随着我国畜牧养殖业规模化、集约化程度的不断提高,饲料用粮在粮食总消费量中的占比持续攀升。在实际生产中,动物饲养管理或饲料原料贮存不当,可能会导致玉米和其他非常规饲料原料滋生霉菌毒素,影响畜禽健康。选择黏土矿物作为吸附剂添加到畜禽饲粮中,对于去除饲料原料中的有害物质具有重要作用。目前常见的黏土矿物主要有蒙脱石、高岭土、膨润土和伊利石(illite,IL)等。研究报道,饲粮中添加层状铝硅酸盐黏土矿物可预防家畜黄曲霉毒素中毒[1-3];饲粮中添加伊利石等铝硅酸盐黏土矿物可降低肉鸡体内沙门氏菌数量,改善肠道微生物生态环境[4]。此外,伊利石对甲烷有较高的吸附能力,能减少反刍动物体内甲烷的产生[5]。这对畜牧业减碳增效、绿色可持续发展以及实现我国“双碳”目标具有重要意义。
伊利石是一种不膨胀的铝硅酸盐黏土矿物[6],在世界范围内广泛分布,我国吉林省延边朝鲜族自治州安图县的伊利石产量最高,位居亚洲第一。黏土矿物的天然层状结构和物理性质决定了其具有较强的吸附性、较高的比表面积和阳离子交换能力,可促进离子交换,吸附肠道表面毒素并改善肠道环境[7]。目前,伊利石已被应用在化妆品、塑料填料和陶瓷原料等领域,但在畜禽生产上的应用较少。An等[8]研究发现,饲粮中添加1%伊利石可显著提高肉鸡体重和肉品质。在反刍动物的应用上,饲粮中添加2%伊利石可显著提高韩牛产肉量和肉品质,并降低瘤胃中甲烷产量[9-10]。胡江旭等[11]研究报道,饲粮中添加0.4%伊利石可显著提高断奶仔猪空肠和回肠的绒毛高度/隐窝深度。在伊利石的安全性研究方面,饲粮中添加5%的伊利石、蒙脱石和高岭土天然混合物对猪的健康没有影响[12],但在家禽和反刍动物饲粮中的添加量尚不明确且缺少试验研究。综上所述,伊利石具有作为畜禽饲料添加剂的潜力,但仍需进一步研究其在畜禽上的安全性和应用效果评价。因此,本文对伊利石的结构和成分、产业现状、提纯工艺及其作为饲料添加剂的安全性和在畜禽生产中的应用效果进行综述,以期为伊利石作为一种新型畜禽饲料添加剂的开发和应用提供参考。
1 伊利石的结构和成分
表1 伊利石的主要化学成分及含量Table 1 Main chemical components and contents of illite |
| 项目 Items | 数据来源Data sources | 平均值 Means | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Lim等[14] Lim et al[14] | Kim等[4] Kim et al[4] | Kim等[15] Kim et al[15] | 安图县伊利石样品 Illite samples of Antu country | ||
| 二氧化硅SiO2/% | 70.60 | 67.40 | 64.50 | 66.30 | 67.20 |
| 三氧化二铝Al2O3/% | 17.80 | 20.30 | 16.60 | 19.35 | 18.51 |
| 三氧化二铁Fe2O3/% | 3.30 | 2.35 | 4.30 | 2.55 | 3.13 |
| 二氧化钛TiO2/% | 0.28 | 0.27 | - | 0.42 | 0.32 |
| 氧化钙CaO/% | 0.09 | 0.04 | 0.10 | 0.63 | 0.22 |
| 氧化镁MgO/% | 0.29 | 0.24 | - | 0.78 | 0.44 |
| 氧化钠Na2O/% | 1.39 | 0.54 | 0.80 | 0.16 | 0.72 |
| 氧化钾K2O/% | 2.95 | 5.50 | 4.70 | 5.75 | 4.73 |
| 氧化锰MnO/% | 0.04 | 0.01 | 0.10 | 0.02 | 0.04 |
| 五氧化二磷P2O5/% | 0.05 | 0.04 | - | 0.11 | 0.07 |
| 砷As/(mg/kg) | - | - | - | 1.40 | - |
| 铅Pb/(mg/kg) | - | - | - | 19.20 | - |
| 镉Cd/(mg/kg) | - | - | - | 0.09 | - |
| 铬Cr/(mg/kg) | - | - | - | 18.90 | - |
| 镍Ni/(mg/kg) | - | - | - | 2.09 | - |
| 汞Hg/(mg/kg) | - | - | - | 0.04 | - |
| 氟F/% | - | - | - | 0.37 | - |
-代表无此项数据。 | |
- indicated that no such data。 |
2 伊利石的产业现状、提纯工艺及其作为饲料添加剂的安全性
2.1 伊利石的产业现状
我国伊利石产能较高,需求量大,其行业总产量已超过4 000万t,而2024年吉林省延边朝鲜族自治州安图县伊利石产量超过40万t,居亚洲首位。目前,伊利石主要被用于制作塑料填料、电缆材料和板材等。此外,伊利石在其他领域也有潜在的重要价值,由于伊利石耐热性较好,可有效降低陶瓷制作过程的煅烧温度[16]。另外,伊利石具有无毒无味、质地柔软和细腻的特性,可被用来做化妆品。综上所述,我国伊利石产业发展迅速且市场需求旺盛,在陶瓷煅烧、化妆品和电缆材料等多个领域具有重要潜在价值,但目前伊利石尚未在畜禽养殖领域得到广泛应用,未来可进行伊利石对畜禽健康影响的研究,以便开发伊利石作为一种新型的饲料添加剂应用到动物生产中。
2.2 伊利石的提纯工艺
目前,主要采取干法和湿法2种方法对伊利石原矿进行提纯。二者的区别在于干法提纯工艺简单、成本较低;而湿法提纯得到的产品纯度高,且能更有效地降低伊利石中的硅元素含量,但提纯工艺更复杂。张凌燕等[17]通过湿法物理提纯技术,确定了超细粉碎、水力旋流器分级和高梯度磁选三级提纯工艺流程,最后得到的伊利石产量较高且无污染。何广文等[18]通过湿法提纯技术确定了伊利石的提纯方法,包括磨矿浓度和沉降时间等,得到的伊利石纯度可达94%。于阳辉[19]采用干法提纯工艺对砂性伊利石原矿进行提纯,得到的伊利石纯度为85%。由此可知,湿法提纯得到的伊利石纯度超过90%,相较于干法提纯而言更具有回收价值。对于伊利石的其他提纯方法尚未见更多的研究报道,因此,仍需进一步研究并优化伊利石的提纯方法,以便能更有效地减少伊利石中的杂矿含量。
2.3 伊利石作为饲料添加剂的安全性
近年来,我国已有将伊利石作为断奶仔猪饲料添加剂的研究,可显著提高断奶仔猪平均日增重、养分消化率和抗氧化能力[11]。但缺少对伊利石的安全性评估以及其在家禽、反刍动物和水产动物上的应用效果评价,且我国尚未把伊利石列入畜禽饲料添加剂名录。欧盟已于2021年批准伊利石、蒙脱石和高岭土天然混合物可作为饲料添加剂应用到畜禽生产中,并对其安全性做了初步评估。研究表明,在全价饲料中分别添加5%、7%和10%的伊利石、蒙脱石和高岭土天然混合物,对仔猪血液中总血红蛋白和平均红细胞体积无显著影响,随着添加量的升高,血液中钙含量升高,磷含量降低,可能会影响仔猪对磷的吸收,但不会影响仔猪健康[12]。但是,该研究未给出伊利石、蒙脱石和高岭土天然混合物在家禽和反刍动物中的安全浓度范围,仍需进一步试验研究。另有研究报道,伊利石和蒙脱石混合添加剂在全价饲料中的建议有效剂量最低添加量为2%,在补充饲料中的建议有效剂量最低添加量为1%,这对于畜禽健康、环境和消费者来说都是安全的[20]。截至目前,对伊利石在畜禽上的安全性评估均是针对含有伊利石的天然混合物,而不是伊利石本身。因此,在今后的研究中有必要对伊利石单独作为畜禽饲料添加剂的安全性、添加量和适用范围做进一步评估,以便伊利石能更安全高效地应用到畜禽生产中。
3 伊利石的生物学功能
3.1 抗菌
铝硅酸盐黏土矿物具有良好的吸附能力,可帮助益生菌在肠道内定植[21],并具有抗菌功能[22]。Lim等[4]的试验结果表明,与对照组相比,添加伊利石和益生菌联合处理可显著提高28日龄肉鸡体内乳酸杆菌数量,并显著降低沙门氏菌数量。天然黏土矿物中的三氧化二铝和三氧化二铁是抗菌的关键成分[23],铝离子(Al3+)和亚铁离子(Fe2+)与其抗菌活性呈正相关,其含量越高吸附作用越强[24-25]。伊利石的特殊层状结构可以进一步释放更多的Al3+和Fe2+,进而达到最佳的抑菌效果[15]。目前,有关伊利石在动物上的抗菌机制研究较少,参考其他黏土矿物的机制,伊利石能促进肠道黏膜中免疫球蛋白G的分泌,进而减少细菌数量[26]。另有研究表明,饲粮中添加0.5%~2.0%伊利石可提高家禽对沙门氏菌的抵抗力,添加0.6%伊利石具有减少致病菌的趋势[14]。但是,过量补充硅酸盐也会导致肠道内微生物总数减少,因为硅含量过高会抑制微生物定植[27]。此外,伊利石在人体皮肤抑菌方面也具有良好效果。王玉珂等[28]的试验结果表明,伊利石对人体皮肤无不良反应,且10%的伊利石能抑制表皮葡萄球菌、犬小孢子菌和马拉色菌增殖,抑制率达90%以上。综上所述,伊利石具有良好的抗菌效果,但未来仍需进一步研究伊利石的最佳添加量以及其具体抗菌机制,以便在生产实践中合理应用伊利石。
3.2 降低碳排放
反刍动物的瘤胃可将高分子有机物水解成小分子有机物,如挥发性脂肪酸、二氧化碳和氢气等[5],在其瘤胃产生的气体中,有25%~30%甲烷,对瘤胃能量损失和全球变暖有负面影响[29-30]。反刍动物排放的甲烷占全球甲烷排放量的15%,特别是生长周期长的肉牛,每增长1 kg肉所产生的甲烷量更多[31]。伊利石可能是一种潜在的甲烷减排剂。研究表明,伊利石对甲烷有吸附作用,1%的伊利石可使甲烷产量减少13%[10,32]。Ahn等[5]研究表明,饲粮中添加1.0%伊利石可显著降低肉牛体内24 h甲烷产量;此外,该研究还发现,伊利石与大蒜素联合添加可显著降低24 h甲烷产量以及12 h二氧化碳产量。Liu等[32]研究报道,伊利石、蒙脱石和高岭土分别具有6.01、3.88和2.22 cm3/g的甲烷吸附能力。其原理是黏土矿物的层状结构具有较多的孔隙,进而展现出良好的吸附功能[13]。但是,目前伊利石降低瘤胃甲烷产生的分子机制还不清楚,在未来的研究中应进一步深入探讨伊利石降低瘤胃甲烷的作用模式,这对实现“双碳”目标以及畜牧业绿色可持续发展有重要意义。
3.3 其他功能
4 伊利石作为饲料添加剂的应用效果
表2 伊利石在畜禽生产中的应用效果Table 2 Application effects of illite in livestock and poultry production |
| 动物种类 Animal species | 试验方法 Experimental methods | 指标变化 Indicator changes | 参考文献 References |
|---|---|---|---|
| 生长育肥猪 Growing finishing pigs | 饲粮中添加0.5%伊利石 | 平均日采食量↑,料重比↓, 干物质消化率↑,背膘厚度↑ | Muniyappan等[40] |
| 去势公猪 Castrated boars | 饲粮中添加1.0%和2.0%伊利石 | 终末体重↑,屠体重量↑,肉品质↑ | Choi等[6] |
| 断奶仔猪 Weaned piglets | 饲粮中添加0.4%伊利石 | 平均日增重↑,养分消化率↑,免疫功能↑ | 胡江旭等[11] |
| 肉鸡Broilers | 饲粮中添加1%伊利石 | 体重和肉品质↑ | An等[8] |
| 肉鸡Broilers | 饲粮中添加1%伊利石 | 干物质消化率↑,料重比↓ | Kim等[4] |
| 蛋鸡Laying hens | 饲粮中添加0.3%和0.6%伊利石 | 产蛋率↑,免疫功能↑ | Lim等[14] |
| 蛋鸡Laying hens | 饲粮中添加0.5%~2.0%伊利石 | 对沙门氏菌的抵抗力↑ | Lim等[14] |
| 韩牛Hanwoo steers | 饲粮中添加2%伊利石 | 产肉量和肉品质↑ | Kang等[9] |
| 犊牛Calves | 饲粮中添加2%伊利石 | 对平均日增重无影响 | Kang等[9]、 Sarker等[41]、 Sarker等[42] |
| 韩牛Hanwoo steers | 体外添加0.5%、1.0%和2.0%伊利石 | 瘤胃甲烷产量↓ | Biswas等[10] |
| 肉牛Beef cattle | 饲粮中添加1.0%伊利石 | 瘤胃甲烷产量↓ | Ahn等[5] |
↑:升高 increased;↓:下降 decreased。 |
4.1 猪
Muniyappan等[40]研究表明,饲粮中添加0.5%伊利石可显著提高1~42日龄、43~70日龄和99~126日龄生长育肥猪的平均日采食量,显著降低料重比,此外,添加0.5%伊利石还可显著提高42和126日龄干物质消化率以及98日龄的背膘厚度。这与胡江旭等[11]的试验结果一致,其研究发现,与不添加伊利石组相比,饲粮中添加0.4%伊利石可显著提高断奶仔猪1~28日龄平均日增重,显著提高1~14日龄干物质和粗蛋白质消化率以及15~28日龄粗蛋白质消化率。其原因是伊利石与含铜蒙脱石结构类似,而后者对动物胃肠道有积极影响,可刺激消化酶分泌[43]。此外,Choi等[6]研究报道,与不饲喂伊利石相比,饲粮中添加1.0%和2.0%伊利石均可显著提高去势公猪终末体重,改善生长性能;在肉品质方面,饲粮中添加1.0%和2.0%伊利石均可显著提高去势公猪屠体重量以及肉中蛋白质、水分含量和红度值[6]。Kim等[44]研究报道,饲粮中添加0.5%伊利石可显著提高仔猪平均日采食量和干物质表观消化率,同时可显著增加背膘厚度并降低滴水损失。
此外,伊利石在提高仔猪免疫功能方面也具有一定积极作用。Dongcheol等[45]的试验结果表明,与不添加伊利石相比,饲粮中添加1%伊利石可显著提高感染大肠杆菌仔猪的料重比以及血液中干扰素-γ和黏蛋白表达水平,缓解大肠杆菌诱导产生的不良影响。胡江旭等[11]研究表明,饲粮中添加0.4%伊利石可显著提高第14和28天仔猪血清中免疫球蛋白A含量以及空肠和回肠的绒毛高度/隐窝深度。其潜在机制是黏土矿物可附着在肠道黏膜上,增强肠道黏膜屏障功能,提高仔猪对细菌的抵抗力并促进肠上皮细胞再生[46]。综上所述,伊利石对猪的生长性能、养分消化率和免疫功能以及肉品质方面具有一定的改善作用,但目前对其免疫调节和改善肉品质的分子机制还没有深入的研究。
4.2 禽
铝硅酸盐黏土矿物可用做家禽饲料添加剂,能提高肉鸡的免疫功能和生长性能,降低炎症反应[47]。Kim等[4]研究报道,饲粮中添加1%伊利石可显著降低15~21日龄和1~28日龄肉鸡的料重比,显著提高14和28日龄肉鸡的干物质消化率。推测其机制与改善生长性能类似,即铝硅酸盐黏土矿物能刺激胃肠道中消化酶的分泌,提高养分消化率[43]。但是,Choi[48]研究报道,饲粮中添加1.0%和1.5%伊利石对鸭的生长性能均没有显著影响。由此可见,伊利石在不同家禽之间的应用效果具有一定差异。另外,伊利石在缓解家禽热应激方面也具有一定的积极作用。An等[8]研究表明,饲粮中添加1%伊利石可显著提高1~4周龄肉鸡的体重,改善肉质pH和风味,并降低皮质醇水平,缓解热应激损伤。在免疫功能方面,Lim等[14]研究报道,与不添加伊利石相比,饲粮中添加0.3%和0.6%伊利石均可显著提高蛋鸡血清中免疫球蛋白G含量,其中添加0.6%伊利石还可显著提高蛋鸡产蛋率和血清中钙离子含量,并有减少肠道中致病菌的趋势。此外,饲粮中添加0.5%~2.0%伊利石可以提高家禽沙门氏菌的抵抗力[14]。综上所述,伊利石在改善家禽生长性能、免疫功能和热应激方面能发挥重要作用,但未来仍需对伊利石在不同家禽上的应用效果进行评价。
4.3 牛
研究发现,黏土矿物对牛的日增重、饲料效率和瘤胃酸中毒有改善作用[49]。其作用机制是存在于伊利石八面体结构中的镁、铁和铜等矿物元素会在瘤胃中溶出,这些矿物元素不仅可以直接促进挥发性脂肪酸产生,还可参与多种酶的组成,进而提高机体代谢能力[50-51]。但是,也有研究报道,饲粮中添加2%伊利石对初生至3月龄以及断奶前的犊牛日增重无显著影响[41-42]。Kang等[9]研究报道,饲粮中添加2%伊利石可提高韩牛产肉量和肉品质。在挥发性脂肪酸方面,Ahn等[5]的试验结果发现,饲粮中添加1.0%伊利石可显著降低肉牛4 h瘤胃中丙酸含量,显著升高2 h瘤胃中丁酸含量;该研究还发现,伊利石与大蒜素联合添加可显著降低24、48 h瘤胃中乙酸产量,同时显著提高2、12和24 h瘤胃中丁酸产量以及总挥发性脂肪酸产量。Biswas等[10]研究报道,体外添加1%伊利石可降低24 h瘤胃中甲烷产量,并使其达到最低水平;同时,该研究还发现,体外添加0.5%、1.0%和2.0%伊利石均可显著提高2 h瘤胃中乙酸和丁酸以及总挥发性脂肪酸产量,体外添加1.0%和2.0%伊利石均可显著提高0 h瘤胃中总挥发性脂肪酸产量、2 h总挥发性脂肪酸产量和乙酸/丙酸值以及24 h丁酸产量,体外添加0.5%伊利石可显著提高4 h瘤胃中乙酸产量,体外添加2.0%伊利石可显著提高12 h瘤胃中丁酸产量并显著降低2 h体外pH。其作用机制是硅酸盐黏土矿物中硅含量较高,可抑制饲料上的细菌定植,进而减少挥发性脂肪酸产生[52]。由此可知,伊利石在肉牛上的功能主要以调节挥发性脂肪酸含量和降低甲烷产生及排放为主,其次可改善肉牛的产肉量和肉品质,但伊利石对肉牛生长性能是否有积极作用还需进一步试验研究。
5 小结与展望
近年来,在畜牧业减污降碳、绿色转型的背景下,黏土矿物受到越来越多的关注。黏土矿物种类较多,主要有伊利石、蒙脱石和高岭土等,具有吸附细菌与甲烷、免疫调节、改善畜禽生长性能和肉品质等多种功能。本文总结了伊利石的结构、化学成分、产业现状、提纯工艺、抗菌、降低碳排放等功能以及其在畜禽生产上的应用前景。伊利石在改善畜禽肠道健康、胴体品质和生长性能方面均有积极作用,但如何确定伊利石作为畜禽饲料添加剂的安全性还需进一步研究。因此,今后的研究要更多关注伊利石在不同动物上的添加量和安全性以及其发挥的功能作用,以便伊利石能更安全、高效地应用到畜禽生产中。