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飼料用酶技術助推我國畜牧業實現現代化

文章來源: 日期:2016-06-29

在2015年全國現代畜牧業建設工作會議上,農業部傳達了中共中央政治局委員、國務院副總理汪洋關于發展現代畜牧業的重要批示,并明確今后一個時期加快推進現代畜牧業建設的總體思路和工作重點。

飼料工業現代化是畜牧業現代化重要基礎之一,我國是世界第二大飼料生產國,飼料產業成為我國經濟持續健康發展的一個重要支柱產業。但由于我國人均耕地面積少,同時近年來生物質能源的高速發展,對玉米等資源的消耗增加,用于飼料生產的原料出現了不同程度的緊缺,這已經成為了制約我國飼料產業發展的一個瓶頸問題。

酶是具有生物催化功能的生物大分子,即生物催化劑,它能夠加快生化反應的速度,但是不改變反應的方向和產物。飼料用酶在解決人畜爭糧、養殖環境污染以及為人類提供安全的動物性產品方面有著重要意義,是公認的“綠色”飼料添加劑。飼料用酶不僅可以減少飼料中抗生素及其他化學添加劑的使用, 提供更為安全、優質的動物產品,而且能大幅度減少動物排泄物中的氮、磷等有機物含量, 減少畜禽養殖污染物的排放。同時,它還可以提高飼料利用率并拓展新的飼料資源。

以飼料用磷為例,飼料主要原料(如玉米、豆粕)中所含的磷約40-70%是以植酸磷的形式存在。由于豬、禽等單胃動物消化道內缺乏能分解消化植酸磷的酶,僅能利用原料中磷的20-30%。傳統飼料中需要額外添加磷酸鹽等用來滿足動物生長需要,大部分未被消化的磷從糞便中排出釋放到養殖場周邊環境中。此外,植酸可以通過螯合作用降低動物對鋅、鐵、錳、鈣、鉀等微量元素的利用率,通過與蛋白質結合成植酸復合體而降低蛋白質的消化吸收率,從而使飼料的利用率降低。植酸酶是催化植酸及植酸鹽水解的一類酶的總稱。大量研究表明,在豬、禽的飼料中添加植酸酶,可使飼料中磷的利用率提高40-60%,糞便中磷的排出量減少30-50%。

以植酸酶為代表的飼料用酶已成為飼料業中增長速度最快的產業,且增長空間巨大。然而飼料用酶的性能不能滿足養殖業要求、生產成本高等問題成為其大規模推廣應用的瓶頸。同時與普通工業用酶不同,飼料用酶須同時具備高催化效率、耐受80℃以上的制粒高溫又要在動物正常體溫下有高活性、抗蛋白酶、在強酸性的胃和中性的腸道中均維持高活性等特殊要求。

我國研究人員從飼料用酶的分子生物學基礎性科學問題入手,建立了一套擁有自主知識產權的飼料用酶基礎研究和產品開發技術體系,研發出具有國際領先水平的系列飼料用酶,解決了飼料用酶性能、成本、知識產權和可持續研發等瓶頸問題,使我國飼料用酶迅速發展成為具有國際競爭力及社會、經濟和生態效益顯著的新興產業。

我國科研人員還應用自主研發的技術體系,從新疆冰川和火焰山土樣,動物消化道,酸礦及棉漿廢水等特殊環境中克隆到了十余種飼料用酶的基因片段1388個,全長基因386個。對獲得的飼料用酶新基因進行特性表征研究,發現184個具有特殊結構或性能的新型酶。近年來在GenBank數據庫中注冊的植酸酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶基因相關序列數700余個,占全球同類酶基因注冊總數的30%。我國還在飼料用酶的構效機理和高效表達機制研究方面取得突破,構建了高效的酶分子改良和表達技術體系,解決了酶難以滿足飼料高溫制粒要求,易被胃酸和消化道蛋白酶降解,以及產業化生產成本高等瓶頸問題。國際上首次獲得了集高比活性、耐高溫、嗜酸、抗蛋白酶為一體的綜合性能優越、全面滿足養殖業需求的酶蛋白,并構建了表達水平達10-50g/L級的高效表達技術體系,居國際領先。

由于成功地將飼料用酶研究成果轉化到實際生產中去,目前飼料用植酸酶的國內市場價格僅為1995年國外產品進入我國市場時的4%,添加成本僅為當時的1.4%,利用該飼料用酶技術生產的植酸酶產品占據了國內植酸酶市場份額的90%以上,60%以上的產品實現出口,國外產品基本退出中國市場。多年來,我國植酸酶的研發始終處于國際領先水平,且相關技術已向美國等發達國家輸出。由首次實現規模化生產的單一植酸酶發展為完整的系列產品,廣泛應用于畜禽和水產養殖領域,且技術水平持續提升,如耐90℃高溫的植酸酶技術水平達6.4萬IU/mL發酵液,引領了世界飼料用酶研發的方向。在對植酸酶技術深入研究的基礎上,我國在其他飼料用酶技術上也取得整體性突破,形成了比較完整的多種飼料用酶生產的產業鏈。除植酸酶外,飼料用木聚糖酶、β-甘露聚糖酶、β-葡聚糖酶、α-半乳糖苷酶、葡萄糖氧化酶、果膠酶等多種酶制劑已實現產業化生產。促進了系列飼料用酶的研發與迅速的普及應用,推動了整個飼料酶產業的發展。

目前,通過飼料用酶技術成果的推廣和應用,我國每年節約飼料用糧5000萬噸、磷資源1000萬噸,減少養殖業磷、氮等有機物排放1300萬噸以上,并降低了飼料中抗生素的使用量,實現了經濟效益、社會效益、生態效益“三贏”,對推動飼料產業轉型升級,促進畜牧業提質增效,加快畜牧業現代化的步伐發揮了重要作用。

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