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我国生物饲料产业发展现状 与未来发展趋势 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 蔡辉益 主要内容 生物饲料概念与意义 生物饲料研发趋势及进展 生物饲料产业开发现状 生物饲料的未来研究重点 一 一 生物饲料概念及意义 二 三 四 一、生物饲料的概念与意义 一 二 三 四 什么是生物饲料 广义上，生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。 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。 生物饲料 生物饲料 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安全高效 、环境友好、无残留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 、天然植物提取物等 。 一、生物饲料的概念与意义 一 二 什么是生物饲料 产品种类 饲料酶制剂 饲用氨基酸 饲用维生素 饲料用寡聚糖 植物天然提取物 饲料用生物色素 新型饲料蛋白 益生素 生物活性寡肽 生物药物饲料添加剂 三 四 一、生物饲料的概念与意义 一 二 三 四 什么是生物饲料 生物饲料的意义 节约粮食，减缓人畜争粮 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 饲料资源 一、生物饲料的概念与意义 一 二 三 四 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 80 (MT) 500 (MT) 需求量 60 400 缺口量 300 40 200 20 100 0 2000 2010 年 2020 蛋白质饲料原料需求量与缺口量 0 2000 2010 2020 年 能源饲料原料需求量与缺口量 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 一 二 三 四 生物饲料的意义 减轻养殖业造成的环境污染 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。 提高干物质消化率 大大减少粪便中 有机物的排放量 粪便(吨 百万只) 9,000—22,000 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、提高动物的生产性能，还能使畜禽粪便中磷的排出量减 少40～75%, 大大减轻江河、水域等环境的磷污染。 一、生物饲料的概念与意义 一 二 三 四 生物饲料的意义 保障动物产品质量安全 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。 无毒副作用 无残留 绿色添加剂 具有控制、预防动物疾病，改善动物健康的作用 一、生物饲料的概念与意义 一 二 三 四 生物饲料的意义 产生经济效益和良好的社会效益 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。 15亿元 17亿元 2015 2020 植酸酶销售利润 148万吨/年 170万吨/年 2015 2020 磷排泄减少量 一 二 二 生物饲料研发趋势及进展 三 四 二、生物饲料研发趋势及进展 一 二 三 国际技术发展趋势 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 学科间的交叉、渗透与结合 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。 四 二、生物饲料研发趋势及进展 一 二 三 四 国际技术发展趋势 发酵产品 日益强调安全、优质、高效、资源节约和环境友好 获得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。 国际技术发展趋势 一 二 三 四 酶制剂和活性肽 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 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。 国际技术发展趋势 一 二 三 四 酶制剂和活性肽 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 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。 国际技术发展趋势 一 二 三 四 酶制剂和活性肽 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 安全高效表达系统的构建 产品研发内容： 高效目标基因筛选、蛋白的分子改良、 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。 国际技术发展趋势 一 二 三 四 酶制剂和活性肽 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 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 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。 国际技术发展趋势 一 二 三 四 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 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 研制多菌种联合发酵技术。 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。 受力，研究真空冻干技术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 一 二 三 四 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 研发机构与平台 中试车间和基地 点击添加文本 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 研究单位 全国从事研究的科研和教 学单位达到了120余个 建成200余个 生物饲料 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 一 二 三 四 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 一 二 三 重大成果 饲用酶 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、β-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，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。 四 我国生物饲料研发技术现状 一 二 三 四 重大成果 饲用酶 抗菌肽 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30～ 60%，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） 我国生物饲料研发技术现状 一 二 三 四 重大成果 饲用酶 抗菌肽 饲用微生态制剂 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 一 二 三 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 四 一 三 生物饲料产业开发现状 二 三 四 三、生物饲料产业开发现状 20% 80% 生物饲料 一 二 三 产值 20% 饲料质量 $30亿 饲料价值 年 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。 四 三、生物饲料产业开发现状 一 二 三 产业发展趋势 1）产品品种快速丰富, 产值大幅度提高 预计到2025年, 生物饲料的市场额将达到200亿美元/年。 2）形成产业标准 生产技术和应用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。 3）产业趋向垄断化 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。 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 四 三、生物饲料产业开发现状 一 二 三 四 产业开发现状 饲用酶 1984年芬兰首先将商品化的酶制剂应用到养殖业 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。 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。 三、生物饲料产业开发现状 一 二 三 产业开发现状 饲用酶 抗菌肽 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 饲用酶 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。 四 三、生物饲料产业开发现状 一 二 三 四 产业开发现状 饲用酶 抗菌肽 饲用微生态制剂 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。 益生菌制剂应用存在的主要问题 饲料中的微量 元素(铜、锌等) 胃酸、胆盐 菌种的来源和 遗传稳定性 应用效果 不稳定 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 阻碍了益生菌制剂产业的发展 解决措施 采用保护措施，如 微胶囊包被技术 改变生产工艺，温和生产条件 筛选耐高温、抗酸抗胆盐菌株 微胶囊包被技术被认为是解决这一问题的关键技术 发酵前包被技术的优势： ① 有效活菌含量高 ② 微囊化效率高 ③ 产品稳定性强 实现生物微胶囊制备和发酵一体化 ④ 设备成本低、通用性强、兼容性好 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” 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 益 生 菌 制 剂 未包被（第一代） 后包被（第二代）：包埋率低、活 菌含量低、成本高 前包被（第三代）：稳定性强、包 埋率高、活菌含量高，易于工业化 微胶囊包被技术比较 包被技术 工艺特点 发酵前包被技术 (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 1、易于规模化生产 2、包埋率低 (流化床包被法 、喷雾干燥包被法等) 3、产品中活菌含量通常为109～1010cfu/g 4、耗能大、成本高 发酵后包被技术 发酵前包被技术的优势： ① 有效活菌含量高 ② 微囊化效率高 ③ 产品稳定性强 ④ 设备成本低、通用性强、兼容性好 ① 有效活菌含量高 制备微胶囊1h、8h、10h时镜检照片 1h 8h 10 h ① 有效活菌含量高 发酵前包被工艺与后包被工艺比较 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 不均匀及死亡率高 • 微胶囊产品活菌含量 低（通常为109～1010 CFU/g） 发酵前包被 • 微生物可通过后期培 养在微胶囊微环境下 大量增殖 • 微胶囊产品活菌含量 高（可达1011 CFU/g） 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 三、生物饲料产业开发现状 一 二 三 四 我国生物饲料产业开发现状 产值：亿元 20% ￥500 1000余家生产企业，专业从事 生物酶制剂、益生素、植物提取物 类饲料添加剂 年 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。 三、生物饲料产业开发现状 一 二 三 四 我国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。 三、生物饲料产业开发现状 一 二 三 四 我国生物饲料产业开发现状 与国外发达国家相比 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 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。 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。 我国酶制剂的市场需求量在6.5～7.0万吨左右, 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％。 一 四 二 生物饲料的未来研究重点 三 四 四、生物饲料的未来研究重点 一 二 三 目前我国生物饲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。 资源评估与发掘 产业化技术的系统集成 基因工程技术平台的建立 新型生物能量和蛋白质饲料的开发 蛋白质工程技术平台的建立 饲用价值与安全性评价 发酵工程技术平台的建立 高效应用配套技术 四 四、生物饲料的未来研究重点 一 二 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。 三 四 四、生物饲料的未来研究重点 一 二 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。 三 四 四、生物饲料的未来研究重点 一 二 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。 三 四 四、生物饲料的未来研究重点 一 二 生物饲料发酵工程技术平台的建立 针对5～7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。 三 四 四、生物饲料的未来研究重点 一 二 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。 三 四 四、生物饲料的未来研究重点 一 二 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。 三 四 四、生物饲料的未来研究重点 一 二 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。 三 四 四、生物饲料的未来研究重点 一 二 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。 三 四