非蛋白氮在反芻動物中的應(yīng)用

東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 郗偉斌 張永根*

反芻動物養(yǎng)殖行業(yè)面臨愈來愈大的壓力，一方面飼料原料（特別是蛋白質(zhì)飼料）價(jià)格的上漲導(dǎo)致飼養(yǎng)成本的增加；另一方面還面臨著越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求，特別是氮、磷排放。飼喂非蛋白氮（NPN）可以降低反芻動物的飼養(yǎng)成本，但NPN在瘤胃降解速率快，使用不當(dāng)可造成血液中尿素氮升高，氮排放增加，甚至造成氨中毒和動物死亡。因此如何研制開發(fā)優(yōu)質(zhì)、高效的NPN產(chǎn)品，在降低飼養(yǎng)成本的同時(shí)降低或不增加氮的排放是反芻動物營養(yǎng)學(xué)家的重要課題。本文就幾十年來NPN在反芻動物利用的研究進(jìn)行綜述，以期找到提高NPN利用效率的有效途徑。

1 反芻動物NPN飼料的種類

反芻動物NPN飼料總體上可分為兩類：一種是氨及銨鹽，另一種是尿素及其衍生物。Belasco（1954）利用體外法對醋酸銨、碳酸氫銨、碳酸銨、乳酸銨、雙縮脲、二氰二銨、尿素、谷胺酰胺、甘氨酸等含氮化合物進(jìn)行了評估，其發(fā)現(xiàn)除了雙縮脲外其他測試的NPN均可被反芻動物有效利用，但沒有一種NPN的利用效率能超過尿素。加上價(jià)格低廉，因此尿素及其衍生物是研究最多，應(yīng)用最廣的NPN。本文中NPN除特殊說明外，其他均指尿素或其衍生物。

2 NPN過量的危害

2.1 降低采食量 當(dāng)精飼料中尿素含量達(dá)到1.5%～2.0%時(shí)會降低奶牛的干物質(zhì)采食量（Huber 等 ，1967；Van Horn 等 ，1967）。 Huber（1978）進(jìn)一步指出，當(dāng)尿素日攝入量不超過300 g時(shí)，采食量的降低可能來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謝的原因，這時(shí)可通過將尿素溶解于糖蜜來解決適口性問題。當(dāng)尿素日攝入量較高時(shí)（425～450 g/d或日糧中含量達(dá)到2.3%），無論是飼喂還是從瘤胃瘺管投入都會降低奶牛干物質(zhì)采食量，這時(shí)采食量下降的原因是代謝水平的。

2.2 降低氮素利用率，增加氮排放 脲酶普遍存在于瘤胃中，反芻動物食入的尿素立即降解，短時(shí)間內(nèi)釋放的大量氨氣超過了瘤胃微生物的利用能力，導(dǎo)致產(chǎn)生的部分氨氣不能及時(shí)利用而被吸收入血，在肝臟內(nèi)被轉(zhuǎn)化為尿素后部分經(jīng)腎臟排出，降低了非蛋白氮的利用效率，增加了氮素的排出，最終導(dǎo)致日增重和飼料轉(zhuǎn)化效率下降，飼養(yǎng)周期延長，經(jīng)濟(jì)效益下降。

2.3 氨中毒 尿素本身沒有毒性，但可以導(dǎo)致氨氣中毒。當(dāng)過量吸收的氨氣超過肝臟本身的解毒機(jī)能時(shí)，血液循環(huán)中的氨氣濃度將迅速上升，而大腦對氨氣非常敏感。中毒的癥狀包括不安，顫抖，流涎，心跳過速，共濟(jì)失調(diào)，脹氣和抽搐。這些癥狀出現(xiàn)的先后順序與以上列出的順序大體一致。尿素中毒時(shí)動物瘤胃pH也上升，當(dāng)血氨濃度上升到5 mg/100 mL時(shí)動物通常會死亡，此時(shí)瘤胃pH通常為8，瘤胃機(jī)能會喪失。精飼料飼喂水平可影響尿素中毒，當(dāng)日糧以粗飼料為主時(shí)，如果動物以前未飼喂過尿素，每千克體重采食0.3 g尿素即可導(dǎo)致氨中毒；但如果日糧中易發(fā)酵碳水化合物較高，而且動物以前飼喂過尿素，每千克體重采食1～2 g尿素也不會導(dǎo)致中毒。很多情況下尿素中毒是由于混合不均造成的。為了避免氨中毒，通常日糧中尿素的含量不要超過2%。

2.4 影響繁殖性能 盡管最初的研究沒有證明飼喂高水平尿素會導(dǎo)致奶牛繁殖力下降，但在20世紀(jì)六七十年代奶牛生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)飼喂高水平尿素時(shí)奶牛的繁殖力下降（Huber和Kung，1981）。 Erb等（1975）報(bào)道，飼喂高水平尿素（日糧干物質(zhì)2%）將導(dǎo)致青年母牛流產(chǎn)，但飼喂低水平尿素日糧（日糧干物質(zhì)1%）或豆粕日糧則未出現(xiàn)流產(chǎn)現(xiàn)象，但同一個(gè)試驗(yàn)中成年母牛飼喂高水平尿素卻沒有問題。另外該研究小組在試驗(yàn)中還觀察到飼喂高水平尿素導(dǎo)致青年母牛黃體較輕、較軟而且易碎，體外培養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)來自飼喂尿素的青年母牛的黃體產(chǎn)生的孕酮較少。但伊利諾斯州大學(xué)的研究人員在持續(xù)幾個(gè)泌乳期的研究中并沒有觀察到飼喂高水平尿素導(dǎo)致繁殖能力下降（Huber和Kung，1981）。這種爭議一直持續(xù)到20世紀(jì)80年代末期，越來越多的學(xué)者證明了牛奶尿素氮（MUN）含量和奶牛繁殖性能之間的關(guān)系（Sklan和 Tinsky，1993；Canfield 等，1990）。 有學(xué)者認(rèn)為，這種繁殖問題可能與生殖道內(nèi)氨水平和pH的上升有關(guān)（Elrod和Butler，1993）。 當(dāng)日糧中降解蛋白（包括非蛋白氮）過高時(shí)會導(dǎo)致瘤胃中氨氣不能被及時(shí)利用，過剩的氨氣將被吸收入血液，在肝臟內(nèi)被轉(zhuǎn)化為尿素。尿素是小分子，很快會在各種體液之間達(dá)到平衡。因此可以用牛奶尿素氮作為奶牛氮素利用情況及其對奶牛繁殖性能影響的一個(gè)指標(biāo)。

2.5 增加能量消耗，影響肝臟機(jī)能 肝臟將氨氣轉(zhuǎn)化為尿素是一個(gè)耗能的過程，每生成一分子的尿素將消耗3分子的ATP。CNCPS體系提出當(dāng)瘤胃氮平衡（rumen nitrogen balance，簡稱 RNB）大于內(nèi)源循環(huán)N時(shí)，尿素循環(huán)的能耗（Mcal）=[RNB（g/d）－循環(huán)尿素氮（g/d）＋過剩的可代謝蛋白氮（g/d）]×0.0073；當(dāng) RNB 小于內(nèi)源循環(huán) N 時(shí)尿素循環(huán)的能耗＝過剩的可代謝蛋白氮（g/d）×0.0073。另外Fernandez等（1990）研究表明亞臨床的氨中毒將導(dǎo)致葡萄糖代謝受損，如長期如此將影響飼喂NPN動物的生產(chǎn)性能。

3 影響NPN利用的因素

3.1 基礎(chǔ)日糧的可發(fā)酵能濃度 快速發(fā)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，因此可滿足微生物生長最大化的需要。Pearson和Smith（1943）發(fā)現(xiàn)，增加淀粉可有效提高尿素的利用效率，并且淀粉的效果優(yōu)于糖蜜和單糖。向高粗飼料日糧中添加谷物飼料或糖蜜可提高尿素的利用率，但向高谷物日糧中添加糖蜜卻不能提高尿素的利用率。

3.2 基礎(chǔ)日糧礦物質(zhì) 使用尿素替代天然蛋白將降低日糧中礦物質(zhì)元素的供應(yīng)，主要包括磷（P）、硫（S）和微量元素，要保證 N∶S 不要低于 15∶1。盡管從總量上看很少，但這部分礦物質(zhì)對微生物的合成是必須的。

3.3 尿素的飼喂頻率 從理論上講持續(xù)供應(yīng)尿素的效果優(yōu)于間斷性供應(yīng)尿素的效果，但Mizwicki等（1980）研究發(fā)現(xiàn)，無論是持續(xù)灌注尿素還是間斷性供應(yīng)尿素，包括一天一次性在一個(gè)小時(shí)內(nèi)灌注85 g尿素，對以低質(zhì)草為日糧的閹牛的生產(chǎn)性能沒有影響。但不管方式如何，灌注尿素可以提高干物質(zhì)消化率和氮滯留率5%。由于當(dāng)添加到舔磚時(shí)尿素可以少量多次攝入，Leng（1984）提出尿素糖蜜舔磚是反芻動物補(bǔ)充非蛋白氮的一種很好方式。

3.4 動物對飼喂尿素的適應(yīng)期 Schaadt等（1966）在一個(gè)為期72 d的代謝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，飼喂含尿素日糧的羔羊氮平衡隨著時(shí)間推移而得到改善。Caffrey等（1967）發(fā)現(xiàn)，如果接種的瘤胃液來自飼喂高水平尿素日糧（3.5%）綿羊，體外發(fā)酵時(shí)氨氣的吸收顯著增高。按照體外研究的結(jié)果推測瘤胃微生物對飼喂尿素的適應(yīng)可在飼喂后13 d完成，但活體研究表明，飼喂高水平尿素日糧時(shí)瘤胃微生物對氨氣的吸收在19 d后才達(dá)到最大。這種適應(yīng)與尿素循環(huán)無關(guān)。一般而言，當(dāng)飼喂高水平尿素日糧時(shí)（占到日糧總粗蛋白質(zhì)的50%）需要2～3個(gè)月的適應(yīng)期，當(dāng)尿素飼喂量在推薦量以下時(shí)，適應(yīng)期需2～6周。

3.5 NPN飼喂水平 由于生理狀態(tài)、營養(yǎng)需要及基礎(chǔ)日糧營養(yǎng)供應(yīng)等諸多因素的影響，很難確定在特定生產(chǎn)情況下的NPN的適宜添加量，但對于沒有緩釋的尿素較為安全推薦量是：育肥?；蛘哂恃蛉占Z中添加的NPN蛋白當(dāng)量最好不超過日糧總蛋白質(zhì)量的15%～25%，即每頭牛飼喂45～113 g，或是日糧的0.7%。干奶牛每天每頭牛最好不要超過23 g或者其蛋白質(zhì)當(dāng)量不能高于64 g。當(dāng)以粗飼料為主或日糧粗蛋白質(zhì)水平較低時(shí)，補(bǔ)充的尿素氮不要超過日糧氮的20%～33%，泌乳奶牛每天每頭最好不要超過23～46 g，或者63～127 g的蛋白質(zhì)當(dāng)量。對于體重低于200 kg的犢牛不要飼喂尿素。

3.6 異位酸 Mathison等（1994）提出理想的緩釋非蛋白氮應(yīng)該能夠提供支鏈脂肪酸，這是因?yàn)槿占Z真蛋白在發(fā)酵時(shí)可以提供部分支鏈脂肪酸，這部分支鏈脂肪酸主要來自于支鏈氨基酸（如纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸和脯氨酸）的分解，但反過來瘤胃微生物合成支鏈氨基酸時(shí)也需要支鏈脂肪酸，因此大量使用非蛋白氮時(shí)日糧中可能缺乏支鏈脂肪酸。大量研究表明，在某些情況下瘤胃微生物代謝可能由于支鏈脂肪酸的短缺而受到抑制。Andries等（1987）認(rèn)為，異位酸對生長期的反芻動物無效果，但在某些情況下可以刺激泌乳奶牛產(chǎn)奶。由于異位酸氣味比較強(qiáng)烈，給飼料加工帶來不方便，所以異位酸作為飼料添加劑已停止使用（Cheeke，1999）。

3.7 基礎(chǔ)日糧粗蛋白質(zhì)水平及蛋白質(zhì)的降解率

通常認(rèn)為向粗蛋白質(zhì)為8%～9%的基礎(chǔ)日糧中添加NPN將日糧粗蛋白質(zhì)含量提高到12%～13%是一種有效的NPN使用方法，但這樣的日糧粗蛋白質(zhì)水平僅僅適合于育肥牛和干奶牛。Roffler和 Satter（1975）認(rèn)為，當(dāng)奶?；A(chǔ)日糧中蛋白質(zhì)超過 12%時(shí)不適合補(bǔ)充 NPN；Huber和Kung（1981）認(rèn)為，當(dāng)日糧粗蛋白質(zhì)超過14%時(shí)才不宜添加NPN。Roffler和 Satter（1975）提出從產(chǎn)犢到產(chǎn)后14周由于奶牛日糧粗蛋白質(zhì)含量為16%，因此最好不要添加NPN，而在泌乳中后期可以添加NPN。關(guān)于高產(chǎn)奶牛（≥ 30 kg/d）日糧中是否適合添加NPN始終存在爭議，但愈來愈多的研究表明只要對NPN進(jìn)行緩釋處理并且適當(dāng)平衡日糧，高產(chǎn)奶牛日糧也可使用NPN（Highstreet等，2009；Garrett等，2005）。日糧蛋白質(zhì)的瘤胃降解率影響添加NPN的效果，基礎(chǔ)日糧如使用了NPN含量較高的飼料，如粗蛋白質(zhì)50%為NPN的青貯飼料，將降低添加NPN的效果。

4 改善反芻動物對NPN利用的途徑

通過改善以上影響反芻動物NPN利用的因素可以改善反芻動物對NPN的利用。但最基本的方法是對NPN進(jìn)行緩（控）釋。NPN（主要指尿素）的緩釋方法主要有物理法、化學(xué)法、抑制脲酶活性法和包被法。筆者認(rèn)為最為可行的是化學(xué)法中的羥甲基脲法和包被法。Galo等（2003）研究表明，與全植物性蛋白質(zhì)日糧相比，添加0.77%Optigen（折合0.75%的尿素）并沒有影響高產(chǎn)奶牛的產(chǎn)奶量（35.6 kg/d vs.34.8 kg/d）。 而 Garrett等（2005）利用體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)尿素產(chǎn)品可提高蛋白質(zhì)合成效率14%，而Highstreet等（2009）試驗(yàn)表明與飼喂尿素相比，飼喂尿素產(chǎn)品雖然沒有顯著提高產(chǎn)奶量（46.7 kg vs.47.6 kg），但顯著提高了乳脂產(chǎn)量和乳蛋白產(chǎn)量，遺憾的是其試驗(yàn)沒有設(shè)全植物性蛋白對照組。包被尿素可以根據(jù)瘤胃微生物對氨氣的需要進(jìn)行控釋，是一種較為理想的瘤胃降解蛋白來源。但到目前為止，包被尿素價(jià)格較為昂貴（尿素價(jià)格的5～10倍），妨礙了包被尿素的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

5 瘤胃微生物對氨氣營養(yǎng)需要量

最初研究認(rèn)為瘤胃微生物只能利用氨氣作為氮源，飼料蛋白質(zhì)中的RDP首先在瘤胃內(nèi)降解為氨氣，然后再被整合為菌體蛋白，但關(guān)于滿足微生物生長最大化的瘤胃氨氣濃度的研究結(jié)果差異很大。Satter和Slyter（1974）利用持續(xù)培養(yǎng)裝置研究發(fā)現(xiàn)維持瘤胃最佳發(fā)酵的氨態(tài)氮濃度為5 mg/100 mL。而Mehrez等（1977）利用尼龍袋方法研究發(fā)現(xiàn)滿足營養(yǎng)物質(zhì)最大消化率的氨態(tài)氮濃度約為20 mg/100 mL。Kang-Meznarich和 Broderick（1980）利用活體研究方法發(fā)現(xiàn)當(dāng)瘤胃氨態(tài)氮濃度達(dá)8 mg/100 mL時(shí)瘤胃微生物生長速率最大。Schaefer等（1980）利用批次培養(yǎng)和持續(xù)培養(yǎng)的方法研究發(fā)現(xiàn)兩種主要纖維分解菌達(dá)到最大生長速率（95%）時(shí)氨氣所需濃度低于1 mg/100 mL。O-dle和Schaefer（1987）研究表明當(dāng)瘤胃氨態(tài)氮濃度約為6.1 mg/100 mL時(shí)玉米的干物質(zhì)消化率達(dá)到最大，而濃度為12.5 mg/100 mL時(shí)大麥的干物質(zhì)消化率達(dá)到最大。后來的試驗(yàn)證實(shí)添加某些氨基酸或其前體物多肽可提高瘤胃微生物蛋白的合成效率和纖維的消化 （Carro和 Miller，1999；Jones，1998；Griswold 等，1996；Merry 等，1990）。盡管許多學(xué)者提出人工合成的氨基酸和肽類能刺激微生物蛋白的合成，但關(guān)于氨氣、人工合成氨基酸和肽類對瘤胃微生物蛋白的合成的貢獻(xiàn)率還存在爭議，氨氣對微生物蛋白的貢獻(xiàn)率從18%～100%不等。肽類和氨基酸可以刺激瘤胃微生物的生長（Cruz Soto等，1994），但不同的瘤胃微生物菌群對肽類的反應(yīng)不一致（Ling和Armstead，1995）。美國康乃爾大學(xué)的凈碳水化合物凈蛋白質(zhì)體系 （Cornell Net Carbohydrate and Protein System，簡稱CNCPS）中將細(xì)菌分為分解結(jié)構(gòu)性碳水化合物的菌群和分解非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的菌群，并認(rèn)為分解結(jié)構(gòu)性碳水化合物的菌群僅能利用氨氣作為氮源底物，而分解非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的微生物可以利用氨氣，氨基酸和肽類作為碳源（Russell等，1992）。但后來的研究發(fā)現(xiàn)前者也可以利用氨基酸和肽類作為氮源（Griswold等，1996）。盡管CNCPS對菌群的劃分過于簡單而且對不同菌群氮素營養(yǎng)需要還沒有很好地界定，但該體系將飼料粗蛋白質(zhì)根據(jù)瘤胃降解速率進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，并考慮了飼料中的NPN含量。該體系是一個(gè)動態(tài)的營養(yǎng)模型，其瘤胃發(fā)酵子模型可提供瘤胃氨氣供應(yīng)情況，為是否應(yīng)該添加NPN提供參考。

6 小結(jié)與展望

由于試驗(yàn)方法的不同和基礎(chǔ)日糧條件等多方面影響，過去的幾十年間關(guān)于NPN的利用研究存在爭議和矛盾。但有一點(diǎn)可以肯定，NPN實(shí)質(zhì)上是為反芻動物瘤胃微生物提供氨態(tài)氮，其主要問題是氨氣釋放過快?，F(xiàn)有的研究表明，只要能實(shí)現(xiàn)對NPN氨氣釋放速率控制，NPN應(yīng)用于高產(chǎn)動物（主要是奶牛）是可行的。但到目前為止對影響瘤胃微生物合成的因素和不同瘤胃微生物菌群的氨態(tài)氮營養(yǎng)需要模式，特別是其動態(tài)需要模式尚不清楚，影響了反芻動物對NPN的有效利用。因此應(yīng)該加強(qiáng)關(guān)于不同微生物菌群的氮素動態(tài)營養(yǎng)需要模式的研究，以進(jìn)一步提高NPN的利用效率。

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