從傳統酸化劑到強化腸道健康

        酸化劑相關的產品在過去數十年來已被廣泛使用在動物飼料中，此類飼料添加劑可以提升動物的生產性能，做為動物生產中一個相當可靠的工具，但經過多年的發展，有機酸類的產品越來越五花八門，依不同酸的種類或功能可提供牧場管理許多不一樣的選擇，本文將分門別類介紹目前市面上常見的有機酸，並提供有機酸產品選用上的建議。

不同的有機酸種類 – 依結構型態

1. 短鏈脂肪酸 (Short chain fatty acids, SCFA)
短鏈脂肪酸為含有少於5 個碳原子的羧酸，常見的如甲酸(Formic acid)、乙酸(Acetic acid)、丙酸(Propionic acid) 及丁酸(Butyric acid)，一般在動物體內可由小腸內的微生物發酵醣類及胺基酸而成，在小腸黏膜的代謝中扮演很重要的角色。尤其可以改善小腸組織型態，並可形成腸道的屏障、降低腸道發炎反應等。一般短鏈脂肪酸以液體或鹽類的形態存在，較常直接作為飼料酸化劑、青貯料接種及防腐劑使用。

2. 中鏈脂肪酸 (Medium chain fatty acids, MCFA)
中鏈脂肪酸一般含有脂肪族(aliphatic) 的結構，並含有6~12 個碳原子，如月桂酸(Lauric acid)、己酸(Caproic acid)、辛酸(Caprylic acid) 以及癸酸(Capric) 都是常見的中鏈脂肪酸。這類有機酸類可被快速的融入細胞膜的磷脂質中，因此在年輕動物的營養中扮演很重要的角色，中鏈脂肪酸的pKa 值通常也較高，因此與短鏈脂肪酸比起來其抗菌或抗病毒能力通常也較強。

3. 三羧酸 (Tricarboxylic acids, TCA)
三羧酸類的有機酸為三羧酸循環(TCA cycle) 中的代謝中間產物，通常結構中含有羥基及碳支鏈，檸檬酸(Citric acid)、富馬酸(Fumaric Acid) 及蘋果酸(Malic acid) 皆屬於此類，這類有機酸可參與能量的代謝，因此除了抗菌的功能以外，也可改善腸道型態以及提升屏障功能。

4. 其他有機酸
除了上述分類以外，還有包括如苯甲酸、山梨酸、乳酸等常用於食品加工及飼料中的有機酸。這些有機酸的功能除了抗菌以外，也時常作為抗黴或抗真菌劑使用。

有機酸化劑的用途

1. 抗微生物功能
        有機酸最早被發現具有抗微生物的功能，且抗微生物的能力相當廣泛，包括細菌、病毒、真菌、黴菌等皆有作用，因此被大量的應用在各種情境中，尤其在飼料配方中也扮演很重要的角色。但並不是所有的有機酸都具有相同的抗微生物能力，它們針對微生物的作用與其碳鏈的長度跟其支鏈結構( 飽和度) 有關，但影響抗微生物能力最關鍵的還是pKa 值以及解離度。
        不同有機酸的親脂能力也影響了這些酸類穿透微生物細胞膜的能力，使得這些有機酸遇上不同的微生物時會產生不同的抵抗效果。一般來說，有機酸抑制微生物的廣普度主要依據這些有機體的構造作為分別，舉例來說通常MCFA 因其親脂性較高，對於病毒以及格蘭氏陽性菌的效果較佳，而因為格蘭氏陰性菌的細胞壁中含有脂多醣結構的關係，通常使用親脂性較弱的SCFA 效果較佳。

2. 飼料保存劑
        有機酸在飼料中可作為防止腐敗及提升飼料品質的保存劑，主要針對黴菌及細菌做預防，降低這些微生物將飼料作為營養來源大量生長，以防止食源性的感染( 如沙門氏菌的控制)，提升飼料的整體安全性。較常使用的有機酸種類為甲酸、丙酸、乳酸、檸檬酸、苯甲酸等以及其鹽類，因此在某些地區這類有機酸會在法規上被定義為” 飼料保存劑”。

3. 強化腸道功能
(1) 在胃中降低胃酸pH 值
       有機酸進到胃以後，最主要的目標即是降低胃酸的pH 值，尤其針對新生或剛離乳的動物。幼齡動物的胃腸系統尚未發展及發育完全，胃部鹽酸分泌能力較弱，菌叢也尚未完整建立，由益生菌發酵製造的乳酸及SCFA 不足，且幼齡動物攝食的頻率也較高，因此胃液的pH 值也相對較高( 通常>5)。pH 值較高的環境不但會影響消化酵素( 尤其是胃蛋白酶) 的活性使得營養消化不足，造成營養性下痢；也會使得腸胃的第一道防線不足以抵擋外來病原的入侵，因此在胃的階段，使用有機酸可以及時補足幼齡動物腸胃道發育不及的缺陷。
(2) 小腸環境以及菌叢
        有機酸在小腸中最主要的作用為調整菌叢，降低腸液中pH 值以抑制對pH 值敏感的病原菌，同時不影響有益菌如乳酸菌群的生長，以達到平衡菌相的目的。也有研究證實，使用有機酸可調整腸道內的發酵模式，改變菌叢營養的利用效率。
(3) 腸組織的營養及代謝來源
        與腸組織的營養及代謝有關的有機酸主要為SCFA 及TCA 兩大類，主要功能是加速腸道組織的修復。
－SCFA 在動物體內一般可經由腸道中的菌叢發酵生成，由於其分子特性，可直接被腸上皮細胞快速吸收利用並參與能量代謝。丁酸幾乎能完全在黏膜中被氧化，可直接做為腸道的營養來源，而丙酸需經過肝臟轉化成醣類後才能供腸道細胞使用，而乙酸則會被周圍的細胞利用，許多研究皆發現，使用丁酸可協助受損腸道組織及絨毛的修復。
－TCA 類的有機酸除了做為抑菌劑使用以外，因其是TCA 循環中的代謝中間產物，也可參與能量的代謝。便有研究指出，常見的富馬酸以及檸檬酸可在腸細胞內代謝，可作為與葡萄糖效率相近的能量來源。

4. 提升內源性酵素的活性及提升營養素的利用
        腸液及胃液的pH 值可影響酵素的活性及內源性消化酵素的分泌，因此利用有機酸可改善酵素的效率並且整體提升營養素的消化吸收。另外部分有機酸的離子也可與鈣、磷、鎂、鋅等的礦物質營養素螯合，增加其吸收及利用率，減少含氮物質及礦物質的排泄。

如何選擇適當的有機酸添加劑
        在選擇與使用有機酸時，通常會先考慮其物化性質、氣味、口味、水溶性及安全性等。一般來說pKa 介於3~5 之間的抗菌能力最強，不同的pKa 值也使得這些有機酸在不同環境中作用的效率不同。
        目前市面上有各式各樣的有機酸產品，以產品型態來說可分為液劑及飼料添加劑；以產品內含有的酸種類數量來說可分為複合多元酸化劑、單一酸化劑；以不同的加工方式來說可分為單純有機酸、有機酸鹽類、包覆型酸化劑以及酯化型酸化劑。

1. 液劑 v.s. 飼料添加劑
        液劑型態的酸化劑通常會使用於水線中，同時具有清潔/ 消毒水線的作用，飼料廠也可選擇液劑的型態，使用噴覆的方式直接均勻噴於飼料原料之表面做為防黴劑，也可以使用於青貯料的接種，但缺點是可能使得飼料的濕度較高、較為不安定，需注意的是液劑若使用濃度過高也可能腐蝕產線及現場器具。飼料添加劑型的酸化劑則可直接混於飼料中，相對來講性質較安定，也有誘食的效果，但若使用的為有機酸鹽類，則也會有潮解或腐蝕的機會。

2. 有機酸( 鹽類)、包覆型酸化劑以及酯化型酸化劑

3. 多元複合型酸化劑 v.s. 單一酸化劑
       單一酸化劑因其成分單一，作用的位置及功能通常也較單一，需要較高的添加量才會有較明顯的效果，但添加量越多，也較容易有腐蝕性，且可能會導致飼料或酵素蛋白質變性。而複合型的酸化劑，因其多元的成分，可設計成作用於不同的消化道位置，抑菌效果更廣泛，且不同的酸及附加成分具有加成的作用，可降低其添加量，達到節省飼料內所占體積、避免腐蝕及造成蛋白質變性等效果。

4. 抑制微生物酸化劑 v.s. 腸道脂肪酸
       若想有效達到抑制微生物生長的酸化作用，可選擇pKa 值較高的有機酸，或是複合型的產品，利用其多元pKa 的特性，以達到較廣效的抑制作用，在第一時間協助藥物控制病原。而丁酸或TCA 類型的有機酸，因可直接供能與參與腸細胞的能量代謝，作為腸道疾病緩和後的組織修復輔助，可協助動物再度建立有效防線。
        各種不同類型有機酸產品的功能不盡相同，因此因應不同的狀況必須選擇不同類型的產品，才能發揮最大的效用。

Reference:
[1] Tugnoli B., G. Giovagnoni, A. Piva and E. Grilli. (2020) From acidifier to intestinal health enhancers: How organic acids can improve growth efficiency of pigs. Animals. 10:134.
[2] Suiryanrayna M. V. A. N. and J. V. Ramana. (2015) A review of the effects of dietary organic acids fed to swine. Journal of Animal Science and Biotechnology. 6:45.
[3] Ricke S. C. (2003) Perspectives on the use of organic acids and short chain fatty acids as antimicrobials. Poultry Science. 82:632-639.
[4] Kil D. Y., W. B. Kwon and B. G. Kim. (2011) Dietary acidifiers in weanling pig diets: a review. Rev Colomb Cience Pecu. 24:231-247.
[5] Liu Y., C.D. Espinosa, J. J. Abelilla, G. A. Casas, L. V. Lagos, S. A. Lee, W. B. Kown, J. K. Mathai, D. M. D. L. Nacarro, N. W. Jaworski, H. H. Stein. (2018) Non-antibiotic feed additives in diets for pigs: a review. Animal Nutrition. 4:113-125.
[6] Wang C., Z. Shen, S. Cao, Q. Zhang, Y. Peng, Q. Hong, J. Feng, C. Hu. (2019) Effects of tributyrin on growth performance, intestinal microflora and barrier function of weaned pigs. Animal Feed Science and Technology. 258:114311.