飼用緩釋包被尿素的質(zhì)量評價

田錦秀， 鄭 楠， 王加啟， 郭藝璇， 趙圣國

（1.青島農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，山東 青島 266109；2.中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193）

飼料蛋白質(zhì)在反芻動物營養(yǎng)中起著重要作用， 為瘤胃中微生物蛋白質(zhì)的生產(chǎn)提供氨基酸和氮源 （Guo 等，2022）。 2021 年大豆進口量為9651.8 萬t，而大豆產(chǎn)量僅為1640 萬t，這表明大豆的進口依賴度高達85.5%。 為解決對進口大豆的深度依賴，減量替代、尋找新型蛋白質(zhì)飼料資源成為目前畜禽飼料發(fā)展中亟需解決的重要問題。2021 年3 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定《飼料中玉米豆粕減量替代工作方案》，2022 年9 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部部署全面推進豆粕減量替代行動， 要求充分挖掘利用現(xiàn)有飼料資源，促進養(yǎng)殖業(yè)節(jié)糧降耗，保障國家糧食安全。 因此， 豆粕減量替代是國家的重大需求，也是反芻動物養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重中之重。

反芻動物瘤胃具有強大的發(fā)酵功能， 瘤胃內(nèi)存在復雜的生物群落。 尿素是重要的非蛋白氮飼料，應用于反芻動物可替代20% ～30%的蛋白質(zhì)飼料（Kertz 等，2010）。反芻動物飼用尿素后，瘤胃內(nèi)尿素可被微生物迅速分解為氨， 并在飼喂后的1 ～4 h 瘤胃氨和血漿尿素達到峰值， 瘤胃內(nèi)的微生物利用生成的氨和碳水化合物最終合成微生物蛋白。 尿素除了能節(jié)省蛋白飼料，還能促進瘤胃纖維分解菌等微生物生長、調(diào)控瘤胃氨氮水平、促進菌體蛋白的合成（Pacheco，2021），并且釋放日糧配制空間。 歐洲食品安全局2012 年研究報告表明，飼料中添加1%尿素（DM 為基礎）對動物而言是安全的，不會產(chǎn)生不利影響。 尿素是理想的反芻動物飼用氮源 （劉力和袁巧靈，2003），在替代豆粕、降低飼料成本、促進微生物蛋白合成方面不可或缺。

由于瘤胃中脲酶的作用， 進入瘤胃的尿素被迅速分解成氨， 此時能量的供應往往達不到氨的生成速度，能氮不匹配、氮利用率降低，導致大量氮沒有被充分利用就排出體外而污染環(huán)境。另外，生成大量氨也會被瘤胃壁吸收， 經(jīng)門靜脈進入肝臟， 導致血氨升高 （石澤，2017；Cherdthong 等，2011）。因此，緩釋包被尿素是降低尿素分解速度，促進能氮平衡，提高氮利用率的重要飼料。

目前， 緩釋包被尿素的評價多為實際生產(chǎn)中應用效果的評價，通過飼養(yǎng)試驗、人工瘤胃或者體外發(fā)酵的方法對泌乳奶牛生產(chǎn)性能 （Grossi 等，2021）、瘤胃發(fā)酵（Guo 等，2022；王里彥等，2022）、氮代謝 （鄧麗青，2011；Taylor-Edwards 等，2009）方面評估，缺乏對產(chǎn)品本身的質(zhì)量評價，生產(chǎn)廠家企業(yè)無法快速的評估尿素釋放效果和產(chǎn)品質(zhì)量，容易形成魚龍混雜的產(chǎn)品亂象， 進而影響飼用緩釋包被尿素產(chǎn)品高質(zhì)量發(fā)展， 也會影響尿素使用效果和養(yǎng)殖效益。因此，本文旨在開發(fā)飼料用緩釋尿素產(chǎn)品的質(zhì)量評價方法， 建立產(chǎn)品質(zhì)量評價體系，為規(guī)范緩釋尿素產(chǎn)品的質(zhì)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 收集我國常見飼用緩釋包被尿素產(chǎn)品11 種，其中有5 個產(chǎn)品分兩個批次，共計檢測了16 個樣品。

1.2 試驗儀器 掃描電子顯微鏡（日立S4800，日立科學儀器公司）；FTIR（FTIR-650，天津港東科技發(fā)展股份有限公司）；物性測試儀（TA.XT PlusC，英國Stable Micro Systems 公司）；BET（Quantachrome Instruments version 3.01，康塔公司）。

1.3 表型評價

1.3.1 顏色氣味 適量樣品置于清潔、 干燥的器皿中，以純色為背景，在自然光線下觀察其色澤和外形，并嗅其味。

1.3.2 粒度分析 四分法取樣， 將100 粒樣品置于清潔、干燥的器皿中，于同一角度、黑色背景下拍照。 照片用image j 軟件進行粒度大小分析。

取100 g 緩釋包被尿素依次通過8 目、20 目標準試驗篩，8 目上留存樣品中挑選結(jié)塊顆粒備用，20 目下均為顆粒碎屑。 收集結(jié)塊、正常、碎屑的包被緩釋尿素5 g，測定0、1、2、4、8、12、24 h 的尿素釋放率。

1.3.3 包被材料 10 g 樣品經(jīng)研缽磨碎， 放入1000 mL 燒杯中加700 mL 水充分溶解， 紗布濾過，收集包被層。溶解期間換水五次，搖勻，保證尿素充分溶出，避免其對檢測的干擾。將過濾得到的包被層置于50 ℃鼓風干燥機中烘干， 隨后進行FTIR 分析，分析包被材料成分。

1.3.4 平均抗壓碎力 利用機械動力對待測樣品施加一定壓力， 測定樣品崩解前所承受的最大力值。 本試驗采用物性測試儀（TA.XT PlusC）測定，利用柱形探頭的壓力， 測定包被緩釋尿素產(chǎn)品的抗壓碎力，每個樣品檢測不少于30 粒。

1.4 理化評價

1.4.1 水分含量 水分含量的測定按《飼料中水分的測定》（GB/T 6435）的規(guī)定進行。

1.4.2 尿素含量

1.4.2.1 酸性試劑的配制 于三角瓶中加100 mL蒸餾水， 慢慢加入44 mL 濃硫酸、66 mL 85%磷酸，混勻，冷至室溫，加入50 mg 氨基硫脲及2 g硫酸鎘，溶解后用蒸餾水稀釋至1 L。 置棕色瓶中于4 ℃保存。

1.4.2.2 二乙酰一肟溶液 （180 mmol/L）： 溶解18.2 g 二乙酰一肟于蒸餾水中并稀釋至1 L。置棕色瓶中于4 ℃保存。

1.4.2.3 尿素標準溶液（1 g/L）：精確稱取尿素0.1 g，溶解于蒸餾水并定容至100 mL，4 ℃保存1 周。

測定：準確稱取1 g 試樣（記錄詳細重量，以m表示），用研缽磨碎后加入40 mL 水，于65 ℃水浴充分溶解2 h。冷卻后，取1 mL 溶解后尿素溶液，用0.2 μm 一次性濾膜濾過，收集濾液，按表1 操作。

表1 粒度分析

加入上述試劑混勻后，置沸水浴中加熱12 min后取出，迅速置入20 ℃左右水中冷卻5 min。 利用分光光度計在540 nm 波長處測定吸光度值， 以濃度值為橫坐標、吸光度為縱坐標繪制標準曲線。 按以下公式進行結(jié)果計算：

式中：U為試樣尿素含量，%；U1為水中尿素含量，g/L；m為試樣質(zhì)量，g。

1.4.3 氮含量 準確稱取0.2 g 樣品于消化管中，加入10 mL 濃硫酸、6 g 催化劑，放上彎管漏斗， 消化爐上400 ℃消煮至溶液變成澄清透明，冷卻后取出， 隨后將消化管置于全自動凱氏定氮儀上測定氮含量。

1.5 1 h 尿素釋放率 于500 mL 玻璃容器中，加入400 g 緩沖液[9.8 g 碳酸氫鈉、9.3 g 十二水合磷酸氫二鈉、0.47 g 氯化鈉、0.57 g 氯化鉀、0.04 g無水氯化鈣、0.12 g 七水合硫酸鎂充分溶解于1000 mL 蒸餾水，調(diào)節(jié)溶液pH 至（6.8±0.1）]，加蓋，39 ℃預熱0.5 h。 準確稱取5 g 試樣加入到預熱后的緩沖液中孵育1 h， 每20 min 上下顛倒一次。 用濾紙過濾，收集濾液，測定溶液中的尿素含量（按表1 操作）。 按以下公式進行結(jié)果計算：

式中：URR為尿素釋放率，%；U為試樣尿素含量，%；U2為孵育緩沖液中尿素含量，g/L；m為試樣質(zhì)量，g。

1.6 統(tǒng)計分析 試驗數(shù)據(jù)采用SAS 軟件統(tǒng)計分析，T 檢驗比較批次間差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 緩釋包被尿素飼料的表性評價

2.1.1 顏色氣味 通過對收集的產(chǎn)品進行外觀和性狀觀察，發(fā)現(xiàn)均呈現(xiàn)顆粒狀，顏色不固定，多為黃色、淡黃色、白色等，緩釋包被尿素的顏色多與包被材料有關(guān)。 產(chǎn)品均無明顯刺激性氣味， 如果產(chǎn)品中尿素被分解成氨，會產(chǎn)生刺激性氣味，因此通過氣味可以判斷尿素是否已經(jīng)被分解。此外，部分樣品出現(xiàn)結(jié)塊、碎屑現(xiàn)象（圖1）。 為了分析不同形態(tài)緩釋包被尿素產(chǎn)品對尿素釋放率是否存在影響，選擇正常、結(jié)塊、碎屑狀的產(chǎn)品，測定其在瘤胃模擬緩沖液中1、2、4、8、12、24 h 的釋放率， 測定結(jié)果見圖2。 圖中結(jié)塊和碎屑產(chǎn)品的尿素釋放率顯著高于正常產(chǎn)品， 說明產(chǎn)品形態(tài)會對尿素緩釋產(chǎn)生影響。因此，生產(chǎn)品控方面要嚴格把控出廠質(zhì)量，盡量避免結(jié)塊、碎屑現(xiàn)象的出現(xiàn)，防止影響產(chǎn)品緩釋效果。

圖1 正常、結(jié)塊、碎屑狀緩釋包被尿素產(chǎn)品

圖2 正常、結(jié)塊、碎屑狀包被尿素的體外尿素釋放率

2.1.2 粒度 表1 為所有測定緩釋包被尿素產(chǎn)品的粒度分析，粒度最小值為1.062 mm，最大值為3.894 mm，平均粒度為2.107 mm，有75%的樣品粒度大于1.88 mm。 由產(chǎn)品的粒度分布可知 （圖3）， 不同產(chǎn)品間粒度相差不大， 平均值多分布在1.5 ～2.5 mm， 而產(chǎn)品內(nèi)粒度變異系數(shù)較大 （圖4），多分布在10% ～17%，說明產(chǎn)品內(nèi)均一性不好，粒度不均勻。 另外，為了探究生產(chǎn)批次是否會對產(chǎn)品粒度產(chǎn)生影響， 比較了4 種緩釋包被尿素產(chǎn)品不同批次的粒度差異，結(jié)果如圖5 顯示，產(chǎn)品1、 產(chǎn)品3、 產(chǎn)品4 不同批次粒度差異顯著 （P＜0.0001），產(chǎn)品2 差異不顯著，不同批次會對緩釋包被尿素的粒度產(chǎn)生一定影響。

表1 測定體系mL

圖3 產(chǎn)品粒度分布情況

圖5 不同批次粒度比較

2.1.3 包被層成分 圖6 顯示， 樣品A-J 均在2917 cm-1處出現(xiàn)-CH 的反對稱伸縮振動峰，在2850 cm-1波長處出現(xiàn)-CH 的對稱伸縮振動峰，波長1141 cm-1處出現(xiàn)COO 的伸縮振動峰。 對比棕櫚酸譜圖，并沒有生成新的特征峰，也沒有發(fā)生峰位的偏移，基本與棕櫚酸譜圖一致，因此可推斷樣品A-J 包被層的成分均主要為棕櫚酸。

2.1.4 平均抗壓碎力 瘤胃是一個不斷蠕動的器官，蠕動時飼料間會相互擠壓、摩擦，所以擠壓力會影響包被尿素的完整性。 平均抗壓碎力是反映顆?？箟核槟芰Φ囊粋€指標。如表2 所示，樣品最小抗壓碎力4.33 N，最大抗壓碎力13.47 N，平均抗壓碎力9.81 N， 有75%的產(chǎn)品抗壓碎力大于8.24 N，產(chǎn)品變異系數(shù)較大，說明產(chǎn)品間平均抗壓碎力均勻性較差。

表2 平均抗壓碎力

2.2 緩釋包被尿素的理化評價 理化評價包括對緩釋包被尿素水分含量、氮含量、尿素含量、1 h尿素釋放率等理化指標的評價，除1 h 尿素釋放率外，其余理化指標通常要求在產(chǎn)品標簽上標注。測定的產(chǎn)品中水分含量較低， 含量分布在0.12% ～0.70%，符合其在對應產(chǎn)品標簽中標注的含量。 測定尿素含量最小值73.37%，最大值96.73%，平均尿素含量87.93%，有75%的產(chǎn)品尿素含量不低于87.37%。 測得最小氮含量34.24%， 最大氮含量45.14%，平均產(chǎn)品氮含量41.03%，有75%的產(chǎn)品氮含量大于40.77%，尿素含量和氮含量與包被緩釋尿素的膜材配比有關(guān)。 尿素釋放率是評價緩釋包被尿素產(chǎn)品的核心指標， 本試驗使用緩沖液測定緩釋包被尿素的釋放效率。 測定的16 個樣品中，1 h 尿素釋放率最小值為2.85%， 最大值為60.94%，平均數(shù)為29.16%，有75%的樣品1 h 尿素釋放速率小于38.62%（表3）。

3 討論

市面上的緩釋包被尿素顏色大都為淡黃色、白色等等，顏色主要與包被材料有關(guān)。 緩釋包被尿素顆粒的均勻性會影響尿素緩釋效果， 碎屑可能是由于生產(chǎn)中擠壓、 外力等因素致使顆粒破碎，暴露尿素內(nèi)芯，釋放率加快。 結(jié)塊的原因多出現(xiàn)在生產(chǎn)過程中，黃迪菲（2015）分析了幾種因素對于包膜尿素結(jié)塊率的影響， 若霧化壓力太大、包衣鍋的轉(zhuǎn)速太低、片床溫度過低均會導致物料黏連，出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象。本試驗中，收集到的緩釋包被尿素顆粒粒度多分布在1.5 ～2.5 mm，粒度多與包被材料所占緩釋尿素比重有關(guān)，沈秀麗等（2020）證明，隨著包被層數(shù)增加，粒徑隨之增大。 郜玉鋼等（1999）用尼龍袋測定不同粒徑的糊化淀粉尿素對瘤胃內(nèi)降解率的影響，結(jié)果所示，2 mm 以下時不同粒徑糊化淀粉尿素的瘤胃降解率并無顯著性差異， 但對粒度大于2 mm時并未進一步研究。 另外，緩釋包被尿素的粒度變異系數(shù)較大、不同批次間粒度差異顯著（P＜0.0001）， 均證明在實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)品均一性差，容易導致實際應用時的緩釋效果不穩(wěn)定，因此廠家的品控部門還應嚴格把控出廠質(zhì)量，確保產(chǎn)品的均勻性，保障尿素緩釋效果。

尿素作為一種反芻動物能利用的非蛋白氮，可代替豆粕用于補充飼料蛋白。 但尿素應用也有許多弊端，比如氨味嚴重、適口性差、瘤胃內(nèi)水解速度快、容易導致機體氨中毒、氮利用率低、造成環(huán)境污染等。 因此，尿素顆粒添加合適的包材，既能改善適口性、促進能氮同步，從而更好的促進微生物蛋白的生成，也能減少反芻動物的氮排放，減輕對環(huán)境的負面影響。棕櫚油是棕櫚果壓榨而成，常溫下為半固態(tài)，富含棕櫚酸和油酸。本試驗收集到的緩釋包被尿素包被材料FTIR 均為棕櫚酸。棕櫚酸具有良好的瘤胃穩(wěn)定性，并且價廉易得，因此是市面上常用的包被材料。氫化油脂、高分子聚合物、黏土礦物、樹脂蠟脂也是常用的緩釋尿素包被材料（田錦秀等，2021）。氫化植物油是在一定的溫度和壓力下植物油加氫催化，改變其原有性質(zhì)，使不飽和脂肪酸分子中的雙鍵與氫原子結(jié)合成為不飽和程度較低的脂肪酸， 提高熔點和硬度（李慧，2013）。 程雙剛（2021）利用氫化油脂和棕櫚油作為壁材， 通過熔融分散-冷卻法制備尿素微膠囊產(chǎn)品， 結(jié)果顯示尿素經(jīng)過氫化油脂和棕櫚油包被處理后，在前1 ～2 h 會出現(xiàn)一個突釋現(xiàn)象，而隨后會穩(wěn)定緩慢釋放，具有一定的尿素緩釋效果。高分子聚合物壁材主要包括纖維素、 淀粉等。Zhang（2020）制備雙層緩釋包被尿素，壁材內(nèi)層為乙基纖維素，外層為磷酸鹽改性的淀粉，與純尿素相比，雙層包被尿素具有良好的緩釋性能，在水中12 h 的釋放率為40.9%。

緩釋包被尿素的抗壓碎力的是一個重要的表型評價指標， 是判斷顆?？箟核槟芰Φ囊环N度量。 生產(chǎn)運輸過程中尿素顆粒間由于接觸緊、摩擦多， 容易破碎， 只有達到一定的顆粒強度后，才能滿足尿素包膜工藝貯藏、運輸要求（孟慶羽，2020）。 另外，由于瘤胃是一個不斷運動的中空器官，飼料食糜的擠壓、瘤胃的收縮都有可能致使緩釋包被尿素的破碎， 從而暴露尿素內(nèi)芯，無法達到預想的尿素緩釋效果。 為進一步驗證產(chǎn)品平均抗壓碎力對尿素釋放率的影響，本試驗分析了產(chǎn)品平均抗壓碎力與體內(nèi)瘤胃1 h尿素釋放率的關(guān)系， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著平均抗壓碎力的增加，體內(nèi)1h 尿素釋放率減小，兩者呈反比關(guān)系。 這表明抗壓碎力是影響產(chǎn)品在瘤胃中緩釋能力的重要因素。

緩釋包被尿素產(chǎn)品的產(chǎn)品標簽和企業(yè)標準對水分含量的規(guī)定大都為≤2%， 本試驗測得的樣品水分含量均符合要求。 水分含量主要與工藝參數(shù)、設備和操作有關(guān)（何福偉，2014），溫度是水分含量變化的重要原因。 水分含量的高低也會直接影響顆粒抗壓碎力以及導致結(jié)塊現(xiàn)象的出現(xiàn)。 尿素含量、氮含量是緩釋包被尿素產(chǎn)品最重要的理化指標，本試驗中，有75%的樣品尿素含量和氮含量分別大于84.84%、40.12%。 尿素含量與氮含量可以在數(shù)值上相互轉(zhuǎn)化， 尿素含量可以反映出制備包被尿素的膜材比例，若尿素含量過高則包被膜材比重較低， 容易導致生產(chǎn)中產(chǎn)品的著膜率降低， 從而尿素緩釋效果減弱、易突釋。 反之，尿素含量過低代表著膜材過厚，則尿素釋放太慢。 因此，合適的尿素含量和氮含量是影響尿素釋放率的關(guān)鍵， 生產(chǎn)企業(yè)應根據(jù)實際需要選擇合適的膜材比例。

尿素釋放率是評價緩釋包被尿素產(chǎn)品的核心指標， 尼龍袋原位試驗是測定尿素釋放率實驗室常用且較為準確的方法， 但瘺管奶牛的可獲得性不具有普遍性， 對很多緩釋包被尿素生產(chǎn)企業(yè)來說， 體外溶液測定是最為簡便且低成本的方法。 Zhang（2020）用酯化改性淀粉和乙基纖維素包被尿素， 測定水中12 h 釋放率為40.9%。 Rahim （2021）制備的殼聚糖橡膠復合物包被尿素， 可在水中72 h 持續(xù)釋放。 張宇東（2019） 制備的環(huán)氧化大豆油多元醇氮肥水中7在溶出率僅為53.68% ～64.76%。 《中國藥典》9013 緩釋、控釋和遲釋制劑指導原則中指出，取樣時間點0.5 ～2 h，用于考察藥物是否有突釋。因此本試驗選擇1 h 尿素釋放率作為采樣時間點，用于判定緩釋包被尿素是否存在突釋現(xiàn)象。實測產(chǎn)品1 h 釋放率變異較大， 最小值僅為2.85%，此種產(chǎn)品釋放率過低，測定其尿素含量為73.37%， 證明這種產(chǎn)品因包被層過厚而致使尿素釋放率偏低， 在實際應用時這種產(chǎn)品很可能還沒有在瘤胃中充分釋放就進入后消化道造成浪費。 1 h 尿素釋放率最高為60.94%，此產(chǎn)品明顯存在突釋現(xiàn)象， 在瘤胃中1 h 內(nèi)就大量釋放，達不到應有的尿素緩釋效果。

4 結(jié)論

緩釋包被尿素產(chǎn)品良莠不齊，缺乏評價產(chǎn)品質(zhì)量的方法體系是當前緩釋尿素飼料的行業(yè)弊端。 緩釋包被尿素的評價方法可以從顏色氣味、粒度、包被材料、平均抗壓碎力進行表型評定，確保產(chǎn)品的質(zhì)量均一性，保證緩釋效果的穩(wěn)定。另外，產(chǎn)品水分含量、尿素含量、氮含量理化指標與尿素釋放率密切相關(guān)，1 h 釋放率可以較好的反映緩釋包被尿素是否存在突釋。 本文從表型、理化兩方面對緩釋包被尿素產(chǎn)品進行評價，但評估緩釋包被尿素的緩釋效果還應與瘤胃發(fā)酵、能氮同步結(jié)合，貼合實際生產(chǎn)應用，進一步完善緩釋包被尿素的綜合評價體系， 這將有助于規(guī)范緩釋包被尿素的產(chǎn)品質(zhì)量， 幫助更多新型緩釋包被尿素飼料的開發(fā)， 提高反芻動物的養(yǎng)殖效益。