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饲料用酶技术助推我国畜牧业实现现代化

文章来源: 日期:2016-06-29

在2015年全国现代畜牧业建设工作会议上,农业部传达了中共中央政治局委员、国务院副总理汪洋关于发展现代畜牧业的重要批示,并明确今后一个时期加快推进现代畜牧业建设的总体思路和工作重点。

饲料工业现代化是畜牧业现代化重要基础之一,我国是世界第二大饲料生产国,饲料产业成为我国经济持续健康发展的一个重要支柱产业。但由于我国人均耕地面积少,同时近年来生物质能源的高速发展,对玉米等资源的消耗增加,用于饲料生产的原料出现了不同程度的紧缺,这已经成为了制约我国饲料产业发展的一个瓶颈问题。

酶是具有生物催化功能的生物大分子,即生物催化剂,它能够加快生化反应的速度,但是不改变反应的方向和产物。饲料用酶在解决人畜争粮、养殖环境污染以及为人类提供安全的动物性产品方面有着重要意义,是公认的“绿色”饲料添加剂。饲料用酶不仅可以减少饲料中抗生素及其他化学添加剂的使用, 提供更为安全、优质的动物产品,而且能大幅度减少动物排泄物中的氮、磷等有机物含量, 减少畜禽养殖污染物的排放。同时,它还可以提高饲料利用率并拓展新的饲料资源。

以饲料用磷为例,饲料主要原料(如玉米、豆粕)中所含的磷约40-70%是以植酸磷的形式存在。由于猪、禽等单胃动物消化道内缺乏能分解消化植酸磷的酶,仅能利用原料中磷的20-30%。传统饲料中需要额外添加磷酸盐等用来满足动物生长需要,大部分未被消化的磷从粪便中排出释放到养殖场周边环境中。此外,植酸可以通过螯合作用降低动物对锌、铁、锰、钙、钾等微量元素的利用率,通过与蛋白质结合成植酸复合体而降低蛋白质的消化吸收率,从而使饲料的利用率降低。植酸酶是催化植酸及植酸盐水解的一类酶的总称。大量研究表明,在猪、禽的饲料中添加植酸酶,可使饲料中磷的利用率提高40-60%,粪便中磷的排出量减少30-50%。

以植酸酶为代表的饲料用酶已成为饲料业中增长速度最快的产业,且增长空间巨大。然而饲料用酶的性能不能满足养殖业要求、生产成本高等问题成为其大规模推广应用的瓶颈。同时与普通工业用酶不同,饲料用酶须同时具备高催化效率、耐受80℃以上的制粒高温又要在动物正常体温下有高活性、抗蛋白酶、在强酸性的胃和中性的肠道中均维持高活性等特殊要求。

我国研究人员从饲料用酶的分子生物学基础性科学问题入手,建立了一套拥有自主知识产权的饲料用酶基础研究和产品开发技术体系,研发出具有国际领先水平的系列饲料用酶,解决了饲料用酶性能、成本、知识产权和可持续研发等瓶颈问题,使我国饲料用酶迅速发展成为具有国际竞争力及社会、经济和生态效益显著的新兴产业。

我国科研人员还应用自主研发的技术体系,从新疆冰川和火焰山土样,动物消化道,酸矿及棉浆废水等特殊环境中克隆到了十余种饲料用酶的基因片段1388个,全长基因386个。对获得的饲料用酶新基因进行特性表征研究,发现184个具有特殊结构或性能的新型酶。近年来在GenBank数据库中注册的植酸酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶基因相关序列数700余个,占全球同类酶基因注册总数的30%。我国还在饲料用酶的构效机理和高效表达机制研究方面取得突破,构建了高效的酶分子改良和表达技术体系,解决了酶难以满足饲料高温制粒要求,易被胃酸和消化道蛋白酶降解,以及产业化生产成本高等瓶颈问题。国际上首次获得了集高比活性、耐高温、嗜酸、抗蛋白酶为一体的综合性能优越、全面满足养殖业需求的酶蛋白,并构建了表达水平达10-50g/L级的高效表达技术体系,居国际领先。

由于成功地将饲料用酶研究成果转化到实际生产中去,目前饲料用植酸酶的国内市场价格仅为1995年国外产品进入我国市场时的4%,添加成本仅为当时的1.4%,利用该饲料用酶技术生产的植酸酶产品占据了国内植酸酶市场份额的90%以上,60%以上的产品实现出口,国外产品基本退出中国市场。多年来,我国植酸酶的研发始终处于国际领先水平,且相关技术已向美国等发达国家输出。由首次实现规模化生产的单一植酸酶发展为完整的系列产品,广泛应用于畜禽和水产养殖领域,且技术水平持续提升,如耐90℃高温的植酸酶技术水平达6.4万IU/mL发酵液,引领了世界饲料用酶研发的方向。在对植酸酶技术深入研究的基础上,我国在其他饲料用酶技术上也取得整体性突破,形成了比较完整的多种饲料用酶生产的产业链。除植酸酶外,饲料用木聚糖酶、β-甘露聚糖酶、β-葡聚糖酶、α-半乳糖苷酶、葡萄糖氧化酶、果胶酶等多种酶制剂已实现产业化生产。促进了系列饲料用酶的研发与迅速的普及应用,推动了整个饲料酶产业的发展。

目前,通过饲料用酶技术成果的推广和应用,我国每年节约饲料用粮5000万吨、磷资源1000万吨,减少养殖业磷、氮等有机物排放1300万吨以上,并降低了饲料中抗生素的使用量,实现了经济效益、社会效益、生态效益“三赢”,对推动饲料产业转型升级,促进畜牧业提质增效,加快畜牧业现代化的步伐发挥了重要作用。