尿素饲料添加剂及控释缓释技术研究进展

nety 2007-7-1 18:34

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    蛋白质饲料资源短缺是世界各国饲料工业发展中一个突出的难题。以不威胁人类生存的粮食资源为前提，各国都在积极研究和开发蛋白质饲料资源。在这种情况下一些非蛋白氮饲料备受重视，并试图将高氮含量的尿素作为动物饲料来应用，这种想法源自Waesk 等在1897年提出的反刍动物能将非蛋白氮转化为菌体蛋白的启示。在随后的研究中也证明了尿素可以作为反刍动物的饲料利用。
    1  尿素的理化特性
    尿素结构式为NH2–CO–NH2，是由氨和二氧化碳在高温下和高压下化合而成的，农业生产中是一种优质的氮化学肥料。为白色粉状或颗粒结晶，纯尿素含氮46%以上，蛋白质当量292%，饲用尿素蛋白质当量为262%～281%。尿素晶体本身有一定的咸味和苦味，易溶于极性溶液，因此遇水既溶解，溶解后的尿素迅速释放出NH3和CO2。
    2  尿素在反刍动物中的应用
    自从人们发现反刍动物瘤胃中存在的微生物可将非蛋白性的氮作为氮源而合成菌体蛋白质后，尿素用于反刍动物饲养的试验随之增加。1949年C J Watson等人将N15标记的尿素胶囊喂给绵羊，并在4天后的试验动物血液、肝脏及肾脏中发现了有N15参与合成的蛋白质。这一结果证实了反刍动物可以利用非蛋白氮的事实。同年J K Looli等用尿素作为唯一氮源喂给绵羊，发现绵羊处于正氮平衡，而且通过实验分析表明，微生物可利用尿素合成绵羊生长所需的10种必需的氨基酸。但是在随后的研究中人们发现尿素并不能完全代替蛋白质饲料，甚至对饲料营养成分以及动物的要求非常苛刻[1]，这一结果让人们明白要将尿素作为反刍动物的常规蛋白质饲料来利用，尚存在诸多的难题。这突出表现在尿素在瘤胃中的分解速度上，事实上瘤胃微生物是有限的，其利用氮合成蛋白质的速度是比较缓慢的，只相当于尿素分解的0.25倍。多余的氨会有2个去处：一是进入肝脏合成尿素，随肾脏排除；其余部分进入血液与二氧化碳结合形成氨基甲酸，氨基甲酸随血液进入组织而引起中毒[2]。因此如何减缓尿素在瘤胃中的分解速度，提高其生物学利用率成为人们关注的热点。
    3  尿素缓释技术的发展
    尿素缓释技术是一个相对笼统的概念，就是将尿素经过适当的处理或添加某种物质来减缓尿素在瘤胃中的分解速度。从近几年的研究来看，尿素缓释技术主要包括以下几种。
    3.1  制作尿素青贮  将尿素按一定比例，均匀喷洒在用于青贮的青绿饲料上，经过一段时间的微生物作用后，制得尿素青贮料。这种饲料的好处是在青贮的过程中微生物已经利用尿素合成了部分菌体蛋白质，每千克青贮饲料中可增加可消化蛋白质8～11 g另外一般青贮后的饲料pH较低，不利于动物采食，而添加尿素后，产生的氨可中和部分酸根离子，降低青贮料的酸性，提高适口性。但是，青贮过程中的微生物同样对尿素的利用是有限的，而且大多微生物是喜欢酸性环境的，因此制作这种饲料时，控制好尿素的用量是非常重要的，目前研究认为，一般尿素添加量按青贮料鲜重的0.5%。
    3.2  制作氨化秸秆  秸秆饲料中一般蛋白质含量较低，粗纤维含量却高达35%–40%，对于反刍动物来说有机物消化率只有35%左右。尿素在秸秆上的脲酶和水的作用下分解成NH4+和OH–，OH–可使秸秆中的木质素和纤维素之间的酯键断裂，从而打破木质素和纤维素的镶嵌结构，溶解出半纤维素和纤维素，提高消化率10%～20%[3]。产生的NH4+吸附在秸秆表面和断裂层，并和游离出的N形成 NH4+—N化合物，随秸秆进入瘤胃用于合成微生物蛋白。这种氮虽然吸附在秸秆表面，但具有很大的游离性，且影响动物适口性，因此，制作氨化秸秆时同样要注意尿素的加入量，一般添加量3%左右为宜。
    3.3尿素化合物
    3.3.1  磷酸脲（Usea phosphate）  磷酸脲又称尿素磷酸盐，是一种由磷酸和尿素在一定条件下生成的一种磷酸盐复合物。为无色透明晶体，分子式为H3PO4·CO（NH2）2，分子量158.06。磷酸脲由德国BASF公司于1914年首先合成并申请专利，随后美国、德国及波兰等国都对磷酸脲进行了研究工作，并在70年代将磷酸脲作为I类饲料添加剂应用。我国对磷酸脲的研究始于80年代，目前我国磷酸脲产量已达到较高水平，并有大量出口泰国等东南亚国家。
    磷酸脲与尿素相比释放氨的速度得到很好的控制，中国农科院饲料所对磷酸脲中氨释放速度测定表明，磷酸脲的释放速度从培养1 h到20h始终低于尿素，氨的释放速度是尿素的75%。另外磷酸脲进入瘤胃后，可分解出PO43–，能中和动物血液和胃中过剩的氨，减缓氨在血液中传递速度。云南农业大学对育成杂交奶山羊血液中非蛋白氮释放量测定发现，相同添加下尿素组全血非蛋白氮释放高峰比磷酸脲组早15 min，释放的最大量也比磷酸脲组高22.6mg/100mL。同时磷酸脲可为动物提供一定量的无机磷。磷酸脲毒性极小，LD50=（3.9±0.67）g/kg，无致畸和致突变作用，动物易于吸收和利用，作为氮源已被世界各国认可和批准使用。
    3.3.2 缩二脲（Biuret）  缩二脲是由两分子尿素通过热缩合脱氨的产物。是一种既带酸性有带碱性的物化合物。化学名称氨基甲酰脲，结构式为H2NCONH-CONH2，分子量103.13。纯品缩二脲为白色长单斜晶体，有一定的吸湿性，结晶水合物为5C2H5O2N3-4H2O，室温下易失去结晶水。饲料用的缩二脲一般多为非纯品，美国FDA规定饲料级缩二脲添加剂含缩二脲>55%，而我国的产品含量普遍≥55%。在理想条件下1kg缩二脲相当于5kg豆粕，也有报道认为[4]，饲喂1t缩二脲相当于5-6吨的豆粕和豆饼的效果。吕景旭等（1992）[5]用奶牛实验认为缩二脲替代饲料蛋白38%、28%时，对产奶量和乳脂率无影响。刘海江（1997）[6]用肉牛作实验认为缩二脲替代日粮蛋白质15%-20%时为合适。对于缩二脲替代饲料蛋白质目前国内外均认为是可行的，只是对于不同的动物添加量存在一定的差异。另外，缩二脲以尿素为原料，来源丰富，价格相对低廉。与尿素相比缩二脲的水解速度慢，25℃时，溶解度为2.01g/100mL水，37℃的溶解度2.2g/100mL，只相当于尿素溶解度的1/100倍。这一释放速度在瘤胃中和饲料中碳水化合物的分解速度相似，便于瘤胃微生物的繁殖和合成微生物蛋白。
    3.3.3羟甲基尿素（Polymethyld casbamide FDU）  羟甲基尿素是有尿素和甲醛在一定条件下通过缩合反应生成的化合物。陈伟华等（1990）[7]将尿素和甲醛分不同的比例制成羟甲基尿素，通过体外人工瘤胃法测定氨释放速度。结果表明，羟甲基尿素能被微生物分解产生氨，释放氨的速度比尿素缓慢，甲醛与尿素的比值越大，氨释放速度越低，并认为甲醛/尿素值以0.33-0.50为合适。然而，朱丽华等（1995）[8]对羟甲基尿素的研究认为，羟甲基尿素氨释放速度太慢，容易造成部分尿素没有降解而排除体外，从而造成浪费，因此不是理想的非蛋白氮供应体。事实上通过饲喂动物羟甲基尿素的实验证明结果并不糟糕，余品良等（1990）[9]用自制的羟甲基尿素或尿素分别替代30%饲料蛋白质，喂给4头湖羊。结果表明，羟甲基尿素与尿素相比，使瘤胃氨氮浓度和pH值显著降低（P<0.01），微生物氮增加16.84%，微生物蛋白合成率提高28.78%。孙镇平等（1996）[10]在稻草中添加80g/d的羟甲基尿素饲喂水牛，可显著提高水牛微生物蛋白的合成量和血清尿素氮的浓度，改善瘤胃氮代谢。
    3.3.4 异丁叉二脲（IBDU）  随着我过对非蛋白氮和食品安全的重视，异丁叉二脲的研究受到重视。异丁叉二脲又名二脲异丁烷或异丁基二脲，是由异丁醛和尿素为原料合成，分子式为C6H12N4O2，分子量为174.20，是一种干性白色粉末或颗粒（粒度小于0.7 mm），总含氮量32.18%，容重0.7，与尿素相似。其吸湿性和溶解度均低于尿素，室温下溶解度为0.01-0.1g/100mL水。作为饲料级的异丁叉二脲纯度为93%，尿素含量低于3%，一般在配合饲料中的添加量不超过1.5%。作为饲料添加剂日本是最大的异丁叉二脲生产国，我国80年代曾进行产品研究和饲养实验，目前有多家研究单位从事异丁叉二脲的研究，但至今尚没有产品面市。
    3.4     糊化淀粉尿素（Starea）  糊化淀粉尿素是利用谷物（玉米、高粱等）淀粉与尿素在适合的温度及压力下而生成的淀粉与尿素的均匀混合物。是国内畜牧工作者根据近几年的经验和国外的一些成果自行研制的一种反刍动物蛋白质替代料。糊化淀粉尿素对尿素有不同程度的控释能力，而这种控释能力的大小取决于选用的淀粉种类、温度和压力以及水分的多少等。1999年，应如海等将玉米粉与尿素按4：1的比例混合，于160℃高温膨化下制得糊化淀粉尿素，并通过水中尿素释放认为糊化淀粉尿素对尿素具有很好的缓释能力[11]。糊化淀粉尿素不但减缓了尿素在瘤胃中的释放速度，同时，淀粉与尿素的均匀混合，使得淀粉和尿素被微生物分解的时期几乎是同步的，从而提高了反刍动物对尿素氮的代谢率，同时提高了微生物蛋白产量和粗饲料的消化率。张崇玉等（1998）[12]分别用糊化淀粉尿素、尿素、棉籽饼粕为蛋白质饲料饲喂肉牛，结果表明，糊化淀粉尿素在日增重和饲料利用率上均显著优于后两者（P<0.05）。在奶牛的实验中表明糊化淀粉尿素具有与饼粕类蛋白质饲料相似的营养作用[13]。顾炳龙等（1996）[14]在山羊饲养中用糊化淀粉尿素替代豆粕，具有提高山羊采食量和粗纤维的消化率的作用。糊化淀粉尿素的生产具有工艺简单、原料来源广泛、产品适口性好、价格低廉等优点，在今后的生产过程将成为重要的蛋白质替代品而应用。
    3.5           包衣尿素  包衣尿素在生产中也称为包被尿素，是用特殊的材料将尿素颗粒或晶粉严密包裹而成。包衣尿素技术来源于医学领域中的包衣技术（也叫微囊化技术），这项技术始于50年代的美国，主要应用在医学、农业、食品、纺织和国防等领域，80年代，随着饲料工业的发展，包衣技术开始在饲料和饲料添加剂中应用，如水产饲料、活菌制剂、维生素、氨基酸、硫酸亚铁、酶制剂等。包衣技术的应用改善了以往产品的缺陷，表现在不光控制了尿素的分解速度，达到提高尿素氮的利用率和防止中毒的作用，而且改善了以往产品的适口性差、氨味重、易吸湿、性质不稳定等缺点。可以说包衣技术的应用完善了尿素添加剂产品生产过程中的不足，为合理、安全应用尿素提供了保障。但是，包衣技术生产过程相对复杂、技术参数要求苛刻，产品价格相对较高。
    3.6           添加脲酶抑制剂  尿素之所以在瘤胃中能够快速分解，很大部分是因为饲料和瘤胃中存在的脲酶，在脲酶和水的存在下尿素被快速分解成氨和二氧化碳。因此人们开始着手研究能够克服这种酶的物质，脲酶抑制剂便应运而生。脲酶抑制剂是一个泛泛的定义，指凡是能够抑制脲酶活性的物质的总称。目前研究认为能够起到抑制脲酶活性的物质主要包括以下几种：（1）重金属盐类，包括Co2+、Cu2+、Fe2+、Mg2+、Mn2+、Ba2+等。重金属离子能够抑制脲酶的机理是这些金属离子能够与酶的活性中心结合，从而抑制其活性中心。（2）天然植物提取物，丝兰植物提取物（Yucca shidigero extract,YSE）是目前认可的用于预防尿素中毒的物质，但研究认为[15],YSE并不是真正意义上的脲酶抑制剂。在瘤胃中能够降低尿素释放氨速度的原因是,YSE结构中含有活性苷键和糖基。一方面皂角苷可抑制瘤胃纤毛虫和革兰氏阳性菌的繁殖,另一方面糖基可与释放出的氨结合,YSE的这一作用特点,既降低了瘤胃蛋白质的降解速度,又减少了氨向血液中的扩散，因此一直以来将YSE作为脲酶抑制剂应用。另外有研究认为[16]，金合欢属、桉树属、桑椹、日本扇尾柳等植物中可提取出脲酶抑制物。（3）常用合成品，这些产品目前在生产中应用量较大，效果也比较好。包括乙酰氧肟酸(Acetohydroxamic acid,AHA)、二氨基磷酸苯酯(Phenyl phosphorodiamidate,PPDA)、N-丁基硫代磷酰三胺（N-（n-batyl）thiophosphotiC tiamide,NBPT）及氢醌等。 AHA是一种高效特异性脲酶抑制剂,能够与脲酶的特异活性中心牢固结合,降低脲酶活性。齐德生等（2003）[17]研究了AHA对牛瘤胃液脲酶和大豆脲酶的抑制作用，结果表明AHA对脲酶活性有明显抑制作用。AHA添加量为150mg/kg精料时，对瘤胃液脲酶平均抑制率42.6％，AHA添加量在125mg/L时，使大豆脲酶活性降低80％以上。PPDA和NBPT的研究主要集中在国外，PPDA和NBPT首先应用于肥料工业，2000年P.A.Ludden[18]在一次绵羊瘤胃液模拟实验中将NBPT作为脲酶抑制剂，证实了NBPT具有降低尿素分解速度的功效。PPDA作为脲酶抑制剂要早于NBPT，早在1991年，Whitelam研究认为，PPDA能够抑制绵羊瘤胃脲酶活性，平衡血液中氮水平。但无论是PPDA或者NBPT对瘤胃微生物都一定的适应性，这对于动物保健来说，也许是个考验。氢醌在土壤学研究和应用中屡见报道，是一种土壤脲酶抑制剂，其抑制效果在一定程度上优于PPDA和NBPT[19 20]。我国目前将氢醌用于反刍动物瘤胃脲酶抑制剂的研究较多[21 22 23]，并取得了较好的效果。
    4 小结
    蛋白质饲料资源的缺乏并不是一个短期内能够解决的问题，饲料及营养工作者也将为克服蛋白质资源的缺乏作不懈的努力。研制开发尿素饲料蛋白质替代品值得重视，并应将如何开发安全、高效、稳定、无副作用、绿色、价格低廉的尿素产品及提高尿素利用率的物质作为这个领域的重点。