無抗生素動物日糧中的有機酸

唐彩琰

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

關鍵詞：有機酸;無機酸;抗生素;替代品

中圖分類號：S816 文獻標志碼：C 文章編號：1001-0769（2020）04-0009-03

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

目前，有機酸已經得到了廣泛的應用，且已經有大量的技術性和研究性文獻對這一主題進行了闡述，但是我們對有機酸典型的劑量反應效應之外的認識仍存在很大的空白，因為在使用這些化合物之前我們必須先了解它們的基本化學作用。

1? 有機酸是什么

在我們每天食用的蔬菜中，大部分蔬菜都含有有機酸。例如，檸檬酸是一種普通的有機酸，存在于大多數水果中，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。我們日常使用的醋是有機酸。在自然界，有機酸的酸性很弱，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，細菌越多，中和它們所需的有機酸的劑量就越大。

2? 有機酸與無機酸的區別

在自然界，無機酸到處存在，但除非經過工業性濃縮，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酸，它們的情況就是如此。前者多用于蘇打飲料，后者可由動物的胃分泌。無機酸有很強的酸性，如果沒有進行大比例的稀釋，它們會傷害動物或損害環境。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燒壞胃。很明顯，在整個生產過程中，無機鹽的使用會帶來嚴重的安全問題。因此，盡管無機酸可作為消毒劑（如商用氯氣溶液）發揮出高效的作用，但它們通常不會被用做飼料添加劑。

3? 如何定義有機酸的酸性強弱

我們將有機酸與無機酸稱為弱酸與強酸，但這只是一個定性的術語，還需要用一個能夠在平等的基礎上比較酸性強弱的指標來支持。世界各地的化學師一致認可的術語是pKa，它沒有實際意義，只是在平衡狀態時反映參與主體濃度的負對數值。就其定義和計算而言，這是一個相當復雜的指標。從生物化學角度來說，這一指標可以幫助我們理解有機酸的酸性強度，我們可以把pKa認為是50%的有機酸解離時的pH。更通俗地來說，pKa越高，有機酸的酸性越弱。

4? 有機酸如何幫助動物

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

其次，完整（即不離解）的有機酸能穿透細菌細胞的外膜進入細胞質中，并會在中性pH環境中離解。這會降低細菌細胞質的pH，細菌在試圖解決這一問題時最終死亡。只有弱酸能夠在動物的胃中保持完整的分子狀態，并在進入動物的小腸后開始攻擊細菌。這種行為雖然也會在動物的胃中發生，但作用有限，因為飼料不會在胃中停留很長的時間。相比之下，動物的小腸內容物含有數量巨大的細菌，有益菌和有害菌的數量總體減少，以此提高動物機體對飼料的利用率。然而，有機酸的作用會被動物維持腸道中性pH的強大能力削弱，導致有機酸被盡早分解。只有被包被的或受到保護的有機酸才能到達動物的大腸。

5? pKa在胃中的重要性

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

為此，我們首先考慮pKa為3.86的乳酸——一種酸性強度較弱的有機酸。當胃內容物的pH為2（成年豬胃內容物的pH）時，大多數乳酸仍會保持完整的狀態（即不離解，因此不會降低胃內容物的pH）。相反，當胃內容物的pH為4時（較年輕豬胃內容物的pH），大多數乳酸會被分解，釋放出可降低pH的氫離子和共軛堿。因此，pH為4時，離解型乳酸可以有效降低胃內容物的pH，至少在胃內容物的pH降低至低于其pKa之前就如此。但是，乳酸不適合用作動物小腸的抗菌劑，因為大部分乳酸會在胃中被分解。

接下來，讓我們考慮pKa為4.75的乙酸——一種酸性強度更弱的有機酸。很明顯，有證據顯示這種酸在很大程度上可在動物的胃中保持完整的分子狀態，因此它還能降低青年豬和成年豬胃內容物的pH，因為它的pKa高于胃內容物的任何預期pH。當然，這對于成年豬來說并不重要，但是在降低青年豬胃內容物的pH上，乙酸是一個相當糟糕的選擇。

最后，一些有機酸可能有多個pKa，如檸檬酸有3個pKa，因為它在溶液中會產生3個質子，因此它的pKa分別為3.13、4.76和6.40。很明顯質子的首次解離發生在青年豬的胃中，而其他兩次解離要等有機酸到達小腸（pH更接近7）時才發生。當然，部分檸檬酸會被胃壁細胞吸收直接被用作動物的能量來源，但這是另外一個故事。

6? 有機酸混合物

必須注意的是，到目前為止，我們一直在討論有機酸在動物胃中的生理活動，有些情況幾乎被我們忽略了。在pH接近7（中性）的動物小腸中，它們仍會繼續不加選擇地抗擊細菌，因為有機酸分子的離解事實上已經完成了。因此，有機酸的價值應該由希望其產生作用的部位來決定。有些有機酸更適合在動物的胃中發揮作用（以防止病原體進入腸道），而有些有機酸則需要在動物的腸道中發揮作用（以減少腸道中的總細菌載量）。為了達到這一目的，現在普遍的做法是使用能夠覆蓋動物的不同腸道部位的pH的有機酸混合物。此外，并不是所有的有機酸對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