Introduction
구리는 항균작용을 통해 성장을 촉진시키는 필수 미량광물질로 알려져 있다(Shurson et al., 1990). 이유자돈에게 급여시 성장률이 증가하는 긍정적인 효과를 보여주었으며 이러한 효과로 인해 양돈 사료 내 첨가를 하고 있다(Lee et al., 2001; Liao et al., 2018). 하지만, 사료 내 높은 수준의 구리 첨가는 분변 내 구리 배출량을 증가시킬 뿐만 아니라 가축의 분변으로 인한 토양과 수질 오염의 부작용이 발생한다(Lee et al., 2016; Liao et al., 2017). 이러한 환경 문제를 줄이기 위해 구리 첨가 수준을 낮추거나 구리의 생체 이용률이 높다고 알려진 유기태 구리를 사용하는 방법이 있다(Liao et al., 2017).
현재 가장 많이 사용되는 구리 형태는 무기태인 황산구리(CuSO4)이다. 하지만, 동물 사료에 주로 사용되는 식물성 원료인 옥수수와 대두박에 존재하는 phytic acid는 CuSO4와 결합하여 체내 구리 흡수를 억제하여 이용 효율을 감소시킬 수 있다(Liu et al., 2014). 반면에, 유기태 구리는 phytic acid와 결합을 형성하지 않아 구리의 흡수 및 소화가 잘 될 수 있다(Liu et al., 2014). 뿐만 아니라, 유기태 구리는 무기태 구리에 비해 생체 이용률이 상대적으로 높아 체내 축적이 잘되며 분으로 적게 배출될 수 있다(Huang et al., 2010a; Zhao et al., 2014; Espinosa and Stein, 2021).
이전 연구결과에 의하면 유기태와 무기태 구리를 이유자돈에게 급여시 일당증체량이 증가하고 설사율이 감소하는 긍정적인 효과를 보여주었지만(Carpenter et al., 2019; Lin et al., 2020), 육성비육 기간 동안에는 유기태와 무기태 구리 급여가 성장률에 미치는 영향이 적었다(Huang et al., 2010a; 2010b; Zhao et al., 2014; Coble et al., 2018). 또한 사료 내 높은 함량의 CuSO4 사용은 십이지장 및 공장의 융모 길이를 감소시키고 혈액 내 생화학 지표의 변화를 일으키게 된다(Fry et al., 2012; Liao et al., 2017). 하지만, 유기태 구리의 성장 촉진 효과, 구리 분 배출량 감소 및 돼지의 건강에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 부족하고 객관적인 효능 검증이 미흡한 실정이다.
따라서 본 연구는 육성돈 사료에 CuSO4와 세 종류의 유기태 구리(Cu-glycine complex [CuGly], Cu-amino acid complex [CuAA] 및 Cu-hydroxy-4-methylthio butanoate chelate complex [CuHMB])를 첨가 및 급여하여 성장률, 분 내 구리 배출량, 장 형태학 및 혈액 생화학 분석을 통해 돼지에 미치는 영향을 평가하고자 수행되었다.
Materials and Methods
본 연구는 국립축산과학원 동물사육시설에서 실시되었으며 동물실험윤리위원회(IACUC) 운영 규정을 준수하고 승인을 받았다(No. 2020-1849).
공시동물, 처리구 및 실험 설계
시험 동물은 체중 30.22 ± 1.92 kg 육성돈 40두를 공시하였다. 처리구는 총 5개 처리구가 있으며 처리구당 8두씩(8반복 및 1두/펜) 체중을 고려하여 임의 배치하였다. 처리구로는 대조구(CON), 무기태 처리구(CuSO4)와 세개의 유기태 처리구(Cu-glycine complex [CuGly], Cu-amino acid complex [CuAA] 및 Cu-hydroxy-4-methylthio butanoate chelate complex [CuHMB])들이 있다. 시험기간은 총 4주동안 진행되었으며 급여 사료는 옥수수 및 대두박 위주로 한국돼지사양표준(NIAS, 2017) 영양소 요구량 이상 배합한 사료를 물과 함께 무제한 급이 하였다. 또한 무기태와 유기태 구리 처리구는 각 제품들을 100 ppm 추가 배합하여 급이하였다. 시험 사료의 원료 및 화학적 조성은 Table 1과 같다.
조사항목 및 조사방법
돼지의 개시체중(initial body weight, IBW)과 종료체중(final body weight, FBW)을 측정하여 일당증체량(average daily gain, ADG), 일당사료섭취량(average daily feed intake, ADFI) 및 사료효율(gain : feed)을 계산하였으며 시험 마지막 날(28 days) 혈액을 경정맥으로부터 채취하여 혈청 튜브에 보관하였다. 채취한 혈액은 생화학 및 광물질 분석에 이용되었으며 분 내 구리 함량을 측정하기 위해 분을 채취하였다. 그 후, 도축을 하고 공장의 융모 길이 및 음와 깊이를 측정하기 위해 샘플 채취 및 내용물 제거 후 10% buffered formalin에 침지시켰다.
혈액 내 광물질 및 분 내 구리 분석
샘플 내 광물질 분석 항목은 혈액의 경우 철, 구리, 황 및 칼슘이고 분의 경우 구리이다. 분석은 유도결합 플라즈마 발광광도법을 이용하여 ICPS-7510 (Shimadzu, Tokyo, Japan)으로 수행되었으며 기기 설정 값은 다음과 같다: plasma gas flow = 1.0 L·min-1, RF power = 0.8 kW.
장 형태학 분석
고정된 공장 조직 샘플을 탈수 및 파라핀으로 블록을 제작 후 5 µm 두께로 rotary microtome (Leica RM 2245, Leica Microsystems, Tokyo, Japan)을 사용하여 잘라낸 후 유리 슬라이드에 고정시켰다. 그 후 슬라이드를 hematoxylin and eosin염색을 하였다. 염색이 된 슬라이드는 스캐너(NanoZoomer Digital Pathology System, Hamamatsu Co., Bridgewater, NJ, USA)를 이용해 융모 사진을 스캔하였다. 각 처리구당 3개의 융모를 임의로 선택하여 ImageJ software (National Institute of Health, Bethesda, MD, USA)를 사용하여 융모 길이(villus height), 음와 깊이(crypt depth) 및 융모 너비(villus width)를 측정하였다.
혈액 생화학 분석
혈액 생화학 분석을 하기 위해 채취한 혈액으로부터 혈청을 채취하기위해 15분 동안 원심분리(1,800 × g) 하였으며 분리된 혈청을 새로운 튜브에 옮긴 후 분석을 위해 -80℃에 보관 하였다. 생화학 분석은 분석기(Catalyst Dx, IDEXX Labs Inc., Westbrook, USA)를 사용하여 분석하였으며 분석 항목은 다음과 같다: 글루코오스(glucose), 크레아틴(creatine), 혈액요소질소(blood urea nitrogen, BUN), 총 단백(total protein), 알부민(albumin), 글로불린(globulin), alanine aminotransferase (ALT), alkaline phosphatase (ALP), gamma-glutamyl transferase (GGT) 및 콜레스테롤(cholesterol).
통계 분석
통계 분석은 SAS version 9.4 (SAS, 2009)를 사용하여 GLM procedures를 이용해 분석하였으며 실험단위(experimental unit)로 각 공시동물을 이용하였다. 또한 각 처리구 평균간 차이를 비교하고자 Tukey’s multiple comparison test (SAS, 2009)를 이용하였다. 결과값은 평균과 standard error of the means (SEM)로 표기하였으며 유의성 검정은 95% 유의수준으로 분석하였다.
Results and Discussion
유기태와 무기태 구리 첨가사용이 성장률 차이의 유무에 대해 서로 다른 의견이 나오고 있다(Pluske et al., 2002; Huang et al., 2010a; 2010b; Zhao et al., 2014; Liao et al., 2018). 문헌에 따르면 유기태가 무기태에 비해 성장률에 더 좋으며 그 이유가 구조적차이에 따른 생체이용률의 차이 때문이라고 설명하고 있다(Fry et al., 2012; Liu et al., 2014; Zhao et al., 2014). 유기태 구리의 경우 아미노산과 같은 다른 물질과 킬레이트(chelate) 결합을 통해 고리 형태의 화학 구조를 형성하게 된다(Yenice et al., 2015). 킬레이트는 유기태 구리가 무기태 구리와 다른 경로로 장관을 통해 쉽게 흡수될 수 있도록 도와주는 역할을 하게 된다(Yenice et al., 2015). 따라서 이러한 역할은 유기태가 무기태에 비해 체내 흡수 및 간에 저장하는 것이 효과적이다(Zhao et al., 2014). 본 연구에서 CuSO4와 다른 유기태 구리와의 성장률 차이를 본 결과(Table 2), 구리첨가는 무기태 구리와 유기태 구리 처리구 모두 성장성 측면에서 긍정적인 효과를 보였다. CuSO4처리구와 CuHMB처리구에서의 FBW가 대조구에 비해 유의적으로 높았으며(p = 0.020), ADG의 경우 무기태와 유기태 처리구 모두 대조구에 비해 높았다(p = 0.001). CuSO4를 첨가한 처리구에서 ADFI가 다른 처리구들에 비해 높았지만(p < 0.001), gain : feed를 측정한 결과 CuSO4처리구와 다른 유기태 처리구 간의 차이는 없었다. 따라서 무기태와 유기태 구리 첨가는 대조구에 비해 성장률이 증가하는 긍정적인 효과를 보였지만, 무기태와 유기태 간의 성장 촉진 효과 차이는 없었다. 이전 연구결과에서 무기태와 유기태 구리를 이유자돈에게 급여하였을 때 ADG 및 ADFI가 증가하였으며 유기태가 무기태에 비해 더 높은 ADG와 ADFI결과를 보여주었다(Carpenter et al., 2019). 또한 육성기 초기에 무기태 구리 급여시 ADG가 2.4% 증가하였으며 160 mg·kg-1의 CuSO4와 CuHMB 급여시 성장률에 긍정적인 효과를 보여주었다(Zhao et al., 2014; Coble et al., 2018). 하지만, 이전 연구결과에서도 유기태와 무기태 처리구간의 성장률 차이는 보이진 않았다(Zhao et al., 2014).
본 연구결과에서 혈액 내 미네랄의 농도를 측정한 결과(Table 3), 철, 구리, 황 및 칼슘 농도는 처리구간 차이가 없었다. 하지만, 이전 연구결과에 의하면 유기태가 무기태에 비해 소화율이 높고 섭취한 양에 비해 체내에 축적이 잘 되며 혈액 내 구리 함량이 더 높았다(Liu et al., 2014). 하지만, 이전 연구결과에 의하면 650 g·t-1의 무기태 구리(CuSO4)와 640 g·t-1의 유기태 구리(N-carbamylglutamate chelate, NCG-Cu)를 이유자돈에게 급여한 결과 두 처리구 모두 혈액 내 구리 함량은 대조구에 비해 차이가 없었다(Liao et al., 2017). 또한 170 ppm의 유기태 구리(Cu amino-chelate와 Cu-lysine)와 무기태 구리(CuSO4)를 이유자돈 사료에 첨가 및 급여한 결과 혈액 내 구리 함량이 서로 차이가 없었다(Lee et al., 2001). 따라서 본 연구결과에서 혈액 내 구리 함량이 처리구간 차이가 없는 이유는 구리 첨가 농도가 이전 연구결과에 비해 낮았고 유기태 구리의 종류 차이 때문이라고 판단된다(Lee et al., 2001; Liao et al., 2018). 혈액 내 구리 함량과 달리 대조구의 분 내 구리 함량은 다른 유기태 구리 처리구들에 비해 유의적으로 낮게 배출되었다(Table 3; p < 0.001). CuSO4처리구와 유기태 구리 처리구 결과를 비교해 보면 CuSO4처리구의 구리 배출량은 CuGly처리구와 차이가 없었지만, 나머지 유기태 처리구(CuAA 와 CuHMB)에 비해 높았다(p < 0.001). 이전 연구결과에 의하면 유기태 구리 첨가 사용은 무기태 구리에 비해 분 구리 배출량이 낮았으며 환경 보호 측면에서 긍정적이라고 보고되었다(Huang et al., 2010a; 2010b). 또한 이전 연구결과에서 혈액 내 구리 함량이 처리구간 차이가 없었지만, 무기태와 유기태 구리를 급여하였을 때 간이나 신장에서 구리 함량이 증가한 것으로 보아 유기태 구리는 생체이용률이 높아 체내에 축적이 잘 되는 것으로 판단된다(Liao et al., 2017).
사료 내 과도한 구리 첨가 사용은 분 배출량 증가뿐만 아니라 장관 내 산화스트레스를 유발하게 된다. CuSO4 (225 mg·kg-1)를 이유자돈에 급여시 십이지장과 공장에서 융모의 길이가 감소하였다(Fry et al., 2012). 반면에 그보다 낮은 함량(200 ppm)을 급여하면 십이지장과 공장의 융모 길이가 증가하고 음와 깊이는 감소하였다(Zhao et al., 2007). 또한 유기태 구리는 융모 형태를 발달시켜 소화 및 흡수 기능 강화에 기여할 수 있다(Chabaev et al., 2020). 하지만, 본 연구결과에서 융모 길이 및 음와 깊이는 처리구간 차이가 없었으며(Table 4), 이는 낮은 함량(100 ppm)에 의해 효과가 적은 것으로 판단된다.
사료 내 높은 구리 함량으로 인해 체내에 과도하게 축적이 되면 간이나 신장에 영향을 주게 되고 이러한 영향은 혈액 생화학 분석을 통해 알 수 있다(Hyder et al., 2013). 특히, ALT는 간세포가 영향을 받게 되면 민감하게 반응하는 물질이다(Liao et al., 2017). 높은 함량의 CuSO4를 이유자돈에게 급여할 경우 혈액 내 ALT 수치가 증가하지만 유기태 구리는 증가하지 않았다(Liao et al., 2018). 또한 이전 연구결과에서 CuSO4는 유기태 구리에 비해 혈액 내 creatine, total protein 및 albumin수치를 증가시켰지만 유기태 구리는 영향을 주지 않았다. 그러므로 높은 함량의 구리 첨가 및 지속적인 급여는 돼지의 건강에 해로울 수 있다(Liao et al., 2017). 본 연구결과에서 처리구간 혈액 생화학 지표를 비교한 결과 유의적인 차이가 없었다(Table 5). 따라서 본 연구에서 사용된 구리 첨가 함량(100 ppm)은 돼지의 건강에 부정적인 영향을 끼치지 않았음을 알 수 있다.
Conclusion
무기태(CuSO4)와 유기태(CuGly, CuAA 및 CuHMB) 구리를 육성돈 사료 내 100 ppm 첨가 및 급여시 일당증체량 및 사료효율이 증가하였다. 하지만, 유기태와 무기태 구리 종류 차이에 따른 효과는 없었다. 혈액 내 구리 함량은 처리구간 차이를 보이지 않았으나 유기태 구리를 첨가한 처리구들(CuAA와 CuHMB)에서 분으로 배출되는 구리 함량이 CuSO4처리구보다 적었다. 또한 본 연구에서 육성돈 사료에 첨가된 무기태와 유기태 구리 함량은 육성돈의 건강에 부정적인 영향이 없었으며 유기태 구리(CuAA와 CuHMB)를 사용하는 것이 환경적 측면에서 구리 배출량 감소에 기여할 수 있을 것이다.
Aknowledgements
본 연구는 농촌진흥청 연구사업(세부과제번호: PJ01493601)의 지원과 2021년도 농촌진흥청 국립축산과학원 전문연구원 과정 지원사업에 의해 수행되었습니다.
Authors Information
Minji Kim, 0000-0003-2106-1921
Hyunjung Jung, 0000-0002-7004-2017
Pil-Nam Seong, 0000-0003-2915-1059
Jin Young Jeong, 0000-0002-8670-7036
Youl-Chang Baek, 0000-0003-4454-5339
Seol Hwa Park, 0000-0002-7218-8212
Chae Hwa Ryu, 0000-0002-7753-0929
Ki Hyun Kim, 0000-0002-9834-2126
Ju Lan Chun, 0000-0002-4618-586X
Sang-Ik Oh, Division of Animal Disease & Health, National Institute of Animal Science, Researcher
Byeonghyeon Kim, 0000-0003-4651-6857
