细数纳米技术在饲料行业中的应用

华牧伟业

　　现在公认的纳米技术（Nanotechnology）概念最早源于美国诺贝尔物理奖获得者R.Feynman，他在1959年洛杉矶理工学院的一次物理学年会上，做了题为《底层还有很大空间》的着名演讲。但他提出的新奇技术在当时并没有引起足够的重视，直到1982年，美国IBM公司成功研制出具有原子分辨能力的扫描隧道显微镜后，纳米技术才初次曝光，并在以后的20多年中得到了飞速发展。纳米（ nm）是一种度量单位，1纳米为10-9米。目前普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度（ 1～100nm）上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。国际上公认1～100nm为纳米尺度空间，100～1000nm为亚微米体系，小于1nm为原子团簇。纳米空间是介于宏观和微观之间的相对独立的中间领域。纳米粒子具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应，使得纳米粒子具有常规粒子所不具备的许多特殊性质，如低熔点、高比热容、高膨胀系数、高反应活性、极强的吸波性等。

　　1 纳米技术在饲料加工中的应用

　　植物的花粉（孢子粉）、茎、叶和果都可以进行纳米化粉碎，开发出具有广阔前景的系列产品。植物花粉，是植物的雄性生殖细胞，营养十分全面。在国外被誉为“世界上迄今为止所发现的惟一的完全营养保健产品”及“微型营养宝库”，对人、动物有非常好的保健作用。如刺槐花粉、松花粉、山楂花粉等。同样，植物的孢子粉也集中了植物的全部精华，如灵芝孢子粉含有丰富的灵芝多糖、有机锗、多肽、三萜及甾醇类等多种功效成分，能增强细胞的免疫水平，从而提高动物自身的免疫能力。但无论植物的花粉还是孢子粉，其单体都具有坚硬的外壳，直接食用则因无法吸收而排泄，影响了这类原料的开发和利用。引入纳米技术将植物花粉或孢子粉进行充分的粉碎及破壁，使其有效成分得以充分的释放，由此而制成的饲料才能充分发挥原料的价值，并可完全被动物吸收利用。植物的叶如茶叶含有大量的蛋白质、氨基酸和维生素等有机物以及多达几十种动物所需的无机矿物质元素。然而传统的开水冲泡方法不能将茶叶的营养成分全部提取出来供人体吸收，一些难溶性或不溶性的成分，诸如VA、VK、VE 及绝大部分蛋白质、碳水化合物、部分矿物质等仍留存于茶渣中。如果采用纳米技术将食品级茶叶废弃物加以利用，将茶叶进行粉碎，制成纳米级茶叶粉，其中的大多数营养物质能够直接被动物所消化吸收利用。据日本报道，在培育肥猪的过程中，加喂适量的绿茶粉末，可使“茶叶猪”肉的核酸含量增加20%，胆固醇含量降低10%，味道更加鲜美可口。茶末喂猪还可使猪的抗病性增强、育肥时间缩短（从断奶至出栏约100d），成本低且无副作用。

　　2 纳米技术在降低动物产品中有毒、有害物质残留上的应用

　　有毒、有害物质（重金属、霉菌毒素、农药）一直是困扰饲料行业的一个难题，根据这些有毒有害物质的理化特性，利用纳米自组装技术的纳米吸附剂可对它们进行高效、选择性的吸附。

　　2.1 重金属纳米吸附剂

　　目前，已研发出针对重金属铅、镉、砷、汞的吸附剂PBAN、CDAN、ASAN、HGAN，它们对铅、镉、砷、汞的体外吸附率分别为99%、95%、90%和84%。PBAN对肥育猪的试验结果表明：饲喂生产用日粮，肥育猪肌肉、肝脏、肾脏铅含量分别为1.96、3.47、3.60 mg/kg，分别是欧盟残留限量标准的19.6、7.0、7.2倍（欧盟残留限量标准规定：肌肉、肝脏、肾脏铅含量应分别低于0.1、0.5、0.5 mg/kg），当添加0.5%PBAN，肥育猪肌肉、肝脏、肾脏铅含量分别为0.06、0.38、0.47 mg/kg，分别是欧盟残留限量标准的60%、76%和94%。

　　2.2 霉菌毒素纳米吸附剂

　　黄曲霉常见于发霉的花生仁内，亦生于谷粒（如玉米、小麦、水稻等）、蒿杆、干草、豆壳及油饼等。黄曲霉可分为不产毒素菌株和产毒素菌株两大类。不产毒素的菌株主要用于生产淀粉酶、蛋白酶和磷酸二酯酶等，我国很早就有利用它来制酱的记载。产毒素的菌株在其代谢过程中可形成一类叫黄曲霉毒素的代谢产物，对人畜危害很大。在自然条件下，黄曲霉毒素主要有：黄曲霉毒素B1、B2、G1 和G2，以后又发现这类毒素在动物体内的代谢产物，如黄曲霉毒素M1、M2、GM1和P1等。黄曲霉毒素的毒性是已知100余种霉菌毒素中毒性最大的毒物之一，其中尤以黄曲霉毒素B1产量最高、毒性最大、致癌性最强。

　　目前，研制成功的针对黄曲霉毒素B1、B2、G1、G2的系列吸附剂AB1AN、AB2AN、AG1AN、AG2AN，它们对黄曲霉毒素B1、B2、G1、G2的体外吸附率分别为99%、92%、96%、93%。在畜禽中，鸭对黄曲霉毒素最为敏感。肉鸭试验结果表明：饲喂生产用日粮，肉鸭肌肉、肝脏、肾脏中黄曲霉毒素B1含量分别为3.65、4.41、3.20 μg/kg，分别是欧盟残留限量标准的1.8、2.2、1.6 倍（ 欧盟标准2 μg/kg）；饲喂黄曲霉毒素B1严重污染日粮（ 40 μg/kg），肉鸭肌肉、肝脏、肾脏中黄曲霉毒素B1含量分别为6.53、7.61、5.78 μg/kg，分别是欧盟残留限量标准的3.3、3.8、2.9倍；在黄曲霉毒素B1严重污染的日粮中添加0.5%AB1AN，肉鸭肌肉、肝脏、肾脏中黄曲霉毒素B1含量分别为1.35、1.82、1.26 μg/kg，分别是欧盟残留限量标准的68%、91%、63%。

　　2.3 降低农药残留的吸附剂

　　农药残留是影响动物产品品质的重要因素。目前研制成功的选择性吸附有机氯和有机磷农药的吸附剂CPAN、PPAN，对α-六六六、β-六六六、DDT的体外吸附率分别为95%、90%、97%；PPAN对甲胺磷和甲基对硫磷的吸附率分别为84%和78%。CPAN对生长肥育猪的实验结果表明：在含0.45 mg/kg 六六六的日粮中添加CPAN，使肌肉、肝脏、肾脏、心脏、毛发、脂肪中六六六残留量分别降低了46.85%（P<0.05）、25.23%（P<0.05）、24.23%（P>0.05）、16.1%（P>0.05）、23.52%（P<0.01）、23.60%（P<0.01）；在含0.85 mg/kg 六六六的日粮中添加CPAN，使上述组织中六六六残留量分别降低了47.8%（P<0.01）、23.36%（P<0.05）、36.0%（P>0.05）、20.2%（P>0.05）、34.67%（P<0.01）、10.3%（P<0.01）。


　　3 纳米微量元素添加剂

　　传统微量元素添加剂具有促进动物生长发育、参与动物免疫、改善动物产品质量、提高动物的繁殖性能等作用。在畜禽生产中常用的第一代无机盐产品和第二代有机络合物产品，以及普遍认可的第三代氨基酸螯合盐产品均不同程度存在动物吸收利用效率低、生产效果不稳定等问题。纳米级微量元素添加剂粒径在1～100nm，添加到饲料中除具有常规尺寸下的自身营养促生长作用外，还能极大程度提高动物对添加剂的吸收利用效率。因此，纳米级微量元素添加剂因生物活性高而引起广泛重视。

　　3.1 纳米硒

　　纳米硒是以蛋白质为核、红色元素硒为膜和以蛋白质为分散剂的红色元素硒的纳米粒子，粒径在80nm以内，是单质硒。这种纳米硒对热稳定，不转化形成灰或黑色元素硒。对于纳米硒的生物学作用近几年进行了一些研究。杨陟华等（1999）研究了纳米硒对用D-半乳糖造成的小鼠免疫失衡和氧化损伤的保护作用。结果表明，纳米硒不但可以降低由于连续注射D-半乳糖引起的体内自由基的升高，而且可以抑制由于连续注射D-半乳糖引起的小鼠免疫功能的失衡，从而证实纳米硒具有一定的生物利用率和生物功效。高学云等（2000）研究了纳米硒的急性毒性、生物利用性以及对小鼠Lewis肺癌移植瘤的抗肿瘤功效。结果表明，纳米硒的急性毒性约为亚硒酸钠的1/7；纳米硒和亚硒酸钠都能被小鼠很好地利用，都能使血中谷胱甘肽过氧化物酶活性提高； 纳米硒具有良好的抗Lewis肺癌移植瘤功效。Zhang等（2001）体外研究证实，纳米硒与GSH的反应速率仅仅是Na2SeO3与GSH的反应速率的1/12.3， 这可能是纳米硒毒性较低的机制之一。张劲松等（2000）采用D-半乳糖小鼠衰老和黑腹果蝇生存模型，评价纳米硒的抗氧化和延长生存时间作用，结果表明，纳米硒能显着降低小鼠全血丙二醛含量和提高小鼠全血谷胱甘肽过氧化酶活性，显着延长黑腹果蝇生存时间，说明适当剂量的纳米硒具有延缓衰老的保健作用。高学云等（2000）采用动物实验研究纳米硒对免疫功能的调节作用。结果表明，与对照组比，纳米硒与亚硒酸钠各剂量组的小鼠脏器重量及其指数无明显变化；纳米硒中，高剂量组小鼠的细胞免疫功能、体液免疫功能和巨噬细胞吞噬功能明显增强，而亚硒酸钠各剂量组的上述免疫指标无明显变化，说明纳米硒对小鼠免疫功能有明显的调节作用。朱茂祥等（2000）进行了纳米硒对4-甲基亚硝胺-1-（3-吡啶）-1-丁酮（NNK）诱发昆明小鼠肺癌的防治研究。结果表明：纳米硒对NNK诱发小鼠肺癌有明显防治作用，并有较好的剂量效应关系，推其机理可能与硒的免疫调节作用有关。胥保华（2003）研究表明：纳米硒添加到肉雏鸡日粮中，明显提高了其生长速度和免疫力，而且毒性明显下降，清除羟自由基的效率明显提高，表明纳米硒具有较强的低毒高效优势。其机理可能是由于纳米粒子的吸收主要发生在肠淋巴组织（如淋巴集结） （Norris，1998；Florence，1998）。含特化M细胞的淋巴集结证明与胞转作用有关，肠腔中的粒子定居在M细胞的腹侧面，M细胞通过胞转作用被淋巴集结吸收，大大提高了营养物质的生物利用度，进而促进了雏鸡生长。邓岳松等（2003）研究了三种形式的硒（亚硒酸钠、蛋氨酸硒和纳米硒）对尼罗罗非鱼的生长影响。结果发现，饲料中硒含量为0.5 mg/kg 时，亚硒酸钠、蛋氨酸硒及纳米硒都可有效地促进尼罗罗非鱼生长，但3 种不同形式的硒对尼罗罗非鱼的促生长效果无明显差异；而饲料中硒含量为3mg/kg 时，亚硒酸钠和蛋氨酸硒对尼罗罗非鱼生长无促进效果，而纳米硒可极显着地促进尼罗罗非鱼的生长。高剂量的硒对鱼类有一定的毒副作用（Richardson，1984），但高剂量的纳米硒的毒性却较小（为亚硒酸钠的12.5%、蛋氨酸硒的25%），其原因可能是纳米硒与生物体内GSH反应率低，进而自由基产生量低。宋保强等（2004）研究了纳米硒对肉鸡肝脏谷胱甘肽过氧化物酶mRNA表达和酶活的诱导作用。结果表明，纳米硒对肉鸡肝脏cGPx mRNA稳定性具有调控作用，并能提高其酶活，而且其Weinberg 剂量效应的最适剂量范围较宽。

　　3.2 纳米铜

　　英国科学家Braude在1945年首次发现，在猪饲料中添加200～250 mg/kg的无机铜（NRC 规定为5 mg/kg）可以明显提高猪的生产性能。自此以后，高铜作为一种有效的促生长剂在养猪生产中被广泛应用，并已被认为是一种高效、廉价、使用方便的促生长剂。但是高铜带来的环境污染和食品残留问题也日益严重。饲料中的高铜只有5%～20%被猪消化道吸收，吸收的铜又有60%～80%随胆汁排出消化道，而猪对胆汁铜的利用率极低，绝大部分铜最终将随粪便排出体外，从而对环境造成严重污染。长期使用高铜，使猪肝脏、脾脏、肾脏等内脏器官铜含量增加4～5倍，容易导致动物机体中毒。同时，在我国，猪的内脏器官一直被用作食物，人们食入含高铜的内脏无疑对健康产生一定的危害。高铜所带来的负面效应已引起西方国家的高度重视，欧共体国家先后规定在饲料中禁止使用。因此，研制高效的纳米铜制剂成为解决这些问题的措施。浙江大学饲料科学研究所研制成功的纳米铜，经饲养试验表明，60 mg/kg 纳米铜对仔猪的促生长效果等同于240 mg/kg 硫酸铜，在抗腹泻效果上显着优于高剂量硫酸铜。认为纳米铜可促进肠道有益微生物的增殖，保护粘膜上皮，使机体消化道内环境得到明显改善；纳米铜还可提高血清生长激素水平，促进蛋白质合成，产生促生长效应。

　　3.3 纳米氧化锌

　　纳米氧化锌是比较成熟的纳米级微量元素产品，具有一般ZnO 无法比拟的性能。因为纳米ZnO 有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧化反应（包括细菌内的有机物），从而把大部分细菌、病毒杀死。它的主要作用机理为：纳米ZnO 在光照条件下会产生导带电子和价带空穴，后者是良好的氧化剂，具有很强的反应活性，可与表面吸附的H2O或OH-离子发生反应形成具有强氧化性的羟基，从而杀死细胞；而且可穿透细胞膜，破坏膜结构，降解细胞产生的毒素。定量试验表明，在5min内，纳米ZnO 的浓度为1%时，金黄色葡萄球菌的杀菌率为98.86%、大肠杆菌的杀菌率为99.93%。研究表明，饲料中添加纳米ZnO 比一般的ZnO 具有高吸收率、剂量小的特点，在断奶仔猪饲粮中添加300 mg/kg 纳米ZnO，其抗腹泻和促生长效果等同于3 000 mg/kgZnO。其原因可能是利用纳米ZnO 的强渗透性，避开胃肠吸收时的体液环境与药物反应引起的不良反应或造成的吸收不稳定，提高吸收率。纳米氧化锌的高表面积效应和活性还可吸附氨气、二氧化硫、甲烷、有机磷农药和废水中的有机物到其表面，并利用高强度吸收紫外线进行光催化降解这些物质，净化养殖场空气和废水。

　　3.4 纳米铬

　　1992年Page首次发现饲粮中添加200 mg/kg 吡啶羧酸铬可显着提高猪胴体瘦肉率和背最长肌面积，降低背膘厚以后，国内外学者尝试用各种不同化学形式的铬（氯化铬、酵母铬、烟酸铬、吡啶羧酸铬、氨基酸铬等）改善畜禽胴体组成的应用效果，取得了参差不齐的结果。一般而言，都认为有机铬尤其是吡啶羧酸铬的作用效果要优于无机铬。纳米技术为铬的利用提供了新的科研思路，浙江大学饲料研究所由此研制出了粒径范围在30～60nm之间的纳米三价铬。关荣发（2003）研究了纳米三价铬对生长肥育猪胴体组成和免疫机能的影响，并对其作用机理进行了探讨。研究认为：纳米三价铬可通过提高血清中GH和IGF-I 水平，促进脂肪中cAMP含量的增加和激素敏感脂肪酶活性的增强，促进脂肪分解，减少脂肪沉积，产生显着提高生长肥育猪瘦肉率的效果；纳米三价铬可增加肌内脂肪含量，提高猪肉的嫩度和风味；通过提高肌肉内肌红蛋白水平，增强红色度；通过提高免疫球蛋白A（ IgA）和补体3（C3） 水平，从而改善生长肥育猪的免疫机能。王敏奇（2004）的试验表明：饲粮中添加200 μg/kg 纳米铬使日增重提高了4.34%（P>0.05）、料重比降低了2.99%（P<0.05）、采食量无明显影响。纳米铬组的日增重较非纳米化的同剂量氯化铬组提高了5.59%（P>0.05）、料重比下降了3.56%（P<0.05）。同时发现，200 μg/kg 的纳米铬对改善胴体品质具有极显着的功效，较对照组（200 μg/kg 吡啶羧酸铬）胴体瘦肉率提高了7.1%、脂肪率下降了26.6%（P<0.01）、背最长肌面积增加了16.8%（P<0.01）；铬在组织脏器的沉积量成倍提高，其中背最长肌、肝脏、肾脏、胰脏、心脏中铬的沉积量分别为对照组的2.54、2.45、1.88、2.41 和1.53 倍。分析认为，铬纳米化以后大幅度提高了其改善胴体组成的作用效果，原因可能在于其吸收利用率的显着提高。

　　4 结语

　　利用纳米技术能否给饲料行业带来又一巨大的突破，目前的研究成果只是冰山一角，有待于更多的关注和研究。相信随着纳米技术的发展，饲料行业将会迎来一场变革。

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     其实纳米只是一个数量单位。这里面工艺问题很重要。