無抗生素動(dòng)物日糧中的有機(jī)酸

唐彩琰

摘? 要：目前市場(chǎng)上有大量的可用有機(jī)酸，確定它們的化學(xué)作用是為每一種動(dòng)物的飼料選擇合適的有機(jī)酸的唯一途徑。有機(jī)酸的酸性雖較弱，但在濃度足夠高的情況下，它們足以成為抗菌劑。

關(guān)鍵詞：有機(jī)酸;無機(jī)酸;抗生素;替代品

中圖分類號(hào)：S816 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1001-0769（2020）04-0009-03

自歐盟宣布禁止在飼料中添加以促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)為目的的抗生素以來，有機(jī)酸已經(jīng)得到了廣泛的使用。它們是得到普遍認(rèn)可的傳統(tǒng)抗生素替代品之一，但它們的有效性受自身的功能、添加水平、與其他有機(jī)酸和添加劑的協(xié)同作用以及隨動(dòng)物年齡變化而變化的胃內(nèi)容物pH的影響。

目前，有機(jī)酸已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，且已經(jīng)有大量的技術(shù)性和研究性文獻(xiàn)對(duì)這一主題進(jìn)行了闡述，但是我們對(duì)有機(jī)酸典型的劑量反應(yīng)效應(yīng)之外的認(rèn)識(shí)仍存在很大的空白，因?yàn)樵谑褂眠@些化合物之前我們必須先了解它們的基本化學(xué)作用。

1? 有機(jī)酸是什么

在我們每天食用的蔬菜中，大部分蔬菜都含有有機(jī)酸。例如，檸檬酸是一種普通的有機(jī)酸，存在于大多數(shù)水果中，并且在柑橘類水果中的含量尤為豐富。蘋果酸存在于蘋果中。我們?nèi)粘Ｊ褂玫拇资怯袡C(jī)酸。在自然界，有機(jī)酸的酸性很弱，這可以從它們廣泛存在于各種植物中且能被人和動(dòng)物安全食用上得到證明。另一方面，在濃度足夠高的情況下，它們足以成為抗菌劑。但是，像任何抗菌劑一樣，所需的劑量取決于病原體的載量。也就是說，細(xì)菌越多，中和它們所需的有機(jī)酸的劑量就越大。

2? 有機(jī)酸與無機(jī)酸的區(qū)別

在自然界，無機(jī)酸到處存在，但除非經(jīng)過工業(yè)性濃縮，否則它們的含量非常低。例如，磷酸和鹽酸是兩種常見的無機(jī)酸，它們的情況就是如此。前者多用于蘇打飲料，后者可由動(dòng)物的胃分泌。無機(jī)酸有很強(qiáng)的酸性，如果沒有進(jìn)行大比例的稀釋，它們會(huì)傷害動(dòng)物或損害環(huán)境。例如高度稀釋的鹽酸可在人的胃中被安全地利用，但是高濃度的鹽酸會(huì)燒壞胃。很明顯，在整個(gè)生產(chǎn)過程中，無機(jī)鹽的使用會(huì)帶來嚴(yán)重的安全問題。因此，盡管無機(jī)酸可作為消毒劑（如商用氯氣溶液）發(fā)揮出高效的作用，但它們通常不會(huì)被用做飼料添加劑。

3? 如何定義有機(jī)酸的酸性強(qiáng)弱

我們將有機(jī)酸與無機(jī)酸稱為弱酸與強(qiáng)酸，但這只是一個(gè)定性的術(shù)語，還需要用一個(gè)能夠在平等的基礎(chǔ)上比較酸性強(qiáng)弱的指標(biāo)來支持。世界各地的化學(xué)師一致認(rèn)可的術(shù)語是pKa，它沒有實(shí)際意義，只是在平衡狀態(tài)時(shí)反映參與主體濃度的負(fù)對(duì)數(shù)值。就其定義和計(jì)算而言，這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的指標(biāo)。從生物化學(xué)角度來說，這一指標(biāo)可以幫助我們理解有機(jī)酸的酸性強(qiáng)度，我們可以把pKa認(rèn)為是50%的有機(jī)酸解離時(shí)的pH。更通俗地來說，pKa越高，有機(jī)酸的酸性越弱。

4? 有機(jī)酸如何幫助動(dòng)物

有機(jī)酸主要通過兩種途徑抑制動(dòng)物機(jī)體中的致病菌。首先，它們可以降低所在環(huán)境的pH，使致病菌無法生存。這一作用通常由動(dòng)物胃分泌的鹽酸完成，它能殺死隨食物或飲水一起進(jìn)入胃中的大部分細(xì)菌，但不會(huì)影響天然存在的、只消耗營養(yǎng)物質(zhì)的細(xì)菌。要想利用有機(jī)酸降低動(dòng)物胃內(nèi)容物的pH，幫助或代替動(dòng)物胃自然分泌的鹽酸，我們需要能在胃內(nèi)容物中分解的（較）強(qiáng)的酸。

其次，完整（即不離解）的有機(jī)酸能穿透細(xì)菌細(xì)胞的外膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，并會(huì)在中性pH環(huán)境中離解。這會(huì)降低細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)的pH，細(xì)菌在試圖解決這一問題時(shí)最終死亡。只有弱酸能夠在動(dòng)物的胃中保持完整的分子狀態(tài)，并在進(jìn)入動(dòng)物的小腸后開始攻擊細(xì)菌。這種行為雖然也會(huì)在動(dòng)物的胃中發(fā)生，但作用有限，因?yàn)轱暳喜粫?huì)在胃中停留很長(zhǎng)的時(shí)間。相比之下，動(dòng)物的小腸內(nèi)容物含有數(shù)量巨大的細(xì)菌，有益菌和有害菌的數(shù)量總體減少，以此提高動(dòng)物機(jī)體對(duì)飼料的利用率。然而，有機(jī)酸的作用會(huì)被動(dòng)物維持腸道中性pH的強(qiáng)大能力削弱，導(dǎo)致有機(jī)酸被盡早分解。只有被包被的或受到保護(hù)的有機(jī)酸才能到達(dá)動(dòng)物的大腸。

5? pKa在胃中的重要性

我們通常選擇能在動(dòng)物小腸中起作用的有機(jī)酸，而忽略了動(dòng)物胃中pH屏障的重要性。動(dòng)物的胃內(nèi)容物含有水和鹽酸等物質(zhì)，pH約為2，酸性特別強(qiáng)——這是出于阻止大多數(shù)病原體進(jìn)入腸道的需要。青年豬的消化系統(tǒng)仍處于發(fā)育階段，胃內(nèi)容物的pH通常接近4，尤其是剛斷奶的仔豬。因此，了解有機(jī)酸在這兩種pH環(huán)境中的變化情況非常重要，這可以引導(dǎo)我們選擇能夠達(dá)到所設(shè)想目的的合適的酸。

為此，我們首先考慮pKa為3.86的乳酸——一種酸性強(qiáng)度較弱的有機(jī)酸。當(dāng)胃內(nèi)容物的pH為2（成年豬胃內(nèi)容物的pH）時(shí)，大多數(shù)乳酸仍會(huì)保持完整的狀態(tài)（即不離解，因此不會(huì)降低胃內(nèi)容物的pH）。相反，當(dāng)胃內(nèi)容物的pH為4時(shí)（較年輕豬胃內(nèi)容物的pH），大多數(shù)乳酸會(huì)被分解，釋放出可降低pH的氫離子和共軛堿。因此，pH為4時(shí)，離解型乳酸可以有效降低胃內(nèi)容物的pH，至少在胃內(nèi)容物的pH降低至低于其pKa之前就如此。但是，乳酸不適合用作動(dòng)物小腸的抗菌劑，因?yàn)榇蟛糠秩樗釙?huì)在胃中被分解。

接下來，讓我們考慮pKa為4.75的乙酸——一種酸性強(qiáng)度更弱的有機(jī)酸。很明顯，有證據(jù)顯示這種酸在很大程度上可在動(dòng)物的胃中保持完整的分子狀態(tài)，因此它還能降低青年豬和成年豬胃內(nèi)容物的pH，因?yàn)樗膒Ka高于胃內(nèi)容物的任何預(yù)期pH。當(dāng)然，這對(duì)于成年豬來說并不重要，但是在降低青年豬胃內(nèi)容物的pH上，乙酸是一個(gè)相當(dāng)糟糕的選擇。

最后，一些有機(jī)酸可能有多個(gè)pKa，如檸檬酸有3個(gè)pKa，因?yàn)樗谌芤褐袝?huì)產(chǎn)生3個(gè)質(zhì)子，因此它的pKa分別為3.13、4.76和6.40。很明顯質(zhì)子的首次解離發(fā)生在青年豬的胃中，而其他兩次解離要等有機(jī)酸到達(dá)小腸（pH更接近7）時(shí)才發(fā)生。當(dāng)然，部分檸檬酸會(huì)被胃壁細(xì)胞吸收直接被用作動(dòng)物的能量來源，但這是另外一個(gè)故事。

6? 有機(jī)酸混合物

必須注意的是，到目前為止，我們一直在討論有機(jī)酸在動(dòng)物胃中的生理活動(dòng)，有些情況幾乎被我們忽略了。在pH接近7（中性）的動(dòng)物小腸中，它們?nèi)詴?huì)繼續(xù)不加選擇地抗擊細(xì)菌，因?yàn)橛袡C(jī)酸分子的離解事實(shí)上已經(jīng)完成了。因此，有機(jī)酸的價(jià)值應(yīng)該由希望其產(chǎn)生作用的部位來決定。有些有機(jī)酸更適合在動(dòng)物的胃中發(fā)揮作用（以防止病原體進(jìn)入腸道），而有些有機(jī)酸則需要在動(dòng)物的腸道中發(fā)揮作用（以減少腸道中的總細(xì)菌載量）。為了達(dá)到這一目的，現(xiàn)在普遍的做法是使用能夠覆蓋動(dòng)物的不同腸道部位的pH的有機(jī)酸混合物。此外，并不是所有的有機(jī)酸對(duì)所有病原體都同樣有效。

原題名：Chemistry of organic acids in antibiotic-free animal diets（英文）

原作者：Efstratia Papanikou和Ioannis Mavromichalis