非蛋白氮代替蛋白饲料在反刍动物日粮中的应用

王 波，梁锐萍，许贵善，刁其玉

1.青岛农业大学草业学院，山东青岛 266109；

2.北京市昌平区动物疫病预防控制中心，北京 102200；

3.新疆塔里木大学，新疆阿拉尔 843300；

4.中国农业科学院饲料研究所/农业农村部饲料生物技术重点实验室，北京 100081

大豆是重要的油料作物，同时也是畜牧生产所需的优质蛋白质饲料来源。近10 年来，我国大豆产量从2013 年的1240.71 万吨，增长到2022 年2029.00 万吨，产量增加了788.29 万吨，相对增长了63.54% ；而进口量则由2013 年的6338.00 万吨，增长至2022 年的9108.00 万吨，进口量增加了2770.00 万吨，相对增长43.70%（数据来源：国家统计局和农业农村部）。尽管我国大豆产量增长较快，但大豆进口依赖程度依然持续高于80%（2013 年为83.63%，2022 年为81.78%），对我国粮食安全及畜牧业健康可持续发展存在严重威胁。为加强我国粮食安全，降低畜牧业的豆粕使用量，2023 年4 月12 日，农业农村部办公厅印发了《饲用豆粕减量替代三年行动方案》，方案指出：到2025 年饲用豆粕减量至13% 以下。在畜牧生产中，为实现饲用豆粕的减量替代，一方面需要扩大优质蛋白质的来源和产量如优质牧草，另一方面需要充分挖掘可用蛋白资源如非蛋白氮（NPN）等，并结合低蛋白日粮技术，为畜牧生产所需的蛋白质/ 氮源提供保障。

反刍动物虽是草食家畜，但在现代化、集约化的饲养模式下，依然会消耗大量的豆粕。在以不降低动物生产性能为代价的前提下，如何降低反刍动物饲料中的豆粕使用量，是目前生产中普遍关心的问题。而合理地利用NPN 作为氮源，是解决这一问题的有效途径之一。反刍动物瘤胃微生物可利用NPN 分解释放的氨为氮源，合成微生物蛋白质（MCP），并通过肠道吸收后转化为畜体蛋白（Zhou 等，2017 ；Voltolini 等，2010）。NPN 的利用不仅可以减少植物蛋白的使用量并降低饲料成本，同时也有助于促进纤维分解菌的繁殖，从而提高粗纤维的利用率（Pacheco等，2021；Zhao 等，2007）。尽管合理使用NPN对反刍动物生产无负面影响，但目前我国饲料生产中NPN 的应用水平还较低，亟待加强NPN 饲喂技术及应用效果的推广普及，从而更好的发挥NPN 在豆粕减量替代行动中的作用。

1 NPN 的种类

NPN 指饲料中除蛋白质（肽）以外的含氮物质总称。农业农村部发布的《饲料添加剂品种目录（2013）》中，明确指出可应用于反刍动物生产的NPN 包括：尿素[CO(NH2)2]、磷酸脲[CO(NH2)2·H3PO4]、碳 酸 氢 铵（NH4HCO3）、硫酸铵[(NH4)2SO4]、磷酸二氢铵（NH4H2PO4）、磷 酸 氢 二 铵[(NH4)2HPO4]、氯 化 铵（NH4Cl）、异丁叉二脲（C6H16N4O2）、液氨（NH3）和氨水（NH3·H2O）。其中，尿素和磷酸脲是目前使用较多的两种。

1.1 尿素和磷酸脲

尿素一般为白色颗粒状，有轻微氨味。依据刁其玉等起草的国家标准——饲料添加剂第6 部分：非蛋白氮尿素（GB 7300.601–2020）相关要求，饲料级尿素添加剂，氮含量不低于46.0%。磷酸脲是一种白色或无色透明的结晶体，易溶于水，水溶液呈弱酸性，可作为优良的NPN 饲料添加剂，主要为反刍动物提供磷和氮两种元素。刁其玉等起草的农业行业标准（NY/T 917–2004）中指出：饲料级磷酸脲，一级产品总磷不低于19.0%，总氮不低于17.0% ；二级产品总磷不低于18.5%，总氮不低于16.5%。

1.2 缓释尿素

尿素在瘤胃内降解速度较快，不合理使用尿素时，快速释放的氨易超出反刍动物有效利用水平，进而可能引起血氨过高和氨中毒等负面影响，因而缓释尿素的开发及应用逐渐增加。缓释尿素指通过物理或化学等方法，降低尿素分解释放氨速度的尿素产品。缓释尿素在瘤胃中释放氨速度较慢，可有效降低瘤胃氨浓度的峰值。缓释尿素主要包括：（1）传统的缓释尿素，尿素舔砖、糊化淀粉尿素以及膨润土尿素等；（2）化学反应合成的尿素衍生物，如磷酸脲、羟甲基脲素等；（3）包被尿素，采用安全性高、缓释效果好的包被材料包裹尿素而形成的尿素产品。虽然缓释尿素释放速度慢，但缓释效果受加工工艺、包被材料等因素影响较大，仍需进一步完善。

2 反刍动物利用NPN 原理

反刍动物体内本就存在尿素循环（Stewart和Smith，2005），这是反刍动物日粮中可使用部分NPN 的关键原因。该循环也是日粮中瘤胃可降解蛋白质的重要利用方式，通过这种方式提高日粮氮的利用率。日粮中的蛋白质及NPN 进入瘤胃后，被微生物分解产生氨基酸、肽、氨等物质。其中，一部分氨被微生物利用并合成MCP；另一部分则通过瘤胃上皮进入血液，通过门静脉进入肝脏，并在肝脏中合成尿素。合成的尿素大部分经肾脏从尿液中排出，也有少部分通过肾脏重吸收进入血液循环；也有一部合成尿素则由肝脏再次进入血液循环，并通过瘤胃上皮或者唾液分泌的方式进入到瘤胃中，被微生物利用。因而，反刍动物可利用尿素作为部分氮源，且在无外源添加NPN 的情况下，植物蛋白质的代谢途径也与尿素紧密相关。此外，瘤胃微生物可以产生脲酶，日粮添加的尿素在尿酶的作用下产生氨，而微生物则可以利用氨作为氮源合成MCP，这也是外源NPN 可被反刍动物利用的重要原因（Hristov 和Jouany, 2005）。

随着研究深入，近年来从微观水平进一步揭示了反刍动物利用NPN 的机制。瘤胃中的细菌、原虫和真菌均参与氨代谢过程，其中细菌发挥主要作用。脲酶是参与反刍动物NPN 利用的关键酶，可直接催化尿素或缓释尿素分解释放氨，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谢水平。研究发现，能分泌脲酶的细菌种类主要包括：假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、嗜血杆菌属（Haemophilus）、链球菌属（Streptococcus）、放线菌属（Actinomyces）等（Jin 等，2016）。此外，瘤胃中的原虫也可以通过脱氨作用和分解菌体蛋白产生氨，进而参与瘤胃氨代谢（Newbold 等，2015）。脲酶调控基因相关研究发现，参与脲酶分解尿素过程的瘤胃细菌基因主要包括：脲酶的编码基因ureA、ureB、ureC；以及编码参与脲酶活化辅助蛋白的主要基因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种，且脲酶基因具有多样性，参与脲酶合成及活化的相关调控基因仍需进一步探究。

近年来研究已开始逐渐揭示尿素的转运机制，进一步完善了尿素代谢过程，为NPN 的合理利用提供理论基础。尿素在尿素转运蛋白和水通道蛋白的介导下实现在瘤胃上皮与血液间的高效转运。尿素转运蛋白主要包括UT–A（Urea transporter A）和UT–B（Urea transporter B）。研究表明，UT–B2 仅在瘤胃上皮中表达，并协助尿素从血液循环系统中跨膜转运进入瘤胃（Simmons 等，2009；Stewart 等，2005）。但 需要注意对于幼龄反刍动物，由于其瘤胃发育尚不完全，且尿素转运蛋白表达量低，因而不具备成熟的尿素循环功能（仲崇亮，2021）。此外，有报道指出，部分水通道蛋白（AQP）如AQP3、AQP7、AQP9、AQP10 均参与尿素的跨膜转运（Li 等，2014），但AQP 参与反刍动物体内尿素转运的具体调控过程尚不明确。

3 NPN 的应用效果

从首次发现反刍动物可利用尿素合成微生物蛋白已有百余年历史，科研人员也开展了大量的关于反刍动物日粮中NPN 替代植物蛋白的相关研究，为NPN 的应用提供了坚实的基础。诸多研究均表明，合理利用NPN 不仅不会对反刍动物生产性能和健康造成负面影响，还可以在一定程度上改善营养物质利用率，促进反刍动物生产提质增效发展。

3.1 肉羊

尿素作为一种常用的NPN，尽管在瘤胃中降解释放氨的速度较快，不利于氮的有效利用，且有造成氨中毒的风险，但合理的添加水平对肉羊生产是安全的，且有一定的正面效应。研究显示，日粮添加尿素可以促进营养物质消化，并提高生长性能和胴体重（Voltolini 等，2010）。王波等（2014a）依据等能等氮原则，分别在育肥期肉羊基础日粮中添加0.5%、1.5% 和2.5% 尿素替代豆粕，结果表明，当日粮中尿素添加水平不超过1.5% 时，对肉羊生长性能、屠宰性能和肉品质等均无显著性负面影响；但当尿素添加水平达到2.5% 时，则抑制肉羊采食量，降低生长性能，并影响肉品质（表1）。进一步研究发现，日粮尿素添加水平达到2.5% 时，不利于肉羊血清代谢，并引起肾脏严重损伤，对肉羊健康造成负面影响（王波等，2014b）。也有相关研究指出，当尿素添加水平为10 g/kg 干物质，并用于替代日粮中75% 的豆粕时，并不会降低育肥肉羊的营养物质消化率、瘤胃发酵及生长性能（Xu 等，2019）。通过meta 分析也表明，尿素对瘤胃发酵、采食量、营养物质消化率及平均日增重有正效应（Wahyono 等，2022）。综合相关研究结果发现，无论是无负面影响还是表现出积极作用，均证实肉羊日粮中适当的使用尿素替代豆粕是安全有效的，但过量则存在一定安全隐患。

表1 日粮添加不同水平尿素对肉羊生产性能的影响

为降低尿素在瘤胃快速分解带来的风险，提高NPN 使用的安全性，缓释尿素越来越受到关注。磷酸脲作为一种常用的缓释尿素，不仅含有水溶性磷，且氨释放速度较慢，安全性更优（张乃锋和刁其玉，2003）。研究显示，在饲喂高水平玉米秸秆（60%）的肉羊日粮中添加缓释尿素，可以提高有机物和氮消化率，但对其他营养物质和干物质采食量无显著性影响（Zahra 等，2020；Chegeni 等，2013）。Ji 等（2017）在精粗比为1:1的育肥羊精料中，分别添加1%、2%、4% 和8%的磷酸脲（UP）替代日粮中豆粕，发现添加水平不超过4% 时，对肉羊干物质采食量、体增重、平均日增重、饲料转化率、器官发育及血清指标均无显著性影响（图1）；但超过4% 时则可能造成营养不均衡和矿物质代谢紊乱，并推荐育肥期肉羊日粮精料中磷酸脲的最佳添加水平为4%。

图1 日粮添加不同水平磷酸脲对肉羊体重及平均日增重的影响

3.2 肉牛

NPN 在肉牛生产中的应用效果与肉羊类似。研究指出，在饲喂低质粗饲料时，使用尿素替代日粮中29% 的氮源，对肉牛的氮利用效率、采食量及营养物质消化率无负面影响，并有利于改善瘤胃发酵参数（McGuire 等，2013 ；Cappellozza等，2013）。赵二龙等（2019a）依据等能等氮原则，在育肥肉牛日粮中添加不同水平缓释尿素（0%、0.47%、0.94%、1.41% 和1.87%）替代豆粕，其中缓释尿素氮含量为39%，结果显示，随添加水平增加，不仅可以增加肉牛日增重，而且提高了干物质和有机物表观消化率。随后，进一步比较了使用尿素（氮含量46.67%）或缓释尿素（氮含量39%）替代日粮中75% 豆粕对肉牛生产效果的影响，发现无论是尿素还是缓释尿素的应用对肉牛生产性能均无显著性影响，且缓释尿素效果优于尿素（赵二龙等，2019b）。此外，有报道指出，无论是高精料（60%）还是低精料（20%）日粮，添加3% 的缓释尿素（氮含量41%）替代植物蛋白，对肉牛的瘤胃功能及健康状况均无负面影响（Saheed 等，2021）。因而，NPN 是肉牛饲料中非常有效的氮源，可替代日粮中植物蛋白，且不影响肉牛饲喂效果。

3.3 奶牛

研究发现，奶牛日粮中添加过高水平尿素时（2.2%），会抑制采食量，并降低产奶量，但对奶成分无显著性影响；但添加水平为1% 时，则对产奶量和采食量无显著性影响（van Horn 等，1967）。近年来，NPN 在奶牛上的应用相关研究主要集中在缓释尿素方向。体外试验表明，奶牛日粮中添加缓释尿素可增加氨氮浓度和MCP 产量，提高有机物和纤维消化率，并倾向于乙酸型发酵（Guo 等，2022）。有研究显示，使用0.69% 的缓释尿素替代豆粕，对奶牛的采食量、产奶量、乳成分及血液指标均无负面影响（Kia等，2019）。也有类似研究指出，使用缓释尿素替代日粮中豆粕有增加产奶量的趋势，并能促进瘤胃发酵，降低热应激影响，减少温室气体排放（Jiang 等，2023）。通过meta 分析发现，奶牛日粮中添加缓释尿素有利于提高饲料利用率，降低碳排放和粪氮含量，但对产奶性能的促进作用有限（Salami 等，2021）。因此，合理使用NPN 不会对奶牛泌乳性能及健康产生不利影响。

4 NPN 的合理利用

诸多研究均表明，合理使用NPN 在反刍动物生产中具有较好的效果，但过量添加或者日粮搭配不合理时，则可能对生产造成一定负面影响，这也是牛羊养殖者最担心的问题。瘤胃微生物合成微生物蛋白，不仅需要氮源，而且也需要充足的能量供给。因而，NPN 降解过快时产生的氨，容易超出碳水化合物发酵速度，造成能量供给和氮水平不平衡，进而不利于瘤胃MCP 的合成，造成氮浪费且存在氨中毒风险。尿素进入瘤胃后的0.5～2 h 内会被微生物降解释放大量的氨（Rekib 和Sadhu，1968），易引起瘤胃及血液中氨浓度快速上升，对动物健康产生负面影响。为防止这种情况发生，使用在瘤胃中快速降解的NPN 时，需要日粮供给充足的可消化碳水化合物，为微生物利用氨提供能量。依据我国《饲料添加剂安全使用规范》（农业农村部第2625号文件），在全混合日粮（TMR）中，尿素添加水平不能超过1%（88% 干物质基础），磷酸脲最高限量为1.8%。或者NPN 替代日粮中的植物蛋白比例不超过1/3（陈代文，2015）。此外，由前文反刍动物利用NPN 机制可知，尿素循环是反刍动物提高氮利用率的重要途径。因而，适当的降低日粮蛋白质水平，使动物处于“氮胁迫”时，可进一步提高NPN 的利用效率。反刍动物在应对低氮日粮时，更依赖于其内源尿素循环发挥功能，提高内源氮的利用，用以维持机体氮代谢平衡，这也是配制低蛋白日粮的重要依据。通常在日粮蛋白水平高于13% 时，不建议使用NPN。

缓释尿素加工技术与应用是目前NPN 开发利用的重要研究方向，也是提高NPN 利用安全性的重要途径。相较于尿素在瘤胃中的快速降解，缓释尿素在瘤胃释放速度更慢，释放时间更长，如磷酸脲的氨释放速度是尿素的74%（张乃锋和刁其玉，2003），包被尿素缓慢释放时间可长达8 h（Ribeiro 等，2011）。然而，缓释尿素由于加工工艺、包被材料等影响因素，造成实际缓释效果差异较大。目前，缓释尿素产品效果并不稳定，包被材料相对单一，且没有相应的产品评价体系和添加标准，不利于缓释尿素的实际推广应用（田锦秀等，2021）。加强缓释尿素产品开发利用，将有助于提高NPN 利用效率，为进一步推广NPN 替代饲用豆粕提供助力。

5 非蛋白氮的效益

通过科学合理的使用NPN，不仅可以保障反刍动物的生产性能和机体健康，更能够大幅度的降低生产成本，减少豆粕使用量，提高生产效益。尽管尿素降解较快，但仍是性价比最高，应用最广的NPN，其次是磷酸脲。

按氮含量计算，每千克尿素相当于2.88 kg粗蛋白质，或相当于6.25 kg 豆粕（按46% 蛋白质水平计算）所含的粗蛋白质；每千克磷酸脲相当于1.03 kg 粗蛋白质，或相当于2.24 kg 豆粕（按46% 蛋白质水平计算）所含的粗蛋白质（表1）。2022 年，我国反刍动物饲料产量达到1616.8 万吨（2022 年全国饲料工业发展概况）。在配合饲料或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，则其相应添加量可分别达到16.17 万吨和29.10 万吨，可节约101.06 万吨和65.18 万吨豆粕。结合我国2022 年大豆产量2029.00 万吨，豆粕产量约为1582.62 万吨（按大豆产量的78%计算），则使用尿素或磷酸脲所节约的豆粕量占我国豆粕总产量的比例达到6.39%和4.12%（表2）。在反刍动物饲料生产中，相较全价配合饲料，浓缩料和精料补充料占比更高，且可添加NPN 水平至2%～3%。因而，实际上反刍动物饲料中可使用NPN 替代豆粕的量会更高，存在巨大的应用潜力空间。

表2 使用尿素和磷酸脲替代豆粕效益

6 结论与展望

NPN 的合理使用可以保障反刍动物正常的生产性能和机体健康，并在一定程度上提高营养物质利用率，促进反刍动物生产提质增效，有效助力畜牧业实现豆粕减量替代，维护国家粮食安全和畜牧业可持续发展。为进一步提高NPN 的安全性，仍需加强瘤胃氨代谢及缓释尿素开发相关研究，并完善NPN 替代植物蛋白应用的相关评价体系及使用标准。为进一步推广NPN 在饲料生产中的应用，需加强NPN 利用相关技术的科普宣传及技术推广，提高从事饲料生产和畜牧养殖人员对NPN 的科学认识，促进豆粕减量替代方案的落实。