微波改性竹炭颗粒对实验性腹泻大鼠免疫性能和消化吸收功能的影响

王建辉，刘永乐，李赤翎，刘冬敏，尹欣欣，李 艳，王群辉

1长沙理工大学化学与生物工程学院，长沙 410114;2长沙高新开发区大自然生物科技有限公司，长沙 410205

微波改性竹炭颗粒对实验性腹泻大鼠免疫性能和消化吸收功能的影响

王建辉1，2*，刘永乐1，李赤翎1，刘冬敏1，尹欣欣1，李 艳2，王群辉2

1长沙理工大学化学与生物工程学院，长沙 410114;2长沙高新开发区大自然生物科技有限公司，长沙 410205

旨以研究活性竹炭颗粒(MABCP)对实验性腹泻大鼠免疫性能和消化吸收功能的影响，在大鼠饲粮中分别添加0.05，0.10，0.15%的经KOH微波活化处理的竹炭颗粒，对模型大鼠进行为期一周的饲养试验。研究发现:经KOH微波活化的竹炭颗粒，比表面积与吸附性能大幅增强，其能显著降低腹泻大鼠稀便率(P＜0.05)，有效增加胸腺和脾脏指数(P＜0.05);显著提高腹泻大鼠血清D-木糖含量(P＜0.05)，但对消化酶如淀粉酶活性无显著影响(P＞0.05);肠道线粒体琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、H+-ATP酶活性显著增强(P＜0.05)，MDA生成量显著降低(P＜0.05)。试验表明MABCP可提高体积免疫性能，改善小肠吸收功能，减少肠道自由基生成，有效维持或改善细胞氧化磷酸化水平，其中以低剂量添加效果更为明显。

微波改性竹炭颗粒;大鼠;免疫性能;消化吸收功能;细胞氧化磷酸化

我国竹材资源丰富，而竹炭是竹材快速热裂解的主要产品之一，其比表面积丰富，表面拥有羧基、酚羟基等含氧官能团和少量含硫、氢、氯等其他元素的表面官能团。因其特殊的表面物理结构和化学结构特性，已成为一种在环保、医学和食品等领域具有广阔应用前景的新型吸附材料［1］。旨以提高竹炭的比表面积与吸附能力，常对其予以活化，国内以往多以磷酸法和微波活化制备活性炭为主［2-5］，且研究主要集中在对其产品性能与性状分析，而对其生理活性功能研究甚少。本研究拟采用KOH微波辐射活化的竹炭［6］，在明晰其比表面积特征及其吸附性能参数的基础上，通过实验性腹泻大鼠饲养试验，评价其对大鼠免疫及消化吸收功能的影响，为MABCP在医药、食品、农业中的应用提供科学依据和理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

活性竹炭:自制，竹材取自湖南省安化县。

1.1.1 试剂

D-木糖，间苯三酚，氢氧化钾、亚甲基蓝、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、碘化钾、硫代硫酸钠、重铬酸钾、可溶性淀粉、硫酸铜、98%硫酸、37%盐酸等均为分析纯;MDA、考马斯亮蓝蛋白定量试剂盒均由南京建成生物工程研究所提供，NADH、ATP均由Amresco公司提供。

1.1.2 仪器

LD-04型四两装高速中药粉碎机(北京中西远大科技有限公司)，MAS-I-900型常压微波辅助合成反应仪(上海新仪微波化学科技有限公司)，SHBШ循环水式多用真空泵(开封市宏兴科教仪器厂)，DHG-9036A电热恒温鼓风干燥箱(南京安奈试验设备有限公司)，BS323S电子天平(南京庚辰科学仪器公司)，HQL150B大振幅恒温冷冻摇床(武汉中科科仪技术发展有限责任公司)，721W微机型可见分光光度计(天津汇科仪器设备有限公司)，3H-2000Ш型全自动氮吸附比表面积测试仪(贝士德仪器科技有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 MABCP制备工艺及性能

先将竹材废料微波裂解制备得到的炭样粉碎过筛(800～200 μm)，称取炭粉200.0 g，用40 mL一定浓度的KOH溶液浸泡，浸泡一段时间后滤干，放入带盖瓷坩锅中，然后送入微波炉并采用一定的微波功率加热使之活化。对活化后的产品先冷却到室温，而后进行酸洗(酸洗采用体积分数为10%的稀盐酸溶液)、漂洗(使物料的pH值在6～7之间)、抽滤、烘干，最后得MABCP。根据以往研究结果，选择KOH质量分数25%，浸渍时间24 h，微波功率800 W，活化时间7 min;在此工艺条件下制备的竹质活性炭比表面积大，吸附性能优良，其碘吸附值为1356 mg/g，亚甲基蓝吸附值为283 mg/g，比表面积达1436 m2/g。

1.2.2 大鼠饲养试验及评价指标

大鼠腹泻型大鼠造模参照田佳鑫等［7］的方法，选用50只体重、日龄相近的健康清洁级SD幼龄大鼠，按20 mg/kg BW灌服200 g/L番泻叶浸剂，1次/d，连续7 d。在灌服3 d后，禁食不禁水32 h，由肛门注入80 g/L的乙酸0.05 mL，倒提20 s。造模成功后，随机分成5个处理组，阴性对照组、模型组和MABCP低、中、高剂量3个实验组，每个处理组10只大鼠。在典型大鼠日粮基础上，实验组分别添加MABCP，0.05%、0.10%和0.15%，自由饮水，自由采食，实验期为7 d。实验结束前禁食2 h后称重，按每公斤体重口腔灌注10%D-木糖溶液1 mL，在灌注60 min时采血，静置60 min，3000 rpm离心10 min，取血清，-70℃保存待用;断髓处死，迅速取出小肠肠段待用。

1.2.3 实验方法及指标测定

按金昔陆等［8］方法制备小肠上皮细胞线粒体，用考马斯亮蓝法测定蛋白含量;采用伍期专等［9］方法测定NADH脱氧酶活性;采用定磷法［10］测定H+-ATP酶活性;比色法定量测定琥珀酸脱氢酶活性;采用TBA化学法测定MDA含量。另外，采用间苯三酚比色法测定血清中D-木糖浓度，碘-淀粉比色法测定淀粉酶，稀便率=稀便粪粒数/总粪粒数;胸腺指数=胸腺重量/体重;脾脏指数=脾脏重量/体重。

1.3 数据分析

实验数据的统计分析采用SAS 6.12进行ANOVA方差分析，同时开展DUCAN式多重比较，结果以平均数±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 MABCP对实验大鼠稀便率的影响

稀便率是反映腹泻程度的重要指标。为期7 d的饲养试验结果发现，在实验性腹泻大鼠饲粮中添加MABCP，低、中、高剂量均可显著降低大鼠稀便率(P＜0.05)(表1)。竹炭颗粒由于其强大的比表面积和吸附性能，能有效吸附动物消化系统中动物饲料产品中残存的或消化过程中产生的有毒有害物质［11］，减少其对肠道形态结构和肠道微生态环境的危害，能有效控制肠道疾病的发生，维持肠道生态平衡和肠道健康。

表1 MABCP对实验大鼠稀便率的影响Table 1 Effect of MABCP on diarrhea rate in experimental rats

2.2 MABCP对实验大鼠免疫参数的影响

MABCP的添加可有效增加胸腺和脾脏指数(P＜0.05)(图1)，其中，低剂量组脾脏指数与对照组相当，显著高于模型组和中、高剂量组(P＜0.05)。动物体内的微生物可以很容易地被吸附于竹炭内表面，且活性竹炭挥发性成分中含有大量微生物赖以生存的营养物质，而微生物又能分解竹炭吸附的其余有害物质［11］，从而维持肠道健康，增强机体免疫能力。

2.3 MABCP对实验大鼠消化吸收功能的影响

D-木糖是一种戊糖，口服后经小肠吸收，在体内不被肝脏代谢，经肾脏排出，故血清D-木糖含量是小肠吸收功能呈正相关的较为敏感和特异的检测指标［12，13］;淀粉酶活性是反映消化酶分泌情况较为敏感和特异的检测指标［13-15］。研究结果发现:MABCP可以显著提高腹泻模型大鼠血清D-木糖含量(P＜0.05)，改善小肠的吸收功能，其中，低剂量组血清D-木糖含量与对照组相当，显著高于模型组和中、高剂量组(P＜0.05);但对消化酶如淀粉酶活性的分泌无显著影响(图2)。

2.4 MABCP对实验大鼠细胞氧化磷酸化水平的影响

琥珀酸脱氢酶是细胞线粒体内膜氧化磷酸化的标志酶之一，其比活性可以反映细胞氧化磷酸化功能情况［16，17］。NADH脱氢酶是呼吸链复合物中结构最复杂的酶复合物，其活性下降可导致氧化磷酸化耦联程度降低，线粒体功能受损，引发能量生成障碍;同时，电子传递链中电子漏出增多，超氧自由基生成增加。而氧自由基的增加，其引起线粒体内与ATP合成密切相关的H+-ATP酶活性下降，导致ATP合成减少，氧化磷酸化作用失衡。研究发现: MABCP可显著提高机体肠道上皮细胞线粒体琥珀酸脱氢酶的活性(P＜0.05)，其中，以低剂量效果更佳，与对照组相当(P＜0.05);同时，线粒体NADH脱氢酶、H+-ATP酶活性显著高于模型组(P＜0.05)，低于对照组(P＜0.05);MDA的生成量显著低于模型组(P＜0.05)，高于对照组(P＜0.05)(图3，4)。由此可知，在实验性腹泻大鼠饲粮中添加MABCP，线粒体内细胞氧化磷酸化相关酶类活性显著增强，显著减少氧自由基及自由基代谢产物MDA的生成，从而有效维持或改善细胞氧化磷酸化水平。究其原因，可能缘于活性竹炭颗粒硕大的内表空间，可有效吸附有害微生物，改善肠道免疫环境，同时，其能发射远红外线，释放负离子，释放水平达木炭的5倍［18-20］;而负离子可为细胞内补充大量的自由电子，减少自由基和活性氧的生成，从而有效改善肠道细胞环境与结构，维持其正常功能的发挥，保证呼吸链的畅通。

3 讨论与结论

众所周知，竹材取材容易，竹子以无性生殖方式繁殖，以加速竹子新陈代谢，5年以上尚未使用的成熟老竹就必须砍除，故竹材的取用，对环境绿化影响较小。竹炭是竹材在高温下热解后的固体产物，竹材经炭化后，其微管束、薄壁组织缩小，孔结构发生变化，因其特殊的微孔结构和生物特性，近年来备受关注［21］。竹炭内部孔隙结构发达，当炭化温度达600℃时，竹炭孔径分布随温度的升高逐渐从0.25～50 μm收缩到0.55～5.50 μm［22］;比表面积增大，自250～300 m2/g可达2123 m2/g［23］，因此具有很强的吸附能力。同时，竹炭含碳率(约75～86%)较木炭(≥87～93%)低，不适合作为燃料型炭材。经活化处理后的竹炭具有更加优良的吸附、过滤功能特性，如在700℃炭化所得竹炭，碾碎至150～300 μm，再用KOH粉予以活化，其比表面积可从300 m2/g增大到2500 m2/g［20，24］。

消化道是动物体内物质代谢和能量代谢最为旺盛的系统之一，也是体内最大的内分泌器官，消化系统的发育、氧化还原状态、酶系及微生物菌群的平衡是保证其功能正常的必要条件，而幼龄动物由于消化道发育不完整、腺体功能不全、微生物区系不健全等原因，极易受外界因素的影响而导致消化道疾病。因此寻找新的消化道调节剂，并探索其对幼龄动物消化道发育、功能的调节机理，可有效地预防和控制消化道疾病、提高动物健康水平，具有十分重要的理论和实际意义。

本研究在国内外首次探讨了活性竹炭颗粒对幼龄模型大鼠消化道功能及其免疫性能的影响，研究使用的MABCP，其比表面积为1436 m2/g，吸附性能大大增强，试验发现其可控制肠道稀便率，维护肠道健康，同时，提高机体免疫能力，在不影响动物消化能力的基础上改善动物的吸收能力，有效维持或改善细胞氧化磷酸化水平。究其原因，可能源于竹炭颗粒能有效吸附动物饲料中或饲料消化代谢过程中产生的有毒有害物质，从而降低腹泻大鼠模型动物的进一步损伤，表现出对模型动物免疫性能及肠道消化吸收功能的良好修复作用，其中以低剂量效果更佳。然而，由于此领域的研究甚少，旨以明晰活性竹炭颗粒的生理功能及其作用机理，有待进一步开展体内体外的相关研究。

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Effect of Microwave Modified Bamboo Charcoal Particles on Immune Performance and Digestive Absorption Function of Experimentally Induced Diarrhea Rats

WANG Jian-hui1，2*，LIU Yong-le1，LI Chi-ling1，LIU Dong-min1，YIN Xin-xin1，LI Yan2，WANG Qun-hui2

1Department of Chemistry and bioengineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，China;2Supernatural Biotechnology Co.Ltd，Changsha High-Tech development Zone，Changsha 410205，China

In order to investigate the effect of bamboo charcoal particles on immune performance and digestive absorption function of experimentally induced diarrhea rats，microwave activated bamboo charcoal particles(MABCP)was added into their diets at 0.05%，0.10%，and 0.15%to conduct a 7-day feeding trials.Microwave activation significantly enhanced the specific surface area and adsorption performance of bamboo charcoal particles.When MABCP were added into the rat diet，diarrhea rate was significantly reduced(P＜0.05)，and the thymus and spleen indices were effectively increased(P＜0.05).Serum D-xylose content was significantly improved in the diarrhea rats(P＜0.05)，but not for digestive enzymes such as amylase activity(P＞0.05).Intestinal mitochondrial NADH dedydrogenase，H+-ATPase and succinate dehydrogenase activities were increased(P＜0.05)and MDA content was decreased significantly(P＜0.05).The results indicated that MABCP could improve immune performance，enhance the small intestinal absorption function，decrease radical production and maintain/ameliorate cellular oxidative phosphorylation level;the comparatively optimal dietary level of MABCP was 0.05%.

microwave activated bamboo charcoal particles;rat;immune performance;digestive absorption function;cellular oxidative phosphorylation

TS231

A

1001-6880(2012)05-0677-05

2011-05-16 接受日期:2011-10-31

第39批留学回国人员科研启动基金项目;湖南省自然科学基金项目(11JJ6025);湖南省科技厅科技计划项目(2010NK3004);湖南省教育厅科学研究项目(10C0391)

*通讯作者 E-mail:wangjh0909@yahoo.com