尽管我国养殖规模居世界首位,但各种动物产品安全、养殖环境污染等问题影响了公众对食品安全的信息,也制约着我国养殖业的健康可持续发展。

随着畜牧业的发展,饲料中添加抗生素在抗病、促生长的同时,也会带来细菌耐药性,如果使用不当,还会造成畜产品中的药物残留超标。目前,许多国家都在努力加大饲料添加剂的管理…

中国农业科学院饲料研究所姚斌研究员及其研究团队,以饲料用酶的分子生物学、基因工程研究及其产业化开发为突…

人物档案

随着畜牧业的发展,饲料中添加抗生素在抗病、促生长的同时,也会带来细菌耐药性,如果使用不当,还会造成畜产品中的药物残留超标。目前,许多国家都在努力加大饲料添加剂的管理,西欧、日本、美国等国家相继颁布了一系列法律,在饲料中禁止或限制使用抗生素等药物类饲料添加剂。

中国农业科学院饲料研究所姚斌研究员及其研究团队,以饲料用酶的分子生物学、基因工程研究及其产业化开发为突破口,使我国饲料用酶的基础研究和产业应用实现了从无到有的跨越式发展。实现了经济、社会、生态效益三赢。

姚斌,中国农业科学院饲料研究所研究员。1967年生。1999年被评为中国农业科学院跨世纪学科带头人,2001年主持完成的研究成果利用基因工程酵母生产植酸酶获国家科学技术进步二等奖,牵头的饲料用酶技术体系创新及重点产品创制项目获2014年度国家科学技术进步奖二等奖。

无疑,天然、绿色、无污染、无残留成为21世纪世界畜牧业发展的主题。在饲料添加剂中,酶制剂是由微生物发酵产生的天然、绿色、无污染、无残留的生物制品。自从1975年美国饲料工业首次把酶制剂作为添加剂应用于配合饲料中并取得显着效果后,饲用酶制剂日益受到世界养殖业的重视。

中国农业科学院饲料研究所姚斌研究员及其研究团队,以饲料用酶的分子生物学、基因工程研究及其产业化开发为突破口,使我国饲料用酶的基础研究和产业应用实现了从无到有的跨越式发展。

还获得国家863十五周年先进个人、重要贡献奖;2004年获农业部有突出贡献的中青年专家称号,同年入选新世纪百千万人才工程国家级人选;2005年入选中国农业科学院一级杰出人才并获得政府特殊津贴;2012年获得国家杰出青年科学基金项目,获评农业部农业科研杰出人才。

“我国养殖规模居世界首位,但饲料用粮短缺、养殖环境污染及动物产品安全等问题制约着我国养殖业的健康可持续发展。”中国农业科学院饲料所副所长、研究员姚斌表示。

上世纪90年代中后期,中国已成为世界第二大饲料生产国,但是饲料添加剂尤其是饲料酶制剂的研究水平与西方发达国家相距甚远。饲料酶制剂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,减轻环境污染。同时,酶制剂还可以提高饲料利用率并拓展新的饲料资源。当时国内的酶制剂市场主要由国外公司占有。

为防止得病,给饲养的动物喂抗生素;为长得更快,给黄鳝等喂避孕药

从养殖业源头做起

通过20年的不断钻研,该团队建立了比较完善的饲料用酶基础研究和产品开发技术平台,取得了多项科研成果。以植酸酶为例,目前植酸酶的国内市场价格较国外公司进入中国的1995年下降了24倍,添加成本下降了近70倍,利用本单位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,国外产品基本退出中国市场。此外,植酸酶应用可减少饲料添加的磷酸氢钙5~7公斤/吨,扣除添加的酶制剂成本,每吨可降低饲料成本12元,该产品的广泛应用每年可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。还可使动物粪便中的磷排放降低40%,磷累计减排400万吨。酶的应用可大幅度提高饲料利用率,使动物粪便中的碳、氮等有机物排量减少500万吨以上。实现了经济、社会、生态效益三赢。

尽管我国养殖规模居世界首位,但各种动物产品安全、养殖环境污染等问题影响了公众对食品安全的信息,也制约着我国养殖业的健康可持续发展。

在畜禽饲养中,随着玉米供给量的缺口越来越大,养殖户逐渐利用小麦、大麦和燕麦等饲料原料代替玉米来饲养家禽。据介绍,当这类原料在家禽日粮中用量过多时,会造成饲料利用率差、家禽生产性能不佳以及环境污染等问题。

在今年的国家科技奖励大会上,中国农业科学院饲料研究所研究员姚斌站到了领奖台上,他牵头的饲料用酶技术体系创新及重点产品创制项目获得了2014年度国家科学技术进步奖二等奖,这是为了表彰他为我国饲料产业发展、动物产品安全等做出的贡献。这也是他于2001年获国家科技进步二等奖后,再次站到了国家科技奖励大会的领奖台上。

据了解,几乎在所有的谷物饲料中,绝大部分磷酸盐以植酸形式存在
,比如小麦、大麦、玉米、高粱等其中植酸磷占总磷比例达到60~80%。由于单胃动物消化道中缺乏植酸酶,大部分植酸磷被排出体外,不仅浪费磷源,且造成污染环境。添加植酸酶可替代饲料配方中50~70%的磷酸氢钙,向环境排泄的磷相应减少,在环境保护中发挥重要作用。

成果用于全国80%以上动物饲料

“饲料用酶制剂是一类应用效果极为显着的新型绿色饲料添加剂,可显着提高饲料利用效率、降低氮磷等物质的排放及减少药物性添加剂的使用,从而节约饲料粮、保障环境和动物产品安全。”姚斌认为,饲料用酶制剂是从养殖业源头——饲料层面解决上述问题的有效途径。

饲料用酶是应用效果极为显著的新型绿色饲料添加剂,能显著提高饲料利用效率、降低氮磷等有机物排放,减少药物性添加剂的使用,从而实现节约饲料粮、保障环境和动物产品安全,从养殖业源头饲料层面解决动物产品安全、养殖环境污染等问题。

事实上,欧美发达国家于上世纪90年代开始推广应用饲料用酶制剂并进入我国市场,但其特殊的性能要求及高昂的成本等瓶颈问题始终未能有效解决,极大限制了其普及应用。

姚斌带领研究团队进行了饲料用酶技术体系创新,即从酶的分子生物学基础性科学问题入手,建立了完整的酶基础研究和产品开发自主技术体系,系统解决了饲料用酶性能、成本、知识产权和可持续研发等产业化应用的瓶颈问题,打破了国际大公司的垄断,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。

我国畜牧界1992
年成立了全国饲料安全与生物技术专业委员会,当时称全国饲料毒物与抗营养因子专业委员会。该委员会一项重要的工作是致力于研究开发推动酶制剂在饲料工业中应用。1993年全国饲料工业办公室与中国发酵工业协会于江苏无锡联合召开酶制剂用于饲料工业研讨会。为了推动酶制剂在饲料工业的应用,农业部将酶制剂列入饲料添加剂品种目录。

据统计,该技术成果推广应用近八年来,累计生产销售单酶及复合酶产品20余万吨,产品已应用于全国80%以上的猪、鸡、水产等动物饲料,并节约粮食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。除了在全国31省区上千家饲料及养殖企业推广应用,还出口欧美等20余个国家。

中国农科院饲料所1994年成立了中国饲料研究领域第一个饲料酶工程研究室,姚斌及其研究团队以酶的分子生物学和基因工程研究及产业化开发为突破口,带动饲料生物资源的前期开发和应用技术研究。

此外,该项目共获授权专利66项,占国内饲料用酶基因专利的69%。发表sci论文113篇,参与制定国家或行业标准9项;成果技术和专利不仅向国内多家优势酶制剂企业转让,还实现了向美国企业的转让。

将高新技术用到传统饲料行业

构建研究到产业完整链条

据介绍,动物饲料主要分为谷物类及粕类,植物细胞壁的存在影响了养分的消化吸收,猪、禽等自然分泌的酶无法分解细胞壁。

对饲料用酶重要性的认识,姚斌很早就认识到了。1994年,姚斌博士从中国农业科学院研究生院毕业,来到中国农科院饲料研究所工作。当时,我国已成为世界第二大饲料生产国,但饲料添加剂尤其是饲料酶制剂的研究水平与西方发达国家相距甚远。

姚斌团队在国内率先开展将基因工程等高新技术应用到传统饲料行业这一开拓性的研究工作中去,针对阻碍饲料用酶规模应用的两大瓶颈性问题——酶的性能和生产成本,确立了从酶的分子生物学基础性科学问题入手系统性解决问题的研究思路。

饲用酶制剂的质量取决于酶的活性高低、酶分子的性质及稳定性。当时国内酶制剂研究的主要途径是利用传统方法筛选优良菌种,酶制剂的活性较低,产量和性质都难以满足实际应用需要。国内的酶制剂市场主要由国外公司占有。

目前很多企业实现了饲料酶制剂的工业化,获得了较高酶活力的菌株,但在粗放的工业条件下,天然酶常会遭到破坏,使酶的生产和使用受到极大限制。

于是,初出茅庐的姚斌潜心研究基因工程、蛋白质工程、发酵工程等酶制剂技术发展的前沿技术,建立了国内饲料研究第一个分子生物学实验室。1998年,他出色完成了863项目在饲料行业的第一个课题,饲料用(酸性)植酸酶的研究,使植酸酶在重组酵母中的最终表达量提高了37倍,并在国际上首次成功利用酵母表达系统作为高效表达生产植酸酶的生物反应器,最终实现了植酸酶的产业化生产,一举打破了酶制剂工业研发一直由国际上少数大企业垄断的局面。

据了解,目前工业上直接利用酶制剂时还存在一些缺点,如稳定性差、使用率低、不能在有机溶剂中使用、寿命不长等,造成了使用酶的成本升高。其中,酶的稳定性是现阶段酶应用中的一大难题。

2001年,年仅34岁的姚斌获得了国家科技进步二等奖。

姚斌团队通过酶基因资源的高效挖掘、酶的催化和构效机制研究及进一步的分子改良来解决知识产权问题和酶的性能问题,通过酶蛋白高效表达的机制研究来解决生产成本问题。

进入21世纪以来,饲料用酶的应用效果已在世界范围内得到公认,但除少数品种得到广泛使用外,其他酶种在饲料中的使用量总和不足30%。而且我国添加酶制剂饲料比例远低于欧美等发达国家水平。

国内外学者研究和企业应用表明,酶制剂用于饲料,可以扩大饲料原料的来源,提高饲料原料的营养价值,比如通过降解单胃动物几乎不能利用的一些多糖,从而提高了日粮的代谢能值,对粗蛋白的消化率亦有较明显的提高。

为何在国际上,众多研究单位、公司投入大量人力物力不能有效解决这些问题?在经过长期的探索与思考后,姚斌认为,主要原因在于可利用的饲料用酶资源匮乏、酶的性能不能满足需求且生产成本高。姚斌同时意识到,解决这些问题必须回到饲料用酶分子生物学基础研究的科学问题上,只有通过这些科学问题的深入研究,才能系统性地解决饲料用酶的广泛应用问题。

“在植酸酶技术的基础上取得整体性突破,形成了比较完整的饲料用酶酶种生产的产业链。”姚斌介绍,除植酸酶外,他们的团队还开展其他饲料用木聚糖酶、β-甘露聚糖酶、β-葡聚糖酶、α-半乳糖苷酶、葡萄糖氧化酶、果胶酶等多种酶资源的改良与利用研究。

于是,他凝炼出饲料用酶研究中的关键科学问题,即针对饲料用酶的特殊性有目的地挖掘性质优良的酶基因资源;进行酶的催化机制、结构与功能(如ph、温度、抗蛋白酶、催化效率)的分子基础和生化机理的研究;酶蛋白高效表达的机制问题

成果更看重落地

多年来,正是通过不懈努力,姚斌带领他的团队,一步步实现了饲料用酶从基础研究到产业化生产的完整技术链条构建。

近年来,科研团队获得了具有自主知识产权和应用价值的新型饲料用酶基因百余个,创新了酶蛋白分子改良技术体系,创建了表达量达到10~50g/L级的高效表达技术体系,突破了发达国家在饲料用酶资源方面的专利壁垒,使我国在饲料用酶基因资源的争夺上处于国际制高点。

宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来,不懈努力终于结出丰硕的果实。如今姚斌带领他的研究团队,已开发出多种达国际领先水平的饲料用酶新品种。其中植酸酶、-葡聚糖酶等10余种产品实现产业化生产且技术水平在国际上处于领先地位,植酸酶产品占据了95%以上的国内市场和较大份额的国际市场。

随着姚斌团队的不断努力,他们逐步构建并完善了饲料用酶制剂高效生产和综合配套应用技术,实现了饲料用酶制剂的低成本产业化生产与推广应用,打破了国际大公司的垄断,并使我国饲料用酶迅速发展成为具有国际竞争力及社会、经济和生态效益显着的新兴产业。

培养人才创造产业成功面

据介绍,该项目技术成果得到了很好的推广应用。近3年已累计生产销售单酶及复合酶产品20余万吨,在全国31个省区上千家饲料及养殖企业推广应用,并出口欧美等20余个国家。产品已广泛应用于国内的猪、鸡、水产等动物饲料,并节约饲料粮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。

熟悉姚斌的人都知道,周末或节假日在实验室准能看到他的身影。如此持之以恒、不懈努力的作风也影响了他领导的团队。尽管团队从当初的几个人已扩大到十几个人,但团队固定的科研工作报告会已坚持了很多年。

据了解,由于姚斌研究团队成功地将研究成果转化到实际生产中去,目前植酸酶的国内市场价格明显下降,1995年国外公司进入中国时的价格是目前价格的24倍,添加成本是当前的近70倍。利用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。

作为团队的领导者,姚斌清醒的认识到,任何一项的成功,都离不开团队的力量。高层次创新型科技人才在提高科技发展水平和团队核心竞争力方面具有不可替代的作用,只有培养和使用好这些人才资源才能占领科技创新的制高点。

此外,该技术的广泛应用每年可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污染减少了约30万吨,实现了经济效益、社会效益、生态效益“三赢”。

姚斌带领的科研团队是一支由30岁左右的青年科学家和研究生为主组成的队伍,针对这一实际情况,他明确团队每个成员的工作重点,团队成员之间的关系既是竞争又是合作。鼓励团队成员自由发挥想象力和创造力,激发与培养团队成员研究问题的兴趣,为团队成员成长为独当一面的人才提供充分的科研资源与话语权。他还特别着重培养交叉学科人才,使各具专长和特点的科技人才间有充分的思想交流与碰撞,为青年人才的成长,科研水平的提高增速

每个人做好一个点的工作,点多了就连成了线,线多了,就形成了面。这是姚斌经常说的话,他也是一贯如此去做的。如今,在姚斌的团队里,已涌现多名技术拔尖人才,他们同样有着科学严谨的敬业精神,默默无闻,勤恳劳作的耕耘。他们把自己的专业知识和工作经验毫无保留的传授给身边的研究生和年轻人,帮助他们解决了技术上的疑点和难题,培养技术上过硬的年轻人才。姚斌和他的团队,这些不断闪光的点和线,正在用自己的智慧和勤奋,努力创造我国饲料及酶制剂行业更灿烂的成功面!

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