熔融法制備包被納米氧化鋅工藝方法的研究

■陳 杰 祝家東 萬志友 陳 浩 祝愛俠 王春維，2*

（1.武漢輕工大學(xué)生豬健康養(yǎng)殖湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430023；2.武漢輕工大學(xué)武漢市畜禽飼料工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430023）

近年來，越來越多的規(guī)?；i場采用早期斷奶的飼喂方法[1]。仔豬的早期斷奶雖然可以提高母豬的利用效率和仔豬的飼喂效率，但是早期斷奶的仔豬過早的脫離奶水，其腸道發(fā)育尚不完善，對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收率較低，比通常時(shí)間斷奶的仔豬更易產(chǎn)生腹瀉[2]。早期斷奶仔豬的日糧中添加高劑量氧化鋅能有效控制仔豬腹瀉、改善生長性能、提高日增重和料耗增重[3]。但在飼喂高鋅日糧的情況下，由于氧化鋅的生物學(xué)利用率較低，不能被充分吸收利用，而是隨著糞便排出體外，所以會(huì)造成環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)。并且長期飼喂高劑量的氧化鋅會(huì)影響仔豬的皮毛狀況，導(dǎo)致皮毛粗糙，影響感官評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]。國內(nèi)外正不斷尋找高劑量氧化鋅的替代品。

納米氧化鋅除了具有生物活性高、易吸收等優(yōu)點(diǎn)外，還具有納米金屬物質(zhì)的特殊殺菌作用[5]。因此添加低劑量（500 mg/kg左右）的納米氧化鋅即可達(dá)到高劑量普通氧化鋅的作用效果[6]。另一方面，仔豬胃內(nèi)的pH值一般在3.5左右，因此氧化鋅易在胃酸環(huán)境中與鹽酸反應(yīng)生成氯化鋅，使到達(dá)腸道的氧化鋅數(shù)量大大降低，因此包被氧化鋅（1 000 mg/kg左右）通過其包被材質(zhì)對(duì)胃酸的抵抗作用，同樣作為更低劑量的新型氧化鋅產(chǎn)品代替高劑量氧化鋅的使用[7]。2017年12月，農(nóng)業(yè)部修訂了《飼料添加劑安全使用規(guī)范》，其中對(duì)鋅的限量更改為：仔豬斷奶后前2周配合飼料中氧化鋅形式的鋅的添加量不超過1 600 mg/kg，并且通常時(shí)期的最高添加限量為110 mg/kg[8]。因此氧化鋅的用量應(yīng)該更加慎重。更為新型、有效、低劑量的氧化鋅產(chǎn)品制備迫在眉睫。

本試驗(yàn)采用包被方法中的熔融分散-冷卻法[9]制備出一種新型的包被納米氧化鋅，這種氧化鋅添加劑同時(shí)具備包被氧化鋅的抗胃酸壁材以及納米氧化鋅的納米效應(yīng)，期望其能在仔豬腹瀉的防治上取得良好的效果。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

納米氧化鋅（本實(shí)驗(yàn)室自制，制備方法參照萬志友等[10]的濕法研磨法，平均粒徑121 nm，純度≥98%）；硬脂酸（分析純，天津博迪化工股份有限公司）；二氧化硅（食品級(jí)）。

1.1.2 儀器

500 g電子天平（上海精科天美貿(mào)易有限公司）；DHG型電熱恒溫干燥箱（南京麥奔機(jī)械制造有限公司），HA-ST-02A-100 g高速萬能粉碎機(jī)（北京恒奧德科技有限公司）；納米粒度及Zeta電位儀Zetasizer na?no ZS（英國馬爾文儀器有限公司）。

1.2 工藝方法

1.2.1 芯材的制備

以二氧化硅作為稀釋與分散劑，將納米氧化鋅按比例加入到盛有二氧化硅的燒杯中，混合均勻，制成包被芯材，納米氧化鋅與二氧化硅的比例為50∶3。

1.2.2 芯材的包被

向高速萬能粉碎機(jī)中加入適量硬脂酸，緩慢加入芯材，充分混合粉碎，將混合好的物料放入200 ml燒杯中，放入恒溫干燥箱中加熱至70～75℃，使硬脂酸融化，然后取出冷卻至室溫，即得包被納米氧化鋅產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 硬脂酸添加量的篩選

將硬脂酸與芯材的配比設(shè)置為不同的比例（見表1），以最終產(chǎn)品在人工胃液中的溶出率做為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探索最佳的物料配比。

表1 包被納米氧化鋅的物料配比

1.3.2 包被納米氧化鋅在人工胃液中的溶出率的測定

斷奶仔豬的胃液pH值一般是在4.0左右，但是斷奶仔豬的飼料中通常會(huì)添加酸化劑，胃液的pH值會(huì)降低到3.5左右，因此本試驗(yàn)中的人工胃液pH值設(shè)定為3.5。由于飼料一般會(huì)在仔豬的胃中停留3 h左右，所以本試驗(yàn)中包被納米氧化鋅與人工胃酸的混合攪拌時(shí)間設(shè)定為3 h[11]。人工胃液的配制方法按照中國藥典2005版第二部的要求進(jìn)行配制：取濃度為1 mol/l的鹽酸，加去離子水進(jìn)行稀釋，調(diào)節(jié)pH值達(dá)到3.5，將胃蛋白酶按照1 g/100 ml的比例加入上述溶液中，充分溶解后，用微孔濾膜（孔徑為0.22 μm）過濾溶液，達(dá)到除菌的作用。量取400 ml的人工胃液，加入0.5 g的包被納米氧化鋅(以鋅計(jì))，在38℃、100 r/min的條件下攪拌3 h，經(jīng)孔徑為0.45 μm的濾膜過濾，取濾渣干燥檢測氧化鋅含量[11]，氧化鋅檢測參照周紅方法[12]。

1.3.3 包被納米氧化鋅在人工腸液中的釋放率的測定

根據(jù)包被納米氧化鋅產(chǎn)品的耐胃酸性確定最佳的工藝條件后，在此條件下制備一批產(chǎn)品，考察其腸溶性。人工腸液的配制方法按照中國藥典2005版第二部的要求進(jìn)行配制：稱取KH2PO40.68 g，加去離子水溶解，調(diào)節(jié)pH值為6.8，定容至100 ml，然后加入1 g胰酶粉，充分溶解后，用微孔濾膜(孔徑0.22 μm)過濾除菌，量取400 ml的人工腸液，加入0.5 g的包被納米氧化鋅(以鋅計(jì))，在38℃、100 r/min的條件下攪拌，分別在2、4、6 h和8 h取樣，然后經(jīng)孔徑為0.45 μm的濾膜過濾，檢測濾液中氧化鋅的含量[11]，氧化鋅的檢測參照周紅方法[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 包被納米氧化鋅在人工胃液中的溶出率

為了獲得合格的包被納米氧化鋅產(chǎn)品和更加合理可行的制備工藝條件，本研究對(duì)熔融分散-冷卻法制備包被納米氧化鋅的最佳物料配比進(jìn)行了考查，結(jié)果如表2所示。

表2 不同物料比例下包被納米氧化鋅在人工胃液（400 ml）中的溶出率

由表2可知，當(dāng)氧化鋅∶二氧化硅∶硬脂酸=50∶3∶3時(shí)，產(chǎn)品在人工胃液（400 ml）中3 h后的溶出率為1.87%。當(dāng)硬脂酸低于該添加比例時(shí)，包被納米氧化鋅產(chǎn)品在人工胃液中的溶出率較高，不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品耐胃酸的特性；但即使再增加硬脂酸的添加比例，也沒有對(duì)產(chǎn)品的耐胃酸性起到明顯進(jìn)一步提高的作用。因此，氧化鋅∶二氧化硅∶硬脂酸=50∶3∶3是該工藝條件下物料的最佳配比。

2.2 包被納米氧化鋅在人工腸液中的釋放率

圖1 包被納米氧化鋅在人工腸液中的釋放率

由圖1可見，包被納米氧化鋅與人工腸液混合2、4、6 h和8 h后，其在人工腸液中的釋放度分別達(dá)到44.68%、84.79%、92.35%和92.69%。由此可以看出，納米氧化鋅的包被壁材在仔豬腸液環(huán)境中可以被分解，從而釋放出納米氧化鋅對(duì)仔豬的腸道功能產(chǎn)生積極作用。從釋放速率來看，納米氧化鋅在開始2 h內(nèi)釋放速率較快，2 h時(shí)釋放率達(dá)到44.68%，隨后逐步減緩，在6 h時(shí)釋放率接近最大值，達(dá)到了使納米氧化鋅在仔豬腸道緩釋的效果。

2.3 包被納米氧化鋅的特性分析

根據(jù)包被的最佳制備條件，制得一批產(chǎn)品，并測量其主要參數(shù)，如表3所示。包被后的納米氧化鋅平均粒徑在1 μm左右，該產(chǎn)品粒徑小于普通的氧化鋅產(chǎn)品的粒徑，能夠作為飼料級(jí)添加劑在飼料產(chǎn)業(yè)中廣泛使用。

表3 包被納米氧化鋅產(chǎn)品的特性

3 討論

氧化鋅在仔豬身體的作用部位主要在于腸道，但是在通過仔豬胃酸環(huán)境的情況下，氧化鋅極易被分解成Zn2+，這使得到達(dá)仔豬腸道的氧化鋅數(shù)量大大減少[13]。Zn2+并不能起到抗腹瀉的作用，這是實(shí)際生產(chǎn)中投入遠(yuǎn)高于有效值的氧化鋅（3 000 mg/kg左右）的主要原因。包被氧化鋅表面存在能抵抗胃酸并且在腸段釋放的壁材，其已經(jīng)被研發(fā)并投入了仔豬腹瀉的試驗(yàn)研究當(dāng)中，其結(jié)果證明低劑量的包被氧化鋅可以達(dá)到高劑量氧化鋅的抗腹瀉與提高生長性能效果（1 000 mg/kg）[14]。同時(shí)納米技術(shù)的使用使氧化鋅的抗菌活性大幅度提高[15]，納米氧化鋅具有物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，在畜牧業(yè)生產(chǎn)中存在巨大潛力[16]。多項(xiàng)研究證明，450～600 mg/kg的納米氧化鋅可以達(dá)到與2 500～3 000 mg/kg普通氧化鋅相同的效果[17-18]。

本研究探索了納米氧化鋅包被的工藝方法，通過熔融分散-冷卻法制備出了包被納米氧化鋅。該工藝對(duì)設(shè)備的要求程度低，方法簡單，能夠廣泛運(yùn)用于食品與飼料行業(yè)中。該產(chǎn)品不僅具備納米氧化鋅的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，而且外壁存在的包被材料能夠抵抗仔豬的胃液并在仔豬腸液中溶解，從而在仔豬腸道中釋放納米氧化鋅，并且該產(chǎn)品可以達(dá)到納米氧化鋅在仔豬腸道中緩釋的作用，緩釋可以保證納米氧化鋅不僅在仔豬前腸段被吸收利用，還可以進(jìn)入仔豬的后腸段，使得納米氧化鋅為保證仔豬后腸段的健康發(fā)揮作用[19]。關(guān)于包被納米氧化鋅作為飼料添加劑在仔豬日糧中的飼喂效果，我們還將在進(jìn)一步的飼養(yǎng)試驗(yàn)中驗(yàn)證。

4 結(jié)論

以硬脂酸作為包被納米氧化鋅的壁材，在氧化鋅∶二氧化硅∶硬脂酸=50∶3∶3的配比條件下，利用熔融分散-冷卻法可以制得耐胃酸并具有腸溶性的產(chǎn)品。其在人工胃液中3 h后的溶出率為1.87%，在人工腸液中（6 h）的釋放率可以到達(dá)92.35%。該添加劑產(chǎn)品能夠達(dá)到使納米氧化鋅在仔豬胃腸環(huán)境中得到合理利用的目的。