飼用緩釋包被尿素的質量評價

田錦秀， 鄭 楠， 王加啟， 郭藝璇， 趙圣國

（1.青島農業大學動物科技學院，山東 青島 266109；2.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室，北京 100193）

飼料蛋白質在反芻動物營養中起著重要作用， 為瘤胃中微生物蛋白質的生產提供氨基酸和氮源 （Guo 等，2022）。 2021 年大豆進口量為9651.8 萬t，而大豆產量僅為1640 萬t，這表明大豆的進口依賴度高達85.5%。 為解決對進口大豆的深度依賴，減量替代、尋找新型蛋白質飼料資源成為目前畜禽飼料發展中亟需解決的重要問題。2021 年3 月，農業農村部制定《飼料中玉米豆粕減量替代工作方案》，2022 年9 月，農業農村部部署全面推進豆粕減量替代行動， 要求充分挖掘利用現有飼料資源，促進養殖業節糧降耗，保障國家糧食安全。 因此， 豆粕減量替代是國家的重大需求，也是反芻動物養殖業發展的重中之重。

反芻動物瘤胃具有強大的發酵功能， 瘤胃內存在復雜的生物群落。 尿素是重要的非蛋白氮飼料，應用于反芻動物可替代20% ～30%的蛋白質飼料（Kertz 等，2010）。反芻動物飼用尿素后，瘤胃內尿素可被微生物迅速分解為氨， 并在飼喂后的1 ～4 h 瘤胃氨和血漿尿素達到峰值， 瘤胃內的微生物利用生成的氨和碳水化合物最終合成微生物蛋白。 尿素除了能節省蛋白飼料，還能促進瘤胃纖維分解菌等微生物生長、調控瘤胃氨氮水平、促進菌體蛋白的合成（Pacheco，2021），并且釋放日糧配制空間。 歐洲食品安全局2012 年研究報告表明，飼料中添加1%尿素（DM 為基礎）對動物而言是安全的，不會產生不利影響。 尿素是理想的反芻動物飼用氮源 （劉力和袁巧靈，2003），在替代豆粕、降低飼料成本、促進微生物蛋白合成方面不可或缺。

由于瘤胃中脲酶的作用， 進入瘤胃的尿素被迅速分解成氨， 此時能量的供應往往達不到氨的生成速度，能氮不匹配、氮利用率降低，導致大量氮沒有被充分利用就排出體外而污染環境。另外，生成大量氨也會被瘤胃壁吸收， 經門靜脈進入肝臟， 導致血氨升高 （石澤，2017；Cherdthong 等，2011）。因此，緩釋包被尿素是降低尿素分解速度，促進能氮平衡，提高氮利用率的重要飼料。

目前， 緩釋包被尿素的評價多為實際生產中應用效果的評價，通過飼養試驗、人工瘤胃或者體外發酵的方法對泌乳奶牛生產性能 （Grossi 等，2021）、瘤胃發酵（Guo 等，2022；王里彥等，2022）、氮代謝 （鄧麗青，2011；Taylor-Edwards 等，2009）方面評估，缺乏對產品本身的質量評價，生產廠家企業無法快速的評估尿素釋放效果和產品質量，容易形成魚龍混雜的產品亂象， 進而影響飼用緩釋包被尿素產品高質量發展， 也會影響尿素使用效果和養殖效益。因此，本文旨在開發飼料用緩釋尿素產品的質量評價方法， 建立產品質量評價體系，為規范緩釋尿素產品的質量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 收集我國常見飼用緩釋包被尿素產品11 種，其中有5 個產品分兩個批次，共計檢測了16 個樣品。

1.2 試驗儀器 掃描電子顯微鏡（日立S4800，日立科學儀器公司）；FTIR（FTIR-650，天津港東科技發展股份有限公司）；物性測試儀（TA.XT PlusC，英國Stable Micro Systems 公司）；BET（Quantachrome Instruments version 3.01，康塔公司）。

1.3 表型評價

1.3.1 顏色氣味 適量樣品置于清潔、 干燥的器皿中，以純色為背景，在自然光線下觀察其色澤和外形，并嗅其味。

1.3.2 粒度分析 四分法取樣， 將100 粒樣品置于清潔、干燥的器皿中，于同一角度、黑色背景下拍照。 照片用image j 軟件進行粒度大小分析。

取100 g 緩釋包被尿素依次通過8 目、20 目標準試驗篩，8 目上留存樣品中挑選結塊顆粒備用，20 目下均為顆粒碎屑。 收集結塊、正常、碎屑的包被緩釋尿素5 g，測定0、1、2、4、8、12、24 h 的尿素釋放率。

1.3.3 包被材料 10 g 樣品經研缽磨碎， 放入1000 mL 燒杯中加700 mL 水充分溶解， 紗布濾過，收集包被層。溶解期間換水五次，搖勻，保證尿素充分溶出，避免其對檢測的干擾。將過濾得到的包被層置于50 ℃鼓風干燥機中烘干， 隨后進行FTIR 分析，分析包被材料成分。

1.3.4 平均抗壓碎力 利用機械動力對待測樣品施加一定壓力， 測定樣品崩解前所承受的最大力值。 本試驗采用物性測試儀（TA.XT PlusC）測定，利用柱形探頭的壓力， 測定包被緩釋尿素產品的抗壓碎力，每個樣品檢測不少于30 粒。

1.4 理化評價

1.4.1 水分含量 水分含量的測定按《飼料中水分的測定》（GB/T 6435）的規定進行。

1.4.2 尿素含量

1.4.2.1 酸性試劑的配制 于三角瓶中加100 mL蒸餾水， 慢慢加入44 mL 濃硫酸、66 mL 85%磷酸，混勻，冷至室溫，加入50 mg 氨基硫脲及2 g硫酸鎘，溶解后用蒸餾水稀釋至1 L。 置棕色瓶中于4 ℃保存。

1.4.2.2 二乙酰一肟溶液 （180 mmol/L）： 溶解18.2 g 二乙酰一肟于蒸餾水中并稀釋至1 L。置棕色瓶中于4 ℃保存。

1.4.2.3 尿素標準溶液（1 g/L）：精確稱取尿素0.1 g，溶解于蒸餾水并定容至100 mL，4 ℃保存1 周。

測定：準確稱取1 g 試樣（記錄詳細重量，以m表示），用研缽磨碎后加入40 mL 水，于65 ℃水浴充分溶解2 h。冷卻后，取1 mL 溶解后尿素溶液，用0.2 μm 一次性濾膜濾過，收集濾液，按表1 操作。

表1 粒度分析

加入上述試劑混勻后，置沸水浴中加熱12 min后取出，迅速置入20 ℃左右水中冷卻5 min。 利用分光光度計在540 nm 波長處測定吸光度值， 以濃度值為橫坐標、吸光度為縱坐標繪制標準曲線。 按以下公式進行結果計算：

式中：U為試樣尿素含量，%；U1為水中尿素含量，g/L；m為試樣質量，g。

1.4.3 氮含量 準確稱取0.2 g 樣品于消化管中，加入10 mL 濃硫酸、6 g 催化劑，放上彎管漏斗， 消化爐上400 ℃消煮至溶液變成澄清透明，冷卻后取出， 隨后將消化管置于全自動凱氏定氮儀上測定氮含量。

1.5 1 h 尿素釋放率 于500 mL 玻璃容器中，加入400 g 緩沖液[9.8 g 碳酸氫鈉、9.3 g 十二水合磷酸氫二鈉、0.47 g 氯化鈉、0.57 g 氯化鉀、0.04 g無水氯化鈣、0.12 g 七水合硫酸鎂充分溶解于1000 mL 蒸餾水，調節溶液pH 至（6.8±0.1）]，加蓋，39 ℃預熱0.5 h。 準確稱取5 g 試樣加入到預熱后的緩沖液中孵育1 h， 每20 min 上下顛倒一次。 用濾紙過濾，收集濾液，測定溶液中的尿素含量（按表1 操作）。 按以下公式進行結果計算：

式中：URR為尿素釋放率，%；U為試樣尿素含量，%；U2為孵育緩沖液中尿素含量，g/L；m為試樣質量，g。

1.6 統計分析 試驗數據采用SAS 軟件統計分析，T 檢驗比較批次間差異。

2 結果與分析

2.1 緩釋包被尿素飼料的表性評價

2.1.1 顏色氣味 通過對收集的產品進行外觀和性狀觀察，發現均呈現顆粒狀，顏色不固定，多為黃色、淡黃色、白色等，緩釋包被尿素的顏色多與包被材料有關。 產品均無明顯刺激性氣味， 如果產品中尿素被分解成氨，會產生刺激性氣味，因此通過氣味可以判斷尿素是否已經被分解。此外，部分樣品出現結塊、碎屑現象（圖1）。 為了分析不同形態緩釋包被尿素產品對尿素釋放率是否存在影響，選擇正常、結塊、碎屑狀的產品，測定其在瘤胃模擬緩沖液中1、2、4、8、12、24 h 的釋放率， 測定結果見圖2。 圖中結塊和碎屑產品的尿素釋放率顯著高于正常產品， 說明產品形態會對尿素緩釋產生影響。因此，生產品控方面要嚴格把控出廠質量，盡量避免結塊、碎屑現象的出現，防止影響產品緩釋效果。

圖1 正常、結塊、碎屑狀緩釋包被尿素產品

圖2 正常、結塊、碎屑狀包被尿素的體外尿素釋放率

2.1.2 粒度 表1 為所有測定緩釋包被尿素產品的粒度分析，粒度最小值為1.062 mm，最大值為3.894 mm，平均粒度為2.107 mm，有75%的樣品粒度大于1.88 mm。 由產品的粒度分布可知 （圖3）， 不同產品間粒度相差不大， 平均值多分布在1.5 ～2.5 mm， 而產品內粒度變異系數較大 （圖4），多分布在10% ～17%，說明產品內均一性不好，粒度不均勻。 另外，為了探究生產批次是否會對產品粒度產生影響， 比較了4 種緩釋包被尿素產品不同批次的粒度差異，結果如圖5 顯示，產品1、 產品3、 產品4 不同批次粒度差異顯著 （P＜0.0001），產品2 差異不顯著，不同批次會對緩釋包被尿素的粒度產生一定影響。

表1 測定體系mL

圖3 產品粒度分布情況

圖5 不同批次粒度比較

2.1.3 包被層成分 圖6 顯示， 樣品A-J 均在2917 cm-1處出現-CH 的反對稱伸縮振動峰，在2850 cm-1波長處出現-CH 的對稱伸縮振動峰，波長1141 cm-1處出現COO 的伸縮振動峰。 對比棕櫚酸譜圖，并沒有生成新的特征峰，也沒有發生峰位的偏移，基本與棕櫚酸譜圖一致，因此可推斷樣品A-J 包被層的成分均主要為棕櫚酸。

2.1.4 平均抗壓碎力 瘤胃是一個不斷蠕動的器官，蠕動時飼料間會相互擠壓、摩擦，所以擠壓力會影響包被尿素的完整性。 平均抗壓碎力是反映顆粒抗壓碎能力的一個指標。如表2 所示，樣品最小抗壓碎力4.33 N，最大抗壓碎力13.47 N，平均抗壓碎力9.81 N， 有75%的產品抗壓碎力大于8.24 N，產品變異系數較大，說明產品間平均抗壓碎力均勻性較差。

表2 平均抗壓碎力

2.2 緩釋包被尿素的理化評價 理化評價包括對緩釋包被尿素水分含量、氮含量、尿素含量、1 h尿素釋放率等理化指標的評價，除1 h 尿素釋放率外，其余理化指標通常要求在產品標簽上標注。測定的產品中水分含量較低， 含量分布在0.12% ～0.70%，符合其在對應產品標簽中標注的含量。 測定尿素含量最小值73.37%，最大值96.73%，平均尿素含量87.93%，有75%的產品尿素含量不低于87.37%。 測得最小氮含量34.24%， 最大氮含量45.14%，平均產品氮含量41.03%，有75%的產品氮含量大于40.77%，尿素含量和氮含量與包被緩釋尿素的膜材配比有關。 尿素釋放率是評價緩釋包被尿素產品的核心指標， 本試驗使用緩沖液測定緩釋包被尿素的釋放效率。 測定的16 個樣品中，1 h 尿素釋放率最小值為2.85%， 最大值為60.94%，平均數為29.16%，有75%的樣品1 h 尿素釋放速率小于38.62%（表3）。

3 討論

市面上的緩釋包被尿素顏色大都為淡黃色、白色等等，顏色主要與包被材料有關。 緩釋包被尿素顆粒的均勻性會影響尿素緩釋效果， 碎屑可能是由于生產中擠壓、 外力等因素致使顆粒破碎，暴露尿素內芯，釋放率加快。 結塊的原因多出現在生產過程中，黃迪菲（2015）分析了幾種因素對于包膜尿素結塊率的影響， 若霧化壓力太大、包衣鍋的轉速太低、片床溫度過低均會導致物料黏連，出現結塊現象。本試驗中，收集到的緩釋包被尿素顆粒粒度多分布在1.5 ～2.5 mm，粒度多與包被材料所占緩釋尿素比重有關，沈秀麗等（2020）證明，隨著包被層數增加，粒徑隨之增大。 郜玉鋼等（1999）用尼龍袋測定不同粒徑的糊化淀粉尿素對瘤胃內降解率的影響，結果所示，2 mm 以下時不同粒徑糊化淀粉尿素的瘤胃降解率并無顯著性差異， 但對粒度大于2 mm時并未進一步研究。 另外，緩釋包被尿素的粒度變異系數較大、不同批次間粒度差異顯著（P＜0.0001）， 均證明在實際生產過程中產品均一性差，容易導致實際應用時的緩釋效果不穩定，因此廠家的品控部門還應嚴格把控出廠質量，確保產品的均勻性，保障尿素緩釋效果。

尿素作為一種反芻動物能利用的非蛋白氮，可代替豆粕用于補充飼料蛋白。 但尿素應用也有許多弊端，比如氨味嚴重、適口性差、瘤胃內水解速度快、容易導致機體氨中毒、氮利用率低、造成環境污染等。 因此，尿素顆粒添加合適的包材，既能改善適口性、促進能氮同步，從而更好的促進微生物蛋白的生成，也能減少反芻動物的氮排放，減輕對環境的負面影響。棕櫚油是棕櫚果壓榨而成，常溫下為半固態，富含棕櫚酸和油酸。本試驗收集到的緩釋包被尿素包被材料FTIR 均為棕櫚酸。棕櫚酸具有良好的瘤胃穩定性，并且價廉易得，因此是市面上常用的包被材料。氫化油脂、高分子聚合物、黏土礦物、樹脂蠟脂也是常用的緩釋尿素包被材料（田錦秀等，2021）。氫化植物油是在一定的溫度和壓力下植物油加氫催化，改變其原有性質，使不飽和脂肪酸分子中的雙鍵與氫原子結合成為不飽和程度較低的脂肪酸， 提高熔點和硬度（李慧，2013）。 程雙剛（2021）利用氫化油脂和棕櫚油作為壁材， 通過熔融分散-冷卻法制備尿素微膠囊產品， 結果顯示尿素經過氫化油脂和棕櫚油包被處理后，在前1 ～2 h 會出現一個突釋現象，而隨后會穩定緩慢釋放，具有一定的尿素緩釋效果。高分子聚合物壁材主要包括纖維素、 淀粉等。Zhang（2020）制備雙層緩釋包被尿素，壁材內層為乙基纖維素，外層為磷酸鹽改性的淀粉，與純尿素相比，雙層包被尿素具有良好的緩釋性能，在水中12 h 的釋放率為40.9%。

緩釋包被尿素的抗壓碎力的是一個重要的表型評價指標， 是判斷顆粒抗壓碎能力的一種度量。 生產運輸過程中尿素顆粒間由于接觸緊、摩擦多， 容易破碎， 只有達到一定的顆粒強度后，才能滿足尿素包膜工藝貯藏、運輸要求（孟慶羽，2020）。 另外，由于瘤胃是一個不斷運動的中空器官，飼料食糜的擠壓、瘤胃的收縮都有可能致使緩釋包被尿素的破碎， 從而暴露尿素內芯，無法達到預想的尿素緩釋效果。 為進一步驗證產品平均抗壓碎力對尿素釋放率的影響，本試驗分析了產品平均抗壓碎力與體內瘤胃1 h尿素釋放率的關系， 結果發現隨著平均抗壓碎力的增加，體內1h 尿素釋放率減小，兩者呈反比關系。 這表明抗壓碎力是影響產品在瘤胃中緩釋能力的重要因素。

緩釋包被尿素產品的產品標簽和企業標準對水分含量的規定大都為≤2%， 本試驗測得的樣品水分含量均符合要求。 水分含量主要與工藝參數、設備和操作有關（何福偉，2014），溫度是水分含量變化的重要原因。 水分含量的高低也會直接影響顆粒抗壓碎力以及導致結塊現象的出現。 尿素含量、氮含量是緩釋包被尿素產品最重要的理化指標，本試驗中，有75%的樣品尿素含量和氮含量分別大于84.84%、40.12%。 尿素含量與氮含量可以在數值上相互轉化， 尿素含量可以反映出制備包被尿素的膜材比例，若尿素含量過高則包被膜材比重較低， 容易導致生產中產品的著膜率降低， 從而尿素緩釋效果減弱、易突釋。 反之，尿素含量過低代表著膜材過厚，則尿素釋放太慢。 因此，合適的尿素含量和氮含量是影響尿素釋放率的關鍵， 生產企業應根據實際需要選擇合適的膜材比例。

尿素釋放率是評價緩釋包被尿素產品的核心指標， 尼龍袋原位試驗是測定尿素釋放率實驗室常用且較為準確的方法， 但瘺管奶牛的可獲得性不具有普遍性， 對很多緩釋包被尿素生產企業來說， 體外溶液測定是最為簡便且低成本的方法。 Zhang（2020）用酯化改性淀粉和乙基纖維素包被尿素， 測定水中12 h 釋放率為40.9%。 Rahim （2021）制備的殼聚糖橡膠復合物包被尿素， 可在水中72 h 持續釋放。 張宇東（2019） 制備的環氧化大豆油多元醇氮肥水中7在溶出率僅為53.68% ～64.76%。 《中國藥典》9013 緩釋、控釋和遲釋制劑指導原則中指出，取樣時間點0.5 ～2 h，用于考察藥物是否有突釋。因此本試驗選擇1 h 尿素釋放率作為采樣時間點，用于判定緩釋包被尿素是否存在突釋現象。實測產品1 h 釋放率變異較大， 最小值僅為2.85%，此種產品釋放率過低，測定其尿素含量為73.37%， 證明這種產品因包被層過厚而致使尿素釋放率偏低， 在實際應用時這種產品很可能還沒有在瘤胃中充分釋放就進入后消化道造成浪費。 1 h 尿素釋放率最高為60.94%，此產品明顯存在突釋現象， 在瘤胃中1 h 內就大量釋放，達不到應有的尿素緩釋效果。

4 結論

緩釋包被尿素產品良莠不齊，缺乏評價產品質量的方法體系是當前緩釋尿素飼料的行業弊端。 緩釋包被尿素的評價方法可以從顏色氣味、粒度、包被材料、平均抗壓碎力進行表型評定，確保產品的質量均一性，保證緩釋效果的穩定。另外，產品水分含量、尿素含量、氮含量理化指標與尿素釋放率密切相關，1 h 釋放率可以較好的反映緩釋包被尿素是否存在突釋。 本文從表型、理化兩方面對緩釋包被尿素產品進行評價，但評估緩釋包被尿素的緩釋效果還應與瘤胃發酵、能氮同步結合，貼合實際生產應用，進一步完善緩釋包被尿素的綜合評價體系， 這將有助于規范緩釋包被尿素的產品質量， 幫助更多新型緩釋包被尿素飼料的開發， 提高反芻動物的養殖效益。