緩釋尿素制備工藝及其在反芻動物生產中應用的研究進展

王夢芝，楊斯涵，劉福元，張振斌，趙 建

1 揚州大學動物科學與技術學院，江蘇揚州 225009

2 綿羊遺傳改良與健康養殖國家重點實驗室，新疆農墾科學院，新疆石河子 832000

0 引言

我國的蛋白質飼料資源缺口很大，據國家飼料工業辦公室估算，2020年我國蛋白質飼料供需缺口為0.48 億噸。其巨大的需求量和資源緊缺的矛盾日益突出，給飼料工業帶來了嚴峻的挑戰。尋找可替代型蛋白質飼料資源是當前畜牧業發展的重要研究內容。尿素是哺乳動物排泄的含氮物質，反芻動物體內的尿素循環是其重要的營養代謝過程。尿素以低成本、高可用性和易用性著稱，是反芻動物重要的蛋白質補充源。尿素被微生物酶水解產生氨氮（NH3-N），NH3-N轉化為微生物蛋白質，從而為宿主動物提供額外的蛋白質[1]。然而，合成微生物蛋白質除瘤胃中存在NH3-N外，還需要充足的能量。能量的損失[2]和微生物生長效率的降低[3]是限制尿素在反芻動物日糧中使用的原因之一。與可發酵碳水化合物相關的瘤胃降解蛋白質（RDP）的缺乏不利于纖維的消化。而且，尿素溶解后NH3-N迅速地進入瘤胃，導致碳水化合物降解所產生的能量不足以供給后續蛋白質合成。目前，尿素緩釋技術的重要性凸顯并已成為畜牧行業的研究熱點之一。

緩釋尿素是尿素通過生物、化學或物理方式加工后制成的一種添加劑，旨在通過緩釋技術實現尿素在瘤胃內的緩慢釋放，從而提高飼料中尿素的利用率。其含氮量高，相對于尿素，能控制NH3-N緩慢而均勻釋放，使其不會被脲酶快速降解，不會產生氨濃度快速升高致中毒的現象，保證NH3-N降解速度與微生物利用氨的速度相適應，從而提高瘤胃微生物蛋白質的合成率，減少氮排泄和環境污染[4]。本文綜述緩釋尿素相關的包被技術、材料及其產品應用效果，以期為緩釋尿素研發及其技術的提升提供參考。

1 緩釋尿素的制備工藝

1.1 物理包被法

包被尿素的制作原理是用低水溶性或微溶性的無毒害的有機物或無機聚合物將尿素包裹起來，間接改變了尿素的水溶性，有效地控制或降低尿素在瘤胃內的釋放速度[5]。目前有糊化淀粉尿素工藝、尿素糖蜜舔磚，能夠在物理包被法中使用的包被材料有氫化植物油、蟲膠、高分子材料等。

1.1.1 糊化淀粉尿素

糊化淀粉尿素最早被美國堪薩斯州立大學的學者Bartley等成功研制[6]。糊化淀粉尿素是將淀粉或谷物與尿素均勻混合后經擠壓膨化處理，使淀粉的糖醛基與尿素的氨基發生反應形成復合物，從而達到減慢尿素中氨釋放速度的目的，其適口性較好可提高反芻動物采食量[4,7]。張翔兵[8]發現，將淀粉含量較高的谷物類飼料如玉米、高粱等（7 0.0 0%～8 0.0 0%）與尿素（20.00%～25.00%）混合均勻后，通過糊化機，在特定的溫度、濕度和壓力下，使淀粉糊化，融化的尿素均勻地被淀粉分隔、包裹，適當添加緩釋劑，制成的糊化淀粉尿素的粗蛋白含量約65.00%。每千克糊化淀粉尿素的蛋白質質量約為棉籽餅的2.0 倍、豆餅的1.6 倍，且價格便宜。糊化淀粉尿素替代泌乳牛日糧中56.00%豆餅，對產奶量無影響。每天用量為育成牛0.3 kg/頭，泌乳牛0.8 kg/頭。鄧麗青等[9]試驗表明，在不影響奶牛正常生產性能的基礎上，用糊化淀粉尿素產品中的糊化玉米淀粉替代16.00%的奶牛日糧氮源，能降低飼養成本。

1.1.2 尿素糖蜜舔磚

尿素糖蜜舔磚的加工原料是由糖蜜、糠鼓、尿素、硅酸鹽水泥、食鹽和礦物質元素添加劑等經加工獲得，還可以根據需要添加適量維生素[4]。楊肯牧[10]提出，在帶雙葉片的混合機中按順序加入制作原料，攪拌8～10 min，取出，用手工藕煤（蜂窩煤）機做成藕煤狀，晾干或曬干，也可將其鏟入制作土磚坯的木匣中，再用木板壓出，曬干；用薄膜包裹可保存較長時間。尿素糖蜜舔磚有調節瘤胃微生態環境，提高營養物質的消化吸收，促進微生物蛋白的合成，提高飼料利用率的作用[11]。在李長青等[12]研究中，補飼尿素糖蜜舔磚的羊的瘤胃微生物多樣性隨飼喂天數的增加而明顯增加。Anindo等[13]發現，每天使用80 g含氮量為46.00%尿素糖蜜舔磚（MUB）飼喂羔羊可顯著提高日采食量，即使停止飼喂MUB，試驗羔羊的日增重（ADG）較對照組仍然具有優勢。Geleta[14]在試驗中飼喂含粗蛋白17.72%的MUB組總增重最高，為（6.26±0.53）kg。

1.1.3 氫化植物油包被尿素

氫化植物油是普通植物油在特定的溫度和壓力下加入氫，催化其中的不飽和脂肪酸轉化為飽和脂肪酸形成的產物，通過氫化可提高油脂的熔點，保持固體的形狀，增強其可塑性、融合性和乳化性[15]。美國百爾康公司生產的Nitroshure是以氫化植物油包被而成，其尿素含量為90.00%[16]。潘正茂等[17]試驗中，將尿素顆粒90.00%、硬脂酸4.00%、乙基纖維素4.00%、氫化植物油2.00%加入到離心包衣機中，轉速100 r/min，氣流加熱，升溫到90 ℃；隨后加入硬脂酸，待硬脂酸受熱融化包裹在尿素顆粒表面后，加入乙基纖維素，乙基纖維素受融化的硬脂酸粘附融合于尿素顆粒表面；然后降溫至氫化植物油熔距溫度范圍內，加入氫化植物油進行阻水層包衣，最后自然降溫，制得反芻動物飼料用緩釋尿素。

1.1.4 蟲膠包膜尿素

蟲膠又稱紫膠，是一種新興的功能性組分微囊化壁材，天然、無毒、生物可降解，具有在中酸性水溶液中不溶、堿性水溶液中溶解的特性，以及良好的成膜性和熱性能，可較好地應用于耐酸、阻濕、胃腸道控釋等方面。其作為一種天然產物，對生物體沒有毒性和刺激性，可生物降解。目前以蟲膠為包膜的制作工藝有擠壓法、乳化法、相分離法、電噴霧法、靜電紡絲法[18]。Shuang等[19]以熱誘導相分離法制酵母醇脫氫酶的蟲膠微膠囊，結果顯示，蟲膠微膠囊的荷載量為79.0 mg/g，固定化酶的熱穩定性、pH值穩定性以及貯藏穩定性均有所提高。李志斌等[20]給牛飼喂100.0 g紫膠包膜尿素，2 h后牛血氨濃度和瘤胃中氨的濃度與僅飼喂尿素的牛相比分別降低了30%和12.9 mg/mL。

1.1.5 高分子材料包被尿素

目前市場上緩釋尿素產品的包被材料以油脂和高分子聚合物為主。美國奧特奇公司生產的奧優金是一款以聚氨酯為壁材的緩釋尿素產品，其尿素含量為88.00%。魏炳棟等[21]使用尿素顆粒作為芯材，乙基纖維素/聚丙烯酸樹脂IV號/殼聚糖或氫化棕櫚油作為壁材，制作了一種尿素含量為70.00%～90.00%的長效緩釋包被尿素，并表明其可改善尿素適口性和有效減緩尿素在瘤胃的釋放速率，而且被膜更均勻。

1.2 化學修飾法

化學修飾法的制作原理主要是通過一個或一系列化學反應來改變化學物質的分子立體結構，并且這種化學物質中含有尿素分子，生成了新的含有尿素分子的化學物質且改變了水溶性，達到了降低尿素分解速度的目的[22]。

1.2.1 磷酸脲

磷酸脲即尿素磷酸鹽或磷酸尿素，是由磷酸和尿素按照等摩爾比例在一定條件下發生反應而生成的，是一種專門用于反芻動物的營養型飼料添加劑。其利用非蛋白氮（NPN）的水溶性直接吸收磷提供營養。特點是能減慢反芻動物瘤胃和血中氨的釋放與傳遞速度，而不引起氨中毒，且磷酸脲能增加反芻動物瘤胃中醋酸、丙酸的含量及脫氫酶的活性，促進反芻動物的生理代謝，尤其是對氮、磷、鈣的吸收利用，且適口性良好[23]。對反芻動物有增毛、增重、增奶和改善乳品質等作用；并且毒性低于尿素，無致畸變效應和致突變作用[24]。張帆等[25]通過在羔羊日糧中添加不同水平的磷酸脲發現，添加量為1.00%時，羔羊在各時期平均日增重、宰前活重、胴體重、屠宰率均達到最高值。

1.2.2 縮二脲

縮二脲是由兩個尿素分子縮合而成的化合物，只微溶于水，其中的氨在瘤胃中釋放緩慢，沒有毒性，相較于尿素，其更具優勢。飼料級縮二脲在2008年被放入《飼料添加劑品種目錄》。目前縮二脲的生產工藝主要有常壓熱解法、高壓熱解法、減壓熱解法和溶劑法[26]。Amha[27]表示，添加縮二脲的牛體重平均增加1.43 kg/天，而添加尿素的牛體重平均增加只有1.40 kg/天。但由于縮二脲的價格十分昂貴，相當于普通尿素的8.0 倍，因此，其在飼料添加劑中的應用并不廣泛。

1.3 抑制生物酶活性法

抑制生物酶活性法主要原理是在飼料中添加能夠抑制瘤胃脲酶活性的脲酶抑制劑[16]。用脲酶抑制劑飼喂反芻動物，以控制反芻動物瘤胃微生物脲酶的活性，調節瘤胃微生物代謝，提高微生物蛋白質合成量和纖維素消化率，降低瘤胃內尿素的分解速度，從而提高反芻動物對氨的利用率，促進反芻動物的生長，提高泌乳牛產奶量，增加經濟效益[10]。張震宇等[28]試驗發現了一種新型瘤胃脲酶抑制劑，通過體外微生物厭氧培養試驗發現，這種化合物能抑制瘤胃微生物氨氮的生成。沈冰蕾等[29]試驗證明，在奶牛日糧中添加脲酶抑制劑可提高產奶量4.27%～6.22%。

2 緩釋尿素在反芻動物生產中的應用

2.1 對反芻動物生產和消化代謝的影響

趙二龍等[30]試驗發現，在日糧中添加1.00%左右的緩釋尿素，肉牛平均日增重可提高3.46%。Salami等[31]研究發現，添加0.88%的緩釋尿素產品，對肉牛的體重和體脂有持續的改善作用，具有很好的經濟效益。Puga等[32]發現日糧中添加緩釋尿素后干物質采食量（DMI）增加，因為瘤胃內高纖維飼草的高效發酵作用促進了DMI 的增加，這說明了飼喂反芻動物緩釋尿素會提高反芻動物對飼糧中能量的利用率，從而改善瘤胃微生物不平衡的缺陷。Sevim等[33]試驗中，對羊使用由9 9.4 0%的碎花生秸稈、0.5 0%鹽和0.1 0%維生素-礦物質預混料組成的基礎日糧，在此基礎上每天增加10 g糊化淀粉尿素進行飼喂，羊的瘤胃液消化率和體重與僅飼喂普通基礎日糧的對照組相比顯著提高。王會等[34]試驗發現，當飼糧中添加0.50%的緩釋尿素（奧優金）能夠提高奶山羊乳中乳脂含量，降低血液尿素氮含量，且提高奶山羊日均產奶量。

蔣玉姣等[35]試驗發現，在日糧中添加1.87%的緩釋尿素在提高肉牛ADG的同時也可以提高干物質（DM）利用率。Benedeti等[36]研究顯示，在奶牛日糧中添加緩釋尿素可以增加有機物，提高DM利用率。用緩釋尿素替代日糧中的豆粕，可改善DM利用率，可能與日糧含氮量有關，特別是低氮日糧，在其中添加適量的緩釋尿素可刺激瘤胃微生物的生長，繼而達到提高DM利用率的目的[23]。由此可見，在飼糧中添加1.00%左右的緩釋尿素能提高反芻動物的生產性能，并改善其消化代謝性能。

2.2 對瘤胃氨氮濃度的影響

Hart等[37]表示反芻動物體內瘤胃微生物生長的適宜NH3-N濃度應在6.3～27.5 mg/100 mL之間。Taylor-Edwards等[38]體外試驗研究顯示，在0.5 h內，尿素快速轉變為NH3-N，導致瘤胃內NH3-N的濃度高出正常值的263.00%，pH值快速升高，遠超出正常范圍，說明瘤胃pH值與瘤胃內NH3-N濃度息息相關，并且證明了飼喂緩釋尿素能減緩瘤胃內NH3-N釋放速度并且能有效地調整瘤胃內NH3-N濃度，使瘤胃內pH值保持平穩。Owens等[39]證明，飼喂反芻動物緩釋尿素后，瘤胃內NH3-N釋放速度比尿素慢很多，可有效增加采食量，同時也能夠改善瘤胃的發酵效果。緩釋尿素能夠為瘤胃微生物的生長持續地提供NH3-N，保持瘤胃液濃度處于15～30 mg/dL，保證了瘤胃內細菌得以在最佳狀態下生長[30]。在同樣的試驗中發現，使用了添加1.00%緩釋尿素的基礎日糧（精粗比為3∶7），試驗動物瘤胃液pH值變化范圍在6.79～6.89之間，隨著緩釋尿素添加量的增加而增加，屬于正常變化范圍。各組瘤胃液NH3-N濃度差異不顯著，但組間NH3-N濃度也呈現增長趨勢，這一趨勢和pH值的變化相同，這是因為1.00%添加組NH3-N在能量和碳源存在的條件下合成微生物菌體蛋白質的效率較高，降低了發酵液中的NH3-N濃度[31]。Gardinal等[40]試驗發現，較添加普通尿素的日糧，添加緩釋尿素的日糧可降低NH3-N濃度。使用精粗比為4 ∶6 的基礎日糧，其中38.00%的大豆粕用礦物質緩釋尿素代替后進行飼喂，24.0 h內的pH值在6.03～7.49之間（在瘤胃微生物適宜生活的pH值范圍內），NH3-N濃度在6.3～27.5 mg/100mL之間（在適宜瘤胃微生物生長的范圍內）[32]。王芃芃[41]試驗中，使用粗料比例為36.10%的基礎日糧，其中添加乙酰氧鎢酸和尿素的混合物進行飼喂，瘤胃內氨氮濃度、pH值及血氨濃度在一段時間內維持較穩定的狀態，從而提高尿素氮的NH3-N濃度。Benedeti等[36]試驗發現，使用精粗比為4∶6的基礎日糧，其中豆粕用緩釋尿素代替，可以使肉牛瘤胃內NH3-N的濃度提高。添加24.00%的糊化淀粉尿素能有效延緩氨濃度峰值出現的時間，降低氨濃度峰值，并且對奶牛生產性能和牛奶安全無不良影響[13]。

2.3 對瘤胃揮發性脂肪酸的影響

張嬌嬌等[42]試驗發現，使用緩釋尿素添加水平為1.00%，精粗比為3∶7的全混合日糧飼喂西門塔爾雜交牛，能夠顯著提高底物降解率和發酵液揮發性脂肪酸（VFA）含量，并顯著降低甲烷產量，減少溫室氣體排放。Golombeski等[43]試驗發現，使用緩釋尿素后肉牛的總VFA產量高達94.8～103.2 mmol/L，但其卻對奶牛的VFA影響不大。添加0.50%的緩釋尿素可以降低瘤胃內NH3-N濃度并使NH3-N長時間保持在較高水平，使瘤胃內乙酸比例增加，從而增加牛乳中乳脂含量[38]。Xin等[44]試驗中，分別在日糧中添加尿素、緩釋尿素和大豆蛋白，發現VFA并無差別，這表明添加尿素或緩釋尿素并沒有改變瘤胃的發酵類型。在同樣的試驗中發現總VFA有隨緩釋尿素添加先升高后降低的趨勢，添加量達到1.00%時達最大值，這表明添加1.00%緩釋尿素促進消化代謝，能夠為反芻動物育肥提供豐富的脂肪合成底物[31]。綜上，緩釋尿素可以控制瘤胃內NH3-N的釋放速度，并使NH3-N的濃度持久地維持在合適的水平上。因此，緩釋尿素在不影響瘤胃發酵類型和總VFA 含量的條件下，可能會對脂肪酸類型產生影響。

2.4 對反芻動物微生物蛋白質合成的影響

作為反芻動物重要的氮源供應者的瘤胃微生物蛋白質，是發酵底物經過瘤胃微生物先分解成氨氣而后再利用氨氣合成而來的。薛白等[45]試驗中，使用了精粗比為4∶6的日糧，其中38.00%的大豆粕由礦物質緩釋尿素代替，添加量為0.8 kg，占基礎日糧的0.80%，發現礦物質緩釋尿素能提高瘤胃微生物對氮的利用率，并能更有效地合成瘤胃微生物蛋白質。López-Soto等[46]試驗發現，緩釋尿素可以增加瘤胃中氨的含量，促進微生物蛋白質的合成。焦浩鵬[7]試驗發現，用礦物質緩釋尿素代替部分大豆粕，各組微生物蛋白濃度都在第10.0h達到最大值，添加了礦物質緩釋尿素的一組在10.0h后的瘤胃微生物蛋白質顯著高于尿素組，可能是由于磷和硫的協同作用，促進了微生物的合成，增強了體內蛋白質的合成代謝。Mahmoudi-Abyane等[47]試驗使用小麥秸稈和緩釋尿素的混合物來飼喂公羊羔，飼喂3.0 h后原蟲總數、琥珀酸纖維桿菌、黃色瘤胃球菌和白色瘤胃球菌的相對數量均高于僅飼喂普通尿素的一組。基于此結果，可以推斷緩釋尿素在瘤胃發酵過程中會延長微生物對其他氮源的利用，瘤胃NH3-N釋放和碳水化合物可利用性之間的同步性可以得到改善，從而促進微生物蛋白質合成。

2.5 對反芻動物氮代謝的影響

血清蛋白質含量是機體蛋白質合成代謝的一個重要指標，其總蛋白質含量在一定程度上代表了飼糧中蛋白質的營養水平及動物對蛋白質的消化吸收程度。而血清中的尿素氮含量可做為蛋白質的沉積指標，其含量可準確反映動物體內蛋白質分解代謝和腎臟功能狀況。適量的緩釋尿素能夠被瘤胃微生物分解為氨，分解的氨大部分被瘤胃微生物合成可利用的菌體蛋白質。馮春燕等[48]發現，飼喂緩釋尿素的泌乳奶牛的血清總蛋白含量與飼喂大豆粕組無顯著差異，都在正常范圍以內，說明緩釋尿素提供的氮源可被機體有效吸收利用，其蛋白質的消化吸收程度與豆粕提供的氮源相一致。有研究顯示，緩釋尿素組血清血氨含量與僅飼喂豆粕的組別相比無顯著性變化，且血清尿素氮含量與豆粕組沒有差異，說明緩釋尿素降解產生的氨能夠被瘤胃微生物有效利用，使用緩釋尿素替代日糧中的豆粕對肉牛體內蛋白質代謝沒有影響[30]。

3 小結

緩釋尿素與其他高蛋白飼料相比，具有加工簡單方便、價格低廉等優點，近些年來國內外研究和應用較為廣泛。在反芻動物日糧中添加緩釋尿素也可以提高生產性能，降低溫室氣體的排放，減少對環境的危害等。但現在仍待完善，比如，緩釋尿素的加工技術雖然相對成熟，能達到緩釋氮的目的，但其加工工藝復雜且耗時長，有時無法達到預期的目標。另外，大多數的緩釋尿素生產成本高，雖然其應用效果較好，但包被材料或輔助材料卻價格偏高，增加了養殖成本。如能開發效果佳且價格低廉的包被材料，將會帶來更大的經濟效益。

總之，緩釋尿素有自身的特點及優勢，隨著研究的不斷深入，通過采用相對成熟的緩釋技術提高非蛋白氮的利用效率，開發具有合適緩釋速率和低廉成本的緩釋壁材，緩釋尿素在動物生產上的應用必將取得突破性的進展并創造更大的效益。