非蛋白氮代替蛋白飼料在反芻動物日糧中的應用

王 波，梁銳萍，許貴善，刁其玉

1.青島農業大學草業學院，山東青島 266109；

2.北京市昌平區動物疫病預防控制中心，北京 102200；

3.新疆塔里木大學，新疆阿拉爾 843300；

4.中國農業科學院飼料研究所/農業農村部飼料生物技術重點實驗室，北京 100081

大豆是重要的油料作物，同時也是畜牧生產所需的優質蛋白質飼料來源。近10 年來，我國大豆產量從2013 年的1240.71 萬噸，增長到2022 年2029.00 萬噸，產量增加了788.29 萬噸，相對增長了63.54% ；而進口量則由2013 年的6338.00 萬噸，增長至2022 年的9108.00 萬噸，進口量增加了2770.00 萬噸，相對增長43.70%（數據來源：國家統計局和農業農村部）。盡管我國大豆產量增長較快，但大豆進口依賴程度依然持續高于80%（2013 年為83.63%，2022 年為81.78%），對我國糧食安全及畜牧業健康可持續發展存在嚴重威脅。為加強我國糧食安全，降低畜牧業的豆粕使用量，2023 年4 月12 日，農業農村部辦公廳印發了《飼用豆粕減量替代三年行動方案》，方案指出：到2025 年飼用豆粕減量至13% 以下。在畜牧生產中，為實現飼用豆粕的減量替代，一方面需要擴大優質蛋白質的來源和產量如優質牧草，另一方面需要充分挖掘可用蛋白資源如非蛋白氮（NPN）等，并結合低蛋白日糧技術，為畜牧生產所需的蛋白質/ 氮源提供保障。

反芻動物雖是草食家畜，但在現代化、集約化的飼養模式下，依然會消耗大量的豆粕。在以不降低動物生產性能為代價的前提下，如何降低反芻動物飼料中的豆粕使用量，是目前生產中普遍關心的問題。而合理地利用NPN 作為氮源，是解決這一問題的有效途徑之一。反芻動物瘤胃微生物可利用NPN 分解釋放的氨為氮源，合成微生物蛋白質（MCP），并通過腸道吸收后轉化為畜體蛋白（Zhou 等，2017 ；Voltolini 等，2010）。NPN 的利用不僅可以減少植物蛋白的使用量并降低飼料成本，同時也有助于促進纖維分解菌的繁殖，從而提高粗纖維的利用率（Pacheco等，2021；Zhao 等，2007）。盡管合理使用NPN對反芻動物生產無負面影響，但目前我國飼料生產中NPN 的應用水平還較低，亟待加強NPN 飼喂技術及應用效果的推廣普及，從而更好的發揮NPN 在豆粕減量替代行動中的作用。

1 NPN 的種類

NPN 指飼料中除蛋白質（肽）以外的含氮物質總稱。農業農村部發布的《飼料添加劑品種目錄（2013）》中，明確指出可應用于反芻動物生產的NPN 包括：尿素[CO(NH2)2]、磷酸脲[CO(NH2)2·H3PO4]、碳 酸 氫 銨（NH4HCO3）、硫酸銨[(NH4)2SO4]、磷酸二氫銨（NH4H2PO4）、磷 酸 氫 二 銨[(NH4)2HPO4]、氯 化 銨（NH4Cl）、異丁叉二脲（C6H16N4O2）、液氨（NH3）和氨水（NH3·H2O）。其中，尿素和磷酸脲是目前使用較多的兩種。

1.1 尿素和磷酸脲

尿素一般為白色顆粒狀，有輕微氨味。依據刁其玉等起草的國家標準——飼料添加劑第6 部分：非蛋白氮尿素（GB 7300.601–2020）相關要求，飼料級尿素添加劑，氮含量不低于46.0%。磷酸脲是一種白色或無色透明的結晶體，易溶于水，水溶液呈弱酸性，可作為優良的NPN 飼料添加劑，主要為反芻動物提供磷和氮兩種元素。刁其玉等起草的農業行業標準（NY/T 917–2004）中指出：飼料級磷酸脲，一級產品總磷不低于19.0%，總氮不低于17.0% ；二級產品總磷不低于18.5%，總氮不低于16.5%。

1.2 緩釋尿素

尿素在瘤胃內降解速度較快，不合理使用尿素時，快速釋放的氨易超出反芻動物有效利用水平，進而可能引起血氨過高和氨中毒等負面影響，因而緩釋尿素的開發及應用逐漸增加。緩釋尿素指通過物理或化學等方法，降低尿素分解釋放氨速度的尿素產品。緩釋尿素在瘤胃中釋放氨速度較慢，可有效降低瘤胃氨濃度的峰值。緩釋尿素主要包括：（1）傳統的緩釋尿素，尿素舔磚、糊化淀粉尿素以及膨潤土尿素等；（2）化學反應合成的尿素衍生物，如磷酸脲、羥甲基脲素等；（3）包被尿素，采用安全性高、緩釋效果好的包被材料包裹尿素而形成的尿素產品。雖然緩釋尿素釋放速度慢，但緩釋效果受加工工藝、包被材料等因素影響較大，仍需進一步完善。

2 反芻動物利用NPN 原理

反芻動物體內本就存在尿素循環（Stewart和Smith，2005），這是反芻動物日糧中可使用部分NPN 的關鍵原因。該循環也是日糧中瘤胃可降解蛋白質的重要利用方式，通過這種方式提高日糧氮的利用率。日糧中的蛋白質及NPN 進入瘤胃后，被微生物分解產生氨基酸、肽、氨等物質。其中，一部分氨被微生物利用并合成MCP；另一部分則通過瘤胃上皮進入血液，通過門靜脈進入肝臟，并在肝臟中合成尿素。合成的尿素大部分經腎臟從尿液中排出，也有少部分通過腎臟重吸收進入血液循環；也有一部合成尿素則由肝臟再次進入血液循環，并通過瘤胃上皮或者唾液分泌的方式進入到瘤胃中，被微生物利用。因而，反芻動物可利用尿素作為部分氮源，且在無外源添加NPN 的情況下，植物蛋白質的代謝途徑也與尿素緊密相關。此外，瘤胃微生物可以產生脲酶，日糧添加的尿素在尿酶的作用下產生氨，而微生物則可以利用氨作為氮源合成MCP，這也是外源NPN 可被反芻動物利用的重要原因（Hristov 和Jouany, 2005）。

隨著研究深入，近年來從微觀水平進一步揭示了反芻動物利用NPN 的機制。瘤胃中的細菌、原蟲和真菌均參與氨代謝過程，其中細菌發揮主要作用。脲酶是參與反芻動物NPN 利用的關鍵酶，可直接催化尿素或緩釋尿素分解釋放氨，以供MCP 合成。因而，脲酶活性在一定程度上可以反映瘤胃微生物尿素代謝水平。研究發現，能分泌脲酶的細菌種類主要包括：假單胞菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、嗜血桿菌屬（Haemophilus）、鏈球菌屬（Streptococcus）、放線菌屬（Actinomyces）等（Jin 等，2016）。此外，瘤胃中的原蟲也可以通過脫氨作用和分解菌體蛋白產生氨，進而參與瘤胃氨代謝（Newbold 等，2015）。脲酶調控基因相關研究發現，參與脲酶分解尿素過程的瘤胃細菌基因主要包括：脲酶的編碼基因ureA、ureB、ureC；以及編碼參與脲酶活化輔助蛋白的主要基因ureD、ureH、ureE、ureF、ureG 等（Yang 等，2015；Shi 等，2010）。然而，由于瘤胃微生物中尚存在大量未知物種，且脲酶基因具有多樣性，參與脲酶合成及活化的相關調控基因仍需進一步探究。

近年來研究已開始逐漸揭示尿素的轉運機制，進一步完善了尿素代謝過程，為NPN 的合理利用提供理論基礎。尿素在尿素轉運蛋白和水通道蛋白的介導下實現在瘤胃上皮與血液間的高效轉運。尿素轉運蛋白主要包括UT–A（Urea transporter A）和UT–B（Urea transporter B）。研究表明，UT–B2 僅在瘤胃上皮中表達，并協助尿素從血液循環系統中跨膜轉運進入瘤胃（Simmons 等，2009；Stewart 等，2005）。但 需要注意對于幼齡反芻動物，由于其瘤胃發育尚不完全，且尿素轉運蛋白表達量低，因而不具備成熟的尿素循環功能（仲崇亮，2021）。此外，有報道指出，部分水通道蛋白（AQP）如AQP3、AQP7、AQP9、AQP10 均參與尿素的跨膜轉運（Li 等，2014），但AQP 參與反芻動物體內尿素轉運的具體調控過程尚不明確。

3 NPN 的應用效果

從首次發現反芻動物可利用尿素合成微生物蛋白已有百余年歷史，科研人員也開展了大量的關于反芻動物日糧中NPN 替代植物蛋白的相關研究，為NPN 的應用提供了堅實的基礎。諸多研究均表明，合理利用NPN 不僅不會對反芻動物生產性能和健康造成負面影響，還可以在一定程度上改善營養物質利用率，促進反芻動物生產提質增效發展。

3.1 肉羊

尿素作為一種常用的NPN，盡管在瘤胃中降解釋放氨的速度較快，不利于氮的有效利用，且有造成氨中毒的風險，但合理的添加水平對肉羊生產是安全的，且有一定的正面效應。研究顯示，日糧添加尿素可以促進營養物質消化，并提高生長性能和胴體重（Voltolini 等，2010）。王波等（2014a）依據等能等氮原則，分別在育肥期肉羊基礎日糧中添加0.5%、1.5% 和2.5% 尿素替代豆粕，結果表明，當日糧中尿素添加水平不超過1.5% 時，對肉羊生長性能、屠宰性能和肉品質等均無顯著性負面影響；但當尿素添加水平達到2.5% 時，則抑制肉羊采食量，降低生長性能，并影響肉品質（表1）。進一步研究發現，日糧尿素添加水平達到2.5% 時，不利于肉羊血清代謝，并引起腎臟嚴重損傷，對肉羊健康造成負面影響（王波等，2014b）。也有相關研究指出，當尿素添加水平為10 g/kg 干物質，并用于替代日糧中75% 的豆粕時，并不會降低育肥肉羊的營養物質消化率、瘤胃發酵及生長性能（Xu 等，2019）。通過meta 分析也表明，尿素對瘤胃發酵、采食量、營養物質消化率及平均日增重有正效應（Wahyono 等，2022）。綜合相關研究結果發現，無論是無負面影響還是表現出積極作用，均證實肉羊日糧中適當的使用尿素替代豆粕是安全有效的，但過量則存在一定安全隱患。

表1 日糧添加不同水平尿素對肉羊生產性能的影響

為降低尿素在瘤胃快速分解帶來的風險，提高NPN 使用的安全性，緩釋尿素越來越受到關注。磷酸脲作為一種常用的緩釋尿素，不僅含有水溶性磷，且氨釋放速度較慢，安全性更優（張乃鋒和刁其玉，2003）。研究顯示，在飼喂高水平玉米秸稈（60%）的肉羊日糧中添加緩釋尿素，可以提高有機物和氮消化率，但對其他營養物質和干物質采食量無顯著性影響（Zahra 等，2020；Chegeni 等，2013）。Ji 等（2017）在精粗比為1:1的育肥羊精料中，分別添加1%、2%、4% 和8%的磷酸脲（UP）替代日糧中豆粕，發現添加水平不超過4% 時，對肉羊干物質采食量、體增重、平均日增重、飼料轉化率、器官發育及血清指標均無顯著性影響（圖1）；但超過4% 時則可能造成營養不均衡和礦物質代謝紊亂，并推薦育肥期肉羊日糧精料中磷酸脲的最佳添加水平為4%。

圖1 日糧添加不同水平磷酸脲對肉羊體重及平均日增重的影響

3.2 肉牛

NPN 在肉牛生產中的應用效果與肉羊類似。研究指出，在飼喂低質粗飼料時，使用尿素替代日糧中29% 的氮源，對肉牛的氮利用效率、采食量及營養物質消化率無負面影響，并有利于改善瘤胃發酵參數（McGuire 等，2013 ；Cappellozza等，2013）。趙二龍等（2019a）依據等能等氮原則，在育肥肉牛日糧中添加不同水平緩釋尿素（0%、0.47%、0.94%、1.41% 和1.87%）替代豆粕，其中緩釋尿素氮含量為39%，結果顯示，隨添加水平增加，不僅可以增加肉牛日增重，而且提高了干物質和有機物表觀消化率。隨后，進一步比較了使用尿素（氮含量46.67%）或緩釋尿素（氮含量39%）替代日糧中75% 豆粕對肉牛生產效果的影響，發現無論是尿素還是緩釋尿素的應用對肉牛生產性能均無顯著性影響，且緩釋尿素效果優于尿素（趙二龍等，2019b）。此外，有報道指出，無論是高精料（60%）還是低精料（20%）日糧，添加3% 的緩釋尿素（氮含量41%）替代植物蛋白，對肉牛的瘤胃功能及健康狀況均無負面影響（Saheed 等，2021）。因而，NPN 是肉牛飼料中非常有效的氮源，可替代日糧中植物蛋白，且不影響肉牛飼喂效果。

3.3 奶牛

研究發現，奶牛日糧中添加過高水平尿素時（2.2%），會抑制采食量，并降低產奶量，但對奶成分無顯著性影響；但添加水平為1% 時，則對產奶量和采食量無顯著性影響（van Horn 等，1967）。近年來，NPN 在奶牛上的應用相關研究主要集中在緩釋尿素方向。體外試驗表明，奶牛日糧中添加緩釋尿素可增加氨氮濃度和MCP 產量，提高有機物和纖維消化率，并傾向于乙酸型發酵（Guo 等，2022）。有研究顯示，使用0.69% 的緩釋尿素替代豆粕，對奶牛的采食量、產奶量、乳成分及血液指標均無負面影響（Kia等，2019）。也有類似研究指出，使用緩釋尿素替代日糧中豆粕有增加產奶量的趨勢，并能促進瘤胃發酵，降低熱應激影響，減少溫室氣體排放（Jiang 等，2023）。通過meta 分析發現，奶牛日糧中添加緩釋尿素有利于提高飼料利用率，降低碳排放和糞氮含量，但對產奶性能的促進作用有限（Salami 等，2021）。因此，合理使用NPN 不會對奶牛泌乳性能及健康產生不利影響。

4 NPN 的合理利用

諸多研究均表明，合理使用NPN 在反芻動物生產中具有較好的效果，但過量添加或者日糧搭配不合理時，則可能對生產造成一定負面影響，這也是牛羊養殖者最擔心的問題。瘤胃微生物合成微生物蛋白，不僅需要氮源，而且也需要充足的能量供給。因而，NPN 降解過快時產生的氨，容易超出碳水化合物發酵速度，造成能量供給和氮水平不平衡，進而不利于瘤胃MCP 的合成，造成氮浪費且存在氨中毒風險。尿素進入瘤胃后的0.5～2 h 內會被微生物降解釋放大量的氨（Rekib 和Sadhu，1968），易引起瘤胃及血液中氨濃度快速上升，對動物健康產生負面影響。為防止這種情況發生，使用在瘤胃中快速降解的NPN 時，需要日糧供給充足的可消化碳水化合物，為微生物利用氨提供能量。依據我國《飼料添加劑安全使用規范》（農業農村部第2625號文件），在全混合日糧（TMR）中，尿素添加水平不能超過1%（88% 干物質基礎），磷酸脲最高限量為1.8%。或者NPN 替代日糧中的植物蛋白比例不超過1/3（陳代文，2015）。此外，由前文反芻動物利用NPN 機制可知，尿素循環是反芻動物提高氮利用率的重要途徑。因而，適當的降低日糧蛋白質水平，使動物處于“氮脅迫”時，可進一步提高NPN 的利用效率。反芻動物在應對低氮日糧時，更依賴于其內源尿素循環發揮功能，提高內源氮的利用，用以維持機體氮代謝平衡，這也是配制低蛋白日糧的重要依據。通常在日糧蛋白水平高于13% 時，不建議使用NPN。

緩釋尿素加工技術與應用是目前NPN 開發利用的重要研究方向，也是提高NPN 利用安全性的重要途徑。相較于尿素在瘤胃中的快速降解，緩釋尿素在瘤胃釋放速度更慢，釋放時間更長，如磷酸脲的氨釋放速度是尿素的74%（張乃鋒和刁其玉，2003），包被尿素緩慢釋放時間可長達8 h（Ribeiro 等，2011）。然而，緩釋尿素由于加工工藝、包被材料等影響因素，造成實際緩釋效果差異較大。目前，緩釋尿素產品效果并不穩定，包被材料相對單一，且沒有相應的產品評價體系和添加標準，不利于緩釋尿素的實際推廣應用（田錦秀等，2021）。加強緩釋尿素產品開發利用，將有助于提高NPN 利用效率，為進一步推廣NPN 替代飼用豆粕提供助力。

5 非蛋白氮的效益

通過科學合理的使用NPN，不僅可以保障反芻動物的生產性能和機體健康，更能夠大幅度的降低生產成本，減少豆粕使用量，提高生產效益。盡管尿素降解較快，但仍是性價比最高，應用最廣的NPN，其次是磷酸脲。

按氮含量計算，每千克尿素相當于2.88 kg粗蛋白質，或相當于6.25 kg 豆粕（按46% 蛋白質水平計算）所含的粗蛋白質；每千克磷酸脲相當于1.03 kg 粗蛋白質，或相當于2.24 kg 豆粕（按46% 蛋白質水平計算）所含的粗蛋白質（表1）。2022 年，我國反芻動物飼料產量達到1616.8 萬噸（2022 年全國飼料工業發展概況）。在配合飼料或TMR 中，如果使用部分尿素（1%添加水平）或磷酸脲（1.8%添加水平）替代豆粕，則其相應添加量可分別達到16.17 萬噸和29.10 萬噸，可節約101.06 萬噸和65.18 萬噸豆粕。結合我國2022 年大豆產量2029.00 萬噸，豆粕產量約為1582.62 萬噸（按大豆產量的78%計算），則使用尿素或磷酸脲所節約的豆粕量占我國豆粕總產量的比例達到6.39%和4.12%（表2）。在反芻動物飼料生產中，相較全價配合飼料，濃縮料和精料補充料占比更高，且可添加NPN 水平至2%～3%。因而，實際上反芻動物飼料中可使用NPN 替代豆粕的量會更高，存在巨大的應用潛力空間。

表2 使用尿素和磷酸脲替代豆粕效益

6 結論與展望

NPN 的合理使用可以保障反芻動物正常的生產性能和機體健康，并在一定程度上提高營養物質利用率，促進反芻動物生產提質增效，有效助力畜牧業實現豆粕減量替代，維護國家糧食安全和畜牧業可持續發展。為進一步提高NPN 的安全性，仍需加強瘤胃氨代謝及緩釋尿素開發相關研究，并完善NPN 替代植物蛋白應用的相關評價體系及使用標準。為進一步推廣NPN 在飼料生產中的應用，需加強NPN 利用相關技術的科普宣傳及技術推廣，提高從事飼料生產和畜牧養殖人員對NPN 的科學認識，促進豆粕減量替代方案的落實。