Introduction
증가하는 인구 수는 식량 공급 및 유기 폐기물 처리 문제 등 다양한 문제를 야기 시킬 것으로 보인다(Wise, 2013). 그리고 가축의 주요 단백질 공급원인 대두박의 가격 증가로 인해 지속 가능한 대체제가 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 곤충이 대체 단백질 공급원으로 떠오르고 있다(Bovera et al., 2015). 특히, 동애등에 유충(Hermetia illucens larvae, HIL)은 유기물을 분해하여 체내에 단백질과 지방으로 전환하기 때문에 유기 폐기물 처리 및 양질의 가축 사료원으로써 공급이 가능할 것으로 보인다(Surendra et al., 2016; Spranghers et al., 2017).
동애등에 유충박(HIL meal)은 대두박에 비해 상대적으로 높은 조단백질 및 아미노산 함량을 가지고 있다. 하지만, 유충의 껍데기에 존재하는 키틴(chitin) 성분은 소화가 되지 않고 단백질과 결합하여 소화율을 낮추는 역할을 한다(Longvah et al., 2011; Borrelli et al., 2017). 이러한 키틴의 역할로 인해 육계에게 급여 시 단백질의 소화율을 감소시켜 성장률을 저하시키게 된다(Bovera et al., 2018; Dabbou et al., 2018). 하지만, 소화가 되지 않는 특성 때문에 프리바이오틱스(prebiotics) 역할을 하여 맹장 내 단쇄지방산(short chain fatty acid)을 증가시키고 미생물 균총을 바꾸게 된다(Borrelli et al., 2017).
동애등에 유충박의 영양소 함량은 유충이 섭취하는 물질의 성분에 따라 달라지지만, 건조 방식에 의해서도 영양소의 물리적 반응이 발생하게 된다(Huang et al., 2019). 마이크로웨이브 건조(microwave drying) 방법은 일반적인 건조(conventional drying) 방법(60℃ in a drying oven)에 비해 시간이 적게 들고 에너지 이용 효율 측면에서 많은 장점을 가지고 있어 제품의 대량생산에 유리하다(Khodifad and Dhamsaniya, 2020). 하지만, 마이크로웨이브 방식은 단백질 입자의 중합 반응(polymerization reaction)으로 인해 입자의 크기를 증가시키고 소화효소와의 접촉 면적을 감소시켜 소화율을 저하한다(Yamamoto et al., 2016; Huang et al., 2019).
이전 연구에 따르면, 동애등에 유충박은 소화가 잘 되지 않는 특성 때문에 성장률 측면에서 낮은 함량(10% 이하)을 급여하는 것이 적절하다고 보고 되었다(Dabbou et al., 2018). 따라서, 본 연구에서는 마이크로웨이브 방식으로 건조(microwave-dried) 및 압착하여 탈지한(press-defatted) 동애등에 유충박을 육계 사료 내 0, 2, 4, 6, 8% 급여하여 성장률 지표, 맹장 내 휘발성 지방산(volatile fatty acid) 및 혈액 생화학 분석을 통해 육계의 성장과 건강에 미치는 영향을 조사하여 적정 급여 비율을 알아보고자 하였다.
Materials and Methods
본 실험은 국립축산과학원 가금사육시설에서 진행하였으며, 동물실험윤리위원회의 승인을 받고 운영 규정을 준수하였다(No. NIAS-2020-498).
공시 동물, 사료 및 실험 설계
시험 동물은 1일령 육계(Ross 308) 250수를 공시하였으며 공시 체중(initial body weight)을 고려하여 펜(pen)당 5수씩 처리구당 10반복으로 배치하였다. 시험 기간은 총 5주이며 초이, 전기, 후기 세 구간으로 나누어 영양소 함량을 달리하여 시험 사료를 배합하였다. 시험 사료는 옥수수(corn)와 대두박(soybean meal) 위주의 배합사료를 급여하였으며 동애등에 유충박을 0 (HI0), 2 (HI2), 4 (HI4), 6 (HI6), 8% (HI8) 급여하였다. 동애등에 유충박 급여 비율이 증가함에 따라 다른 원료 사료(옥수수, 대두박, 대두유 등)의 비율을 달리하여 한국가금사양표준(NIAS, 2017) 영양소 요구량 이상으로 배합하였으며 물과 함께 자유채식하도록 급여하였다. 시험 사료의 원료 및 화학적 조성은 Table 1에 나타내었으며 동애등에 유충박과 대두박의 화학적 조성은 Table 2와 같다.
동애등에 유충박을 가공하기 위해 세척 후 탈수한 동애등에 유충을 마이크로웨이브 건조기를 이용해 건조한 후(70 - 80℃ for 30 min), 냉압착 착유기(NF-80; Karaerler, Aankara, Turkey)를 사용해 탈지하였다(45 - 48℃). 탈지된 유충박은 다른 사료 원료와 섞일 수 있도록 분쇄하였다.
Table 2. Chemical composition of the Hermetia illucens larvae meal (HILM) and soybean meal.
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NDF, neutral detergent fiber; ADF, acid detergent fiber. |
성장 성적, 샘플링 및 도계
육계의 일당증체량(average daily gain)과 일당사료섭취량(average daily feed intake)을 조사하여 사료요구율(feed conversion ratio)을 계산하였으며, 실험 마지막 날(35 days) pen 당 1수씩(10 broilers per treatment) 임의로 선발하여 익하정맥에서 채취한 혈액을 혈청 튜브에 옮긴 후 경정맥을 절단하여 도계하였다. 이 후, 맹장을 적출하여 내용물을 채취하고 액체질소 통에 옮겼다. 또한, 혈청 튜브를 15분간 원심분리(1,800 × g) 후 상층액을 다른 튜브에 옮겨 맹장액 샘플과 함께 분석 전까지 -80℃에 보관하였다.
휘발성 지방산 분석
대략 1 g의 맹장액 샘플을 증류수 1 mL과 희석하여 10분 동안 원심분리(5,000 × g) 하였다. 상층액을 다른 튜브에 옮기고 metaphosphoric acid를 200 μL 넣어 다시 10분간 원심분리(5,000 × g) 하였다. 이 후, 상층액을 capillary column (15 m × 0.53 mm × 0.5 µm; Supelco Inc., Bellefonte, PA, USA)을 사용하여 가스 크로마토그래피(6890N Agilent Technologies, Waldbronn, Germany)로 휘발성 지방산을 분석하였다.
혈액 생화학 분석
혈청 샘플 내 글루코오스(glucose), 총 단백(total protein), 알부민(albumin), 글로불린(globulin), 알부민/글로불린, 콜레스테롤(cholesterol), high-density lipoprotein cholesterol (HDL-C), low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C), 트리글리세라이드(triglyceride), 인(phosphorus), 칼슘(calcium), aspartate aminotransferase (AST), alanine aminotransferase (ALT), gamma-glutamyl transferase (GGT), alkaline phosphatase (ALP), 총 빌리루빈(total bilirubin), 혈중요소질소(blood urea nitrogen), 크레아티닌(creatinine), 크레아틴 인산화효소(creatine phosphokinase)를 혈액 생화학 분석기(Catalyst Dx; IDEXX Labs Inc., Westbrook, USA)를 사용하여 분석하였다.
통계 분석
통계 처리는 SAS프로그램(SAS, 2009)을 사용하여 GLM procedures를 통해 실시하였고 각 처리구 평균 간의 차이를 비교하기 위해 Tukey’s test를 사용하였다. 또한, orthogonal polynomial contrasts 방법을 사용하여 각 처리구 평균값의 선형 효과(linear effect)와 2차효과(quadratic effect)를 분석하였다. 성장 지표를 분석하기위해 실험 단위(experimental unit)로 각 pen (n = 10 per treatment)을 이용하였고 휘발성 지방산과 혈액 생화학을 분석하기위해 하나의 개체(broiler, n = 10 per treatment)를 실험 단위로 이용하였다. 결과 값은 평균과 standard error of the means (SEM)로 표기하였으며 유의성 검정은 95% 유의수준으로 분석하였다.
Results and Discussion
본 연구에서 동애등에 유충박의 급여 비율이 증가할수록 성장률에 부정적인 영향을 미쳤다(Table 3). 실험 마지막 날(35 days)에 생체중(final live weight)을 측정한 결과 급여 비율이 증가함에 따라 유의적으로(p < 0.01) 감소하였으며, 이에 따라 일당증체량 또한 감소하였다(p < 0.01). 사료요구율을 처리구간 비교한 결과 급여 비율의 증가에 따라 증가하였지만(p < 0.05), 4%까지 급여 시 통계적으로 사료요구율의 차이는 없었다. 하지만, HI0과 HI4 처리구의 일당증체량을 비교한 결과 HI4 처리구가 낮았으며 이러한 결과는 낮은 함량(2%)의 급여가 4% 급여보다 적절하다고 판단된다. 이전 연구에 의하면 동애등에 유충박을 10%까지 급여하였을 때 도체중의 차이가 없었고 대두박을 대체할 수 있는 것으로 보고되었다(Schiavone et al., 2019). 하지만, 본 연구에서 사용된 동애등에 유충박은 마이크로웨이브로 유충을 건조 후 압착 방식으로 가공한 원료이다. 서로 다른 동애등에 유충박의 가공 및 건조 방식 차이에 의한 단백질의 구조적 변화로 인해 성장성 측면에서 대체 가능한 수준이 떨어지는 것으로 판단된다(Huang et al., 2019). 또한, 유충의 외골격에 존재하는 키틴은 단백질과 결합하여 소화가 되지 않게 방해하는 역할을 한다(Borrelli et al., 2017; Marono et al., 2017). 이러한 키틴의 특성과 건조 방식에 의한 단백질의 구조적 변화로 인해 소화율이 저하되었을 것이며 동애등에 유충박 급여 수준의 증가에 따라 성장률에 부정적인 영향을 끼친 것으로 판단된다. 하지만, 본 연구에서 동애등에 유충박 급여시 맹장 내 총 휘발성지방산 함량이 유의적으로(p < 0.01) 증가하였으며(Table 4) 이러한 결과는 소화가 되지 않는 키틴의 특성 때문인 것으로 보인다(Cutrignelli et al., 2018). 유충박 급여 비율이 증가함에 따라 총 휘발성지방산 함량이 증가하였으며(p < 0.01) 이는 동애등에 유충박이 장 발달에 긍정적인 효과를 준 것으로 해석된다.
동애등에 유충박 급여에 따른 육계의 건강에 미치는 효과를 알아보고자 혈액 생화학 분석을 하였다(Table 5). 혈청 내 글루코오스, 단백질 및 지방 관련 지표를 분석한 결과 triglyceride 수치가 급여 비율의 증가에 따라 유의적으로 증가하였다(p < 0.05). 이전 연구에 의하면 산란계에게 동애등에 유충박 급여 시 혈중 콜레스테롤과 triglyceride 수치를 감소 시켰으며 이는 키틴에 의한 효과라고 설명하였다(Marono et al., 2017; Bovera et al., 2018). 하지만, 본 연구에서 상반되는 결과를 보여주었으며 triglyceride 수치는 급여 비율에 따라 증가하였다(p < 0.05). 이러한 결과는 동애등에 유충박과 대두박의 지방산 조성에 의한 차이로 볼 수 있다. 대두박은 불포화지방산(unsaturated fatty acid) 함량이 높은 반면에 동애등에 유충박의 경우 포화지방산(saturated fatty acid) 함량이 높고 불포화지방산이 낮은 특성을 가지고 있으며 포화지방산 중에서 lauric acid (C12 : 0)와 같은 중쇄지방산(medium-chain fatty acid) 함량이 높다(Schiavone et al., 2019; Kim et al., 2020a; Kim et al., 2020b). 중쇄지방산은 장쇄지방산(long-chain fatty acid)에 비해 사슬이 짧아 간문맥(portal vein)을 통한 흡수가 빠르며 혈중 LDL-C 수치를 낮추고 triglyceride 수치를 증가시키는 역할을 한다(Baltić et al., 2017; Hanczakowska, 2017). 따라서, 대두박에 비해 상대적으로 높은 동애등에 유충박의 중쇄지방산 함량 때문에 혈중 triglyceride 수치가 높아진 것으로 판단된다. 하지만, 본 연구결과에서 총 콜레스테롤(total cholesterol) 함량은 유충박 함량이 증가할수록 증가하는 경향을 보였지만 처리구간 유의적인 차이는 없었다. 이전 연구에 따르면, 동애등에 유충유와 비슷한 지방산 조성(높은 중쇄지방산 함량)을 가지고 있는 코코넛 오일(coconut oil)을 육계에게 급여시 혈액 내 total cholesterol과 HDL-C수치가 높아지는 결과를 보여주었다(Kim et al., 2020c). 하지만, 동애등에 유충유 급여 시 total cholesterol 및 HDL-C수치에 영향을 주지 않았으며 이는 서로 다른 지질 대사에 의한 차이와 코코넛 오일에 비해 상대적으로 높은 linolenic acid 함량에 의한 혈중 콜레스테롤 저하효과(hypocholesterolemic effect) 때문인 것으로 보인다(Kim et al., 2020c).
실험 전체 기간 동안 실험 동물들의 건강상태는 외관적으로 이상이 없었으며 간, 신장 및 근육 기능 지표를 통해 확인하였다(Table 6). 간기능 지표인 AST, ALT, GGT, ALP, 총 빌리루빈 수치를 측정한 결과 처리구간 유의적인 차이는 없었으며 신장과 근육 기능 지표인 혈중요소질소, 크레아티닌 및 크레아틴 인산화효소 수치도 처리구간 유의적인 차이를 보이지 않았다. 하지만, 급여 비율의 증가에 따라 혈중 인 수치는 감소하였지만, 칼슘 수치는 역으로 증가하였다(p < 0.05). 이전 연구결과에 의하면 동애등에 유충박을 급여한 육계의 혈중 인은 증가하였으며 이는 동애등에 유충 내 존재하는 인이 생체 이용률이 높기 때문이라고 추정되었다(Dabbou et al., 2018). 하지만, 본 연구 결과는 상반되는 결과를 보여주었으며 그 이유는 동애등에 유충박 내 키틴의 구조적 특성으로 판단된다. 키틴의 디아세틸화(deacetylation) 과정에 의해 생성되는 키토산(chitosan)은 아민기(-NH2)를 가지고 있어 인과 결합하는 특성을 가지고 있다(Pap et al., 2020). 이전 연구에 의하면, 키토산을 rats에게 급여 시 혈중 인이 감소하였으며(Baxter et al., 2000) 본 연구에서 혈중 인이 감소한 이유는 키틴과 키토산의 비슷한 구조로 인한 것으로 볼 수 있다. 또한, 혈중 칼슘 농도가 높을 경우 부갑상선 호르몬(parathyroid hormone)의 분비가 감소하게 되고 이는 혈중 인 수치를 감소시키게 된다(Sun et al., 2020). 따라서, 혈중 칼슘과 인은 서로 반대로 작용하며 본 연구에서 칼슘과 인의 상반되는 결과는 혈중 인 수치의 감소에 따른 호르몬에 의한 조절때문으로 판단된다(Sun et al., 2020).
Conclusion
육계 사료 내 동애등에 유충박 급여 비율(0, 2, 4, 6, 8%)에 따른 생산성 및 건강에 미치는 영향을 조사해 본 결과 급여 비율이 증가함에 따라 맹장 내용물의 휘발성지방산 수치가 증가하였으며 이는 장 발달에 긍정적인 역할을 한 것으로 보인다. 또한, 혈액 생화학 분석을 통해 동애등에 유충박 급여가 육계의 건강에 부정적인 영향을 끼치지 않는 다는 것을 확인할 수 있었다. 생산성 측면에서 낮은 함량(4% 이하)을 급여하였을 때 사료요구율은 차이가 없었으나 일당증체량과 사료섭취량이 감소하였기 때문에 2%이하로 급여하는 것이 바람직해 보인다. 따라서, 동애등에 유충박의 체내 이용 효율을 높이기 위한 유충박 건조 및 가공 방법의 개선이 필요해 보이며 이에 대한 추가 연구가 필요하다.
Acknowledgements
본 연구는 농촌진흥청 연구사업(세부과제명: 유용곤충 가공 사료소재별 닭 이용성 평가, 세부과제번호: PJ01456002)의 지원과 2021년도 농촌진흥청 국립축산과학원 전문연구원 과정 지원사업에 의해 수행되었습니다.
Authors Information
Byeonghyeon Kim, https://orcid.org/0000-0003-4651-6857
Hye Ran Kim, https://orcid.org/0000-0003-2207-3668
Jin Young Jeong, https://orcid.org/0000-0002-8670-7036
Kwanho Park, Industrial Insect Division, National Institute of Agricultural Sciences, Researcher
Sang Yun Ji, https://orcid.org/0000-0001-7235-3655
Seol Hwa Park, https://orcid.org/0000-0002-7218-8212
