创新饲料养分效价评定技术,服务我国饲料工业

文章来源:作者: 点击数:发布时间:2018-01-30【字体:   

博观而约取,勇挑动物营养学界基础技术难题

  2017年我国饲料总产量接近2亿吨,列居世界之首。在饲料生产中,全价饲料提供的可消化养分含量以及配方成本都是以各饲料原料的养分效价数据为依据进行计算。目前,该数据均不是实测数据,而是查表或获通过化学成分作校正,存在较大的偏差乃至误导,已经成为饲料工业隐性浪费之首。近百年来,人们在实测饲料养分效价的方法上仍以动物试验法为经典方法,获得数据的周期约需要10~15天,耗时长、系统误差大、精度低、可重复性差等缺点无法满足现代精准畜牧业的基本要求。因此,设计出一种科学、准确、快速的饲料养分效价测试工具与方法是急需的,也是现代养殖业最为基础的技术支撑。

  针对饲料科学领域这一重大技术需求,张子仪院士在上世纪八十年代对胃蛋白酶-猪小肠液体外模拟消化法估测猪饲料的消化能值进行了系统研究,并联合国内十多家单位对该方法进行了验证,积累了大量数据。与此同时,国外学者也一直在探索以体外消化法解决饲料有效能、氨基酸消化率的快速测定。但当时条件下采用的胃肠道模拟消化装置多以三角瓶、试管、透析管等简单实验材料为基础,在每一步消化过程中pH值的改变、消化液的加入、产物的分离等都是通过人工手动的方式实现,而且模拟消化液的制备缺乏体内参数的支撑。从而导致可重复性较差(平行样的最大偏差达4%以上),且与动物体内测值的差异在5%以上,难以被行业生产接受。针对这一发展现状,项目组认为制约现有体外模拟消化方法的核心问题是模拟消化条件混乱、全程手工操作、过程繁琐、人为干扰因素多、方法的重复性差。发明全自动、标准化、仪器化的仿生消化技术是解决上述共性技术难题的关键。

  厚积而薄发,攻克猪禽仿生消化评定饲料养分效价技术

  为了使猪、鸡、鸭的仿生消化过程尽可能地逼近体内的状态,首先需要分析动物体内消化液的组成特性,在此基础上发明全自动模拟猪、禽饲料养分消化的技术方法。为此,项目组在大量获取活体动物食糜的技术上,在国内率先创建了家禽肠道食糜的连续采集方法,并开发了基于医用硅橡胶材料的禽用套管,证明了家禽套管手术恢复后2个月内消化功能正常。开发了基于食品级聚丙烯材料的高强度猪用肠道套管组件,猪肠道套管手术恢复后试用期内(终身)套管完整率100%,从根本上解决了国内猪用肠道套管在试验期间堵塞、断裂、从体内脱落的问题。上述两款套管产品为本项目大量获得猪禽体内食糜特性的信息提供了关键工具,并为国内科研单位(中国农业大学、南京农业大学等)开展动物消化生理学研究提供了技术手段。在体内食糜及消化液的组成成分参数的获取上,我们通过肠道套管技术所获得的猪、鸡、鸭肠道食糜,探明了其组成的变异规律及日粮营养水平对肠液消化酶活性与离子浓度的影响,获得了猪体内小肠液、盲肠液组成参数各1套,黄羽肉鸡、成年蛋公鸡、北京鸭体内小肠液的组成参数3套,为全自动模拟消化技术中模拟消化器的设计、模拟消化过程的全自动控制提供了基础参数。

用于研究猪禽肠道食糜特性的套管技术

  根据饲料在猪禽体内随食糜变化的消化过程及饲料养分效价评定“全进-全出”的基本原则,设计出了可模拟猪、鸡、鸭消化吸收功能、以生物膜(透析袋)分离水解产物与非水解物的仿生消化器。将透析袋内视为动物消化道内的消化环境,透析袋外的缓冲液视为动物的体液环境,通过透析袋外的缓冲液控制透析袋内的消化环境后配套往透析袋内注入各消化阶段的消化液,可以依次实现胃→小肠→大肠全程的仿生消化。该仿生消化过程通过消化液自动分泌系统、水解产物自动清洗系统、恒温控制系统、消化过程控制与检测系统由信号反馈控制实现全自动模拟猪禽饲料的养分消化。该全自动模拟猪禽饲料养分消化的成套技术于2014年4月转让给湖南中本智能科技发展有限公司独占性实施许可。创建并批量生产了第二代和第三代全自动单胃动物仿生消化系统。

  

第二代单胃动物仿生消化系统                      第三代单胃动物仿生消化系统

  为了实现对猪禽饲料养分效价的快速估测,根据猪禽体内食糜与消化液的组成参数以及创建的单胃动物仿生消化系统(仪器),我们发明了基于单胃动物仿生消化系统测定猪禽饲料养分效价的技术体系。首先建立了从猪禽体内肠液中采用“高速离心-乙醇沉淀-缓冲液复溶-冻干” 的方法纯化消化酶粉剂产品。根据体内消化液的组成,以自主纯化的消化酶粉剂为基础,开发了酶活性明确、高度可重复的模拟消化液试剂盒产品,使模拟消化液的水解能力达到了体内消化液的98.5%。系统研究并规范了仿生消化中透析袋预处理后的保存时间、样品粉碎粒度、清洗时间与次数,胃、小肠(前段、后段)、大肠消化时间。提出了猪、鸡、鸭仿生消化操作规程各1套,根据仿生消化流程及操作规程设置了仿生消化系统控制软件参数98个。解析了仿生消化过程中各步骤的变异程度,检验了测定结果的批间、批内及实验室间重复性,达到了平均变异系数不超过1%,样品间测定结果具有可加性。仿生消化法测定结果与动物体内法测定结果的相关系数在0.9以上,达到了准确估测饲料养分生物学效价的目的。通过《单胃动物仿生消化系统技术参数规范》、《猪、禽模拟消化液试剂盒制备方法技术规范》、《猪饲料酶水解物能值测定技术规程》、《鸡饲料酶水解物能值测定技术规程》、《鸭饲料酶水解物能值测定技术规程》、《单胃动物仿生消化系统操作手册》全面、翔实地规范了基于单胃动物仿生消化系统测定猪禽饲料养分效价的技术体系。上述研究成果已获得发明专利3项,实用新型专利9项,软件著作权11项,发表论文48篇。

仿生消化控制软件  模拟消化液试剂盒   操作规程

国家龙头企业示范推广,经济效益显著

  本项目成果在2009年与广东温氏食品集团股份有限公司(国内最大养殖企业)合作开展仿生消化法建设黄羽肉鸡饲料原料数据库,系统研制了仿生消化评定饲料养分效价的可靠性。并基于仿生消化法建立了饲料原料理化指标预测鸡代谢能值的动态模型30个。该成果2014、2015年为广东温氏食品集团股份有限公司节约的成本在6亿元以上,2015年获得了广东温氏食品集团股份有限公司科技特等奖。2012年本成果与广东海大集团(饲料年产量超过600万吨)合作开展了仿生消化法建设樱桃谷鸭饲料原料数据库,系统评估了71个饲料原料的代谢能值用于饲料配方,目前广东海大集团的鸭商品饲料从零起点已成为广东最大的鸭料生产企业,取得了巨大的效益。2014年本成果与新希望六和股份有限公司(饲料年产量超过1500万吨)合作开展了基于仿生消化法的猪禽常用饲料原料基础数据的研究,在验证了仿生消化方法准确性的基础上,开展了24类饲料原料,870个样本库的测定与建模,实现了饲料数据库的实时更新。动物大群试验证明,仿生消化法获得的饲料养分效价实时数据可为每吨料的配方成本节约20元。此外,本项目成果在湖南中本智能科技发展有限公司获得专利许可权后,批量生产了第二代和第三代单胃动物仿生消化系统及模拟消化液试剂盒推向我国饲料企业和科研单位。目前已在国内29家大型国家农业产业化龙头饲料企业(其中上市企业9家)、14家科研单位应用,在我国饲料行业的应用覆盖面达到了1/3,每年为我国饲料生产企业节约的生产成本在10亿元以上。同时,本成果可以使我国在饲料原料养分生物学效价大数据的获取上节约90%的财物成本,取得良好的社会效益。

 

仿生消化系统提供对外检测服务

 

指导仿生消化系统在广东温氏集团的应用

单胃动物仿生消化系统参加2016年中国饲料工业展