한가지 이상의 세균 성장억제 작용 양식 동반은 위장관 유익세균 군집을 형성하게 하여 세균 오염을 통제하여 가금 사육업자들에게 더 큰 성공을 제공한다.
현대 가금 생산에서, 위장 관의 세균오염, 특히 그램-음성세균(Gram-negative bacteria) 감염은 생산성 저하 원인이 되는 심각한 문제이다. 그램-음성세균 오염으로부터 가금을 보호하고 그리고 그 감염을 억제하기 위한 여러 방법들이 제시 되었다. 이 중에는 항생물질들(antibiotics)과 여러 물질들을 사용하는 방법들이 있고, 가장 오랫동안 사용되어 확립된 방법이 사료와 위장 관의 산성화(酸性化)이다. 유기산들(Organic acids)은 장내 세균군집을 조정하는 기능을 가지고 있어서, 락토바실러스(Lactobacilli; 유산균속; 乳酸菌屬)와 같은 유익균(有益菌)의 증식을 돕고, 병원성 그램 음성 세균들 수는 저하시킨다. 여러 유기산을 조합한 혼합물이 현대 가금 산업에서 사용되며, 그 이유는 더 넓은 범위의 세균 군집조정 작용성이 제공되기 때문이다. 장(腸)의 주 기능은 영양소들의 흡수이다. 적정 수준의 영양소 흡수를 위해서는 장내 세균군집들의 균형이 요구된다. 장내 세균 군집들의 균형은 영양소들의 충분한 소화 흡수 뿐만 아니라 유해균(harmful bacteria)의 경쟁적 배제(competitive exclusion)를 통한 가금보호에 반드시 요구된다. 장내미생물 군집의 조성을 조정할 수 있는 재료들은 여러 물질들 중에서 유기산들과 식물 함유 화학물질들(phytochemical substances)을 들 수 있다. 이 물질들은 항미생물 작용을 하고 병원성 세균만을 목표로 활동하며 유익균들을 보호하고 또는 유익균 수를 증가시키는 기능이 있다.
유기산들
가금산업에서 유기산들을 설명할 때 항상 유기산들의 pH-저하 효과를 말한다. 전리(電離)된 (dissociated form) 유기산들은 주위 환경의 pH를 저하시키고 비전리(非電離)형(undissociated form) 유기산들은 간접 살균 작용을 한다. 모든 유기산들은 각각 pKa 값(산 전리상수의 역수의 대수 값)을 가진다. pKa값은 주위 상황 pH가 달라짐에 따라 얼마나 많이 전리 되어 있고 그리고 얼마나 많이 비전리 형으로 남아있는지를 나타낸다. 이러한 pKa 값을 기준으로 주어진 pH 환경에서 유기산이 전리형 또는 비전리 형으로 존재 할지 여부의 판단이 가능하다. 이에 따라서 가금 사료 또는 물에 사용할 가장 적정 유기산 제품의 선택기준이 될 수 있다. 프로피온산(propionic acid)은 표 1를 보면 pKa값 4.88을 가지고 있다. 이 값은 pH 4.88의 환경에서 프로피온산의 반은 전리(CH3CH2COO- + H+)되고 그리고 다른 반은 비전리형(CH3CH2COOH)으로 존재한다는 것을 의미한다. 전리 된 유기산들은 환경에 수소 이온(H+)을 방출하여 pH 저하(低下)제로 작용한다. 비전리형 산들은 세균의 세포벽을 통과하여 세균의 세포질 내로 들어 갈수 있다. 세균세포질 내에 들어온 비전리산들은 세포질의 중성환경을 맞이하게 된다. 이러한 pH 4.88보다 높은 중성 세포질 환경에서 비전리 유기산(프로피온산)은 전리된다. 유기산이 세포질 내에서 전리되면 수소이온(H+)을 방출하고 세포질 내 H+ 농도가 높아져서 pH를 저하시키게 된다. 세포질내 중성 환경에서 낮은 pH로 이동은 DNA, 단백질 합성 그리고 세포 내 막들을 파괴시키고 교란시킨다. 이러한 pH 변동 상황은 세균이 세포질내 pH 조절을 위하여 상당한 량의 에너지 사용을 높이는 원인이 된다. 세균 세포질내에 가두어진 유기산들의음이온(예 : CH3CH2COO-)들은독성물질로서 작용하여 대사 반응들을 억제하고 세균의 증식을 중지시킨다.
프로피온 산
표1. 동물 생산에 보통 사용되는 유기산들의 pKa 값들
모든 유기산이 가진 pKa값은 주어진 주위 상황에 따라 얼마나 많이 전리(해리) 할 것인지 그리고 얼마나 많이 비전(해)리 산으로 남을 것인지를 나타낸다.
식물 유래 화학물질(Phytochemical)-신남알데하이드(cinnamaldehyde)
신남알데하이드(Cinnamaldehyde)은 계피(桂皮;cinnamon)의 풍미와 냄새를 풍기는 유기화합물이다. 신남알데하이드는 육계(肉桂)나무와 육계나무속의 다른 종들의 나무 껍질로부터 얻은 천연 추출물이다. 이 물질의 방향(芳香)과 맛 때문에 신남알데하이드는 방향제(芳香劑:flavoring agent)로 사용된다. 그리고 항-곰팡이 성질들 때문에 농화학제로서, 방식(防蝕)제로서 그리고 항미생물 제제로 사용된다. 신남알데하이드의 항미생물 기능은 FtsZ(Filamenting temperature-sensitive mutant Z) 단백질들의 형성을 방해하는 작용으로부터 나온다. FtsZ 단백질들은 세포 분열 과정에 중요한 역할을 한다. 정상적으로는 FtsZ 단백질들은 세포질 내에 존재하며 세포 분열이 진행되는 세포 중심으로 이동하도록 하는 필라멘트들(filaments : 가는 실)의 성분을 형성한다. 세포 분열시에 이 필라멘트 단백질들은 환(環; 고리)형으로 결국은 세포를 둘로 나누는 역할을 하여 세포 분열과 세포 증식의 원인이 된다. 세포분열단백질(FtsZ)들 생성이 신남알데하이드에 의하여 차단되면 세포 분열은 일어나지 않는다. 한편 신남알데하이드는 병원성 세균에는 선택적으로 작용하나 유익균에는 작용하지 않는다(표 2). 여러 유기산들의 혼합물은 광범위 그램-음성 세균의 억제작용을 촉진한다. 이 혼합물에 신남알데하이드을 첨가한 혼합물은 항미생물 작용을 향상하고 항미생물 작용 범위를 넓힌다.
(주)Cinnamaldehyde(신남알데히드)는 계피(桂皮:cinnamon) 추출 정유(essential oil)로 페닐기 부착 불포화 알데하이드이다.
표2. 위액과 장액 자극 인 비트로(in vitro) 락토바실러스와 대장균 증식 배양액에 신남알데하이드(cinnamaldehyde) 첨가의 영향
a,b,c 세로줄내세에서 같은 문자가 없는 값들을 유의하게 다르다 (덩칸의 다중 검정).
*위액자극시에 500mg/L 그리고 공장액 자극시에 1000mg/L.
**RSD : Residual Standard Deviation (잔차 표준편차).
신남알데히드는 병원성 세균에 선택적 작용을 하나 유익균에는 영향을 미치지 않는다.
그램-음성 세균 제거
그램 음성 세균은 세포벽에 추가 외막(外膜)을 가지고 있어서, 이 추가 외막은 항미생물 물질들에 대한 선천적 내성을 제공하는데 기여 한다. 이 외막은 리포다당들(lipopolysaccharides)로 되어있고, 담즙산염들과 소화효소들로부터 이 세균을 방어하고 그리고 소수성(疏水性) 항생물질들과 세척소독제들에 대하여 차별화된 저항성을 부여 한다. 그램음성 세균을 성공적으로 제거할려면, 이 외막의 훼손이 요구된다. 투과제들(Permeabilizing substances)은 이 외막을 투과 하는 기능을 가진 물질이다. 이 막을 투과하므로서 세균세포에 항미생물 제제들의 침입을 쉽게 한다. 인 비트로(In vitro) 시험들에서 유기산들과 신남알데하이드 을 혼합물에 항미생물 기능을 향상시키는 투과제들 배합의 효능이 조사(바이오민) 되었다.
투과제 첨가 시험
항-미생물 제제가 첨가되지 않은 대조배양액 이 세개의 다른 실험 배양액들 세균 증식에 미치는 영향이 비교되었다. 세개의 다른 실험 군들은 항-미생물 유기산 제제와 신남알데하이드의 혼합물, 투과제 만, 그리고 투과제와 항미생물 유기산과 신남알데히드 혼합 배합물 함유 배양액이다 . 시험은 살모넬라 타이피뮤리움(Salmonella typhimurium)과 대장균(Escherichia coli) 균주들을 사용하여 실시 되었다. 결과는 그림 1과 그림 2에 나타내었다. 세균배지에 투과제만 포함되었을 때는 세균 성장 억제에 효과가 없었다. 항 미생물 유기산 혼합물은 시험 배양 큰 시간에 억제 효과가 있었다. 한편 항 미생물 유기산 혼합물에 투과제 첨가 배합물은 전 배양시험 기간 세균 성장을 완전히 억제 하였다. 이 성적들은 배양액에 첨가한 투과제는 유기산들과 신남알데히드의 항 세균 작용을 상승시키는 잠재가능성을 가지고 있으며, 그램-음성 세균의 성장을 억제하고 있다는 것을 나타낸다.
<도표 1> 대장균 (Escherichia coli)의 성장억제
OD, wideband: 광학밀도, 광대역, Time, hours: 시간, Control: 대조, AM: antimicrobial mixture: 항미생물 혼합물, Per4izer: 투과제, AM + Per4izer: 항미생물 혼합물과 투과제의 혼합물.
<도표 2> 살모넬라 타이피뮤리움 (Salmonella typhimurium)의 성장억제
OD, wideband: 광학밀도, 광대역, Time, hours: 시간, Control: 대조, AM: antimicrobial mixture: 항미생물 혼합물, Per4izer: 투과제, AM + Per4izer: 항미생물 혼합물과 투과제의 혼합물.
<도표 1>과 <도표 2>는 투과제 만 으로는 세균 성장 억제에 효과가 없다는 것을 보인다. 항미생물 혼합물은 시험 첫시간부터 세균 성장 억제 효과를 보이고 있다. 그리고 투과제와 항미생물 혼합물의 배합물 첨가는 전 시험 기간에 세균 성장을 억제하고 있다.
끝으로
계속 증가하는 가금육 수요를 충족하는 부로일러의 적정 사양을 위하여 가능한 가장 높은 수준에서 그램-음성 세균을 박멸하는 조건을 만들 필요가 있다. 유기산들에 식물화학 문질들을 첨가한 혼합물은 그램 음성 세균을 제거하는 새로운 가능성들을 보이고 있다. 그램-음성 세균의 외막은 항 미생물제제가 작용하는 것을 어렵게 한다. 투과제들은 그램-음성 세균의 외막을 투과하여 항미생물제제들의 작용을 상승 시키는 효과가 있다. 유기산 혼합물, 신남알데히드 및 투과제의 세가지 활성 원료 성분들을 홉합한 배합물들은 병원균을 통제하여, 적정 가금 생산성 향상에 기여하는 방법을 제공한다.