尿素的营养与毒性研究进展

朱秀高 曹慧 刘伟 王汉东

尿素（Urea）因大量存在于哺乳动物的尿液中而得名，其分子结构中含两个氮原子，含氮量为46.6%，Ruelle于1773年首先发现，1828年德国人Wohler首先合成，目前尿素多由氮和二氧化碳在高温、高压下化合而成，一般作为农用氮肥使用。1891年Morgan等人发现尿素可以用作反刍动物的蛋白质补充剂，以填补蛋白质类饲料的不足与节约饲养成本。这一发现极大地开拓了人们找寻蛋白质饲料替代品的视野，自此人们开始了对于尿素等非蛋白氮物质在动物养殖中应用的研究，目前有文献报导能够使用尿素作为蛋白质补充源的动物主要为反刍动物，其次还有兔和鱼，也有文章报导养鸡生产中可以适量应用，但从当前来看，效果并不确实。

我国在尿素饲用方面的研究，大体可以分为三个阶段[1]：第一阶段是将尿素直接加入饲料中饲喂，这种方法饲喂量不好掌握，容易引起动物中毒，目前已基本淘汰，但在一些农村地区农户养殖中还能够见到使用；第二阶段是将尿素与其它植物饲料配合加工制成氨化秸秆或青贮饲料，此方法使用方便且在处理过程中尿素已经进行了转化，因此推广应用范围较广，目前在一些规模化养殖厂还有应用，但应用此方法时，如果加工过程中尿素的添加量掌握不好，也会降低饲料的适口性，影响在养殖过程中的应用；第三个阶段主要是指尿素替代品的研制，这一阶段主要针对在生产应用中，尿素水解过快引起的中毒问题，寻找新的产品来替代尿素，经过长时间科研攻关，目前已经研制出了包括磷酸脲、微囊化尿素、甲醛尿素在内的多种产品，这些产品的主要特点就是应用不同方法延缓了尿素的水解速度，从而提高产品的利用率，降低出现中毒的几率，同时，这些产品也能够与其它植物类饲料一起进行发酵制成青贮饲料，供生产应用。

近年来我国用于饲料领域的非蛋白氮物质生产规模逐渐扩大，产品种类也越来越多，但目前国内非蛋白氮饲料领域鱼龙混杂，不仅正规产品的质量难也保证，甚至还出现了一些向不能利用尿素动物的饲料或饲料原料中掺杂非蛋白氮物质以提高其粗蛋白检测含量、赚取不正当利益的现象。在当前从中央到地方都高度关注“三农”问题、提倡科学发展的大背景下，我们有必要借此机会规范非蛋白氮物质的生产与应用，以保障农民作为主要养殖群体的利益。本文仅就近年来有关尿素在饲料产品中应用的营养及毒性作用研究进行综述，以期能够引起人们对于尿素在应用中的重视。

1 尿素的营养作用

尿素作为一种蛋白质补充料，在反刍动物的养殖中应用最早，也最为广泛和成熟，还有文章指出家兔和鱼也能够利用尿素。这些动物利用尿素的主要途径是通过脲酶的分解和微生物的合成作用，最终形成菌体蛋白并以此种形式被动物机体所利用。

1.1 反刍动物

尿素在养殖中的应用起始于反刍动物，其利用机理也研究的最为深入。目前有关尿素在反刍动物养殖中的应用研究主要集中于如何控制尿素在瘤胃中的分解速度及提高尿素的利用率等方面。

反刍动物能够利用尿素得益于其独特的消化系统构造。在反刍动物的消化系统组成中，瘤胃占据大部分体积，其中含有大量的细菌、纤毛虫等微生物，这些微生物对于反刍动物的正常消化过程起到极其重要的作用，主要表现在将纤维素等难分解物质进行降解从而利于被后段消化道吸收，利用低质量的植物蛋白质饲料合成动物蛋白，使之有利于动物的利用等方面。

目前的研究公认，瘤胃微生物在反刍动物的非蛋白氮利用方面起到主要作用，通常，尿素进入瘤胃以后就被其中由瘤胃微生物所分泌的脲酶水解为氨和二氧化碳，其分解速度最大为2.0～4.0 mmol/（h·mg酶蛋白）[2]，水解形成的氨主要被瘤胃微生物吸收，通过氨化反应或转氨反应与碳水化合物合成菌体蛋白（MCP），这些MCP进入后段消化道中，在真胃和小肠内被消化吸收，其提供的氨基酸占反刍家畜小肠内氨基酸总量的40%～80%。还有一部分氨被瘤胃壁吸收，通过血液循环进入肝脏，在肝脏中经鸟氨酸循环重新合成尿素，通过尿液排出体外或者经由血液进入唾液再重新进入瘤胃，或由瘤胃及后段消化道上皮扩散至瘤胃及胃肠内。

据计算，按纯尿素计，每千克尿素可增产10 kg牛奶、2 kg牛肉或1.5 kg羊肉、150 g净羊毛[3]。同时有资料显示，用尿素饲喂肉牛的增重效果要好于产奶效果，尿素氮的利用率在肉蛋白中为17.4%，而在乳蛋白中为11.7%，用尿素饲喂肉牛的经济收入要比饲喂乳牛高50%[1]。

1.2 家兔

兔是单胃动物，一直以来人们认为其不能够利用尿素作为蛋白质补充料，但随着对尿素在反刍动物中的利用机理及兔生理特点和生活习性的研究深入，人们发现兔也可以利用尿素替代饲料中的一部分蛋白质原料。研究表明，兔利用日粮中的尿素主要通过两个途径：日粮中的尿素在胃肠道中经脲酶的水解形成氨并吸收到血液中，在肝脏合成非必需氨基酸，提高体内蛋白质的总沉积量；盲肠内微生物能够利用进入盲肠中的内源和外源尿素及其水解产物氨而合成菌体蛋白，这一部分微生物可以通过软粪被家兔所利用。

在关于兔利用尿素的机理研究中，广泛认为发达的盲肠和其中丰富的微生物含量是兔能够利用尿素的充分条件，而兔所具有的食粪特性则是一个必要条件。Emald等报道兔盲肠内微生物菌群中能够利用尿素的占多数，在每克内容物的2.1×1011个可见菌体中，有3.4×108个能够利用氨，7.7×107个可以利用尿素。Makkar等研究发现兔的盲肠内含有脲酶，因此其具有利用尿素的能力。周维仁等利用同位素示踪技术发现，利用套颈圈限制兔的食粪习性后，兔对尿素的利用能力显著降低[4]。

关于兔对尿素利用的效果方面近年来也有不少报道。张宝庆等的研究表明，在生长獭兔日粮中加入1%～2%的尿素能够替代7%～13%的花生饼，并且增重比对照组分别提高了2.83%和9.21%，不过作者也提到考虑到尿素的利用机理，向饲料中添加尿素的同时要增加能量饲料的比例，最后作者综合考虑后认为，添加1%尿素的效果最好[5]；而杨程在其研究中不仅证实在育肥兔日粮中添加1%尿素的效果最好，同时也指出将添加尿素的日粮加工成颗粒饲料后可以缓解尿素的释放速度，保证尿素的安全应用，而且尿素在制粒过程中受到高温、高湿和高压作用能够加快其溶解速度[6]；在周维仁等的研究中也指出兔具有利用日粮中尿素的能力，尿素氮在兔体内的沉积率为18%[7]。

1.3 鱼

尿素在水产中的应用，开始仅作肥料投入鱼池中，增加水中的浮游生物，培肥水质。1977年罗毅志报道利用预先经微生物发酵的1%尿素统糠饲喂鱼，结果显示在水质环境、饵料、粪肥和加水次数基本相同的情况下，试验池的各种鱼类纯增重都比对照池多，总增重比对照池增加13%，而且试验池鱼的饱满度要好于对照池（尤其是鲤鱼）[8]。吴遵霖等人报道，经过三年对尿素的不同添加量、不同添加方式、不同加工方式及不同养殖形式的效果比较后，认为多数情况下添加尿素都能够不同程度地起到促进生长的养殖效果，其中以尿素添加5%，尿素氮占32.29%的饲料配方效果最好，从养殖效果来看添加2.5 kg尿素比15 kg豆饼还要好很多[9]。陈惠彬等通过淀粉糊化技术将尿素与其他原料制成颗粒饲料并利用前期发酵技术对饲料进行处理饲喂鲤鱼，显著降低了尿素在水中的流失，共替代18%～21%的蛋白，解决了鲤鱼饲料蛋白需要量的一半，养殖试验表明，试验组比对照组产量提高21.7%～24.6%、饲料系数降低9.7%～15%，在高密度工厂化养殖条件下，投喂尿素饲料比对照组产量提高25%～34.8%、饲料系数降低15%～32.4%[10]。

从目前有关鱼类利用尿素的机理研究来看，主要集中在两个方面：鱼消化道本身产生的脲酶对尿素的分解利用和肠道中微生物对尿素的利用。陈惠彬等在试验中使用奈氏试剂显色法和麝香草酚-次溴酸钠比色法测定荷元鲤的肠道脲酶活性，结果其前肠检出率为100%、后肠为71%，从而证实鲤鱼肠道能够分泌脲酶，并且作者在试验中也证实鲤鱼肠道微生物中有62%可不同程度的利用尿素，其中放线菌占肠道微生物44%，能分解利用尿素的占78%；细菌占肠道微生物的28%，可分解利用尿素的占44%；真菌占肠道微生物的28%，可分解利用尿素的占55%[10]。前苏联湖泊与河川研究所鱼类生理研究室和波兰学者应用混有尿素的饲料饲喂当年鲤鱼和2龄虹鳟鱼，结果生长良好，同时，他们也测得在鲤鱼的前肠和虹鳟鱼的黏膜中含有尿素酶。曹志华等指出正常鲤鱼消化道内能够利用尿素的细菌占总数的55%，而摄食含尿素饲料的鲤鱼体内能利用尿素的细菌占总数的85%[11]。鱼体内自己分泌的脲酶与微生物所分泌的脲酶都能够将进入体内的尿素水解为氨，再由微生物将氨转化为菌体蛋白最后被鱼体所吸收利用。

在有关鱼类利用尿素的报道中，也有一些作者指出尿素的添加对鱼的增重并没有起到任何作用。Hepher及Kerns与Lu通过试验后就明确提出鲤鱼和鲶鱼都不能够利用尿素等非蛋白氮类物质。不过，目前大多数的报道都支持日粮中添加尿素可以增加鱼的体重、降低饲养成本这一观点。有关鱼类对尿素的利用在目前已经了解脲酶存在的情况下，还需要继续探讨鱼类利用菌体蛋白的机制。

1.4 鸡

目前，尿素在养鸡生产中的影响，因鸡的类型不同而表现出不同的趋势。王桂瑛等将0.1%尿素添加入尼克红公雏鸡的日粮，发现能够显著提高雏鸡的期末体重，可以改善日增重、全期饲料转化率及饲料采食量[12]。宋宇轩将0.1%尿素加入肉仔鸡日粮中，也得到了同样的结果[13]。关于非蛋白氮促进家禽生长的机理，当前比较认可的解释是非蛋白氮能够反馈性抑制蛋白质的降解，从而增加体内蛋白质的沉积，这一点已经由吴孝兵在饲喂尿素日粮的肉鸡中应用内源氨基酸排泄量作为体内蛋白降解程度的指标得到了初步证实[14]。

与在肉鸡中应用取得显著效果不同的是，一些研究人员将尿素加入产蛋鸡日粮后发现，随着尿素添加量的增大其抑制产蛋的作用开始显现。卞克明指出饲料中含有0.04%的尿素即可造成蛋鸡后期产蛋率的下降，当含量达到0.15%时则会急剧下降，不过对日采食量和平均蛋重影响较小[15]。姚妙爱等在蛋鸡的低蛋白杂粕日粮中加入0.1%尿素试验后发现产蛋率显著降低，同时趋于降低蛋重、平均采食量和饲料转化率，认为出现这种情况的原因可能是杂粕中的必需氨基酸不足或非必需氨基酸过量所致，也有可能是产蛋家禽需要正常的蛋白质周转，从而抑制了蛋白质降解的原因[16]。

2 尿素的毒性作用

自从人们认识到尿素在实际生产中的应用价值后，就开始在动物养殖特别是反刍动物的饲养中大量使用，与此伴随也出现了一些问题，其中有饲喂尿素所引起的中毒就是最值得关注的一项，人们对于非蛋白氮饲料的改进也主要就是围绕减轻其毒性作用而进行。不过目前有关尿素中毒的报道多集中在临床症状和治疗方面，而对其具体机理及中毒后机体内部所发生的变化等相关方面则研究得较少。从动物种类和中毒原因来分析，可以将中毒分为可利用尿素动物的中毒和不能利用尿素动物的中毒两类。

2.1 尿素对可利用尿素动物的毒性作用

这一类型中毒报道的最多，主要包括反刍动物和兔。尿素引起这些动物中毒的主要原因多是因为尿素的使用不当，例如将尿素与豆饼等富含脲酶的饲料合用，将尿素溶于水中给家畜饮用或饲喂尿素后立即饮水，以及尿素的饲喂量过大等。目前的研究认为，尿素进入反刍动物瘤胃后几分钟即可分解，0.5 h可达到氨浓度的高峰，3 h内就可全部分解完毕，而菌体蛋白合成过程中需要碳架，在一般饲养中多使用粗饲料作为碳架来源，但粗饲料要在进入瘤胃后6 h才开始消化。Bloomfield报道尿素的分解速度是微生物对其利用速度的四倍[17]，如果尿素分解产生的氨不能够及时被微生物利用，在又超过肝脏尿素合成能力的情况下，氨就会与二氧化碳结合形成氨甲基甲酸，后者进入血液就会引起动物的中毒反应。一般认为，当瘤胃液中的氨含量高于80 mg/100 ml、血氨含量达2 mg/100 ml时即可发生中毒。兔尿素中毒的机理也与此相似，主要的不同点是其尿素分解与菌体蛋白的合成在盲肠中进行。

尿素中毒多发生在采食尿素后的0.5～1 h内，一般反刍动物表现流涎、肌肉震颤、步态不稳、呼吸困难、脉搏增数，有时出现反复痉挛，鼻腔和口腔内流出泡沫状液体，后期全身痉挛抖动、眼球阵颤、肛门松弛，若抢救不及时几小时内就能死亡；家兔发生尿素中毒时主要表现为口腔黏膜的红肿、流出大量唾液，兔烦躁不安、在笼内乱撞，严重的可出现呼吸困难等症状，死亡兔解剖可发现消化道黏膜特别是口腔和胃肠黏膜的点状出血、水肿、溃疡或坏死，肝、肾发生脂肪变性，呼吸道黏膜也有出血表现，肺水肿。

动物出现尿素中毒症状后应迅速采取措施，否则将引起死亡。首先要立即停止含尿素饲料的供给，其次治疗方面最为有效的措施是灌服经稀释的食醋等弱酸溶液，以中和瘤胃内的碱性，阻止尿素的继续分解，同时还能够分解破坏氨基甲酸，减轻其毒性。

预防动物发生尿素中毒的最有效措施是不饲喂含尿素的饲料，但这种方法不利于降低生产成本，违背了开发非蛋白氮饲料的初衷。为了既能够降低饲养成本又减少中毒的发生，生产中完全可以采取一些目前已证明行之有效的措施。主要包括以下几个方面：第一，严格控制尿素的适用范围，禁止在幼龄动物等瘤胃或盲肠微生物区系不健全的动物饲料中添加；第二，严格控制尿素在饲料中的添加量，多数专家认为尿素最好占日粮干物质的1%～2%或占日粮总氮量的30%，也可按0.2～0.3 g/kg体重的剂量进行添加；第三，掌握好尿素的添加过程，添加量由少渐多，要给动物一个适应过程，适应期一般为2～4周；第四，添加尿素的同时，向饲料中增加一些易消化的淀粉类物质，以加快菌体蛋白的合成速度，可以选用糊化淀粉包被的尿素，一方面可以作为氮源，同时还可以提供易利用的碳源，这样就能够保证尿素和淀粉的同时释放与利用，提高尿素的利用率；第五，在应用尿素时，要保证日粮的蛋白质含量在9%～12%，严格控制蛋白含量超过12%饲料的同时应用[18]；第六，要注意不能在饲喂尿素后立即饮水。

2.2 尿素对不能利用尿素动物的毒性作用

一般而言，人们都了解猪等单胃动物不能利用尿素，因此很少有人会主动向此类动物的饲料中添加尿素，所以从目前的报道来看，有关此方面的资料较少。不过在生产中也出现过此类动物的尿素中毒病例，究其原因多是由于饲养人员误使用了添加有尿素的饲料或购买并使用了掺有尿素冒充粗蛋白的饲料；在农村地区较为常见的原因是农户将装过尿素等肥料的器具不经处理直接用来盛装或量取饲料饲喂家畜；也有一些养殖户因为听信了他人之言而在饲料中直接加入尿素饲喂家畜。韩有元报道了一例由霉菌毒素和尿素混合引起的猪群发性病例[19]，在此病例中猪场主人根据他人介绍的经验向饲料中加入了1%尿素进行饲喂，由于掺入量较少并且混合均匀，所以在初始阶段没有发生异常，但当猪群中出现霉菌毒素中毒后，霉菌毒素引起猪只免疫力下降、胃肠消化吸收功能下降，肝脏肿大降低了解毒能力，使尿素分解产生的氨不能够在肝脏中进行转化，引起氨的聚集，进一步加重肝脏负担，降低猪体的抗病能力，使猪只死亡，造成严重损失。

目前来说预防此类动物发生尿素中毒的根本措施就是防止饲料中混入尿素。在具体操作上可以注意以下几点：第一，妥善保管尿素等肥料，将其与饲料分开放置；第二，增强工作人员的责任心，避免不必要的损失；第三，选用质量稳定、口碑好的饲料品牌；第四，有条件的可以进行饲料中非蛋白氮物质特别是尿素的检测。

据报道，我国2000年的蛋白质饲料缺口为1190万吨，而根据预测在2010年～2020年这一缺口将达到2400～4800万吨，在此形势下，除了要加大开发新型蛋白质饲料资源外，充分合理有效的利用尿素作为蛋白质补充料将是一个非常有利的解决途径。因此，作为科技工作者除了要继续加大尿素的利用研究之外，还要深入向广大基层养殖户进行推广，以使其在实际生产过程中能够正确使用，发挥尿素作为蛋白质饲料补充料的优势，避免其毒性作用的产生。

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