納米氧化鋅在畜牧生產中的研究進展

吳 勝，彭 艷

（上海美農生物科技股份有限公司，上海 201807）

鋅是一種重要的微量元素，是國際生物化學與分子生物學聯盟（IUBMB）規定的六類酶中唯一的金屬，具有廣泛的生物活性，其不能在體內儲存，需要定期通過飲食攝入來滿足生理需要，在生物系統中鑒定的200多種鋅酶中起催化、合成和調節作用[1]。在DNA和RNA等大分子的聚合組織、蛋白質合成、細胞分裂和生物膜的穩定性等方面發揮著重要的作用[2]。從生理學上講，鋅對于生長發育、性成熟和生殖、暗視覺適應、嗅覺和味覺活動、胰島素的儲存和釋放、減輕疼痛、抗氧化應激以及各種宿主免疫防御等都是至關重要的[3]。

納米氧化鋅是指粒徑為1~100 nm的氧化鋅納米粒子，隨著粒徑變小，其理化特性從根本上發生改變，生物學活性更高，作為飼料添加劑比普通氧化鋅具有更多的優點[4-5]。在動物日糧中少量添加，可以達到比高劑量普通氧化鋅更好的抗腹瀉促生長效果，同時避免高劑量氧化鋅對環境的污染和資源的浪費[6]。因此，本文就納米氧化鋅的特性、在動物體內的吸收方式以及在動物健康上的主要作用和機制進行綜述，旨在為納米氧化鋅在動物生產中的應用提供參考。

1 納米氧化鋅的特性

1.1 生物學活性高

納米氧化鋅的粒徑較小，具有比普通氧化鋅更高的比表面積和更多表面原子數，這些表面的Zn和O原子未按照比例排列，導致部分氧或者鋅空缺，表面的空缺易于捕獲和束縛電子形成O2-，從而導致表面生成質子空穴h+，h+易與其他原子結合，具有不飽和性和極強生物學活性[7]。極小的粒度也賦予納米氧化鋅在組織內被動擴散的能力，減少對配體、載體和能量的需要，能夠透過組織間隙迅速吸收到達機體各個部位[8]。極細的納米氧化鋅能夠增加和腸道絨毛接觸的面積，增加氧化鋅和腸絨毛的作用位點，更容易被動物吸收利用。馬恒東等應用翻轉腸囊法研究仔豬小腸對納米氧化鋅、飼料級ZnSO4和ZnO的吸收率，結果表明，納米氧化鋅的吸收速率較另外兩種氧化鋅高出1倍以上[9]。

1.2 殺菌效果好

納米氧化鋅具有廣泛的抗菌活性，除了粒徑大小對抗菌活性有顯著的影響外，納米氧化鋅的濃度及作用時間對抗菌活性也存在一定的影響。目前主流的幾種觀點：納米氧化鋅通過極大的比表面積和在細胞內產生活性氧（ROS）來發揮抑菌作用[10]。納米氧化鋅具有光催化性，在可見光和紫外光的照射下可產生光學毒性，殺死細菌[11]。曲敏利等研究發現，納米氧化鋅的抑菌半徑是普通氧化鋅的2倍以上，同時在可見光的條件下，納米氧化鋅抑菌效果更好[12]。

1.3 安全性高

納米氧化鋅在動物飼料中因添加量少、不產生抗藥性而避免了高劑量普通氧化鋅對環境的污染和抗生素的耐藥性問題。其極大的比表面積能夠更好地在動物腸道內發揮氧化鋅的藥理作用，同時能夠吸附飼料中的霉菌毒素，減少這些毒素和病原菌對腸上皮黏膜的吸附。納米氧化鋅還能夠利用自身極強的化學活性，吸收紫外光進行光催化降解氨和廢水中的有機物，改善動物舍內環境[13]。

2 納米氧化鋅在動物體內的吸收方式

納米氧化鋅經口進入胃腸道后，首先在胃內酸性環境下被分解成Zn2+，胃酸pH的大小、納米氧化鋅粒徑的大小和濃度是影響納米氧化鋅解離率的重要因素[14]。Bian等研究發現，納米氧化鋅在不同pH的鹽酸溶液中的溶解度不同，當鹽酸溶液的pH為1、3、6時，100 mg·L-1的納米氧化鋅溶解率分別為92%、40%、10%，同時15 nm的氧化鋅顆粒溶解率較15和240 nm氧化鋅納米顆粒更高[15]。Yan等將納米氧化鋅和普通氧化鋅溶解在pH為1.5的模擬胃液中，當兩種氧化鋅濃度＜5 mg·mL-1時，納米氧化鋅（98.2%）和普通氧化鋅（97.8%）大量溶解在上清液中；當兩種氧化鋅濃度增至5~8 mg·mL-1時，模擬胃液中的Zn2+含量較少，4 h內含量幾乎恒定，兩種氧化鋅在胃中的溶解率隨著氧化鋅濃度的增加而逐漸減小[14]。

進入腸道內的納米氧化鋅一部分是已被胃酸分解成的Zn2+，另一部分以納米粒子的形式進入小腸。進入小腸內的Zn2+在動物機體內的吸收和轉運與SLC39（ZIPs）和 SLC30（ZnTs）蛋白家族有關[16-17]。其中的ZIPs負責從胞外或者胞內小泡轉運Zn2+到細胞質中。當胞內的鋅含量升高后，ZnTs負責轉運Zn2+至胞外，或者使細胞質中的Zn2+轉運至細胞器中。而鋅的儲存和釋放受金屬硫蛋白家族（MTs）的重要影響，富半胱氨酸腸蛋白（CRIP）可與Zn2+結合，促進鋅吸收，MTs可抑制CRIP和Zn2+結合[18]。楊鵬飛等通過給小鼠灌胃的形式研究納米氧化鋅在胃腸道內的吸收特點，單次灌胃4 h后，十二指腸中與Zn2+吸收相關基因僅ZIP5上調，與Zn2+轉出相關基因ZnT2和ZnT4表達上調[19]。而MT1和MT4儲存和釋放相關蛋白基因上調，表明十二指腸并沒有吸收過量的Zn2+，而是通過內吞和轉胞吞作用吸收納米粒子，吸收胞外的納米氧化鋅進入胞內再分解出Zn2+供機體利用[20]。試驗結果表明，納米氧化鋅主要在十二指腸和空腸中以納米顆粒和Zn2+的形式被吸收[19]。

3 納米氧化鋅對動物的主要作用和機制

同傳統鋅源一樣，納米氧化鋅在動物健康上發揮著重要的作用，納米氧化鋅對動物健康的影響見附表[21-31]。

附表 納米氧化鋅對動物健康的影響

3.1 提高動物生長性能

納米氧化鋅可作為生長促進劑加入動物飼料中，可提高動物生長性能，改善飼料利用率，提升畜禽養殖的經濟效益[21,23]。研究表明，在仔豬日糧中添加納米氧化鋅0、600 mg·kg-1和普通氧化鋅2 000 mg·kg-1，納米氧化鋅和普通氧化鋅組可顯著降低仔豬的腹瀉率，日增重分別提高11和14 g[22]。Mishra等觀察到納米氧化鋅可以顯著提高肉雞血清葡萄糖和堿性磷酸酶（ALP）水平，降低丙氨酸轉氨酶（ALT）的含量，促進肉雞的生長[23]。納米氧化鋅通過為動物機體提供Zn，促進機體激素和酶的合成，加速蛋白質合成及傷口的愈合，產生能量，刺激小腸絨毛生長，降低腹瀉率，提高動物的生長性能[24-25]。

3.2 抑菌作用

大量研究報道，金屬氧化鋅納米顆粒具有抗菌活性，通過局部殺死細菌或減緩細菌的生長達到抑菌的目的，且對周圍組織無毒[32]。納米氧化鋅對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均具有抑菌作用，并且對抗高溫和高壓的孢子也同樣有效[33]。進入腸道內的Zn2+代謝平衡對細菌的存活至關重要，這些Zn2+可與細菌表面存在的蛋白質巰基基團（-SH）反應[34]。蛋白基團通過細胞壁突出來運輸營養物質，Zn2+能夠使這些蛋白失活并進入菌體內部，破壞電子傳遞系統的酶，進而降低膜的通透性并最終誘導細菌死亡[35]。有研究發現，納米粒子的尺寸大小與抗菌活性呈反比，納米氧化鋅粒徑越小，抗菌活性越好[36]。納米氧化鋅擁有極大的比表面積，更易與細菌膜發生相互作用，破壞菌體細胞壁，引起納米粒子的細胞內化，改變菌體的形態和釋放菌體內容物，并且誘導細菌體內氧化應激基因的表達[37]。除了上述兩種抑菌機制以外，納米氧化鋅粒子能夠在菌體細胞內產生ROS也被認為是1種重要的抑菌機制，誘導產生的ROS能引起一系列的生化反應，其中的羥基自由基和超氧化物離子立即與菌膜相互作用，導致脂膜多不飽和磷脂組分的過氧化，進而影響細胞內鈣通量、線粒體去極化和質膜泄漏，最終誘導細菌死亡[38-39]。Barreto等在仔豬日糧中加入粒徑為17 nm的納米氧化鋅，對仔豬腸道內的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有良好的抑菌活性[40]。

3.3 提高動物免疫性能

在人類和動物的多次試驗中都發現，缺鋅將減弱機體的免疫反應和抗病能力，補充鋅能夠提高動物細胞和體液免疫應答機能，促進初乳和血清中免疫球蛋白水平的增加[41]。研究表明，小鼠灌胃納米氧化鋅后，小腸組織中的sIgA的表達顯著上調，影響黏膜固有層sIgA的合成和分泌，提高機體免疫力；促炎性因子IL-1β、IFN-γ和抗炎性因子IL-10含量升高，有效阻止病原微生物的入侵，降低小鼠腸道炎癥反應[19,29,42-43]。納米氧化鋅處理組的SOD1、SOD2和CAT均上調，SOD1主要編碼銅、鋅超氧化物歧化酶，主要分布在細胞中，保護細胞抵御自由基的損傷作用；SOD2可編碼錳超氧化物歧化酶，廣泛存在線粒體中，清除線粒體產生的活性氧，通過提高SOD和CAT的表達，提高腸道組織的抗氧化能力，進而提高動物的免疫應答能力[44]。Sahoo等在肉雞日糧中添加納米氧化鋅0.06 mg·kg-1體重，與傳統基礎日糧中添加有機和無機鋅15 mg·kg-1相比，顯著改善肉雞的健康狀況（低血膽固醇、高ALT）和免疫力[45]。

3.4 提高動物繁殖性能

在動物繁殖性能方面，鋅是維持下丘腦-垂體-性腺軸發揮正常功能的重要微量元素。性腺功能減退是人類觀察到鋅缺乏癥的一個突出特征[46]。研究發現，在鋅缺乏的大鼠和公豬中發現了附屬性腺延遲生長、發育和睪丸萎縮的現象[47]。已知人和動物前列腺液、精漿、精子和前列腺組織中的鋅含量在所有生物體液和體組織中含量最高，公牛精液中鋅的含量是血漿中鋅含量的10~15倍[27,48]。鋅被描述為前列腺功能的標志物，主要參與精子分化的后期和射精過程。鋅主要分布在精子尾部的外部致密纖維中，外部致密纖維是精子鞭毛的主要結構，能夠提高能量轉換并改善鞭毛的搏動，同時保護鞭毛免受剪切力的影響，在附睪精子成熟過程中促使精子運動[49]。在外部致密纖維中，鋅通過形成鋅-硫醇鹽復合物與胱氨酸的巰基（-SH）結合，并保護外部致密纖維免于過早氧化。Princewill等研究發現，給受試的公牛補充額外的鋅源可以提高精子體積、精子濃度、活精子比例和運動能力。張春香等研究結果顯示，納米鋅50 mg·kg-1可顯著提高精漿抗氧化能力，改善精液的品質[50]。

3.5 鎮痛作用

納米氧化鋅被用作CNS神經元組織的再生支架，可以耐受和傳導電荷，已被證明可以促進神經元的生長，在生物學和醫學界被廣泛關注[30]。另有研究報道，鋅作為動物體內最普遍的微量元素能夠在外源給藥時影響疼痛感，具有過渡性抗傷害感受作用[51]。一項臨床研究表明，低劑量血漿鋅濃度與舌痛有關，補充鋅可以降低這種神經性疼痛[52]。給大鼠腹腔注射ZnCl2還可抑制熱痛覺過敏或神經性疼痛[53]。在突觸中，鋅作用于許多通道和受體，并且是N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）谷氨酸受體的非競爭性抑制劑，其可以減弱谷氨酸影響受體的能力。NMDA受體是疼痛過程中的主要受體之一，且許多研究表明其競爭性或非競爭性抑制劑可減輕疼痛感[54]。納米氧化鋅可通過阻斷NMDA受體，達到鎮痛作用；鋅通過增加γ-氨基丁酸（GABA）作為抑制性神經遞質來減少谷氨酸的釋放，從而減輕疼痛感[55]。Kesmati等用成年Wistar大鼠作為動物模型，研究納米氧化鋅補充劑在阿片類藥物系統活性存在和不存在的情況下對急性疼痛的作用，結果顯示，納米氧化鋅5、10、20 mg·kg-1能夠改善嗎啡的抗傷害作用，起到鎮痛作用[56]。

3.6 高劑量毒性

高劑量納米氧化鋅的潛在危害尚無詳盡報道，相關的毒理學研究發現，肝臟、脾臟、心臟、胰臟和骨骼是口腔暴露納米氧化鋅的靶器官[57]。在組織病理學檢查中，納米氧化鋅具有劑量和時間依賴的細胞毒性，其機制包括氧化應激、脂質過氧化、細胞膜損傷和氧化DNA損傷等，氧化鋅納米顆粒對細胞的毒性（特別容易積聚在肝臟組織細胞中）是通過自由基的產生，進而誘導機體產生氧化損傷、激發炎癥和細胞死亡[57]。Najafzadeh等報道，綿羊在連續飼喂納米氧化鋅20 mg·kg-1體重25 d后，出現了輕微的肝細胞水腫和變形，以及嚴重的腎臟損傷（多間質腎炎），其中的毒性機制可能是納米氧化鋅的尺寸效應，容易在胃液中迅速被分解成金屬離子，并進入肝臟和腎臟進行代謝和排泄，迅速在肝臟和腎臟組織內積累，長期高濃度的納米粒子會對肝臟和腎臟組織造成損害[58]。

4 小結與展望

綜上所述，納米顆粒的表面效應和極大比表面積賦予了納米氧化鋅生物學活性高、殺菌效果強、安全性好的特點，在動物胃腸道內能夠更好與胃腸壁接觸并發揮作用。在日糧中添加少量納米氧化鋅能夠降低動物腹瀉率，提高生長性能；減少病原微生物數量；改善機體體液和細胞免疫應答水平，提高動物的免疫機能；增加生殖細胞的活性，提高動物繁殖性能；同時具有鎮痛的效果。納米氧化鋅是高劑量普通氧化鋅等傳統鋅源在畜禽飼糧中一種很好的替代選擇。然而，納米技術在礦物營養領域尚處于起步階段，納米礦物的吸收位點、吸收方式、作用機理、胃腸道內的分布方式等尚未完全清晰；同時，納米氧化鋅提供更好的生產性能和經濟效益的最佳配氮水平也是未來需要研究的重點。