熔融法制备包被纳米氧化锌工艺方法的研究

■陈 杰 祝家东 万志友 陈 浩 祝爱侠 王春维，2*

（1.武汉轻工大学生猪健康养殖湖北省协同创新中心，湖北武汉430023；2.武汉轻工大学武汉市畜禽饲料工程技术研究中心，湖北武汉430023）

近年来，越来越多的规模化猪场采用早期断奶的饲喂方法[1]。仔猪的早期断奶虽然可以提高母猪的利用效率和仔猪的饲喂效率，但是早期断奶的仔猪过早的脱离奶水，其肠道发育尚不完善，对营养物质的消化吸收率较低，比通常时间断奶的仔猪更易产生腹泻[2]。早期断奶仔猪的日粮中添加高剂量氧化锌能有效控制仔猪腹泻、改善生长性能、提高日增重和料耗增重[3]。但在饲喂高锌日粮的情况下，由于氧化锌的生物学利用率较低，不能被充分吸收利用，而是随着粪便排出体外，所以会造成环境的污染和资源的浪费。并且长期饲喂高剂量的氧化锌会影响仔猪的皮毛状况，导致皮毛粗糙，影响感官评价指标[4]。国内外正不断寻找高剂量氧化锌的替代品。

纳米氧化锌除了具有生物活性高、易吸收等优点外，还具有纳米金属物质的特殊杀菌作用[5]。因此添加低剂量（500 mg/kg左右）的纳米氧化锌即可达到高剂量普通氧化锌的作用效果[6]。另一方面，仔猪胃内的pH值一般在3.5左右，因此氧化锌易在胃酸环境中与盐酸反应生成氯化锌，使到达肠道的氧化锌数量大大降低，因此包被氧化锌（1 000 mg/kg左右）通过其包被材质对胃酸的抵抗作用，同样作为更低剂量的新型氧化锌产品代替高剂量氧化锌的使用[7]。2017年12月，农业部修订了《饲料添加剂安全使用规范》，其中对锌的限量更改为：仔猪断奶后前2周配合饲料中氧化锌形式的锌的添加量不超过1 600 mg/kg，并且通常时期的最高添加限量为110 mg/kg[8]。因此氧化锌的用量应该更加慎重。更为新型、有效、低剂量的氧化锌产品制备迫在眉睫。

本试验采用包被方法中的熔融分散-冷却法[9]制备出一种新型的包被纳米氧化锌，这种氧化锌添加剂同时具备包被氧化锌的抗胃酸壁材以及纳米氧化锌的纳米效应，期望其能在仔猪腹泻的防治上取得良好的效果。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

纳米氧化锌（本实验室自制，制备方法参照万志友等[10]的湿法研磨法，平均粒径121 nm，纯度≥98%）；硬脂酸（分析纯，天津博迪化工股份有限公司）；二氧化硅（食品级）。

1.1.2 仪器

500 g电子天平（上海精科天美贸易有限公司）；DHG型电热恒温干燥箱（南京麦奔机械制造有限公司），HA-ST-02A-100 g高速万能粉碎机（北京恒奥德科技有限公司）；纳米粒度及Zeta电位仪Zetasizer na⁃no ZS（英国马尔文仪器有限公司）。

1.2 工艺方法

1.2.1 芯材的制备

以二氧化硅作为稀释与分散剂，将纳米氧化锌按比例加入到盛有二氧化硅的烧杯中，混合均匀，制成包被芯材，纳米氧化锌与二氧化硅的比例为50∶3。

1.2.2 芯材的包被

向高速万能粉碎机中加入适量硬脂酸，缓慢加入芯材，充分混合粉碎，将混合好的物料放入200 ml烧杯中，放入恒温干燥箱中加热至70～75℃，使硬脂酸融化，然后取出冷却至室温，即得包被纳米氧化锌产品。

1.3 试验方法

1.3.1 硬脂酸添加量的筛选

将硬脂酸与芯材的配比设置为不同的比例（见表1），以最终产品在人工胃液中的溶出率做为评价指标，探索最佳的物料配比。

表1 包被纳米氧化锌的物料配比

1.3.2 包被纳米氧化锌在人工胃液中的溶出率的测定

断奶仔猪的胃液pH值一般是在4.0左右，但是断奶仔猪的饲料中通常会添加酸化剂，胃液的pH值会降低到3.5左右，因此本试验中的人工胃液pH值设定为3.5。由于饲料一般会在仔猪的胃中停留3 h左右，所以本试验中包被纳米氧化锌与人工胃酸的混合搅拌时间设定为3 h[11]。人工胃液的配制方法按照中国药典2005版第二部的要求进行配制：取浓度为1 mol/l的盐酸，加去离子水进行稀释，调节pH值达到3.5，将胃蛋白酶按照1 g/100 ml的比例加入上述溶液中，充分溶解后，用微孔滤膜（孔径为0.22 μm）过滤溶液，达到除菌的作用。量取400 ml的人工胃液，加入0.5 g的包被纳米氧化锌(以锌计)，在38℃、100 r/min的条件下搅拌3 h，经孔径为0.45 μm的滤膜过滤，取滤渣干燥检测氧化锌含量[11]，氧化锌检测参照周红方法[12]。

1.3.3 包被纳米氧化锌在人工肠液中的释放率的测定

根据包被纳米氧化锌产品的耐胃酸性确定最佳的工艺条件后，在此条件下制备一批产品，考察其肠溶性。人工肠液的配制方法按照中国药典2005版第二部的要求进行配制：称取KH2PO40.68 g，加去离子水溶解，调节pH值为6.8，定容至100 ml，然后加入1 g胰酶粉，充分溶解后，用微孔滤膜(孔径0.22 μm)过滤除菌，量取400 ml的人工肠液，加入0.5 g的包被纳米氧化锌(以锌计)，在38℃、100 r/min的条件下搅拌，分别在2、4、6 h和8 h取样，然后经孔径为0.45 μm的滤膜过滤，检测滤液中氧化锌的含量[11]，氧化锌的检测参照周红方法[12]。

2 结果与分析

2.1 包被纳米氧化锌在人工胃液中的溶出率

为了获得合格的包被纳米氧化锌产品和更加合理可行的制备工艺条件，本研究对熔融分散-冷却法制备包被纳米氧化锌的最佳物料配比进行了考查，结果如表2所示。

表2 不同物料比例下包被纳米氧化锌在人工胃液（400 ml）中的溶出率

由表2可知，当氧化锌∶二氧化硅∶硬脂酸=50∶3∶3时，产品在人工胃液（400 ml）中3 h后的溶出率为1.87%。当硬脂酸低于该添加比例时，包被纳米氧化锌产品在人工胃液中的溶出率较高，不能实现产品耐胃酸的特性；但即使再增加硬脂酸的添加比例，也没有对产品的耐胃酸性起到明显进一步提高的作用。因此，氧化锌∶二氧化硅∶硬脂酸=50∶3∶3是该工艺条件下物料的最佳配比。

2.2 包被纳米氧化锌在人工肠液中的释放率

图1 包被纳米氧化锌在人工肠液中的释放率

由图1可见，包被纳米氧化锌与人工肠液混合2、4、6 h和8 h后，其在人工肠液中的释放度分别达到44.68%、84.79%、92.35%和92.69%。由此可以看出，纳米氧化锌的包被壁材在仔猪肠液环境中可以被分解，从而释放出纳米氧化锌对仔猪的肠道功能产生积极作用。从释放速率来看，纳米氧化锌在开始2 h内释放速率较快，2 h时释放率达到44.68%，随后逐步减缓，在6 h时释放率接近最大值，达到了使纳米氧化锌在仔猪肠道缓释的效果。

2.3 包被纳米氧化锌的特性分析

根据包被的最佳制备条件，制得一批产品，并测量其主要参数，如表3所示。包被后的纳米氧化锌平均粒径在1 μm左右，该产品粒径小于普通的氧化锌产品的粒径，能够作为饲料级添加剂在饲料产业中广泛使用。

表3 包被纳米氧化锌产品的特性

3 讨论

氧化锌在仔猪身体的作用部位主要在于肠道，但是在通过仔猪胃酸环境的情况下，氧化锌极易被分解成Zn2+，这使得到达仔猪肠道的氧化锌数量大大减少[13]。Zn2+并不能起到抗腹泻的作用，这是实际生产中投入远高于有效值的氧化锌（3 000 mg/kg左右）的主要原因。包被氧化锌表面存在能抵抗胃酸并且在肠段释放的壁材，其已经被研发并投入了仔猪腹泻的试验研究当中，其结果证明低剂量的包被氧化锌可以达到高剂量氧化锌的抗腹泻与提高生长性能效果（1 000 mg/kg）[14]。同时纳米技术的使用使氧化锌的抗菌活性大幅度提高[15]，纳米氧化锌具有物理、化学和生物学特性，在畜牧业生产中存在巨大潜力[16]。多项研究证明，450～600 mg/kg的纳米氧化锌可以达到与2 500～3 000 mg/kg普通氧化锌相同的效果[17-18]。

本研究探索了纳米氧化锌包被的工艺方法，通过熔融分散-冷却法制备出了包被纳米氧化锌。该工艺对设备的要求程度低，方法简单，能够广泛运用于食品与饲料行业中。该产品不仅具备纳米氧化锌的物理、化学和生物学特性，而且外壁存在的包被材料能够抵抗仔猪的胃液并在仔猪肠液中溶解，从而在仔猪肠道中释放纳米氧化锌，并且该产品可以达到纳米氧化锌在仔猪肠道中缓释的作用，缓释可以保证纳米氧化锌不仅在仔猪前肠段被吸收利用，还可以进入仔猪的后肠段，使得纳米氧化锌为保证仔猪后肠段的健康发挥作用[19]。关于包被纳米氧化锌作为饲料添加剂在仔猪日粮中的饲喂效果，我们还将在进一步的饲养试验中验证。

4 结论

以硬脂酸作为包被纳米氧化锌的壁材，在氧化锌∶二氧化硅∶硬脂酸=50∶3∶3的配比条件下，利用熔融分散-冷却法可以制得耐胃酸并具有肠溶性的产品。其在人工胃液中3 h后的溶出率为1.87%，在人工肠液中（6 h）的释放率可以到达92.35%。该添加剂产品能够达到使纳米氧化锌在仔猪胃肠环境中得到合理利用的目的。