Демистификация смесей органических кислот

Демистификация смесей органических кислот

Дж. Джендза, доктор аграрных наук, BASF Corp., США, Е. Шастак, доктор аграрных наук, BASF SE, Германия

В последнее время актуальность вопросов подкисления корма и использования в кормлении органических кислот переживает период ренессанса. В связи со стремлением стран Северной и Южной Америки присоединиться к Европе в плане сокращения использования антибиотиков для стимуляции роста животных, а также с развитием отраслей в кормлении, выпускающих кормовые добавки, способствующие сохранению здоровья желудочно-кишечного тракта, существенно возросло количество компаний, предлагающих на рынке новые продукты на основе органических кислот. На фоне этого произошел всплеск числа сомнительных маркетинговых приемов, направленных на продвижение ряда новых продуктов. Цель статьи — осветить некоторые из наиболее часто искажаемых или непонятых тем, касающихся использования органических кислот в кормлении.

Органические кислоты против неорганических кислот

Органические кислоты представляют собой карбоновые кислоты с общей формулой R-COOH, где группа R — это цепочка жирных кислот с переменной длиной, а группа COOH — карбоксильная группа, которая является источником донорного протона водорода (H+). Неорганические кислоты, как правило, являются более «сильнодействующими» кислотами, поскольку они в большей степени склонны отдавать протон водорода (H+) при более низком уровне pH в воде. Эта химическая концепция «силы» кислоты, безусловно, может быть полезной в ряде случаев, но это лишь часть истории.

Например, HCl (соляная кислота) имеет отрицательный pKa (–7); рKa кислоты представляет собой значение pH, при котором кислота будет наполовину диссоциирована. Поскольку отрицательный pH является только теоретическим, в любой практической ситуации HCl полностью диссоциирует на H+ и Cl– в воде, независимо от уровня pH этой воды. Однако муравьиная кислота имеет pKa 3,75, следовательно, диссоциированные (H+ + HCOO–) и недиссоциированные состояния (HCOOH) будут находиться в балансе, определяемом значением pH раствора (рис. 1). 

Например, при pH 3,75 диссоциированные и недиссоциированные состояния будут пребывать в балансе 50:50, при pH 3,25 равновесие будет составлять 10:90, а при pH 4,25 — 90:10. Этот зависящий от уровня pH баланс важен, поскольку он повышает эффективность органических кислот по сравнению с неорганическими кислотами, несмотря на более высокую подкисляющую силу последних.

Как работает органическая кислота (на примере муравьиной)

Существует долгая история использования органических кислот в качестве пищевой и кормовой добавок. Потенциал муравьиной кислоты был впервые продемонстрирован в 1865 году. На сегодняшний день муравьиная кислота широко используется для улучшения гигиенического состояния корма и уничтожения кормовых патогенов, таких как сальмонелла и кампилобактер.

Уровень pH промышленных комбикормов обычно находится в диапазоне от 5 до 7. В пределах этого диапазона pH муравьиная кислота будет почти полностью диссоциирована, что также приведет к быстрому снижению pH корма. Уровень pH в верхней части пищеварительного тракта, как правило, находится в пределах от 2 до 5 в зависимости от того, сколько времени прошло с последнего потребления корма, его объема, возраста животного. При достижении нижнего предела этого диапазона (т.е. pH=2) муравьиная кислота почти полностью преобразуется в недиссоциированное состояние (HCOOH). Это важно, потому что в этом состоянии кислота является как неполярной, так и липофильной, и поэтому она может легко проникать через мембрану бактериальных клеток. Как только молекула муравьиной кислоты оказывается внутри клетки, где уровень pH является относительно постоянным (pH 7,6–7,8), она полностью диссоциирует и подкисляет цитозоль бактерий. Низкий цитозольный pH негативно влияет на бактериальную клетку, изменяет кинетику жизненно важных ферментов, снижает эффективность направленного внутрь протонного градиента и увеличивает затраты энергии, необходимой для восстановления физиологического уровня pH, и в конечном счете ведет к гибели клетки (рис. 2).

Диссоциированная муравьиная кислота (HCOO– + H +) способна изменять внеклеточный pH и градиенты протонов, а также повреждать клеточные структуры. Недиссоциированная муравьиная кислота (HCOOH) может проникать через мембрану и ведет к сдвигу внутриклеточного pH, изменению сворачивания белка, ферментативной кинетики и нарушению клеточного метаболизма.

Это наглядным образом продемонстрировано в исследовании Chaveerach et al. (2002), в котором в комбикорм инокулировали четыре различных штамма кампилобактера (Campylobacter), а затем подкисляли рацион до различных значений pH с использованием разных кислот. Сообщалось, что при pH 4,0 и 4,5 наличие кампилобактера в корме снизилось до нуля примерно через 4 и 8 часов соответственно при использовании соляной кислоты как подкислителя (рис. 3). Однако при использовании муравьиной кислоты при подкислении комбикорма до pH 4,0 и 4,5 на устранение кампилобактера в таком же комбикорме понадобилось всего 1 и 2 часа соответственно. Поэтому подавляющее действие муравьиной кислоты в отношении кампилобактера было в 4 раза выше по сравнению с действием соляной кислоты.

Следовательно, органические кислоты способны сдерживать рост кампилобактера и сальмонеллы, которые просто не могут развиваться при низком значении pH. При этом полезные кислотоустойчивые лактобациллы (Lactobacilli) не ингибируются органическими кислотами. Помимо этого, органические кислоты, такие как муравьиная или пропионовая кислота, могут быть метаболизированы как питательные вещества в организме животных и птицы.

Муравьиная кислота против других органических кислот

Все органические кислоты в разной степени способны подавлять патогенную микрофлору, действуя по обеим сторонам клеточной мембраны. Муравьиная кислота имеет особое преимущество перед другими кислотами благодаря своей простоте и более низкой молекулярной массе. Когда химики сравнивают подкисляющие свойства кислот на основе pKa, они обычно размышляют с точки зрения молярной концентрации, то есть концентрации на одну молекулу. Однако разные молекулы имеют разный вес и плотность. Как видно из приведенной ниже таблицы, муравьиная кислота является самой простой из всех органических кислот, причем ее R-группа состоит из одного атома водорода и, как результат, имеет самую низкую молекулярную массу (46 г/моль) и наибольшую молекулярную плотность среди органических кислот (21,7 моль/кг). В отличие от химиков, зоотехники и кормленцы составляют рационы на основе веса ингредиентов, а не их молярности. Следовательно, более высокая плотность органической кислоты дает преимущество более высокой концентрации активного вещества в пределах заданного пространства при приготовлении комбикорма в смесителе.

Например, предположим, что мы составляем рацион и выделили максимально 3 кг на тонну комбикорма для подкислителя. Если бы мы использовали Amasil 85 (85%-ная муравьиная кислота), то эти 3 кг вносили бы 55,3 моля протонов водорода (H+) на тонну корма (21,7 моль/кг × 3 кг/т × 85% = 55,3 моль/т). Сравним это с инкапсулированным масляно-кислотным продуктом (50% масляной кислоты в составе), который может обеспечивать только 17,6 моль протонов водорода H+ на тонну корма (11,7 моль/кг × 3 кг/т × 50% = 17,6 моль/т), т.е. более чем в три раза меньше, чем в примере с муравьиной кислотой. Даже если мы рассматриваем полипротоновую кислоту, такую как лимонная (несколько СООН-групп, способных донировать H+), то получаем более активный ингредиент при использовании простой муравьиной кислоты в сравнении с более сложной лимонной кислотой (5,2 моль/кг × 3 кг/т × 3 протона H+ на молекулу = 46,8 моль/т). И это перед тем, как мы также учтем, что три разных значения pKa этих кислот (муравьиной, масляной и лимонной) будут влиять на степень диссоциации в интересующих нас диапазонах pH (см. рис. 4).

Чистые кислоты против солей кислот

Еще один момент, который часто вызывает путаницу, — различие между свободной кислотой и солями кислот. Примером может служить отличие чистой муравьиной кислоты от формиата кальция (соль муравьиной кислоты). Соли кислот являются результатом реакции буферизации между кислотой и основанием. Существуют причины для использования смесей на основе кислот и их солей, но есть также нюансы, которые необходимо учитывать.

Основными причинами использования солей кислот являются упрощение их применения по сравнению с чистыми кислотами, а также уменьшение коррозии. Чистые соли кислот обычно представляют собой сухие порошки, которые менее агрессивны и могут быть более удобными в применении, чем жидкие кислоты, в зависимости от возможностей того или иного комбикормового завода. Например, превращая часть муравьиной кислоты в жидком продукте Amasil NA в формиат натрия и тем самым уменьшая концентрацию свободной муравьиной кислоты до 61%, мы можем уменьшить скорость коррозии углеродистой стали в 10 раз (рис. 5). Однако это преимущество связано со снижением эффективности. Поэтому наши рекомендации по норме ввода для продукта Amasil NA немного выше, чем для Amasil 85 (85%-ная муравьиная кислота).

Соответственно, компромиссом является снижение концентрации свободного H+ за счет замены его натрием. Негативным моментом данного компромисса является неспособность полностью забуференных кислотных продуктов (например чистого Na-формиата или Ca-формиата) подкислять корм. Поэтому между двумя этими конкурирующими моментами можно установить баланс, т.е. применять смесь чистой кислоты и ее солей.

Чистые кислоты против смесей кислот

Как обсуждалось выше, различные кислоты подходят для разных целей. Муравьиная кислота особенно эффективна для бактериального контроля и выполнения санитарных требований к корму, что было неоднократно доказано в экспериментах in vitro (рис. 6) и in vivo. Пропионовая кислота особенно эффективна для контроля роста плесени и дрожжей. Молочная кислота может быть преобразована в масляную кислоту бактериями в кишечнике, и последняя считается предпочтительным источником энергии для энтероцитов. Поэтому многие пытаются разработать рецептуры, которые содержат много кислот, с надеждой на достижение всех возможных преимуществ с помощью одного продукта. Тем не менее смеси часто не могут полностью обеспечить ни одно из предполагаемых преимуществ, если не происходит одновременное увеличение рекомендуемой дозировки такого продукта.

Обратимся к нашей рецептуре с максимально допустимыми 3 кг органической кислоты на тонну комбикорма. Если мы заменим 3 кг Amasil 85 (85%-ная муравьиная кислота) в тонне комбикорма гипотетической смесью муравьиной, пропионовой и молочной кислот в соотношении 1:1:1 (для удобства назовем ее МурПроМол), то увидим умеренное снижение потенциала подкисления (с 55,3 до 46,4 моль/т). Тем не менее не следует забывать, что эффективность каждой из этих кислот не одинакова в отношении ингибирования роста бактерий. Исходя из результатов Штрауса и Хайлер (2001; рис. 6), мы видим, что муравьиная кислота примерно в 3 раза эффективнее, чем молочная кислота, а пропионовая примерно в 1,5 раза эффективнее по сравнению с молочной. Частично это связано с различиями в плотности между муравьиной и молочной кислотами, но плотность сама по себе не может являться причиной этой разницы.

Если бы различия минимальной подавляющей концентрации (МПК) были основаны исключительно на различиях в концентрации ионов водорода (H+) заданной кислоты, то было бы ожидаемо, что в сравнении с муравьиной кислотой МПК для пропионовой и молочной кислоты будет выше примерно на 61 и 96% соответственно, на основании данных о молярной плотности (74 : 46 =1,61; 90 : 46 =1,96). Кроме того, ожидалось бы, что для МурПроМол потребуется только на 19% больше по количеству ввести в рацион по сравнению с Amasil 85 (55,3 : 46,4 =1,19).

Однако средняя МПК для пропионовой и молочной кислоты выше, чем для муравьиной кислоты, не на 61 и 96% соответственно, а на 100 и 200%. Это означает, что доза 3 кг/т нашей гипотетической смеси МурПроМол может обеспечить тот же микробный контроль, что и 1,83 кг/т Amasil 85. Если мы хотим добиться такого же эффекта, как и у 3 кг Amasil 85 в тонне комбикорма, и позволим увеличить дозировку продукта на основе органических кислот в рецепте, то нам потребуется увеличить дозу МурПроМол на 60% (3×1,83=5,49 кг/т). На первый взгляд эффект МурПроМол, если судить по дозировке, может выглядеть сопоставимым с эффектами чистых кислот, на самом же деле мы видим, что смесь значительно проигрывает чистой муравьиной кислоте.

Таким образом, каждая дополнительная кислота, добавленная к смеси, в конечном счете не только приносит потенциальное преимущество составу, но также уменьшает преимущества других кислот, уже находящихся в смеси, особенно когда мы заменяем меньшую молекулу более крупными или менее подходящими для конкретного применения.

Поэтому следует тщательно подходить к выбору подкислителей. Сначала нужно решить: «Чего я ожидаю от этого продукта в моем рецепте?». После этого необходимо убедиться, что выбранный подкислитель может реально достичь поставленных задач в указанной дозировке. Важно учитывать также потенциальный результат, если планируется использование смеси кислот для достижения нескольких целей.

Важное примечание

Интерес к органическим кислотам для подкисления воды и кормов находится на рекордно высоком уровне, и рынок быстро реагирует на введение новых продуктов. Поэтому важно, чтобы кормленец на месте точно понимал, чего можно достичь с помощью той или иной органической кислоты, прежде чем принимать решение об ее использовании.

Органические кислоты не являются чудодейственными. Хотя существуют различия в пригодности отдельных органических кислот для разнородных применений, это не означает, что многокислотный продукт будет иметь больше преимуществ по сравнению с чистой кислотой. Каждый дополнительный ингредиент (кислота или другой), добавленный в смесь, приведет к получению более разбавленного конечного продукта.

Это не означает, что следует избегать всех смесей (BASF предлагает несколько простых смесей на основе муравьиной и пропионовой кислот для борьбы с бактериями и плесенью). Просто убедитесь, что смесь хорошо подходит для выбранной вами цели и дозируется соответственно.

Стоит учитывать, что предполагаемое преимущество многокомпонентной смеси органических кислот может предназначаться не для конечного пользователя, а для производителя, который сокращает свои производственные затраты, используя более дешевые ингредиенты. Кроме того, в некоторых сравнительных испытаниях производители не сообщают фактические дозы ввода продуктов, фокусируя вместо этого внимание на потенциале, в то же время завуалировав реальную проблему того, может ли продукт достичь желаемого эффекта при экономически реалистичной дозе.

К счастью, такие характеристики, как pKa, молекулярная масса и плотность, могут быть полезными инструментами для оценки различных продуктов in silico (компьютерное моделирование/расчеты). За короткое время расчета и анализа можно быстро выявить неподходящие продукты и отбраковать их без затрат времени.

Однако следует помнить, что конечным «оценщиком» продукта являются животные. Расчеты с помощью карандаша и бумаги — это просто инструмент для сужения поля до самых перспективных продуктов.