کاربرد اسیدهای آلی و نمک آنها در پرورش آبزیان (بخش دوم)

کاربرد اسیدهای آلی و نمک آن‌ها در پرورش آبزیان (بخش اول)

1) معرفی اسیدهای آلی و نمک‌های آن‌ها

1-1) خصوصیات ملکولی

اسید آلی یک ترکیب ارگانیک با خواص اسیدی است که رایج‌ترین آن‌ها اسیدهای کربوکسیلیک هستند و خاصیت اسیدی آن‌ها به این گروه کربوکسیلیک (-COOH) مربوط است. اسیدهای آلی، اسیدهای ضعیفی هستند که به طور کامل در آب تجزیه نمی‌شوند اما در حلال‌های آلی بسیار محلول می‌باشند. تقریبا تمام اسیدهای آلی مورد استفاده در خوراک دام ساختار آلیفاتیک دارند که منبعی از انرژی برای سلول‌ها محسوب می‌شوند. اسیدهای آلی مختلف مورد استفاده در خوراک و مشخصات مولکولی آن‌ها در جدول 4 نشان داده شده است.

جدول4: خواص فیزیکی و شیمیایی بعضی از اسیدهای آلی رایج

MM: وزن ملکولی/∞: محلول در اکثر محیط‌ها/V:حلالیت بالا/ S: ندرتا محلول

اثرات اسیدهای آلی بر کاهش PH و فعالیت ضدمیکروبی آن‌ها بسته به وضعیت تجزیه آن‌ها متفاوت است که مقدار تجزیه آن‌ها به مقدار PH محیط بستگی دارد و برای هر اسید با ثابت تفکیک اسید (PKa) نشان داده می‌شود. PKa توانایی اسید در کاهش PH محیط (افزایش یون H در محیط) می‌باشد. به عبارتی، PKa برابر است با PH که در آن مقدار اسید یونیزه با غیر یونیزه برابر است. مثلا برای اسید فرمیک PKa=3.75 است یعنی در PH=3.75 ملکول‌های اسیدفرمیک 50% به صورت یونیزه و 50% به صورت غیریونیزه هستند.

هرچه مقدار pKa کوچکتر باشد، آن اسید قوی‌تر است و H+ بیشتری در محیط آزاد می‌کند. اسیدهای ارگانیکی که برای حفظ مواد غذایی استفاده می‌شوند، اسیدهای ضعیفی هستند که PKa آن‌ها درpH بین 3 و 5 دارای سطوح فعالیت بافری است. اسیدهای آلی در محیط‌هایی که PH مساوی یا کمتر از PKa (ثابت یونیزاسیون) آن‌ها دارند فعال‌تر هستند. در pHخنثی ملکول‌های اکثر اسیدهای آلی به صورت تجزیه شده هستند که در حقیقت این ملکول‌ها فعالیت ضدباکتریایی ندارند.

2-1) اثر اسیدهای آلی و نمک‌های آن بر میکروارگانیسم‌ها

اثرات مهاری اسیدهای آلی و نمک‌های آن‌ها بر میکروب‌ها در مطالعات مختلفی مورد بررسی قرار گرفته‌اند که مختصرا به آن‌ها اشاره می‌گردد:

2-1-1) اثر بر ویروس‌ها:

اطلاعات کمی درباره فعالیت اسیدهای ارگانیک در برابر ویروس‌ها وجود دارد. با این حال، ویروس‌های روده‌ای نشان داده‌اند که مثل باکتری‌ها نسبت به اسیدهای ارگانیک حساس نیستند و در مواد غذایی حاوی اسید آلی مانند محصولات حاوی تخمیر لاکتات زنده ماندند.

2-1-2) اثر بر قارچ‌ها:

اسیدهای آلی سهم اساسی در بهداشت تغذیه به عنوان ممانعت‌کننده رشد کپک‌ها و درنتیجه محدود کردن اثرات مایکوتوکسین‌ها ایفا می‌کنند. بسیاری از اسیدهای آلی عمدتاً به عنوان قارچ‌کش (fungicides or fungi stat) رفتار می‌کنند. اسید بنزویک و اسید سربیک دو اسید آلی مشهور هستند که به عنوان نگهدارنده در صنایع غذایی کاربرد دارند و بیشترین اثر را بر کپک‌ها و مخمرها دارند درحالی که اثر ضد باکتریایی آن‌ها ضعیف است. اسید سربیک باعث تاخیر در جوانه زدن اسپور و رشد میسلیوم، اسیدی شدن داخل سلول، افت PH در سطح واکوئل و اختلال سریعPH شرایط پایدار و همچنین کاهش مقادیرATP داخل سلولی، قند-فسفومونواستر و فسفودی استرها می‌شود. 

در ابتدا گمان می‌شد عمل ضد قارچی اسیدهای ارگانیک، براساس اسیدی سازی داخل سلولی است، چرا که این فرایند گلیکولیز را مهار می‌کند، اما نتایج حاصل از مطالعه بر روی سلول‌های در حال رشد در محیط حاوی مقادیر غیرکشنده اسیدهای آلی نشان داد که گلیکولیز افزایش می‌یابد. همچنین فعالیت فسفوفروکتوکیناز نیز مهار نمی‌شود.

مخمرها یک سیستم دیواره پیشرفته برای حفظ PH پایدار داخل سلولی دارند که وابسته به یک پمپ هیدروژنی در دیواره سلولی است و با مصرف ATP هیدروژن‌ها را از داخل سیتوپلاسم به بیرون منتقل می‌کند. چرا که آنیون‌های اسید وارد شده به سلول فقط با انتقال فعال می‌توانند از سلول خارج شوند و در غیر این صورت، این آنیون‌ها درون سلول انباشته می‌شوند. فعالیت مهاری اسیدهای مونوکربوکسیلیک چربی دوست و محلول در آب، بر رشد مخمرها مثل مخمر ساکارومایسس سرویزیه (Saccharomycescerevisiae)، تا حدودی متفاوت است و اثر متفاوتی بر غلظت داخل سلولیATP دارد. اسیدهای چربی دوست، موجب تجمع در غشا، اختلال غشایی و افزایش نفوذپذیری غشا با رهاسازی پروتون‌ها می‌شوند. مطالعه بر روی مخمر ساکارومایسس سرویزیه در پاسخ به اسیدی کردن محیط نشان داد که پمپ هیدروژنی غشایی (وابسته به ATP)، با مصرف ATP هیدروژن‌ها را از داخل سیتوپلاسم به بیرون منتقل می‌کند. اسیدسیتریک متابولیسم انرژی اولیه در ساکارومایسس سرویزیه را به سمت تولید کمتر اتانول و تولید بیشتر گلیسرول تغییر می‌دهد که این امر منجربه کاهش تولیدATP می‌شود. لذا رشد ساکارومایسس و زیگو ساکارومایسس بایلی (Zygosaccharomycesbailii) را به یک اندازه مهار می‌کند. مکانیسم اسید سیتریک در مهار رشد مخمرها با مکانیسم اسیدهای ضعیفی که به عنوان نگهدارنده استفاده می‌شوند، متفاوت است زیرا این اسیدهای ضعیف بیشترین فعالیت ضدمیکروبی را در فرم تجزیه نشده خود در PH پایین نشان می‌دهند.

بیشتر بدانیم:

کاربردهای دوازده گانه نمک در مزارع پرورش قزل آلا

انگل آرگولوس (Argulus) در ماهی

2-1-3) اثر بر باکتری‌ها:

در اصل اسید‌های ارگانیک برای جلوگیری از آلودگی قارچی به خوراک حیوانات افزوده گردیدند و در 40 سال گذشته وجود خواص ضدباکتریایی در اسیدهای آلی و فرآورده‌های دیگر آن‌ها، در خوراک مورد بررسی قرار گرفته است مخصوصاً تاثیر بر پاتوژن‌های خوراکی مانند گونه‌های سالمونلا و ای‌کلای که به چند مورد برای مثال اشاره می‌شود:

- هبلر در سال 2000 در تحقیقی نشان داد که یک هفته پس از ازشیرگیری توله خوک‌ها، وقتی با جیره حاوی g/kg18 نمک اسید فرمیک تغذیه شدند، تعداد E.coli در فلور باکتریایی روده کاهش یافت.

- در مطالعه‌ای در سال 2001 دیده شد که شروع خوراک‌دهی با رژیم غذایی واجد 1.6٪ اسید لاکتیک خالص یا 1.5٪ اسید سیتریک خالص در روز ازشیرگیری توله‌ها نتایج رضایت‌بخشی بر التهاب پس از شیرگیری توله خوک‌ها(PWOD) که در نتیجه فعالیت باکتری ای‌کلای تولیدکننده انتروتوکسین (ETEC) ایجاد می‌شود، داشته است.همچنین افزودن اسیدهای آلی به خوراک در کاهش بروز و شدت اسهال کلی باسیلوزی توله خوک‌ها پس از از شیرگیری، موثر می‌باشد که می‌تواند درنتیجه کاهش PH محیط روده‌ها باشد. 

- Malicki و همکاران دریافتند که استفاده از مخلوط اسید فرمیک و پروپیونیک (دوز 1٪) در پودر ماهی که یکی از اجزای تشکیل‌دهنده خوراک آبزیان است می‌تواند در برابر اشرشیا کولی، عمل کند.

بیشتر بدانیم:

فرمولاسیون جیره غذایی جهت تغذیه، تکثیر و پرورش کرم سفید (بخش اول)

اجرای اصول GMP در تولید خوراک آبزیان

- در مطالعه گدک و همکاران (1992) که برروی فلور باکتریایی روده کوچک صورت گرفت، نشان داده شد که گونه‌های لاکتوباسیل (Lactobacillus)، بیفیدوباکتر (Bifidobacterium)، یوباکتر (Eubacteriu) و باکتریوداسه‌ها (Bacteroidaceae) پس از افزودن g/kg24-6 اسید فرمیک به خوراک، مقداری کاهش یافتند.

- یکی دیگر از یافته‌های مهم این است که اسیدهای چرب با زنجیره کوتاه (فرمیک، استیک، پروپیونیک و بوتریک) مخصوصا اسید بوتریک، در دوزهای کم، بیان ژن‌های تهاجمی در سالمونلا را کاهش می‌دهند. همچنین اثر مهاری اسیدهای آلی بر سالمونلاها به غلظت اسید، PKa و اندازه ملکولی اسید بستگی دارد.

اثر کشندگی اسیدهای آلی در دستگاه گوارش خوک‌ها مورد بررسی قرار گرفته است و به ترتیب از کمترین اثر کشندگی عبارتند از:

 پروپیونیک<فرمیک<بوتریک<لاکتیک<فوماریک<بنزوئیک

بعضی اسید‌های آلی از طریق تخریب غشا خارجی باکتری‌های گرم منفی و همچنین ایجاد استرس اکسیداتیو عمل می‌کنند. اسید بنزوئیک همچون اسید سربیک یک عامل مختل‌کننده غشایی است. اسید لاکتیک یکی دیگر از عوامل قوی مخل دیواره خارجی می‌باشد، همچنین ممکن است باعث تجزیه لایه لیپوپلی ساکاریدی شود که باکتری را به مواد شوینده یا لیزوزیم حساس سازد.

هومئوستاز PH، توانایی ارگانیزم برای حفظ pH سیتوپلاسمی در مقدار نزدیک به خنثی (با وجود نوسانات pH در خارج سلول) است که در باکتری‌ها این ویژگی با ترکیبی از فرآیندهای فعال و غیرفعال تامین می‌شود. بعد از ورود اسید آلی به سلول و تجزیه ملکول‌های اسید، سلول ممکن است بتواند PHداخلی خود را حفظ کند و همچنین به شرایط ملایم اسیدی سازگار شود، اما فقط برای یک دوره کوتاه، پس از این دوره، سیستم حفظ PHداخلی ناکام می‌ماند و سلول به اثرات سمی اسید حساس می‌شود. ملکول‌های تجزیه نشده اسیدهای آلی چربی دوست بوده و به راحتی از غشا سلول باکتری عبور می‌کنند. به محض ورود به سلول باکتریایی به دلیل PH بالای سیتوپلاسم (>7) سریعاً به آنیون‌ها و پروتون‌ها تجزیه شده و موجب اختلالات متابولیسمی می‌شوند و دیگر نمی‌توانند از غشا منتشر شوند. این اجزای اسیدهای آلی می‌توانند موجب دناتوره شدن پروتئین‌ها آسیب‌های اکسیداتیو شوند. درحقیقت در PH زیر 4 این ملکول‌های اسیدهای آلی به صورت تجزیه نشده باقی می‌مانند. اگر اختلاف PH داخلی 2 واحد بیشتر از خارج باشد (مثلا بیرون 5 و داخل سلول 7) غلظت اسید ضعیف در داخل سلول 100 برابر غلظت خارج سلولی خواهد بود و نتیجتاً غلظت بالایی از پروتون‌ها در سیتوپلاسم آزاد می‌شود. همانطور که PH خارج سلولی کاهش می‌یابد، ورود اسیدهای ارگانیک تجزیه نشده به درون سلول افزایش می‌یابد. PH داخلی سلول باکتری بالاتر از PH محیط خارجی است و منجر به تجزیه و انباشت آنیون اسید در داخل سلول‌های باکتریایی می‌شود. بخش آنیونی اسیدهای آلی که نمی‌توانند از سلول‌های میکروبی خارج شوند، درون سلول تجمع می‌یابند و بسیاری از توابع متابولیکی را مختل می‌کنند و موجب افزایش فشار اسمزی سلول می‌شوند.

تجمع پروتون‌ها از ظرفیت بافری سلول فراتر می‌رود، PH سیتوپلاسم افت می‌کند، رشد متوقف و نهایتاً مرگ سلولی رخ می‌دهد. همچنین مشاهده شده که اسیدهای آلی تولید شاپرون‌ها، پراکسیدازها و کاتالازها را تحریک می‌کنند که القاء پراکسیدازها (مانند KatE و Ahp) آسیب‌پذیری سلول میکروبی را به آسیب اکسیداتیو افزایش می‌دهد.

اثر ضدمیکروبی اسیدهای آلی در غلظت بالا و با سیدهای واجد زنجیره کربنی بلند رخ می‌دهد. باکتری‌های گرم منفی قادر به تحمل اسیدهای آلی دارای زنجیره کربنی بلند یا متوسط نیستند اما گرم مثبت‌ها غلظت پتاسیم درون سلولی بالایی دارند که می‌تواند به عنوان یک کاتیون ضد آنیون‌های اسید عمل کنند.

ولی با وجود تحقیقات متعدد و شناسایی اثر مهار کنندگی اسیدهای آلی، هنوز مکانیسم دقیق ضدباکتریایی اسیدهای آلی مشخص نشده است و تا کنون واکنش‌های زیر پیشنهاد شده است (Barbosa-Canovas et al., 2003; Russell, 2003; Gauthier, 2005):

1- ورود اسیدهای آلی تجزیه نشده به درون سلول باکتری

2- اسیدی کردن اجزای داخلی سلول با ملکول‌های تجزیه نشده اسید آلی

3- اختلال در غشای باکتریایی (ایجاد نشت، اثر بر مکانیزم انتقال) و از دست دادن انتقال فعال مواد مغذی از طریق غشاء

4- اختلال انتقال اسید با تغییر در نفوذپذیری غشای سلول.

5- کاهش (نیاز رطوبتی میکروارگانیسم) فعالیت آبی (aw)

6- مهار واکنش‌های متابولیک ضروری (مثال گلیکولیز).

7- تجمع آنیون‌های سمی.

8- استرس انرژی در پاسخ به حفظ شرایط هموستاز سلول

9- چنگاله کردن (Chelation) به عنوان عامل نفوذکننده از خارج غشا و اتصال به عنصر روی

10- مهار سایر پاسخ‌های استرسی مثلا مهار پاسخ به استرس گرمایی (heat-shock response)

کاربرد اسیدهای آلی و نمک آن‌ها در پرورش آبزیان (بخش سوم)

کاربرد اسیدهای آلی و نمک آن‌ها در پرورش آبزیان (بخش چهارم)

گرد آورنده: دکتر حمیدرضا مهمان نواز - دانشجو دکترای تخصصی بهداشت و بیماری‌های آبزیان - دانشگاه آزاد اسلامی‌واحد علوم و تحقیقات تهران