脲酶抑制劑及其在畜牧生產中的應用

在目前家畜的營養中，蛋白質是最短缺的營養物質。由于反芻動物能利用非蛋白氮（NPN）合成微生物蛋白（MCP）供機體利用，因此尿素可用作反芻動物的蛋白質資源。但尿素在瘤胃內的分解速度很快，極大地限制了反芻動物對其的利用，為提高尿素等NPN的利用率，國內外學者做了大量工作。通過使用脲酶抑制劑，延緩尿素的釋放，提高其利用率以充分利用氮源，已日益受到人們的關注；而且在畜禽飼料中使用脲酶抑制劑可有效地降低禽舍內空氣中氨氣含量，改善環境，進而提高生產性能。本文擬對脲酶抑制劑種類、作用機制及其在畜牧生產中的應用效果進行簡要綜述。

1 脲酶抑制劑的種類

脲酶抑制劑是指能夠直接或間接抑制脲酶活性的一類物質，大體上可分為天然和人工合成兩大類，目前使用較多的屬人工合成的有機化合物。

1.1 氧肟酸類化合物

常用的有乙酰氧肟酸（Acetohydroxamic acid AHA）和辛酰氧肟酸 （Caprylohydroxamic acid CHA），其中AHA是目前認為最有效的一種脲酶抑制劑，國內外已有工業化合成AHA的成熟技術，我國已批準AHA作為飼料添加劑使用。

1.2 二胺、三胺類化合物

研究較多的有苯磷酸二酰胺（Phenyl phosphorodiamidate PPDA)、N-丁基-硫代磷酸三酰胺[N-（n-butyl）-thiophosphoric tyiamide NBPT]和環己磷酰三胺（Cyclo-hexylphosphoryl triamide, CHPT），這類物質化學結構與尿素相似，可競爭性的抑制脲酶活性。

1.3 重金屬類

與脲酶活性有關的金屬離子包括Cu2+、Fe2+、 Mg2+、 Ba2+、Mn2+、Ag+、Hg+等，其中Mn2+和Ba2+對脲酶有明顯的抑制作用，且Mn2+同時又是動物體所必需的微量元素，但飼料中Mn2+的含量過高會影響微量元素的平衡及其它酶的活性。

1.4 絲蘭提取物

絲蘭提取物沙皂素（Sarsaponin）中富含皂苷基和糖基，其中皂苷基可與NH3結合。瘤胃NH3濃度很高時，少量的皂苷可結合大量NH3，NH3濃度低時又可緩慢釋放出NH3[1]。

1.5 醌類化合物

常用的有氫醌（HQ）和對苯醌。脲酶分子中的巰基對其活性具有重要意義，HQ可將脲酶中的巰基氧化成二硫橋，降低脲酶的活性，它是國內外普遍應用的土壤脲酶抑制劑。近年來用作動物飼料的脲酶抑制劑的報道逐漸增多。

1.6 異位酸類化合物

包括異丁酸、異戊酸和異已酸等支鏈脂肪酸及一種胺磷酸，此類物質對瘤胃微生物脲酶有強烈的抑制作用，而不影響瘤胃內有機物的消化和揮發性脂肪酸的濃度與比例。

1.7 多聚甲醛

此類物質是在反芻動物中使用較普遍的一種瘤胃脲酶抑制劑，它可使瘤胃脲酶失活而使尿素等含氮化合物分解速度減緩。

2 脲酶抑制劑的作用機制

2.1 脲酶的性質

脲酶又稱尿素酶，其系統命名為尿素酰胺水解酶（urea amidohydrolase），是由微生物產生的一類酶蛋白。其相對分子量為12 000～13 000，廣泛存在于土壤、豆類籽實以及動物消化道內。當pH值6.0～8.0時活性最高，失活溫度為70℃；有水存在時，脲酶能將尿素分解為氨和二氧化碳。脲酶還能與少數幾種尿素的衍生物（羥基尿素和二羥基尿素）發生反應，專一性較強。

2.2 脲酶抑制劑的作用機制

動物體內氨的來源是多方面的，主要可分為兩類：一類是內源氨氮，主要是尿氮和糞氮，它們是蛋白質代謝過程中產生的氨，是正常的生理代謝產物，一般量較少，而且很快會在肝臟中被合成為尿素，并經腎臟排出體外；另一類是外源氨氮，如飼料中添加的尿素等NPN產生的氨。尿素在反芻動物體內的分解速度很快，產生大量的氨不能被瘤胃微生物利用，從而極大的降低了動物對氮的利用率，也易引起氨中毒。脲酶抑制劑可通過抑制腸道的脲酶活性減緩尿素等外源氨的生成量從而達到控制動物體內氨濃度過高的目的，同時這也是控制畜禽養殖場空氣污染的有效途徑。脲酶抑制劑種類不同，其對脲酶的作用機制也不相同，大體分為兩個途徑：一是使脲酶結構發生變化，而使脲酶變性失活，此類抑制劑包括重金屬鹽類和多聚甲醛；二是與脲酶的活性中心相結合，使之失活，從而達到控制氨氣釋放的作用，這類物質包括異位酸類化合物及絲蘭提取物沙皂素等。例如AHA對瘤胃脲酶的抑制屬于非競爭性抑制，其分子內部為羥胺結構，其活躍的氫和羥基基團與脲酶分子結構中位于金屬鎳附近的巰基結合，使巰基氧化成二硫橋（-S-S-），使脲酶的活性降低。但這種抑制是可逆的，這就保證尿素在瘤胃中被脲酶作用水解，緩慢釋放氨以滿足瘤胃微生物增殖對氮的需要。

3 脲酶抑制劑在畜牧生產中的應用效果

3.1 節約蛋白質飼料，降低飼料成本

這包括兩方面的含義：第一，添加尿素可代替部分價格較貴的餅粕類蛋白質飼料，節約了蛋白質飼料，降低飼料成本。脲酶抑制劑的使用可提高尿素的利用率。飼料中添加皂甙可降低瘤胃NH3濃度，提高NH3利用率和微生物蛋白合成量[2]。 Hristov等報道，沙皂素可增加菌體生成量，減少氣體產生量，提高飼料轉化率[3]。左福元等研究表明，脲酶抑制劑減緩了山羊瘤胃內氨的釋放速度，提高了氨的利用率，尿素氮可取代山羊精料補充料中的總氮量的47％。周建民采用人工瘤胃的方法對脲酶抑制劑的作用進行研究，若一頭奶牛飼喂150g尿素，其中67%的尿素用來合成微生物蛋白，剩余的氨進入肝臟合成約49.5g尿素，隨尿排出體外。當用脲酶抑制劑控制脲酶活性時，可使氨的利用率提高16.7%，即可多利用25g氨,使尿液中尿素排泄量從49.5g減少到24.5g,降低50.5%[4]。第二，即使日糧中不含尿素，使用脲酶抑制劑，同樣具有增加微生物蛋白質合成量，節約蛋白質飼料的效果。這是因為約80％的蛋白質在瘤胃內降解成氨，同樣也受脲酶催化，而瘤胃微生物利用氨的速度相對較慢，導致兩種速度不協調而使大量氨不能被微生物利用造成氮源浪費。脲酶抑制劑的添加降低了氨的釋放速度，更多的氨可以與糖代謝產物酮酸相結合，組成合成微生物蛋白所需的各種氨基酸，從而使得整個飼料的消化吸收利用率得以提高。另一方面，餅粕類蛋白質在瘤胃內的降解率常在70%以上，降解后產生的氨約有80%被轉化成微生物蛋白質，其余20%則在肝臟內合成內源尿素，脲酶抑制劑可提高這部分內源尿氮的利用率，增加微生物蛋白質合成量。

3.2 避免氨中毒或氨應激

牛、羊尿素中毒是飼喂含尿素日糧時常出現的現象。尿素本身無毒，但其分解的NH3和CO2會很快進入血液并迅速積累，若超過一定限度則會引起氨中毒。通常當血氨濃度達1～4mg/100ml時可引起牛中毒；血氨濃度達10～29mg/100ml時可引起牛死亡。反芻動物瘤胃微生物能產生脲酶，其活性相當高，而且較穩定，在瘤胃NPN的分解中起重要作用，可迅速催化尿素水解。據報道，尿素分解產生氨的速度為瘤胃微生物利用氨的速度的4倍[5]，因此單純或直接使用尿素，既不安全也不方便，添加尿素同時添加脲酶抑制劑不僅可提高氨的利用率，也大大降低氨中毒的危險。齊德生等在牛的含尿素日糧中，按每千克干物質加入150mg AHA，可使瘤胃內尿素分解速度降低42.6％；在體外人工瘤胃培養體系中，按每100ml培養液加入20、40、80mg AHA，可使尿素分解速度分別降低60.8％、59.4％和62.7%[6]。此外，在飼喂尿素飼料時，還必須注意少喂或禁喂如黃豆、豆餅、南瓜、紅三葉、開花苜蓿等有較高活性脲酶的飼料，否則會增加尿素中毒的危險，但如果此時使用脲酶抑制劑，就可有效的防止氨中毒或氨應激。

3.3 改善環境

氨是公認的應激源和動物圈舍中最有害的氣體之一。氨可誘導家禽、豬及實驗動物多種呼吸道疾病的發生，單胃動物飼養在高濃度氨環境中，呼吸道支原體、病毒、細菌繼發性感染加重。雞對氨格外敏感，在5mg/kg氨的長期作用下，雞的健康會受到影響。脲酶抑制劑在腸道內作用于脲酶的活性中心使之失活，并隨糞便一起排出體外繼續發揮作用，能降低畜禽圈舍中的氨氣濃度。目前，絲蘭提取物和其除臭劑（如除臭靈）的除臭效果在大量的試驗中得到了證實。如在豬飼料中添加絲蘭提取物，結果畜舍內氨的濃度6周內持續下降[7]。孫得發等試驗表明，使用不同濃度（60，90，120mg/kg）脲酶抑制劑飼喂的肉仔雞，其環境氨氣濃度隨時間增長呈快速上升的趨勢，但各脲酶抑制劑添加組與對照組相比均極顯著地降低了人工氣候艙內的氨氣濃度（P<0.01）[8]。中國農業科學院畜牧研究所研制的脲酶抑制劑飼料添加劑經過了急性毒性、慢性毒性、“三致”試驗等藥理檢測, 大量的試驗證明對奶牛、肉牛、肉羊無殘留和無毒副作用, 而且可以消除家畜糞便臭味, 控制規模化飼養所造成的環境污染[9]。此外，在畜禽糞便中直接噴灑脲酶抑制劑也可達到控制環境氨污染的目的。

3.4 防治肉雞腹水癥

許多文獻報道，肉雞腹水癥的發生與腸道氨密切相關。在飼料中添加脲酶抑制劑可以降低肉雞小腸及大腸內脲酶活性和氨含量。氨濃度的降低可使腸粘膜的更新率及門靜脈回流器官耗氧量降低。這些組織耗氧量的降低可提供額外的氧以應付腹水癥帶來的應激, 使死亡率降低。美國阿肯色州立大學的研究小組發現，在日糧中添加125mg/kg脲酶抑制劑后，腸道內氨濃度平均下降49.4％。張萬順等采用在每千克飼料中添加脲酶抑制劑（由美國DPI公司提供）125mg、除臭劑120mg的飼料飼喂肉雞，與對照組比較，腹水癥發病率和死亡率分別下降12.1%和12.65%[10]。

3.5 提高生產性能

張倩等在日糧中添加一種脲酶抑制劑提高了育肥牛的生長性能和飼料轉化率[11]。葉玉忠等對利用脲酶抑制劑飼喂小肥牛的增重效果進行比較試驗，試驗組牛的頭均總增重、平均屠宰率比對照組分別提高50％和1.49％，差異極顯著（P<0.01）[12]。趙英春等報道脲酶抑制劑屬營養型瘤胃調控劑，能調節奶牛瘤胃微生物的代謝，增加纖維素的消化率和微生物蛋白的合成，可以提高產奶量22.8％，提高乳脂率0.07％[13]。左福元等在無豆餅日糧條件下使用HQ作脲酶抑制劑，奶牛的平均日產奶量可增加1.78～1.85kg，提高8.73%～9.07%[14]。

4 結語

脲酶抑制劑作為一種新型飼料添加劑在國外（如美國、加拿大等）的應用已較為廣泛，近年來在國內也開始重視脲酶抑制劑的合成與應用研究。脲酶抑制劑己被列為我國農業部和科技部的推廣項目，成為跨世紀新技術的重點工程之一。脲酶抑制劑的開發使用將對我國高效農業提供新的技術保證，對于調整畜牧業產業結構，大力發展草食家畜養殖具有重要意義。以后的研究方向主要在以下幾方面：①目前有些脲酶抑制劑對動物的作用機理仍不十分清楚，還停留在表觀上，需要深入研究其功能與生理生化機制的關系；②曾有脲酶抑制劑對改善奶牛繁殖機能有一定效果的報道，但其機理尚不明了；③脲酶抑抑劑對其它營養物質的消化率和氮代謝是否存在互作效應；④應多研制開發脲酶抑制劑的新品種、降低其使用成本。

參考文獻

1 Chalupa W. Manipulation of rumen fementation[J].J. Anim. Sci.,1977(45):585～599

2 Wilson R C, Overton T R, Clark J H. Effect of yucca shidigera extract and soluble protein on performance of cows and concentration of urea nitrogen in plasma and milk[J]. J Dairy Sci., 1998(81):1 022～1 032

3 Hristov A N, McAllister T A, Van Herk F H, et al. Effect of Yucca schidigera on ruminal fermentation and nutrient digestion in heifers[J].J. Anim. Sci., 1999(77):2 554～2 263

4 李杰，葛蔚. 反芻動物脲酶抑制劑的研究進展[J].東北農業大學學報,2004,35(1):119～122

5 單安山，劉大林，張永根.反芻動物瘤胃脲酶抑制劑的作用及應用[J].東北農業大學學報,2003,34(4):465～468

6 于炎湖，詹志春，胡昌彬，等. 脲酶抑制劑在反芻動物飼養中的應用[J].飼料工業,2003,24(7):4～5

7 汪善鋒，陳安國，汪海鋒. 除臭劑在動物生產中應用的研究進展[J].飼料工業,2003,24(7):48～52

8 孫得發， 徐秀容，張宏福，等. 脲酶抑制劑對肉仔雞代謝氨影響[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2002，30(2)：59～62

9 王加啟.脲酶抑制劑飼料添加劑產業化生產技術[J].中國牧業通訊,2003,(13)：52～54

10 張萬順，李文學，付志剛，等. 用脲酶抑制劑和除臭靈控制肉仔雞腹水癥的比較試驗[J].中國飼料,1996（24）:14～15

11 張倩，王加啟，牛方括，等. 脲酶抑制劑對肉牛消化代謝和育肥效果實驗[J].中國飼料,1997(21):15～16

12 葉玉忠，付強. 脲酶抑制劑飼喂小肥牛生產性能測試[J].黃牛雜志,2000,26(3):10～11

13 趙英春，周祝琴，魏城市，等.使用脲酶抑制劑生產奶牛濃縮料飼喂奶牛的效果[J].黑龍江畜牧獸醫,2003(3):23～24

14 左福元，蘇寧，曾子建，等.氫醌在奶牛飼養中的應用研究[J] .西南農業大學學報,2002,24(4):368～371