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1、生物饲料开发国家工程中心主任生物饲料开发国家工程中心主任生物饲料开发国家工程中心主任生物饲料开发国家工程中心主任中国农业科学院饲料研究所所长中国农业科学院饲料研究所所长中国农业科学院饲料研究所所长中国农业科学院饲料研究所所长 我国生物饲料产业发展现状我国生物饲料产业发展现状与未来发展趋势与未来发展趋势蔡蔡 辉辉 益益主要内容生物饲料的未来研究重点生物饲料研发趋势及进展生物饲料概念与意义生物饲料产业开发现状生物饲料概念及意义一、生物饲料的概念与意义什么是生物饲料以饲料和饲料添加剂为对象,以基因工程、蛋白质工程、发酵工程等高新技术为手段,利用微生物工程发酵开发的新型饲料资源和饲料添加剂。广义上，生
2、物饲料应该包括除人工合成的添加剂以外的所有饲料或原料。早期有人提出生物饲料应包括一些新型的蛋白和能量饲料来源，如秸秆、羽毛、昆虫蛋白等。生物饲料 生物饲料生物饲料 是通过基因工程、蛋白质工程、是通过基因工程、蛋白质工程、发酵工程和生物提取等手段开发的发酵工程和生物提取等手段开发的安全高效、安全高效、环境友好、无残留环境友好、无残留的优质饲料和饲料添加剂的优质饲料和饲料添加剂产品的总称。例如饲料酶制剂、抗菌蛋白、产品的总称。例如饲料酶制剂、抗菌蛋白、天然植物提取物等天然植物提取物等 。一、生物饲料的概念与意义什么是生物饲料饲料酶制剂生物药物饲料添加剂饲用氨基酸饲用维生素益生素饲料用寡聚糖植物天然
3、提取物生物活性寡肽饲料用生物色素新型饲料蛋白饲料酶制剂饲用氨基酸益生素生物活性寡肽饲料用生物色素产品种类一、生物饲料的概念与意义什么是生物饲料生物饲料的意义节约粮食，减缓人畜争粮1 1我国的粮食问题主要是饲料粮问题饲料资源严重短缺粮食总产量的38%和约40%的耕地用于饲料，每年仅从国外进口就需4200万吨大豆、100万吨鱼粉等大宗原料。生物饲料产品将为饲料粮的开源节流提供一种有效的新途径工农业废弃物、污染物（秸秆、米糠）消除抗营养因子、提高利用率转化替代饲料资源一、生物饲料的概念与意义生物饲料的意义有助于解决饲料资源及饲料添加剂匮乏的问题2 2蛋白质饲料原料需求量与缺口量年(MT)(MT)需求
4、量缺口量2000201020200204060802000201020200100200300400500(MT)(MT)能源饲料原料需求量与缺口量年我国饲料资源匮乏，供需间缺口大,通过生物技术,可以提高传统饲料粮的品质、开发非传统饲料资源,以及开发、廉价生产新型高效饲料添加剂。一、生物饲料的概念与意义减轻养殖业造成的环境污染3 3应用生物饲料产品可大大减少畜禽排泄物中的有机物、氮、磷等的排出量，从而大幅度减少它们对土壤和水体的污染。粪便(吨 百万只)9,00022,000提高干物质消化率大大减少粪便中有机物的排放量在饲料中使用植酸酶，不但能大大提高磷的利用率、节约磷源，消除植酸磷的抗营养作用
5、、提高动物的生产性能，还能使畜禽粪便中磷的排出量减少4075%,大大减轻江河、水域等环境的磷污染。生物饲料的意义一、生物饲料的概念与意义保障动物产品质量安全4 4生物饲料的意义通过在饲料中应用饲料生物技术产品而减少抗生素等对人体有害的饲料添加剂的使用，对获得优质、安全的动物产品有重要意义。具有控制、预防动物疾病，改善动物健康的作用无毒副作用无残留 绿色添加剂一、生物饲料的概念与意义产生经济效益和良好的社会效益5 5生物饲料的意义生物饲料产品市场潜力大,短时间内可产生巨大的经济效益和良好的社会效益。20151515亿元亿元1717亿元亿元2020植酸酶销售利润2015148148万吨万吨/年年1
6、70170万吨万吨/年年2020磷排泄减少量生物饲料研发趋势及进展二、生物饲料研发趋势及进展国际技术发展趋势1 1学科间的交叉、渗透与结合生命科学前沿技术的发展基因组学、蛋白质组学、生物芯片、转基因动植物、生物信息学等的迅猛发展，加快了农业微生物基因组数据的利用，为生物技术产品研发提供了全新的技术途径高通量筛选、组合代谢工程、高密度表达等农业微生物相关生物技术的发展，以基因（簇）克隆、基因功能分析、代谢途径分析、定向遗传改造为主要内容的研发平台的建立，使饲料生物技术研究的面貌发生重大变化。二、生物饲料研发趋势及进展 发酵产品日益强调安全、优质、高效、资源节约和环境友好国际技术发展趋势1 1获得
7、优质的饲料微生物资源，或利用先进的基因工程和蛋白质工程技术对原有饲料用生物制剂蛋白质进行改造，都可以获得符合饲料行业和不同动物需求的新型酶制剂或其他产品，增加其作用效率，提高其单位产量，最终使其产品生产达到综合性的低投入和高产出，促进畜牧业和农业的健康发展。热点：研制高比活性、耐热性、催化pH值范围广、耐蛋白酶的饲用酶国际技术发展趋势1 1酶制剂和活性肽产品研发内容：高效目标基因筛选、蛋白的分子改良、安全高效表达系统的构建通过构建各种特殊或极端环境的微生物基因文库，筛选性质优良的目标酶基因，或开发新的活性肽资源，充分利用动、植物、海洋生物、微生物资源，开发昆虫活性肽等。热点：研制高比活性、耐热
8、性、催化pH值范围广、耐蛋白酶的饲用酶国际技术发展趋势1 1酶制剂和活性肽产品研发内容：高效目标基因筛选、蛋白的分子改良、安全高效表达系统的构建通过构建各种特殊或极端环境的微生物基因文库，筛选性质优良的目标酶基因，或开发新的活性肽资源，充分利用动、植物、海洋生物、微生物资源，开发昆虫活性肽等。热点：研制高比活性、耐热性、催化pH值范围广、耐蛋白酶的饲用酶国际技术发展趋势1 1酶制剂和活性肽产品研发内容：高效目标基因筛选、蛋白的分子改良、安全高效表达系统的构建通过蛋白质的遗传设计、体外分子定向进化技术和多位点定点饱和突变等技术，实现多位点同时突变，拓展酶的功能，提高酶的比活性和耐热性，并筛选性质
9、优良的突变体分子，以开发出具有目标性状的新型蛋白产品。热点：研制高比活性、耐热性、催化pH值范围广、耐蛋白酶的饲用酶国际技术发展趋势1 1酶制剂和活性肽目前的一些表达系统在表达饲用生物产品上存在着不同的缺陷，开发高效分泌表达体系对于饲料生物技术产品的产业化至关重要。产品研发内容：高效目标基因筛选、安全高效表达系统的构建蛋白的分子改良、国际技术发展趋势1 1微生态制剂发展态势：筛选更多具有直接促生长作用的优良微生物，积极利用生物工程技术改造菌群遗传基因，选育优良菌种,使其具有抗酸、抗热等能力。研制多菌种联合发酵技术。加强对益生素/菌剂型的研究，提高活菌浓度及其对不良环境的耐受力，研究真空冻干技术
10、和微胶囊技术保护产品,采用真空包装或充氮气包装延长产品保存期。我国生物饲料研发技术现状2 2已形成多学科协作、能承担重大科研项目、解决基础科学问题和开发应用技术的研究网络点击添加文本研发机构与平台中试车间和基地生物饲料国家工程中心农业部饲料生物技术重点开放实验室建成200余个研究单位生物饲料全国从事研究的科研和教学单位达到了120余个企业具有一大批研究与开发实力较强的饲料添加剂企业我国生物饲料研发技术现状2 2人才队伍方面，拥有以院士、国家有突出贡献专家、长江学者、跨世纪学科带头人领衔，博士和归国中青年科技人员为主体的科研梯队，相关研发人员超过500人。通过国家项目的资助，在研究与开发方面取得
11、一批具有国际先进水平的重大成果，一批技术成熟的生物饲料产品实现了产业化生产，已有植酸酶、木聚糖酶、赖氨酸等技术水平国际领先的产品实现了规模化廉价生产,在国际市场上的份额也在逐渐提高,并取得了显著的经济效益和社会效益。我国生物饲料研发技术现状2 2重大成果中国农业科学院建立了快速、有效的特殊性质产酶天然菌的筛选、驯化系统,筛选到了大量的具有优良性质的饲料工业用酶，包括植酸酶、木聚糖酶、-葡聚糖酶等多家单位构建了高效的饲料用酶表达生产体系，几种酶的研究处于国际领先水平，如高表达的饲料用植酸酶不仅占据了国内80%以上的市场，还实现了出口，创造了巨大的社会效益和经济效益。通过蛋白质工程等新技术的应用，
12、提高酶蛋白质的产量、增加其稳定性以及对各种环境的适应性等。饲用酶我国生物饲料研发技术现状2 2重大成果我国对抗菌肽的研究亦始于上世纪90年代初，目前，利用基因工程技术生产抗菌肽制剂作为饲料添加剂是该领域研究的主要方向。中国农科院获得了针对饲料有害微生物的高效、广谱抗菌肽鲎素及改良基因，其对多种饲料有害真菌和细菌，半杀菌/抑菌/抑制孢子萌发浓度降低了3060%，同时其对有益微生物如酵母等无抗菌作用。中国农业大学研究开发的天蚕素抗菌肽已完成基因工程改造、中试和产业化生产技术研究。这些研究技术均已获国家或国际专利授权。（图）饲用酶抗菌肽我国生物饲料研发技术现状2 2重大成果饲用酶饲用微生态制剂抗菌肽
13、我国对饲用益生菌微生物的研究始于80年代,目前国内产品以芽孢杆菌、乳酸杆菌、酵母菌为主。研究集中在：有益菌株作用分子机理的研究，探索菌株在动物消化道中吸附、定殖及其对动物消化道内免疫、微生物群落等方面的影响，对于饲用微生物应用效果和安全性评价具有较高的理论价值。并且，对微生物添加剂菌种改良、菌体浓缩、菌体剂型和稳定工艺等加工应用方式研究有了较大的进展。据统计，目前年我国微生物添加剂的产量约1万吨左右，不足需求量的10%，远远跟不上饲料工业发展的需要。我国生物饲料研发技术现状2 2存在问题生物饲料研发力量薄弱且分散，投入有限，源头创新能力不足生物饲料研发的关键共性技术缺乏，生物饲料研发后劲不足生
14、物饲料研发偏重于基础研究，缺乏工程化验证平台生物饲料科技与产业发展脱节，缺乏沟通科技与产业之间的桥梁与通道生物饲料产业开发现状饲料价值生物饲料饲料质量20%80%30亿$产值年20%饲料生物产品在饲料中占饲料价值的20%,却决定了80%的饲料质量。目前生物饲料的市场值达到每年30亿美元,并在以年均20%的速度递增,发展潜力巨大。三、生物饲料产业开发现状产业发展趋势1 1三、生物饲料产业开发现状1）产品品种快速丰富,产值大幅度提高2）形成产业标准3）产业趋向垄断化4）生物饲料产品的大量应用,终结养殖业的抗生素、化学添加剂时代预计到2025年,生物饲料的市场额将达到200亿美元/年。生产技术和应用
15、技术水平大幅度提高并标准化,在产业链的每个部分形成相应的技术标准、产品标准和应用标准,通过这些标准,获取垄断市场和利润。市场竞争日趋激烈，各大公司收购兼并重组进程将逐渐加快，最终形成几家大公司垄断整个市场的局面。产业开发现状2 2三、生物饲料产业开发现状饲用酶欧洲95以上的饲料中都添加利用工程菌株生产的酶制剂，全球饲料酶总产值约为10亿美元。生产主要集中在几个大集团公司，其中丹麦的诺维信、美国的杰能科公司生产的酶就占世界酶总产量的80左右，诺维信一家公司的饲料用生物制剂产品就达十余种。预期未来10年，世界饲料酶潜在年总需求量将达到150万吨，产值20亿美元。1984年芬兰首先将商品化的酶制剂应
16、用到养殖业之后，饲料生物制剂尤其是饲料酶的生产和使用几乎都在以几何级数的方式增长，成为世界工业酶产业中增长速度最快、势头最强的一部分。三、生物饲料产业开发现状饲用酶抗菌肽饲用酶从上世纪八十年代初发现第一个抗菌肽至今，已经发现上千种抗菌肽，但是，国际上还没有成型的抗菌肽产品用于替代抗生素做饲料添加剂使用。产业开发现状2 2三、生物饲料产业开发现状饲用微生态制剂包括微生物活菌以及它们的代谢产物。目前，欧盟、美国及日本等国家已将其列入饲料添加剂范畴，涌现了众多益生素/菌生产厂家和公司，品种繁多。法国已有50多种微生态制剂，美国饲料益生素销售额已超过3000万美元，日本每年使用微生态添加剂已达1000
17、吨以上，价值超过400万美元。以益生素/菌为主的功能性食品已形成新产业。饲用酶饲用微生态制剂抗菌肽产业开发现状2 2益生菌制剂应用存在的主要问题应用效果不稳定胃酸、胆盐饲料中的微量元素(铜、锌等)饲料加工制粒过程中的高温、高压运输、贮存过程中的不良环境菌种的来源和遗传稳定性阻碍了益生菌制剂产业的发展采用保护措施，如采用保护措施，如改变生产工艺，温和生产条件改变生产工艺，温和生产条件筛选耐高温、抗酸抗胆盐菌株筛选耐高温、抗酸抗胆盐菌株解决措施微胶囊包被技术被认为是解决这一问题的关键技术微胶囊包被技术被认为是解决这一问题的关键技术微胶囊包被技术微胶囊包被技术 微囊化效率高微囊化效率高 产品稳定性强
18、产品稳定性强 设备成本低、通用性强、设备成本低、通用性强、兼容性好兼容性好 有效活菌含量高有效活菌含量高发酵前包被技术的优势：解决了乳酸菌类饲料添加剂长期以来有效活菌含量低、抗逆性能差、成本高的“技术瓶颈”实现生物微胶囊制备和发酵一体化实现生物微胶囊制备和发酵一体化益生菌制剂未包被（第一代）未包被（第一代）后包被（第二代）后包被（第二代）：包埋率低、活包埋率低、活菌含量低、成本高菌含量低、成本高前包被（第三代）前包被（第三代）：稳定性强、包：稳定性强、包埋率高、活菌含量高，易于工业化埋率高、活菌含量高，易于工业化发酵前包被技术为解决益生菌制剂的稳定性问题提供了一条适用的、低成本的工业化途径包被
19、技术工艺特点发酵前包被技术发酵前包被技术(本项目方法本项目方法)1、微囊化效率高2、产品中有效活菌含量可达1011cfu/g以上3、简化了后处理工艺、易于规模化生产4、设备成本低、通用性强5、产品均一性好发酵后包被技术(流化床包被法、喷雾干燥包被法等)1、易于规模化生产2、包埋率低3、产品中活菌含量通常为1091010cfu/g4、耗能大、成本高微胶囊包被技术比较 微囊化效率高微囊化效率高 产品稳定性强产品稳定性强 设备成本低、通用性强、设备成本低、通用性强、兼容性好兼容性好 有效活菌含量高有效活菌含量高发酵前包被技术的优势：制备微胶囊1h、8h、10h时镜检照片1 h8 h10 h 有效活菌
20、含量高有效活菌含量高在相同的培养条件下，消耗相同的发酵原料，发酵前包被最终产品中单位活菌数是后包被的10-100倍不等发酵前包被微生物可通过后期培养微生物可通过后期培养在微胶囊微环境下大量在微胶囊微环境下大量增殖增殖微胶囊产品活菌含量高微胶囊产品活菌含量高（可达可达1011 CFU/g）发酵后包被（喷雾干燥法和流化床包被）包被过程中菌体分散不包被过程中菌体分散不均匀及死亡率高均匀及死亡率高微胶囊产品活菌含量低微胶囊产品活菌含量低（通常为（通常为1091010 CFU/g）有效活菌含量高有效活菌含量高发酵前包被工艺与后包被工艺比较三、生物饲料产业开发现状500￥产值：亿元年20%1000余家生产
21、企业，专业从事生物酶制剂、益生素、植物提取物类饲料添加剂目前我国生物饲料添加剂的年总产值近500亿元,并在以年均20%的速度递增,发展潜力十分巨大。随着我国生物饲料产业的发展，造就和壮大了一批知名企业。我国生物饲料产业开发现状3 3我国生物饲料产业开发现状3 3三、生物饲料产业开发现状以植酸酶为例2008年应用量达到8000吨以上。目前植酸酶产品年生产、销售超过15000吨,产值超过2亿元，占据了国内植酸酶市场的95%以上，并有60%以上的产品出口。每年节约饲料原料磷酸氢钙20万吨以上，节省饲料成本约9亿元以上，并使动物粪便中排出的磷减少了约30万吨，创造了较大的经济效益和社会、生态效益。部分
22、研究处于国际领先水平，多种产品已实现了产业化，并已积累了一大批具有市场前景的重大科技成果，如植酸酶和木聚糖酶。我国生物饲料产业开发现状3 3三、生物饲料产业开发现状 研发与产业化起步较晚，整体研究与产业化水平落后于发达国家，且发展很不平衡与国外发达国家相比酶制剂无论在产量销售额方面，还是在品种质量应用方面都存在很大差距，品种少，产品结构不合理。有些生物饲料的生产技术达到国际领先水平，但在某些领域与国外先进水平还存在一定的差距。我国酶制剂的市场需求量在6.57.0万吨左右,目前产量不足需求量的十分之一,酶制剂的销售额却只占全世界的4。生物饲料的未来研究重点四、生物饲料的未来研究重点目前我国生物饲
23、料产业还处于产品和技术引进为主、并向自主开发发展的初期阶段,整体研究与产业化水平落后于发达国家。但由于它在国内外都还是一个新兴领域，因而只要我们现在能抓住机遇、迎接挑战，有望在短时间内步入国际水平。1 12 23 34 45 5资源评估与发掘基因工程技术平台的建立蛋白质工程技术平台的建立发酵工程技术平台的建立产业化技术的系统集成6 6新型生物能量和蛋白质饲料的开发7 78 8饲用价值与安全性评价高效应用配套技术四、生物饲料的未来研究重点1 1资源评估与发掘针对生物饲料产品的特性要求，开展相关微生物和基因的筛选、分离和功能验证，尤其要注重特殊环境微生物和未培养微生物中的基因资源,利用最新发展起来
24、的分子生物学技术手段,建立基因资源直接分离的高通量技术方法及有效的快速功能评估系统,获得一批有自主知识产权、有应用价值的新基因资源,，建立生物饲料产品相关基因资源的高通量筛选技术和快速功能评估体系。四、生物饲料的未来研究重点2 2基因工程技术平台的建立利用现代分子生物学技术和各种不断更新的基因工程技术，构建高效生物反应器技术平台和多功能菌株改良技术平台,提高工程菌的应用效率,降低生产成本,以期规模化廉价生产。四、生物饲料的未来研究重点3 3生物饲料蛋白质工程技术平台的建立根据蛋白质的精细结构与功能之间的关系，利用蛋白质工程的手段，通过对天然蛋白质的基因进行改造，达到定向地改造天然蛋白质，甚至创
25、造新的具有优良特性的蛋白质分子，提高重组蛋白的活性，改善制品的稳定性等。四、生物饲料的未来研究重点4 4生物饲料发酵工程技术平台的建立 针对57种饲用安全微生物反应器,建立高效的高密度发酵技术平台,并开发高效稳定的产品加工技术,提高生物饲料产品的稳定性、实用性和应用的高效性,并加快生物饲料产业化和实际应用的步伐。四、生物饲料的未来研究重点5 5生物饲料产业化技术的系统集成生物饲料的系统集成是生物饲料工程化研究的重点之一，一种生物饲料产品的研发往往需要应用几种生物技术，需要进行集成创新和重点突破，研究其使用方法和标准，建立相应的配套应用技术体系，进而促进重大生物饲料产品的研发、产业化和推广应用。
26、四、生物饲料的未来研究重点6 6新型生物能量和蛋白质饲料的开发如采用有益微生物菌种与酶制剂等结合，将秸秆里的粗纤维、木质素、长分子链，通过生物生化的作用，把畜禽不能吸收的高分子碳水化合物转化成可吸收利用的低分碳水化合物，即能量饲料；利用微生物发酵或酶解方法对大豆饼粕、棉籽饼粕和菜籽饼粕等进行生物改性或羽毛粉水解，使其抗营养因子和有毒有害物质如豆粕中的胰蛋白酶抑制剂、棉籽粕中的棉酚和菜籽饼粕中的硫甙降低到安全剂量或更低，从而提高动物对这些蛋白源营养成分的利用，改善其营养品质，提高饲料利用效率。四、生物饲料的未来研究重点7 7生物饲料产品的饲用价值与安全性评价生物饲料产品关键成分检测其产品的营养成
27、分、抗营养因子和天然毒素以及其它由于生物技术而发生的成分改变(包括新物质的表达量、功能和稳定性等)。生物饲料产品的饲用价值与安全性评价包括饲后对动物的健康状况和畜产品的影响。动物可食部分添加到饲料后还需进行试食试验,解决适口性问题，同时建立合适的方法进行这方面的安全性评价。四、生物饲料的未来研究重点8 8生物饲料产品的高效应用配套技术通过生物饲料产品的高效应用配套技术，提高饲料工业的技术水平和企业的生产水平，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，通过高效、优质新产品的选择，发酵工程新技术新工艺的研究，有效提高了我国饲料生物饲料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。