Acidificantes orgánicos en la producción animal

pH= -log[H+]

De este modo un pH de 5 es 10 veces más ácido que un pH de 6 y 100 veces más ácido que un pH de 7.

El pKa es la expresión de la capacidad de disociación del ácido, a un menor pKa mayor es la fuerza del ácido, mayor es su capacidad de ceder un H+ al medio, disminuyendo el pH, es decir acidificando el medio.

ÁCIDOS FUERTES VS ÁCIDOS DÉBILES

Los ácidos orgánicos se definen como ácidos débiles. La diferencia entre débiles y fuertes se basa en la tendencia a disociarse en un protón H+ y un anión A- en solución acuosa. Los ácidos fuertes se disocian completamente en un medio acuoso y los ácidos débiles se disocian parcialmente, manteniendo un equilibrio. Este equilibrio depende de los valores de pKa del ácido débil y del pH del medio. Cuando el pH=pKa de un ácido débil, el 50% del ácido permanece no disociado y el otro 50% permanece disociado. Esta característica de los ácidos orgánicos es muy importante pues la forma no disociada tiene interesantes aplicaciones por su acción bactericida. Pueden modificar la fisiología de las bacterias, lo que lleva a la ocurrencia de trastornos metabólicos que evitan la proliferación de estos microrganismos y causan su muerte.

A continuación, se muestra la curva de disociación del ácido acético:

ÁCIDOS DÉBILES (ORGÁNICOS) O INORGÁNICOS (MINERALES)

Desde el punto de vista bioquímico los ácidos orgánicos se caracterizan por la presencia de un grupo carboxilo en su configuración molecular, su solubilidad en agua y su carácter de ácido débil (Scapinello et al., 1998). 

• Están presentes naturalmente en las plantas y tejidos animales o son obtenidos a partir de procesos fermentativos. Algunos ácidos orgánicos como el ácido cítrico, acético y propiónico, son importantes en la alimentación humana y se utilizan como conservantes alimenticios, produciendo una rápida acidificación del medio.
•  Dado que estos ácidos orgánicos se encuentran naturalmente en el organismo animal, son fácilmente metabolizados por el animal (Voet y Voet, 1995).

Los ácidos minerales derivan de uno o varios componentes inorgánicos. Suelen ser ácidos fuertes, por lo que se disocian totalmente en medio acuoso. Los ácidos inorgánicos tienen mayor capacidad para disminuir el pH del medio, pero en cambio no existe en el medio moléculas no disociadas. Estas moléculas no disociadas son muy importantes para la alimentación animal pues tienen la capacidad de penetrar en las bacterias y realizar una acción bactericida, de la cual carecen los ácidos inorgánicos minerales.

Ejemplo de ácido acético donde se muestra su capacidad de reducir el pH en su forma disociada y efecto antibacteriano en su forma no disociada:

El ácido orgánico sólo tiene poder antimicrobial si se encuentra en su forma no disociada, en este estado puede atravesar la pared celular de las bacterias y hongos y modificar su metabolismo. Los ácidos orgánicos han recibido especial atención debido a su acción antimicrobiana (Huyghebaert et al., 2011 – Van Immerseel et al., 2006; Mani-Lopez et al., 2012). Para maximizar el efecto directo de los ácidos orgánicos contra patógenos, el contacto entre la molécula del ácido y el microrganismo es una condición previa. Eso significa que el ingrediente activo de un ácido orgánico debe alcanzar el sitio donde se encuentran los patógenos, como el pienso, agua, el estómago u otra ubicación del tracto gastro intestinal.

ÁCIDOS MONOPRÓTICOS/POLIPRÓTICOS

Los ácidos pueden clasificarse también teniendo en cuenta la cantidad de H+ que tienen el potencial de disociarse de la molécula de ácido en medio acuoso. Así, si es capaz de liberar un solo H+ sería un ácido monoprótico y si existen disponibles más de un ion H+, sería un ácido poliprótico.

Ejemplos: Ácido fórmico (monoprótico) o Ácido cítrico (triprótico).

Imagen de la estructura molecular del ácido cítrico con tres grupos carboxílicos:

En los ácidos polipróticos cada disociación posee su valor pKa. Con cada disociación, estos valores aumentan y la liberación de H+ se vuelve más desfavorable. De modo que realmente la primera liberación (pKa1) es la verdaderamente interesante para definir la fuerza de acidificación.

MECANISMO DE ACCIÓN DE LOS ÁCIDOS ORGÁNICOS

Los modos de acción incluyen la reducción del pH y la capacidad de amortiguación del alimento, acciones antimicrobianas, la modulación beneficiosa de la microflora, el suministro de energía y los factores que influyen en la mayor eficacia alimenticia. Kirchgessner y Roth (1988) citan diferentes mecanismos de acción de los ácidos orgánicos, entre ellos:

Disminución del pH, efectos antibacterianos, y antifúngicos en el pienso:

El propio descenso de pH inhibe el crecimiento de bacterias patógenas. Bacterias como Salmonella y E. coli son sensibles al pH por tanto la acidificación del medio a valores de pH cercanos a 5 impide su crecimiento.

Acción Bactericida: El pienso tiene una actividad de agua limitada, así como su humedad no suele superar el 12%. No es un sustrato adecuado para el crecimiento bacteriano. Sin embargo, si es un sustrato de diseminación de patógenos en todo el circuito de alimentación animal incrementando la carga bacteriana con el tiempo. La adición de ácidos orgánicos, especialmente fórmico, permite disminuir la carga bacteriana y evitar su propagación.

La actividad antimicrobial de los ácidos orgánicos depende de su capacidad de disociación (Partenen, 1999). Cuando se encuentran en forma no disociada, las moléculas del ácido pueden penetrar en la pared celular de las bacterias Gram negativas incrementando su capacidad bactericida:

1. Dentro de la célula, el pH es más alto que el valor pKa del ácido y una gran proporción se disocia liberando su ion hidrógeno (H+).
2. En el intento de bombear hacia el exterior los iones de hidrógeno (H+) la célula microbiana consume enormes cantidades de energía produciendo su muerte (Booth, 1985 – Stratford y Anslow, 1998 – Russel y Diez-Gonzales, 1998 – Roe et al., 1998 – Krebs et al., 1983 – Cherrington et al., 1983 – Freese et al., 1973).
3. Además, los aniones de los ácidos, una vez disociados inhiben ciertos procesos críticos que
   se producen en el citoplasma o núcleo celular y que afectan básicamente a la actividad de
   ciertas enzimas, a la captación de aminoácidos, a la síntesis de RNA/DNA, a cambios en la
   permeabilidad de la membrana, etc (Rodríguez-Palenzuela, 2000; Van Dam, 2006).

Pruebas “in vivo” con ácido fórmico (Bolduan et al., 1988; Gedek et al., 1992) y láctico (Geary et al., 1999; Knarreborg et al., 2002) se han mostrado efectivos contra coliformes y salmonellas.

Ácidos orgánicos con similar pKa pueden mostrar efectos bactericidas muy diferentes. El ácido fórmico muestra una capacidad bactericida superior al láctico, porque a igual dosis (kg/tn) hay mayor número de moléculas ácidas debido a su menor peso molecular.

Acción Antifúngica: los hongos son organismos menos exigentes a nivel de requerimientos de humedad, un pequeño aumento de humedad y temperatura puede desencadenar un crecimiento exponencial y la peligrosa producción de micotoxinas. Por lo general se considera un límite se seguridad cuando la humedad total está por debajo del 13%. El ácido propiónico es considerado, de manera general, como la mejor opción para el control del crecimiento fúngico. Aunque tienen mayor coste mezclas con benzoico y sórbico aumentan su efectividad y también previenen de la fermentación por levaduras.

Acidificación estomacal, digestibilidad proteica y barrera estomacal:

Entre los mecanismos de acción de los ácidos orgánicos en diferentes tramos del tracto gastrointestinal, uno de los puntos a los que más interés se ha dedicado es a su efecto a nivel gástrico, dado el papel de este órgano como puerta de entrada a la colonización microbiana del tracto digestivo en animales jóvenes. La adición de ácidos orgánicos en la dieta permite mantener un bajo pH gástrico y controlar el equilibrio de las poblaciones microbianas, así como reducir el riesgo de colonización de tramos posteriores del tracto digestivo por microorganismos patógenos (Jensen, 1998).

La adición de ácidos orgánicos a las dietas de los lechones es importante, ya que los lechones carecen de la capacidad de acidificar su contenido estomacal mediante el ácido clorhídrico (HCL), y además, el pH gástrico de los lechones se mantiene alto por la capacidad de amortiguación de la dieta. Así pues, el valor del pH del estómago puede mantenerse alto (normalmente un pH de 4-5) después de la alimentación, lo que da lugar a una digestión pobre de las proteínas y a un pH desfavorable para la eliminación de los patógenos. Un pH alto en el estómago implica por un lado una barrera insuficiente contra la carga microbiana del pienso, y por otro una menor conversión del pepsinógeno en pepsina, con una mayor producción de amoniaco y por tanto una mayor proliferación de bacterias Gram negativas en el duodeno (M. Garcia, 2001).

Un alto pH gástrico perjudica la activación y la función de la pepsina (óptima bajo un pH de 2 a 3,5), reduciendo la eficiencia de la digestión de la proteína. La mejora de la digestión de la proteína significa un intestino más sano: se reducen las fracciones no digeridas que podrían actuar como sustrato para las cepas bacterianas patógenas. Este es el caso en particular de la proteína no digerida, que está vinculada al Clostridium perfringens, la bacteria responsable de la enteritis necrótica. Por otro lado, un pH elevado aumenta la velocidad de vaciado gástrico, reduciendo el tiempo de digestión en el estómago. Además, varios ácidos orgánicos (como el ácido cítrico, fórmico, fumárico y láctico) reducen la excreción ambiental de minerales como el calcio, el fósforo, el magnesio y el zinc, mejorando su absorción y retención.

Modulación de la microbiota en el tracto gastrointestinal:

Esta actividad antimicrobiana de los ácidos orgánicos permite controlar el crecimiento de patógenos bacterianos y de alguna manera modular la composición de la microbiota intestinal (Nava et al., 2009; Czerwinski et al., 2010, 2012; Sun et al., 2013) favoreciendo el rendimiento de los animales y su salud general.

Dada la influencia del pH del medio sobre la cantidad de ácido en forma no disociada, y por tanto de acción bactericida, es en el estómago fermentativo de los monogástricos donde este efecto tiene mayor valor añadido dado que el pH se sitúa entre 4,5-5,5. Esta acción continua en el estómago secretor ya que el pH esta entre 2 y 3, incrementando aún más la eficacia antibacteriana de la barrera gástrica. Esta función bactericida se prolonga a los tramos intestinales donde el pH continúa siendo ligeramente ácido.

• • pH en el aparato gastrointestinal porcino:
    • Estomago fermentativo 4,5-5,5
    • Estómago secretor 2-3
    • Intestino delgado 6,5-7
    • Intestino grueso 7-7,5
    • Ciego 5,5-6
• 
  • pH en el aparato gastrointestinal avícola:
    • Buche 4-5
    • Proventrículo 2-3
    • Molleja 2-3
    • Intestino delgado 6,5-7
    • Intestino grueso 7-7,5
    • Ciego 5,5-6

Osmayra Cabrera. El uso de los acidificantes en avicultura. AgriNews 03/14.

La eficacia antimicrobiana del ácido orgánico es mayor en condiciones ácidas (como en el estómago) y es reducida en pH neutro (como en el intestino). Por lo tanto, cuanto menor sea el valor pKa del ácido orgánico, mayor será su efecto sobre la reducción del pH y menor será su efecto antimicrobiano en las porciones más distales durante su tránsito en el tracto digestivo. Un ácido fuerte (con pKa bajo) acidifica el alimento en el estómago, pero no tiene fuertes efectos directos sobre la microbiota intestinal.

Acción sobre la salud intestinal:

Los ácidos orgánicos reducen el pH y promueven la proliferación de bacterias beneficiosas, ofreciendo así un efecto probiótico en el intestino La proliferación de la mayoría de las bacterias sensibles al pH (E. coli, Salmonela y C. perfringens) se minimiza por debajo del pH 5 mientras que las tolerantes a los ácidos sobreviven. Esto significa que los ácidos orgánicos promueven la proliferación de bacterias benéficiosas que son tolerantes a los ácidos como el Lactobacillus sp. y el Bifidobacterium sp., creando un estado óptimo de equilibrio de la microbiota en el intestino.

Los ácidos orgánicos de cadena corta (de 1 a 7 átomos de carbono) en los cerdos aumentan las expresiones relativas de ARNm de los genes relacionados con el desarrollo intestinal, incluidos IGF-1, IGF-IR, GLP-2 y GLP-2R, lo que indica un beneficio en la morfología y el desarrollo intestinal. Tomando un ejemplo, se vio que el ácido butírico promovía la integridad epitelial intestinal, medida a través de sus efectos en el aumento de la expresión relativa de ARNm de unión estrecha, ofreciendo una función de barrera intestinal.

Tomando por ejemplo la adición de ácido fórmico, aumenta el ácido acético y disminuyen las concentraciones de ácido láctico tanto en el íleon como en el contenido del colon. Esto indica un cambio en la composición de la flora intestinal y una modulación de las fermentaciones microbianas con más nutrientes o metabolitos (como el acetato) disponibles para el huésped.

Los ácidos orgánicos pueden inhibir el crecimiento de microorganismos no deseados sensibles al pH, como las Enterobacterias, a la vez que promueven la proliferación de bacterias beneficiosas tolerantes a un pH más bajo. Desde este punto de vista, los ácidos orgánicos pueden ser una herramienta óptima para controlar la disbiosis caracterizada por el sobrecrecimiento de coliformes y la depresión de los lactobacilos, típica en el destete de los cerdos y ciertos momentos productivos de aves de engorde.

• Los daños causados por estos patógenos bacterianos, en especial gram- como Salmonella y E.coli, no únicamente desencadenan procesos proinflamatorios sino que también dañan la integridad del epitelio intestinal a tal nivel que en ocasiones puede presentarse translocación bacteriana conllevando infecciones sistémicas. Los efectos adversos anteriormente mencionados exigen al huésped la inversión de nutrientes para solventar el costo metabólico que implica el combatir a estos patógenos y reparar el daño ocasionado. Al controlar la proliferación de estas bacterias, los ácidos orgánicos evitan esta inversión indeseable de nutrientes en estos procesos, favorecen la digestión y absorción de nutrientes y como consecuencia la productividad de los animales (Palamidi et al., 2016).

Pueden tener una función metabólica al mejorar el trofismo de la mucosa intestinal y modular el metabolismo general. En el intestino grueso de los ácidos orgánicos son absorbidos rápidamente por el epitelio del colon para jugar un papel fundamental en el metabolismo intestinal y energético general. El ácido butírico se oxida casi por completo dentro de la mucosa, sirviendo como fuente de energía preferida para los coloncitos, mientras que el ácido propiónico es recogido por el hígado, donde se convierte en glucosa, y el ácido acético es utilizado en cambio por los tejidos periféricos. El ácido sórbico añadido a los lechones destetados aumenta el rendimiento mediante la modulación del metabolismo de los lípidos y la mejora de factores de crecimiento similares a la insulina, lo que es particularmente relevante para el desarrollo del tracto gastrointestinal.

BENEFICIOS DEL USO DE ÁCIDOS

1. Higienización del agua de bebida y pienso. La adición de ácidos permite bajar el pH fuera del pH óptimo de crecimiento de la mayoría de las bacterias patógenas. Asimismo, las formas no disociadas de los ácidos orgánicos son capaces de atravesar la pared bacteriana originando la disrupción del metabolismo de la bacteria que conduce a su muerte (efecto bactericida).

2. La bajada de pH por la acción de los ácidos también favorece el desarrollo de cepas bacterianas beneficiosas.

3. Promover la salud intestinal, por el efecto bacteriostático, debido a la bajada de pH del contenido intestinal y por el efecto bactericida de los ácidos orgánicos no disociados.

4. Mejorar la digestión y absorción de nutrientes y por lo tanto los rendimientos. La bajada de pH mejora la eficacia de ciertas enzimas digestivas (pepsina) y el desarrollo de la microbiota beneficiosa, conduce a la formación de metabolitos secundarios de fermentación, con efectos beneficiosos sobre la integridad intestinal.