Ácidos orgánicos: estructura química, mecanismo de acción y beneficios de su uso

Introducción

Los ácidos orgánicos (AO) son utilizados en nutrición porcina vía agua o vía alimento, especialmente en la fase de precebo, por sus efectos positivos sobre:

• la salud gastrointestinal
• la digestibilidad de los nutrientes
• el rendimiento productivo

A nivel gastrointestinal, los AO pueden actuar como acidificantes, bactericidas y bacteriostáticos, acciones que dependen principalmente del pKa, coeficiente de reparto (LogP Kow) y peso molecular de cada AO y del pH del medio en el que se encuentren. Su efecto depende de la dosis y la combinación de AO utilizada, la formulación del alimento y la edad del cerdo, factores que dificultan la comparativa entre estudios.

Por otro lado, los AO también son utilizados como conservantes de alimentos, gracias a su capacidad para inhibir el crecimiento de bacterias patógenas, hongos y levaduras no deseados en ellos.

Estructura química de los ácidos orgánicos

Desde el punto de vista bioquímico, los AO son ácidos carboxílicos que se caracterizan por ser compuestos orgánicos formados por una cadena de ácido graso de longitud variable y uno o más grupos carboxilo (R-COOH) que son la fuente donante de H⁺.

Los AO son ácidos débiles, con diferentes grados de solubilidad en agua y con capacidad de reacción reversible. Debemos diferenciar los AO de los ácidos inorgánicos, como, por ejemplo, el ácido fosfórico o el ácido clorhídrico, ya que estos últimos son ácidos fuertes que se disocian totalmente al entrar en contacto con el agua y con una elevada capacidad de acidificación, pero sin capacidad de penetrar en el interior de las bacterias. Además, su reacción es irreversible y su manejo es complicado debido a su elevada capacidad corrosiva. En la Tabla 1, se resumen los principales AO utilizados en nutrición porcina con su fórmula química, valor de pKa, peso molecular y valor de LogP Kow.

Tabla 1. Fórmula química, valor de pKa, peso molecular y LogP Kow de los principales ácidos orgánicos utilizados en nutrición porcina (Dibner y Buttin, 2002; Zentek et al., 2011).

Ácido	Fórmula química	pKa	Peso molecular, g/mol	LogP Kow
Ácidos Grasos de Cadena Corta (AGCC)
Ácido fórmico (1C)	HCOOH	3,83	46,03	-0,54
Ácido acético (2C)	CH3COOH	4,76	60,05	-0,17
Ácido propiónico (3C)	CH3CH2COOH	4,88	74,08	0,33
Ácido butírico (4C)	CH3CH2CH2COOH	4,82	88,12	0,80

Ácido	Fórmula química	pKa	Peso molecular, g/mol	LogP Kow
Ácidos Grasos de Cadena Media (AGCM)
Ácido caproico (6C)	CH3(CH2)4COOH	4,88	172,26	1,92
Ácido caprílico (8C)	CH3(CH2)6COOH	4,89	144,21	3,05
Ácido cáprico (10C)	CH3(CH2)8COOH	4,89	172,26	4,09
Ácido láurico (12C)	CH3(CH2)10COOH	5,13	200,32	4,60

Ácido	Fórmula química	pKa	Peso molecular, g/mol	LogP Kow
Ácidos tricarboxílicos
Ácido fumárico	COOHCH:CHCOOH	3,02 4,76	116,07	0,46
Ácido cítrico	CH2(COOH)COH (COOH)CH2(COOH)	3,13 4,76 6,49	192,14	-1,70

Ácido	Fórmula química	pKa	Peso molecular, g/mol	LogP Kow
Otros
Ácido láctico	CH3CH(OH)COOH	3,75	90,08	-0,70
Ácido sórbico	CH3CH:CHCH:CHCOOH	4,76	112,14	1,33
Ácido benzoico	C6H5COOH	4,19	122,12	1,88

Principales beneficios del uso de ácidos orgánicos en nutrición porcina

1. Promover la salud gastrointestinal, gracias a su actividad bacteriostática, mediante la reducción del pH del medio a través de la liberación de sus iones H+, y a su actividad bactericida en su forma no disociada
2. Incrementar la digestibilidad y absorción de nutrientes como la proteína y los minerales, con un elevado impacto durante la fase de precebo, gracias a la acidificación del contenido estomacal y a la modulación de la microbiota
3. Conservante de materias primas y alimentos, gracias a su capacidad para inhibir el crecimiento de bacterias patógenas, hongos y levaduras no deseados.

Mecanismo de acción de los ácidos orgánicos a nivel digestivo

En función del pH del medio gastrointestinal, del pKa y del LogP Kow del AO, el AO puede presentarse en forma no disociada (RCOOH, AO que mantiene toda su estructura química intacta) o en forma disociada (RCOO- + H+, AO que como mínimo ha liberado un ión H+ al medio).

Un AO no disociado tiene una elevada capacidad de difusión a través de la membrana de las bacterias hacia su citoplasma donde el ácido se disocia, alterando el equilibrio de pH interno del citoplasma de la bacteria, lo que provocará la supresión de la actividad de sus sistemas enzimáticos y transporte de nutrientes, provocando la lisis de la bacteria (Dibner y Buttin, 2002). Mientras que, un AO disociado tiene capacidad de acidificación debido a la liberación de iones H+ al medio, inhibiendo el crecimiento de las bacterias ácido-sensibles, como Salmonella spp o E.Coli, y promoviendo efectos positivos sobre la salud gástrica e intestinal que desarrollaremos más adelante.

Los AO que pueden liberar un solo H +, como el ácido fórmico, se denominan monopróticos y los AO con capacidad de liberar más de un H +, como el ácido cítrico, se denominan AO polipróticos. En la Figura 1, se representa la estructura química de la forma no disociada y disociada del ácido fórmico, ácido láctico y ácido propiónico.

Pero, ¿de qué depende que una mayor proporción del ácido esté en forma disociada o no disociada a nivel gastrointestinal? Depende básicamente de dos factores: pKa del ácido y pH del medio gastrointestinal.

El pKa de un AO (Tabla 1) es el valor de pH en el que el 50 % del ácido permanece disociado y el 50 % restante en forma no disociada. Un AO tiene tantos valores pKa como grupos carboxilo. En el caso de los AO polipróticos, su valor de pKa aumenta en cada disociación, por lo que la primera liberación (pKa1) define la fuerza de acidificación del AO en concreto. Si el pH del medio es inferior al pKa del AO, > 50 % del AO estará en forma no disociada, mientras que, si el pH del medio es superior al pKa del AO, > 50 % del AO estará en forma disociada. En consecuencia, a medida que el pH del ambiente se distancia por encima o por debajo del valor de pKa del AO, el porcentaje de moléculas del AO disociadas o no disociadas incrementa, respectivamente (Figura 2).

A nivel fisiológico, cuanto menor sea el valor pKa del AO, este ofrecerá un mayor efecto sobre la reducción del pH gástrico y un menor efecto antimicrobiano en las porciones distales del tracto intestinal.

Por otro lado, dos AO con un pKa similar y administrados en la misma dosis pueden tener diferentes capacidades bactericidas debido a su peso molecular. Por ejemplo, al aplicar la misma cantidad, el ácido fórmico tiene un mayor efecto bactericida que el ácido láctico, ya que su peso molecular es menor. La causa es que, para una cantidad igual, habrá más moléculas de ácido fórmico que de ácido láctico: en 1 kg de ácido láctico hay 11,1 moles, mientras que en 1 kg de ácido fórmico hay 21,7 moles.

La acción de los AO sobre los microorganismos depende también de la complejidad de la membrana/pared celular externa de estos. Los ácidos grasos de cadena media (AGCM) tienen una acción bactericida fuerte sobre las bacterias Gram positivas, como Clostridium perfringens o Streptococcus spp, mientras que los ácidos grasos de cadena corta (AGCC) tienen una mayor actividad bactericida sobre las bacterias Gram negativas, como E.Coli, Campylobacter jejuni o Salmonella spp. Esto es debido al coeficiente de partición octanol-agua (LogP Kow, Tabla 1) de cada AO, que indica si un ácido tiene carácter más hidrofóbico o hidrófilo. En el caso de los AGCM, estos tienen valores de LogP Kow superiores a 1,0, indicando su carácter lipofílico que les permite interactuar de manera más efectiva con la membrana celular de las bacterias Gram positivas, mientras que la presencia de lipopolisacáridos en la pared celular de las bacterias Gram negativas les confiere resistencia frente a los AGCM.

Para potenciar la acción de los AO a lo largo del tracto gastrointestinal, es interesante trabajar con mezclas de AO con diferentes propiedades. Chaveerach et al. (2002) observaron que la combinación simultánea de ácido propiónico, ácido acético y ácido fórmico ofrece un mayor poder bactericida en comparación con el uso de estos ácidos de forma individual. Por otro lado, Hanczakowska et al. (2013) concluyeron que la inclusión de una mezcla al 0,5 % de 1:1 de ácido propiónico y ácido fórmico y un 0,2 % de ácido cáprico impacta de manera positiva sobre el rendimiento productivo e incrementa la digestibilidad de los nutrientes de lechones post-destete gracias a una mejor salud de la mucosa intestinal.

Algunos ácidos orgánicos se utilizan en forma de sales de Sodio, Calcio o Potasio. En comparación con los ácidos orgánicos libres, el manejo de las sales durante la fabricación de los alimentos es más fácil, gracias a su menor capacidad corrosiva, y generalmente son inodoras, gracias a su forma sólida y su menor volatilidad. A nivel fisiológico, la sal es liberada a nivel gástrico, llegando el AO no disociado a nivel intestinal donde podrá actuar, o bien, acidificando el medio o actuando como bactericida dependiendo de su valor de pKa. Algunos ejemplos de sales de AO son el formiato sódico (1k237), el propionato sódico (1k281) o el propionato cálcico (1a282). La combinación de AO y sales de AO con diferentes valores de pKa y LogP Kow, para conseguir una acción acidificante y bactericida a lo largo del tracto gastrointestinal, es una buena herramienta nutricional.

Los ácidos orgánicos y sus sales pueden utilizarse en nutrición porcina en forma libre o microencapsulada. La microencapsulación evita que el ácido se disocie rápidamente en el estómago, permitiendo que los ácidos actúen en las partes más distales del intestino para actuar como bacteriostáticos o bactericidas (Cho et al., 2014).

En la próxima ficha técnica se describirán los principales AO utilizados en nutrición porcina y su mecanismo de acción, junto a una breve recopilación bibliográfica de estudios científicos acerca del efecto del ácido fórmico, ácido láctico y ácido propiónico sobre la salud gastrointestinal y los rendimientos productivos de los cerdos.