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纳米粘纳米粘土的发展将造福饲料业土的发展将造福饲料业

时间:2019-06-27 16:44来源:未知 作者:admin 点击:

原题名: Nanoclay development may benefit feeding(英文)

原作者: Sheila Schits 博士

摘要

现代畜牧业正在运用一项新技术以提高粘土的天然特性。现在是重新审视粘土是如何提高养殖业生产效益的时候了。

 

粘土用作医疗救助的记载最早可以追溯到古埃及。据估计, 在那个年代, 有200 多个国家将粘土用于治疗目的。现在, 由于纳米技术的飞速发展, 因纳米粘土(nanoclay)的产生, 使粘土的优点得到了显著的增强。因此, 现在是重新考虑并找出它们为何是饲喂方案中非常有用的添加剂的时候了。

畜牧生产常出于多种目的使用粘土, 而最普通的应用是将其作为水分和霉菌毒素的吸附剂。粘土对某些霉菌毒素所具有的高吸附率已经被许多试验所证实, 其对霉菌毒素的吸附主要是通过粘土内部各结构层间的静电不平衡作用(electrical imbalance)来实现的。这种作用能吸附住霉菌毒素, 并将其牢牢的束缚在各结构层之间, 从而可减弱霉菌毒素的不利作用。

一般来说, 粘土对体积较小的水分子和霉菌毒素(如黄曲霉毒素和赭曲毒素)的结合能力最强, 对大分子霉菌毒素(如伏马菌素和脱氧瓜萎镰菌醇(DON; 又称呕吐毒素)的结合能力很有限, 这是因为粘土各结构层间的空间无法容纳这些较大的分子。应用纳米技术可以使粘土各结构层间的空间增大近10 倍, 因此纳米粘土能吸附霉菌毒素家族的全部成员。

当人们讨论将粘土用作动物饲料添加剂以预防霉菌毒素时, 通常并不清楚它们为何能够成为有益的饲料添加剂。很多粘土生产商过分夸大其功效, 导致人们对粘土的益处抱持怀疑态度。同时一些令人困惑的术语和说明也导致了终端用户不能确切地确定他们使用哪种粘土和为什么要使用粘土。

 

什么是粘土

 

粘土是一类广泛存在于土壤中的物质, 由于长期处于特定的环境条件下, 使其形成了某些特性, 而这些特性是沙子或泥土无法通过机械粉碎实现的。粘土的用途非常广泛, 包括可用来制作陶器、陶瓷、耐火产品的内衬、计算机芯片、化妆品和药品。

在农业生产中, 土壤中的粘土可为农场主提供重要的元素, 能减缓土壤中水分的渗漏, 有助于土壤保持一定的水分。然而, 土壤中粘土含量过多将会导致土壤厚重、硬化, 并且会阻碍空气和水分在土壤中的流动。粘土还能吸收氨气和其他一些植物生长所必需的气体, 以及帮助吸收一些植物生长所需的矿物质。如果土壤中含有一定比例的粘土, 土壤的肥力年复一年地将会越来越好。

粘土产区所产的同一类型粘土中可能存在着较大的差异, 有时甚至一个小小的样品都含有数种不同的粘土。另外, 某些地区的粘土样品可能还含有其他成分, 如云母、石英、长石和碳酸盐等。

 

粘土的种类

 

粘土是根据其所含的矿物质(逻辑上是指粘土矿物质)进行分类的。所有粘土都含有氧化铝和二氧化硅这两种主要成分, 它们以薄片的形式结合在一起以形成粘土的结构层。这似乎暗示所有的粘土都具有相似的特性, 而且能被视作为惰性填料, 但实际上并非如此。

由于粘土在其化学组成上存在着很大的差异, 所以粘土的物理特性以及化学和结构特性在定义各种粘土时显得极为重要。一种矿物必须符合4 个标准才能被称作粘土矿物(ClayMinerals)。

第一, 粘土矿物的颗粒非常小(小于0.002 mm), 只有借助电子显微镜才能看到。在讨论特定用途的粘土吸附效能时, 颗粒大小是一个重要的需考虑内容。粘土颗粒越小, 其可利用的吸附面积就越大, 因此在吸附同一物质时, 颗粒较小的粘土其吸附能力要强于颗粒较大的粘土。

第二, 粘土矿物由可以相互滑动的颗粒组成, 这就使得粘土矿物具有可塑性和延展性。

第三, 这些颗粒在与水混合时必须能形成胶状悬浮液(Colloidal Suspensions)。根据粘土与水混合时物质的反应情况, 一般可以将粘土分为两种类型, 即膨胀型粘土(Expandable Clay) 和非膨胀型粘土(Non- expandable Clay)。将水加入膨胀型粘土中, 粘土会膨胀, 并且由于它能吸收大量的水分而最终变成液状。石油工业常利用膨胀型粘土生产钻探泥浆。非膨胀型粘土中加入水后会变软但不会变成液状。陶瓷工业通常利用非膨胀型粘土生产砖、陶器、瓦片和其他很多产品。

第四, 样品必须要具有可产生前三种特性的化学成分。由于粘土的化学成分变化很大, 所以粘土组成物质的化学名称能列出一个长长的清单来。有时, 仅仅是一个分子上的差异, 但这一差别就能导致粘土用途上很大的差异。

正因为粘土的变化多样, 故对其进行基本分类有些复杂, 因此一些普通粘土名称目录存在着很多的交叉现象。例如, 粘土取名“Semecite”, 表示其是含有8 个或8 个以下硅离子的粘土矿物, 但是这两种“Semecite”有很明显的不同。因此, 要真正理解这种特殊粘土的特性,除了“Semecite”名字外还需要更多的资料。

 

层状硅酸盐粘土

 

层状硅酸盐粘土属于膨胀型, 具有吸附特性。当用其吸收水气或霉菌毒素时, 这个特性显得尤为重要。

术语“层状硅酸盐”表示被叫做硅酸盐矿物(Silicate Minerals)的造岩矿物质(Rockforming Minerals)中六个亚类中的一个, 也将其称为粘土矿物, 具有明显的层状和晶体结构。术语铝硅酸盐(或硅铝酸盐)也常被用来表示某些类型的层状硅酸盐。铝硅酸盐是一类由铝、硅和氧元素组成的氧化型化合物, 是粘土的主要组成成分。

水合粘土(Hydrated Clays)有时候也用来表示特定的粘土类型, 但这并不是一种准确的表示法。水合仅仅是指粘土中含有水分子, 这些水分子可以是结合到金属的中心, 也可以是与金属络合物(Metal Complex)形成晶体。

特定的层状硅酸盐粘土需要通过其族、亚族和种进行定义。由结构层的厚度决定粘土的族(group), 而结构层的厚度取决于结合在一起的片(sheets)的数量和类型。四面体片(Tetrahedral Sheets)和八面体片(Octahedral Sheets)是两种最主要的片类型。

亚族(Subgroup)由四面体片和八面体片的密度以及结构层的电荷〔主要针对2:1 型(指形成粘土结构层的片的类型和数量)层状硅酸盐粘土〕决定。粘土的化学反应性越强烈, 其吸附分子(如霉菌毒素)的能力就越强。

种(Species)根据八面体片中的取代阳离子(Substitution Cation)进行分类, 这些取代阳离子决定了粘土的特殊特性。另外, 种也根据堆积在一起的结构层密度进行分类, 因为它可影响到粘土的稳定性。此外, 依然有数种粘土的族、亚族和种的名称存在着重叠现象。

 

吸附特性

 

某些类型的粘土在用作吸附剂时比其它类型的粘土更有效。研究表明2:1 型粘土最适合于此用途。然而,特定的2:1 型粘土比其它类型的粘土更适合。蒙皂石(Smectites)是其中的一种2:1 型粘土, 已被广泛地用作吸附剂。

蒙皂石在类别上也存在部分重叠的现象, 它既包括三八面体(Trioctahedral)型, 又包括二面体(Dioctahedral)型。事实上, 蒙皂石是多种粘土矿物质的一个总称。

蒙脱石(Montmorillonite)族属于“Semecite”种, 是2:1型粘土家族中最普通的一员。蒙脱石的名称源于法国的蒙脱城(Montmorillon), 此类粘土的化学特性于1863 年首次于该地进行了描述。

一般而言, 蒙脱粘土含有直径约为1 μm、厚约为1 nm 的片状颗粒(图1)。最常见的两种蒙脱石通常是指Na-蒙脱石(Sodium montmorillonite)和Ca-蒙脱石(Calcium montmorillonite)(表1)。

Na-蒙脱石是以其钠离子为主要的交换阳离子而得名, 因此它会形成一种膨胀性粘土。Na-蒙脱石具有很强的阳离子交换能力, 呈薄而有弹性的晶粒。这些特性使其能在水中迅速扩散, 具有很强的水性粘性和卓越的成膜能力, 但此类蒙脱石是蒙脱石中最少见的一种。

图1 蒙脱粘土的物理结构

Ca-蒙脱石以钙离子为主要的交换阳离子, 其吸附能力与Na-蒙脱石不同。但是, 在有钠离子存在的情况下, 其自身的钙离子能被钠离子所取代。

文献资料证明, 蒙脱粘土具有吸附和结合某些霉菌毒素的特性。能被蒙脱石结合的霉菌毒素是那些完全能进入到蒙脱石结构层间的毒素。干燥的蒙脱石其结构层的间距为0.25~0.7 nm, 而含水的蒙脱石则为1 nm。黄曲霉毒素和赭曲毒素能进入到该空间内, 但是其他霉菌毒素由于体积太大而不能进入(表2)。因此, 将此传统的蒙脱粘土作为霉菌毒素吸附剂在应用上有其局限性。

 

纳米粘土的发展

 

纳米技术(Nanotechnology)运用了全世界最先进的分子技术以改善化合物的物理性状, 其前缀“nano”就是用来表示物质的微观大小。纳米技术已经被用来改进全球范围内的各种产品, 包括废水过滤系统、表面减滑和开发医疗器械。

蒙脱粘土具有数种特殊的特性, 如稳定性、结构层空间、较高的水合作用和膨胀能力、出色的化学反应性, 这些特性能使其成为可利用纳米技术进行处理的卓越的基料。

图2 结构层间距扩大的Amadéite 产品显微图

法国Olmix 公司的研究人员开发了一项新技术,利用该项技术将海藻中的石莼聚糖(ulvan, 一种多糖)制成蒙脱粘土结构层间的柱子(pillars), 从而使结构层间的空间增大10 倍。层与层间的空间增大使得即使是大分子的霉菌毒素也能进入粘土, 进而为动物提供良好的保护作用。这种新产品叫做“Amadéite”, 并且已经申请了全球专利权(图2)。

荷兰独立实验室TNO 完成的试验证明了作为广谱霉菌毒素吸附剂的纳米粘土的功效。当纳米粘土通过胃和小肠时, 其依然保持着对霉菌毒素的吸附能力。研究表明,该新产品使DON(百万分之一)和烟曲霉毒素Bl (2 ppm)的水平分别比对照组下降了40 %和50 %~60 %

每吨添加1 kg 该产品的低添加水平就可获得这一吸附效率, 这无疑提高了该产品的实用价值和经济效率。另外, 试验表明纳米粘土并不能吸附碳水化合物、蛋白质和水溶性维生素, 这也使人们开始担心其他粘土产品的使用效果。另外, 已完成的田间试验证实了该产品能提高动物的生产力, 其他方面的研究尚在进行之中。

 

结论

 

这些年来, 人们对粘土能促进动物健康的科学认识已日益提高。由于欧盟禁止使用抗生素, 因此开发其他能够改善动物健康的产品已风靡一时。由于这些产品正越来越被广泛使用, 对生产者和消费者的益处也将日趋明显。

现在, 该项最新技术已经应用到畜牧业中, 以此提高粘土的天然特性, 由此将产生更为健康且具有更高生产力的动物。因此, 现在是重新考虑粘土能够提高经济效益的时候了。

 

本文摘自《国外畜牧学-猪与禽》,2008,28(4):35-37.

作者:Sheila Schits,罗何峰,蔡迎辉

 
(责任编辑:admin)
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