非蛋白氮在反刍动物中的应用

东北农业大学 郗伟斌 张永根*

反刍动物养殖行业面临愈来愈大的压力，一方面饲料原料（特别是蛋白质饲料）价格的上涨导致饲养成本的增加；另一方面还面临着越来越严格的环保要求，特别是氮、磷排放。饲喂非蛋白氮（NPN）可以降低反刍动物的饲养成本，但NPN在瘤胃降解速率快，使用不当可造成血液中尿素氮升高，氮排放增加，甚至造成氨中毒和动物死亡。因此如何研制开发优质、高效的NPN产品，在降低饲养成本的同时降低或不增加氮的排放是反刍动物营养学家的重要课题。本文就几十年来NPN在反刍动物利用的研究进行综述，以期找到提高NPN利用效率的有效途径。

1 反刍动物NPN饲料的种类

反刍动物NPN饲料总体上可分为两类：一种是氨及铵盐，另一种是尿素及其衍生物。Belasco（1954）利用体外法对醋酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵、乳酸铵、双缩脲、二氰二铵、尿素、谷胺酰胺、甘氨酸等含氮化合物进行了评估，其发现除了双缩脲外其他测试的NPN均可被反刍动物有效利用，但没有一种NPN的利用效率能超过尿素。加上价格低廉，因此尿素及其衍生物是研究最多，应用最广的NPN。本文中NPN除特殊说明外，其他均指尿素或其衍生物。

2 NPN过量的危害

2.1 降低采食量 当精饲料中尿素含量达到1.5%～2.0%时会降低奶牛的干物质采食量（Huber 等 ，1967；Van Horn 等 ，1967）。 Huber（1978）进一步指出，当尿素日摄入量不超过300 g时，采食量的降低可能来自于尿素的苦味而不是由于瘤胃或后瘤胃消化道消化或代谢的原因，这时可通过将尿素溶解于糖蜜来解决适口性问题。当尿素日摄入量较高时（425～450 g/d或日粮中含量达到2.3%），无论是饲喂还是从瘤胃瘘管投入都会降低奶牛干物质采食量，这时采食量下降的原因是代谢水平的。

2.2 降低氮素利用率，增加氮排放 脲酶普遍存在于瘤胃中，反刍动物食入的尿素立即降解，短时间内释放的大量氨气超过了瘤胃微生物的利用能力，导致产生的部分氨气不能及时利用而被吸收入血，在肝脏内被转化为尿素后部分经肾脏排出，降低了非蛋白氮的利用效率，增加了氮素的排出，最终导致日增重和饲料转化效率下降，饲养周期延长，经济效益下降。

2.3 氨中毒 尿素本身没有毒性，但可以导致氨气中毒。当过量吸收的氨气超过肝脏本身的解毒机能时，血液循环中的氨气浓度将迅速上升，而大脑对氨气非常敏感。中毒的症状包括不安，颤抖，流涎，心跳过速，共济失调，胀气和抽搐。这些症状出现的先后顺序与以上列出的顺序大体一致。尿素中毒时动物瘤胃pH也上升，当血氨浓度上升到5 mg/100 mL时动物通常会死亡，此时瘤胃pH通常为8，瘤胃机能会丧失。精饲料饲喂水平可影响尿素中毒，当日粮以粗饲料为主时，如果动物以前未饲喂过尿素，每千克体重采食0.3 g尿素即可导致氨中毒；但如果日粮中易发酵碳水化合物较高，而且动物以前饲喂过尿素，每千克体重采食1～2 g尿素也不会导致中毒。很多情况下尿素中毒是由于混合不均造成的。为了避免氨中毒，通常日粮中尿素的含量不要超过2%。

2.4 影响繁殖性能 尽管最初的研究没有证明饲喂高水平尿素会导致奶牛繁殖力下降，但在20世纪六七十年代奶牛生产中发现饲喂高水平尿素时奶牛的繁殖力下降（Huber和Kung，1981）。 Erb等（1975）报道，饲喂高水平尿素（日粮干物质2%）将导致青年母牛流产，但饲喂低水平尿素日粮（日粮干物质1%）或豆粕日粮则未出现流产现象，但同一个试验中成年母牛饲喂高水平尿素却没有问题。另外该研究小组在试验中还观察到饲喂高水平尿素导致青年母牛黄体较轻、较软而且易碎，体外培养时发现来自饲喂尿素的青年母牛的黄体产生的孕酮较少。但伊利诺斯州大学的研究人员在持续几个泌乳期的研究中并没有观察到饲喂高水平尿素导致繁殖能力下降（Huber和Kung，1981）。这种争议一直持续到20世纪80年代末期，越来越多的学者证明了牛奶尿素氮（MUN）含量和奶牛繁殖性能之间的关系（Sklan和 Tinsky，1993；Canfield 等，1990）。 有学者认为，这种繁殖问题可能与生殖道内氨水平和pH的上升有关（Elrod和Butler，1993）。 当日粮中降解蛋白（包括非蛋白氮）过高时会导致瘤胃中氨气不能被及时利用，过剩的氨气将被吸收入血液，在肝脏内被转化为尿素。尿素是小分子，很快会在各种体液之间达到平衡。因此可以用牛奶尿素氮作为奶牛氮素利用情况及其对奶牛繁殖性能影响的一个指标。

2.5 增加能量消耗，影响肝脏机能 肝脏将氨气转化为尿素是一个耗能的过程，每生成一分子的尿素将消耗3分子的ATP。CNCPS体系提出当瘤胃氮平衡（rumen nitrogen balance，简称 RNB）大于内源循环N时，尿素循环的能耗（Mcal）=[RNB（g/d）－循环尿素氮（g/d）＋过剩的可代谢蛋白氮（g/d）]×0.0073；当 RNB 小于内源循环 N 时尿素循环的能耗＝过剩的可代谢蛋白氮（g/d）×0.0073。另外Fernandez等（1990）研究表明亚临床的氨中毒将导致葡萄糖代谢受损，如长期如此将影响饲喂NPN动物的生产性能。

3 影响NPN利用的因素

3.1 基础日粮的可发酵能浓度 快速发酵的碳水化合物可迅速提高微生物合成所需的能量和碳架，因此可满足微生物生长最大化的需要。Pearson和Smith（1943）发现，增加淀粉可有效提高尿素的利用效率，并且淀粉的效果优于糖蜜和单糖。向高粗饲料日粮中添加谷物饲料或糖蜜可提高尿素的利用率，但向高谷物日粮中添加糖蜜却不能提高尿素的利用率。

3.2 基础日粮矿物质 使用尿素替代天然蛋白将降低日粮中矿物质元素的供应，主要包括磷（P）、硫（S）和微量元素，要保证 N∶S 不要低于 15∶1。尽管从总量上看很少，但这部分矿物质对微生物的合成是必须的。

3.3 尿素的饲喂频率 从理论上讲持续供应尿素的效果优于间断性供应尿素的效果，但Mizwicki等（1980）研究发现，无论是持续灌注尿素还是间断性供应尿素，包括一天一次性在一个小时内灌注85 g尿素，对以低质草为日粮的阉牛的生产性能没有影响。但不管方式如何，灌注尿素可以提高干物质消化率和氮滞留率5%。由于当添加到舔砖时尿素可以少量多次摄入，Leng（1984）提出尿素糖蜜舔砖是反刍动物补充非蛋白氮的一种很好方式。

3.4 动物对饲喂尿素的适应期 Schaadt等（1966）在一个为期72 d的代谢试验中发现，饲喂含尿素日粮的羔羊氮平衡随着时间推移而得到改善。Caffrey等（1967）发现，如果接种的瘤胃液来自饲喂高水平尿素日粮（3.5%）绵羊，体外发酵时氨气的吸收显著增高。按照体外研究的结果推测瘤胃微生物对饲喂尿素的适应可在饲喂后13 d完成，但活体研究表明，饲喂高水平尿素日粮时瘤胃微生物对氨气的吸收在19 d后才达到最大。这种适应与尿素循环无关。一般而言，当饲喂高水平尿素日粮时（占到日粮总粗蛋白质的50%）需要2～3个月的适应期，当尿素饲喂量在推荐量以下时，适应期需2～6周。

3.5 NPN饲喂水平 由于生理状态、营养需要及基础日粮营养供应等诸多因素的影响，很难确定在特定生产情况下的NPN的适宜添加量，但对于没有缓释的尿素较为安全推荐量是：育肥牛或者育肥羊日粮中添加的NPN蛋白当量最好不超过日粮总蛋白质量的15%～25%，即每头牛饲喂45～113 g，或是日粮的0.7%。干奶牛每天每头牛最好不要超过23 g或者其蛋白质当量不能高于64 g。当以粗饲料为主或日粮粗蛋白质水平较低时，补充的尿素氮不要超过日粮氮的20%～33%，泌乳奶牛每天每头最好不要超过23～46 g，或者63～127 g的蛋白质当量。对于体重低于200 kg的犊牛不要饲喂尿素。

3.6 异位酸 Mathison等（1994）提出理想的缓释非蛋白氮应该能够提供支链脂肪酸，这是因为日粮真蛋白在发酵时可以提供部分支链脂肪酸，这部分支链脂肪酸主要来自于支链氨基酸（如缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸和脯氨酸）的分解，但反过来瘤胃微生物合成支链氨基酸时也需要支链脂肪酸，因此大量使用非蛋白氮时日粮中可能缺乏支链脂肪酸。大量研究表明，在某些情况下瘤胃微生物代谢可能由于支链脂肪酸的短缺而受到抑制。Andries等（1987）认为，异位酸对生长期的反刍动物无效果，但在某些情况下可以刺激泌乳奶牛产奶。由于异位酸气味比较强烈，给饲料加工带来不方便，所以异位酸作为饲料添加剂已停止使用（Cheeke，1999）。

3.7 基础日粮粗蛋白质水平及蛋白质的降解率

通常认为向粗蛋白质为8%～9%的基础日粮中添加NPN将日粮粗蛋白质含量提高到12%～13%是一种有效的NPN使用方法，但这样的日粮粗蛋白质水平仅仅适合于育肥牛和干奶牛。Roffler和 Satter（1975）认为，当奶牛基础日粮中蛋白质超过 12%时不适合补充 NPN；Huber和Kung（1981）认为，当日粮粗蛋白质超过14%时才不宜添加NPN。Roffler和 Satter（1975）提出从产犊到产后14周由于奶牛日粮粗蛋白质含量为16%，因此最好不要添加NPN，而在泌乳中后期可以添加NPN。关于高产奶牛（≥ 30 kg/d）日粮中是否适合添加NPN始终存在争议，但愈来愈多的研究表明只要对NPN进行缓释处理并且适当平衡日粮，高产奶牛日粮也可使用NPN（Highstreet等，2009；Garrett等，2005）。日粮蛋白质的瘤胃降解率影响添加NPN的效果，基础日粮如使用了NPN含量较高的饲料，如粗蛋白质50%为NPN的青贮饲料，将降低添加NPN的效果。

4 改善反刍动物对NPN利用的途径

通过改善以上影响反刍动物NPN利用的因素可以改善反刍动物对NPN的利用。但最基本的方法是对NPN进行缓（控）释。NPN（主要指尿素）的缓释方法主要有物理法、化学法、抑制脲酶活性法和包被法。笔者认为最为可行的是化学法中的羟甲基脲法和包被法。Galo等（2003）研究表明，与全植物性蛋白质日粮相比，添加0.77%Optigen（折合0.75%的尿素）并没有影响高产奶牛的产奶量（35.6 kg/d vs.34.8 kg/d）。 而 Garrett等（2005）利用体外试验发现尿素产品可提高蛋白质合成效率14%，而Highstreet等（2009）试验表明与饲喂尿素相比，饲喂尿素产品虽然没有显著提高产奶量（46.7 kg vs.47.6 kg），但显著提高了乳脂产量和乳蛋白产量，遗憾的是其试验没有设全植物性蛋白对照组。包被尿素可以根据瘤胃微生物对氨气的需要进行控释，是一种较为理想的瘤胃降解蛋白来源。但到目前为止，包被尿素价格较为昂贵（尿素价格的5～10倍），妨碍了包被尿素的进一步推广应用。

5 瘤胃微生物对氨气营养需要量

最初研究认为瘤胃微生物只能利用氨气作为氮源，饲料蛋白质中的RDP首先在瘤胃内降解为氨气，然后再被整合为菌体蛋白，但关于满足微生物生长最大化的瘤胃氨气浓度的研究结果差异很大。Satter和Slyter（1974）利用持续培养装置研究发现维持瘤胃最佳发酵的氨态氮浓度为5 mg/100 mL。而Mehrez等（1977）利用尼龙袋方法研究发现满足营养物质最大消化率的氨态氮浓度约为20 mg/100 mL。Kang-Meznarich和 Broderick（1980）利用活体研究方法发现当瘤胃氨态氮浓度达8 mg/100 mL时瘤胃微生物生长速率最大。Schaefer等（1980）利用批次培养和持续培养的方法研究发现两种主要纤维分解菌达到最大生长速率（95%）时氨气所需浓度低于1 mg/100 mL。O-dle和Schaefer（1987）研究表明当瘤胃氨态氮浓度约为6.1 mg/100 mL时玉米的干物质消化率达到最大，而浓度为12.5 mg/100 mL时大麦的干物质消化率达到最大。后来的试验证实添加某些氨基酸或其前体物多肽可提高瘤胃微生物蛋白的合成效率和纤维的消化 （Carro和 Miller，1999；Jones，1998；Griswold 等，1996；Merry 等，1990）。尽管许多学者提出人工合成的氨基酸和肽类能刺激微生物蛋白的合成，但关于氨气、人工合成氨基酸和肽类对瘤胃微生物蛋白的合成的贡献率还存在争议，氨气对微生物蛋白的贡献率从18%～100%不等。肽类和氨基酸可以刺激瘤胃微生物的生长（Cruz Soto等，1994），但不同的瘤胃微生物菌群对肽类的反应不一致（Ling和Armstead，1995）。美国康乃尔大学的净碳水化合物净蛋白质体系 （Cornell Net Carbohydrate and Protein System，简称CNCPS）中将细菌分为分解结构性碳水化合物的菌群和分解非结构性碳水化合物的菌群，并认为分解结构性碳水化合物的菌群仅能利用氨气作为氮源底物，而分解非结构性碳水化合物的微生物可以利用氨气，氨基酸和肽类作为碳源（Russell等，1992）。但后来的研究发现前者也可以利用氨基酸和肽类作为氮源（Griswold等，1996）。尽管CNCPS对菌群的划分过于简单而且对不同菌群氮素营养需要还没有很好地界定，但该体系将饲料粗蛋白质根据瘤胃降解速率进行了详细的划分，并考虑了饲料中的NPN含量。该体系是一个动态的营养模型，其瘤胃发酵子模型可提供瘤胃氨气供应情况，为是否应该添加NPN提供参考。

6 小结与展望

由于试验方法的不同和基础日粮条件等多方面影响，过去的几十年间关于NPN的利用研究存在争议和矛盾。但有一点可以肯定，NPN实质上是为反刍动物瘤胃微生物提供氨态氮，其主要问题是氨气释放过快。现有的研究表明，只要能实现对NPN氨气释放速率控制，NPN应用于高产动物（主要是奶牛）是可行的。但到目前为止对影响瘤胃微生物合成的因素和不同瘤胃微生物菌群的氨态氮营养需要模式，特别是其动态需要模式尚不清楚，影响了反刍动物对NPN的有效利用。因此应该加强关于不同微生物菌群的氮素动态营养需要模式的研究，以进一步提高NPN的利用效率。

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