缓释尿素制备工艺及其在反刍动物生产中应用的研究进展

王梦芝，杨斯涵，刘福元，张振斌，赵 建

1 扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州 225009

2 绵羊遗传改良与健康养殖国家重点实验室，新疆农垦科学院，新疆石河子 832000

0 引言

我国的蛋白质饲料资源缺口很大，据国家饲料工业办公室估算，2020年我国蛋白质饲料供需缺口为0.48 亿吨。其巨大的需求量和资源紧缺的矛盾日益突出，给饲料工业带来了严峻的挑战。寻找可替代型蛋白质饲料资源是当前畜牧业发展的重要研究内容。尿素是哺乳动物排泄的含氮物质，反刍动物体内的尿素循环是其重要的营养代谢过程。尿素以低成本、高可用性和易用性著称，是反刍动物重要的蛋白质补充源。尿素被微生物酶水解产生氨氮（NH3-N），NH3-N转化为微生物蛋白质，从而为宿主动物提供额外的蛋白质[1]。然而，合成微生物蛋白质除瘤胃中存在NH3-N外，还需要充足的能量。能量的损失[2]和微生物生长效率的降低[3]是限制尿素在反刍动物日粮中使用的原因之一。与可发酵碳水化合物相关的瘤胃降解蛋白质（RDP）的缺乏不利于纤维的消化。而且，尿素溶解后NH3-N迅速地进入瘤胃，导致碳水化合物降解所产生的能量不足以供给后续蛋白质合成。目前，尿素缓释技术的重要性凸显并已成为畜牧行业的研究热点之一。

缓释尿素是尿素通过生物、化学或物理方式加工后制成的一种添加剂，旨在通过缓释技术实现尿素在瘤胃内的缓慢释放，从而提高饲料中尿素的利用率。其含氮量高，相对于尿素，能控制NH3-N缓慢而均匀释放，使其不会被脲酶快速降解，不会产生氨浓度快速升高致中毒的现象，保证NH3-N降解速度与微生物利用氨的速度相适应，从而提高瘤胃微生物蛋白质的合成率，减少氮排泄和环境污染[4]。本文综述缓释尿素相关的包被技术、材料及其产品应用效果，以期为缓释尿素研发及其技术的提升提供参考。

1 缓释尿素的制备工艺

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无毒害的有机物或无机聚合物将尿素包裹起来，间接改变了尿素的水溶性，有效地控制或降低尿素在瘤胃内的释放速度[5]。目前有糊化淀粉尿素工艺、尿素糖蜜舔砖，能够在物理包被法中使用的包被材料有氢化植物油、虫胶、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国堪萨斯州立大学的学者Bartley等成功研制[6]。糊化淀粉尿素是将淀粉或谷物与尿素均匀混合后经挤压膨化处理，使淀粉的糖醛基与尿素的氨基发生反应形成复合物，从而达到减慢尿素中氨释放速度的目的，其适口性较好可提高反刍动物采食量[4,7]。张翔兵[8]发现，将淀粉含量较高的谷物类饲料如玉米、高粱等（7 0.0 0%～8 0.0 0%）与尿素（20.00%～25.00%）混合均匀后，通过糊化机，在特定的温度、湿度和压力下，使淀粉糊化，融化的尿素均匀地被淀粉分隔、包裹，适当添加缓释剂，制成的糊化淀粉尿素的粗蛋白含量约65.00%。每千克糊化淀粉尿素的蛋白质质量约为棉籽饼的2.0 倍、豆饼的1.6 倍，且价格便宜。糊化淀粉尿素替代泌乳牛日粮中56.00%豆饼，对产奶量无影响。每天用量为育成牛0.3 kg/头，泌乳牛0.8 kg/头。邓丽青等[9]试验表明，在不影响奶牛正常生产性能的基础上，用糊化淀粉尿素产品中的糊化玉米淀粉替代16.00%的奶牛日粮氮源，能降低饲养成本。

1.1.2 尿素糖蜜舔砖

尿素糖蜜舔砖的加工原料是由糖蜜、糠鼓、尿素、硅酸盐水泥、食盐和矿物质元素添加剂等经加工获得，还可以根据需要添加适量维生素[4]。杨肯牧[10]提出，在带双叶片的混合机中按顺序加入制作原料，搅拌8～10 min，取出，用手工藕煤（蜂窝煤）机做成藕煤状，晾干或晒干，也可将其铲入制作土砖坯的木匣中，再用木板压出，晒干；用薄膜包裹可保存较长时间。尿素糖蜜舔砖有调节瘤胃微生态环境，提高营养物质的消化吸收，促进微生物蛋白的合成，提高饲料利用率的作用[11]。在李长青等[12]研究中，补饲尿素糖蜜舔砖的羊的瘤胃微生物多样性随饲喂天数的增加而明显增加。Anindo等[13]发现，每天使用80 g含氮量为46.00%尿素糖蜜舔砖（MUB）饲喂羔羊可显著提高日采食量，即使停止饲喂MUB，试验羔羊的日增重（ADG）较对照组仍然具有优势。Geleta[14]在试验中饲喂含粗蛋白17.72%的MUB组总增重最高，为（6.26±0.53）kg。

1.1.3 氢化植物油包被尿素

氢化植物油是普通植物油在特定的温度和压力下加入氢，催化其中的不饱和脂肪酸转化为饱和脂肪酸形成的产物，通过氢化可提高油脂的熔点，保持固体的形状，增强其可塑性、融合性和乳化性[15]。美国百尔康公司生产的Nitroshure是以氢化植物油包被而成，其尿素含量为90.00%[16]。潘正茂等[17]试验中，将尿素颗粒90.00%、硬脂酸4.00%、乙基纤维素4.00%、氢化植物油2.00%加入到离心包衣机中，转速100 r/min，气流加热，升温到90 ℃；随后加入硬脂酸，待硬脂酸受热融化包裹在尿素颗粒表面后，加入乙基纤维素，乙基纤维素受融化的硬脂酸粘附融合于尿素颗粒表面；然后降温至氢化植物油熔距温度范围内，加入氢化植物油进行阻水层包衣，最后自然降温，制得反刍动物饲料用缓释尿素。

1.1.4 虫胶包膜尿素

虫胶又称紫胶，是一种新兴的功能性组分微囊化壁材，天然、无毒、生物可降解，具有在中酸性水溶液中不溶、碱性水溶液中溶解的特性，以及良好的成膜性和热性能，可较好地应用于耐酸、阻湿、胃肠道控释等方面。其作为一种天然产物，对生物体没有毒性和刺激性，可生物降解。目前以虫胶为包膜的制作工艺有挤压法、乳化法、相分离法、电喷雾法、静电纺丝法[18]。Shuang等[19]以热诱导相分离法制酵母醇脱氢酶的虫胶微胶囊，结果显示，虫胶微胶囊的荷载量为79.0 mg/g，固定化酶的热稳定性、pH值稳定性以及贮藏稳定性均有所提高。李志斌等[20]给牛饲喂100.0 g紫胶包膜尿素，2 h后牛血氨浓度和瘤胃中氨的浓度与仅饲喂尿素的牛相比分别降低了30%和12.9 mg/mL。

1.1.5 高分子材料包被尿素

目前市场上缓释尿素产品的包被材料以油脂和高分子聚合物为主。美国奥特奇公司生产的奥优金是一款以聚氨酯为壁材的缓释尿素产品，其尿素含量为88.00%。魏炳栋等[21]使用尿素颗粒作为芯材，乙基纤维素/聚丙烯酸树脂IV号/壳聚糖或氢化棕榈油作为壁材，制作了一种尿素含量为70.00%～90.00%的长效缓释包被尿素，并表明其可改善尿素适口性和有效减缓尿素在瘤胃的释放速率，而且被膜更均匀。

1.2 化学修饰法

化学修饰法的制作原理主要是通过一个或一系列化学反应来改变化学物质的分子立体结构，并且这种化学物质中含有尿素分子，生成了新的含有尿素分子的化学物质且改变了水溶性，达到了降低尿素分解速度的目的[22]。

1.2.1 磷酸脲

磷酸脲即尿素磷酸盐或磷酸尿素，是由磷酸和尿素按照等摩尔比例在一定条件下发生反应而生成的，是一种专门用于反刍动物的营养型饲料添加剂。其利用非蛋白氮（NPN）的水溶性直接吸收磷提供营养。特点是能减慢反刍动物瘤胃和血中氨的释放与传递速度，而不引起氨中毒，且磷酸脲能增加反刍动物瘤胃中醋酸、丙酸的含量及脱氢酶的活性，促进反刍动物的生理代谢，尤其是对氮、磷、钙的吸收利用，且适口性良好[23]。对反刍动物有增毛、增重、增奶和改善乳品质等作用；并且毒性低于尿素，无致畸变效应和致突变作用[24]。张帆等[25]通过在羔羊日粮中添加不同水平的磷酸脲发现，添加量为1.00%时，羔羊在各时期平均日增重、宰前活重、胴体重、屠宰率均达到最高值。

1.2.2 缩二脲

缩二脲是由两个尿素分子缩合而成的化合物，只微溶于水，其中的氨在瘤胃中释放缓慢，没有毒性，相较于尿素，其更具优势。饲料级缩二脲在2008年被放入《饲料添加剂品种目录》。目前缩二脲的生产工艺主要有常压热解法、高压热解法、减压热解法和溶剂法[26]。Amha[27]表示，添加缩二脲的牛体重平均增加1.43 kg/天，而添加尿素的牛体重平均增加只有1.40 kg/天。但由于缩二脲的价格十分昂贵，相当于普通尿素的8.0 倍，因此，其在饲料添加剂中的应用并不广泛。

1.3 抑制生物酶活性法

抑制生物酶活性法主要原理是在饲料中添加能够抑制瘤胃脲酶活性的脲酶抑制剂[16]。用脲酶抑制剂饲喂反刍动物，以控制反刍动物瘤胃微生物脲酶的活性，调节瘤胃微生物代谢，提高微生物蛋白质合成量和纤维素消化率，降低瘤胃内尿素的分解速度，从而提高反刍动物对氨的利用率，促进反刍动物的生长，提高泌乳牛产奶量，增加经济效益[10]。张震宇等[28]试验发现了一种新型瘤胃脲酶抑制剂，通过体外微生物厌氧培养试验发现，这种化合物能抑制瘤胃微生物氨氮的生成。沈冰蕾等[29]试验证明，在奶牛日粮中添加脲酶抑制剂可提高产奶量4.27%～6.22%。

2 缓释尿素在反刍动物生产中的应用

2.1 对反刍动物生产和消化代谢的影响

赵二龙等[30]试验发现，在日粮中添加1.00%左右的缓释尿素，肉牛平均日增重可提高3.46%。Salami等[31]研究发现，添加0.88%的缓释尿素产品，对肉牛的体重和体脂有持续的改善作用，具有很好的经济效益。Puga等[32]发现日粮中添加缓释尿素后干物质采食量（DMI）增加，因为瘤胃内高纤维饲草的高效发酵作用促进了DMI 的增加，这说明了饲喂反刍动物缓释尿素会提高反刍动物对饲粮中能量的利用率，从而改善瘤胃微生物不平衡的缺陷。Sevim等[33]试验中，对羊使用由9 9.4 0%的碎花生秸秆、0.5 0%盐和0.1 0%维生素-矿物质预混料组成的基础日粮，在此基础上每天增加10 g糊化淀粉尿素进行饲喂，羊的瘤胃液消化率和体重与仅饲喂普通基础日粮的对照组相比显著提高。王会等[34]试验发现，当饲粮中添加0.50%的缓释尿素（奥优金）能够提高奶山羊乳中乳脂含量，降低血液尿素氮含量，且提高奶山羊日均产奶量。

蒋玉姣等[35]试验发现，在日粮中添加1.87%的缓释尿素在提高肉牛ADG的同时也可以提高干物质（DM）利用率。Benedeti等[36]研究显示，在奶牛日粮中添加缓释尿素可以增加有机物，提高DM利用率。用缓释尿素替代日粮中的豆粕，可改善DM利用率，可能与日粮含氮量有关，特别是低氮日粮，在其中添加适量的缓释尿素可刺激瘤胃微生物的生长，继而达到提高DM利用率的目的[23]。由此可见，在饲粮中添加1.00%左右的缓释尿素能提高反刍动物的生产性能，并改善其消化代谢性能。

2.2 对瘤胃氨氮浓度的影响

Hart等[37]表示反刍动物体内瘤胃微生物生长的适宜NH3-N浓度应在6.3～27.5 mg/100 mL之间。Taylor-Edwards等[38]体外试验研究显示，在0.5 h内，尿素快速转变为NH3-N，导致瘤胃内NH3-N的浓度高出正常值的263.00%，pH值快速升高，远超出正常范围，说明瘤胃pH值与瘤胃内NH3-N浓度息息相关，并且证明了饲喂缓释尿素能减缓瘤胃内NH3-N释放速度并且能有效地调整瘤胃内NH3-N浓度，使瘤胃内pH值保持平稳。Owens等[39]证明，饲喂反刍动物缓释尿素后，瘤胃内NH3-N释放速度比尿素慢很多，可有效增加采食量，同时也能够改善瘤胃的发酵效果。缓释尿素能够为瘤胃微生物的生长持续地提供NH3-N，保持瘤胃液浓度处于15～30 mg/dL，保证了瘤胃内细菌得以在最佳状态下生长[30]。在同样的试验中发现，使用了添加1.00%缓释尿素的基础日粮（精粗比为3∶7），试验动物瘤胃液pH值变化范围在6.79～6.89之间，随着缓释尿素添加量的增加而增加，属于正常变化范围。各组瘤胃液NH3-N浓度差异不显著，但组间NH3-N浓度也呈现增长趋势，这一趋势和pH值的变化相同，这是因为1.00%添加组NH3-N在能量和碳源存在的条件下合成微生物菌体蛋白质的效率较高，降低了发酵液中的NH3-N浓度[31]。Gardinal等[40]试验发现，较添加普通尿素的日粮，添加缓释尿素的日粮可降低NH3-N浓度。使用精粗比为4 ∶6 的基础日粮，其中38.00%的大豆粕用矿物质缓释尿素代替后进行饲喂，24.0 h内的pH值在6.03～7.49之间（在瘤胃微生物适宜生活的pH值范围内），NH3-N浓度在6.3～27.5 mg/100mL之间（在适宜瘤胃微生物生长的范围内）[32]。王芃芃[41]试验中，使用粗料比例为36.10%的基础日粮，其中添加乙酰氧钨酸和尿素的混合物进行饲喂，瘤胃内氨氮浓度、pH值及血氨浓度在一段时间内维持较稳定的状态，从而提高尿素氮的NH3-N浓度。Benedeti等[36]试验发现，使用精粗比为4∶6的基础日粮，其中豆粕用缓释尿素代替，可以使肉牛瘤胃内NH3-N的浓度提高。添加24.00%的糊化淀粉尿素能有效延缓氨浓度峰值出现的时间，降低氨浓度峰值，并且对奶牛生产性能和牛奶安全无不良影响[13]。

2.3 对瘤胃挥发性脂肪酸的影响

张娇娇等[42]试验发现，使用缓释尿素添加水平为1.00%，精粗比为3∶7的全混合日粮饲喂西门塔尔杂交牛，能够显著提高底物降解率和发酵液挥发性脂肪酸（VFA）含量，并显著降低甲烷产量，减少温室气体排放。Golombeski等[43]试验发现，使用缓释尿素后肉牛的总VFA产量高达94.8～103.2 mmol/L，但其却对奶牛的VFA影响不大。添加0.50%的缓释尿素可以降低瘤胃内NH3-N浓度并使NH3-N长时间保持在较高水平，使瘤胃内乙酸比例增加，从而增加牛乳中乳脂含量[38]。Xin等[44]试验中，分别在日粮中添加尿素、缓释尿素和大豆蛋白，发现VFA并无差别，这表明添加尿素或缓释尿素并没有改变瘤胃的发酵类型。在同样的试验中发现总VFA有随缓释尿素添加先升高后降低的趋势，添加量达到1.00%时达最大值，这表明添加1.00%缓释尿素促进消化代谢，能够为反刍动物育肥提供丰富的脂肪合成底物[31]。综上，缓释尿素可以控制瘤胃内NH3-N的释放速度，并使NH3-N的浓度持久地维持在合适的水平上。因此，缓释尿素在不影响瘤胃发酵类型和总VFA 含量的条件下，可能会对脂肪酸类型产生影响。

2.4 对反刍动物微生物蛋白质合成的影响

作为反刍动物重要的氮源供应者的瘤胃微生物蛋白质，是发酵底物经过瘤胃微生物先分解成氨气而后再利用氨气合成而来的。薛白等[45]试验中，使用了精粗比为4∶6的日粮，其中38.00%的大豆粕由矿物质缓释尿素代替，添加量为0.8 kg，占基础日粮的0.80%，发现矿物质缓释尿素能提高瘤胃微生物对氮的利用率，并能更有效地合成瘤胃微生物蛋白质。López-Soto等[46]试验发现，缓释尿素可以增加瘤胃中氨的含量，促进微生物蛋白质的合成。焦浩鹏[7]试验发现，用矿物质缓释尿素代替部分大豆粕，各组微生物蛋白浓度都在第10.0h达到最大值，添加了矿物质缓释尿素的一组在10.0h后的瘤胃微生物蛋白质显著高于尿素组，可能是由于磷和硫的协同作用，促进了微生物的合成，增强了体内蛋白质的合成代谢。Mahmoudi-Abyane等[47]试验使用小麦秸秆和缓释尿素的混合物来饲喂公羊羔，饲喂3.0 h后原虫总数、琥珀酸纤维杆菌、黄色瘤胃球菌和白色瘤胃球菌的相对数量均高于仅饲喂普通尿素的一组。基于此结果，可以推断缓释尿素在瘤胃发酵过程中会延长微生物对其他氮源的利用，瘤胃NH3-N释放和碳水化合物可利用性之间的同步性可以得到改善，从而促进微生物蛋白质合成。

2.5 对反刍动物氮代谢的影响

血清蛋白质含量是机体蛋白质合成代谢的一个重要指标，其总蛋白质含量在一定程度上代表了饲粮中蛋白质的营养水平及动物对蛋白质的消化吸收程度。而血清中的尿素氮含量可做为蛋白质的沉积指标，其含量可准确反映动物体内蛋白质分解代谢和肾脏功能状况。适量的缓释尿素能够被瘤胃微生物分解为氨，分解的氨大部分被瘤胃微生物合成可利用的菌体蛋白质。冯春燕等[48]发现，饲喂缓释尿素的泌乳奶牛的血清总蛋白含量与饲喂大豆粕组无显著差异，都在正常范围以内，说明缓释尿素提供的氮源可被机体有效吸收利用，其蛋白质的消化吸收程度与豆粕提供的氮源相一致。有研究显示，缓释尿素组血清血氨含量与仅饲喂豆粕的组别相比无显著性变化，且血清尿素氮含量与豆粕组没有差异，说明缓释尿素降解产生的氨能够被瘤胃微生物有效利用，使用缓释尿素替代日粮中的豆粕对肉牛体内蛋白质代谢没有影响[30]。

3 小结

缓释尿素与其他高蛋白饲料相比，具有加工简单方便、价格低廉等优点，近些年来国内外研究和应用较为广泛。在反刍动物日粮中添加缓释尿素也可以提高生产性能，降低温室气体的排放，减少对环境的危害等。但现在仍待完善，比如，缓释尿素的加工技术虽然相对成熟，能达到缓释氮的目的，但其加工工艺复杂且耗时长，有时无法达到预期的目标。另外，大多数的缓释尿素生产成本高，虽然其应用效果较好，但包被材料或辅助材料却价格偏高，增加了养殖成本。如能开发效果佳且价格低廉的包被材料，将会带来更大的经济效益。

总之，缓释尿素有自身的特点及优势，随着研究的不断深入，通过采用相对成熟的缓释技术提高非蛋白氮的利用效率，开发具有合适缓释速率和低廉成本的缓释壁材，缓释尿素在动物生产上的应用必将取得突破性的进展并创造更大的效益。