无抗生素动物日粮中的有机酸

唐彩琰

摘  要：目前市场上有大量的可用有机酸，确定它们的化学作用是为每一种动物的饲料选择合适的有机酸的唯一途径。有机酸的酸性虽较弱，但在浓度足够高的情况下，它们足以成为抗菌剂。

关键词：有机酸;无机酸;抗生素;替代品

中图分类号：S816 文献标志码：C 文章编号：1001-0769（2020）04-0009-03

自欧盟宣布禁止在饲料中添加以促进动物生长为目的的抗生素以来，有机酸已经得到了广泛的使用。它们是得到普遍认可的传统抗生素替代品之一，但它们的有效性受自身的功能、添加水平、与其他有机酸和添加剂的协同作用以及随动物年龄变化而变化的胃内容物pH的影响。

目前，有机酸已经得到了广泛的应用，且已经有大量的技术性和研究性文献对这一主题进行了阐述，但是我们对有机酸典型的剂量反应效应之外的认识仍存在很大的空白，因为在使用这些化合物之前我们必须先了解它们的基本化学作用。

1  有机酸是什么

在我们每天食用的蔬菜中，大部分蔬菜都含有有机酸。例如，柠檬酸是一种普通的有机酸，存在于大多数水果中，并且在柑橘类水果中的含量尤为丰富。苹果酸存在于苹果中。我们日常使用的醋是有机酸。在自然界，有机酸的酸性很弱，这可以从它们广泛存在于各种植物中且能被人和动物安全食用上得到证明。另一方面，在浓度足够高的情况下，它们足以成为抗菌剂。但是，像任何抗菌剂一样，所需的剂量取决于病原体的载量。也就是说，细菌越多，中和它们所需的有机酸的剂量就越大。

2  有机酸与无机酸的区别

在自然界，无机酸到处存在，但除非经过工业性浓缩，否则它们的含量非常低。例如，磷酸和盐酸是两种常见的无机酸，它们的情况就是如此。前者多用于苏打饮料，后者可由动物的胃分泌。无机酸有很强的酸性，如果没有进行大比例的稀释，它们会伤害动物或损害环境。例如高度稀释的盐酸可在人的胃中被安全地利用，但是高浓度的盐酸会烧坏胃。很明显，在整个生产过程中，无机盐的使用会带来严重的安全问题。因此，尽管无机酸可作为消毒剂（如商用氯气溶液）发挥出高效的作用，但它们通常不会被用做饲料添加剂。

3  如何定义有机酸的酸性强弱

我们将有机酸与无机酸称为弱酸与强酸，但这只是一个定性的术语，还需要用一个能够在平等的基础上比较酸性强弱的指标来支持。世界各地的化学师一致认可的术语是pKa，它没有实际意义，只是在平衡状态时反映参与主体浓度的负对数值。就其定义和计算而言，这是一个相当复杂的指标。从生物化学角度来说，这一指标可以帮助我们理解有机酸的酸性强度，我们可以把pKa认为是50%的有机酸解离时的pH。更通俗地来说，pKa越高，有机酸的酸性越弱。

4  有机酸如何帮助动物

有机酸主要通过两种途径抑制动物机体中的致病菌。首先，它们可以降低所在环境的pH，使致病菌无法生存。这一作用通常由动物胃分泌的盐酸完成，它能杀死随食物或饮水一起进入胃中的大部分细菌，但不会影响天然存在的、只消耗营养物质的细菌。要想利用有机酸降低动物胃内容物的pH，帮助或代替动物胃自然分泌的盐酸，我们需要能在胃内容物中分解的（较）强的酸。

其次，完整（即不离解）的有机酸能穿透细菌细胞的外膜进入细胞质中，并会在中性pH环境中离解。这会降低细菌细胞质的pH，细菌在试图解决这一问题时最终死亡。只有弱酸能够在动物的胃中保持完整的分子状态，并在进入动物的小肠后开始攻击细菌。这种行为虽然也会在动物的胃中发生，但作用有限，因为饲料不会在胃中停留很长的时间。相比之下，动物的小肠内容物含有数量巨大的细菌，有益菌和有害菌的数量总体减少，以此提高动物機体对饲料的利用率。然而，有机酸的作用会被动物维持肠道中性pH的强大能力削弱，导致有机酸被尽早分解。只有被包被的或受到保护的有机酸才能到达动物的大肠。

5  pKa在胃中的重要性

我们通常选择能在动物小肠中起作用的有机酸，而忽略了动物胃中pH屏障的重要性。动物的胃内容物含有水和盐酸等物质，pH约为2，酸性特别强——这是出于阻止大多数病原体进入肠道的需要。青年猪的消化系统仍处于发育阶段，胃内容物的pH通常接近4，尤其是刚断奶的仔猪。因此，了解有机酸在这两种pH环境中的变化情况非常重要，这可以引导我们选择能够达到所设想目的的合适的酸。

为此，我们首先考虑pKa为3.86的乳酸——一种酸性强度较弱的有机酸。当胃内容物的pH为2（成年猪胃内容物的pH）时，大多数乳酸仍会保持完整的状态（即不离解，因此不会降低胃内容物的pH）。相反，当胃内容物的pH为4时（较年轻猪胃内容物的pH），大多数乳酸会被分解，释放出可降低pH的氢离子和共轭碱。因此，pH为4时，离解型乳酸可以有效降低胃内容物的pH，至少在胃内容物的pH降低至低于其pKa之前就如此。但是，乳酸不适合用作动物小肠的抗菌剂，因为大部分乳酸会在胃中被分解。

接下来，让我们考虑pKa为4.75的乙酸——一种酸性强度更弱的有机酸。很明显，有证据显示这种酸在很大程度上可在动物的胃中保持完整的分子状态，因此它还能降低青年猪和成年猪胃内容物的pH，因为它的pKa高于胃内容物的任何预期pH。当然，这对于成年猪来说并不重要，但是在降低青年猪胃内容物的pH上，乙酸是一个相当糟糕的选择。

最后，一些有机酸可能有多个pKa，如柠檬酸有3个pKa，因为它在溶液中会产生3个质子，因此它的pKa分别为3.13、4.76和6.40。很明显质子的首次解离发生在青年猪的胃中，而其他两次解离要等有机酸到达小肠（pH更接近7）时才发生。当然，部分柠檬酸会被胃壁细胞吸收直接被用作动物的能量来源，但这是另外一个故事。

6  有机酸混合物

必须注意的是，到目前为止，我们一直在讨论有机酸在动物胃中的生理活动，有些情况几乎被我们忽略了。在pH接近7（中性）的动物小肠中，它们仍会继续不加选择地抗击细菌，因为有机酸分子的离解事实上已经完成了。因此，有机酸的价值应该由希望其产生作用的部位来决定。有些有机酸更适合在动物的胃中发挥作用（以防止病原体进入肠道），而有些有机酸则需要在动物的肠道中发挥作用（以减少肠道中的总细菌载量）。为了达到这一目的，现在普遍的做法是使用能够覆盖动物的不同肠道部位的pH的有机酸混合物。此外，并不是所有的有机酸对所有病原体都同样有效。

原题名：Chemistry of organic acids in antibiotic-free animal diets（英文）

原作者：Efstratia Papanikou和Ioannis Mavromichalis