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中国饲料生物技术研究进展及发展方向

  饲料生物技术及微生物发酵工程的发展水平是国家饲料工业高科技发展程度的重要标志。应用生物工程技术,提高饲料工业的技术水平和企业的生产水平,符合经济全球化和竞争国际化发展战略及对策的需求。针对我国存在人畜争粮。饲料利用率低、大量秸秆浪费、饲料安全卫生质量差、饲料发酵工业技术落后、产品少等问题,“九五”以来在我国“863”项目。攻关计划、自然科学基金等课题资助下,通过高效、优质新产品的选育,发酵工程新技术新工艺的研究,有效提高了我国饲料生物技术和微生物发酵工程产品及其企业的整体水平,提高饲料的利用效率,增强我国饲料行业和畜禽产品的市场竞争力。
  一、中国饲料工业国情背景
  饲料和粮食生产一直是我国国民经济的薄弱环节。由于受人口膨胀、耕地减少和肉食品消费增加的三重制约,我国粮食供需平衡十分脆弱、我国人均占有耕地不足1.3亩,占有粮食一直在 400千克以下,其中粮食总产量的40%左右用于饲料生产,发达国家这个比例为70%-80%。在耕地和水资源长期紧缺的情况下,我国粮食产量已很难提高。发展高效饲料工业,提高粮食向畜牧产品的转化效率和饲料的利用率,是满足人民对肉、禽、鱼、蛋越来越大的需求量的最佳途径。
  饲料占养殖业生产成本的70%左右,是畜牧业科技进步的主力军。应用全价配合饲料可以提高粮食20%-100%的利用效率。1998年我国饲料工业总产量达5600万吨,居世界第二位,产值1290亿元,在国民经济40个行业中排名第19位。我国饲料工业科技发展的方向和急需解决的重大问题有以下几点:
  第一,由于精饲料原料资源短缺,开发非常规饲料特别是微生物发酵饲料,发展反刍动物,提高肉食产品,成为非常重要的议题。其中利用农副产品生产酵母培养物,利用农作物秸秆、牧草、水生饲料等生产青贮饲料是饲料资源开发的重点。新型微牛物发酵菌种的选育、引进和发酵工艺的改进是此类产品技术进步的关键。
  第二,国产饲料添加剂品种少,技术落后。我国的饲料上业于二十世纪80年代才开始起步,1985年以后进人快速发展时期,1998年配合饲料产量比1990年增长了80%。但是科技发展水平和产品技术含量滞后于配合饲料产量的增长,这将影响到我国饲料行业的可持续发展。问题主要表现在国产饲料添加剂品种与数量的不足,特别是生物技术发酵产品的品种少、水平低。1999年全国有饲料添加剂生产厂家1000多家,年产量230多万吨,产值约200亿元。饲料添加剂高附加值原料进口量 1997年为 7.o1万吨,耗用国家外汇 5000多万美元。
  第三,饲料转化效率低,饲养周期长,饲料加工和养殖水平落后于世界先进水平。如肉鸡的料肉比世界先进水平为 (1.6-19):1,我国为(2.5-3):1;蛋鸡的料蛋比世界先进水平为(2.3-2.5):1,我国为(2.7-3):1;生长育肥猪的料肉比世界先进水平为(26-29):1,我国为(3.1-3.5):1。饲料转化率低造成对资源的巨大浪费。新型饲料添加剂特别是酶制剂的研制开发是提高饲粮利用率的关键。
  第四,饲料安全问题严重,产品卫生质量不够。饲料安全直接关系到人类健康。近年来,因饲料安全引发的事件时有发生。1999年5月比利时发生的致癌物质二恶英污染饲料事件;欧洲使用肉骨粉饲料导致的疯牛病事件;我国部分饲料厂商非法添加p一兴奋剂,导致的供港猪大幅减少;欧盟以中国饲料中用药过滥,残留超标等原因于1996年9月停止进口中国的禽肉及其它相关产品。这一系列事件表明,人类要求的是绿色保健食品。新型高效绿色饲料添加剂是解决这一问题的最佳途径。
  二、饲用发酵工程产品技术发展趋势
  饲用微生物发酵工程技术和产品在解决饲料工业难题上有着无与伦比的优点和巨大的发展潜力,是当前国内外的研究重点和发展方向。通过微生物发酵技术和酶制剂创造新产品、新技术和新工艺,与饲料生产相关企业和养殖业结合,组成一条龙联合攻关队伍,形成具有展示效应的技术与产品,是饲料生物技术研究的主要任务。目前具有较好研究基础和潜力,又能解决饲料工业难题的发酵工程技术和产品主要有:
  1、 微生物发酵饲料及发酵添加剂
  微生物发酵饲料上要是酵母产品。国外生产的酵母产品主要有:活性干酵母,酵母培养物,营养性酵母和酵母制品(如酵母提取物、酵母自溶物)、其中用于饲料工业的主要是营养性酵母和酵母培养物。我国的酵母类饲料产品主要有饲料酵母和酵母饲料。饲料酵母是真正的单细胞蛋白,每克细胞数大约80-100亿,而酵母饲料目前掺杂使假严重,没有严格标准。
  酵母培养物是一种独特的酵母产品,由特定的酵母菌种按特定的工艺和培养基进行发酵而形成。它在美国已存在50多年,是一种被广泛接受的饲料产品。它含有一定的活性
  酵母,但不是主要成分,其主要的使用价值在于酵母细胞在培养基中产生的代谢产物和胞壁甘露寡糖。它在配合饲料中添加量在l%-10%。甘露寡糖对蛋鸡在炎热季节维持采食量特别有用,有助于种母鸡增加蛋重和老年母鸡维持良好的蛋壳品质,提高饲料利用率,可提高种母鸡产蛋数3-5个,提高孵化率。因此应用领域非常广阔。
  发酵饲料的另一个产品是青贮饲料,它是反刍动物的主要粗饲料。1985年以来,农业部重点推广青贮饲料技术,取得巨大成绩。近15年来青贮技术中关于微生物青贮接种剂的研究与应用一直处于最为重要的地位,在美国注册入市的微生物青贮添加剂有140多种,欧洲也有80多种。北美和欧洲国家青贮饲料制作已经广泛使用微生物青贮添加剂,其效果已经为研究和生产领域所确证和接受。传统青贮技术在青贮过程中营养物质损失大,开客后易腐败。微生物青贮剂能够控制青贮饲料发酵模式,减少青贮饲料损失,改善青贮饲料适口性。我国的青贮添加剂技术的研究与应用方面还十分薄弱,迫切需要加强。
  2、微生物富集有机微量元素
  饲料中的微量元素长期以来均以无机盐的形式添加,其稳定性差,容易与维生素、草酸、植酸等发生反应,生物利用率低,也降低维生素的生物效价。而增加微量元素的添加量,则造成资源浪费。近年来,不同来源的有机态微量元素特别是微生物富集的微量元素逐渐被采用。大量试验表明,微生物富集微量元素较之无机态不仅吸收利用率高,而且对增进动物健康,提高生产性能,减少应激等方面均起很大作用。如无机硒主要为亚硒酸钠,饲料中直接添加时会降低猪鸡的抗应激能力,转群运输屠宰时易导致血管壁破损,形成肌肉出血点,影响生长和肉质。若混合不均、局部浓度过高时则有剧毒。再如+3价铬是人和动物组织中葡萄糖耐受因子的重要组分,对人畜的耐力、抗应激能力很重要、而制革工业、电镀工业中用的+6价铬有毒,是环境污染的元凶。利用酵母和真菌可以将+6价铬转化为+3价铬,变毒为宝。因此结合金属废液排放企业的环保治污工程进行微生物富集微量元素,具有双重效应。
  3、微生物酶法生产维生素
  泛酸钙作为维牛素饲料添加剂,在畜禽养殖中具有重要的作用。目前国内饲料用泛酸钙生产量为1600吨。生产泛酸钙关键中间体泛解酸内酯需要拆分,有方法三种:其中化学拆分法的缺点是拆分剂太贵,成本高,分离困难,还有毒性和环境污染问题;诱导结晶法直接生产D-泛酸钙,收率低,纯度差,成本高,生产量小;生物法拆分主要指微生物酶法。最近国内筛选得到了能高产D一泛解酸内酯水解酶的微生物菌株,进行了DL一泛解酸内酯中间体拆分,产品质量能满足D一泛酸钙的生产要求,技术可以产业化,也有益于环境。
  4、饲料酶制剂
  植物性饲料原料中大约60%-80%的磷以难溶的植酸磷形式存在,鸡、猪等对其消化率非常有限,一般只能利用15%左右。这在饲喂过程中造成许多问题:①造成磷源浪费。一方面饲料中的磷源不能有效利用,另一方面猪鸡日粮中需要添加无机磷以满足营养需要,提高了饲料成本;②形成高磷粪便,造成环境污染。饲料中85%左右的植酸磷会被动物直接排出体外,污染水和土壤。③植酸与钙、锌、铜等离子络合还造成多种微量元素利用率下降。
  植酸酶可以降解饲料中的植酸牛成可为畜禽利用的磷酸。仔猪日粮中添加 500 IU/kg的植酸酶,可以替代75%的磷酸氢钙,并可促进猪的生长,提高饲料转化效率和经济效益,减少环境污染。蛋鸡、蛋鸭需要从日粮中摄取大量的钙磷以生成蛋壳。饲料中添加植酸酶可提高蛋禽对有机磷的利用效率,替代部分或全部磷酸氢钙,提高效益,减少污染。
  中国草食动物的大规模饲养必须依赖于农作物秸秆的高效利用。秸秆表面脂质和内部的木质素是降解关键。在豆科牧草、米糠、玉米、饼粕、秸秆等,其表面脂质是重要的抗营养因子。这是因为:①脂质本身是最能消化的营养成份,消化在油脂/水界面上进行,消化时间长,还需要胆酸盐的帮助。②动物本身的脂肪酶主要由肝脏和胰腺分泌,进人消化道较晚,对长链饱和脂肪酸酯特别是秸秆表面的蜡质降解能力弱。③脂质一般包裹在这些饲料原料的表面,使其具有很强的疏水性,排斥其他消化酶接触底物,大大降低总消化率。④我国在秸秆青贮和氨化时,机械前处理能力较差,切碎后秸秆原外表面积仍然占总表面积的一半以上,秸秆内纤维暴露程度低,这样瘤胃消化酶不能充分接触底物,延长消化时间,降低消化率。
  利用微生物酶制剂,消除和降解饲料原料中的抗营养因子是提高消化率、节约饲料的关键。在合全脂米糠、高油玉米、草苜蓿粉、血粉、饼粕等的饲料中添加脂肪酶,可提高表观消化能5%-11%,提高猪禽增重速度4%-10%,提高饲料利用率2%-7%,减少粪便排泄量。我国年产米糠1000万吨,使用脂肪酶后相应节约的消化能相当于50-100万吨玉米。在青贮添加剂中,国外很多使用酶制剂特别是耐酸性脂肪酶,提高秸秆生物学价值,经济和社会效益更为巨大。
  三、中国饲用发酵工程产品的发展水平
  酵母培养物在一次发酵后再经过团相二次发酵富集酵母代谢活性物质,发酵产物可促进瘤胃纤维素降解率20%,提高奶牛产奶量3%-8%,用液相加固相的工艺发酵生产,可显著降低成本和废水排放量。它含有的甘露寡糖可显著降低腹泻,替代抗生素,对于促进猪、鸡、牛、羊生产贡献大,因而有较高的附加值。在资源开发上,酵母培养物因可提高反刍动物瘤胃发酵效率,因而对我国牛羊牛产有重大意义。目前国内的酵母饲料因质量差,售价一般仅为1000-2500元/吨,而美国达农威的酵母培养物在国内的售价为7000-8000元/吨。国产酵母培养物生产成本在2000-2500元/吨,定价在3500-5000元/吨,将能充分抢占进口市场,经济、社会效益)分显著。
  秸秆养畜在我国已被作为基本国策颁布实施。我国每年生产5.7亿吨秸秆,随着青贮和氨化秸秆技术的大面积推广,已有25%的秸秆被作为饲料使用。1995年制作秸秆青贮7513万吨,氨化秸秆2150万吨,2项共节约饲料用粮1890万吨。在青贮饲料8000万吨中,需微生物青贮剂(添加量OS%计)40万吨。微贮添加剂已选育了青贮饲料发酵用的发酵菌种,确定了青贮剂加工工艺、配方和产品检测方法。2000吨发酵试验证明,微贮添加剂可提高青贮秸秆乳酸含量10%,降低pH值0.25,大大提高青贮料的质量和稳定性。因而推广应用前景极为广阔。
  我国配合饲料中铁、锌、铬、硒年需要量为12万吨左右,按有机态铁、锌、铬、硒的生物利用率比无机态提高5%-10%计,则每年可节约铁、锌。铭、硒1万吨以上。微生物富集有机微量元素工程技术已受国家自然科学基金前期资助。课题从食用及饲用真菌菌株中选育出富集铁锌能力强(含量分别达到 6380 mg/kg和 5900 mg/kg)的优良菌株,明确其最佳富集条件和铁锌存在的形式以及在动物体内代谢利用的机制。该课题的研究成果已经申请国家发明专利。
  微生物酶法生产D一泛酸钙技术已完成了微生物酶法的中试(中试规模1吨发酵罐)研究,筛选到产D 泛解酸内酯水解酶的微生物菌株,建立了底物和产物的简单检测方法;分离出D-泛解酸并进行内酯化反应制备出D-泛解酸内酯。国内外文献检索查新认为:国内尚无生物技术方法拆分泛解酸内酯的研究报道,国外仅日本第一制药公司采用相同的技术路线,本项研究处于国际先进水平,具有我国自主产权,相关技术已中请专利。
  四、饲料生物技术成就突出
  低聚精是指2一川个单糖通过糖甘键连接起来形成的直链或具支链的一类糖的总称。甘露低聚糖。异麦芽低聚糖、低聚果糖、低聚木糖及低聚氨基葡萄糖等低聚精除了具有低甜度、低热量、稳定、安全无毒等良好的理化特性外,还是非常有效的双歧杆菌促生长因子,是珍贵的益牛物质,并有望取代抗生素用作饲料添加剂防治疾病。“八五”、九五”国家攻关计划支持的“酶法生产低聚精”课题,利用高效生物反应器技术、高效酶转化技术进行了低聚糖的酶活生产,取得多项成果。其中“低聚果糖生产”、“碱性p-甘露聚糖酶的生产方法’已申请中国专利,“新型肝甘露聚糖酶的研制’荣获2000年国家科技发明二等奖。
  “九五”国家科技攻关专题“发酵法生产维生素”,建立了一条年产10吨麦角固醇的生产线,生产成本降低20%以上。开发了新型荧光灯材料及光转化反应器,用于维生素D2 光化反应;优化了工艺路线,完成中试,为生产提供充分和有效的工业化参数。建立新的高效层析分离精制工艺,为光照反应器配套,维生素D2 吸收率达到38%-40%,为我国建立年产20-50吨生产线提供基础设计。此项研究成果2000年获得国家计委牛物技术产业化专项支持1亿元,以实施产业化生产。
  酶制剂开发中最大的难题,是表达产量低,牛产企业效益差。用基因工程方法,特别是毕赤酵母来表达植酸酶,“九五’期间获得了国家“863”项目的支持,其突出优点是:本身是饲用酵母,安全性好;表达产量高,如重组酸性植酸酶产量可达50万U/mL,较原始菌株提高1000倍以上;表达产物直接分泌到培养基中,具有酶活性,可直接用于生产饲用酶制剂,降低成本,提高效益。重组植酸酶成果1999年获得国家计委生物技术产业化专项支持1亿元,实施产业化生产。相关技术已申请国家发明专利。
  加人WTO后,饲料上业和畜牧业是我国有相对优势的产业,产品的数量需求扩大,产品的质量要求更高、世界饲料工业的发展趋势是:低速增长,竞争加剧,市场向大集团公司集中,产品质量高,安全性和高科技含量更为突出,因此对饲料添加剂的创新性要求更高,产品更新换代加快。研究和应用饲料生物技术微生物发酵产品及添加剂,开发饲料添加剂资源,提高营养元素的消化吸收率,提高饲料生产和养殖企业经济效益,是适应市场国际化需求非常必要的措施,是目前及今后相当长时间的新产品研究发展方向。

点击次数:  更新时间:2011-01-16 11:22:27  【打印此页】  【关闭