陈阿琴 杨志刚 俞颂东
摘 要 脲酶抑制剂的研究是缓和蛋白质饲料短缺、提高尿素利用率的重要途径。本文介绍了脲酶抑制剂的种类、作用机理及其在畜牧生产中的主要应用，并提出脲酶抑制剂研发的意义和今后的主要研究方向。
关键词 脲酶抑制剂；畜牧生产；应用
中图分类号 S816.7
在目前家畜的营养中，蛋白质是最短缺的营养物质。由于反刍动物能利用非蛋白氮（NPN）合成微生物蛋白（MCP）供机体利用，因此尿素可用作反刍动物的蛋白质资源。但尿素在瘤胃内的分解速度很快，极大地限制了反刍动物对其的利用，为提高尿素等NPN的利用率，国内外学者做了大量工作。通过使用脲酶抑制剂，延缓尿素的释放，提高其利用率以充分利用氮源，已日益受到人们的关注；而且在畜禽饲料中使用脲酶抑制剂可有效地降低禽舍内空气中氨气含量，改善环境，进而提高生产性能。本文拟对脲酶抑制剂种类、作用机制及其在畜牧生产中的应用效果进行简要综述。
1 脲酶抑制剂的种类
脲酶抑制剂是指能够直接或间接抑制脲酶活性的一类物质，大体上可分为天然和人工合成两大类，目前使用较多的属人工合成的有机化合物。
1.1 氧肟酸类化合物
常用的有乙酰氧肟酸（Acetohydroxamic acid AHA）和辛酰氧肟酸 （Caprylohydroxamic acid CHA），其中AHA是目前认为最有效的一种脲酶抑制剂，国内外已有工业化合成AHA的成熟技术，我国已批准AHA作为饲料添加剂使用。
1.2 二胺、三胺类化合物
研究较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]和环己磷酰三胺（Cyclo-hexylphosphoryl triamide, CHPT），这类物质化学结构与尿素相似，可竞争性的抑制脲酶活性。
1.3 重金属类
与脲酶活性有关的金属离子包括Cu2+、Fe2+、 Mg2+、 Ba2+、Mn2+、Ag+、Hg+等，其中Mn2+和Ba2+对脲酶有明显的抑制作用，且Mn2+同时又是动物体所必需的微量元素，但饲料中Mn2+的含量过高会影响微量元素的平衡及其它酶的活性。
1.4 丝兰提取物
丝兰提取物沙皂素（Sarsaponin）中富含皂苷基和糖基，其中皂苷基可与NH3结合。瘤胃NH3浓度很高时，少量的皂苷可结合大量NH3，NH3浓度低时又可缓慢释放出NH3[1]。
1.5 醌类化合物
常用的有氢醌（HQ）和对苯醌。脲酶分子中的巯基对其活性具有重要意义，HQ可将脲酶中的巯基氧化成二硫桥，降低脲酶的活性，它是国内外普遍应用的土壤脲酶抑制剂。近年来用作动物饲料的脲酶抑制剂的报道逐渐增多。
1.6 异位酸类化合物
包括异丁酸、异戊酸和异已酸等支链脂肪酸及一种胺磷酸，此类物质对瘤胃微生物脲酶有强烈的抑制作用，而不影响瘤胃内有机物的消化和挥发性脂肪酸的浓度与比例。
1.7 多聚甲醛
此类物质是在反刍动物中使用较普遍的一种瘤胃脲酶抑制剂，它可使瘤胃脲酶失活而使尿素等含氮化合物分解速度减缓。
2 脲酶抑制剂的作用机制
2.1 脲酶的性质
脲酶又称尿素酶，其系统命名为尿素酰胺水解酶（urea amidohydrolase），是由微生物产生的一类酶蛋白。其相对分子量为12 000～13 000，广泛存在于土壤、豆类籽实以及动物消化道内。当pH值6.0～8.0时活性最高，失活温度为70℃；有水存在时，脲酶能将尿素分解为氨和二氧化碳。脲酶还能与少数几种尿素的衍生物（羟基尿素和二羟基尿素）发生反应，专一性较强。
2.2 脲酶抑制剂的作用机制
动物体内氨的来源是多方面的，主要可分为两类：一类是内源氨氮，主要是尿氮和粪氮，它们是蛋白质代谢过程中产生的氨，是正常的生理代谢产物，一般量较少，而且很快会在肝脏中被合成为尿素，并经肾脏排出体外；另一类是外源氨氮，如饲料中添加的尿素等NPN产生的氨。尿素在反刍动物体内的分解速度很快，产生大量的氨不能被瘤胃微生物利用，从而极大的降低了动物对氮的利用率，也易引起氨中毒。脲酶抑制剂可通过抑制肠道的脲酶活性减缓尿素等外源氨的生成量从而达到控制动物体内氨浓度过高的目的，同时这也是控制畜禽养殖场空气污染的有效途径。脲酶抑制剂种类不同，其对脲酶的作用机制也不相同，大体分为两个途径：一是使脲酶结构发生变化，而使脲酶变性失活，此类抑制剂包括重金属盐类和多聚甲醛；二是与脲酶的活性中心相结合，使之失活，从而达到控制氨气释放的作用，这类物质包括异位酸类化合物及丝兰提取物沙皂素等。例如AHA对瘤胃脲酶的抑制属于非竞争性抑制，其分子内部为羟胺结构，其活跃的氢和羟基基团与脲酶分子结构中位于金属镍附近的巯基结合，使巯基氧化成二硫桥（-S-S-），使脲酶的活性降低。但这种抑制是可逆的，这就保证尿素在瘤胃中被脲酶作用水解，缓慢释放氨以满足瘤胃微生物增殖对氮的需要。
3 脲酶抑制剂在畜牧生产中的应用效果
3.1 节约蛋白质饲料，降低饲料成本
这包括两方面的含义：第一，添加尿素可代替部分价格较贵的饼粕类蛋白质饲料，节约了蛋白质饲料，降低饲料成本。脲酶抑制剂的使用可提高尿素的利用率。饲料中添加皂甙可降低瘤胃NH3浓度，提高NH3利用率和微生物蛋白合成量[2]。 Hristov等报道，沙皂素可增加菌体生成量，减少气体产生量，提高饲料转化率[3]。左福元等研究表明，脲酶抑制剂减缓了山羊瘤胃内氨的释放速度，提高了氨的利用率，尿素氮可取代山羊精料补充料中的总氮量的47％。周建民采用人工瘤胃的方法对脲酶抑制剂的作用进行研究，若一头奶牛饲喂150g尿素，其中67%的尿素用来合成微生物蛋白，剩余的氨进入肝脏合成约49.5g尿素，随尿排出体外。当用脲酶抑制剂控制脲酶活性时，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从49.5g减少到24.5g,降低50.5%[4]。第二，即使日粮中不含尿素，使用脲酶抑制剂，同样具有增加微生物蛋白质合成量，节约蛋白质饲料的效果。这是因为约80％的蛋白质在瘤胃内降解成氨，同样也受脲酶催化，而瘤胃微生物利用氨的速度相对较慢，导致两种速度不协调而使大量氨不能被微生物利用造成氮源浪费。脲酶抑制剂的添加降低了氨的释放速度，更多的氨可以与糖代谢产物酮酸相结合，组成合成微生物蛋白所需的各种氨基酸，从而使得整个饲料的消化吸收利用率得以提高。另一方面，饼粕类蛋白质在瘤胃内的降解率常在70%以上，降解后产生的氨约有80%被转化成微生物蛋白质，其余20%则在肝脏内合成内源尿素，脲酶抑制剂可提高这部分内源尿氮的利用率，增加微生物蛋白质合成量。
3.2 避免氨中毒或氨应激
牛、羊尿素中毒是饲喂含尿素日粮时常出现的现象。尿素本身无毒，但其分解的NH3和CO2会很快进入血液并迅速积累，若超过一定限度则会引起氨中毒。通常当血氨浓度达1～4mg/100ml时可引起牛中毒；血氨浓度达10～29mg/100ml时可引起牛死亡。反刍动物瘤胃微生物能产生脲酶，其活性相当高，而且较稳定，在瘤胃NPN的分解中起重要作用，可迅速催化尿素水解。据报道，尿素分解产生氨的速度为瘤胃微生物利用氨的速度的4倍[5]，因此单纯或直接使用尿素，既不安全也不方便，添加尿素同时添加脲酶抑制剂不仅可提高氨的利用率，也大大降低氨中毒的危险。齐德生等在牛的含尿素日粮中，按每千克干物质加入150mg AHA，可使瘤胃内尿素分解速度降低42.6％；在体外人工瘤胃培养体系中，按每100ml培养液加入20、40、80mg AHA，可使尿素分解速度分别降低60.8％、59.4％和62.7%[6]。此外，在饲喂尿素饲料时，还必须注意少喂或禁喂如黄豆、豆饼、南瓜、红三叶、开花苜蓿等有较高活性脲酶的饲料，否则会增加尿素中毒的危险，但如果此时使用脲酶抑制剂，就可有效的防止氨中毒或氨应激。
3.3 改善环境
氨是公认的应激源和动物圈舍中最有害的气体之一。氨可诱导家禽、猪及实验动物多种呼吸道疾病的发生，单胃动物饲养在高浓度氨环境中，呼吸道支原体、病毒、细菌继发性感染加重。鸡对氨格外敏感，在5mg/kg氨的长期作用下，鸡的健康会受到影响。脲酶抑制剂在肠道内作用于脲酶的活性中心使之失活，并随粪便一起排出体外继续发挥作用，能降低畜禽圈舍中的氨气浓度。目前，丝兰提取物和其除臭剂（如除臭灵）的除臭效果在大量的试验中得到了证实。如在猪饲料中添加丝兰提取物，结果畜舍内氨的浓度6周内持续下降[7]。孙得发等试验表明，使用不同浓度（60，90，120mg/kg）脲酶抑制剂饲喂的肉仔鸡，其环境氨气浓度随时间增长呈快速上升的趋势，但各脲酶抑制剂添加组与对照组相比均极显著地降低了人工气候舱内的氨气浓度（P<0.01）[8]。中国农业科学院畜牧研究所研制的脲酶抑制剂饲料添加剂经过了急性毒性、慢性毒性、“三致”试验等药理检测, 大量的试验证明对奶牛、肉牛、肉羊无残留和无毒副作用, 而且可以消除家畜粪便臭味, 控制规模化饲养所造成的环境污染[9]。此外，在畜禽粪便中直接喷洒脲酶抑制剂也可达到控制环境氨污染的目的。
3.4 防治肉鸡腹水症
许多文献报道，肉鸡腹水症的发生与肠道氨密切相关。在饲料中添加脲酶抑制剂可以降低肉鸡小肠及大肠内脲酶活性和氨含量。氨浓度的降低可使肠粘膜的更新率及门静脉回流器官耗氧量降低。这些组织耗氧量的降低可提供额外的氧以应付腹水症带来的应激, 使死亡率降低。美国阿肯色州立大学的研究小组发现，在日粮中添加125mg/kg脲酶抑制剂后，肠道内氨浓度平均下降49.4％。张万顺等采用在每千克饲料中添加脲酶抑制剂（由美国DPI公司提供）125mg、除臭剂120mg的饲料饲喂肉鸡，与对照组比较，腹水症发病率和死亡率分别下降12.1%和12.65%[10]。
3.5 提高生产性能
张倩等在日粮中添加一种脲酶抑制剂提高了育肥牛的生长性能和饲料转化率[11]。叶玉忠等对利用脲酶抑制剂饲喂小肥牛的增重效果进行比较试验，试验组牛的头均总增重、平均屠宰率比对照组分别提高50％和1.49％，差异极显著（P<0.01）[12]。赵英春等报道脲酶抑制剂属营养型瘤胃调控剂，能调节奶牛瘤胃微生物的代谢，增加纤维素的消化率和微生物蛋白的合成，可以提高产奶量22.8％，提高乳脂率0.07％[13]。左福元等在无豆饼日粮条件下使用HQ作脲酶抑制剂，奶牛的平均日产奶量可增加1.78～1.85kg，提高8.73%～9.07%[14]。
4 结语
脲酶抑制剂作为一种新型饲料添加剂在国外（如美国、加拿大等）的应用已较为广泛，近年来在国内也开始重视脲酶抑制剂的合成与应用研究。脲酶抑制剂己被列为我国农业部和科技部的推广项目，成为跨世纪新技术的重点工程之一。脲酶抑制剂的开发使用将对我国高效农业提供新的技术保证，对于调整畜牧业产业结构，大力发展草食家畜养殖具有重要意义。以后的研究方向主要在以下几方面：①目前有些脲酶抑制剂对动物的作用机理仍不十分清楚，还停留在表观上，需要深入研究其功能与生理生化机制的关系；②曾有脲酶抑制剂对改善奶牛繁殖机能有一定效果的报道，但其机理尚不明了；③脲酶抑抑剂对其它营养物质的消化率和氮代谢是否存在互作效应；④应多研制开发脲酶抑制剂的新品种、降低其使用成本。
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14 左福元，苏宁，曾子建，等.氢醌在奶牛饲养中的应用研究[J] .西南农业大学学报,2002,24(4):368～371
（编辑：刘敏跃，lm-y@tom.com）
陈阿琴，浙江大学饲料科学研究所，在读博士，310029，浙江省杭州市秋涛北路164号。
杨志刚、俞颂东，单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期：2005-07-18
