脲酶抑制剂在反刍动物饲养中的应用

1    尿素、脲酶与脲酶抑制剂概述

1．l尿素

反刍动物瘤胃微生物能利用非蛋白氮（non－protein nitrogen，NPN）作氮源合成菌体蛋白质而被动物利用。在反刍动物饲养中最常用的NPN是尿素（亦称脲）。脲的含氮量高，约为46％。1kg尿素的含氮量大约相当于2．8kg粗蛋白质的含氮量，或者相当于6．5kg豆粕中所含粗蛋白质的量。可见，尿素对反刍动物是一种廉价的氮源饲料资源。

反刍动物之所以能够利用尿素，是由于反刍动物瘤胃内的细菌能产生脲酶（亦称尿素酶人在晚酶的催化下，尿素被水解为氨和二氧化碳。瘤胃微生物利用尿素分解释放的氨和饲料中碳水化合物的分解产物结合形成氨基酸，进而合成微生物蛋白质。这些菌体蛋白质进入真胃和小肠后被消化吸收，用以合成动物体及其产品的蛋白质。

1.2 脲酶

脲酶（urease，EC 3．5． l．5），又名尿素酰胺水解酶（urease amidohydrolase），它催化非肽键的直链酰胺的C～N键水解，为专属性酶类。脲酶在有水的情况下可将尿素分解为二氧化碳和氨：

这种反应具有绝对专一性。脲酶一般只催化尿素水解。少数几种尿素的衍生物（如羟基尿素和二羟基尿素）也可被脲酶催化水解，但酶催化活力大为降低。

脲酶的最适pH值为6．4～6．9。在20～50℃的温度范围内，脲酶都很活跃。

反刍动物瘤胃微生物可产生脲酶，其活性相当高，而且较稳定，在瘤胃内NPN的分解中起重要作用。瘤胃中能产生脲酶的细菌多是严格厌氧的细菌，如丙酸杆菌（Propionibacterium sp．）、厌氧拟杆菌（Bacteroides sp．）、瘤胃球菌（Ruminococcus sp．）牛链球菌及厌气乳酸杆菌等。据报道，用干草、大麦与尿素喂羊，在瘤胃中分离出的细菌中有35％的细菌可产生脲酶（Jones等， 1964）。

1．3  脲酶抑制剂

瘤胃微生物产生的脲酶可催化尿素迅速水解为氨。据报道，每1千克瘤胃内容物在lh内可将1g尿素分解产生氨，即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。尿素的分解速度过快，产生大量的氨不能被瘤胃微生物利用，致使尿素的利用效率降低，而且蓄积过多的氨被瘤胃壁及后段胃肠道吸收入血后来不及经肝脏转化，从而易引起动物氨中毒。可见，反刍动物对尿素利用的主要限制因素是尿素在瘤胃内胭酶作用下降解为氨的速度过快。因此，尿素缓释技术的研究是当前反刍动物营养研究的一项重要课题。尿素缓释技术包括诸多方面，其中脲酶抑制剂（urease inhibitor）是一项具有良好应用前景的技术。

脲酶抑制剂的种类很多。目前认为比较有效的腿酶抑制剂有：①氧肪酸类化合物（hydroxamaicacids），如乙酸氧肟酸（AHA）、辛酸氧肟酸（CHA）等；②金属离子，如 Mn²⁺和 Ba²⁺等；③其它，如氢醌、苯磷酸化合物，四硼酸钠等。

2脲酶抑制剂的作用机理

脲酶抑制剂的种类不同，其对脲酶抑制作用的机理也不尽相同。目前认为氧肪酸类化合物（特别是乙酸氧肪酸）是脲酶最有效的抑制剂（Mapadevan，1976）。

乙酸氧肟酸（acetohydroxamic acid， AHA）的化学名称是 N一羟基乙酸胺，分子式为  H_３－ CO－ NHOH，分子量为63。乙酸氧肟酸分子内具有羟胶结构（－NHOH），其活跃的氢和羟基基团与脲酶分子结构中邻近金属镍（Ni）的巯基（－SH）结合，形成脲酶抑制剂－脲酶二元复合物，结果使脲酶的活性受到抑制。但是，由于脲酶抑制剂不是结合在脲酶活性中心的结合基团上，而是结合在脲酶活性中心的催化基团上，因此脲酶抑制剂一脲酶二元复合物并不排斥脲酶与底物（即尿素）的结合，只是能阻止脲酶的催化作用。

可见，乙酸氧肪酸脲酶抑制剂对脲酶产生的抑制作用属于非竞争性抑制作用，即抑制剂不影响脲酶与底物（尿素）的结合，不改变脲酶的米氏常数（Km）（即不改脲酶与底物的亲和力），只是降低脲酶催化底物的反应速度（V）。脲酶抑制剂的这种抑制作用是可逆的，它只是脲酶活性降低。这样就能保证尿素（外源尿素和内源尿素）在瘤胃中仍能被脲酶催化水解，缓慢地释放氨以满足瘤胃微生物增殖对氨氮的需要。

Makker等（1981）研究了乙酸氧肪酸（AHA）在体外对脲酶活性的影响，发现当AHA的浓度为 1×10^-６M、6×10^－５M和 １×10^－３M时，使脲酶的活性分别降低11％、 50％和 74％，并且在使脲酶活性抑制50％时，AHA的浓度不影响瘤胃中纤维素酶和蛋白酶在体外的活性。Walker （1994、1996）报道，用125mg／kg的脲酶抑制剂可使瘤胃内氨浓度降低49．4％。

齐德生、于炎湖等（2002）用脲酶抑制剂（AHA）进行的试验表明，脲酶抑制剂（AHA）对牛瘤胃微生物脲酶活性有明显的抑制作用，使尿素的分解速度显著降低。该试验在牛含尿素的日粮中，按每千克于物质加入150mg脲酶抑制剂，可使瘤胃内尿素分解速度降低426％；在体外人工瘤胃培养体系中，按每 100ml培养液加入20、40、80mg脲酶抑制剂，可使尿素分解速度分别降低 60．8％、59．4％和 62．7％．

3脲酶抑制剂的应用效果

在反刍动物饲养中应用脲酶抑制剂的效果主要体现在以下两方面：

3．1提高尿素等非蛋白氮饲料的利用效率和安全性

反刍动物利用尿素等非蛋白氮饲料时，由于尿素在瘤胃内分解速度过快，远远超过瘤胃微生物的利用能力，不仅降低尿素的利用效率，而且还容易导致动物氨中毒。应用脲酶抑制剂是解决这两个问题的有效方法。

应用脲酶抑制剂可以抑制瘤胃中脲酶的活性，减缓瘤胃中尿素的分解速度，使氨的释放速度与瘤胃微生物利用氨的速度保持同步和相对平衡，提高瘤胃微生物对氨氮的利用效率，增加微生物蛋白质的合成量，从而可以使反刍动物对氮的利用效率提高，节约蛋白质饲料，提高动物的生产性能。据周建民（1999）估算，当奶牛日粮中添加尿素时，应用脲酶抑制剂可使尿素氮利用率提高16．7％，因而能增加瘤胃微生物蛋白质合成量25％。

尿素饲喂过量或饲喂方法不当时，在瘤胃中迅速分解出大量氦，致使瘤胃液的pH值增大，大量的氨通过瘤胃壁进入血液。如果血液中氨的浓度超过肝脏将氨转化为尿素的能力时，血氨浓度即升高。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。因此，在饲喂尿素时，为安全起见，可应用脲酶抑制剂，它能有效地控制尿素在瘤胃内爆发式释放氨，从而可防止动物氨中毒的发生。

3．2提高瘤胃中内源尿素的利用效率

瘤胃中尿素的来源除了外源尿素（即日粮中外加的尿素制剂），还来源于内源尿素的再循环。瘤胃微生物将饲料蛋白质和尿素等分解后产生的氨，一部分被瘤胃微生物利用而合成微生物蛋白质；另一部分经瘤胃壁及后段胃肠道吸收入血并运送至肝脏，在肝脏内经鸟氨酸循环转化为尿素。这种内源尿素一部分通过血液循环分泌于唾液内，随唾液重新进入瘤胃；另一部分通过瘤胃及后段胃肠道上皮扩散到瘤胃及后段胃肠道内；还有一部分经肾脏随尿排出体外。进入瘤胃的尿素，又可被瘤胃微生物分解利用。

 豆粕、菜籽粕、棉籽粕等饼粕类饲料蛋白质在瘤胃内的降解率通常在70％以上，降解后产生的氨约有80％被转化成微生物蛋白质，其余的20％则在肝脏内合成内源尿素。今假设奶牛每头每日摄入饲料的粗蛋白质为1．５kg，即使日粮中不添加尿素，由于内源尿素循环，奶牛的瘤胃内仍然会有约60～70g内源尿素。如果此时应用脲酶抑制剂，则可提高内源尿素的利用效率，增加微生物蛋白质合成量。可见，在反刍动物饲养中即使不喂尿素，应用脲酶抑制剂也是有益的。

4 结语

脲酶抑制剂作为一种新型的饲料添加剂在国外（如美国、加拿大等）的应用已较为广泛。国内近年也已开始重视脲酶抑制剂的合成与应用研究。从目前研究和应用的情况来看，氧肪酸类脲酶抑制剂的应用效果较好，操作简便易行，成本也不高，因此是一种有开发应用前景的饲料添加剂。今后应进一步对此类脲酶抑制剂应用的相关问题开展研究，使其更加完善。同时应进一步研制和筛选更多、更有效的脲酶抑制剂，以便在提高反刍动物生产力方面取得更好的成效。