尿素微胶囊的制备工艺研究

程双刚

(武汉轻工大学，湖北 武汉 430023)

0 引言

近年来，伴随国民经济的提高，人们对生活质量的要求越来越高。其中对反刍动物等家畜需求量以及质量要求普遍提高，造成国内蛋白质资源供不应求。发掘利用新的蛋白饲料资源成为目前亟待解决的问题。尿素作为一种非蛋白质状态的含氮化合物，具有高含量的粗蛋白、饲喂程序简单及成本低廉、来源广泛等优点，是目前使用最为广泛的非蛋白饲料。尿素在反刍动物的使用中，被机体分解消化生成CO2和NH3，其中NH3作为氮源被微生物机体所利用，并通过和一定量的碳水化合物作用合成菌体蛋白，从而被消化分解为氨基酸被机体消化吸收。然而，当反刍动物对尿素直接使用时，NH3的分解速度较快于微生物的消化利用速度时，会影响反刍动物的生长繁殖，同时也会产生中毒情况。特殊的异味导致适口性差，从而造成利用率下降和对动物的危险性过大，使尿素在反刍动物中的推广使用受到很大限制。尿素通过包被形成尿素微胶囊运用于反刍动物时，可以在一定程度上减缓尿素氮的释放，从而让反刍动物更大程度地对尿素氮进行消化吸收，提高利用率。

1 反刍动物对尿素的利用

反刍动物，通常指牛、羊、鹿和骆驼等，属于哺乳纲、偶蹄目的草食动物，其特点为具有复杂的反刍胃，有储存、消化和反刍粗饲料的功能。相对于单胃哺乳动物而言，反刍动物的消化生理活动要复杂得多。对于摄取的食物而言，单胃哺乳动物是直接通过消化道内的消化液先将其分解成各类简单的营养成分，然后再通过对这些营养物质的吸收和利用来维持自身生理活动以及生长繁衍所需的物质和能量。针对蛋白质的消化，消化液可直接将其水解成各类氨基酸，然后通过这些氨基酸重组构成来获得机体自身所需的蛋白质。而在反刍动物的消化中，其自身不能直接消化饲料中的营养物质，所有的营养物质都要首先经由其瘤胃中的微生物进行发酵预处理，其过程中产生的有机酸和部分初级脂肪酸为胃瘤提供自身代谢的能源需求，其他的营养成分通过瘤胃中微生物的消化获取。反刍动物最直接、最重要以及利用效率最高的营养物质是瘤胃微生物的菌体蛋白。因此，对于反刍动物的饲养，必须考虑瘤胃微生物对营养成分的需求，在充分满足其自身生理活动和繁殖所需的条件下，使反刍动物通过微生物获取更多的菌体蛋白营养。另外由于瘤胃中微生物的增多，使得非蛋白氮转化成菌体蛋白更快、更多，提供给牛羊加以利用，这样使得反刍动物饲料得到充分的利用，增加其营养价值水平。

2 尿素微胶囊的种类

尿素微胶囊即以尿素作为芯材，在其外表面通过特殊的材料进行包被来达到减缓尿素释放速度从而提高动物对尿素的利用率。以制备机理作为分类依据，尿素微胶囊具体可分为3大类：物理型尿素微胶囊、化学型尿素微胶囊以及物理化学型尿素微胶囊。物理型尿素微胶囊是采用微囊法和整体法经过物理加工来达到尿素缓释的效果。微囊法以尿素作为芯材在其外表面包被惰性薄膜从而减缓尿素氮的释放速度；整体法是选取合适的材料然后将尿素均匀的混合在其中，随着聚合物的溶解过程控制养分的释放。化学型尿素微胶囊是将尿素与聚合物直接或者间接的链接在一起转换形成胶囊形式，尿素的释放速度将由混合物的具体结构、化学键的性质、联合程度以及紧密程度控制。物理化学型尿素微胶囊结合整体法和化学型尿素微胶囊制备方法处理尿素表面形成胶囊结构。

3 尿素微胶囊的研制

瘤胃中在脲酶将尿素分解为NH3和CO2。瘤胃中的微生物利用的NH3合成菌体蛋白。菌体蛋白在进入真胃和小肠中时被吸收。菌体蛋白是一种生物学上价值极高的蛋白， 它可以提供极其丰富的氨基酸，占到真胃和小肠中氨基酸吸收量总和的40%～70%，由于氨基酸的组成与机体构成相似，使其得以较好的吸收。当一次性食入尿素过多时，NH3的释放加速，微生物对其利用速度跟不上释放速度，无法及时得以分解的尿素会通过循环进入机体内，导致血液中NH3浓度上升，造成血氨中毒。采用尿素作为氮源，一定要控制好尿素在消化道内的释放速度，需要对尿素微胶囊进行合理化的制作处理。一方面要明确尿素在消化道中的溶解度，另外还要综合考虑其他日常食粮中蛋白质水平的高低以及消化道内微生物分解速度的快慢。目前，新型的高分子材料不断丰富，用其制作的包被材料对尿素的释放速度的控制也越来越精确稳定。

3.1 尿素微胶囊的研究目的

1)掩盖氨味，提升饲料的适口满意度。

2)合理控制尿素中氮元素释放速度，提高氮元素的利用率和提升饲料效率，通过缓释来防止尿素富集中毒，提高安全性。

3)改变尿素的包衣外观，区分不同种类用途的产品。

3.2 尿素微胶囊的性能要求

1)感官、色泽统一，无异形碎裂、无结块、干燥无变色。

2)缓释效果：在温度为35℃～41℃，pH 6～7弱酸性溶液内，尿素的溶解以及对氮元素的释放时间维持3 h以上。

3)含氮量≥40%。

4 试验目的

反刍动物对瘤胃氮素营养有一种特殊的利用方式，它能够把碳铵以及尿素等一些非蛋白类化合物进行分解以此转换成菌体蛋白被机体消化吸收进行利用。但是尿素的直接使用存在一些问题：由于气味重导致反刍动物使用过程中适口性差；反刍动物瘤胃消化特点导致尿素水解速度太快；尿素的使用量不当极易造成反刍动物机体中毒等。本试验分别采用棕榈油和氢化油脂作为包被材料，尿素作为芯材，采用熔融分散冷却法制备尿素微胶囊，研究其在水中和模拟瘤胃液中的溶出率，从而达到提高尿素在反刍动物使用中利用率目的。

5 实验研究

5.1 尿素微胶囊的制备

试验以尿素为芯材，分别将棕榈油和氢化油脂为壁材，主要通过熔融分散-冷却法制备得到尿素微胶囊产品。首先将氢化油脂融化在烧杯中，然后加入单宁酸，搅拌使其溶解在油脂中，再加入尿素，充分混合，取出尿素于冰水中静置，形成尿素微胶囊。

5.2 棕榈油尿素微胶囊的溶出率

称取制得的棕榈油尿素微胶囊5 g分别溶解于含有100 mL蒸馏水和100 mL模拟瘤胃液的250 mL的锥形瓶中，蒸馏水组在室温下静置，瘤胃液组放置于振荡培养箱中，温度为37℃，转速为150 r/s，以1 h为单位取样，共取7次，每次取样溶液通过滤布的溶出液，并将其全部放入锥形瓶中待用。每次取样后分别向各组溶液中重复加入100 mL蒸馏水和模拟瘤胃液。待取样结束，在最大吸收波长处用吸光光度计测得各时间点的吸光度，根据试验制得的标准曲线判断棕榈油尿素微胶囊在蒸馏水和模拟瘤胃液中溶出率情况，累计各时间点尿素的释放量。

5.3 氢化油脂尿素微胶囊的缓释性能

称取5 g制得的氢化油脂尿素微胶囊分别置于含有100 mL蒸馏水和100 mL模拟瘤胃液的250 mL锥形瓶中，并且以甘油酯含量作为单因素变量分为3组进行试验，将蒸馏水组置于室温中静置，将模拟瘤胃液组置于振荡培养箱中，温度37℃，搅拌速度为150 r/s，以1 h为单位，共取7次，使用紫外分光光度计测定其吸光度，根据标准曲线判断氢化油脂尿素微胶囊的溶出率情况。

5.4 结果与讨论

1)前2 h棕榈油尿素微胶囊的尿素释放便出现突释现象，溶出率高达58%。在接下来1 h棕榈油尿素微胶囊尿素释稳定缓慢释放，随后棕榈油壁材溶胀，释放率加快。对尿素微胶囊进行包被处理，具有一定程度的缓释作用，解决NH3的释放速度与微生物对尿素利用速度不同步的问题。

2)氢化油脂尿素微胶囊在水中和模拟瘤胃液中的溶出率随时间的增加而增大，在前1 h出现突释现象，在1 h之后溶出率缓慢增加，这体现了氢化油脂对尿素的缓释作用。

6 结语

尿素在经过氢化油脂或棕榈油脂的包被处理后，可以一定程度地减缓尿素氮释放速度，提高尿素氮的利用率和代谢率。