饲用缓释包被尿素的质量评价

田锦秀， 郑 楠， 王加启， 郭艺璇， 赵圣国

（1.青岛农业大学动物科技学院，山东 青岛 266109；2.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

饲料蛋白质在反刍动物营养中起着重要作用， 为瘤胃中微生物蛋白质的生产提供氨基酸和氮源 （Guo 等，2022）。 2021 年大豆进口量为9651.8 万t，而大豆产量仅为1640 万t，这表明大豆的进口依赖度高达85.5%。 为解决对进口大豆的深度依赖，减量替代、寻找新型蛋白质饲料资源成为目前畜禽饲料发展中亟需解决的重要问题。2021 年3 月，农业农村部制定《饲料中玉米豆粕减量替代工作方案》，2022 年9 月，农业农村部部署全面推进豆粕减量替代行动， 要求充分挖掘利用现有饲料资源，促进养殖业节粮降耗，保障国家粮食安全。 因此， 豆粕减量替代是国家的重大需求，也是反刍动物养殖业发展的重中之重。

反刍动物瘤胃具有强大的发酵功能， 瘤胃内存在复杂的生物群落。 尿素是重要的非蛋白氮饲料，应用于反刍动物可替代20% ～30%的蛋白质饲料（Kertz 等，2010）。反刍动物饲用尿素后，瘤胃内尿素可被微生物迅速分解为氨， 并在饲喂后的1 ～4 h 瘤胃氨和血浆尿素达到峰值， 瘤胃内的微生物利用生成的氨和碳水化合物最终合成微生物蛋白。 尿素除了能节省蛋白饲料，还能促进瘤胃纤维分解菌等微生物生长、调控瘤胃氨氮水平、促进菌体蛋白的合成（Pacheco，2021），并且释放日粮配制空间。 欧洲食品安全局2012 年研究报告表明，饲料中添加1%尿素（DM 为基础）对动物而言是安全的，不会产生不利影响。 尿素是理想的反刍动物饲用氮源 （刘力和袁巧灵，2003），在替代豆粕、降低饲料成本、促进微生物蛋白合成方面不可或缺。

由于瘤胃中脲酶的作用， 进入瘤胃的尿素被迅速分解成氨， 此时能量的供应往往达不到氨的生成速度，能氮不匹配、氮利用率降低，导致大量氮没有被充分利用就排出体外而污染环境。另外，生成大量氨也会被瘤胃壁吸收， 经门静脉进入肝脏， 导致血氨升高 （石泽，2017；Cherdthong 等，2011）。因此，缓释包被尿素是降低尿素分解速度，促进能氮平衡，提高氮利用率的重要饲料。

目前， 缓释包被尿素的评价多为实际生产中应用效果的评价，通过饲养试验、人工瘤胃或者体外发酵的方法对泌乳奶牛生产性能 （Grossi 等，2021）、瘤胃发酵（Guo 等，2022；王里彦等，2022）、氮代谢 （邓丽青，2011；Taylor-Edwards 等，2009）方面评估，缺乏对产品本身的质量评价，生产厂家企业无法快速的评估尿素释放效果和产品质量，容易形成鱼龙混杂的产品乱象， 进而影响饲用缓释包被尿素产品高质量发展， 也会影响尿素使用效果和养殖效益。因此，本文旨在开发饲料用缓释尿素产品的质量评价方法， 建立产品质量评价体系，为规范缓释尿素产品的质量提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料 收集我国常见饲用缓释包被尿素产品11 种，其中有5 个产品分两个批次，共计检测了16 个样品。

1.2 试验仪器 扫描电子显微镜（日立S4800，日立科学仪器公司）；FTIR（FTIR-650，天津港东科技发展股份有限公司）；物性测试仪（TA.XT PlusC，英国Stable Micro Systems 公司）；BET（Quantachrome Instruments version 3.01，康塔公司）。

1.3 表型评价

1.3.1 颜色气味 适量样品置于清洁、 干燥的器皿中，以纯色为背景，在自然光线下观察其色泽和外形，并嗅其味。

1.3.2 粒度分析 四分法取样， 将100 粒样品置于清洁、干燥的器皿中，于同一角度、黑色背景下拍照。 照片用image j 软件进行粒度大小分析。

取100 g 缓释包被尿素依次通过8 目、20 目标准试验筛，8 目上留存样品中挑选结块颗粒备用，20 目下均为颗粒碎屑。 收集结块、正常、碎屑的包被缓释尿素5 g，测定0、1、2、4、8、12、24 h 的尿素释放率。

1.3.3 包被材料 10 g 样品经研钵磨碎， 放入1000 mL 烧杯中加700 mL 水充分溶解， 纱布滤过，收集包被层。溶解期间换水五次，摇匀，保证尿素充分溶出，避免其对检测的干扰。将过滤得到的包被层置于50 ℃鼓风干燥机中烘干， 随后进行FTIR 分析，分析包被材料成分。

1.3.4 平均抗压碎力 利用机械动力对待测样品施加一定压力， 测定样品崩解前所承受的最大力值。 本试验采用物性测试仪（TA.XT PlusC）测定，利用柱形探头的压力， 测定包被缓释尿素产品的抗压碎力，每个样品检测不少于30 粒。

1.4 理化评价

1.4.1 水分含量 水分含量的测定按《饲料中水分的测定》（GB/T 6435）的规定进行。

1.4.2 尿素含量

1.4.2.1 酸性试剂的配制 于三角瓶中加100 mL蒸馏水， 慢慢加入44 mL 浓硫酸、66 mL 85%磷酸，混匀，冷至室温，加入50 mg 氨基硫脲及2 g硫酸镉，溶解后用蒸馏水稀释至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 二乙酰一肟于蒸馏水中并稀释至1 L。置棕色瓶中于4 ℃保存。

1.4.2.3 尿素标准溶液（1 g/L）：精确称取尿素0.1 g，溶解于蒸馏水并定容至100 mL，4 ℃保存1 周。

测定：准确称取1 g 试样（记录详细重量，以m表示），用研钵磨碎后加入40 mL 水，于65 ℃水浴充分溶解2 h。冷却后，取1 mL 溶解后尿素溶液，用0.2 μm 一次性滤膜滤过，收集滤液，按表1 操作。

表1 粒度分析

加入上述试剂混匀后，置沸水浴中加热12 min后取出，迅速置入20 ℃左右水中冷却5 min。 利用分光光度计在540 nm 波长处测定吸光度值， 以浓度值为横坐标、吸光度为纵坐标绘制标准曲线。 按以下公式进行结果计算：

式中：U为试样尿素含量，%；U1为水中尿素含量，g/L；m为试样质量，g。

1.4.3 氮含量 准确称取0.2 g 样品于消化管中，加入10 mL 浓硫酸、6 g 催化剂，放上弯管漏斗， 消化炉上400 ℃消煮至溶液变成澄清透明，冷却后取出， 随后将消化管置于全自动凯氏定氮仪上测定氮含量。

1.5 1 h 尿素释放率 于500 mL 玻璃容器中，加入400 g 缓冲液[9.8 g 碳酸氢钠、9.3 g 十二水合磷酸氢二钠、0.47 g 氯化钠、0.57 g 氯化钾、0.04 g无水氯化钙、0.12 g 七水合硫酸镁充分溶解于1000 mL 蒸馏水，调节溶液pH 至（6.8±0.1）]，加盖，39 ℃预热0.5 h。 准确称取5 g 试样加入到预热后的缓冲液中孵育1 h， 每20 min 上下颠倒一次。 用滤纸过滤，收集滤液，测定溶液中的尿素含量（按表1 操作）。 按以下公式进行结果计算：

式中：URR为尿素释放率，%；U为试样尿素含量，%；U2为孵育缓冲液中尿素含量，g/L；m为试样质量，g。

1.6 统计分析 试验数据采用SAS 软件统计分析，T 检验比较批次间差异。

2 结果与分析

2.1 缓释包被尿素饲料的表性评价

2.1.1 颜色气味 通过对收集的产品进行外观和性状观察，发现均呈现颗粒状，颜色不固定，多为黄色、淡黄色、白色等，缓释包被尿素的颜色多与包被材料有关。 产品均无明显刺激性气味， 如果产品中尿素被分解成氨，会产生刺激性气味，因此通过气味可以判断尿素是否已经被分解。此外，部分样品出现结块、碎屑现象（图1）。 为了分析不同形态缓释包被尿素产品对尿素释放率是否存在影响，选择正常、结块、碎屑状的产品，测定其在瘤胃模拟缓冲液中1、2、4、8、12、24 h 的释放率， 测定结果见图2。 图中结块和碎屑产品的尿素释放率显著高于正常产品， 说明产品形态会对尿素缓释产生影响。因此，生产品控方面要严格把控出厂质量，尽量避免结块、碎屑现象的出现，防止影响产品缓释效果。

图1 正常、结块、碎屑状缓释包被尿素产品

图2 正常、结块、碎屑状包被尿素的体外尿素释放率

2.1.2 粒度 表1 为所有测定缓释包被尿素产品的粒度分析，粒度最小值为1.062 mm，最大值为3.894 mm，平均粒度为2.107 mm，有75%的样品粒度大于1.88 mm。 由产品的粒度分布可知 （图3）， 不同产品间粒度相差不大， 平均值多分布在1.5 ～2.5 mm， 而产品内粒度变异系数较大 （图4），多分布在10% ～17%，说明产品内均一性不好，粒度不均匀。 另外，为了探究生产批次是否会对产品粒度产生影响， 比较了4 种缓释包被尿素产品不同批次的粒度差异，结果如图5 显示，产品1、 产品3、 产品4 不同批次粒度差异显著 （P＜0.0001），产品2 差异不显著，不同批次会对缓释包被尿素的粒度产生一定影响。

表1 测定体系mL

图3 产品粒度分布情况

图5 不同批次粒度比较

2.1.3 包被层成分 图6 显示， 样品A-J 均在2917 cm-1处出现-CH 的反对称伸缩振动峰，在2850 cm-1波长处出现-CH 的对称伸缩振动峰，波长1141 cm-1处出现COO 的伸缩振动峰。 对比棕榈酸谱图，并没有生成新的特征峰，也没有发生峰位的偏移，基本与棕榈酸谱图一致，因此可推断样品A-J 包被层的成分均主要为棕榈酸。

2.1.4 平均抗压碎力 瘤胃是一个不断蠕动的器官，蠕动时饲料间会相互挤压、摩擦，所以挤压力会影响包被尿素的完整性。 平均抗压碎力是反映颗粒抗压碎能力的一个指标。如表2 所示，样品最小抗压碎力4.33 N，最大抗压碎力13.47 N，平均抗压碎力9.81 N， 有75%的产品抗压碎力大于8.24 N，产品变异系数较大，说明产品间平均抗压碎力均匀性较差。

表2 平均抗压碎力

2.2 缓释包被尿素的理化评价 理化评价包括对缓释包被尿素水分含量、氮含量、尿素含量、1 h尿素释放率等理化指标的评价，除1 h 尿素释放率外，其余理化指标通常要求在产品标签上标注。测定的产品中水分含量较低， 含量分布在0.12% ～0.70%，符合其在对应产品标签中标注的含量。 测定尿素含量最小值73.37%，最大值96.73%，平均尿素含量87.93%，有75%的产品尿素含量不低于87.37%。 测得最小氮含量34.24%， 最大氮含量45.14%，平均产品氮含量41.03%，有75%的产品氮含量大于40.77%，尿素含量和氮含量与包被缓释尿素的膜材配比有关。 尿素释放率是评价缓释包被尿素产品的核心指标， 本试验使用缓冲液测定缓释包被尿素的释放效率。 测定的16 个样品中，1 h 尿素释放率最小值为2.85%， 最大值为60.94%，平均数为29.16%，有75%的样品1 h 尿素释放速率小于38.62%（表3）。

3 讨论

市面上的缓释包被尿素颜色大都为淡黄色、白色等等，颜色主要与包被材料有关。 缓释包被尿素颗粒的均匀性会影响尿素缓释效果， 碎屑可能是由于生产中挤压、 外力等因素致使颗粒破碎，暴露尿素内芯，释放率加快。 结块的原因多出现在生产过程中，黄迪菲（2015）分析了几种因素对于包膜尿素结块率的影响， 若雾化压力太大、包衣锅的转速太低、片床温度过低均会导致物料黏连，出现结块现象。本试验中，收集到的缓释包被尿素颗粒粒度多分布在1.5 ～2.5 mm，粒度多与包被材料所占缓释尿素比重有关，沈秀丽等（2020）证明，随着包被层数增加，粒径随之增大。 郜玉钢等（1999）用尼龙袋测定不同粒径的糊化淀粉尿素对瘤胃内降解率的影响，结果所示，2 mm 以下时不同粒径糊化淀粉尿素的瘤胃降解率并无显著性差异， 但对粒度大于2 mm时并未进一步研究。 另外，缓释包被尿素的粒度变异系数较大、不同批次间粒度差异显著（P＜0.0001）， 均证明在实际生产过程中产品均一性差，容易导致实际应用时的缓释效果不稳定，因此厂家的品控部门还应严格把控出厂质量，确保产品的均匀性，保障尿素缓释效果。

尿素作为一种反刍动物能利用的非蛋白氮，可代替豆粕用于补充饲料蛋白。 但尿素应用也有许多弊端，比如氨味严重、适口性差、瘤胃内水解速度快、容易导致机体氨中毒、氮利用率低、造成环境污染等。 因此，尿素颗粒添加合适的包材，既能改善适口性、促进能氮同步，从而更好的促进微生物蛋白的生成，也能减少反刍动物的氮排放，减轻对环境的负面影响。棕榈油是棕榈果压榨而成，常温下为半固态，富含棕榈酸和油酸。本试验收集到的缓释包被尿素包被材料FTIR 均为棕榈酸。棕榈酸具有良好的瘤胃稳定性，并且价廉易得，因此是市面上常用的包被材料。氢化油脂、高分子聚合物、黏土矿物、树脂蜡脂也是常用的缓释尿素包被材料（田锦秀等，2021）。氢化植物油是在一定的温度和压力下植物油加氢催化，改变其原有性质，使不饱和脂肪酸分子中的双键与氢原子结合成为不饱和程度较低的脂肪酸， 提高熔点和硬度（李慧，2013）。 程双刚（2021）利用氢化油脂和棕榈油作为壁材， 通过熔融分散-冷却法制备尿素微胶囊产品， 结果显示尿素经过氢化油脂和棕榈油包被处理后，在前1 ～2 h 会出现一个突释现象，而随后会稳定缓慢释放，具有一定的尿素缓释效果。高分子聚合物壁材主要包括纤维素、 淀粉等。Zhang（2020）制备双层缓释包被尿素，壁材内层为乙基纤维素，外层为磷酸盐改性的淀粉，与纯尿素相比，双层包被尿素具有良好的缓释性能，在水中12 h 的释放率为40.9%。

缓释包被尿素的抗压碎力的是一个重要的表型评价指标， 是判断颗粒抗压碎能力的一种度量。 生产运输过程中尿素颗粒间由于接触紧、摩擦多， 容易破碎， 只有达到一定的颗粒强度后，才能满足尿素包膜工艺贮藏、运输要求（孟庆羽，2020）。 另外，由于瘤胃是一个不断运动的中空器官，饲料食糜的挤压、瘤胃的收缩都有可能致使缓释包被尿素的破碎， 从而暴露尿素内芯，无法达到预想的尿素缓释效果。 为进一步验证产品平均抗压碎力对尿素释放率的影响，本试验分析了产品平均抗压碎力与体内瘤胃1 h尿素释放率的关系， 结果发现随着平均抗压碎力的增加，体内1h 尿素释放率减小，两者呈反比关系。 这表明抗压碎力是影响产品在瘤胃中缓释能力的重要因素。

缓释包被尿素产品的产品标签和企业标准对水分含量的规定大都为≤2%， 本试验测得的样品水分含量均符合要求。 水分含量主要与工艺参数、设备和操作有关（何福伟，2014），温度是水分含量变化的重要原因。 水分含量的高低也会直接影响颗粒抗压碎力以及导致结块现象的出现。 尿素含量、氮含量是缓释包被尿素产品最重要的理化指标，本试验中，有75%的样品尿素含量和氮含量分别大于84.84%、40.12%。 尿素含量与氮含量可以在数值上相互转化， 尿素含量可以反映出制备包被尿素的膜材比例，若尿素含量过高则包被膜材比重较低， 容易导致生产中产品的着膜率降低， 从而尿素缓释效果减弱、易突释。 反之，尿素含量过低代表着膜材过厚，则尿素释放太慢。 因此，合适的尿素含量和氮含量是影响尿素释放率的关键， 生产企业应根据实际需要选择合适的膜材比例。

尿素释放率是评价缓释包被尿素产品的核心指标， 尼龙袋原位试验是测定尿素释放率实验室常用且较为准确的方法， 但瘘管奶牛的可获得性不具有普遍性， 对很多缓释包被尿素生产企业来说， 体外溶液测定是最为简便且低成本的方法。 Zhang（2020）用酯化改性淀粉和乙基纤维素包被尿素， 测定水中12 h 释放率为40.9%。 Rahim （2021）制备的壳聚糖橡胶复合物包被尿素， 可在水中72 h 持续释放。 张宇东（2019） 制备的环氧化大豆油多元醇氮肥水中7在溶出率仅为53.68% ～64.76%。 《中国药典》9013 缓释、控释和迟释制剂指导原则中指出，取样时间点0.5 ～2 h，用于考察药物是否有突释。因此本试验选择1 h 尿素释放率作为采样时间点，用于判定缓释包被尿素是否存在突释现象。实测产品1 h 释放率变异较大， 最小值仅为2.85%，此种产品释放率过低，测定其尿素含量为73.37%， 证明这种产品因包被层过厚而致使尿素释放率偏低， 在实际应用时这种产品很可能还没有在瘤胃中充分释放就进入后消化道造成浪费。 1 h 尿素释放率最高为60.94%，此产品明显存在突释现象， 在瘤胃中1 h 内就大量释放，达不到应有的尿素缓释效果。

4 结论

缓释包被尿素产品良莠不齐，缺乏评价产品质量的方法体系是当前缓释尿素饲料的行业弊端。 缓释包被尿素的评价方法可以从颜色气味、粒度、包被材料、平均抗压碎力进行表型评定，确保产品的质量均一性，保证缓释效果的稳定。另外，产品水分含量、尿素含量、氮含量理化指标与尿素释放率密切相关，1 h 释放率可以较好的反映缓释包被尿素是否存在突释。 本文从表型、理化两方面对缓释包被尿素产品进行评价，但评估缓释包被尿素的缓释效果还应与瘤胃发酵、能氮同步结合，贴合实际生产应用，进一步完善缓释包被尿素的综合评价体系， 这将有助于规范缓释包被尿素的产品质量， 帮助更多新型缓释包被尿素饲料的开发， 提高反刍动物的养殖效益。