有机酸在动物营养领域中的使用原则

继2006年欧洲禁用抗生素生长促进剂(AGP)后,动物营养领域中有机酸的使用就在饲料行业具有了重要意义。有机酸对饲料质量和动物生产性能的积极影响早在几十年前就为人所知。随着在饲料工业中酸化剂日益受到关注,人们也越来越迫切地需要去定义相关的几种酸化剂及其盐,并且区分它们的优缺点。

什么是有机酸?

“有机酸”一词指的是建立在碳骨架上的所有酸,即羧酸。羧酸可以改变细菌的生理机能,从而引发代谢紊乱,阻止细菌增殖并导致死亡。

几乎所有用于动物营养领域的有机酸,如甲酸、丙酸、乳酸、乙酸、山梨酸或柠檬酸都具有脂肪族结构,并且是细胞的能量来源。相反,苯甲酸建立在芳香环的基础上,具有不同的代谢和吸收特性。

在动物饲料中提供较高添加量的有机酸可以增加体重、提高饲料转化率并减少病原体在肠道内的定植。具体而言,Kirchgessner和Roth(1988年)对不同的作用进行了区分,包括:

  • 降低饲料的pH值及系酸力以及抗细菌和抗真菌作用;
  • 通过在胃液中释放氢离子降低pH值,从而激活胃蛋白酶原,形成胃蛋白酶,并提高蛋白质消化率;
  • 抑制胃肠道中的革兰氏阴性固有微生物区系;
  • 提高中间代谢的能量利用率。

有机酸抑制微生物生长的效率取决于其pKa值,该值表示的是酸的解离形式和未解离形式分别为50%时的pH值。有机酸只有在处于未解离形式时才可以通过细菌和真菌的细胞壁并改变它们的新陈代谢,从而发挥抗菌作用。这意味着有机酸的抗菌作用在酸性条件下(比如在胃中)更强,而在中性pH值条件下(比如在肠中)则会减弱。因此,pKa值高的有机酸是较弱的酸,因而对饲料来说是更为有效的防腐剂。有机酸在饲料中未解离形式的比例较高,可以保护饲料不受真菌和微生物的侵害(Roth和Ettle,2005年)。有机酸的pKa值越低(解离形式的比例越高),  其降低胃pH值的作用越明显,且在其通过消化道的过程中,在远端的抑菌作用越差。强酸(低pKa)将会酸化饲料和胃部,但不会对肠道内的微生物群产生强烈的直接影响。

表1:选定有机酸的化学和物理特性(Kirsch,2010年)

这也是丙酸等pKa值较高的酸主要用作谷物或饲料的防腐剂,对动物性能的直接影响较小,而甲酸或乳酸主要用于改善消化过程的原因之一。此外,每种有机酸对酵母菌、霉菌和细菌都有一些特殊的影响,这些影响不能用pKa值进行解释。

Strauss和Hayler(2001年)指出了若干种有机酸在细菌抑制方面的差异(表2)。

表2:不同有机酸的最低抑菌浓度(MIC)(上表中依次为甲酸、丙酸、乳酸)

表2中的MIC值反映的是不同有机酸作用于体外测定的革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌的活性。

Strauss和Hayler(2001年)对乳酸的一项研究表明,当乳酸用量低于0.20%时,应   用的低浓度酸可以刺激梭菌的生长。

还有人发现,当丙酸、苯甲酸和山梨酸在亚抑菌浓度下使用时,可促进霉菌毒素的萌发和形成(Müller等人,1981年;Uraih等人,1977年;Spicher和Westenhoff,1985年)。

甲酸不适用于抑制配合饲料或谷物中的霉菌,因为它可以促进有助于黄曲霉毒素形成的曲霉属的生长(Petterson等人,1989年)。因此,欧盟禁止使用甲酸含量大于

50%的添加剂来处理有氧储存的高水分谷物。

一般而言,在动物饲料中添加高含量的酸化剂(取决于畜种)才能对动物的生产性能产生显著的影响,因为在体内条件下,粗蛋白含量、总的系酸力、环境条件以及年龄和健康状况等因素也会产生额外影响。

作用机理

抗菌活性是由有机酸的解离能力决定的(Partanen,2001年)。未解离形式的 酸分子很容易即可穿透革兰氏阴性细菌的微生物细胞壁。在细胞内,pH值高于其pKa,而且一大部分的酸将解离并释放其氢离子(H+)  。在试图泵出氢离子 (H+)的过程中,微生物细胞会消耗大量能量,并导致细胞死亡(图1)。

图 1:有机酸的抗菌作用。

要使有机酸对病原体产生最大化的直接影响,酸分子和病原微生物相接触是前提条件。这意味着有机酸的活性成分必须到达病原体所在的部位,这个部位可以是饲料,可以是胃部,但大多数情况下是肠道。大肠杆菌和沙门氏菌属等细菌位于小肠内。在体内条件下, 通过在每吨配合饲料中添加5kg液体甲酸(85%含量),Kirsch(2010年)在小肠中只发现了5.5%的存留。

同样,Maribo等人(2000a)向日粮中添加0.7%的液体甲酸,在小肠中仅发现4.4%的存留。Maribo也检测了苯甲酸,通过在第一阶段仔猪日粮中添加2%的苯甲酸(第4-6周),在第二阶段仔猪日粮中添加1%的苯甲酸(第6-10周)。最后数据表明小肠中苯甲酸含量要高的多,其小肠末端检测到有22%的苯甲酸(Maribo等 人,2000b)。

盐还是酸?

所有的纯液态有机酸都具有腐蚀性。即使是将这些液态酸喷洒在载体上,也可能具有腐蚀性(取决于活性成分)。丙酸钙、甲酸钠或苯甲酸钠等有机酸盐似乎可以作为无腐蚀性固体活性成分的一个不错的选择。有机酸盐是一种很好的选择,当日粮配方考虑了通过盐添加的阳离子(例如Ca2+、Na+)的浓度时,就可降低配合饲料的系酸力。

然而,有机酸的作用方式(图1)取决于自由氢离子是将有机分子激活成解离形式还是未解离形式。与有机酸不同的是,盐没有可释放的氢离子。

“强酸从盐中释放出弱酸”这一化学事实仍然成立,可以通过以下反应进行说明:

NaCOOH
甲酸钠 +
NaCOOH
甲酸钠 -->
HCOOH
甲酸 +
NaCl
氯化钠
只有 H+与酸化效果有关

一旦盐到达胃部,酸性pH就会引发一种反应,将其转化为酸,这时就需要盐酸从甲酸钠中释放甲酸。在猪营养领域中,这将改善成年单胃动物的胃消化率,效果好于胃产生较少HCl的年幼动物。

通过应用有机酸盐来实现直接酸化效果确实是不可行的。

结论

有机酸的pKa值决定着其对微生物的抑制作用。有机酸的作用通常与剂量有关, 到达作用部位的有效成分越多,预期效果越明显。这一理论在饲料的保存以及动物的营养和健康影响方面均成立。有机酸盐有助于降低饲料的系酸力,并在较强酸的情况下为有机酸的生产提供阴离子;然而,这些盐本身并不会有任何的酸化作用。

作者可应要求提供参考资料清单。

发布时间:

2018年9月5日

发布时间

18 March 2019

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