인다(Dersjant-Li et al. 2018; Duffy et al. 2018).

암퇘지의 경우 사료에 피타아제를 첨가해도 암퇘지와 깔짚의 성적에 영향을 미치지 않았습니다(Nyachoti et al. 2006; Hill et al. 2008; Nasir et al. 2014).

 

 

Supradosing of Phytase

 

Adeola와 Cowieson(2011)은 2,500FTU/kg 이상의 phytase 첨가로 phytase의 "supradosing"을 정의했습니다.

식이에서 피타아제의 통상적인 농도가 500 내지 1000FTU/kg 범위임을 고려하였다.

이전 연구에서는 피타아제를 1,000FTU/kg 이상 첨가했을 때 양성 대조군 사료를 먹인 돼지의 반응보다 돼지의 ADG 및 G:F가 급격하게 증가했다고 보고되었습니다(Brana et al. 2006; Kies et al. 2006b; Veum 외 2006, Zeng 외 2014).

그러나 초기에는 정확한 효과의 메커니즘은 완전히 이해되지 않았습니다.

Adeola와 Cowieson(2011)은 세 가지 가능한 메커니즘을 제안했습니다.

(i) 소화 및 흡수에 보다 유리한 Ca:P를 확립하는 Ca 및 P의 증가된 유리;

(ii) 피틴산의 항영양 효과 감소;

(iii) 잠재적으로 돼지의 성장을 향상시키는 myo-inositol 의 증가된 흡수.

 

사료 내 피타아제는 주로 IP₆ 및 IP₅에 작용하여 Ca와 쉽게 불용성 복합체를 형성합니다.

따라서 기존의 피타아제 농도(즉, 500~1,000FTU/kg)는 피틴산에서 방출되는 P보다 루멘에서 용해성 Ca를 더 많이 증가시킬 수 있습니다.

Ca:P가 증가하고 Ca와 P의 흡수가 감소합니다(Adeola and Cowieson 2011).

그러나 phytase의 초과 투여는 phytic acid에서 P를 추가로 방출하여 결과적으로 내강에 적절한 Ca:P를 확립할 수 있습니다(Adeola and Cowieson 2011).

피틴산은 Ca와 P뿐만 아니라 단백질, 탄수화물 및 기타 미네랄을 포함한 다른 영양소에도 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 phytase의 초과 투여는 이러한 영양소의 소화율을 증가시켜 돼지의 성장 성능을 향상시킬 수 있습니다.

또한, myo-inositol의 증가된 흡수는 돼지의 성장 성능 증가의 원인이 될 수 있습니다.

Cowieson 등(2017b)은 1000 또는 3000FTU/kg 피타아제를 함유한 사료를 먹인 돼지의 혈장 myo-inositol 농도가 섭취 후 360분에 0.2% myo-inositol을 함유한 사료를 먹인 돼지의 혈장 myo-inositol 농도와 다르지 않다고 보고했습니다.

성장 성능에 대한 myo-inositol의 유익한 효과는 육계에서 관찰되었습니다(Cowieson et al. 2013; Zyla et al. 2013).

생쥐를 대상으로 한 이전 연구에서는 myo-inositol이 골격근 세포의 막 표면에 대한 glucose transporter 4(GLUT4)의 트랜스 위치를 유도한다는 사실을 발견했습니다(Dang et al. 2010; Yamashita et al. 2013).

이는 myo-inositol이 인슐린 유사 효과를 발휘한다는 것을 의미할 수 있습니다.

Lu et al.(2019)은 또한 2000FTU/kg의 식이에서 피타아제를 첨가하면 혈장의 myo-inositol 농도와 근육 원형질막의 GLUT4 농도가 증가한다는 사실을 발견했습니다.

따라서 돼지에서 myo-inositol의 증가된 흡수는 인슐린 모방 효과 및 인슐린 신호 경로의 자극으로 인해 단백질 합성을 증가시킬 수 있습니다(Bevan 2001).

 

 

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Carbohydrases

 

Mode of Actions

 

다양한 carbohydrases는 돼지 영양에서 개발되고 연구되었습니다.

Carbohydrases는 그들의 중합체에 있는 2개의 인접한 단당류 사이 공유 결합을 가수분해할 수 있는 효소를 나타납니다.

외인성 사료에 첨가되는 대부분의 탄수화물 분해 효소는 돼지가 생산할 수 없는 효소이지만 경우에 따라 내인성 효소(예: 외인성 아밀라아제)와 함께 효소 반응을 강화하기 위해 특정 탄수화물 분해 효소를 적용하기도 합니다.

돼지 사료용 외인성 carbohydrases는 일반적으로 고전적 또는 유전적으로 변형된 균주의 미생물 발효에 의해 생성됩니다(Paloheimo et al. 2010).

상업적으로 이용 가능한 탄수화물 분해 효소는 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

(i) 단일 성분 탄수화물 가수분해효소;

(ii) 2개 이상의 단일 성분 탄수화물 효소를 블렌딩하여 생성된 효소 복합체;

(iii) 단일 발효에 의해 생성된 여러 효소 활성을 포함하는 효소 칵테일(Masey O'Neill et al. 2014).

돼지 사료에 일반적으로 사용되는 탄수화물 분해효소에는 xylanase, β-glucanase, cellulase, β-mannanase, α-galactosidase, and pectinase 가 포함됩니다.

 

Xylanase(endo-1,4-β-xylanase; EC 3.2.1.8)는 (1→4)-β-xylosidic 결합의 가수분해를 촉매합니다(Paloheimo et al. 2010).

Xylanase의 기질은 자일로스 단량체의 탄소 2 또는 3의 O 원자에 arabinose 가 주로 있는 다양한 가지를 가진 (1→4)-β-xylan backbone으로 구성된 arabinoxylan 입니다(Choct 1997).

분지에서 적은 양으로 발견되는 다른 단량체로는 glucuronic acid, 4-O-methylglucuronic acid, acetic acid, ferulic acid, and ρ-coumaric acid 있습니다.(Collins et al. 2005).

단량체의 분지는 글리코시드 결합 또는 에스테르화에 의해 자일란 백본에 직접 존재할 뿐만 아니라 아라비노스 분지의 탄소 5의 O 원자에도 존재합니다(Agger et al. 2010).

또한, 아라비노스의 디하이드로다이머 페룰로일 잔기는 아라비노자일란 분자의 가교 결합을 형성하여 아라비노자일란의 복잡한 구조를 유도합니다(Agger et al. 2010).

가지의 정도와 가지의 단당류 성분은 사료 성분에 따라 다르며 아라비노자일란의 물리화학적 특성에 직접적인 영향을 미칩니다(Collins et al. 2005; Paloheimo et al. 2010).

Xylanase는 가지를 가수분해하는 능력이 없기 때문에(Collins et al. 2005),

Xylanase 효능은 아라비노자일란의 구성요소와 구조뿐만 아니라 자일란 백본에 대한 자일라나아제의 접근에 따라 달라집니다.

따라서, 아라비노자일란의 가지를 가수분해하는 다른 외인성 효소의 도움은 Xylanase의 효능을 향상시킬 수 있습니다.

이전의 체외 연구에서 아라비노푸라노시다제arabinofuranosidase 또는 페룰로일 에스테라제feruloyl esterase와 같은 분지 분해 효소를 추가하면, 아라비노자일란arabinoxylan이 자일라나제와 함께 배양되었을 때 가수분해된 자일로스가 증가했습니다(Lei et al. 2016; Ravn et al. 2018).

아라비노자일란arabinoxylan의 가수분해는 다당류polysaccharides의 분자량을 감소시키고 올리고당류oligosaccharides를 생성하며, 식이 섬유의 부정적인 영향을 줄이고 대장에서 유익한 미생물의 증식을 증가시킬 수 있습니다.

 

포도당 단량체polysaccharide chain 사이의 (1→3) 및 (1→4) 연결로 연결된 선형 다당류 사슬인 β-glucan은 보리와 귀리에서 가용성 NSP의 주요 구성 요소입니다(Bach Knudsen 1997; Choct 1997).

β-글루카나아제 [endo-1,3(4)-β-glucanase; EC 3.2.1.6] 는 β-glucan 의 (1→3) 또는 (1→4)- β-glycosidic 결합에 작용합니다.

(1→3)-β-글리코시드 결합의 존재로 인해 곡물의 β-glucan은 (1→4)-β-글리코시드 결합(즉, 셀룰로오스)의 선형 사슬보다 물에 더 잘 녹습니다.

이로써 다이제스타의 점도가 증가합니다(Choct 1997).

Aman과 Graham(1987)은 보리에서 β-glucan의 용해도가 54%라고 보고했으며, 귀리는 80%입니다.

β-glucan과 셀룰로오스 사이의 구조적 유사성 때문에 β-글루카나아제는 종종 셀룰라아제로 잘못 특성화됩니다(Adeola and Cowieson 2011).

하지만, 셀룰라아제는 endo-1,4-β-glucanase(EC 3.2.1.4), cellobiohydrolase(EC 3.2.1.91) 및 β-glucosidase(EC 3.2.1.21)를 포함하는 일련의 효소를 말하며, 이들 모두는 셀룰로오스에서 포도당 단량체를 방출하는데 기여합니다(Adeola 및 Cowieson 2011).

 

Beta-mannanase [endo-1,4 β-mannanase; EC 3.2.1.78] 는 mannan, galactomannan, glucomannan 및 galacto-glucomannan을 포함한 만노스로 주로 구성된 다당류를 가수분해하기 위해 적용됩니다(Jackson 2010).

β-Mannanase는 만난 기반 다당류에서 (1→4)-β-만노시드 결합의 가수분해를 촉매합니다. 만난의 구조는 선형 사슬로서 만노스로만 구성되는 반면, 글루코만난의 구조는 글루코스와 만노스로 구성됩니다(Singh et al. 2018).

가지는 (1→6)-α-갈락토실 결합에 의해 만난과 글루코만난 모두에서 갈락토스와 함께 형성될 수 있습니다(Singh et al. 2018).

만난은 특히 야자나무와 코코넛에서 추출한 오일의 부산물에서 주로 발견됩니다(Bach Knudsen 1997).

Kwon과 Kim(2015)이 보고한 연구에 사용된 copra expellers와 palm kernel expellers의 만난 농도는 각각 24.6%와 31.3%였다.

Hsiao et al.(2006)은 hulled SBM의 22개 소스에서 평균 만난 농도가 1.60%이고 dehulled SBM의 14개 소스에서 평균 농도가 1.25%라고 보고했습니다.

 

Raffinose-oligosaccharides라피노스-올리고당 및 α-갈락토스 잔기를 함유하는 다른 다당류에서 말단 α-갈락토스(α-galactose)의 가수분해는 α-갈락토시다제(α-galactosidase, EC 3.2.1.22)에 의해 촉매된다.

라피노스(raffinose), 스타키오스(stachyose) 및 베르바스코오스(verbascose)를 포함하는 라피노스 올리고당(Raffinose­ oligosaccharides)은 콩과 식물 종자에서 추출한 오일의 부산물에 풍부합니다(Bach Knudsen 1997).

라피노스(raffinose)는 자당sucrose(포도당과 과당, glucose and fructose)과 갈락토스galactose 한 분자가 포도당glucose 의 6탄소에 결합된 갈락토스galactose 잔기 한 개로 구성됩니다.

스타키오스Stachyose는 2개의 갈락토오스 분자와 갈락토오스 잔기가 포도당에 부착된 첫 번째 갈락토오스의 6번 탄소에 결합되어 있는 자당을 함유하고 있으며, 반면 버바스코즈verbascose 는 같은 방식으로 부착된 3개의 갈락토스 분자를 포함합니다(Martinez-Villaluenga et al. 2008).

Grieshop 등(2003)은 미국에서 생산된 SBM의 9개 샘플에서 주요 라피노스-올리고당 raffinose-oligosaccharide 에 스타키오스stachyose 가 4.15~5.72%/(DM) 기준 범위에 있다고 보고했습니다.

 

Pectinase펙티나아제는 일반적으로 polygalacturonase폴리갈락투로나아제, pectin transeliminase펙틴 트랜스엘리미나아제 또는 pectin methyl esterase펙틴 메틸 에스테라아제와 같은 pectin polysaccharides펙틴 다당류를 가수분해하는 효소로 분류합니다(Adeola and Cowieson 2011).

Pectin펙틴은 galacturonic acid갈락투론산으로 구성된 다당류 사슬입니다(Jackson 2010).

일반적으로 콩과 식물 종자에서 추출한 오일 부산물에는 곡물보다 더 많은 양의 pectin펙틴이 포함되어 있습니다(Malathi and Devegowda 2001).

Pectinase펙티나아제는 일반적으로 다른 탄수화물 효소와 함께 효소 칵테일로 사용되었습니다..

 

다양한 carbohydrases탄수화물 효소 중에서 xylanase와 β-glucanase가 축산업에서 우세하다(Adeola and Cowieson 2011).

옥수수, 밀, 보리를 포함한 곡물에 있는 NSP의 대부분은 arabinoxylan아라비노자일란 또는 β- glucan 이기 때문입니다(Bach Knudsen 1997).

β-mannanase는 특히 고농도의 만난을 함유한 사료 원료를 사용할 때 가끔 적용되었다(Kim et al. 2017).

NSP에서 방출된 Oligosaccharides올리고당은 흡수되어 돼지의 에너지원으로 사용될 수 있는 단당류로 더 분해될 수 있습니다.

그러나 대부분의 탄수화물 분해 효소는 기질 특이성이나 구조적 복잡성으로 인해 기질을 단당류로 완전히 가수분해할 수 없습니다.

외인성 탄수화물 가수분해 효소는 주로 분자량을 줄임으로써 NSP의 항영양 효과를 줄이기 위해 적용되어 왔으며,

따라서 NSP에 의해 캡슐화된 영양소를 방출하거나 영양소의 소화 및 흡수 방해를 줄입니다(Adeola and Cowieson 2011).

NSP의 감소된 분자량은 또한 소화물의 점도를 감소시키고 이어서 영양소 또는 GE의 소화율을 증가시킬 수 있습니다(Bartelt et al. 2002; Kiarie et al. 2007; Passos et al. 2015; Zhang et al. 2017; Tiwari et al, 2018 ),

소화물 점도에 대한 탄수화물 가수분해 효소의 효과는 이전 연구에서 일관성이 없습니다(Norgaard et al. 2019).

 

 

 

Studies on Nutrient Utilization

 

당분해효소를 직접 먹이고 돼지의 반응을 측정하는 것이 가장 적절하고 실용적인 평가라고 할 수 있지만,

체외 실험은 비용 효율성과 방법론적 단순성으로 인해 탄수화물 효소의 효능을 결정하는 데 사용되었습니다.

체외 실험에서, DM 또는 영양소 소화율은 특정 탄수화물 분해 효소에 적합한 사료 성분을 선택하거나(Bindelle et al. 2011; Kong et al. 2015; Park et al. 2016a) 선택된 사료 성분에서 다양한 탄수화물 분해 효소의 효능을 평가하기 위해 이전 연구에서 결정되었습니다(Zeng et al. 2018).

시험관 내 실험은 실험 오류를 쉽게 제어할 수 있어 이전 연구에서는 시험관 내 DM 또는 영양소 소화율에 대한 탄수화물 효소의 유익한 효과가 관찰되었습니다.

그러나 in vitro 실험 결과는 일반적으로 in vivo 실험 결과와 일치하지 않았다(Park et al. 2016b; Tbrres-Pitarch et al. 2018; Woyengo et al. 2018).

 

탄수화물 가수분해 효소에 의한 식이 섬유의 항영양 효과 감소는 식이에서 영양분 또는 GE의 소화율을 향상시킬 수 있습니다.

따라서 영양소의 소화율이나 GE를 반응으로 이용하여 당질분해효소의 효능을 평가하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다.

그러나 결과는 연구마다 다양했습니다.

일반적으로 탄수화물 소화효소가 영양분의 소화율 또는 GE에 미치는 유익한 효과는 식이섬유 함량이 높은 사료 성분을 함유한 사료에서 관찰되었습니다.(Owusu-Asiedu et al. 2012; Kim et al. 2017; Koo et al. 2017; Tsai et al. 2017).

그러나 다른 연구에서는 영양소의 소화율이나 GE에 대한 탄수화물 분해 효소의 영향이 없다고 보고했습니다.(Kwon and Kim 2015; Jang et al. 2016; Woyengo et al. 2018).

보고서 간의 이러한 불일치는 미생물 기원, 기질 특이성, 최적 pH 조건 및 활성을 포함한 탄수화물 분해 효소의 고유 특성의 차이로 인한 것일 수 있습니다.

또는 실험 사료의 성분 구성, 돼지의 체중 또는 환경 조건과 같은 외적 요인의 차이 요인으로 볼수 있다.

Ndou 등(2015)은 서로 다른 기원의 5가지 xylanase의 효과를 평가하기 위해 밀 또는 옥수수를 기반으로 한 두 가지 식단으로 실험을 수행했습니다.

결과의 일부가 Figure 17.3에 나와 있습니다.

 

Figure 17.3 The apparent ileal digestibility (AID) of arabinoxylan (a) and gross energy (b) in diets without (control) and with five xylatiases:

XI，Fusarium verticilloide xylanase;

X2, Aspergillus Clavatas xylanase;

X3, Bacillus substilis xylanase;

X4, Trichodenna reesei xylanase; and

X5, Trichoderma reesei xylanase (different product from X4).

Xylanases were added into wheat­ based (black bar) or com-based diets (white bar).

Interactions between diets and xylanase were observed in the AID of arabinoxylan(SEM = 3.5; P = 0.011) and gross energy(SEM = 1.9; P = 0.044).

Within responses, means with different letter differ (P<0.05).

Source: Adapted from Ndou et al. (2015).

 

 

Bacillus substilis(Figure 17.3의 X3)에서 유래한 자일라나아제를 밀 기반 식단에 추가하면 아라비노자일란의 AID가 증가하여 GE의 AID가 개선되는 반면, 옥수수 기반 식단에서는 이 자일라나아제의 효과가 없었습니다.

그러나 Trichoderma reesei에서 유래한 두 가지 다른 xylanase(그림 17.3의 X2 및 X5)는 옥수수 기반 식단에서 arabinoxylan 및 GE의 AID를 증가시켰습니다.

밀 기반 식단에서는 관찰되지 않았습니다.

이러한 관찰은 각각의 탄수화물 효소가 효소 반응에 유리한 식이 섬유의 특정 구조와 구성을 포함하는 자체적인 적합한 사료 성분을 가지고 있음을 나타낼 수 있습니다.

따라서 유익한 효과를 포착하기 위해 carbohydrases를 사용할 때 적절한 구조와 기질의 양을 포함하는 사료 성분을 고려해야 합니다.

 

식이에 carbohydrases를 추가하면 식이 섬유와 단백질 분해 효소의 간섭을 줄이거나 사료 성분에서 단백질을 둘러싼 식이 섬유를 분해하여 AA의 소화율을 높일 수 있습니다.

Ao et al.(2010) 및 Owusu-Asiedu et al.(2012)은 탄수화물 효소 혼합물이 첨가되었을 때 식단에서 몇 가지 필수 AA의 AID가 증가했다고 보고했습니다.

Kiarie 등(2010)은 또한 효소 복합체의 식이 농도가 증가함에 따라 Met의 표준화된 회장 소화율이 선형적으로 증가하는 것을 관찰했습니다.

그러나 Kong과 Adeola(2012)는 보리-SBM 기반 식이에서 AA의 AID에 대한 β-glucanase의 영향을 관찰하지 않았습니다.

식이 섬유의 감소된 분자량은 또한 점액의 과도한 분비를 방지하여 N 및 AA의 내인성 손실을 감소시킬 수 있습니다.

Cadogan과 Choct(2015)는 돼지에게 밀 기반 사료를 먹였을 때 xylanase에 의해 십이지장과 회장의 점액 분비가 감소하는 것을 관찰했습니다.

그러나 Yin et al.(2000)과 Bartelt et al.(2002)은 식단에 xylanase를 추가해도 N의 내인성 손실이 영향을 받지 않는다는 사실을 발견했습니다.

 

탄수화물의 소화율과 모돈의 GE에 미치는 탄수화물의 영향을 결정하기 위해 몇 가지 연구가 수행되었지만 탄수화물은 모돈 사료에도 사용할 수 있습니다.

임신돈에서 de Souza et al.(2007)은 자일라나아제의 첨가가 사료에서 DM과 N의 AID와 ATTD에 영향을 미치지 않았지만, 포유돈에서는 그 값이 개선되었다고 보고했습니다.

다른 연구에서도 비슷한 결과가 관찰되었는데, 영양소 또는 GE의 소화율에 대한 탄수화물 분해효소의 유익한 효과를 보여주었습니다(Upadhaya et al. 2016a; Kim et al. 2018; Zhou et al. 2018).

Cozannet et al.(2018)은 포유모돈에 대한 8건의 연구에서 수집한 데이터를 메타분석한 결과, xylanase와 β-glucanase를 포함하는 효소복합체를 첨가함으로써 DM과 GE의 ATTD가 증가한다고 보고하였다.

 

 

Studies on Growth Performance

소화율 연구의 결과와 유사하게 성장 성능에 대한 탄수화물 효소의 영향도 연구간에 일치하지 않습니다.

Carbohydrases에 의한 영양분 또는 GE의 개선된 소화율은 일반적으로 이전 연구에서 ADG 또는 G:F 증가를 초래했습니다. (Yoon et al. 2010; Hanczakowska et al. 2012; Kim et al. 2017; Koo et al. 2017).

그러나 Passos et al.(2015)은 xylanase의 첨가에 의해 돼지의 성장능력은 영양소의 AID 개선에도 불구하고 영향을 받지 않는다고 보고하였다.

이는 사료에 돼지에 대한 적절한 농도의 영양소 또는 GE가 포함된 경우 탄수화물 분해효소제의 추가가 효과적이지 않음을 나타낼 수 있습니다.

사료에 탄수화물 분해효소를 첨가하는 것은 비육돈의 양적 도체 특성에 영향을 미치지 않는 것 같습니다. (Thacker et al. 2002; Yoon et al. 2010; Hanczakowska et al. 2012).

 

영양분의 ATTD 또는 탄수화물 분해효소가 첨가된 GE의 개선을 관찰한 포유모돈에 대한 이전 연구에서도 모돈의 성능이 개선된 것으로 보고되었습니다.

일반적으로 탄수화물 분해효소의 첨가는 포유 중 BW 손실(Cozannet et al. 2018; Kim et al. 2018; Zhou et al. 2018) 또는 등 지방 두께 손실(Upadhaya et al. 2016a)을 감소시켰습니다.

식이 탄수화물 분해효소는 산자수에 영향을 미치지 않는 것으로 보입니다(Upadhaya et al. 2016a; Kim et al. 2018; Zhou et al. 2018).

하지만 메타 분석 결과를 바탕으로,

Cozannet et al.(2018)은 xylanase와 β-glucanase를 포함하는 효소 복합체의 첨가가 이유 시 자돈의 산자수와 체중을 개선했다고 보고했습니다.

 

 

 

Carbohydrases and Gut Health

 

식이섬유의 대부분은 소장에서 소화되지 않고 대장으로 들어갑니다.

식이섬유의 섭취 증가는 영양소의 소화율을 감소시키고 결과적으로 소화되지 않은 영양소도 식이섬유와 함께 대장으로 유입되어 미생물군에 영양분을 공급하게 된다.

따라서 대장의 미생물 개체군은 숙주 동물에게 유익하거나 해로울 수 있는 식이 섬유에 의해 직간접적으로 구동됩니다.

 

Kiarie et al.(2013)은 미생물 집단에서 carbohydrase의 두 가지 가능한 역할을 제안했습니다.

소화되지 않은 영양소의 감소 및 단쇄 올리고당을 프리바이오틱스로 제공합니다.

Zhang 등(2018a)은 높은 처리량 시퀀싱을 통해 회장과 맹장의 미생물 개체군에 대한 두 가지 식단(i.e., corn- or wheat-based diets)에서 5가지 다른 xylanase의 효과를 평가했습니다.

이 실험의 결과는 각각의 xylanase가 GIT의 위치뿐만 아니라 식이에 따라 미생물 개체군에 다르게 영향을 미친다는 것을 보여주었다.

예를 들어, 한 xylanase는 corn-based 사료를 먹인 돼지의 맹장에서 Lactobacillus spp. 의 상대적 rRNA 풍부도를 증가시켰습니다.

반면에 다른 2개의 xylanase는 wheat-based 사료를 먹인 돼지의 맹장에서 Lactobacillus spp.를 감소시켰습니다.

Zhang 등(2018a)은 또한 xylanase 없는 사료를 급여한 돼지에 비해 xylanase가 포함된 사료를 급여한 돼지에서 미생물 개체군의 다양성이 증가했다고 보고했습니다.

Lactobacillus spp.는 일반적으로 내강lumen의 pH를 감소시키는 능력으로 인해 숙주 동물에게 유익한 박테리아로 간주하여 병원성 미생물의 증식을 억제할 수 있습니다.

여러 연구에서 식단에 carbohydrase 추가로 회장(Chen et al. 2016) 또는 분변(Kiarie et al. 2007; Clarke et al. 2019)의 Lactobacillus spp. 개체수가 증가하는 것으로 나타났습니다.

반면 Reilly et al.(2010)과 Li et al.(2019)은 회장의 Lactobacillus spp. 개체수가 식단의 carbohydrase제에 의해 감소되었음을 발견했습니다.

 

GIT에서 미생물 집단의 조절은 숙주 동물의 장 장벽 무결성 및 면역 반응의 변화를 초래할 수 있습니다.

Li et al.(2018,2019)은 xylanase와 효소복합체(containing xylanase, β-glucanase, and cellulase)가 이유자돈의 회장과 결장에서 tight junction protein과 cytokine의 mRNA 발현에 미치는 영향을 알아보기 위한 실험을 진행하였다.

이 실험의 결과는 사료내 복합효소제를 첨가하면 회장에서 claudin-3의 mRNA 발현이 증가한다는 것을 밝혔습니다(Li et al. 2018).

이는 xylanase에 의해 공장에서 claudin과 occludin의 mRNA 발현이 증가했다고 보고한 Tiwari et al.(2018)과 일치합니다.

Li et al.(2019) 또한 식단에 xylanase 또는 복합효소제를 사용하면 결장에서 claudin-3 및 occludin의 mRNA 발현이 증가하고 혈장에서 interleukin-1β 및 종양 괴사 factor-a의 농도가 감소한다고 보고했습니다.

이는 GIT의 염증 감소를 의미할 수 있습니다.

Koo et al.(2017)은 xylanase, cellulase, amylase를 주성분으로 하는 복합효소제를 함유한 사료를 급여함으로써 이유자돈 분변 점수가 향상됨을 발견하였고, 장 장벽 무결성이 향상되었기 때문일 수 있습니다.

 

 

Other Exogenous Enzymes

 

외인성 효소 시장은 Carbohydrases와 Phytase가 지배하고 있지만,

protease(EC 3.4.21.62), lipase(EC 3.1.1.3) 및 lysozyme(EC 3.2.1.17)을 포함하는 다른 외인성 효소가 때때로 사용되었습니다.

프로테아제와 리파아제는 일반적으로 GIT에서 해당 물질의 효소 활성을 돕기 위해 적용되었습니다.

프로테아제의 효능을 평가하기 위해 수행된 이전 연구에서는 식이에서 N의 증가된 ATTD를 보여주었습니다(Tactacan et al. 2016; Upadhaya et al. 2016b; Lei et al. 2017; Pan et al. 2017; Payling et al. 2017; N0rgaard et al. . 2019).

Yii et al.(2016)은 또한 식이에 프로테아제를 첨가함으로써 N 및 몇 가지 필수 AA의 표준화된 회장 소화율이 증가했다고 보고했습니다.

반면, 성장 성과의 결과는 연구 간에 일관성이 없었습니다.

식이 프로테아제에 의한 돼지의 성장 능력 향상은 여러 연구에서 관찰되었습니다(Tactacan et al. 2016; Upadhaya et al. 2016b; Payling et al. 2017).

그러나 다른 연구에서는 그렇지 않습니다(Pan et al. 2017; Figueroa et al. 2019).

Lei et al.(2017)은 사료에 프로테아제를 추가하면 ADG에 영향을 주지 않고 돼지의 ADFI를 낮추어 G:E 개선으로 이어진다는 것을 보여주었습니다.

그러나 다른 연구에서는 돼지의 ADFI, ADG 및 최종 BW의 감소가 관찰되었습니다. (Me Alpine et al. 2012; O'Shea et al. 2014; Choe et al. 2017).

Me Alpine et al.(2012)은 ADFI 감소의 원인이 AA의 증가된 소화 및 흡수가 돼지의 피드백 메커니즘을 자극하기 때문일 수 있다고 논의했습니다.

이유자돈에서 리파아제의 효과를 테스트하기 위해 몇 가지 연구가 수행되었습니다.

Liu et al.(2018)은 식이에서 DM, N, 지방 및 GE의 ATTD가 이유 후 14일에 리파아제에 의해 개선되었음을 보여주었습니다.

Chen et al.(2014)은 사료에 리파아제를 첨가함으로써 성장 성능이 향상되었다고 보고하였으나,

Liu et al.(2018)과 Zhang et al.(2018b)은 리파아제가 성장 성능에 미치는 영향을 관찰하지 않았습니다.

 

 

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Future Studies for Exogenous Enzymes

 

돼지 사료에서 phytase의 사용은 carbohydrases에 비해 유망한 것으로 보입니다.

피타아제가 인 이용에 미치는 명백한 영향으로 인해 양돈사료에서 피타아제를 적절하게 사용하기 위한 매트릭스 값(즉, 소화 가능한 인 및 기타 영양소의 예상되는 개선을 기반으로 피타아제에 부여된 영양가)을 추정하려는 노력이 이루어졌습니다(Adeola and Cowieson 2011).

그러나 사료 성분 사이의 피틴 구조의 다양성을 고려할 때, 다양한 사료 성분이 사료 제제에 사용되는 경우 완전한 사료에 대한 고정된 매트릭스 값이 손상될 수 있습니다.

따라서 정밀영양을 위해서는 사료성분별 매트릭스 값을 추정하는 것이 더 적절할 수 있다.

매트릭스 값을 추정하기 위한 광범위한 데이터를 제공하는 사료 성분에서 P 및 기타 영양소의 소화율에 대한 피타아제의 효능을 결정하기 위해 수많은 연구가 수행되었습니다.

또한, 사료 성분의 매트릭스 값의 부가성은 추가 연구가 필요합니다.

 

앞서 논의한 바와 같이, 피타제 초과 투여에 대한 작용 방식은 여전히 불분명합니다.

Ca 이용의 개선은 초도량 투여의 유익한 효과에 대한 방아쇠가 될 수 있습니다.

따라서 향후 연구에서는 phytase가 Ca의 소화율에 미치는 영향에 초점을 맞출 필요가 있다.

Phytase의 supradosing에 대한 다른 가능한 메커니즘은 장 형태, 장 장벽 완전성, 체액 변화 또는 미생물 개체군을 포함한 다양한 반응으로 추가 조사가 필요하며, 이 모든 것은 Phytase supradosing에 대한 더 나은 이해에 기여할 수 있습니다.

 

외인성 carbohydrases의 첨가는 기질 다당류의 소화율을 증가시킨다고 보고되었다(Ndou et al. 2015; Kim et al. 2017).

그럼에도 불구하고 영양소의 소화율과 생육성능에 대한 기존 연구 결과는 일관성이 없었다.

이러한 불일치는 기질 분해가 불충분하거나 식단에서 기질이 불충분하기 때문일 수 있습니다.

사료원료에 함유된 식이섬유의 복합성과 다양성을 고려하여, 탄수화물 분해 효소의 정밀한 응용을 위해서는 다당류의 3차원 구조뿐만 아니라 다당류 내부 및 사이의 화학 결합을 포함하는 식이 섬유의 구조에 대한 추가 연구가 필요합니다.

더욱이 carbohydrases에 의해 방출되는 저분자량 올리고당은 영양소의 소화 및 흡수에 여전히 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 GIT에서 올리고당의 분해, 방출등을 더 잘 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다.

 

이전 연구에서는 장 건강 촉진제로서 carbohydrases의 잠재력을 보여주었습니다(Zhang et at 2018a; Li et al. 2018,2019).

그러나 정확한 작용 방식과 원인이 되는 미생물은 확인되지 않았습니다.

대부분의 저분자량 올리고당은 미생물에 의해 발효되지만, 장 표면을 자극하거나 내강에 물리화학적 변화를 일으키는 것과 같은 직접적인 영향이 돼지에게 있을 수 있습니다.

또한 당질분해효소, 미생물 및 숙주 동물 간의 관계는 더 나은 당질분해효소의 적용을 위해 더 연구될 필요가 있습니다(Kiarie et al. 2013).

 

 

Summary

 

Exogenous enzymes은 항영양 인자의 부정적인 영향을 약화시키고 결과적으로 사료의 영양가와 돼지의 성장 성능을 향상시키기 위해 돼지 산업에서 일상적으로 사용되어 왔습니다.

상당한 양의 phytic acid과 식이 섬유가 사료내에 존재하며 돼지 사료에서 항영양 효과를 나타냅니다.

식이에서 피틴산은 외인성 phytase에 의해 가수분해될 수 있습니다.

식이에 피타아제를 첨가하면 P의 소화율이 증가하고 다른 영양소의 소화율도 증가할 수 있습니다.

다량의 phytase를 추가하면 P의 소화율과 돼지의 성장 성능이 더욱 향상됩니다.

탄수화물 가수 분해 효소의 역할은 영양소의 소화와 흡수를 방해하는 식이 섬유를 가수 분해하는 것입니다.

또한 탄수화물 효소에 의해 방출되는 올리고당은 숙주 동물에게 유익한 미생물 개체군을 이동시켜 돼지의 장 건강을 개선할 수 있습니다.

영양소의 낭비를 줄이고 이점을 극대화하기 위해 외인성 효소를 정확하게 사용하기 위한 추가 연구가 필요하며, 이 모든 것이 지속 가능한 돼지 영양의 전제 조건입니다.