紅外尿素氮測定儀的校準及牧場應用數據分析

高星，叢慧敏，張雪林，水明

（北京奶牛中心，奶牛遺傳育種與繁殖北京市重點實驗室，農業農村部奶牛遺傳育種與繁殖重點實驗室，北京 100192）

測定原料乳中的尿素氮（以下簡稱為MUN）不僅可以監測奶牛日糧能氮平衡、蛋白質需要量和氮利用率，還可以作為提高奶牛繁殖性能的指標，加快奶牛遺傳育種進展，因此MUN的測定對奶牛養殖具有重要意義。目前MUN的測定方法主要有酶法和化學法、紅外光譜法[1,2]。酶法是一種間接測定方法，其測定原理主要是通過采用酶處理原料乳后產生的氨的變化來計算MUN值。即利用尿素酶將尿素分解成氨和二氧化碳，之后加入染色液和激活液形成綠色的絡合物，其絡合物顏色的強度與氨的濃度即MUN的濃度成比例。此法雖然操作繁瑣，但是測定準確，靈敏度較高?；瘜W法是通過加入特定化學試劑與尿素反應生成有色物質，然后通過比色法測定，是一種直接測定方法。紅外光譜法是在通過尿素在某一區域出現官能團的特征吸收峰進行測定，其操作簡單，雖然使用的分析儀器價格高，但適合快速分析，是國內外進行奶牛生產性能測定（DHI）時普遍采用的方法。這種物理方法檢測靈敏度低，易受干擾，所以準確性不高，因此需要利用酶法或者化學法的測定值定期對紅外光譜儀MUN測定值進行校準。本研究建立了一種對紅外光譜法快速測定尿素氮儀器（以下簡稱紅外尿素氮測定儀）進行校準的方法，并對校準后的儀器在牧場的大量測定數據進行了應用分析。

1 校準方法

酶法因為考慮了原料乳中氨的空白影響，因此更適合作為紅外尿素氮測定儀的校準方法。本研究通過對生乳進行稀釋和添加尿素的方法得到一個合理的線性濃度范圍，先用酶法進行準確的測定，得到一系列MUN校準值，再對紅外尿素氮測定儀進行校準。

1.1 原料乳的選擇

選擇脂肪含量在5%以下的新鮮原料乳3kg左右進行稀釋或添加尿素。原料乳的MUN值在10mg/dL左右。

1.2 尿素標準溶液的配制

稱取尿素1g左右，加水定容到100mL。計算MUN值的濃度為5.0mg/mL左右（尿素中氮元素的質量分數為46.62%）。

1.3 MUN校準系列溶液的配制

分別移取尿素標準溶液0mL、1mL、2mL、3mL、4mL、5mL、6mL、7mL、8mL至250mL容量瓶中，用選定的原料乳定容至刻度。在另外兩個250mL容量瓶中分別加入50mL水和80mL水，再用選定的原料乳定容至刻度，使得校準系列溶液濃度范圍在6～26mg/dL。這是根據原料乳中的MUN常見范圍以及美國、加拿大、歐洲和我國的參考標準確定的[3]。另外要注意使用酶法定值時不要加入任何防腐劑，避免因為防腐劑帶來的顏色影響定值準確性，因為該法實際是一種比色法。用酶法平行測定以上校準系列溶液得到的校準平均值見表1。

表1 校準系列溶液MUN值 單位：mg/dL

1.4 對紅外尿素氮測定儀進行校準

先使用紅外尿素氮測定儀對1.3中的MUN校準系列溶液進行測定。測定前根據防腐劑在奶樣中的比例加入到校準系列溶液中，主要是考慮與樣品測定時的背景保持一致。因為從牧場采集的原料乳中通常是需要加入防腐劑的，以防止腐敗。然后再根據紅外尿素氮測定儀的校準軟件程序將1.3中的系列校準值輸入儀器，進行校準。校準結果如下：線性方程Y=0.9169X+0.6512，相關系數R2=0.9864。校準結果見圖1。

圖1 MUN校準曲線圖

1.5 校準結果分析

依據線性方程和相關系數，可以看出當MUN濃度范圍在6～26mg/dL時呈線性關系。MUN是DHI的重要指標之一，所以為了保證該數據的準確性，一定要定期開展對紅外尿素氮測定儀的校準工作。建議每1～3個月校準一次。

2 應用紅外尿素氮測定儀對牧場MUN測定數據的分析

北京奶牛中心生產性能測定實驗室使用經過校準后的紅外尿素氮測定儀對首農畜牧旗下管理的牧場和自有牧場測定的MUN數據進行了統計和分析。

2.1 季節因素對MUN值的影響

本研究對2021年全年的MUN數據進行了統計和分析，結果見表2。

表2 2021年MUN數據統計分析表 單位：mg/dL

MUN的群體平均意義大于個體值。根據國外的標準，美國將MUN值標準含量范圍設定在10～14mg/dL；加拿大將MUN值標準含量范圍設定在8～14mg/dL；歐洲將MUN標準含量范圍設定在15～30mg/dL。由于我國在粗飼料質量方面與國外有一定差距，導致能氮不平衡，氮利用率低，使得MUN可能偏高，目前參考標準是10～18mg/dL。結合圖表中全年的數據可以看出，基本都在正常范圍內，只是夏季6月份和7月份的MUN值會偏低一些。作為反映日糧蛋白質供需平衡和日糧能氮平衡的指標，低MUN表示低的總蛋白吸收。如果是因為個別牧場日糧蛋白質不足，應該不會導致全部牧場的MUN值偏低，而且是6月份和7月份連續兩個月都比較低。這可能是因為夏季高溫導致奶牛群體體內消化酶活性降低，使蛋白質攝入量降低；而冬季牛群為抵抗低溫需要消耗更多能量，從而使蛋白質攝入量增加，氨量也增加[4]。

圖2 牧場MUN值變化趨勢圖

2.2 原料乳中脂肪含量對紅外法MUN測定值的影響

根據《NY/T2659-2014牛乳脂肪、蛋白、乳糖、總固體的快速測定 紅外光譜法》對一些原料乳進行測定之后，根據數據選取不同乳脂率的原料奶，再使用酶法測定MUN值，與紅外法MUN測定值進行比對，結果見表3。

表3 紅外法和酶法測定MUN的結果對比

對兩種方法MUN測定差值進行對比研究時，發現差值與乳脂率呈正相關性（圖3）?？梢钥闯?，隨著乳脂率的升高，紅外法MUN測定值越來越偏高。實際上當原料乳中脂肪含量大于5%以后，紅外法和酶法的測定值就存在不小的差距了，之后隨著乳脂率的升高，兩種方法的測定差值越來越大，在乳脂率為5%～14%范圍內二者呈正相關。這可能是由于脂肪球的存在影響了MUN官能團的紅外特征吸收峰，使得測定值偏高。相對于脂肪、蛋白質和乳糖而言，MUN在原料乳中的含量很低，至少與前者相差100多倍，所以很容易受到這些含量高的大分子物質的干擾。但鑒于乳脂率大于5%的情況并不多見，所以在進行奶牛生產性能測定（DHI）時使用紅外光譜法測定個體牛的MUN還是有一定準確度的。由于本試驗中原料乳蛋白質和乳糖的含量通常都在正常范圍內（2.0%～4.5%和4.0%～6.0%）起伏變動，可以認為具有相似的背景，避免了上述營養成分帶來的背景差異。但同時本試驗結果也無法證明過高的蛋白質和乳糖含量是否會對紅外法MUN測定值有影響，因為很少見到蛋白質和乳糖含量異常的樣品，而脂肪由于采樣不規范或者其他因素會導致一些超出正常區間范圍（2.5%～5.0%）樣品的出現。

圖3 乳脂率與兩種測定方法差值的關系圖

從本試驗中也可以看出，用酶法測定MUN不受原料乳中脂肪含量的影響。黃文明[5]對化學法測定MUN的研究也表明，前處理過程脫脂與否不影響MUN的測定結果。另外Godden[6]、Jonker[7]等從奶牛的飼養環境和生產代謝方面進行的研究結果各不相同，有試驗認為MUN值隨乳脂率升高而降低，呈非線性負相關；也有試驗認為沒有強的相關性。但這些研究結果與本文的研究內容與結果不相沖突。本文是從兩種不同測定方法的角度分析和討論了乳脂率對MUN測定值的影響。

3 結論

通過應用紅外尿素氮測定儀對牧場MUN測定數據分析，證明依據應用本文建立的校準方法定期對紅外尿素氮測定儀進行校準，紅外法可以用于反映牧場的日糧蛋白質水平、氮排泄量狀況等信息。但應考慮季節因素以及個體牛的奶樣中乳脂率大于5%時對紅外法尿素氮測定值的影響。