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纳米有机微量元素在畜牧业中的应用展望

摘要:纳米技术是20世纪90年代出现的一门新兴技术,由于纳米材料理化性质的奇特性,其将给动物营养带来巨大的革命。而微量元素是机体不可缺少的物质，有机微量元素较无机微量元素在营养和性能上具有更大的优越性，本文结合纳米技术和有机微量元素的优越性对其畜牧业中的应用前景进行了展望。

关键词:纳米技术;有机微量元素；畜牧业;应用

纳米技术是20世纪90年代诞生并正在蓬勃发展的一项高新技术。纳米技术又是一种新的思维方式，也是21世纪的3大支柱科学之一,它可以帮助人类在纳米尺度范围内认识和改造自然,即在生产过程中直接操纵原子、分子的排布,从而制造出具有特定功能的新产品[1]。纳米技术标志着人类的科技水平进入了一个新的时代———纳米时代,它对人类文明和社会经济的发展将产生深远影响。纳米营养素具有吸收迅速、改善消化、促进生长、提高免疫力和某些生理机能的作用,只是目前对其作用机理的研究还不够深入和透彻。尽管纳米技术在动物营养中的应用正处于初级阶段,但其作用优势已经显现,因此,作为一项新兴技术,纳米技术在动物营养向深度和广度的快速发展中必将有着光明的应用前景[2]。

有机微量元素是金属元素与蛋白质、小肽、氨基酸、有机酸、多糖衍生物等配位体通过共价键或离子键结合而形成的络合物或螯合物，被人们称为第3代微量元素添加剂。美国饲料管理协会（AAFCO，2001）将有机微量元素分为金属氨基酸络合物、金属（特定氨基酸）络合物、金属氨基酸螯合物、金属多糖络合物、金属蛋白盐 5 类。有机微量元素的研究始于 20 世纪60年代，80年代中期我国开始进行有机微量元素的开发与应用研究[3]，由于其接近动物体内天然形态的微量元素补充剂,且具有良好的化学稳定性、较高的生物学效价、溶解性高、易消化吸收、抗干扰、无刺激且无毒害作用,且能减少一定的污染等特性,目前被认为是一种理想的绿色饲料添加剂。引起了畜牧业界关注和重视。

纳米科学随着纳米科技的迅猛发展,纳米材料被广泛应用于食品添加剂、食品加工和保健品等营养科学领域。纳米材料具有颗粒尺寸小、表面能高、比表面积大等特点。纳米材料与宏观状态下的材料相比,在性质与功能上得到显著改善,并具有许多特殊的性能,如提高某些材料的吸收率,减少生物活性和风味的丧失,并可将材料输送到特定部位,提供给人类有效、准确、适宜的营养。目前,纳米微量元素、纳米脂质体和纳米乳剂已被广泛用于食品和医药等领域[4]，纳米微量元素也在畜牧业中渐渐开始使用,目前对有机微量元素的研究相当热，但结合纳米技术的有机微量元素在畜牧业中的应运在国内外研究很少，随着纳米技术在畜牧业中的广泛应运再结合有机微量元素的优势，纳米有机微量元素在畜牧业中的应运必定会有很好的前景。

1 纳米粒子的特点与制备

总的来说，纳米是国际长度单位之一，用nm表示。1纳米是1米的十亿分之一，即1nm=10-9m。它正好处于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，被称为纳米世界。纳米科技是指在纳米尺度（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。纳米粒子的制备较为复杂，技术设备要求高，但就其制造方法来讲可以分为化学方法和物理方法[5]。

1.1尺寸效应和表面效应

尺寸效应是指由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少而引起的不能用有限个原子性质加以说明的特殊现象。由于纳米粒子尺寸变小，表面积增加，从而产生一系列新奇的性质，如金属纳米颗粒对光的吸收显著增加、熔点下降且变为绝缘体等。表面效应是指纳米粒子的表面原子与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的缩小而大幅度的增加，粒子的表面能和表面张力也随之增加，从而引起纳米粒子性质的变化，如金属颗粒在空气中易氧化。由于纳米粒子表面原子具有很高的活性且极不稳定，因此不但能引起纳米粒子表面原子运动和结构的变化，同时也能引起表面电子自旋构象和电子光谱的变化。

1.2纳米粒子的制备

纳米粒子的物理制备方法包括真空冷凝法、物理粉碎法和机械球磨法。 其中机械球磨法是采用控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子；其特点是操作简单、成本低，但产品纯度低、颗粒分布不均匀。真空冷凝法就是采用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷；其特点是纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。 物理粉碎法是通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子；其特点是操作简单、成本低，但产品纯度低、颗粒分布不均匀。纳米粒子的化学制备方法又分为气相沉淀法、水热合成法以及溶液凝胶法。其中水热合成法是在高温高压下的水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得到纳米粒子；其特点是纯度高、分散性好、粒度易于控制。气相沉淀法就是利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料；其特点是产品纯度高，粒度分布窄。溶液凝胶法是把金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子；其特点是反应物种多、产物颗粒均一，过程易控制。

1.3纳米饲料的开发

随着纳米技术的发展和产品的批量生产，纳米材料的成本将大幅降低。将纳米技术引入饲料产品的研发，不仅能突破传统的生产模式，实现传统工艺、传统产品的升级换代，提高产品的技术含量，而且还可以在纳米饲料，纳米添加剂制备技术及其产业化方面建立一系列具有自主知识产权的专利技术、检测手段和创新方法。目前，可利用资源的短缺始终是制约动物饲料业可持续发展的瓶颈，提高营养物质利用率及转化效率和开辟新的饲料资源势在必行。采用纳米技术制造饲料、将饲料原料颗粒粉碎到纳米水平后再加工成颗粒料，这样，饲料摄食后与消化液的接触面积比现在的饲料大数万倍，可以提高畜禽肠胃吸收能力、吸收速度和吸收率，大大降低料肉比和料蛋比。纳米微量元素可以不通过离子交换而直接渗透被吸收，从而大大提高吸收的速度和利用率[6]。结合目前纳米材料的发展现状和有极微量添加剂的优越性，在以后最有可能大规模实现纳米化的添加剂就是有机微量元素添加剂。

2有机微量元素概述

2.1有机微量元素分类

根据美国饲料管理官员委员会（AAFCO）将有机微量元素定义为 6 类：①金属元素特定氨基酸复合物，由可溶性的金属盐类与特定的氨基酸复合而成，一般是由单一已知氨基酸与单一金属离子结合；②金属元素氨基酸复合物，由一个特定的可溶性金属盐类（如锌、铜、锰盐）与一个氨基酸复合而成；③金属元素氨基酸螯合物，由一个可溶性金属盐类中的金属离子与氨基酸相反应而成；④金属元素蛋白盐，由一个可溶性金属盐类与氨基酸或部分水解的蛋白质螯合而成；⑤金属元素多糖类复合物，由一个可溶性盐类和多糖类溶液复合而成，这类物质只是一种有机矿物质，含有的矿物质和多糖类之间没有任何化学键存在；⑥金属元素有机酸盐，由可溶性金属元素与可溶性有机酸相结合而成[7]。

2.2 有机微量元素生物学特性

2.2.1 化学结构稳定

对饲料中其他成分影响小金属元素氨基酸螯合物中的金属离子与氨基酸配位体以共价键和离子键结合，微量元素被封闭在螯合物的螯环内，化学性质稳定，因而对饲料中维生素的氧化破坏作用很小，甚至没有；受螯合物保护的微量元素既避免了消化道内 Ca2+的沉淀作用，又避免了植物饲料中所含的植酸、草酸、磷酸等阴离子的吸附作用；与抗生素等无配伍禁忌。邝声耀认为有机微量元素分子内电荷趋于中性，在体内pH 环境下，阻止了不溶性胶体的吸附作用，使机体能够充分吸收和利用金属离子[ 8 ]。

2.2.2 生物学效价高

一般无机盐及简单有机盐中的金属元素被动物摄入后，必须与氨基酸或其他物质螯合后才能被机体吸收，再与血液中某些蛋白结合并转运到机体所需部位才会发生功效。计峰等研究表明，锌必须和胰腺分泌的小分子量蛋白形成络合物后才能被动物吸收[ 9]。大量研究表明，有机微量元素比无极微量元素的生物学效价高。周桂莲等研究不同铁源对大鼠的生物学效价，以硫酸铁为100%，赖氨酸铁和甘氨酸铁的相对生物学效价分别为124.3%和118.5%[10 ]。田科雄等报道，与 Cu2 +、Fe2 +、Zn2 +、Mn2+的硫酸盐相比，其相应蛋氨酸羟基类似物的螯合物相对生物学效价分别为191.47%、142.44%、191.74%、147.30%[11]。另有研究表明，螯合铁能够以更易转运的形式通过胎盘被吸收进入血液和发育中的胚胎，同时其生物学效价和吸收率也有不同程度的提高。

2.3适口性好、毒性低、吸收率高、利于环保

由于无机微量元素的吸收率仅为 2%～10%，国内外许多养殖场广泛使用添加高锌、高铜的饲料，导致肉制品及动物粪便中铜和锌的残留大幅超标，对环境造成严重污染。有机微量元素无特殊气味，半数致死量远大于无机盐，毒副作用小，适口性好，易于采食；有机微量元素的氨基酸或小肽不但能有效降低微量元素的相互颉颃作用，而且不影响肠道内 pH 和体内酸碱平衡。有报道称，氨基酸微量元素螯合物的消化率比无机离子高 130%～280%[12]。夏中生等用氨基酸螯合铁、铜、锰、锌同其硫酸盐做比较表明，生长猪饲粮中使用适量比例氨基酸螯合物可降低粪中铁、铜、锌、锰的排泄量[13]。郭福存等在肉鸡饲粮中添加有机铜 2.5mg·kg－1，有机铁、有机锌和有机锰各 10 mg·kg－1，结果矿物元素的排泄物下降35%～69%[ 14]。蔺志刚认为，在猪育肥阶段使用有机微量元素添加剂，不影响总体生产性能，可有效降低重金属的排泄量[ 15]。由此可见，在饲料中添加有机微量元素是未来降低环境污染的重要手段之一。

2.4提高免疫力和抗应激能力

有机微量元素被吸收后，螯合的微量元素能直接运输到特定的靶组织和酶系统中，因而可以提高动物体内酶活性，提高蛋白、脂肪和维生素的利用率，增强动物免疫应答反应，发挥抗病和抗应激作用，改善皮毛状况，减少早期胚胎死亡率。王纪亭等在产前一个月的母猪饲粮中添加甘氨酸螯合铁，发现仔猪死亡率比对照组降低 6.4%[16]。试验表明，联合补充蛋氨酸螯合锌和蛋氨酸螯合锰显著改善了火鸡的体液免疫与细胞免疫反应，并降低了死亡率和腿病畸形率。Ashmead 研究认为，在妊娠后期母猪和哺乳母猪饲粮中添加氨基酸螯合铁，可提高仔猪的抗病力[17]。

3纳米技术在饲料中的应用

3.1纳米有机微量元素的生物学功能的前景

纳米技术可提高微量元素的生物利用率。一些矿物元素如钙、锌、铁等对人体具有重要的生理作用,但这些微量元素难溶于水,影响了机体对其吸收和利用。而采用纳米技术制备的微量元素超微粉,与水具有较强的亲合力,有利于人体的消化吸收。如生物活性、吸收率和抗氧化性能高,免疫调节能力强等。纳米技术可加强微量元素的营养功效并降低其毒副作用。而有机微量元素比无机微量元素对动物具有更高的生物学利用率(Spears, 1991; 周桂莲,2000)[。这是由于: ①稳定的有机微量元素可避免肠腔中拮抗因子及其它影响因子(如植酸)对矿物元素的沉淀或吸附作用; ②有机微量元素利用氨基酸和肽的吸收通道被吸收,从而避免利用同一通道吸收的无机矿物元素之间的竞争; ③氨基酸络合物或螯合物是动物机体吸收和转运金属离子的主要形式, 又是动物体合成蛋白过程的中间物质, 不仅吸收快, 而且可以减少许多生化过程, 节约体能消耗[18]。结合这两方面的优势纳米有机微量元素在畜牧业中会有很好的前景。

3.2纳米技术在饲料添加剂预混料中的应用前景

物质在消化道中的吸收率与其在吸收部位的溶解速度和接触面积的大小有关。纳米营养素由于其半径极小，因此暴露在介质中的表面积增大，能提高溶解速度，有利于吸收。有学者指出，营养物质的颗粒大小是影响胃肠道对其吸收的一个关键因素。试验也证明，采用纳米技术制备的微量元素超微粉，与水有更强的亲和力，在水中有更强的化学活性，有利于在体内的消化吸收。研究表明，无机微量元素的利用率较低，为30%左右；有机微量元素的利用率约49%；氨基酸鳌合物的利用率约65%；而纳米微量元素的利用率可达到80%以上[19]。

3.3.纳米氨基酸的应用前景分析

在一般情况下,饲料中的氨基酸鳌合物利用率低,而采用纳米技术生产的饲料其氨基酸鳌合物利用率均可达到 8 0 % 以上。对于反刍动物有着庞大的瘤胃，这使反刍动物与单胃动物在氮的代谢上存在一定的区别。对高产奶牛讲，对营养物质包括氨基酸的需求相对较高，日粮中过多地添加蛋白质会增加饲养成本以及增加氮排泄。所以给奶牛补充保护性限制性氨基酸是降低氮排泄和饲养成本以及提高生产性能的有效措施。然而就目前氨基酸添加剂状况而言，氨基酸的包被效果并不尽如人意，现有产品的效果更是千差万别。纳米粒子是一种超微小球形载体，是近年来出现的控释和缓释的新剂型，它的突出特点是比细胞还小，可被组织和细胞吸收，经特殊加工后可被组织和器官定向利用[20]。所以采用纳米包被来提高氨基酸的控释和缓释，可起到最佳的包被效果和利用效果。

3.4 纳米有机矿物元素的应用前景分析

众所周知，微量矿物元素对动物饲料利用和生产性能的发挥有着重要的作用。大部分微量元素是动物机体中各种酶的辅基，决定着酶的活性发挥。同时微量元素还是一些机体分泌和合成激素的重要组分。所以微量元素添加剂在饲料添加剂应用中具有重要意义。现阶段，微量元素添加剂主要来源于无机化合物，但利用效果低，对环境污染大。虽然一些生产厂家研制合成了有机微量元素添加剂并具有一定的效果，但效果也是千差万别，并没取得理想效果。另外，对我国荷斯坦牛而言，其抗热应激能力低下，热应激严重影响了其生产性能发挥。所以研究开发更加高效的有机微量元素添加剂将是微量元素添加剂的重要课题。因此，纳米有机微量元素添加剂就会应时代需要而降临并且得到广泛的发展。在小鼠实验中表明，纳米红色元素硒能显著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物酶活性[21]。邓岳松等（2003）在日粮中添加纳米硒可显著提高罗非鱼的生长性能，增重比比对照组提高了近35%[22]。也有报道显示，通过在日粮中添加纳米三价铬显著提高了育肥猪的瘦肉率和饲料报酬。研究报道显示，纳米铜可极显著地提高动物对日粮中蛋白质、脂肪和钙的消化率，增加血液中的生长激素，提高动物的生长性能和泌乳动物的产奶量。

3.5纳米技术在非营养添加剂上的应用前景分析

微生物对动物的感染和动物自身的免疫力下降导致动物发病的事很多。如奶牛乳房炎是奶牛场经常发生的一种奶牛常见病，控制奶牛乳房炎的发生有利于降低奶牛饲养成本和增加奶牛利用年限。一系列试验研究证实，纳米微量元素具有抗菌谱广、杀菌力强、抗菌效力持久和提高机体免疫力的作用。张劲松等（2001）证实纳米红色元素硒有护肝、抑瘤和免疫调节作用，是已发现的急性毒性最低的补硒制剂[23]。也有报道纳米氧化锌具有极强的化学性，能与多种有机物发生氧化反应（包括细菌内部的有机物），从而把大部分病菌和病毒杀死；同时纳米氧化锌还具有高吸收率、剂量小的特点、可避开胃肠吸收时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。相关的定量试验也表明，在5min内纳米氧化锌的浓度为1％时，对金黄色葡萄球菌的杀菌率为98．86％，对大肠杆菌的杀菌率为98．86％。将氧化铁纳米微粒注入到患者的肿瘤内，可使药物疗效提高200倍，从而减少药物的残留量，提高产品质量。研究发现，天然粘土矿中的水合硅铝酸盐可以吸附饲料中的霉菌毒素，但吸附霉菌毒素种类较单一，且吸附效果较弱；然而经纳米技术改性后的水合硅铝酸盐却能够吸附多种霉菌毒素，且吸附毒素效率较未改性前显著增强。

3.6纳米微量元素的吸收

纳米微量元素在胃肠道的吸收机制尚不十分清楚,一般认为纳米微量元素可完整地被吸收[24],其吸收途径可能是:被肠道上皮细胞摄取至细胞内;通过细胞间转运吸收;经Peyer氏结摄取[25]。吴道澄等用平均粒径145 nm的明胶硒纳米球粒子对犬进行了试验,发现明胶硒纳米球粒子的血硒峰值和血硒半衰值为酵母硒组的2倍,说明硒纳米球的吸收效率明显高于酵母硒。马恒东等采用手术法取出断乳仔猪小肠,制备翻转肠囊,体外培养研究小肠对50mg/kg纳米氧化锌、饲料级硫酸锌和饲料级氧化锌的吸收速率。结果表明,在培养0.5、1.0、2.0 h时,纳米氧化锌的吸收速率均显著高于饲料级硫酸锌和饲料级氧化锌[26]。郜海燕等用70 g左右的SD大鼠100只,以低钙基础饲料饲喂14 d后分别添加5%、10%的纳米珍珠粉和微米珍珠粉,观察大鼠的生长状况,检测大鼠股骨钙、粪钙、尿钙、血钙及饲料钙含量、股骨干重与长度、血磷含量。结果表明,纳米珍珠粉组大鼠体重增加,股骨长度、股骨干重及股骨钙存留率均明显高于微米珍珠粉组;纳米珍珠粉组大鼠钙吸收率及利用率也明显高于微米珍珠粉组[27]。盖文婷等采用翻转肠囊法研究离体肉鸡小肠对硫酸铜、氧化铜、纳米氧化铜的吸收速率。结果显示,培养0.5 h时,纳米氧化铜的吸收速率显著高于硫酸铜与氧化铜(P培养1. 0和1. 5 h时,纳米氧化铜吸收速率高于硫酸铜与氧化铜，但三者之间差异不显著(P>0.05)；各组肠道吸收速率前段均高于后段(P>0.05)[28]。

3.7纳米有机微量元素与环保

养殖与环境是近几年人们所关注的重要问题之一。反刍动物释放的甲烷对环境造成的温室效应以及氮磷和微量元素对环境的排放已引起各国的广泛关注。纳米技术可在一定程度上提高饲料中微量元素和氮的利用。重要的是纳米级的饲料颗粒可以提高动物对其有效吸收率、利用率，节约饲料原料的用量，同时减少饲料中各种成分用量，间接减少粪便中污染物的排放量。适宜的纳米有机微量元素添加剂可更加有效地抑制瘤胃甲烷菌的生长。所以在未来畜牧业发展中，纳米技术的应用可在一定程度上使畜牧业的发展走上可持续发展道路[29]。

4挑战与展望

纳米有机微量元素有助于改善和解决目前动物养殖中普遍存在的饲料添加剂高剂量添加、高剂量摄入、吸收利用率低、氮源污染和稳定性差等问题，从而提高营养素吸收率，对于促进动物的生长发育，改善动物产品品质，提高饲料和养殖生产综合经济效益，保护环境具有重要意义。目前由于技术和生产成本的原因，限制了纳米饲料添加剂的应用[30]。目前的研究成果只是冰山一角, 还有待于更多的关注和研究[31]。尤其在纳米有机微量元素的方面研究很少。并且成本高。但社会节省资源和绿色环保已成为两大主题，畜牧行业作为国民经济的一个重要产业，其每年需求大量的粮食资源，甚至形成了同人类竞粮的局面。这种局面必须得到尽快改善，为此我们畜牧业的一个研究方向就是向节粮型畜牧业转变，这要靠我们不断发展的科技作后盾[32]。纳米技术是一门新兴的科技，由于其特殊性、先进性，在畜牧业上的应用，必将为该行业注入新鲜活力，并使我国有效的饲料资源得到充分的利用，并能最大限度发挥营养与保健功效，减少动物发病率[33]。纳米技术可使传统畜牧业产品“旧貌换新颜”,把纳米材料添加到传统畜牧业产品中,可改进或获得一系列的功能,这种改进并不见得昂贵,但却使产品更具市场竞争力。纳米技术能对有毒有害物质进行吸收，减轻环境污染，稳定了生态平衡，造福人类。相信纳米技术和有机微量元素结合起来能为畜牧业的发展带来广阔的前景。