纳米氧化锌的理化特性及其动物生产上的应用

王金语，刘显军， 陈静 ， 李建涛  ，王诗琦

(沈阳农业大学畜牧兽医学院，沈阳 110866)

摘要：纳米氧化锌是一种直径范围1～100nm的无机锌产品，与动物体内的生理生化代谢功能密切相关。本文从纳米氧化锌在动物胃肠道的溶解、吸收和提高生产性能等方面，综述了纳米氧化锌的理化特性，以期为饲养动物使用纳米氧化锌提供依据和参考。

关键词：纳米氧化锌；理化特性；生产性能

锌是人与动物所必须的微量元素之一，是多种酶的辅助因子，参与动物体内多种物质代谢过程。自1989年，丹麦Foulum国家动物科学院研究表明，在早期断奶仔猪日粮中添加高锌（2500-4000mg/kg），可显著降低腹泻率^[1]，此后大量研究和实践证明添加高锌不仅有效，还经济，在当时被称为21世纪猪营养研究领域的一个里程碑。然而，高剂量氧化锌带来的动物毒性和环境污染等问题使普通氧化锌的使用受到限制。

纳米氧化锌是一种直径范围1～100nm的新型高功能精细化无机锌产品，在体积、表面积和粒子尺寸等方面均优于传统氧化锌。近年来，由于纳米氧化锌在动物生产上具有高生物活性、高吸收率、抑菌特性等一系列的优异性及十分诱人的应用前景，越来越引起人们的广泛关注。

1 纳米氧化锌的制备方法

纳米氧化锌的制备方法主要有化学法和物理法。化学法指通过控制反应条件，使原子、分子成核，进而成为纳米粒子的方法。常见的化学制备法有均匀沉淀法、直接沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法。物理法指通过介质、物料之间相互打磨和冲击, 制备纳米粒子的方

法。常见的物理制备法有机械粉碎法、深度塑性变形法等^[2,3]。Aziz等^[4]通过直接沉淀法制

备出平均粒径在27.25nm的氧化锌。Damonte等^[5]通过立式振动磨机，制备出粒径为40 nm的氧化锌。

2纳米氧化锌晶体结构及其理化性质

ZnO存在三种不同的晶体结构：立方NaCl型结构、立方闪锌矿型结构和六方纤锌矿型结构。自然条件下ZnO的结晶态是热力学稳定的六方纤锌矿结构，属于六方晶系，空间群为P63^me，对称性 C⁴_6V，其结构如图1-1所示。Zn²⁺的配位数为4，每个锌原子按四面体结构与四个氧原子配位，O^2-的配位数也为4，氧原子排列情况与锌原子相似。Zn-O间距为0.194nm^[6,7,8]。

图1-1纤维矿氧化锌结构图

              Figure 1-1 the crystal structure of wurtzite ZnO

纳米氧化锌为白色或微黄色，无嗅无味，难溶于水，可溶于酸和强碱。相对分子量为81，密度约为5.47g/cm^-3，加热至1800℃升华而不分解，熔点约为1975℃，具有表面积效应和小尺寸效应。表面效应指纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。尺寸效应指当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化剂及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，这种体积效应为实用开拓了广阔的新领域。

3纳米氧化锌在胃肠道中的溶解性

氧化锌抗菌促生长的机理是以氧化锌分子为主体的。真正发挥作用的氧化锌是被胃部食糜裹挟而未被酸化为Zn²⁺的氧化锌。

有研究表明，同等PH条件下，纳米氧化锌的溶解释放率低于普通氧化锌^[9]。Yan X等^[10]研究发现在pH 1.5模拟胃液中纳米氧化锌的终浓度≤5mg/L时，纳米氧化锌可以全部溶解并释放Zn²⁺。Seok等^[11]研究发现在pH1.7的模拟胃液中，40nm大小的纳米氧化锌在终浓度为5mg/L时，孵育24小时后，其溶解率可以达到98%。Cho等^[12]研究发现纳米氧化锌的溶解率与模拟胃液的pH大小相关，终浓度为5mg/L纳米氧化锌在pH1.7的模拟胃液中，5min基本可以溶解。Bian等研究发现，终浓度为100mg/L的纳米氧化锌随着pH的降低逐渐增高，当pH为1时，纳米氧化锌的溶解率可以达到92%，而pH为6时溶解率仅仅只有0%左右。因此，纳米氧化锌在胃肠道中的溶解率不仅跟纳米氧化锌的粒径、终浓度、也跟胃肠道的pH等密切相关^[13,14]。

4纳米氧化锌在胃肠道中的吸收

纳米氧化锌可在酸性环境中发生溶解，释放Zn²⁺，因此，当其进入胃肠道中，可先在胃酸中发生部分溶解并释放出Zn²⁺，释放出的Zn²⁺在小肠中被吸收，未溶解的部分则以纳米粒子的形式通过转胞吞和内吞等途径被吸收^[15,16]。

研究表明，粒径为50-100nm的纳米粒子可通过肠上皮细胞内吞等方式被吸收，此外小肠组织中的M细胞的转胞吞作用可以吸收粒径为20-500nm的纳米和微纳米粒子^[16,17]。有研究发现纳米氧化锌可以在十二指肠和空肠中被大量吸收，并且还提高了十二指肠、空肠的绒毛高度，从而增大绒毛的表面积，进而促进营养物质的吸收^[18]。此外研究还发现金属硫蛋白家族和富半胱氨酸肠蛋白也与Zn²⁺的吸收相关，富半胱氨酸肠蛋白可与Zn²⁺结合促进其吸收，而金属硫蛋白家族可通过抑制富半胱氨酸肠蛋白和Zn²⁺的结合来降低Zn²⁺的吸收^[19]。

5纳米氧化锌在饲料领域的优势

传统方法加工而制成的普通氧化锌，常伴有重金属超标、吸收率低等问题，动物仅能吸收利用满足正常生理需要的锌，剩下大部分未被吸收的锌以粪便的形式被排出体外，对土壤水体等造成污染。此外，高锌会抑制仔猪对铁的吸收，降低仔猪免疫能力。而氧化锌纳米化后（粒径20nm-100nm）粒径减小，表面锌原子数迅速增加，从而大大增加比表面积，其吸收速度及生物利用率能够得到大幅提高，使其在饲料中添加量少，但与高锌日粮具有同样的作用效果，可以替代普通氧化锌，减轻普通氧化锌的毒副作用^[20]。

张宏福等^[21]研究表明，在5min内，纳米氧化锌对金黄色葡萄球菌的杀菌率为98.86%，对大肠杆菌的杀菌率为99.93%，显著（P<0.01）高于普通氧化锌。有研究表明纳米氧化锌在胃的酸性环境和肠道的中性环境中溶解度均较低，可以保证纳米氧化锌颗粒完整地被肠道吸收^[15,16]，吸收后的纳米氧化锌具有缓解细胞膜的损伤、增强机体免疫应答、提高饲料转化率和抗氧化能力等功能^[9-11]。方洛云^[22]研究表明，添加300mg/kg纳米氧化锌与3000mg/kg普通氧化锌对奶仔猪的促生长效果相当，两者均显著提高仔猪采食量（P<0.05），日增重（P<0.05）。

6纳米氧化锌在动物生产中的应用

6.1 纳米氧化锌对猪生产性能的影响

锌是味觉素的构成部分，味觉素是含有2个Zn²⁺的唾液蛋白。味觉素在影响动物体口腔粘膜上皮细胞的功能上发挥了重要作用，可以提高味蕾对味觉的敏感性，增强饲喂效果，进而促进仔猪生长。早期断奶会造成仔猪肠绒毛萎缩、隐窝深度增加，致使营养物质消化吸收受阻，进而很容易引起仔猪腹泻。而锌可以改变消化道上皮细胞的结构、功能^[23]増加对病原微生物的抗性，降低腹泻率，提高猪群整体健康水平，增加养殖效益，表现出良好的应用前景^[24]。因此，低剂量纳米氧化锌在促进仔猪生长，降低仔猪腹泻方面可以替代高剂量的普通氧化锌，并且对后期及全程抗腹泻具有积极的意义。

许梓荣^[25]等研究结果显示，饲粮中添加3000mg/kg锌显著提高了日增重（P<0.01）和采食量（P<0.01）。Morales等^[9]研究报道, 饲喂纳米氧化锌可增加仔猪日增重和饲料转化率(P<0.01)。喻兵权等^[26]试验表明，饲粮中添加3 000mg/kg普通氧化锌、添加200、400、600 mg/kg纳米氧化锌对仔猪生产性能的影响均极显著优于对照组（0 mg/kg），降低了腹泻率（P<0.01）。根据综合指标得出，400 mg/kg 纳米氧化锌对仔猪促生长效果与3000mg/kg普通氧化锌效果基本相同，甚至更优。Hu等^[25]研究发现饲粮中添加300mg/kg纳米氧化锌显著提高了断奶仔猪日增重（P<0.01）。

Carlson^[27]研究显示日粮中添加高锌能改善肠道形态，令十二指肠隐窝深度增加，肠绒毛增长，绒毛隐窝比降低。Jiang^[28]等研究表明，纳米氧化锌对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌均显示出抗菌活性，纳米氧化锌颗粒通过非特异性破坏大肠杆菌对大肠杆菌具有抗微生物活性。Miruna等^[29]发现生物活性涂层（进行功能化的纳米氧化锌粒子）显著抑制了肠道沙门氏菌的粘附和生物膜的形成（P<0.05）。在２个存在大肠杆菌腹泻史的农场中通过在日粮中添加3100mg/kg的氧化锌后，仔猪腹泻完全受到了控制，试验证实了高剂量氧化锌在控制仔猪腹泻方面有显著效果，这与粪便中大肠杆菌的数量显著降低有着极其密切的关联，其机制是Zn²⁺抑制大肠杆菌的呼吸链，进而降低了其毒害作用^[30,31]。

6.2 纳米氧化锌对家禽生长性能的影响

    由于纳米氧化锌比传统氧化锌具有非常明显的应用优势，因此其在家禽的应用研究也较多。李荣芳等^[32]研究发现，饲粮中添加100 mg/kg的纳米氧化锌可有效提高AA肉鸡腔上囊指数、血清溶血素效价，使机体体液免疫功能保持在较高水平。有研究发现，在肉鸡日粮中添加40-80mg/kg纳米氧化锌显著提高了肉鸡抗氧化能力（P<0.05）^[33]。徐奇友等^[34]研究发现，添加200mg/kg的纳米氧化锌能显著提高肉鸡血液中谷草转氨酶活性（P<0.05）、胆固醇含量（P<0.05）、血清锌（P<0.05）含量。Abedini等^[35]研究表明，饲粮中添加纳米氧化锌可显著提高蛋壳厚度和蛋壳强度（P＜0.05）。

6.3 纳米氧化锌对小鼠生长性能的影响

纳米氧化锌在小鼠中的作用效果与仔猪相似，吸收后的纳米氧化锌具有缓解细胞膜的损伤、增强机体免疫应答和抗氧化能力等功能。

冯梦^[36]研究显示，饲粮中添加纳米氧化锌，可促进小鼠十二指肠上皮细胞、空肠上皮细胞的生长，并能提高抗氧化能力。艾大伟^[37]研究表明，日粮中添加0.5-6ug/ml的纳米氧化锌，对小鼠的肠上皮细胞能量及蛋白代谢有促进作用，保护了小鼠的肠上皮细胞的氧化应激。杨鹏飞^[38]研究发现，62.5mg/kg的纳米氧化锌对小鼠生长具有较好的促进作用，明显增加小鼠体重；纳米氧化锌可增强小鼠肠组织的体液免疫能力、增强肠组织抗氧化的能力，并增强了炎症因子表达，以维持正常的肠道内稳态。

7纳米氧化锌的毒性

尽管纳米ZnO已广泛应用于动物饲料等领域，但有研究显示，纳米ZnO具有细胞毒性；纳米ZnO能够导致细胞内的ROS升高、并能在水中溶解释放出锌离子，对水生生物产生损伤；纳米ZnO通过呼吸道、消化道等途径进入哺乳动物体内后，能够对动物产生毒性损伤。Wang等^[13]研究表明，纳米氧化锌可致使小鼠的血液黏度增加，损伤小鼠的肝脏、脾脏、胰腺等脏器。Adams等^[39]的研究结果显示，纳米ZnO的悬浮液比纳米TiO2颗粒、纳米SiO2颗粒的悬浮液对水蚤的毒性更大。纳米ZnO对水蚤的慢性毒性作用主要表现为生殖毒性^[40]。因此，纳米ZnO在饲料中使用的毒性和安全性是影响其在动物生产中应用的重要问题。

结语

在动物饲养中应用纳米氧化锌不但可以达到高锌日粮的生产效果，甚至更优于高锌日粮所取得的应用效果；不仅降低了高锌对动物生产的不利影响，还节约了资源、降低了锌对环境的污染。与此同时，也应加以关注纳米氧化锌在动物生产中的毒性作用，在使用时把握好纳米氧化锌的最佳添加量非常重要。因此，进一步地开展纳米氧化锌的制备以及更深入地进行应用效果的研究，得到更准确、更详尽的科学数据，更好地为动物生产服务是非常有意义的。

参考文献

[1] 吕航.高锌对断奶仔猪生产性能和肠道健康的影响[D].华南农业大学,2016.

[2] 张雄斌.纳米氧化锌的制备及改性研究进展[J].人工晶体学报,2017,46(10):2054-2057.

[3] 翟影,阮永丰.ZnO纳米棒的电致发光研究[J].人工晶体学报,2014,43(05):1029-1036.

[4] Aziz A B,Rosli M M,Yusoff S H.Transparent hybrid ZnO-graphene film for high stability switching behavior of memristor device[J].Materials Science in Semiconductor Processing, 2019.

[5] Damonte L C,Mendoza ZélisL A B.Nanoparticles of ZnO obtained by mechanical milling[J]. Powder Technology,2004,148(1).

[6] Mehrabian M,Azimirad R,Mirabbaszadeh K,et al.UV detecting properties of hydrothermal synthesized Zn0 nanorods[J].Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2011,43(6):1141-1145.

[7] 高生平,张贤泽,华靖童.氧化锌纳米材料的制备与应用[J].山东化工,2018,47(12):38-39.

[8] Zhang Y,Ram M K,Stefanakos E K,et al.Synthesis,characterization,and applications of Zn0 nanowires[J].Journal of Nanomaterials,2012.

[9] Morales J G,Cordero C.Zinc Oxide at low supplementation level improves productive performance and health status of piglets[J].Journal of Animal Science, 2012,90(S4):436-438.

[10] Yan X,Rong R,Zhu S.Effects of ZnO nanoparticles on dimethoate-induced toxicity in mice[J].Journal of agricultural and food chemistry,2015,63(37):8292-8298.

[11] Seok S H,Cho W S,Park J S.Rat pancreatitis produced by 13-week administration of zinc oxide nanoparticles: biopersistence of nanoparticles and possible solutions[J].Journal of Applied Toxicology,2013,33(10):1089-1096.

[12] Cho W S,Kang B C,Lee J K,et al.Comparative absorption, distribution, and excretion of titanium dioxide and zinc oxide nanoparticles after repeated oral administration[J].Particle and fibre toxicology,2013,10(1):9.

[13] Wang B,Feng W,Wang M,et al.Acute toxicological impact of nano-and submicro-scaled zinc oxide powder on healthy adult mice[J].Journal of Nanoparticle Research,2008,10(2): 263-276.

[14] Bian S W,Mudunkotuwa I A,Rupasinghe T,et al.Aggregation and dissolution of 4nm ZnO nanoparticles in aqueous environments: influence of PH, ionic strength, size, and adsorption of humic acid[J].Langmuir,2011,27(10):6059-6068.

[15] Bellmann S,Carlander D,Fasano A,et al.Mammalian gastrointestinal tract  parameters modulating the integrity,surface properties,and absorption of food-relevant nanomaterials[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews:Nanomedicine and Nanobiotechnology,2015,7(5):609-622.  

[16] Powell J J,Faria N.Origin and fate of dietary nanoparticles and microparticles in the gastrointestinal tract[J].Journal of autoimmunity,2010,34(3): J226-J233.

[17] Frohlich E,Roblegg E.Models for oral uptake of nanoparticles in consumer products[J].Toxicology,2012,291(1):10-17.

[18] 杨鹏飞.纳米氧化锌在小鼠小肠中的吸收转运及对肠道免疫影响的研究[D].南昌大学,2018.

[19] Hempe J M,Cousins R J.Cysteine-rich intestinal protein binds zinc during  transmucosal zinc transport[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,1991,88(21):9671-9674.

[20] Liu J,Feng X L,Wei L M,et al.The toxicology of ion-shedding zinc oxide nanoparticles[J]. Critical reviews in toxicology,2016,46(4):348-384.

[21] 张宏福,陆伟,唐湘芳,邢方军.纳米氧化锌与普通氧化锌抑菌性能差异研究[J].饲料工业, 2007(24):34-37.

[22] 方洛云.不同锌源对断奶仔猪生长、免疫和消化的影响及其作用机理的探讨[D].浙江大学,2002.

[23] Vallee B L.The biochemical basis of zinc physiology[J].Physiol Rev.1993,73:1993.

[24] Hu,Zhu,et al.Effects of nano zinc oxide on growth performance and intestinal mucosal barrier in weanerpiglets[J].Anim.Nutr.2012,24:285-290.

[25] 许梓荣,王敏奇.高剂量锌促进猪生长的机理探讨.畜牧兽医学报,2001,32(1):11-17.

[26] 喻兵权.纳米氧化锌对断奶仔猪生长性能及腹泻率的影响[J].中国饲料,2008(01):18-21.

[27] Carlson M S,Hoover S L,Hill G M.Effect of pharmacological zinc on intestinal metallothionein concentration and morphology in nursery pig[J]Journal of Animal Science,1998,76(2):53.

[28] Jiang Y H,Zhang L L,Wen D S,Ding Y L.Role of physical and chemical interactions in the antibacterial behavior of ZnO nanoparticles against E.coli[J].Materials Science & Engineering C,2016,69.

[29] Miruna S,Sabrina C,Valentina G.Thin coatings based on ZnO@C 18-usnic acid nanoparticles prepared by MAPLE inhibit the development of Salmonella enterica early biofilm growth[J]. Applied Surface Science,2016,374.

[30] Youusuef J M,Danial E N.In vitro antibacterial activity and minimum  inhibitory concentration of zinc oxide and nano-particle zinc oxide against path-ogenic strains[J].Journal of Health Scicnces,2012,2(4):38-42.

[31] 李方方,孟玲,朱宇旌.饲粮添加复合抗菌肽与包被氧化锌对断奶仔猪生长性能及血清生化指标的影响[J].动物营养学报,2015,27(09):2811-2819.

[32] 李荣芳,吴诚,邬静,等.纳米氧化锌对AA肉鸡免疫调节作用的影响[J].中国饲料, 2008,(16):20-22.

[33] 朱风华,任慧英,等.纳米氧化锌对肉仔鸡抗氧化性性能的影响[J].动物营养学报, 2009,21(4):534-539.

[34] 徐奇友,刘立波,候奉雨,等.纳米氧化锌对肉仔鸡血清生化指标的影响[J].动物营养学报, 2007,19(1):76-80.

[35] Abedini M,Shariatmadari F,Karimi M A. Effects of a dietary supplementation with zinc oxide nanoparticles, compared to zinc oxide and zinc methionine, on performance, egg quality, and zinc status of laying hens[J]. Livestock Science,2017,203.

[36] 冯梦.纳米氧化锌对小鼠十二指肠和空肠上皮细胞生长和抗氧化功能的影响[J].四川大学,2009.

[37] 艾大伟.纳米氧化锌对小鼠肠上皮细胞能量蛋白代谢的影响及氧化损伤的保护作用[J]. 四川大学,2010.

[38] 李慧民.纳米氧化锌对生物体的毒性及其机制[J].中国兽医学报,2016,36(09):1643-1647.

[39] Adams, Laura K.Lyon, D Y.et a1.Comparative toxicity of nano-scale TiO2 , SiO2 and ZnO water suspensions[J].Water Science and Technology,2006,54:327-334.

[40] Karin W,Wendel W,Volker H,Kristin R,Edward S.Acute and chronic effects of nano- and non-nano-scale TiO2 and ZnO particles on mobility and reproduction of the freshwater invertebrate Daphnia magna[J].Chemosphere,2009,76(10).