Tác dụng của acid hữu cơ và muối của acid hữu cơ trong nuôi trồng thủy sản

Acid hữu cơ là các hợp chất hữu cơ có một hoặc nhiều nhóm carboxyl. Chúng bao gồm acid carboxylic đơn chức, mạch thẳng, bão hòa (C1 - C18) và các chất dẫn xuất tương ứng của chúng, như các acid không bão hòa (cinnamic, sorbic), hydroxylic (citric, lactic), phenolic (benzoic, cinnamic, salicylic) và các acid carboxylic đa chức (azelaic, citric, succinic ) với cấu trúc phân tử chung là R-COOH, trong đó R đại diện cho nhóm chức năng có hóa trị 1. Các acid này thường được gọi là acid béo chuỗi ngắn, acid béo dễ bay hơi hoặc các acid cacboxylic yếu.

Acid hữu cơ được sản xuất thông qua quá trình lên men của carbohydrate bởi các loài vi khuẩn khác nhau thông qua các quá trình trao đổi chất và các điều kiện khác nhau. Một số acid hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp, ví dụ acid acetic, propionic và butyric cũng được hình thành ở nồng độ cao trong ruột già của người và động vật nhờ các cộng đồng vi sinh vật kỵ khí. Nhiều loại acid hữu cơ chuỗi ngắn (C1 - C7) tự nhiên có mặt như các thành phần thông thường của thực vật hoặc các mô động vật. Tuy nhiên, hầu hết các acid hữu cơ được sử dụng thương mại trong ngành công nghiệp thực phẩm và thức ăn chăn nuôi được sản xuất tổng hợp. Các acid hữu cơ cũng có thể chuyển thành các muối đơn hoặc đôi thông qua việc kết hợp với K, Na, Ca, ...

Các acid hữu cơ ít ưa béo và muối của chúng được xem là chất “thường được coi là an toàn” (GRAS) và đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ như là chất bảo quản trong thực phẩm và đồ uống. Chúng được liệt kê trong các quy định của EU như là các phụ gia thức ăn cho phép trong sản xuất thức ăn cho động vật. Từ đó, các acid hữu cơ, muối của chúng hoặc sự phối hợp chúng, đã được sử dụng thành công trong thức ăn chăn nuôi như là các chất thay thế cho kháng sinh. Mặc dù việc sử dụng các acid hữu cơ và muối của chúng trong thức ăn đã được nghiên cứu rộng rãi trên nhiều loài động vật trên cạn, nhưng ở động vật dưới nước chỉ được chú ý nhiều trong vòng 10 năm qua.

Như chúng ta đã biết, chỉ có một số nghiên cứu đã được công bố về việc sử dụng acid hữu cơ trong thức ăn thủy sản trước khi có lệnh cấm sử dụng các chất kháng sinh dùng làm chất kích thích tăng trưởng trong chăn nuôi. Kể từ năm 2006, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xác định ảnh hưởng của acid hữu cơ và muối của chúng trong chế độ ăn đến hiệu suất tăng trưởng, sử dụng chất dinh dưỡng và khả năng kháng bệnh ở một số loài thủy sản nuôi có tầm quan trọng thương mại như cá hồi vân, cá hồi salmon, cá chép và cá rô phi. Trong năm năm qua, các nghiên cứu này đã được mở rộng sang các loài thủy sản có vỏ. Để có cái nhìn toàn diện về các acid hữu cơ chủ yếu và muối của chúng đã được thử nghiệm trong nuôi trồng thủy sản cho đến nay và những tác động chính của chúng đối với cá và tôm, hãy tham khảo bài viết của Ng và Koh (2017), Tạp chí Reviews in Aquaculture 9: 342-368.

Acid citric hoặc muối của nó được nghiên cứu nhiều nhất trong nuôi trồng thủy sản. Nhiều nghiên cứu cho thấy acid citric có thể cải thiện tăng trưởng, sử dụng thức ăn và sự có lợi của muối khoáng, đặc biệt là phospho ở các loài cá khác nhau như cá hồi vân, cá tráp đỏ, cá rohu, cá tầm beluga và cá cam (yellowtail), trong khi một số nghiên cứu khác thì cho kết quả ngược lại. Nhìn chung, bổ sung acid citric vào thức ăn có protein thực vật thì rất có hiệu quả trong việc cải thiện hiệu suất tăng trưởng và sự tích lũy/có ích của các loại khoáng, đặc biệt là phospho. Thức ăn có bổ sung acid citric sẽ đóng góp vào việc hình thành các loại thực ăn dùng trong nuôi trồng thủy sản thân thiện với môi trường hơn. Một nghiên cứu gần đây về tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) cho thấy, ngoài việc cải thiện giá trị dinh dưỡng của thức ăn, acid citric cũng có thể có vai trò chức năng trong việc cải thiện tỷ lệ sống của tôm, đáp ứng miễn dịch và đề kháng với các bệnh do vi khuẩn Vibrio gây ra.

Trước đây chúng tôi đã chứng minh rằng khẩu phần ăn có muối của acid formic (potassium diformate) có thể tác động tích cực đến tăng trưởng, hiệu quả sử dụng thức ăn và khả năng tiêu hóa dưỡng chất của cá rô phi đỏ. Các nhà nghiên cứu khác với các loài cá khác nhau đã có những kết quả tương tự nhau, trong khi số khác báo cáo rằng không có tác động tích cực của việc sử dụng acid formic và/hoặc muối của acid này. Những kết quả mâu thuẫn này có thể là do sự khác nhau về hàm lượng acid hữu cơ, các loài động vật, thành phần thức ăn cũng như các điều kiện nuôi trong các thí nghiệm. Tôm thẻ chân trắng nuôi ở các chế độ có bổ sung acid formic vào thức ăn đã cho thấy sức đề kháng tăng lên khi chúng được gây cảm nhiễm với vi khuẩn Vibrio parahaemolyticus.

Tương tự như các nghiên cứu về acid citric và acid formic hoặc muối của chúng, các nghiên cứu với acid lactic/muối cũng cho thấy tầm quan trọng của việc sử dụng đúng loại và hàm lượng acid hữu cơ được bổ sung vào thức ăn ở các loài cá khác nhau. Không có tác động có lợi hoặc thậm chí là có hại đến sự tăng trưởng và/hoặc sinh lý cá có thể xảy ra nếu dùng sai loại và/hoặc liều lượng acid hữu cơ được sử dụng. Trong một nghiên cứu gần đây, khi bổ sung acid lactic vào thức ăn từ 0 - 16 g/kg, chúng tôi không thấy bất kỳ sự cải thiện nào về hiệu suất tăng trưởng đối với các liều trên 2 g/kg trong thức ăn của tôm càng xanh (Macrobrachium rosenbergii). Nếu xét về số đông các loài thủy sản được nuôi, cần có thêm nhiều nghiên cứu để làm rõ thêm nguyên lý cơ bản của việc bổ sung acid hữu cơ vào thức ăn dùng trong nuôi trồng thủy sản.

Các nghiên cứu về muối butyrate natri đã phát hiện ra rằng: muối này đã làm thay đổi khu hệ vi sinh vật đường ruột của cá da trơn và tôm, cũng như dẫn đến một số thay đổi có thể có lợi đối với các chất chuyển hoá đường ruột ở cá tráp biển. Thức ăn có chứa muối butyrate cũng cho thấy tiết kiệm oxy hóa một số acid amin và tăng tính sinh khả dụng (bioavailability) của chúng vào tuần hoàn động mạch, dẫn đến việc hấp thụ một số acid amin thiết yếu nào đó trong ruột cá được cải thiện. Chế độ ăn có muối butyrate cũng làm tăng đáng kể hàm lượng của một số dẫn xuất nucleotide trong ruột cá.

Có ít thông tin hơn về việc sử dụng các acid hữu cơ khác và/hoặc muối của chúng như acid malic, acid succinic, acid acetic, acid propionic và acid fumaric và cần có nghiên cứu thêm về tác động của chúng đối với các loài thủy sản nuôi.

Mỗi loại acid hữu cơ có phổ kháng khuẩn riêng vì có đặc tính vật lý và hóa học riêng. Do đó, lợi thế của sử dụng hỗn hợp các acid hữu cơ (Organic Acids Blend - OAB) trong thức ăn cho vật nuôi là OAB có thể có phổ kháng khuẩn rộng hơn để chống lại nhiều loại vi khuẩn gây bệnh hơn và có tiềm năng tác dụng hiệp đồng đến hiệu suất tăng trưởng cũng như việc sử dụng dưỡng chất. Hơn nữa, OAB có thể cho phép giảm liều dùng trong thức ăn, do đó làm giảm chi phí. OAB tạo thành một chiến lược tiềm năng để vượt qua sự không giống nhau của các phát hiện về việc sử dụng các acid hữu cơ đơn trong thức ăn của các loài thủy sản khác nhau. Thông thường, OAB nguyên mẫu (bản gốc) là các công thức độc quyền của các nhà nghiên cứu và bản thương mại thường là độc quyền của các nhà cung cấp.

Gần đây chúng tôi đánh giá một OAB nguyên mẫu và thấy rằng nó cải thiện việc sử dụng thức ăn, khả năng tiêu hóa dưỡng chất và làm giảm tổng số vi khuẩn trong phân và ruột cá rô phi theo cách phụ thuộc vào liều sử dụng. Hơn nữa, tỷ lệ chết tích lũy trong vòng 16 ngày sau khi gây cảm nhiễm với vi khuẩn Streptococcus agalactiae là thấp hơn ở nhóm cá ăn thức ăn có bổ sung OAB. Khi nuôi từ cá giống cho đến khi gần đạt kích cỡ thương phẩm, chúng tôi thấy cá rô phi lai ăn thức ăn có bổ sung OAB nguyên mẫu ở liều 5 g/kg hoặc 10 g/kg có xu hướng cải thiện tăng trưởng và hiệu quả thức ăn; nhóm cá ăn 10 g OAB/kg thức ăn có các chỉ tiêu như phospho, vật chất khô, sử dụng tro tăng có ý nghĩa so với nhóm cá ăn thức ăn đối chứng.

Không có khác biệt đáng kể về tăng trưởng giữa nhóm cá ăn oxytetracycline (OTC) và nhóm cá ăn OAB được bổ sung vào thức ăn. Hơn nữa, những tác dụng phòng bệnh của những cá ăn 5 g/kg OAB hoặc 5 g/kg OTC rồi sau đó được gây cảm nhiễm với S. agalactiae là tương tự nhau và làm cải thiện có ý nghĩa việc phòng bệnh hơn so với nhóm cá ăn thức ăn đối chứng.

Báo cáo về một thử nghiệm thực địa OAB nguyên mẫu ở một trang trại nuôi cá rô phi vằn thương mại cho thấy người nuôi đã giảm đáng kể lượng kháng sinh được sử dụng. Các nhà nghiên cứu khác cũng cho các kết quả khích lệ tương tự khi sử dụng nhiều loại OAB nguyên mẫu và thương mại khác nhau trong thức ăn đối với nhiều loài cá và tôm khác nhau.

Các nghiên cứu có liên quan đến acid hữu cơ và động vật thủy sản hiện nay chủ yếu tập trung vào khả năng tăng cường hấp thu phospho và các khoáng chất khác. Ngoài ra, chúng còn có các tác dụng khác như: Ức chế sự phát triển của các vi sinh vật gây hại (nấm mốc, nấm men, vi khuẩn gây bệnh) tồn tại trong môi trường sống, trong thức ăn và trong cơ thể của động vật thủy sản; Cải thiện tốc độ tăng trưởng, gia tăng thành tích vật nuôi, cải thiện hệ số chuyển hóa thức ăn.

Acid hóa bột cá, nguyên liệu làm thức ăn và thức ăn có thể giúp khống chế sự phát triển của vi khuẩn trong điều kiện bảo quản. Acid hữu cơ và sự phối trộn trong chế biến thức ăn có thể đem lại lợi ích như một chất điều chỉnh môi trường đường ruột (Gut Environment Modifier – GEM). Trong nguyên liệu thức ăn hoặc trong ruột, những acid hữu cơ như acid formic, benzoic và furamic ức chế sự phát triển của vi khuẩn.

Những phân tử của acid hữu cơ thâm nhập vào vách tế bào vi khuẩn (đặc biệt là vi khuẩn gram âm), phân ly trong tế bào chất và làm rối loạn những chức năng của tế bào. Do đó, khi được dùng với liều lượng thích hợp, hỗn hợp các muối của các acid này đem lại sự an toàn, hiệu nghiệm và chi phí thấp trong việc kiểm soát bệnh đường ruột do vi khuẩn gram âm, thúc đẩy hệ vi khuẩn đường ruột của vật chủ phát triển.

Cho đến nay, người ta đã chứng minh được việc thêm các chất kháng sinh vào thức ăn dùng trong nuôi trồng thủy sản đã cải thiện tăng trưởng và hệ số chuyển hóa thức ăn của vật nuôi. Tuy nhiên, gần đây đã có sự gia tăng nhận thức của người tiêu dùng và những người nuôi trồng thủy sản về nuôi trồng thủy sản bền vững và có trách nhiệm, cũng như có quá nhiều tranh luận về các sản phẩm xuất xứ từ các quốc gia Đông Nam Á. Ngoài ra, EU đã cấm sử dụng tất cả kháng sinh trong thức ăn động vật vì việc sử dụng các kháng sinh ở nồng độ thấp trong thức ăn chăn nuôi sẽ có khả năng chuyển những gen kháng kháng sinh sang các vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật.

Chính vì vậy, các acid hữu cơ và muối của chúng đã được quan tâm sử dụng như là những phụ gia trong thức ăn chăn nuôi (được gọi là non-antibiotics) nhằm thay thế các chất kháng sinh.

Trong dinh dưỡng động vật, các chất acid hữu cơ và muối của chúng dùng để cải thiện thành tích vật nuôi thông qua các đường khác nhau: thức ăn, trong đường dạ dày – ruột và do đó ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của động vật.

Trong thức ăn: ngay cả trong điều kiện môi trường có vệ sinh tốt, thức ăn thủy sản cũng có thể bị ảnh hưởng do một lượng nhỏ nấm mốc, nấm men và vi khuẩn. Trong điều kiện thích hợp, các vi sinh vật này phát triển nhanh chóng, đặc biệt ở độ ẩm cao (> 14%). Những chất bảo quản làm giảm sự phát triển của vi sinh vật và do đó làm giảm nguy cơ đưa vào tôm, cá những vi sinh vật gây bệnh.

Ngoài ra, acid còn khử những liên kết trong các nguyên liệu thức ăn và do đó cải thiện thành tích vật nuôi. Hàm lượng protein cao trong thức ăn đảm bảo tốc độ tăng trưởng tốt cho những con non nhưng cũng sinh ra hệ đệm trong thức ăn cao và làm giảm acid HCl trong dạ dày, dẫn đến sự hoạt hóa pepsin và tiết enzym dịch tụy vì vậy cũng giảm, làm cho tiêu hóa dưỡng chất bị hạn chế. Các acid hữu cơ được đưa vào sẽ làm giảm hệ đệm của thức ăn và do đó giúp cải thiện tiêu hóa thức ăn.

Trong đường tiêu hóa: cơ chế hoạt động của các acid hữu cơ trong đường tiêu hóa hoạt động theo 2 cách: (1) làm giảm pH trong dạ dày, đặc biệt ở ruột non, (2) phân ly trong tế bào vi khuẩn và sự tích lũy các anion muối ức chế sự phát triển của những vi khuẩn gram âm.

Như đã đề cập ở trên, pH không thích hợp ở dạ dày sẽ ức chế hoạt động của pepsin và làm cho sự tiêu hóa protein bị hạn chế. Hoạt động phân giải protein đòi hỏi pH < 4. Cũng như vậy, hoạt động tiết ra enzym dịch tụy cũng bị hạn chế khi pH cao và do đó làm giảm khả năng tiêu hóa chung ở những động vật độc vị (monogastric).

Bổ sung acid hữu cơ vào thức ăn có thể dẫn đến pH thấp ở tá tràng, cải thiện việc giữ lại nitơ và làm tăng độ tiêu hóa các chất dinh dưỡng.

Các vi khuẩn như Salmonella, E. coli bị ức chế hoạt động khi pH < 5, các acid hữu cơ xâm nhập qua màng tế bào vi khuẩn, phân ly trong tế bào chất làm thay đổi hoạt động của các enzym và trao đổi chất của tế bào, do đó ức chế sự phát triển của các vi sinh vật gây bệnh. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh có sự suy giảm số lượng vi khuẩn trong dạ dày và tá tràng, trong khi chủng vi khuẩn có lợi là Lactobacillus dường như chịu được môi trường có tính acid và thậm chí còn phát triển thêm về số lượng.

Trong trao đổi chất: các acid hữu cơ và muối của chúng cũng được xem là nguồn cung cấp năng lượng trong thức ăn của vật nuôi.

Mặc dù đã có nhiều báo cáo về tác dụng các acid hữu cơ nhưng những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã cho thấy tác dụng của thức ăn có bổ sung các acid hữu cơ và muối của chúng còn phụ thuộc vào loài thủy sản và/hoặc phụ thuộc vào loại acid được nghiên cứu. Đặc biệt cần có nghiên cứu sâu hơn về cơ chế kháng khuẩn của các acid hữu cơ, và không loại trừ các vi khuẩn gây hại sẽ dần dần chịu được môi trường có pH thấp, từ đó phát sinh ra những chủng vi khuẩn gây hại có độc lực cao hơn so với các chủng vi khuẩn được biết hiện nay.