Acidi organici: struttura chimica, meccanismo d'azione e benefici del loro utilizzo

Introduzione

Gli acidi organici (AO) sono utilizzati nell'alimentazione suina via acqua o via mangime, specialmente nella fase di svezzamento, per i loro effetti positivi su:

• la salute gastrointestinale
• la digeribilità dei nutrienti
• le performance produttive

A livello gastrointestinale, gli AO possono agire come acidificanti, battericidi e batteriostatici, azioni che dipendono principalmente dal pKa, coefficiente di reparto (LogP Kow) e peso molecolare di ogni AO e del pH del mezzo nel quale si trovano. Il loro effetto dipende dalla dose e dalla combinazione di AO utilizzata, dalla formulazione del mangime e dall'età del suino, fattori che rendono difficile il confronto tra gli studi.

D'altro canto, gli AO vengono utilizzati anche come conservanti dei mangimi, grazie alla loro capacità di inibire la crescita di batteri patogeni, funghi indesiderati e lieviti in essi contenuti.

Struttura chimica degli acidi organici

Da un punto di vista biochimico, gli AO sono acidi carbossilici che sono caratterizzati dall'essere composti organici formati da una catena di acidi grassi di lunghezza variabile e da uno o più gruppi carbossilici (R-COOH) che sono la fonte donatrice di H⁺.

Gli AO sono acidi deboli, con differenti gradi di solubilità in acqua e con capacità di reazione reversibile. Bisogna distinguere gli AO dagli acidi inorganici, come ad esempio l'acido fosforico o l'acido cloridrico, poiché questi ultimi sono acidi forti che si dissociano completamente a contatto con l'acqua e con un'elevata capacità di acidificazione, ma senza capacità di penetrare all'interno dei batteri. Inoltre, la loro reazione è irreversibile e la loro manipolazione è complicata a causa della loro elevata corrosività. La tabella 1 riassume i principali AO utilizzati nella alimentazione dei suini con la loro formula chimica, valore pKa, peso molecolare e valore LogP Kow.

Tabella 1. Formula chimica, valore pKa, peso molecolare e LogP Kow dei principali acidi organici utilizzati nell'alimentazione suina (Dibner e Buttin, 2002; Zentek et al., 2011).

Principali vantaggi dell'uso di acidi organici nell'alimentazione dei suini

1. Promuovere la salute gastrointestinale grazie alla loro attività batteriostatica riducendo il pH del mezzo attraverso il rilascio dei loro ioni H+ e alla loro attività battericida nella loro forma non dissociata
2. Aumenta la digeribilità e l'assorbimento dei nutrienti come proteine ​​e minerali, con un impatto elevato nella fase di svezzamento grazie all'acidificazione del contenuto gastrico ed alla modulazione del microbiota.
3. Conservante di materie prime e mangimi grazie alla loro capacità di inibire la crescita di batteri patogeni, funghi indesiderati e lieviti.

Meccanismo d'azione degli acidi organici a livello digestivo

A seconda del pH del tratto gastrointestinale, del pKa e del LogP Kow degli AO, gli AO possono presentarsi in forma non dissociata (RCOOH, AO che mantiene tutta la sua struttura chimica intatta) o in forma dissociata (RCOO- + H+, AO che come minimo ha liberato un ione H+ al mezzo).

Un AO non dissociato ha una elevata capacità di diffusione attraverso la membrana batterica nel suo citoplasma, dove l'acido si dissocia, alterando l'equilibrio del pH interno del citoplasma batterico che causerà la soppressione dell'attività dei suoi sistemi enzimatici e del trasporto dei nutrienti causando la lisi dei batteri (Dibner e Buttin, 2002) . Mentre un AO dissociato ha capacità di acidificazione dovuta al rilascio di ioni H+ nel mezzo, inibendo la crescita di batteri sensibili all'acido come Salmonella spp o E.Coli e favorendo gli effetti positivi sulla salute gastrica e intestinale che svilupperemo in seguito.

Gli AO che possono rilasciare un singolo H+ come l'acido formico sono chiamati monoprotici e gli AO con la capacità di rilasciare più di un H+ come l'acido citrico sono chiamati AO poliprotici. La figura 1 mostra la struttura chimica delle forme non dissociate e dissociate dell'acido formico, dell'acido lattico e dell'acido propionico.

Ma cosa determina se una maggiore percentuale di acido si trova in forma dissociata o non dissociata a livello gastrointestinale? Dipende fondamentalmente da due fattori: il pKa dell'acido e il pH del mezzo gastrointestinale.

Il pKa di un AO (Tabella 1) è il valore di pH al quale il 50% dell'acido rimane dissociato e il restante 50% in forma non dissociata. Un AO ha tanti valori pKa quanti sono i suoi gruppi carbossilici. Nel caso degli AO poliprotici, il loro valore pKa aumenta ad ogni dissociazione, quindi il primo rilascio (pKa1) definisce la forza di acidificazione del AO in modo specifico. Se il pH del mezzo è inferiore al pKa dell'AO, >50% dell'AO sarà in forma non dissociata, mentre se il pH del mezzo è superiore al pKa dell'AO, >50% dell'AO sarà in forma dissociata. Di conseguenza, nella misura in cui il pH dell'ambiente si sposta al di sopra o al di sotto del valore pKa dell'OA, la percentuale di molecole di OA dissociate o non dissociate aumenta, rispettivamente (Figura 2).

A livello fisiologico, più basso è il valore pKa dell'AO, maggiore sarà l'effetto che avrà sulla riduzione del pH gastrico ed un minor effetto antimicrobico nelle porzioni distali del tratto intestinale.

D'altra parte, due AO con un pKa simile e somministrati alla stessa dose possono avere diverse capacità battericide a causa del loro peso molecolare. Ad esempio, a parità di quantità, l'acido formico ha un effetto battericida maggiore dell'acido lattico, poiché il suo peso molecolare è inferiore. Il motivo è che, a parità di quantità, ci saranno più molecole di acido formico che di acido lattico: in 1 kg di acido lattico ci sono 11,1 moli, mentre in 1 kg di acido formico ci sono 21,7 moli.

L'azione degli AO sui microrganismi dipende anche dalla complessità della membrana/ parete cellulare esterna di questi. Gli Acidi grassi a Catena Media (AGCM) hanno una forte azione battericida sui batteri Gram positivi come Clostridium perfringens o Streptococcus spp, mentre gli Acidi Grassi a Catena Corta (AGCC) hanno una maggior attività battericida sui batteri Gram negativi come E.Coli, Campylobacter jejuni o Salmonella spp. Questo è dovuto al coefficiente di ripartizione ottanolo-acqua (LogP Kow, Tabla 1) di ogni AO, che indica se un acido ha un carattere più idrofobico o idrofilo. Nel caso degli AGCM, questi presentano valori di LogP Kow superiori a 1,0, indicando la loro natura lipofila che consente loro di interagire più efficacemente con la membrana cellulare dei batteri Gram positivi, mentre la presenza di lipopolisaccaridi nella parete cellulare dei batteri Gram negativi conferiscono loro la resistenza agli AGCM..

Per potenziare l'azione degli AO lungo il tratto gastrointestinale, è interessante lavorare con miscele di AO con differenti proprietà. Chaveerach e altri (2002) hanno osservato che la combinazione simultanea di acido propionico, acido acetico e acido formico offre un potere battericida maggiore rispetto all'uso di questi acidi singolarmente. D'altro canto, Hanczakowska et al. (2013) hanno concluso che l'inclusione di una miscela 1:1 di acido propionico e acido formico e uno 0,2% di acido caprico ha un impatto positivo sulle prestazioni produttive e aumenta la digeribilità dei nutrienti nei suinetti post-svezzamento grazie ad una miglior salute della mucosa intestinale.

Alcuni acidi organici vengono utilizzati sotto forma di sali di Sodio, Calcio o Potassio. Rispetto agli acidi organici liberi, i sali sono più facili da gestire durante la produzione dei mangimi perché sono meno corrosivi e sono generalmente inodori, grazie alla loro forma solida e alla minore volatilità. A livello fisiologico, il sale viene rilasciato a livello gastrico, mentre l'AO non dissociato raggiunge il livello intestinale, dove può agire acidificando il mezzo o fungendo da battericida, a seconda del suo valore pKa. Alcuni esempi di sali AO sono il formiato di sodio (1k237), il propionato di sodio (1k281) o il propionato di calcio (1a282). La combinazione di AO e sali di AO con diversi valori di pKa e LogP Kow per ottenere un'azione acidificante e battericida su tutto il tratto gastrointestinale, è un strumento nutrizionale.

Gli acidi organici e i loro sali possono essere utilizzati nell'alimentazione dei suini in forma libera o microincapsulata. La micro-incapsulazione impedisce all'acido di dissociarsi rapidamente nello stomaco, consentendo agli acidi di agire nelle parti più distali dell'intestino come batteriostatici o battericidi (Cho et al., 2014).

Nella Prossima Scheda Tecnica verranno descritti i principali AO utilizzati nell'alimentazione suina ed il loro meccanismo d'azione, insieme ad una breve raccolta bibliografica di studi scientifici sull'effetto dell'acido formico, dell'acido lattico e dell'acido propionico sulla salute gastrointestinale e sulle prestazioni produttive dei suini.