無機(jī)抗菌劑在飼料中的應(yīng)用研究進(jìn)展

■周巖民 唐志剛

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，江蘇南京210095）

養(yǎng)殖業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，2013年，我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)總產(chǎn)值約為28 435億元，預(yù)計(jì)到2015年，養(yǎng)殖業(yè)總產(chǎn)值將占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的48.6%，成為農(nóng)業(yè)第一大產(chǎn)業(yè)。養(yǎng)殖業(yè)不僅為提高人民生活水平提供了豐富的動(dòng)物性產(chǎn)品，亦與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收密切相關(guān)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)，養(yǎng)殖業(yè)仍有較大的發(fā)展空間。但我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)亦存在著養(yǎng)殖設(shè)施落后、飼料資源缺乏、動(dòng)物疾病多發(fā)、環(huán)境污染嚴(yán)重、養(yǎng)殖效益波動(dòng)大等問題。為保障我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展，養(yǎng)殖業(yè)必須實(shí)施健康養(yǎng)殖戰(zhàn)略，向安全、高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保方向發(fā)展，確保動(dòng)物健康。然而，隨著養(yǎng)殖業(yè)集約化程度和動(dòng)物生產(chǎn)性能的提高，動(dòng)物疾病越來越復(fù)雜，為防治動(dòng)物疾病，抗生素用量不斷增大。養(yǎng)殖業(yè)中使用抗生素的目的主要是防治細(xì)菌性疾病，或低劑量作為生長(zhǎng)促進(jìn)劑，但抗生素的大量使用易造成耐藥細(xì)菌增多、動(dòng)物產(chǎn)生免疫抑制、動(dòng)物產(chǎn)品抗生素殘留等問題，并存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。目前，歐盟已禁止將抗生素用作飼料添加劑，美國(guó)允許在飼料中使用的抗生素?cái)?shù)量也大幅下降，我國(guó)在飼料中禁用或限用抗生素亦已成為必然。為此，迫切需要研制高效、安全的抗生素替代品。目前，研究較多的抗生素替代品主要有益生菌、寡糖、有機(jī)酸、抗菌肽、植物提取物等，且取得了較大進(jìn)展，但上述產(chǎn)品尚無法完全替代抗生素，主要原因是其抑菌和殺菌作用不強(qiáng)，在防治細(xì)菌性疾病方面的作用難以與抗生素相比。因此，在充分考慮抗生素替代品安全性的同時(shí)必須提高相關(guān)產(chǎn)品的抗菌作用。

抗菌劑是指在一定時(shí)間內(nèi)可使細(xì)菌、霉菌等病原微生物生長(zhǎng)或繁殖受到抑制或可殺滅微生物的化學(xué)物質(zhì)，根據(jù)制作材料的不同，可分為有機(jī)抗菌劑、無機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑(嚴(yán)玉蓉等，2001)。無機(jī)抗菌劑是在無機(jī)載體中添加具有抗菌效果的金屬及其氧化物等制成的復(fù)合物，具有抗菌活性持久、不產(chǎn)生耐藥性、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，已引起世界各國(guó)重視(Hrenovic等，2012；Top等，2004)。無機(jī)抗菌劑最早由日本于20世紀(jì)80年代研制成功，我國(guó)也于90年代開始進(jìn)行無機(jī)抗菌劑產(chǎn)品的研發(fā)，并已在食品、生物、紡織、輕工、醫(yī)藥、環(huán)保、材料等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，取得了十分顯著的效果和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但無機(jī)抗菌劑在飼料中的應(yīng)用研究尚處于起步階段。為此，本文就無機(jī)抗菌劑的特點(diǎn)、體外抗菌性能及機(jī)理、制備方法及其在飼料中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為無機(jī)抗菌劑開發(fā)和在飼料中的合理應(yīng)用提供參考。

1 無機(jī)抗菌劑的分類及特點(diǎn)

無機(jī)抗菌劑是利用無機(jī)材料（沸石、蒙脫石、凹凸棒石等）和銀、銅、鋅等金屬及其離子的殺菌或者抑菌能力通過液相或固相方法制得的一類抗菌劑(江山,2003)。根據(jù)載體類型不同，無機(jī)抗菌劑可分為：硅酸鹽類、可溶性玻璃類和硅膠類抗菌劑等；而根據(jù)離子或金屬抗菌性能可分為：離子型（銀、銅、鋅型無機(jī)抗菌劑）、磷酸鹽系、金屬氧化物系抗菌劑和光催化型抗菌劑等(孫劍等，2007；夏海民等,2010)。 研究較多的無機(jī)抗菌劑為負(fù)載Ag+、Cu2+、Zn2+等抗菌離子的沸石類、蒙脫石類抗菌劑，也有少數(shù)關(guān)于負(fù)載抗菌離子的凹凸棒石黏土類抗菌劑的研究(羅有文,2007)。

與抗生素和其他抗菌材料相比，無機(jī)抗菌劑應(yīng)用于飼料中具有以下特點(diǎn)：①安全性高：無機(jī)抗菌劑所含載體一般為沸石、蒙脫石等飼料原料，另外其所含金屬離子如銅、鋅是動(dòng)物機(jī)體所需微量元素，對(duì)動(dòng)物安全無毒；②持久抗菌：無機(jī)抗菌劑的載體一般為多孔道物質(zhì)，其緩釋性好，故有較佳的耐久性；③廣譜抗菌性：金屬離子的種類不同，對(duì)各種菌種的抗菌和殺菌效果也不同；④無耐藥性；⑤穩(wěn)定性高，在飼料加工中不易失活(孫劍等,2007)。

2 無機(jī)抗菌劑的抗菌性能及其抗菌機(jī)理

2.1 體外抗菌性能研究進(jìn)展

無機(jī)抗菌劑利用Ag+、Cu2+、Zn2+等抗菌離子破壞病原菌微生物的細(xì)胞壁、阻止DNA轉(zhuǎn)錄、抑制細(xì)菌酶活性，或通過Ag+結(jié)合細(xì)菌蛋白質(zhì)中的巰基、阻止蛋白質(zhì)合成(Malachová等,2011)。用沸石制備的抗菌沸石對(duì)綠膿假單胞菌和大腸桿菌有很強(qiáng)的抑菌、殺菌能力，抗菌活性為：Ag+＞ Zn2+＞Cu2+，表明載銀沸石的抗菌性能可能優(yōu)于負(fù)載其他金屬離子的沸石類抗菌劑(Top等，2004)。Fang等(2006)研究6種抗菌劑對(duì)細(xì)菌的影響表明，氧化鋅-沸石復(fù)合物對(duì)鏈球菌、黏性放線菌、干酪乳桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌能力明顯優(yōu)于其他抗菌產(chǎn)品。利用天然斜發(fā)沸石制備的無機(jī)抗菌劑中，載鋅沸石和載銅沸石在重度污染的水中或人工模擬的污水中均對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌具有抗菌活性，其抗菌活性優(yōu)于載鎳沸石(Hrenovic等，2012)。Casemiro等(2008)發(fā)現(xiàn)，載鋅-銀沸石對(duì)白色念球菌和變形鏈球菌的增殖有一定抑制作用。嚴(yán)玉蓉等(2001)指出，無機(jī)抗菌劑對(duì)細(xì)菌的抑菌作用存在一定差別，其抑菌強(qiáng)度為：Ag+＞Co2+＞Ni+≥Al3+≥Zn2+≥Cu2+=Fe3+＞Mn2+≥Sn2+＞Ba2+≥Mg2+；對(duì)霉菌的抑菌作用順序?yàn)椋篘i+＞Cu2+＞Co2+＞Zn2+=Ag+=Fe3+=Al3+＞Sn2+=Mn2+＞Ba2+＞Mg2+＞Ca2+。由此可見，含Ag+、Cu2+、Zn2+無機(jī)抗菌劑對(duì)細(xì)菌和霉菌均具有一定的抑菌或殺菌效果。

2.2 抗菌機(jī)理

無機(jī)抗菌劑的抗菌機(jī)理與抗菌離子或金屬的種類有關(guān)。用硅酸鹽類非金屬礦負(fù)載Ag+、Cu2+、Zn2+等金屬離子后可制成各種抗菌劑。在抗菌劑使用過程中，金屬離子逐漸從抗菌劑中釋出，與微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸中存在的巰基（-SH）、氨基（-NH2）等含硫、氨的官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，阻止微生物的正常繁殖、生長(zhǎng)和發(fā)育等過程，從而達(dá)到抗菌目的。目前，無機(jī)抗菌劑的作用機(jī)理存在兩種觀點(diǎn)。

式中：X為金屬離子；m為1，2；n為金屬離子電荷數(shù)，1，2，…。

②催化作用：即活性氧抗菌機(jī)理，即在光的作用下，抗菌劑中的金屬離子能起到催化活性中心的作用，它們可激活空氣或水中的氧生成活性氧(O2-)或羥自由基(·OH)，這些產(chǎn)物具有很強(qiáng)還原能力，從而使細(xì)菌分解而將其殺滅(Malachová等,2011)。

另外，無機(jī)抗菌劑的抗菌活性可能與其所含載體對(duì)細(xì)菌或病原菌的吸附有關(guān)。研究表明，沸石及其改性產(chǎn)品能有效吸附大腸桿菌、枯草桿菌、金黃色葡萄球菌等細(xì)菌(Kubota等,2008)，其對(duì)腺病毒、皰疹病毒、柯薩奇腸道病毒、艾柯病毒等也有較好的吸附能力(Grce等，2005)。沸石等硅酸鹽類載體的吸附性能主要取決于：①孔道結(jié)構(gòu)和比表面積，較大的比表面積和較多的孔道可為吸附提供足夠的空間；②載體的自身電荷，沸石等載體由陽(yáng)離子和帶負(fù)電荷的硅鋁氧骨架所構(gòu)成，其表面負(fù)電荷對(duì)帶正電荷、極性或不飽和分子有較強(qiáng)吸附能力(鳥居一雄等,1979)。

3 無機(jī)抗菌劑的制備方法

根據(jù)所用載體和金屬離子的不同，無機(jī)抗菌劑的制備方法亦不相同，目前常用的方法主要有液相交換吸附法和固相離子熔融法兩種。

3.1 液相交換吸附法

液相交換吸附法是將Ag+、Cu2+、Zn2+等抗菌離子配制成溶液，然后將沸石、蒙脫石等硅酸鹽類非金屬礦和上述溶液按照合適的固液比值混合后在一定條件下反應(yīng)的方法(章莉娟等,1999)。王慧華等(2004)通過正交設(shè)計(jì)比較液相交換吸附法中各種反應(yīng)因素對(duì)沸石類無機(jī)抗菌劑的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溶液鋅離子濃度是影響沸石負(fù)載鋅的主要因素，而pH值、溫度、時(shí)間對(duì)整個(gè)反應(yīng)過程影響較小，其中反應(yīng)溫度在60～80℃、pH值在4～8條件下，沸石最大載鋅量為1%左右。通過液相交換吸附法制備無機(jī)抗菌劑，不同反應(yīng)條件下其抗菌離子的含量存在一定差異。

3.2 固相離子熔融法

固相離子熔融法是將硅酸鹽非金屬礦和金屬及其鹽類混合均勻，利用高溫使金屬離子擴(kuò)散、遷移到沸石等硅酸鹽的孔道或晶格中的方法。利用熔融法制備抗菌沸石時(shí)，反應(yīng)溫度是影響反應(yīng)的主要因素(肖士民等,1998)。而不同粒度、反應(yīng)時(shí)間和金屬化合物用量對(duì)載體（沸石）中抗菌金屬離子（鋅）含量存在一定影響，在反應(yīng)溫度為500℃、時(shí)間為3 h、氯化鋅∶沸石=1∶2時(shí)，沸石載鋅量達(dá)到最大值，約為10%(肖士民等,1998)。

4 無機(jī)抗菌劑在飼料中的應(yīng)用研究進(jìn)展

雖然載銀無機(jī)抗菌劑的抑菌和殺菌效果最佳，但銀對(duì)動(dòng)物的生理及毒性作用尚未闡明，因此，無機(jī)抗菌劑在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料領(lǐng)域中的應(yīng)用研究主要集中于載銅、載氧化鋅蒙脫石和載鋅沸石，且已有一些在豬、雞飼料中應(yīng)用的研究報(bào)道。

4.1 替代抗生素

肉雞感染沙門氏菌后，其生產(chǎn)性能、抗氧化功能明顯下降；而在肉雞飼料中添加0.2%載鋅沸石（鋅含量0.67%），可提高感染沙門氏菌肉雞的平均日增重，降低腸道內(nèi)沙門氏菌數(shù)量，改善程度與添加抗生素（金霉素）相一致(Wang等,2012)。Tang等(2014a)研究也表明，在肉雞日糧中添加0.1%或0.2%載鋅沸石，能顯著提高肉雞生產(chǎn)性能和抗氧化功能，減少肉雞盲腸中的大腸桿菌數(shù)量，提示載鋅沸石等無機(jī)抗菌劑可作為抗生素的潛在替代品應(yīng)用于飼料中，以預(yù)防或治療腸道細(xì)菌感染、促進(jìn)生長(zhǎng)。

4.2 抗腹瀉或腸道保護(hù)

研究表明，在斷奶仔豬飼料中添加載銅蒙脫石可提高斷奶仔豬的生產(chǎn)性能，減少腸道中的大腸桿菌數(shù)量，增加仔豬腸道絨毛高度，改善仔豬腸道健康(Xia等,2005)；載銅蒙脫石也能改善肉雞生產(chǎn)性能、腸道消化酶活性、腸道結(jié)構(gòu)與功能(Xia等,2004)。以上研究結(jié)果提示，無機(jī)抗菌劑可促進(jìn)腸道健康，改善動(dòng)物生產(chǎn)性能。

氧化鋅作為仔豬抗腹瀉藥物已在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)中得到廣泛應(yīng)用。在日糧中添加500 mg/kg氧化鋅-蒙脫石復(fù)合物可提高仔豬的平均日增重和采食量，降低糞便指數(shù)，降低血清D-半乳糖和二胺氧化酶活性，增加腸道絨毛高度，減少仔豬腹瀉(Hu等,2012a)。仔豬飼料中添加500 mg/kg和750 mg/kg氧化鋅-蒙脫石復(fù)合物可提高仔豬生長(zhǎng)性能，降低仔豬腸道滲透功能，減少仔豬腹瀉(Hu等,2012b)。而Hu等(2013a)研究也表明，載氧化鋅沸石能顯著改善斷奶仔豬的腸道滲透性和微生物區(qū)系，提高仔豬抗應(yīng)激能力，減少仔豬因斷奶應(yīng)激造成的腹瀉。Tang等(2014b)研究表明，在肉雞日糧中添加80 mg/kg載鋅沸石可改善肉雞腸道結(jié)構(gòu)，提高肉雞腸道的IgG和sIgA的含量，保護(hù)肉雞腸道黏膜的正常功能。

4.3 補(bǔ)充微量元素

正常情況下，日糧或飼料中銅、鋅等微量元素不能滿足動(dòng)物需要，因此，飼料中一般需要額外添加微量元素，防止動(dòng)物因缺少微量元素造成機(jī)體代謝異常。Hu等（2013b）研究表明，在肉雞日糧中添加60 mg/kg氧化鋅-蒙脫石復(fù)合物可促進(jìn)肉雞生長(zhǎng)，其效果優(yōu)于60 mg/kg硫酸鋅。羅有文(2007)研究表明，添加40 mg/kg或80 mg/kg載鋅凹凸棒石可顯著提高肉雞的增重，效果優(yōu)于80 mg/kg硫酸鋅。結(jié)果提示，無機(jī)抗菌劑應(yīng)用于飼料中在發(fā)揮抗菌作用的同時(shí)，能作為微量元素添加劑補(bǔ)充動(dòng)物所需的相關(guān)微量元素，促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)。

5 無機(jī)抗菌劑在飼料中的應(yīng)用展望

無機(jī)抗菌劑的研究雖已有近30年歷史，但在飼料中的應(yīng)用研究起步較晚，有必要進(jìn)行更為深入系統(tǒng)的研究。首先必須確定無機(jī)抗菌劑產(chǎn)品在飼料中應(yīng)用的安全性、有效性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性，以確保產(chǎn)品的應(yīng)用效果。同時(shí)，有必要對(duì)無機(jī)抗菌劑的微觀結(jié)構(gòu)、與微生物的相互作用、在動(dòng)物體內(nèi)的作用規(guī)律、作為微量元素補(bǔ)充時(shí)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)途徑進(jìn)行深入研究，為無機(jī)抗菌劑的開發(fā)和合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。對(duì)無機(jī)抗菌劑生產(chǎn)技術(shù)亦需進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，以生產(chǎn)出穩(wěn)定性高、成本低的產(chǎn)品，有利于無機(jī)抗菌劑產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用。

無機(jī)抗菌劑主要是通過合適的載體（沸石、蒙脫石、凹凸棒石等）負(fù)載銅、鋅、氧化鋅等制備的復(fù)合抗菌材料，所用材料均為常規(guī)飼料原料，資源豐富，制備工藝亦日趨成熟。已有的研究表明，無機(jī)抗菌劑具有良好的抑菌和殺菌作用，較低的用量即可獲得較強(qiáng)的抗菌性，且抗菌譜廣，具有替代抗生素的潛力。此外，無機(jī)抗菌劑在替代飼料中抗生素的同時(shí)，可利用載體的緩釋功能、離子交換功能等為動(dòng)物補(bǔ)充微量元素。因此，無機(jī)抗菌劑具有抗菌和補(bǔ)充微量元素的雙重功能，推廣應(yīng)用后可望減少飼料中抗生素和微量元素的用量，降低抗生素使用造成的風(fēng)險(xiǎn)、減少金屬微量元素排放，降低環(huán)境污染，節(jié)約資源，從而為健康養(yǎng)殖提供技術(shù)支持。