[동물영양학]1. 동물영양학 입문

1.1 동물영양학의 정의

영양소란 동물의 생명유지와 새로운 조직 형성을 위하여 체외로부터 공급되어야 하는 물질을 말하며, 체내에 필수적인 영양소로는 탄수화물, 지방, 단백질, 비타민, 광물질 등이 있다. 이 중 탄수화물, 지방, 단백질은 체내에서 에너지를 생성할 수 있는 영양소로 비타민과 함께 유기영양소로 분류됩니다. 비타민과 광물질은 체내에서 미량만이 필요하며 여러 가지 조절작용을 담당하는 영양소인데, 비타민은 유기영양소, 광물질은 무기영양소로 구분된다. 최근 들어 유기태 광물질이 소개되고 있는데, 이는 유기영양소에 광물질들을 결합시켜서 동물사료에 첨가하는 것으로 동물 체내에서의 이용성을 높여 사료 내 광물질의 첨가 수준을 낮출 수 있는 장점이 있다. 물은 동물의 체조성에서 가장 높은 비율을 차지하는 성분임에도 불구하고 그 중요성이 과소평가되는 경향이 있지만, 실제로는 가장 중요한 영양소 중 하나이며, 최근에는 물의 영양적 가치에 대한 재평가가 이루어지고 있다.

동물사료에서의 영양소 공급은 동물의 유전적 능력이 최대한 발휘될 수 있도록 필요한 모든 종류의 영양소를 사료의 형태로 적절하게 공급하는 것을 목적으로 하는데, 이를 위해서는 각 영양소의 화학적, 영양적 특성과 이 영양소들의 체내 대사 현상을 이해하는 것이 필수적이며, 동물에게 영양소를 공급하는 사료와 사료를 구성하는 각각의 원료사료의 영양소 함량과 특성, 각종 동물의 생리적 특징 및 성장단계별 영양소 요구량을 고려해야 합니다.

동물영양학은 가축으로 사육되고 인간에게 유익한 기능을 하는 동물의 영양에 대해 연구하는 학문으로, 단위동물영양학과 반추동물영양학으로 나뉜다. 단위동물영양학은 위가 하나인 동물에 대해 연구하는 학문으로 가금영양학, 돼지영양학, 실험동물영양학, 물고기영양학 등이 있다. 반추동물영양학은 동물 체내 소화기관 중 위가 4개인 동물들의 영양에 대해 연구하는 학문으로 젖소, 육우, 산양, 면양, 사슴 등이 해당된다. 그러나 단위동물처럼 위는 하나지만 반추동물과 유사한 소화 생리를 갖는 말, 토끼 등은 비반추 초식동물로 별도로 분류된다.

동물영양학은 학문의 대상이 동물이지만, 사람의 건강에 대한 연구에도 다양하게 응용되는 학문이며, 대표적으로 어린아이의 이유식은 다양한 동물실험을 바탕으로 개발된 산물입니다.

 

1.2 영양학의 발달

현대 영양학의 발달은 1800년대 초반부터 급속도로 발전해 왔습니다. 탄수화물의 연구는 1777년 Laviosier가 최초로 호흡대사를 연구한 후 1812년 전분이 명명되었고, 1844년 Schmidt에 의해 탄수화물이 정의되었습니다. 지방의 연구는 1904년 Knoop에 의해 베타 산화가 밝혀진 후부터 발전해왔으며, 단백질은 1820년 아미노산이 발견되고 1839년 Mulder에 의해 단백질이 명명되면서 발전해왔다.

이와 같이 현대 영양학이 발달함에 따라 동물 체내의 영양소는 크게 탄수화물, 단백질, 지방, 비타민, 광물질로 분류되었다. 탄수화물은 자연계에서 가장 중요한 에너지원으로 포도당이 주요 구성성분이며, 여러 당류가 포함된다. 지방은 글리세롤과 지방산이 결합된 형태를 의미하며, 결합된 지방산의 종류나 특성에 따라 지방의 화학적 성질이 결정됩니다. 지방산 중에서 리놀레익산, 리놀레닉산, 아라키돈산은 필수지방산으로 분류되지만, 리놀레닉산과 아라키돈산은 리놀레익산으로부터 합성되는 것이 밝혀졌다. 단백질은 일정한 비율의 질소를 함유하고 있는 영양소로, 단백질의 품질은 단백질을 구성하고 있는 아미노산의 조성과 함량에 따라 결정된다. 일반적으로 동물 체내 단백질은 20여 개의 아미노산으로 구성되어 있으며, 이 중 필수아미노산은 축종에 따라 8~12개로 구성된다. 비타민은 지용성 비타민과 수용성 비타민으로 나뉘는데, 지용성 비타민에는 비타민 A, D, E, K가 포함되며, 나머지 모두 수용성 비타민으로 분류된다. 광물질은 체내에서 꼭 필요한 필수광물질과 비필수광물질로 분류되며, 필수광물질과 중독광물질로 분류되기도 한다.

 

1.3 동물체의 화학적 조성

동물체의 화학적 조성 중에서 가장 높은 비율을 차지하는 것은 수분이며, 건물 기준으로 보면 단백질과 지방이다. 태아가 임신 중일 때부터, 동물의 체성장은 신경조직과 내장기관이 가장 먼저 발달하고, 이후에 골격, 근육 및 지방조직의 발달이 순차적으로 일어나게 된다.

동물의 체조성은 동물의 사육방법, 품종, 사료의 조성 등에 따라 조절이 가능하며, 동물의 최대 성장을 도모하려면 성장 초기에 골격이 충분히 발달할 수 있도록 유도하여야 하며, 이를 통해 근육 축적량이 높고, 지방 축적량이 낮은 동물을 생산할 수 있다. 반면, 성장이 빠른 동물은 성장이 느린 동물보다 초기 성장률이 더 높아 체조성 중 지방의 축정량이 높게 나타날 수 있다.

또한 품종에 따라 근내 지방 축적량이 다르며 상강도가 높은 동물이 있는 반면, 근내 지방의 비율이 매우 낮은 정육형 품종도 있으므로 필요에 따라 적절하게 품종을 선택할 수 있다. 동물이 섭취하는 사료도 에너지 공급원으로 지방보다 탄수화물이 높은 원료사료를 많이 사용하면 근내 지방의 축적량이 높아지는 것을 알 수 있다. 사료에 과량의 지방을 첨가하게 되면 체내로 흡수되지 못한 대부분의 지방은 분으로 배설되며, 흡수된 지방도 에너지 생산에 우선적으로 사용되므로 근내 지방 축적에는 탄수화물에 비하여 효율적으로 사용되지 못한다.

동물체의 화학적 조성을 알아보는 방법으로 이전에는 동물을 도살하여 분쇄한 후 잘 섞은 시료를 화학적으로 분석하는 도체분석법이 보편적으로 사용되었지만, 최근에는 인체용으로 개발된 기기들을 사용하여 동물을 도살하지 않고도 살아있는 상태로 동물의 화학적 조성을 분석하는 양성자 핵자 기공 명법(NMR)이 사용되고 있다.

 

1.4 영양소 분석기기

동물영양학의 발달과 함께 동물 및 사료 내 영양소의 함량을 분석하는 다양한 분석기기들도 함께 발달하고 있습니다.

 

1) 열량측정기

열량측정기는 액체, 고체 및 가스가 가지고 있는 에너지 함량을 측정하는 장치로 측정하고자 하는 물질을 산소가 존재하는 환경에서 태울 때 발생하는 열량으로 인해 열량측정기 주변에 채워놓은 물의 온도가 얼마나 상승하는지를 수치화하여 에너지의 함량을 측정하는 장치입니다.

 

2) 아미노산분석기

단백질을 구성하고 있는 개별 아미노산들의 측정은 약 40년 전에 본격적으로 시작되었다. 개별 아미노산을 측정하기 위해서는 우선 분석하고자 하는 물질의 단백질을 가수분해하여 아미노산분석기 내 컬럼을 통과시키면 아미노산별로 분자량의 차이에 의해 컬럼을 통과하는 시간도 달라 개별 아미노산으로 분류되며 이를 통해 정확한 함량의 측정이 가능하다. 아미노산분석기는 초기에는 원료사료 내 아미노산의 함량을 주로 측정하였지만 사료가 동물 체내에서 얼마나 효율적으로 이용되는지를 측정하거나 동물의 아미노산 요구량을 측정할 때에도 편리하게 사용되는 기계장치이다.

 

3) 원자흡광분석기

원자흡광분석기는 양이온의 특징을 갖는 광물질 함량을 측정하는 장치이다. 광물질 함량을 분석하기 위해서는 시료를 먼저 450~600℃의 회화로에서 회화시킨 후 분말을 액체에 섞어서 기계를 통해 산소 및 아르곤가스와 함께 태워야 합니다. 기계에서의 분석과정은 원자흡광장치로써 원자흡광분광광도계를 사용하고 시료 중의 원소를 고온의 화염 속에서 원자 증기로 변환시켜, 진공 음극 램프에서 방출되는 특정 원소의 휘선 스펙트럼의 흡수되는 정도에 따라서 시료에 함유되어 있는 원소량을 구한다. 이 방법은 미량의 시료라도 분석이 가능하고 시료의 전처리가 간단하며 특정 시료의 분석 시 영향을 줄 수 있는 이물질들은 회화로에서 회화과정을 통해서 태워지므로 정확한 정확한 분석이 가능하다.

 

4) 가스크로마토그래피(GC)

이 분석장치는 1950년대 반추동물의 반추위 내 휘발성 지방산을 분석하였던 기체액상크로마토그래피(GLC)가 발전한 것으로 어떤 물질이든 휘발성 물질이거나 기체 형태로 만들 수 있는 물질이라면 분석이 가능하다. 크로마토그래피란 두 가지 이상의 성분으로 된 물질을 단일성분으로 분리하는 기법으로 분리하고자 하는 물질의 성분을 고정상과 이동상의 분포 차이에 의해 분리하는 것이고 이동상으로 기체를 사용하는 경우를 기체크로마토그래피라고 한다.

먼저 유리, 실리콘 또는 스테인리스로 만들어진 얇은 튜브 속에 활성알루미늄이나 실리카겔을 충전시킨 컬럼을 준비한다. 이때 분석하려는 시료의 분자량과 화학적 특징에 따라 컬럼 속의 충전제의 종류와 굵기 그리고 컬럼의 길이가 달라져야 한다. 컬럼을 GC에 부착한 후 컬럼이 일정한 온도로 유지되도록 가열하며 헬륨, 수소, 질소, 아르곤 등의 기체를 컬럼 속으로 일정한 양, 일정한 속도로 이동시킨다. 이때 액체 상태의 시료를 주입하게 되면 가열된 열에 의해 기화되면서 분자량 및 화학적 특징에 따라서 컬럼을 이동하는 속도에 차이가 생겨서 각 성분이 분리되어 검출된다. 검출장치로는 TCD와 FID가 있는데 TCD는 컬럼을 통과한 높은 온도의 기체에 필라멘트를 설치하여 기체의 열전도도를 필라멘트의 저항으로 측정하는 것으로, 단순하며 값이 싼 장점이 있지만 감도가 낮다. FID는 '컬럼을 통과한 기체의 전기전도도는 전하를 띤 입자의 농도에 비례한다'는 원리를 이용한 것으로 수소-공기불꽃에서 시료가 연소될 때 전하를 띤 이온이 생성되고, 이 이온에 의해 전류를 측정하는 장치이다. FID는 기체질량의 흐름 속도에 직접 관련되며 전압, 수소-공기 혼합비에 따라 불꽃의 온도가 달라지고 감도가 좋기 때문에 비활성 기체, C₂, N₂, CO, H₂S, NO₂, NO 등의 유기물 분석과 미량성분 분석에 많이 사용된다.

 

5) 기타 분석장치

동물영양학 분야에 사용되는 분석기기들은 의료분야 등 다른 분야의 분석기기와 함께 눈부시게 발달하고 있다. 먼저 살아있는 생물체의 내부를 자세히 볼 수 있는 NMR, DNA 염기서열을 자동으로 합성시켜주는 DNA synthesizer, 유전자 발현이나 미생물의 농도를 쉽게 검출할 수 있는 RT-PCR, 음이온의 성질이 갖는 미량광물질들을 분석할 수 있는 ICP spectrophotometer 등이 있다.