无机抗菌剂在饲料中的应用研究进展

■周岩民 唐志刚

（南京农业大学动物科技学院，江苏南京210095）

养殖业是我国国民经济重要的基础产业之一，2013年，我国养殖业总产值约为28 435亿元，预计到2015年，养殖业总产值将占农业总产值的48.6%，成为农业第一大产业。养殖业不仅为提高人民生活水平提供了丰富的动物性产品，亦与农业产业结构调整、农业增效和农民增收密切相关。随着我国经济的稳步增长，养殖业仍有较大的发展空间。但我国养殖业亦存在着养殖设施落后、饲料资源缺乏、动物疾病多发、环境污染严重、养殖效益波动大等问题。为保障我国养殖业可持续发展，养殖业必须实施健康养殖战略，向安全、高效、低耗、优质、环保方向发展，确保动物健康。然而，随着养殖业集约化程度和动物生产性能的提高，动物疾病越来越复杂，为防治动物疾病，抗生素用量不断增大。养殖业中使用抗生素的目的主要是防治细菌性疾病，或低剂量作为生长促进剂，但抗生素的大量使用易造成耐药细菌增多、动物产生免疫抑制、动物产品抗生素残留等问题，并存在生态风险。目前，欧盟已禁止将抗生素用作饲料添加剂，美国允许在饲料中使用的抗生素数量也大幅下降，我国在饲料中禁用或限用抗生素亦已成为必然。为此，迫切需要研制高效、安全的抗生素替代品。目前，研究较多的抗生素替代品主要有益生菌、寡糖、有机酸、抗菌肽、植物提取物等，且取得了较大进展，但上述产品尚无法完全替代抗生素，主要原因是其抑菌和杀菌作用不强，在防治细菌性疾病方面的作用难以与抗生素相比。因此，在充分考虑抗生素替代品安全性的同时必须提高相关产品的抗菌作用。

抗菌剂是指在一定时间内可使细菌、霉菌等病原微生物生长或繁殖受到抑制或可杀灭微生物的化学物质，根据制作材料的不同，可分为有机抗菌剂、无机抗菌剂和天然抗菌剂(严玉蓉等，2001)。无机抗菌剂是在无机载体中添加具有抗菌效果的金属及其氧化物等制成的复合物，具有抗菌活性持久、不产生耐药性、稳定性高等优点，已引起世界各国重视(Hrenovic等，2012；Top等，2004)。无机抗菌剂最早由日本于20世纪80年代研制成功，我国也于90年代开始进行无机抗菌剂产品的研发，并已在食品、生物、纺织、轻工、医药、环保、材料等行业中得到了广泛应用，取得了十分显著的效果和巨大的经济效益，但无机抗菌剂在饲料中的应用研究尚处于起步阶段。为此，本文就无机抗菌剂的特点、体外抗菌性能及机理、制备方法及其在饲料中的应用研究进展进行综述，旨在为无机抗菌剂开发和在饲料中的合理应用提供参考。

1 无机抗菌剂的分类及特点

无机抗菌剂是利用无机材料（沸石、蒙脱石、凹凸棒石等）和银、铜、锌等金属及其离子的杀菌或者抑菌能力通过液相或固相方法制得的一类抗菌剂(江山,2003)。根据载体类型不同，无机抗菌剂可分为：硅酸盐类、可溶性玻璃类和硅胶类抗菌剂等；而根据离子或金属抗菌性能可分为：离子型（银、铜、锌型无机抗菌剂）、磷酸盐系、金属氧化物系抗菌剂和光催化型抗菌剂等(孙剑等，2007；夏海民等,2010)。 研究较多的无机抗菌剂为负载Ag+、Cu2+、Zn2+等抗菌离子的沸石类、蒙脱石类抗菌剂，也有少数关于负载抗菌离子的凹凸棒石黏土类抗菌剂的研究(罗有文,2007)。

与抗生素和其他抗菌材料相比，无机抗菌剂应用于饲料中具有以下特点：①安全性高：无机抗菌剂所含载体一般为沸石、蒙脱石等饲料原料，另外其所含金属离子如铜、锌是动物机体所需微量元素，对动物安全无毒；②持久抗菌：无机抗菌剂的载体一般为多孔道物质，其缓释性好，故有较佳的耐久性；③广谱抗菌性：金属离子的种类不同，对各种菌种的抗菌和杀菌效果也不同；④无耐药性；⑤稳定性高，在饲料加工中不易失活(孙剑等,2007)。

2 无机抗菌剂的抗菌性能及其抗菌机理

2.1 体外抗菌性能研究进展

无机抗菌剂利用Ag+、Cu2+、Zn2+等抗菌离子破坏病原菌微生物的细胞壁、阻止DNA转录、抑制细菌酶活性，或通过Ag+结合细菌蛋白质中的巯基、阻止蛋白质合成(Malachová等,2011)。用沸石制备的抗菌沸石对绿脓假单胞菌和大肠杆菌有很强的抑菌、杀菌能力，抗菌活性为：Ag+＞ Zn2+＞Cu2+，表明载银沸石的抗菌性能可能优于负载其他金属离子的沸石类抗菌剂(Top等，2004)。Fang等(2006)研究6种抗菌剂对细菌的影响表明，氧化锌-沸石复合物对链球菌、黏性放线菌、干酪乳杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌能力明显优于其他抗菌产品。利用天然斜发沸石制备的无机抗菌剂中，载锌沸石和载铜沸石在重度污染的水中或人工模拟的污水中均对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具有抗菌活性，其抗菌活性优于载镍沸石(Hrenovic等，2012)。Casemiro等(2008)发现，载锌-银沸石对白色念球菌和变形链球菌的增殖有一定抑制作用。严玉蓉等(2001)指出，无机抗菌剂对细菌的抑菌作用存在一定差别，其抑菌强度为：Ag+＞Co2+＞Ni+≥Al3+≥Zn2+≥Cu2+=Fe3+＞Mn2+≥Sn2+＞Ba2+≥Mg2+；对霉菌的抑菌作用顺序为：Ni+＞Cu2+＞Co2+＞Zn2+=Ag+=Fe3+=Al3+＞Sn2+=Mn2+＞Ba2+＞Mg2+＞Ca2+。由此可见，含Ag+、Cu2+、Zn2+无机抗菌剂对细菌和霉菌均具有一定的抑菌或杀菌效果。

2.2 抗菌机理

无机抗菌剂的抗菌机理与抗菌离子或金属的种类有关。用硅酸盐类非金属矿负载Ag+、Cu2+、Zn2+等金属离子后可制成各种抗菌剂。在抗菌剂使用过程中，金属离子逐渐从抗菌剂中释出，与微生物体内的蛋白质、核酸中存在的巯基（-SH）、氨基（-NH2）等含硫、氨的官能团发生反应，阻止微生物的正常繁殖、生长和发育等过程，从而达到抗菌目的。目前，无机抗菌剂的作用机理存在两种观点。

式中：X为金属离子；m为1，2；n为金属离子电荷数，1，2，…。

②催化作用：即活性氧抗菌机理，即在光的作用下，抗菌剂中的金属离子能起到催化活性中心的作用，它们可激活空气或水中的氧生成活性氧(O2-)或羟自由基(·OH)，这些产物具有很强还原能力，从而使细菌分解而将其杀灭(Malachová等,2011)。

另外，无机抗菌剂的抗菌活性可能与其所含载体对细菌或病原菌的吸附有关。研究表明，沸石及其改性产品能有效吸附大肠杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄球菌等细菌(Kubota等,2008)，其对腺病毒、疱疹病毒、柯萨奇肠道病毒、艾柯病毒等也有较好的吸附能力(Grce等，2005)。沸石等硅酸盐类载体的吸附性能主要取决于：①孔道结构和比表面积，较大的比表面积和较多的孔道可为吸附提供足够的空间；②载体的自身电荷，沸石等载体由阳离子和带负电荷的硅铝氧骨架所构成，其表面负电荷对带正电荷、极性或不饱和分子有较强吸附能力(鸟居一雄等,1979)。

3 无机抗菌剂的制备方法

根据所用载体和金属离子的不同，无机抗菌剂的制备方法亦不相同，目前常用的方法主要有液相交换吸附法和固相离子熔融法两种。

3.1 液相交换吸附法

液相交换吸附法是将Ag+、Cu2+、Zn2+等抗菌离子配制成溶液，然后将沸石、蒙脱石等硅酸盐类非金属矿和上述溶液按照合适的固液比值混合后在一定条件下反应的方法(章莉娟等,1999)。王慧华等(2004)通过正交设计比较液相交换吸附法中各种反应因素对沸石类无机抗菌剂的影响，结果发现，反应溶液锌离子浓度是影响沸石负载锌的主要因素，而pH值、温度、时间对整个反应过程影响较小，其中反应温度在60～80℃、pH值在4～8条件下，沸石最大载锌量为1%左右。通过液相交换吸附法制备无机抗菌剂，不同反应条件下其抗菌离子的含量存在一定差异。

3.2 固相离子熔融法

固相离子熔融法是将硅酸盐非金属矿和金属及其盐类混合均匀，利用高温使金属离子扩散、迁移到沸石等硅酸盐的孔道或晶格中的方法。利用熔融法制备抗菌沸石时，反应温度是影响反应的主要因素(肖士民等,1998)。而不同粒度、反应时间和金属化合物用量对载体（沸石）中抗菌金属离子（锌）含量存在一定影响，在反应温度为500℃、时间为3 h、氯化锌∶沸石=1∶2时，沸石载锌量达到最大值，约为10%(肖士民等,1998)。

4 无机抗菌剂在饲料中的应用研究进展

虽然载银无机抗菌剂的抑菌和杀菌效果最佳，但银对动物的生理及毒性作用尚未阐明，因此，无机抗菌剂在动物营养与饲料领域中的应用研究主要集中于载铜、载氧化锌蒙脱石和载锌沸石，且已有一些在猪、鸡饲料中应用的研究报道。

4.1 替代抗生素

肉鸡感染沙门氏菌后，其生产性能、抗氧化功能明显下降；而在肉鸡饲料中添加0.2%载锌沸石（锌含量0.67%），可提高感染沙门氏菌肉鸡的平均日增重，降低肠道内沙门氏菌数量，改善程度与添加抗生素（金霉素）相一致(Wang等,2012)。Tang等(2014a)研究也表明，在肉鸡日粮中添加0.1%或0.2%载锌沸石，能显著提高肉鸡生产性能和抗氧化功能，减少肉鸡盲肠中的大肠杆菌数量，提示载锌沸石等无机抗菌剂可作为抗生素的潜在替代品应用于饲料中，以预防或治疗肠道细菌感染、促进生长。

4.2 抗腹泻或肠道保护

研究表明，在断奶仔猪饲料中添加载铜蒙脱石可提高断奶仔猪的生产性能，减少肠道中的大肠杆菌数量，增加仔猪肠道绒毛高度，改善仔猪肠道健康(Xia等,2005)；载铜蒙脱石也能改善肉鸡生产性能、肠道消化酶活性、肠道结构与功能(Xia等,2004)。以上研究结果提示，无机抗菌剂可促进肠道健康，改善动物生产性能。

氧化锌作为仔猪抗腹泻药物已在动物营养中得到广泛应用。在日粮中添加500 mg/kg氧化锌-蒙脱石复合物可提高仔猪的平均日增重和采食量，降低粪便指数，降低血清D-半乳糖和二胺氧化酶活性，增加肠道绒毛高度，减少仔猪腹泻(Hu等,2012a)。仔猪饲料中添加500 mg/kg和750 mg/kg氧化锌-蒙脱石复合物可提高仔猪生长性能，降低仔猪肠道渗透功能，减少仔猪腹泻(Hu等,2012b)。而Hu等(2013a)研究也表明，载氧化锌沸石能显著改善断奶仔猪的肠道渗透性和微生物区系，提高仔猪抗应激能力，减少仔猪因断奶应激造成的腹泻。Tang等(2014b)研究表明，在肉鸡日粮中添加80 mg/kg载锌沸石可改善肉鸡肠道结构，提高肉鸡肠道的IgG和sIgA的含量，保护肉鸡肠道黏膜的正常功能。

4.3 补充微量元素

正常情况下，日粮或饲料中铜、锌等微量元素不能满足动物需要，因此，饲料中一般需要额外添加微量元素，防止动物因缺少微量元素造成机体代谢异常。Hu等（2013b）研究表明，在肉鸡日粮中添加60 mg/kg氧化锌-蒙脱石复合物可促进肉鸡生长，其效果优于60 mg/kg硫酸锌。罗有文(2007)研究表明，添加40 mg/kg或80 mg/kg载锌凹凸棒石可显著提高肉鸡的增重，效果优于80 mg/kg硫酸锌。结果提示，无机抗菌剂应用于饲料中在发挥抗菌作用的同时，能作为微量元素添加剂补充动物所需的相关微量元素，促进动物生长。

5 无机抗菌剂在饲料中的应用展望

无机抗菌剂的研究虽已有近30年历史，但在饲料中的应用研究起步较晚，有必要进行更为深入系统的研究。首先必须确定无机抗菌剂产品在饲料中应用的安全性、有效性、稳定性、经济性、可靠性，以确保产品的应用效果。同时，有必要对无机抗菌剂的微观结构、与微生物的相互作用、在动物体内的作用规律、作为微量元素补充时的吸收和转运途径进行深入研究，为无机抗菌剂的开发和合理应用提供理论依据。对无机抗菌剂生产技术亦需进行研究优化，以生产出稳定性高、成本低的产品，有利于无机抗菌剂产品的产业化和推广应用。

无机抗菌剂主要是通过合适的载体（沸石、蒙脱石、凹凸棒石等）负载铜、锌、氧化锌等制备的复合抗菌材料，所用材料均为常规饲料原料，资源丰富，制备工艺亦日趋成熟。已有的研究表明，无机抗菌剂具有良好的抑菌和杀菌作用，较低的用量即可获得较强的抗菌性，且抗菌谱广，具有替代抗生素的潜力。此外，无机抗菌剂在替代饲料中抗生素的同时，可利用载体的缓释功能、离子交换功能等为动物补充微量元素。因此，无机抗菌剂具有抗菌和补充微量元素的双重功能，推广应用后可望减少饲料中抗生素和微量元素的用量，降低抗生素使用造成的风险、减少金属微量元素排放，降低环境污染，节约资源，从而为健康养殖提供技术支持。