非蛋白氮饲料添加剂

第十三章非蛋白氮饲料添加剂第一节概述一、非蛋白氮(NPN)饲用研究与开发的国内外进展对于动物养殖业来说，蛋白质饲料的质与量往往是成功与失败的关键因素，又就地球陆地作物看，—蛋白质高的作物又相当少，因而蛋白质营养倍受动物营养学家和牧场主的高度重视。人们发现并利用NPN作为反刍动物的蛋白替代物，是对畜牧业发展的重大贡献。反刍动物NPN饲料资源的开发利用研究工作远在19世纪就已经开始，1880年德国科学家在绵羊的基本饲料中首次加入了NPN化合物中的天门冬酰胺，结果提高了绵羊体内N的保留量，不久后指出，羊可利用NPN转化蛋白质。特别是诺贝尔奖获得者A.L.Virtanen1963年用不含天然蛋白质的合成日粮对高产奶牛所作的试验中，用尿素和铵盐作为日粮中氮的唯一来源，使高产奶牛仍能长时期维持高产水平。这一研究结果报道之后，震惊了畜牧科技界，很快使NPN的研究步入养牛业生产实用阶段。据报道，不久就使美国养牛业每年以尿素为主的NPN使用量达200kt以上，1970年达250kt，90年代猛增到每年1000kt之巨。前苏联和东欧各国在80年代末期，养牛业中NPN化合物的年使用量也大约有60多万吨。西欧和澳洲诸国NPN年养牛使用量也大约有500～600kt。非洲、日本、印度等国，供养牛业使用的NPN也有一定量的生产应用。NPN饲料资源被开发利用的途径和形式已日趋多样化、规模化和商品化。特别应指出的是，近几十年来除了研制出大量水解速度较慢的NPN化合物外，在尿素的缓解技术上作了大量工作，推出了诸如欧美的“Starea”、“GoldenPro”、“Tripl-F”、“GreenPro”、独联体的“ΑΚД”和“ΚΚ”，法国的“Uralpa”、南斯拉夫的“Skrobamid”等糊化淀粉尿素浓缩饲料。我国NPN的饲用研究开始于60年代，但作为国家攻关项目进行大规模系统研究还是90年代初才开始的，即国家“八五”科技攻关“85-16-03”号课题，笔者也是参与本课题的主要成员。本课题重点研究了以尿素为主要对象的NPN的降解缓解技术，秸秆为主的粗饲料的氨化处理技术，以及NPN饲料舔砖的加工制作技术。长期以来，我国在NPN饲料资源的开发利用方面，主要是用于秸秆的氨化处理。经氨化处理的秸秆，其粗蛋白质含量可提高1～2倍，有机物的消化率可提高20%～30%，动物采食量可提高15%～20%。所利用的氨源有农用氨水、碳铵、硫铵和尿素。北京农业工程大学还为了粗饲料氨化处理设计研制出了氨化炉。但目前各种氨化处理法的共同缺点是氮的损耗量较大，贮运和使用较为麻烦，因而应着力开发新的氨化处理法及相应的工艺设备。近十年来，我国在尿素饲料制品方面作了大量工作。但仍都处于研究试验阶段。虽然吉林、河北、四川、上海、北京、南京、广州、兰州等省市已先后研制出磷酸尿素、异亚丁基二脲、硬脂酸尿素、糖蜜尿素、玉米尿素等产品，但由于工艺路线落后、生产成本高、效益低等原因而未能投入批量生产和大规模应用阶段。二、反刍动物的瘤胃生态系统及其功能牛、羊、鹿、驼等反刍动物具有独特的以瘤胃为主的单细胞蛋白生产系统。瘤胃中寄宿着原虫与细菌等数量巨大、种类繁多、功能特殊的微生物。正是这些微生物，不仅能协助动物消化各种精粗饲料，合成蛋白质、氨基酸，多醣、维生素等，而且更重要的是，它还可以利用NPN(即非蛋白氮)合成饲料中容易缺乏而对动物生长和生产极为重要的蛋白质，人们称这种蛋白为SCP(即菌体蛋白或微生物蛋白)。SCP可以作为宿主的蛋白质饲料，保证反刍动物的生存、生长、繁殖和生产，为人类提供宝贵的肉、奶、皮、毛等畜产品。据报道，SCP这种蛋白的品质是相当高的，在动物体内的消化率达90%以上，其生物学价值达80%以上，尤其是第一限制性氨基酸——赖氨酸的含量高达8%～12%。在反刍动物瘤胃这种SCP生产系统中的微生物可分为细菌类和原虫类两大类群。细菌按其生理功能又分为10大类，即纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、糖分解菌、蛋白分解菌、脂肪分解菌、有机酸利用菌、维生素合成菌、产氨细菌和产甲烷细菌。原虫约有30余种，主要属纤毛虫纲(Ciliata)，少数种为鞭毛虫纲(Flagellata)，均为专性厌氧微生物。值得指出的是，这些微生物中35%以上具有氨解能力，但原虫类除外。这对反刍动物利用NPN(尤其是对在NPN中居于首位的尿素)具有特殊意义，这类细菌能够形成脲酶，由脲酶再进一步把尿素分解成氨，进而被其他微生物同化利用，合成菌体蛋白。被人们已发现的能形成脲酶的细菌有Probionobacteriums、BacteroidesSpec.、RuminococcusSpec.、StreptococcusSpec.、Lactobacillus、Selemonasruminantium等。不同细菌所形成的尿酶，其活性也不尽相同。有的微生物脲酶活性还受环境中NH3和尿素的浓度所左右。例如：Selemonasruminantium脲酶当环境中NH3和尿素浓度过大时明显受到抑制。但总的说，瘤胃中氨解能力是很强的。瘤胃微生物的氮代谢特点是，既可把饲料中的蛋白质分解为NPN，也能够利用饲料的NPN合成蛋白质，就这种蛋白质的分解和合成来说，在瘤胃中是可逆的，而且总趋势是合成大于分解。据Satter和Roffles(1976年)研究，反刍动物瘤胃氮代谢定量模式如图13-1所示。由图13-1可以看出，反刍动物食人的日粮粗蛋白中只有30%直接变成了可代谢蛋白，70%在瘤胃中经瘤胃微生物的降解和代谢，通过NPN形式其中80%最后变成单细胞蛋白，单细胞蛋白中又有80%变成可代谢蛋白，占可代谢蛋白形成总量的60%。由此可见，反刍动物对日粮蛋白的需要量中，可以用一定量的NPN满足。三、NPN的概念及其分类广义地说，NPN(英文名称为NonproteinNitrogen．NPN即其缩写，俄语缩写名为CAB，即人工合成含氮物质)应包括所有非蛋白质状态的含氮化合物。从化学角度看，既包括含氮的杂环化合物之类的有机化合物，也包括含氮的金属氮化物之类的无机化合物；从动物营养学角度看，既包括对所有动物具有营养学价值的肽类和氨基酸类含氮化合物，也包括只对反刍动物有一定营养学价值，但对其他动物没有营养学价值的含氮化合物。本文所指NPN的概念即那些只对反刍动物有一定营养学价值，而对其他动物投有营养学价值的各种含氮化合物。这些含氮化合物有着共同的特性，就是在反刍动物的瘤胃内可以被一些瘤胃微生物分解成NH3，又被动物瘤胃内的另一些微生物同化利用合成菌体蛋白，再进一步变成可代谢蛋白，在真胃(也叫皱胃)和肠道中被动物消化吸收利用，用于维持动物的生命、生长和生产。这类非蛋白氮物质被用来进行反刍动物饲料添加剂(或补充物)的应用研究已大约有120多年历史。从50年代起已进人实用阶段。迄今为止，凡研究所使用过的这类NPN物质大体有三大类30余种化合物，即：1.尿素及其衍生物。如：尿素、缩二脲、缩三脲、亚异丁基二脲、硬脂酸尿素、甲醛尿素、糠醛尿素、葡糖基尿素、羟甲基尿素、磷酸尿素、硝酸尿素、叶酸尿素、碳铵尿素、棕榈酸尿素、硫铵尿素、双糖基尿素等。2.氨及铵盐。如：液氨、农用氨水、磷酸铵，硫酸铵、氯化铵、过氯酸铵、甲酸铵、乙酸铵、丙酸铵、硝酸铵、聚磷酸铵、乳酸铵、氰酸铵、氨基甲酸铵、碳酸氢铵、木质素磺酸铵等。3.酰胺化合物。此处系指尿素(也叫碳酰胺)以外的酰胺类化合物，如：谷酰胺、天门冬酰胺、双氰胺、蜜胺(三聚氰酰胺)等。不难看出，这些化合物(特别是前两类)水解后都可产生氨或离子铵。因而可作为反刍动物的NPN饲料资源，充作反刍动物蛋白质饲料的替代物。但就其有效性和经济可行性看，排到首位的是尿素。因而，目前在世界范围，作为反刍动物NPN饲料资源开发利用的主要对象是尿素。以美国为例，作为饲料资源所利用的1000kt的NPN化合物中，大约80%以上为尿素。尿素具有很高的蛋白当量，其纯品的理论蛋白当量高达292％(尿素含氮量46.6%×蛋白换算系数6.25而得)，而天然蛋白饲料中含蛋白最高的鱼粉也不过含蛋白质60%左右，豆饼的蛋白含量45%～50%。也即1份尿素的蛋白当量相当于5份鱼粉或6～7份豆粕的蛋白含量。又据报道，1份尿素加入7份玉米，其蛋白和能量的价值约等于8份豆饼的蛋白和能量。由此可见尿素作为NPN饲料资源是非常有前途的。四、尿素的某些理化特性及其应用由以上所述，可以看出，尿素为反刍动物NPN饲料资源中的代表，对其理化特性的深刻认识将助于人们在反刍动物NPN饲料资源开发中对尿素进行更好的利用。尿素，又叫碳酰二胺，分子式为(NH2)2CO，相对分子质量60.06，1828年就被德国人首先合成。其生产过程为，在合成氨的基础上，进一步在高温高压条件下与CO2作用生成氨基甲酸铵，然后脱水即成尿素。其反应式为:2NH3+CO2→NH2COONH4(氨基甲酸铵)NH2COONH4→(NH2)2CO+H2O美国和前苏联等饲用尿素数量很大的国家，生产的尿素均分为饲料级尿素和肥料级尿素。两种尿素不同之处主要是饲用者要求颗粒较小。尿素具有很强的吸湿性和水溶性。尿素颗粒在100%的相对湿度的空气中24h即可完全吸湿潮解为水溶液。散装尿素在生产出厂半月后即发生粘结，潮湿地方生产出厂一个月后，粘结率即达40%～50%，一年内可达90%～95%。因而在尿素用于饲料生产时，首先要解决保存期的粘结问题。为此，我们研究发明了一种JHP抗粘结剂，已有效地解决了这个问题。尿素在水中的溶解度是很高的，且随着温度的提高而提高。据测定，在20℃以下，尿素的饱和溶液中可溶解尿素52%，50℃时，升高为72%，120℃时达到95%。利用这一理论，可使用普通挤压机生产出合格的含尿素淀粉糊化产品。随着潮解的发生，尿素水解即发生，水解后产生NH3和CO2。在反刍动物饲养中，为了提高尿素氮的有效利用和防止动物NH3中毒，就要千方百计地延缓尿素的水解过程，即所谓的尿素降解缓释技术。这些技术大致有：(1)利用疏水性物质对尿素进行包衣化处理；(2)利用某些能抑制脲酶活性的物质；(3)尿素糊化缓释技术。尿素可以和某些矿物酸或有机酸物质发生络合反应形成新的物质——尿素络合物。这些新形成的尿素络合物一般较难溶于水。利用这一特性可以使尿素解降过程延缓。例如尿素与硝酸、磷酸、叶酸等均可发生此反应。尤其是磷酸尿素，含有动物营养所需要的氮和磷两种元素，我国生产的“牛羊乐”、芬兰Somex公司生产的Somex盐就是这种产品。尿素还可以同碳铵发生络合反应生成碳铵尿素，既可作肥料，也可作湿饲料的保存剂，或用来加工和氮化粗饲料。尿素也可同高级脂肪酸，高级醇和酯作用生成管状络合物饲料添加剂。尿素同醛类可发生缩合反应。这一反应中尿素分子中的氨基与醛类分子中的醛基可互相结合并脱水而形成新产物，可作饲料添加剂。如：在碱性环境下尿素同甲醛作用生成羟甲基尿素(或称甲醇尿素)，进一步作用则产生二羟甲基尿素(或称二甲醇尿素)。后者比前者具有更高的缩聚性。前者含氮36%，蛋白当量为225%，可作为反刍动物的饲料添加剂。我国江苏吴县已有生产。在酸性环境下，尿素和异丁醛发生反应生成亚异丁基二脲，这种物质由于吸湿性差，难溶于水，故可长期保存并能作为重要的NPN饲料添加剂。我国吉林已能生产。糠醛(C4H3O·CHO)同尿素共热生成糠醛尿素聚合物，其聚合度取决于反应条件、加热温度和成分配比。低聚合度糠醛尿素可作为动物的蛋白代用品或饲料添加剂。尿素同糖类(尤其是单糖和双糖)的聚合反应可生成糖基尿素。糖基尿素中在饲料生产上最有应用价值的是葡萄糖基尿素，因为它不仅有效地延缓了尿素在瘤胃中的氨解速度(据测定，如果把尿素和葡萄糖简单地混合后饲喂动物，尿素在瘤胃中只需60min就可100%水解，而含同样量尿素的葡萄糖尿素，则在48h才能完全水解吸收)，而且更有意义的是绝大多数禾谷类饲料及茎秆枝叶均可加酸水解为葡萄糖。在此基础上，再加入尿素进行恒温反应，即可生产出具有很高饲用价值的粗制葡萄糖尿素。尿素在密封高温下加热可以缩合成缩二脲和缩三脲，此物质不仅较难溶于水，而且脲酶也难于分解，但可被部分瘤胃微