凹凸棒石的作用机制及其在动物生产中的应用

饲料不仅可以维持畜禽生命需要，而且还是决定养殖业生产力的主要因素之一。但饲料中常常存在着各种不利因素，如霉菌毒素、重金属、致病微生物及毒性抗原等污染物，去除饲料中的污染物一直是全球性的难题[1]。随着规模化养殖业的发展，为了减少畜禽疾病发生率和死亡率，在养殖生产中出现了“泛用”“滥用”抗生素现象，由此引起抗生素大量残留在环境和畜禽产品中，严重威胁着畜禽和人类生命健康[2]。因此，开发环境友好型功能性饲料原料，以缓解饲料中污染物造成的食品安全隐患和对畜禽的危害成为畜牧业的迫切需要。

凹凸棒石(attapulgite，APT)又名坡缕石或坡缕缟石，是一种天然的层链状结构的晶质水合镁铝硅酸盐矿物，为APT黏土的主要组分，在矿物学上隶属于海泡石族，是一种稀有非金属矿物原料，有“千土之王”“万用之土”等美誉[3]。由于具有特殊的棒晶形貌及孔道结构，APT具有比表面积大、吸附能力强、胶体性能好、离子交换性能强和耐盐碱等理化特性[3-4]，能在动物肠道中吸附霉菌毒素、重金属、致病微生物及毒性抗原，可保护消化道黏膜、抗炎、防治腹泻等[5-7]；此外，改性APT还具有抗菌作用[8]。由于APT的优良特征和功能，欧盟委员会在2003年将APT纳入饲料添加剂[9]。随着APT的开发利用，欧盟委员会[10](2011年)和中国农业部[11](2013年)又先后将其纳入饲料原料。研究表明，作为饲料原料，APT及其改性产品能提升产品品质、改善机体免疫和抗氧化机能、促进肠道健康、提高饲粮养分利用率和动物生产性能[12-13]。本文将阐述APT的理化性质和常见改性方法，总结APT的生物学功能及机制，并综述APT在动物生产中的应用效果，以期为APT更好地应用于饲料行业提供参考。

APT呈棒晶状集合体，为2 : 1型黏土矿物(也称为“多核糖体”[14])，即2层硅氧四面体，1层铝氧八面体，各链层单元通过Si—O—Si键连接，并在四面体片中出现周期性的顶氧反转，这种反转发生在Si的每4个原子(2个四面体链)上[15]。这种周期性反转的后果包括：1)八面体片的破坏，八面体阳离子完成了与水分子(配位水)的配位范围；2)形成通道，即形成截面尺寸为0.37 nm×0.64 nm的沸石状孔道[16-17]。由于具有特殊的棒晶形貌及孔道结构，APT的比表面积大，因而有较大表面吸附能力[4, 18]。APT理论化学式为Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O，其少量Si4+能被Fe3+或Al3+取代，少量Mg2+能被Fe2+、Fe3+和Al3+取代，各种离子取代后APT带少量负电荷，因而具有胶体性能和静电吸附性能[3, 19]。

国内外学者对APT进行了大量改性研究，以期进一步优化APT性能，使得APT可以在生产中得到更好的应用。常见的改性方法有：酸处理、热处理、盐交换和有机化处理等。

酸处理是APT常用的改性方法之一，常见的酸处理剂有盐酸、磷酸、硫酸、硝酸等。酸改性是利用酸与APT晶体间或孔道内的碳酸盐类胶矿物发生化学反应，致使碳酸盐类被溶出，孔道得到疏通，增大了比表面积；此外，APT层间金属阳离子被半径较小的H+置换，如K+、Na+、Ca2+和Mg2+等，使得孔有效容积被增大，吸附性能得到增强[20]。值得注意的是，当酸浓度较低时，APT晶体结构中的八面体金属离子只有较少部分被溶解，不会破坏APT晶体结构，增大了有效孔容积和比表面积，提高了吸附性能；但当酸浓度过高时，APT晶体结构中的八面体阳离子几乎完全溶解，导致APT晶体四面体结构失去支撑而引起结构塌陷，反而降低了APT的吸附性能[21-22]。酸改性APT能有效吸附盐酸四环素[20]，还被用作去除饲粮中对肉鸡有毒害作用的黄曲霉毒素B1(AFB1)的吸附剂[23]。

为了增加比表面积、活化吸附中心、增强吸附性能，常常通过热处理的方法改性APT。其原理是通过加热焙烧脱去APT中的吸附水、沸石水、结晶水以及八面体中的结构水，从而使得APT变得疏松多孔[21]。但温度也不可过高，否则会引起APT中低熔点结构物熔化，导致结构塌陷，纤维束晶棒紧密烧结在一起，减少有效孔容积和比表面积，降低吸附性能[21]。孙文恺等[24]报道，置于300 ℃马弗炉活化3 h后的改性APT对大肠杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌均无抑制作用，而盐处理的载锌APT对3种菌均有较强抑制作用。Qiao等[25]研究表明，经过350 ℃活化2 h后的热改性APT对蛋鸡肠道形态改善和消化酶活性提高不及天然APT，但与天然APT相比，热改性APT又表现出优异的理化性质。目前相关的研究报道较少，还不能做出合理解释，关于热改性APT是否能够应用于动物生产还需要进一步研究。

在动物生产中常常通过盐交换来制备改性APT，利用其多孔结构和良好的吸附性、离子交换性，在固相或液态反应条件下通过离子交换将无机盐中金属离子负载于APT表面或孔道中[8]。李晓晗等[26]报道，盐改性的APT对大肠杆菌有抑制作用，其固相载锌比液相载锌对锌的解吸率更高和抑菌作用更强。除此之外，盐改性APT在生产中可为畜禽提供矿物元素以及被用作吸附剂[27-28]。

APT的有机改性一般采用有机表面活性剂作为改性剂，用大分子有机基团取代APT间存在的大量可交换阳离子，使层间距扩大，同时APT颗粒表面也能吸附部分无机阳离子，晶格内的部分结晶水、吸附水也可能被有机物取代，从而改善疏水性，增强APT吸附污染物的能力[29]。聚二甲基二烯丙基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵和溴代十六烷基吡啶等有机阳离子对天然APT进行改性后能大大提高对苯酚的吸附去除率[30-31]。Su等[7]使用氯化缩水甘油基三甲基铵和壳寡糖反应制备季铵盐衍生物N-(2-羟基)丙基-3-三甲基壳寡糖氯铵[quaternary ammonium derivative N-(2-hydroxy)propyl-3-trimethyl ammonium chito-oligosaccharide chloride，HTACO]，然后用HTACO去改性APT，该改性APT可以对蛋鸡的肠道免疫、氧化状态、肠道完整性和屏障功能产生有益的影响。

APT因其自身独特的棒晶结构，拥有较多孔道和巨大的比表面积，具有的吸附能力可以较好的吸附霉菌毒素，有效缓解霉菌毒素对机体产生的负面影响[32]。Bampidis等[33]将饲粮添加APT可提高泌乳奶牛生产性能的原因归于APT吸附了存在于饲粮中的真菌毒素。夏枚生等[23]的试验表明，在饲粮中添加改性APT，可以利用其物理吸附性有效缓解AFB1造成的肉鸡生长性能和免疫机能降低等毒害作用。Zhou等[5]也证实了APT可以有效地吸附黄曲霉毒素(AF)。另外，罗丹等[34]报道，APT对降低玉米赤霉烯酮(ZEA)在蛋黄中残留有一定效果。相较天然APT，改性APT对ZEA的吸附效果更好，并且可以有效缓解受ZEA污染饲粮中ZEA对肝脏的氧化应激损伤，并减少肝脏中ZEA残留[35-36]。HTACO改性APT能够消除存在于饲粮中低于农业部规定浓度的镰刀霉菌毒素所引起的免疫机能下降、氧化应激、肠道损伤等毒害作用[37]。APT与同属于硅铝酸盐类矿物的蒙脱石一样，其表面带有亲水性的负电荷和层间大量可交换的阳离子，同质取代，对带有极性基团的霉菌毒素吸附效果更佳，例如，相对于极性较弱的呕吐毒素(DON)和ZEA，APT更易吸附AF[38]。极性较弱的DON和ZEA则可用比表面积较大的活性炭吸附，且不受pH影响，但其选择吸附能力差，微孔结构易被饲料中的某些营养成分所填充而失去对霉菌毒素的吸附能力[38]；或利用生物降解剂去除，如鼠李糖乳杆菌，其在小肠中通过细胞壁肽聚糖、多糖和磷壁酸与毒素发生作用，细胞壁氨基酸组成会直接影响其对低极性毒素(ZEA、DON)的去除效果[39]。但生物降解与物理吸附剂相比，其菌株不易获得且技术要求较高。表 1列出了霉菌毒素物理吸附剂与生物降解剂的优缺点。

APT本身不具有杀菌能力，但其可通过物理吸附性能吸附细菌。属于硅酸盐矿物的APT因其特殊的多孔道结构和巨大的比表面积，而具有强大的表面张力和范德华力，可对细菌产生较强的吸附作用[41-43]。APT经过盐改性后，不仅具有物理吸附性能，还使带负电荷的APT转变为带正电荷，从而通过静电作用吸附带负电荷的细菌，如大肠杆菌[44]。盐改性后的APT具有杀菌作用，如载铜APT[8]、载锌APT[26-28]等，其杀菌特性是盐改性后负载的金属离子所执行的[45]。改性APT中带正电荷的金属阳离子可以与带负电荷的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细胞膜通过库仑引力牢固的吸附在一起，金属离子与细胞膜接触后，可提高细胞膜通透性，致使细胞壁破裂，导致细胞质外流，抑制细菌繁殖，从而导致细菌死亡，起到杀菌作用[45-47]。

APT因其良好的离子交换性和吸附性常被用作去除环境污染物重金属的吸附剂，如Cd[48]、Pb[49]等。为了表现出对重金属污染物更好的吸附性能，在实际应用中常常使用改性APT[50-52]。除此，APT或改性APT还可应用于饲料中，吸附饲料中重金属离子，减少畜产品中重金属离子残留[7]。

据报道，巨噬细胞通过吞噬作用或在酶和/或有毒生物化学物质分泌后破坏病原体[53]。此外，巨噬细胞还可以募集其他类型的炎症和免疫效应细胞，如嗜中性粒细胞[53]，它们在皮肤之后构成了生物抵御病原体的主要保护屏障。实际上，人类各种疾病的特征大多是在结肠、胃、肺、泌尿道和皮肤的急性炎症反应过程中嗜中性粒细胞大量迁移[54]。Cervini-Silva等[55]研究表明，APT在小鼠耳部起到了消炎作用，对嗜中性粒细胞的水肿抑制和迁移均有促进作用。APT在暴露后不久即抑制了水肿，这主要是由于多核糖体的裂解以及随后的硅烷醇基团的暴露，致使渗透速率升高[55]。此外，革兰氏阴性菌死亡或破裂后产生的脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)是一种可引起机体发热、炎症反应等病理效应的内毒素[56]，其可对动物机体产生极大负面影响[57]。有关研究报道，改性载锌APT可通过抑制大肠杆菌并吸附其产生的LPS，来减少LPS对机体引起的炎症反应[27]。

研究报道，APT可以有效地结合有毒化合物，然后将它们从动物体内排出[58]，可用作抗腹泻剂。Zhang等[59]报道，添加2 000 mg/kg APT可显著降低断奶仔猪腹泻率。氧化锌具有控制大肠杆菌感染的作用，常常在猪饲粮中用作抗腹泻药物。然而，氧化锌的锌保留率低，饲粮中高浓度的氧化锌将导致猪对锌的过量积累和过量排泄。Tang等[6]试验表明，饲粮添加APT(1 800 mg/kg)对断奶仔猪的生长性能、营养物质消化率的提高和腹泻率的降低效果可达到与氧化锌同等的效应，但APT可显著减少锌的大量积累和排泄。这表明，APT可以代替氧化锌作为一种环境友好的抗腹泻药物。APT的止泻机制可能是，APT进入肠道后，因拥有较大比表面积，其附着于肠道黏膜表面发挥物理屏障作用，吸附有害毒素并将其排出体外[58]。除此之外，载抑菌金属阳离子的APT还可以杀菌，减少肠道损伤诱发的腹泻[8]。

王坤等[60]报道，饲粮中添加1% APT可以改善摄入热处理豆粕肉鸡的生长性能，这是因为APT可以缓解热处理豆粕对肉鸡造成的氧化损伤。有研究报道，改性APT可同时作为锌源补充剂和抗生素类促生长剂替代品应用于饲粮中，改善肉鸡的生长性能和免疫机能[27]。Zhang等[12]在肉鸡饲粮中添加5、10、15、20 g/kg 4个梯度的APT，均能增加肉鸡的采食量，提高生长性能，其中添加10 g/kg时效果最佳，Chen等[13]也得到了类似结果。研究报道，饲粮中添加1% APT可使蛋鸡产蛋率提高2.6%[61]。但Qiao等[25]的研究结果显示饲粮中添加2%的APT对蛋鸡的产蛋性能和肉品质无显著影响。这可能是APT产地、结构性能、纯度、添加剂量或动物种类不同造成的。此外，随着APT添加量的增加，饲粮中的有机质、蛋白质和脂肪等营养成分被APT吸附，致使能够被动物机体吸收利用的营养养分逐渐减少[12]。Bampidis等[33]在泌乳奶牛上的研究发现，饲粮中添加10 g/kg的APT可提高乳蛋白产量，降低乳菌落形成单位，从而改善生产性能。Tang等[6]报道，饲粮中添加1 800、2 400、3 000 mg/kg 3个梯度的APT，其中1 800 mg/kg添加组与空白组比较，可显著提高断奶仔猪的平均日增重。这可能是由于APT可以通过增加消化酶的分泌、增强营养物质的消化、促进肠道健康来改善生长性能[62]。相关研究报道，APT能够增进胰腺发育，刺激胰腺消化酶的分泌[25, 63-64]，其具体潜在的分子机制尚不清楚。夏枚生等[23]试验表明，在饲粮中添加改性APT可以有效缓解AFB1造成的肉鸡生长性能和免疫机能降低等毒害作用。罗丹等[34]报道，APT对提高蛋鸡产蛋率和降低ZEA在蛋黄中残留均有一定效果。霉变饲料可以选择添加APT，以此缓解饲粮中霉菌毒素对动物生产性能引起的不利影响[32]。由此可见，APT可通过促进消化酶的分泌和缓解饲料中不利因素对畜禽的伤害来改善生产性能。

综上所述，APT可以概括为从以下几个方面来改善生产性能：1)APT可以提供动物机体所需的矿物元素；2)APT利用自身吸附能力，可以吸附有害毒素并将其排出体外；3)载金属阳离子的改性APT可以抑制细菌生长，减少对动物机体的危害；4)APT可以促进消化酶的分泌，增强对营养物质的消化；5)APT可以改善饲料品质，提高适口性，并增加饲粮在消化道保留时间；6)APT可以增加肠道绒毛高度，增大肠道对营养物质吸收的面积；7)APT可以保持肠道微生态平衡；8)APT可以提高机体免疫和抗氧化机能。

Tang等[6]和Zhou等[62]分别发现APT可以显著提高断奶仔猪和肉鸡对饲粮中能量和粗蛋白质的表观消化率，推测是因为APT的离子交换使胃肠道液体的pH和离子组成发生改变，引起消化酶的分泌增加，从而提高动物机体对营养物质的利用率和饲料转化率[59, 63, 65]。除此之外，APT还可以增加饲粮在消化道的保留时间，提高畜禽对营养物质的利用率[12]。这可能是由于黏土矿物质具有胶体性能，在肠道形成凝胶而增加黏度，从而减慢饲粮在消化道的通过速度，而增加饲粮的运输时间可以使内源酶与蛋白质、碳水化合物和脂肪在消化过程中更充分接触[66]，从而提高营养物质的消化率和利用率。黏土工业利用超细研磨技术生产具有均匀粒度分布的黏土粉末，通过该方法处理的材料具有优异的性质，如有利的溶解性、分散性、吸附性、流动性和化学反应性[67-69]。APT经超细研磨，使得粒径减小、表面积增大、黏度增加，得到更优的理化性质，利于改善动物机体对营养物质的消化吸收[64, 70]。Du等[64]使用1%的超细粉碎APT添加于饲粮中，显著提高了肉鸡的饲料转化率、有机物和粗脂肪的表观消化率以及胰腺中淀粉酶的活性，对APT进行超细粉碎较传统粉碎能更好地对肉鸡增益。综上，APT通过促进消化酶的分泌和延长饲粮在消化道保留时间来提高畜禽对营养物质的利用率。

饲料的物理形式(颗粒和粉末)是肉鸡决定生长性能的关键因素，研究表明，与粉末饲料相比，颗粒饲料改善了肉鸡的生长性能[71]。颗粒饲料还具有减少成分分离、提高消化率、杀灭病原微生物、对淀粉和蛋白质进行热改性、提高适口性等优点[72]。APT因具有优异的吸附和流变性能，而被用作颗粒黏合剂以改善饲料耐久性指数和硬度[73]。Zhang等[73]在饲料中添加2%的APT，不仅降低了饲料在水中的溶失率，还显著提高了团头鲂肌肉组织中Fe和Zn的含量，同时显著降低了肌肉组织中Cd含量。已有研究表明，APT可以降低蛋黄中ZEA[34]的残留以及Pb[7]的含量。杨伟丽[74]试验表明，饲粮中添加改性载锌APT可使肉鸡肌肉组织中Zn、Mg、Fe含量显著提高，Cr、Cu、Pb等重金属沉积量显著减少，并可改善肌肉品质。此外，Bampidis等[33]报道，在泌乳奶牛饲粮中添加10 g/kg的APT，可提高乳蛋白产量，降低乳菌落形成单位，提升乳品质。这表明APT既能改善饲料品质，也能改善动物产品品质。

肝脏是重要的免疫器官，断奶仔猪在断奶时，出现的断奶应激可能会引起肝脏损害并增加血清中天冬氨酸转氨酶(AST)的活性，因此AST活性变化可反映肝脏受损伤状况和机体遭受应激情况。Lv等[75]报道，在饲粮中添加2 000 mg/kg APT，可以显著降低断奶仔猪血清AST活性。这可能是由于APT降低了血液中能导致肝损伤的LPS的含量[59]。这表明APT对断奶后仔猪肝脏有保护作用，提高了机体的免疫能力。活化B细胞产生的分泌型免疫球蛋白A(sIgA)是黏膜免疫系统的主要效应因子，是保护肠道上皮免受病原微生物和有害化合物侵害的第1道防线[76]。此外，sIgA通过将抗原和病原微生物包裹在黏液中，阻断它们与上皮受体的接触，并通过蠕动和黏液纤毛活动促进它们的清除，从而促进抗原和病原微生物从肠道腔内清除[77]。Chen等[13]在肉鸡上的研究表明，APT可显著提高空肠和回肠杯状细胞数量，回肠免疫球蛋白M(IgM)、sIgA含量均显著增加，免疫球蛋白G(IgG)含量也有增加的趋势。有研究报道，改性载锌APT可以通过Toll样受体(TLRs)-核因子-κB(NF-κB)信号传导通路调节免疫机能，改善肉仔鸡肠道黏膜免疫[27]。除此之外，改性载锌APT还可通过抑制有害菌生长、促进有益菌增殖来提高机体的免疫性能[78]。

脂质过氧化作用后的最终产物是丙二醛(MDA)，因此MDA的含量通常用作氧化应激程度的生物标志物[79]。抗氧化酶在细胞抵抗氧化应激的防御过程中起着重要的作用，而过氧化氢酶(CAT)是最重要的抗氧化酶之一[80]。有研究报道，在蛋鸡饲粮中添加有机改性APT吸附剂能显著降低空肠和回肠中MDA的含量[7]。Zhou等[62]在肉鸡饲粮中添加1%沸石和1%APT组合，结果显示空肠黏膜CAT活性和sIgA含量显著提高，MDA含量显著降低。这是由于APT通过表面介导来抑制脂质过氧化反应[17]，可由羟基自由基物种的稳定作用来解释，羟自由基是高反应性氧化剂，代表最有效的反应性氧原子，用于提取氢并引发脂质过氧化的链反应[81]。一旦形成自由基，脂质过氧化就会发展，因此，会形成几种次级的有毒氧化产物，包括甲醛、乙醛、MDA和乙二醛[82]。因为APT拥有较高的高能位点频率，即四面体薄片中的顶氧反转[17]。可以说，这些位点的裂解导致在八面体阳离子的八面体球或相关配位球处产生吸附和反应位点[83]，并与羟基结合，从而抑制脂质过氧化。这也证明了APT可以降低母猪的氧化应激反应[84]。此外，T-SOD是机体清除自由基的主要抗氧化酶之一，研究发现APT可以显著提高肉鸡肝脏和血浆中T-SOD活性[60, 85]。

由此可见，饲粮中添加APT能够提高抗氧化机能和改善肠道免疫。有关APT调节免疫器官、细胞及相关分泌物的具体机制还鲜有报道，有待于进一步深入研究。

作为功能性饲料原料，APT可以有效地结合有毒化合物，然后将它们从动物体内排出[58]。研究表明，APT作为饲料原料可以改善动物的生长性能、肠道完整性、营养利用率[6, 59, 75]。二胺氧化酶(DAO)通常以少量存在于循环中，当肠黏膜完整性受损时，DAO被释放到血液中。因此，血浆DAO活性可作为肠黏膜损伤和完整性的标志[86]。Zhou等[62]发现，饲粮中添加APT可以显著降低肉鸡血清DAO活性。类似的研究表明，添加2 000 mg/kg APT可以显著降低断奶仔猪血浆中LPS含量和DAO活性[59]。这表明，饲粮补充APT可以起到保护肠黏膜的作用。除此之外，肠道形态、肠道菌群、肠屏障相关的结构蛋白含量及其基因表达水平等都可以反映肠道健康状况。Chen等[13]报道，饲粮中添加APT可显著提高肉鸡空肠和回肠的绒毛高度、绒毛高度/隐窝深度值，同时显著降低血清DAO活性以及盲肠沙门氏菌数量，罗有文[78]也得到了类似结果。有研究报道，添加2%APT能刺激蛋鸡消化酶分泌，改善肠道形态，促进肠道健康[25]。另外，改性APT可维持盲肠微生态平衡[27]，并且APT还可使回肠黏蛋白2(MUC2)和闭锁连接蛋白-1(ZO-1)的mRNA丰度显著增加，而使Toll样受体4(TLR4)和干扰素-γ(IFN-γ)的mRNA丰度显著减少[13]。综上所述，APT可以通过改善肠道形态、肠道菌群，提高肠屏障相关的结构蛋白含量及其基因表达水平等来共同促进肠道健康。

APT因其独特的棒晶结构和理化特性，一方面可作为吸附剂吸附饲料中是毒素，另一方面可作为功能性饲料原料改善机体免疫功能和抗氧化能力、促进肠道健康，并通过这个2方面作用共同来提高动物生产性能和产品品质。在全球“无抗养殖”的大趋势下，APT具有抗菌、抗炎、防治腹泻等功效，且不产生耐药性和二次污染，可作为环境友好型抗腹泻药物和抗生素类促生长剂替代品应用于饲料。但APT的开发利用还处于起步阶段，今后可以从以下几个方面进行系统的研究：1)与有关复合型添加剂联合应用，如益生菌、酶制剂或中草药等；2)探索新的改性技术或复合改性，优化APT性能；3)探究APT在不同动物饲粮中的替抗效果及机制；4)探究不同动物饲粮中APT的适宜添加量等，实现最大化改善畜禽机体健康和提高生产性能，以期在“无抗养殖”进程中充当更重要的角色。