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我国饲用豆粕减量替代技术路径探讨
宋维平博士 大北农集团
蛋白饲料的困境
畜牧业高速发展产生新问题
2021年7月1日，习近平总书记在庆祝中国共产党成立100周年大会上庄严宣告我国全面建成小康社会。小康社会标准于1991年由我国12个部委联合制定，并由国务院正式提出，共有16条标准，其中一条标准要求人日均蛋白摄入量达到75 g(约合440 g猪肉蛋白质当量)，也正是这个标准才促成了我国畜牧业30年的飞速发展。目前畜牧业已经成为我国的支柱产业之一，关乎国计民生，动物产品价格的波动会直接影响我国CPI。
在人民生活质量高速发展的过程中，逐渐形成了不但要吃得饱、更要吃得好的诉求，因此催生出消费升级、绿色养殖、无抗饲养等新概念。与此同时，非洲猪瘟从2018年进入我国后，对我国的生猪养殖业产生了深远的影响。因此，为应对整个行业的重大挑战，只有不断创新才能推动行业持续发展。
NRC推荐的玉米-豆粕日粮基础在我国“水土不服”
豆粕能在全世界得到广泛应用，主要由于美国NRC营养标准中将豆粕与玉米共同构成现代饲料配方中最主要的成分。中国尽管是大豆的原产国，但由于人口庞大、人均耕地面积小、种源条件限制等多方面原因，导致我国大豆的种植成本和产量与美洲国家相差明显。
目前，我国大豆的种植成本是美国的1.35倍，是巴西的1.54倍，单产仅为美国的1/2略多，而总产量更是不及美国的1/6、巴西的1/7。产能与需求强烈的不平衡导致我国在2019年进口大豆达到91 290万t，在2020年甚至突破了1亿t。
大豆进口依存度高
我国于1995年开始从国外进口大豆，并在25年内将进口量扩大到2020年的1亿t。即使我国大豆的产量在近10年有了50%的增长，但面对畜牧业的强大需求仍然是杯水车薪。我国大豆进口迅猛增长的25年正是我国现代饲料工业和养殖业发展的黄金阶段，许多优秀的饲料企业在这些年完成了高速成长和迅速扩张，而与此同时我国大豆的进口依存度已经连续9年超过80%。
中美贸易摩擦
在3年多中美贸易摩擦的激烈交锋中，大豆成为我国博弈中的一张王牌，但是中国对进口大豆的深度依赖造成对进口大豆的限制政策无法长期持续。，只有中国人自己掌握豆粕的减量替代技术，彻底摆脱对进口大豆的依赖，才能对美国的贸易保护主义产生真正意义上的威慑作用。因此，饲用蛋白原料的稳定供给，特别是在特定条件下的自给自足，不仅是畜牧业持续发展的保障，也对我国农业发展和粮食安全有着深远的影响。
非豆粕蛋白饲料的利用现状
我国的非豆粕蛋白资源
豆粕的潜在替代产品分为两大类，分别是杂粕类和新型蛋白类。杂粕类是与大豆类似的油料作物籽实在榨油之后的副产品，包括菜籽粕、棉籽粕、花生粕、葵花粕、棕榈仁粕、芝麻粕、亚麻粕，以及椰子粕等其他杂粕。据统计，这些杂粕类蛋白饲料原料我国年产3 000万t以上，所提供的粗蛋白大约相当于进口大豆的40%。新型蛋白类产品目前因成本等限制因素而未被广泛使用，这类蛋白的共同特点是产量和规模都很小，但蛋白品质明显高于豆粕，因此未来新型蛋白类产品将有广阔的市场前景。
杂粕类饲料应用现状
杂粕类作为豆粕最直接的替代物未被大规模使用的重要原因之一是其本身存在诸多难以解决的问题，首先是抗营养因子，比如菜籽粕中的硫苷和芥酸，棉籽粕的棉酚，花生粕中极易超标的黄曲霉毒素，芝麻粕中的植酸和草酸等，这些抗营养因子都是植物历经数亿年进化获得的保护种子不被其他动物食用的关键，但在当前条件下却成为影响其物种进一步大范围扩张的限制条件。此外，如菜粕、棉粕等主要的杂粕类产品，其限制性氨基酸的占比及消化率也明显低于豆粕，因此也会进一步限制杂粕类产品的应用，并提高饲料整体的配制成本。
非豆粕蛋白饲料应用的局限性
我国幅员辽阔、地大物博，可利用的杂粕种类很多，每种杂粕的品种也很多，不同的种植方式、种植地域、榨油方式都会导致杂粕产品的营养成分变异较大，也使得该类产品品质均一性差。杂粕中毒素、抗营养因子水平高，纤维含量高，氨基酸组成不平衡，消化率低。此外，我国还有许多地源性杂粕类蛋白饲料原料未被系统地评估和开发。
体外预消化技术或发酵饲料技术已经在极大程度上降低了杂粕类原料的抗营养因子水平，并显著地提高了消化率，使得这些杂粕类原料在日粮中的添加比例相比之前有了很大提升。但是该技术仍存在一定的局限性，由于所用的菌酶发酵体系中的菌和酶均不是为了解决杂粕利用问题而特地创制的，因此目前还缺乏关键的脱毒菌株和生物酶，导致目前还未达到最理想的脱毒效果。另外，菌酶协同的效果评价标准和较高的生产成本也是该项技术需要解决的问题。
此外，无论是否使用体外预消化技术，杂粕类原料始终无法为饲料企业的配方师交付具有确定性高、品质可预期的产品，使得非标准化的产品在标准化的系统中很难占有一席之地，也导致杂粕类产品在某种程度上的综合使用成本高于豆粕。
对于新型蛋白饲料原料，无论是微生物单细胞蛋白，还是昆虫蛋白，应用的局限性主要受制于成本因素。目前，微生物蛋白面临的问题主要是菌种和生产工艺，所使用的菌种蛋白表达量较低，对底物的转化率也较低，同时在生产过程中，发酵工艺也未做正确的匹配，导致整体的生产成本较高。昆虫蛋白也面临着类似的种源问题，而与微生物不同的是，发酵技术历经100多年的发展已经十分成熟，而昆虫的工厂化饲养技术还仍在起步阶段，有极大的提升空间。此外，昆虫蛋白分离难度大也是生产成本居高不下的重要原因。
综合来看，新型蛋白原料大都属于高品质的蛋白原料，同时也能为饲料厂提供长期稳定的工业化标准产品，这都是新型蛋白原料相比于杂粕类产品的巨大优势。目前较高的成本并不能阻碍新型蛋白饲料的发展，随着基因工程、合成生物学等前沿技术的引入，生产成本必将大幅下降。
饲用豆粕减量替代方案
大北农对饲用豆粕减抗替代技术的方案和整体思路分为4个部分，分别是策略、目标、优化和创新。
豆粕减量替代技术的整体策略是要从最初的饲料配制就摆脱玉米豆粕配方的固有思维限制，结合中国国情和本土化原料，构建具有中国特色的配方体系；整个方案的目标不仅要开发出系统的低蛋白、低豆粕日粮配方，更要开发出与之配套的原料生产和加工技术；在优化方面，对于豆粕的替代品，一方面以现有技术为基础，不断提高预消化技术的水平，从而改善杂粕的生物利用率，并降低抗营养因子；在创新方面，要积极使用当前最前沿的基因工程与合成生物学技术，创制可以不利用耕地、工厂化稳定生产的高品质蛋白饲料原料。
构建中国特色的饲粮配方体系
配方体系，我们认为最关键的是要改变“日粮配方=玉米+豆粕+其他”的思维，而是要从动物营养和生理特点入手，明确日粮配制的要点和关键指标，并整合国内现有的饲料资源，对国内的饲料资源进行营养特性的全方位评价，针对国内资源的特点进行特定的生产配套技术的开发，最终形成具有中国地缘特色的饲料配方体系。据估算，以目前的豆粕添加水平计算，如果豆粕在饲料中的添加比例每下降1%，就可以相应减少500万t的进口大豆，降低我国对进口大豆依赖的5%。
研发和推广蛋白日粮技术
低蛋白日粮技术从正式推出至今已经被无数次验证是切实可行的。研究结果表明，每降低1%的粗蛋白水平，就会减少日粮中3%的豆粕添加量。低蛋白日粮技术在环保领域的贡献也十分突出，研究表明，日粮中粗蛋白水平每降低1%，氮排泄将降低7%左右。在目前猪价下跌、生猪去产能的时期，保证养殖场各项环保指标达到要求是企业长期生存的重要保证。因此，在一定范围内降低日粮中的蛋白质水平，并补充适量的氨基酸，能够在不影响动物生产性能的条件下减少日粮蛋白质原料用量和氮排放。
随着10多年氨基酸工业每年20%的高速增长，我国已经成为全球最大的氨基酸生产国，氨基酸的稳定增长和价格的不断下探是当前全面推广低蛋白日粮技术的前提。因此，我们也可以认为，氨基酸也是豆粕的重要替代物之一。氨基酸属于高度成熟化的工业产品，主要通发酵的方式，以玉米中淀粉水解的葡萄糖为碳源，以工业合成的氨为氮源利用工程菌进行生产，这就使得发酵菌种和发酵工艺成为保障氨基酸稳定供应的核心竞争力。目前，中国已经掌握了几种大品种氨基酸的生产技术，但是随着低蛋白日粮技术的深入开展，畜牧业对缬氨酸、异亮氨酸、精氨酸等小品种氨基酸的需求逐渐扩大，但这几种氨基酸的生产核心技术仍被日韩企业垄断。自2010年我国企业掌握色氨酸的生产技术后，色氨酸的价格从200元/kg下降到40元/kg左右，而我国无法生产的精氨酸的价格则长时间保持稳定，因此这些小品种氨基酸的生产技术突破也是豆粕减量替代中的重要组成部分。
为了积极引导和推广低蛋白日粮技术的应用，中国饲料工业协会于2018年10月26日发布了最新的仔猪、生长育肥猪配合饲料，以及蛋鸡、肉鸡配合饲料的团体标准，在该标准中一个重要的改动就是将猪配合饲料中的蛋白水平推荐量下调1.5个百分点，将禽的配合饲料蛋白推荐量下调1个百分点，经初步估算，这项改动可为我国每年缓解约770万t的大豆进口压力，从一定程度上降低了我国对进口大豆的依存度。
提高杂粕类饲料的生产效率和生物利用率
提高杂粕类饲料的生产效率和生物利用率的相关工作已经在我国开展10余年，对发酵豆粕的研究为杂粕的预消化技术积累了大量的经验，并且充分证明了该方法切实可行。豆粕在发酵后其抗营养因子大幅降低，大豆抗营养因子(如胰蛋白酶抑制因子，脲酶、植酸等)，在微生物的发酵后均大幅降低，同时发酵后也产生了大量具有营养活性和生物活性的小肽、益生菌和代谢产物，使日粮中添加发酵豆粕不但具有营养性，还产生了一系列的功能性。发酵豆粕所取得的这些成果充分说明，进一步深化研究预消化技术极有可能解决目前使用杂粕应用中遇到的各种问题。
研究发现，使用黑曲霉发酵菜粕能明显地提高蛋白和小肽的比例，同时菜粕中含量较高的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维出现明显的降低。而更值得注意的是，在菜粕中，两个最重要的抗营养因子——硫苷和异硫氰酸酯均有50%左右的降幅，说明黑曲霉发酵能够明显地改善菜粕的饲喂价值。生长猪试验研究发现，用菜粕替代50%的豆粕会显著降低生长性能，但是饲喂发酵菜粕则不会对猪的生长性能产生不利影响，同时关于发酵棉粕的试验也说明了类似问题，说明预消化可以明显提高杂粕的饲喂价值。此外，预消化技术成熟后杂粕在配方中的价值还是需要重新认识和评定。
尽管试验结论看似解决杂粕预消化的问题，但是实验室阶段的成果与全面推广的实际生产相比仍有较大差距，所以利用预消化技术解决杂粕的利用问题仍有较大的提升空间。进一步提升预消化技术的一些方式如下。
①菌种选育，保障安全是一切的前提，安全是指菌种本身生物安全、代谢产物安全等方面，然后应针对不同的原料定向进行菌株选育，目的是选育出生长稳定、抗逆性强、代谢旺盛的菌株，最好所使用的菌株还有一定的益生作用。
②酶创制，对于杂粕预消化，我们需要针对杂粕中的关键成分，开发出精准、高效的酶制剂，并尽可能地扩大酶制剂的温度和pH耐受区间，使酶制剂在不同的生产条件下均能表现出稳定的酶活。
③酶菌组合，应将更多的注意力集中在微生物和酶制剂的协同工作上，达到菌酶的优势互补。
④原料底物预处理，发酵过程是底物与发酵剂之间反应。因此我们也应关注原料底物的预处理，例如脱壳、膨化、粉碎等加工工艺的引入，不同杂粕底物的配比都可能影响预消化的效果。
⑤发酵工艺优化，力争做到标准化、简单化、高效化、经济化和环保化，争取将该项技术的便利程度和稳定性做到在前端榨油厂或在后端饲料养殖场可以直接应用的程度。
推广一项新技术不仅要解决几个关键的问题和指标，还需要为行业提供一整套解决方案，这样才能让产业链上的各个组成部分都全力配合技术落地。对于预消化杂粕类饲料，最重要的是做到标准化，最终达到用1～2个指标就可以让客户或配方师对产品的各个方面做出准确的预判和理解，并且其拿到的产品能与之相验证。解决了标准化问题，杂粕类产品的推广应用才有可能上一个比较大的台阶。
为保证预消化杂粕的标准化，仍需完成以下4项工作。①构建数据库，不但要建立原料的数据库，还要对最终产品，产品中的抗营养因子，预消化过程中所用到的菌、酶和发酵工艺建立数据库。
②建立快速的评价技术和体系，利用近红外技术快速检测产品中的主要成分，开发试剂盒等产品对残存的毒素和发酵产生的代谢产物进行快速检测，同时也利用最新的测序技术对整个发酵过程的微生物区系变化进行全程把控。
③建成质量检测监测系统，对预消化杂粕的全程进行安全性评价，运输和储存中的污染风险也需要着重关注。④建立与之配套的饲喂技术，需要重点关注精准营养。一般预消化产物都具有较高的水分含量，如果考虑液态饲喂技术，很有可能大幅降低烘干成本，也为动物带来更高的消化率，相关的企业应着重关注。
创制新型高品质蛋白饲料原料
昆虫蛋白
以黑水虻为主，黑水虻具有繁殖迅速、生物量大、食性广泛、蛋白转化率高、饲养成本低、适口性好等诸多优点。目前，国内已经有部分技术服务公司开展了黑水虻养殖的推广工作，中国的模式是将其用于处理厨余垃圾、工农业副产品和动物粪便等。黑水虻可在这些底物上大量繁殖并将其迅速转化为昆虫蛋白，最终经分离烘干得到蛋白含量70%以上的昆虫蛋白产品，虫沙等副产品也可以用于生产有机肥，从而做到所有产品均被有效利用。黑水虻并非仅限于我国，法国的Innova公司与美国的ADM公司合作，在ADM旗下的多个玉米深加工厂旁修建工业化黑水虻生产厂，与国内模式相比，西方模式的原料供应更加稳定，产品质量的稳定性也更具优势，我们国内的相关企业可以重点关注相关的技术。
菌体蛋白
菌体蛋白不是传统意义上的菌体蛋白，而是以甲烷为主要碳源，氮气为主要氮源的工业化发酵菌种所生产的菌体蛋白。相比于其他产品，该技术首次做到了彻底摆脱农产品原材料，完全以工业产品为主要原料，直接利用甲烷，具有土地占用少、生产密度高等特点。该技术还可以结合基因工程和合成生物学的最新成果，快速地实现技术演化，生产成本有望在短时间内大幅降低。
同时，在全球新能源革命的大背景下，从长远看必然伴随着化石燃料价格的下降，结合美国的页岩气革命，该技术很可能彻底将饲料蛋白的生产从农业转向工业，这无异于在畜牧业发生一场工业革命，我们应该重点关注该技术的发展。
实施难点与要点
在构建中国特色的饲粮体系过程中，应及时更新饲料原料营养价值数据库，并根据实际需要更新相关的饲料原料生物利用价值的评价体系，着重关注新型饲料原料的安全性和有效性，同时在使用新型蛋白饲料的过程中也应做到营养平衡和经济性。
对于低蛋白日粮技术，在实际应用中应不断根据实际情况进行优化，以保证最佳的稳定性和生产效益，对于氨基酸本身，则应重点关注新型限制性氨基酸的生产技术。
对于杂粕类蛋白饲料，应重点关注脱毒、改性等技术突破，最大限度地提升杂粕蛋白的利用率，同时也要持续优化菌酶系统，不断地提高杂粕类产品的均一性，尝试开发标准化产品。
对于新型的高品质蛋白饲料原料，应利用最新技术，通过改造代谢通路不断扩大底物范围，增加新型蛋白饲料的种类，对于现有的新产品，应优化品种选育，提高蛋白分离技术，以更快的速度将成本降至畜牧业可接受的范围。
综上所述，最重要的关键词是安全、标准化和成本可控。
国家保障措施
党的十七大以来，以习近平同志为核心的党中央在各项会议上多次强调粮食安全的重要性。习近平总书记在2012年中央经济工作会议的讲话中指出，手中有粮、心中不慌，只有把饭碗牢牢端在自己的手中，才能保持社会大局的稳定；在2013年中央农村工作会上强调我们绝不能买饭吃、讨饭吃、饭碗里必须主要装我们的自己的粮食；在2016年的人大会议上再次强调，保障粮食安全始终是国计民生的头等大事；在十九大报告中又一次强调确保国家粮食安全，把中国人的饭碗牢牢端在自己的手中；在2020年的中央农村工作会上要求要牢牢把握粮食安全的主动权。从习近平总书记的多次讲话中不难看出中央对保障粮食安全的决心，因此我们畜牧人也要响应党中央的号召，在力所能及的范围内死守国家的粮食安全底线。
为应对玉米和豆粕涨价行情对国内畜牧业的冲击，国务院在2020年9月以极快的反应速度发布了《关于促进畜牧业高质量发展的意见》，意见指出我国应调整和优化饲料配方结构，促进玉米和豆粕的减量替代。2021年3月15日农业农村部发布了《饲料中玉米豆粕减量替代工作方案》，方案中提出要充分挖掘利用现有饲料资源，降低饲料中玉米和豆粕所占的比例。2021年4月21日农业农村部正式发布了《猪鸡饲料玉米豆粕减量替代技术方案》，明确了具体的替代比例，在猪饲料中豆粕减量5%～10%，而在肉鸡饲料中豆粕减量达到15%。
在短时间内出台多项指导意见和技术方案足以说明国家层面为解决我国大豆进口依赖的决心，也足以说明这项工作的紧迫性。因此，整个畜牧行业要积极响应国家号召，加快豆粕减量替代技术的研发、实施与推广工作。
国家在豆粕减量这项工作上不仅发布了政策的引导，还安排专项资金支持相关的研究，“十四五”国家重点研发计划畜禽新品种培育与现代牧场科技创新的重点专项中有两个课题涉及到此方面，分别是“猪禽饲料营养价值准确评定与饲料精细加工技术”和“蛋白饲料生物工程制造前沿技术及新产品创制”，我们有理由相信，在国家意志的坚强推动下，在畜牧产业产学研的通力配合下，一定能解决我国对进口豆粕的高度依赖问题，使我国畜牧业摆脱西方的束缚，建立自己主导的饲喂体系。
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