包被氧化鋅技術(shù)研究進展

曹清貽，李寶霞*，肖美添

（華僑大學化工學院化學工程與制藥工程專業(yè)，福建 廈門 361021）

據(jù)報道，仔豬在斷奶后的死亡率高達11%，全球每年約有1 000 萬頭仔豬死于腹瀉[1]。由于日糧發(fā)生變化，因此斷奶仔豬的腸道絨毛結(jié)構(gòu)完整性和生理功能受到破壞[2-3]；且與母豬分離后對環(huán)境和社會的適應等原因，仔豬在斷奶后會出現(xiàn)生長遲緩和腹瀉[4-6]。

鋅是動物必需的微量元素之一，參與300 多種酶的合成，與動物腸道發(fā)育和免疫功能密切相關(guān)[1]。目前的研究認為氧化鋅是鋅可以抵抗腸道疾病的唯一無機形式[7]。氧化鋅是仔豬腸道上皮細胞發(fā)育所必需的微量元素，能促進腸道形態(tài)的改善，增加蛋白質(zhì)的合成[8]。但氧化鋅是一種幾乎不溶于水的兩性分子，在低pH條件下，大部分不溶性氧化鋅轉(zhuǎn)化為鋅離子[1,4,8]。造成仔豬日糧中的氧化鋅很容易被胃里的酸性胃液分解，只有少量的氧化鋅能到達腸道，在其中工作，這就導致仔豬日糧中要添加較高含量的氧化鋅[1,9]。研究表明，在斷奶仔豬日糧中添加2～4 g/kg 的氧化鋅，可以提高仔豬的生長性能，降低腹瀉的發(fā)生率[10-17]。

雖然高劑量氧化鋅，能在短時間內(nèi)維持腸粘膜上皮細胞的通透性，減緩日糧和斷奶應激引起的反應，提高斷奶仔豬的日采食量和日增重，降低仔豬的料肉比和腹瀉率[18]。但長期喂飼大劑量氧化鋅會使胃液pH升高，消化吸收功能降低，降低仔豬的免疫水平，使仔豬易感染疾病，引起多種腸道菌群減少，導致器官中毒，抑制仔豬的生長發(fā)育[8,15,18-20]；且會影響仔豬對其他金屬物質(zhì)的吸收，導致仔豬體內(nèi)銅、鐵等元素的缺乏[21]。隨著氧化鋅劑量的增加，鋅與其他元素會產(chǎn)生相互作用，導致鈣、磷、鈉、鉀的消化率降低，進而影響仔豬機體功能[11]；日糧中高劑量的氧化鋅（質(zhì)量分數(shù)超過2.25 g/kg）只能被仔豬吸收10%～25%，大部分的氧化鋅在胃液中轉(zhuǎn)化成Zn2+隨仔豬糞便排出而進入土壤，會使土壤中的鋅過量積累，從而導致土壤質(zhì)量惡化和地下水污染，使土壤無法再耕種，對植物產(chǎn)生毒性，并可能危害動物和人類健康[11,22-24]。JONDREVILLE 等報道，如果將仔豬日糧中鋅的質(zhì)量分數(shù)從250 mg/kg 降低到100 mg/kg，則表層土壤中的鋅的年累積量可減少35%[25]。

由于高劑量氧化鋅存在諸多危害，因此許多國家對氧化鋅在仔豬飼養(yǎng)中的使用時間和劑量做了嚴格規(guī)定。中國農(nóng)業(yè)部規(guī)定（農(nóng)業(yè)部公告第2625號）（自2018年7月1日起執(zhí)行），仔豬斷奶后前2 周配合飼料中氧化鋅不超過1.6 g/kg。如何降低仔豬飼料氧化鋅的添加量是養(yǎng)豬行業(yè)亟待解決的問題。

包被氧化鋅技術(shù)，因其可以保護氧化鋅不被胃液降解并在仔豬腸道內(nèi)緩慢釋放，而大大減少氧化鋅的添加量，所以成為目前的研究熱點[16,26-27]。

包被技術(shù)已被廣泛應用于化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品添加劑等領(lǐng)域。包被技術(shù)在改善口感，降低藥物和添加劑產(chǎn)品對機體的不良刺激，提高生物體使用效率，減少浪費，降低投藥成本，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性等方面有重要作用[28]。對氧化鋅進行包被處理，包衣層能夠保護氧化鋅不被胃液降解，提高氧化鋅的利用率，從而顯著降低飼料中氧化鋅的添加量。根據(jù)包被材料和方法的不同，包被氧化鋅目前主要有：腸溶耐酸材料包被技術(shù)、微膠囊技術(shù)、脂質(zhì)包被技術(shù)等。

1 腸溶耐酸材料包被技術(shù)

飼料添加劑領(lǐng)域常用的腸溶包被技術(shù)是利用胃內(nèi)與腸道內(nèi)pH之間的差異，包被材料在酸性環(huán)境中的性能是穩(wěn)定的，但在堿性條件下pH敏感材料能夠快速崩解，達到腸溶包衣的目的。分析目前公開的氧化鋅包被專利發(fā)現(xiàn)，腸溶包被大多采用苯二甲酸醋酸纖維素、硬脂酸類和聚丙烯酸樹脂等作為耐酸腸溶材料，糊精、淀粉、羧甲基纖維素、滑石粉等作為粘結(jié)填充劑，微晶纖維素、交聯(lián)羧甲基纖維素鈉等作崩解劑，而有機物作為介質(zhì)[29-35]。

包被方式大致可分為2類：一類是將氧化鋅投入粘結(jié)劑、崩解劑和耐酸腸溶材料制成的包衣劑中進行包被制得包被氧化鋅，有些會在外層再包裹一層耐酸腸溶材料[29-32,35]；另外一類是采用多層包被，將氧化鋅與粘結(jié)填充劑混合制粒后，在外包裹糊精等水溶性好的輔料來加快氧化鋅在腸道中的釋放或包裹乙基纖維素等控釋劑來加強包被效果，再在最外層使用耐酸腸溶材料進行包衣[33-34]。制粒方式多采用拋丸機或制粒機；包衣方式多采用流化包衣床進行噴涂包衣。

SHEN、劉連龍和陳杰等使用以硬脂酸作為腸溶材料制備的包被氧化鋅，以及陳炳鈿等使用以海藻膠復配植物籽作包被層制備的腸溶氧化鋅，通過模擬胃腸道實驗得知，包被氧化鋅在模擬胃酸環(huán)境（pH=3.5）下3 h 釋放度低于2%，而在模擬腸液（pH=6.8）中4 h 的釋放度超過90%[1,36-38]。質(zhì)量分數(shù)0.3～0.5 g/kg包被氧化鋅可明顯提高斷奶仔豬日增重和采食量，顯著降低腹瀉率，與添加質(zhì)量分數(shù)2～3 g/kg普通氧化鋅無明顯差異。

通過腸溶材料包被處理，可以使氧化鋅具有耐酸過胃和在腸道中緩慢釋放的能力。一方面，提高了氧化鋅的抗腹瀉效率和使用效率，降低了成本；另一方面，可以降低糞便中鋅的含量，減少鋅的排泄和環(huán)境污染。然而，pH 敏感材料的成分復雜，有進一步刺激仔豬胃腸環(huán)境的風險，有些包被方式也存在在仔豬腸道中崩解困難的問題。另外，其價格高、生產(chǎn)成本高，難以在飼料領(lǐng)域廣泛推廣應用。若采用單層包被，則其包被層較薄，不耐飼料加工以及貯運過程中的摩擦，仔豬在進食過程中的咀嚼也可能造成包被層破損，也就失去了包被的效果。若采用多層包被，則可能存在包被氧化鋅在仔豬腸道內(nèi)釋放率不足的問題。

2 微膠囊技術(shù)

微膠囊造粒技術(shù)是指將固體、液體或氣體包埋密封在一個微小膠囊中。它可以降低物質(zhì)的活力，掩蓋氣味，提高物質(zhì)的穩(wěn)定性。

JIN等通過真空冷凍干燥技術(shù)和微膠囊技術(shù)制作而成的微囊化氧化鋅喂食仔豬，結(jié)果顯示，飼糧中添加低水平（質(zhì)量分數(shù)0.3 g/kg）的微囊化氧化鋅較添加高水平（質(zhì)量分數(shù)3 g/kg）的普通氧化鋅有更好的生長性能和腸道消化率，同時降低了糞便中鋅水平[39]。GRILLI 等[40]報道，微囊化質(zhì)量分數(shù)0.4 g/kg的氧化鋅與質(zhì)量分數(shù)3 g/kg的藥理學氧化鋅對斷奶后2周仔豬的腸道健康的促進和維持作用相同。

使用微囊化包被處理氧化鋅，使氧化鋅包裹在微囊化包被材料中，避免胃酸對氧化鋅的破壞，確實可實現(xiàn)氧化鋅順利通過胃，在動物腸道內(nèi)長效緩釋，提高氧化鋅的生物利用率。但是該技術(shù)相比其他包被方法更復雜，成本更高，且微囊材料（如聚丙烯樹脂等）通常具有較高的抗酸、堿腐蝕的能力，雖然能避免氧化鋅在仔豬胃中的釋放損失，但其在仔豬腸道中的解離以及釋放也不夠及時和有效[41]；有部分氧化鋅會直接隨糞便排放，所以存在鋅利用率較低以及鋅糞排泄的問題。

3 脂質(zhì)包被技術(shù)

脂質(zhì)包被的脂質(zhì)大多采用棕櫚油、氫化植物油等。一種制備方法是將聚乙二醇或尿素等水溶性分散載體加熱溶解后向其中加入氧化鋅制得微丸，再用脂質(zhì)對其進行包被制得包被氧化鋅。當包被氧化鋅進入小腸后，包被的脂質(zhì)被脂肪酶消化，水溶性分散載體可以促進氧化鋅的擴散，起到抗腹瀉的效果[42]。另外一種方法是將脂質(zhì)作為耐酸腸溶材料，與氧化鋅以及其它增韌劑、分散劑等加熱混合均勻，一起制粒即得包被氧化鋅[43]。這種方法工藝簡單，成本較低，但溫度容易對其造成破壞，且產(chǎn)品的過胃率一般。

KWON及KIM等的研究結(jié)果表明，在斷奶仔豬日糧中添加質(zhì)量分數(shù)0.1 g/kg的脂質(zhì)包被氧化鋅在緩解腸粘膜形態(tài)受損、預防腸毒素大腸桿菌（ETEC K88）引起的斷奶仔豬腹瀉和生長遲緩方面的效果與質(zhì)量分數(shù)2.5 g/kg的高劑量氧化鋅相當[44-45]；HAN等的研究結(jié)果表明，補充質(zhì)量分數(shù)0.1～0.2 g/kg 的脂質(zhì)包被氧化鋅在用于緩解感染ETEC K88的斷奶仔豬的腹瀉中可達到質(zhì)量分數(shù)2.5 g/kg氧化鋅的作用效果，而提供質(zhì)量分數(shù)0.3～0.4 g/kg 脂質(zhì)包被氧化鋅才可達到改善斷奶仔豬腸粘膜形態(tài)效果的必要條件[46]。

SONG、JANG 和PARK 等的研究結(jié)果表示，在飼糧中添加Zn的質(zhì)量分數(shù)0.1～0.25 g/kg的脂質(zhì)包被氧化鋅可提高仔豬的增重率，但在促進生長和抑制腹瀉方面的表現(xiàn)不如Zn的質(zhì)量分數(shù)2.5 g/kg的氧化鋅[47-49]。

脂質(zhì)包被氧化鋅在緩解仔豬斷奶后腹瀉以及促進生長性能等方面的效果不如高劑量氧化鋅，這可能是仔豬斷奶后胰脂肪酶活性較低，脂質(zhì)溶解困難，導致脂質(zhì)包被氧化鋅在誘導結(jié)構(gòu)蛋白和細胞因子表達方面不如高劑量普通氧化鋅[21]，但其仍可明顯降低糞便中鋅含量，減輕環(huán)境污染。

4 其它包被方法

劉昌社等將氧化鋅與碳酸鈣混合后制粒，在其外利用流化床進行了2 層包衣制得包被氧化鋅，內(nèi)層包衣材料是具有良好成膜性的殼聚糖與水溶性的甘露聚糖的混合物，外層是作為控釋劑的乙基纖維素，可以使藥效持續(xù)釋放[50]。

申俊華等發(fā)明了1種使氧化鋅能夠在結(jié)腸靶向作用的包被方法。采用殼聚糖作為聚陽離子電解質(zhì)，海藻酸鈉或黃原膠作為聚陰離子電解質(zhì)，三聚磷酸鈉作為小分子交聯(lián)劑，再加上果寡糖，通過交聯(lián)聚合的方式，使其形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠體系，即結(jié)腸靶向包衣。將此包衣液噴涂在氧化鋅顆粒上即制得包被氧化鋅。這種包被方法可以保護包被后的氧化鋅快速到達結(jié)腸并被結(jié)腸內(nèi)微生物分泌的特定酶降解，達到結(jié)腸靶向釋放的目的[51]。

陶禮發(fā)明了1種包被亞微米級飼料級氧化性的包被方法，該方法中對氧化鋅進行了3 次屏蔽處理，即將氧化鋅直接加入淀粉、乙基纖維素、無水乙醇、硬脂酸鎂混合而成的屏蔽劑中，再用屏蔽劑對其進行其余的兩次屏蔽處理[52]。3次屏蔽能夠使包衣層更耐胃酸，但仔豬腸道對其吸收效果并不理想，部分氧化鋅會隨仔豬糞便排出，并且淀粉類的包衣在口腔內(nèi)就會被唾液淀粉酶消化分解。

LIU等提出，包被納米氧化鋅作為飼料添加劑，在豬中具有抗菌活性和增強腸道屏障的作用[15]。BAI[等人的研究結(jié)果顯示，低劑量包被納米氧化鋅（Zn的質(zhì)量分數(shù)0.1 g/kg）更適合緩解斷奶仔豬腹瀉和降低糞便鋅排放，且對其生長性能無負面影響[16]。

比起普通氧化鋅，包被納米氧化鋅不僅能夠減少高鋅日糧對仔豬造成的不良影響，并且能夠減少仔豬糞便鋅含量，可有效節(jié)約礦產(chǎn)資源，大大降低高劑量鋅對土壤環(huán)境造成的污染[53]。但納米氧化鋅粒子本身存在毒性效應，可能會對機體造成毒性損害[21]。物理化學性質(zhì)（如增溶和光反應）和不同的實驗物種決定了氧化鋅納米顆粒是否具有生態(tài)毒性[15]。所以納米氧化鋅粒子的安全合理使用還應做進一步探究。

綜上，現(xiàn)有氧化鋅包衣材料多用耐酸腸溶性材料、脂類、樹脂等，配合淀粉、糊精、滑石粉等輔料，存在包衣材料含量偏高，定向釋放率不穩(wěn)定，生產(chǎn)成本偏高，產(chǎn)品含量不穩(wěn)定，粒度均一性較差等問題。但諸多的實驗結(jié)果表明，包被氧化鋅可有效降低飼料中氧化鋅的添加量，提高氧化鋅利用率，減少豬糞中鋅含量，用來替代高劑量氧化鋅用于緩解斷奶仔豬腹瀉是可行的，并且可顯著減少鋅排泄對環(huán)境造成的污染。

5 結(jié)論與展望

氧化鋅在緩解斷奶仔豬腹瀉、提高仔豬生長性能以及改善仔豬腸道緩解等方面有著積極的作用。與高劑量的氧化鋅相比，低劑量的包被氧化鋅可以在保證以上積極作用的同時，防止鋅在動物體內(nèi)的過量積累，降低糞便中鋅的含量，從而達到節(jié)約鋅源、減少鋅對環(huán)境污染的目的。

分析目前已有的氧化鋅包被技術(shù)發(fā)現(xiàn)，包被材料大多選擇高分子耐酸腸溶材料或者脂質(zhì)，配合淀粉、糊精等通過一次包被或多次包被制成包被氧化鋅。目前已有許多研究結(jié)果表明，低劑量的包被氧化鋅有替代高劑量普通氧化鋅的潛能，包被技術(shù)可以顯著提高氧化鋅的利用率。但總體來說，包被氧化鋅還存在包被成本較高，質(zhì)量不一，過胃效果不穩(wěn)定等問題，有待進一步研究。