Las infecciones bacterianas del tracto gastrointestinal, transmitidas a través de agua o alimentos contaminados y exacerbadas por factores estresantes, representan uno de los principales desafíos en la producción animal. Los animales afectados por estas infecciones sufren una digestión deficiente de grasas y vitaminas liposolubles, lo que resulta en bajos índices productivos debido a la competencia por los nutrientes entre la microbiota patógena y el hospedador. Esto conlleva pérdidas económicas significativas, no solo por la disminución de la producción, sino también por el incremento de los costos veterinarios y de saneamiento.
La calidad del agua es un factor esencial para el crecimiento y desarrollo de diversas especies en acuicultura. No solo es importante asegurar un suministro adecuado, sino también mantener una calidad fisicoquímica y microbiológica óptima, especialmente en sistemas de explotación donde una misma fuente de agua abastece a numerosas piscinas. Aunque el agua no siempre ofrece condiciones ideales para el desarrollo y multiplicación bacteriana, sí permite la supervivencia de agentes patógenos, convirtiéndose en un vehículo eficaz para su transmisión tanto a animales como a humanos.
Los ácidos orgánicos se emplean en la producción acuícola desde hace años, tanto en el alimento como en el agua, presentando tanto ventajas como inconvenientes que merecen ser desarrollados.
Clasificación y Formas de los Ácidos Orgánicos
Los ácidos orgánicos utilizados en la producción acuícola son ácidos carboxílicos. Su clasificación se basa en la longitud de su cadena de carbonos:
- Ácidos de cadena corta (AGCC): Menos de 6 átomos de carbono. Incluyen el ácido acético, cítrico, fórmico, propiónico, láctico o sórbico.
- Ácidos de cadena media (AGCM): Entre 6 y 12 átomos de carbono, como el ácido cáprico, caprílico o laúrico.
- Ácidos de cadena larga (AGCL): Más de 12 átomos de carbono, como el ácido mirístico.
Aunque pueden emplearse por separado, la mayoría de las presentaciones comerciales incluyen una combinación de dos o más ácidos. Estos pueden presentarse en forma libre, como sales (generalmente de amonio o de calcio) o esterificados con glicerol.
Mecanismos de Acción de los Ácidos Orgánicos
Los mecanismos de acción de los ácidos orgánicos han sido ampliamente estudiados, así como sus efectos en diferentes especies acuícolas.
Acción a Nivel Celular y del pH
Las moléculas de ácido orgánico existen en forma sin disociar (H-COOH) y disociada (HCOO- + H+). La proporción de cada forma depende de su valor de pKa (el pH en el cual el ácido se encuentra 50% disociado y 50% sin disociar) y del pH del medio.
- La forma sin disociar es capaz de penetrar las paredes celulares de bacterias Gram negativas. Una vez dentro de la bacteria, se disocia, liberando un protón (H+) que reduce el pH citoplásmico y afecta la integridad del ADN celular, pudiendo causar la muerte bacteriana. Este cambio de pH obliga a la bacteria a expulsar activamente protones, consumiendo su energía y volviéndola incapaz de multiplicarse.
- Las formas disociadas liberan protones al medio, reduciendo el pH general y creando condiciones adversas para la multiplicación bacteriana.
Los ácidos con un pKa más bajo, como el ácido fórmico, liberan más protones y reducen más el pH. Los ácidos con un pKa más elevado, como el ácido propiónico, permanecen en mayor medida en su forma sin disociar, siendo capaces de ejercer un efecto antibacteriano más directo sobre el interior celular.
Efectos Antimicrobianos Selectivos
Los microorganismos presentan diferentes sensibilidades a los ácidos orgánicos. Por ejemplo, el ácido propiónico tiene un mayor efecto fungicida, mientras que el ácido fórmico es más eficaz como bactericida y bacteriostático contra especies como Vibrios, Pseudomona, Clostridium, Salmonella, Campylobacter o Escherichia en comparación con los ácidos propiónico y láctico.
Se concluye que los ácidos orgánicos en el agua poseen un poder antibacteriano que contribuye al control de la calidad microbiológica, además de generar propiedades beneficiosas para los animales, tanto individualmente como en combinación con otros compuestos.
Ácidos Orgánicos en la Nutrición Animal: Aplicaciones y Beneficios
Los ácidos orgánicos, también conocidos como ácidos carboxílicos por contener uno o más grupos carboxilos en su estructura, son importantes en la alimentación humana como conservantes, produciendo una rápida acidificación del medio. Confieren también color, olor y sabor a los alimentos y bebidas.
En la nutrición animal, se utilizan ácidos débiles de cadena corta (uno a siete carbonos) que pueden modificar la fisiología bacteriana, provocando trastornos metabólicos que inhiben su proliferación y causan su muerte.
Mecanismos de Acción Detallados
Los ácidos orgánicos (AO) presentan diversos mecanismos de acción:
- Disminución del pH y su capacidad amortiguadora: Efectos antibacterianos y antifúngicos en el alimento.
- Activación de la pepsina: La reducción del valor de pH en el estómago por liberación de iones de hidrógeno activa el pepsinógeno, convirtiéndolo en pepsina y mejorando la digestibilidad proteica.
- Modulación de la microbiota gastrointestinal (TGI): Alteran la composición y actividad de las bacterias en el tracto digestivo.
La eficiencia de un ácido orgánico para inhibir el crecimiento microbiano depende de su valor pKa. El ácido orgánico solo tiene poder antimicrobiano en su forma no disociada, la cual puede atravesar la pared celular de bacterias y hongos y modificar su metabolismo. Por ello, su eficacia antimicrobiana es mayor en condiciones ácidas (estómago) y se reduce en pH neutro (intestino).
Un ácido fuerte (pKa bajo) acidifica el alimento en el estómago, pero tiene menores efectos directos sobre la microbiota intestinal. Por el contrario, un ácido débil (pKa alto) puede permanecer más tiempo en forma no disociada y ejercer un efecto antimicrobiano más prolongado en el intestino.
Actividad Antimicrobiana y Formas de Presentación
La actividad antimicrobial de los ácidos orgánicos está ligada a su capacidad de disociación. Dentro de la célula, donde el pH es más alto que el pKa del ácido, este se disocia liberando H+. La célula bacteriana consume energía tratando de bombear estos protones al exterior, lo que puede llevar a su muerte.
Para que el ingrediente activo alcance los patógenos, debe estar presente en el pienso, estómago u otras ubicaciones del tracto gastrointestinal.
Las sales de ácidos orgánicos son una buena alternativa, ya que no reaccionan con metales y facilitan su inclusión en el pienso o premezcla, permitiendo una mejor difusión y mayor eficacia antimicrobial. Al llegar al estómago, el pH ácido las transforma en ácidos libres, que siguen la misma ruta metabólica.
Los productos a base de ácidos orgánicos libres (en agua o con vehículos como sílice) actúan principalmente en el alimento y el TGI anterior, llegando una menor cantidad de principio activo al intestino. Los productos con vermiculita como vehículo liberan los principios activos a lo largo del TGI, aumentando su efecto intestinal. Las mezclas de sales y ácidos orgánicos libres son comunes en el mercado.
Ácidos Orgánicos contra Patógenos Específicos
Patógenos de gran importancia en la industria avícola mundial, como Salmonella y E. coli, causan daños económicos considerables. Los ácidos orgánicos atraviesan la barrera protectora de estos enteros patógenos Gram negativos, pasando de su forma no disociada a disociada en el interior, controlando su proliferación mediante un efecto bactericida.
Los daños causados por estos patógenos desencadenan procesos proinflamatorios y dañan la integridad del epitelio intestinal, pudiendo llevar a translocación bacteriana e infecciones sistémicas. Los ácidos orgánicos, al controlar la proliferación bacteriana, evitan la inversión de nutrientes para combatir patógenos y reparar daños, favorecen la digestión y absorción de nutrientes, y mejoran el desempeño zootécnico de los animales.
Ácidos Orgánicos en Cerdos: Acidificación y Salud Intestinal
En la nutrición porcina, los ácidos orgánicos se utilizan tradicionalmente como "acidificantes" para el alimento y el estómago, con el objetivo principal de reducir el pH. También ayudan a reducir el crecimiento de bacterias patógenas como Salmonella spp., disminuyendo el riesgo de contaminación microbiana y mejorando la seguridad alimentaria.
Rol en Lechones Destetados
A nivel gástrico, la reducción del pH es crucial para animales jóvenes recién destetados, cuyo tracto gastrointestinal aún no está completamente desarrollado y presenta un pH estomacal elevado. Un pH alto perjudica la activación y función de la pepsina (óptima entre pH 2-3.5), reduciendo la eficiencia de la digestión proteica. Además, un pH elevado puede aumentar la tasa de vaciado gástrico, disminuyendo el tiempo de digestión.
La alta capacidad de amortiguación de la dieta, debido a ingredientes como productos lácteos, proteínas vegetales y harinas de pescado, contribuye a mantener un pH gástrico alto en lechones destetados. La acidificación puede facilitar la transición de la leche al alimento sólido.
Se han observado resultados inconsistentes en la modulación del pH gástrico. Un meta-análisis de 22 estudios mostró que el pH gástrico fue menor en el 55% de los casos con dietas acidificadas, mayor en el 36% e igual en el 9% en comparación con el control. Algunas mezclas de ácidos no mostraron efectos sobre el pH, mientras que otras redujeron el pH en regiones específicas del estómago.
Estas incoherencias pueden deberse a la heterogeneidad del contenido gástrico, diferentes valores de pH en distintas regiones del estómago y fluctuaciones del pH a lo largo del tiempo después de la alimentación.
Adaptación Bacteriana al Estrés Ácido
Si bien un bajo pH gástrico es beneficioso para la digestión, puede seleccionar microorganismos tolerantes a los ácidos. Las enterobacterias (incluyendo S. typhimurium y E. coli) han desarrollado estrategias de supervivencia al estrés ácido, como la activación de proteínas de choque térmico y descarboxilasas inducibles. Algunos AGCC, como el ácido fórmico y acético, pueden actuar como señales ambientales para desencadenar la expresión de genes de invasión en Salmonella. Una exposición temprana a condiciones ácidas en el estómago puede preparar a los patógenos para soportar el estrés en el intestino delgado, intensificando su acción patógena.
Objetivos Fisiológicos y Variabilidad de los AO
Los objetivos fisiológicos de los AO en cerdos incluyen la reducción del pH para aumentar la proteólisis gástrica y disminuir la proliferación de bacterias patógenas intestinales, potenciando así los resultados zootécnicos, especialmente la ganancia diaria de peso y la conversión alimenticia.
Los AO no comparten las mismas características físico-químicas, por lo que sus propiedades y efectos varían en eficacia. Están formados por uno o más grupos carboxilo (R-COOH) y son ácidos débiles.
Su mecanismo de acción se basa en la disociación en protones (H+) y aniones (RCOO-) al atravesar la pared celular bacteriana, afectando la síntesis proteica y produciendo una acidez intracelular intolerable para la bacteria. Las bacterias intentan eliminar los protones del citoplasma para mantener un pH interno cercano a la neutralidad, un proceso que consume energía y puede llevar a la muerte celular.
Factores que Influyen en la Eficacia de los AO
- pKa: El valor de pH en el cual el 50% del ácido está en forma no disociada. La eficacia es mayor en el segmento gastro-duodenal. La combinación de AO con diferentes pKa puede generar un efecto sinérgico.
- Peso Molecular: AO con menor peso molecular, como el ácido fórmico, pueden tener un mayor efecto bactericida que otros con pKa similar, como el ácido láctico, al aplicar la misma cantidad.
- Complejidad de la Membrana/Pared Celular: Los AGCM son bactericidas contra bacterias Gram positivas (ej. Clostridium perfringens), mientras que los AGCC son más activos contra bacterias Gram negativas (ej. E. coli, Salmonella).
- Coeficiente de Partición Octanol-Agua (LogP Kow): Indica el carácter hidrofóbico o hidrófilo de un ácido, influyendo en su interacción con las membranas celulares.
Para potenciar la acción de los AO a lo largo del tracto gastrointestinal, se recomienda el uso de mezclas de AO con diferentes propiedades, lo que ha demostrado un mayor poder bactericida en comparación con el uso individual de los ácidos.
Formas de Comercialización y Administración
Los ácidos orgánicos y sus sales se utilizan en nutrición porcina en forma libre o microencapsulada. Las sales (de Sodio, Calcio o Potasio) son más fáciles de manejar durante la fabricación de alimentos debido a su menor capacidad corrosiva y volatilidad.
A nivel fisiológico, la sal se libera en el estómago, permitiendo que el AO no disociado actúe en el intestino. Ejemplos de sales incluyen el formiato sódico, propionato sódico y propionato cálcico.
El efecto de los AO en la salud gastrointestinal y los resultados productivos de los cerdos depende de factores como el tipo de dieta, la concentración y combinación de AO, y la edad y estado sanitario de los animales. La capacidad tampón de la dieta y el tiempo de muestreo gastrointestinal también influyen en los resultados.
Ácido Fórmico
Es un AO líquido, transparente, soluble en agua y alcohol, con bajo peso molecular (46.03 g/mol), pKa de 3.75 y logP Kow de -0.54. Su bajo pKa le confiere una elevada capacidad acidificante gástrica, pero su manejo es complicado debido a su corrosividad.
Su uso es de interés durante la transición y post-destete para facilitar la digestión de proteínas y reducir la proliferación de patógenos. Estudios han demostrado que mezclas de ácido fórmico y propiónico reducen la concentración de Salmonella y E. coli a nivel gástrico en lechones infectados. También se ha observado una reducción de lactobacilos y coliformes en diferentes segmentos del tracto digestivo.
Ácido Láctico
Es un AO líquido, viscoso, transparente amarillento, soluble en agua y etanol, con peso molecular de 90.08 g/mol, pKa de 3.75 y logP Kow de -0.70.
Se ha demostrado que el ácido láctico disminuye el pH gástrico y la proliferación de Escherichia coli enterotoxigénico en lechones. Su inclusión en el alimento post-destete ha mejorado los resultados productivos y reducido el recuento de bacterias coliformes, además de disminuir el porcentaje de animales con diarrea.
Ácido Propiónico
La conservación de cereales con ácido propiónico ha impactado positivamente en la calidad del cereal y en los resultados productivos de lechones. Aunque no siempre se observa un efecto directo en los resultados productivos, sí puede reducir la expresión de citoquinas pro-inflamatorias en el intestino delgado.
La presente ficha técnica ha seleccionado estudios que permiten evaluar de manera independiente las acciones del ácido fórmico, láctico y propiónico sobre la salud gastrointestinal y parámetros productivos de los cerdos.
Conclusiones sobre los Ácidos Orgánicos
Los ácidos orgánicos tienen la capacidad de controlar la proliferación bacteriana, optimizar los procesos de digestión y absorción entérica, y por lo tanto, mejorar el desempeño zootécnico de los animales de producción. Existe suficiente evidencia científica y de campo para considerar a los ácidos orgánicos como promotores naturales de crecimiento y una alternativa eficaz para mejorar los resultados económicos en diversas especies pecuarias.