本文發表于《中國科學院學報》2021年第6期《生态養草高品質發展》
何志雄 1，2 周任務 1，2 王敏 1 楊去 3 鐘榮鎮 4 喬金珍 1 唐少勳 1 譚志良 1，2
1 中國科學院亞熱帶農業粘土研究所 中國科學院亞熱帶農業分解過程重點實驗室
2 中國科學院大學現代農業科學學院
3 （中國科學院西北生态環境與資源研究所）
4 （中國科學院東北地理與農業研究所， 吉林省草地畜牧業重點實驗室）
為了滿足我國14億人對肉類、蛋類、奶類等動物産品的剛性需求，我國畜牧業在過去40年中實作了顯著的數量增長。目前，我國育豬量占世界豬的1/2，家禽的1/3，綿羊的1/5和牛的1/11，畜牧業生産規模居世界前列。
一方面，我國食草畜牧業發展潛力巨大。統計資料顯示，2019年我國肉類年産量為7759萬噸，其中豬肉4255萬噸，牛肉667萬噸，羊肉487萬噸，家禽1897萬噸，雞蛋3309萬噸，牛奶3298萬噸。
與我國肉類消費結構相比，食用谷物的豬、禽肉比例為79%，而食草牛肉羊肉的比例僅為15%。食糧豬禽比例的扭曲，不僅反映了我國畜牧業産業結構的嚴重不合理性，也與養殖業的自然資源禀賦和副産品資源（草原面積約4億公頃，世界面積最大，每年約8億噸農作物稭稈）不符。與食草動物業發達國家（例如，紐西蘭和澳洲分别占食草牛和羊肉的79%和65%）相比，我國食草畜牧業具有很大的發展潛力。
另一方面，面對我國農業在新發展階段、新發展理念、新發展格局架構下的發展趨勢，食草畜業發展走高品質轉型發展道路也是必然趨勢。功能性農業将是繼高産農業和綠色農業之後的第三個發展階段，功能性農産品被認為是未來高端食品的發展方向。
目前，我國一些動物産品存在結構性過剩：一般同質化産品價格高，優質産品供應不能滿足消費者需求。以奶牛為例，消費者對國内乳制品消費缺乏信心，以及奶粉進口大幅增加，國内原奶供需嚴重失衡。
是以，發展國産食草畜牧業功能性産品，不僅是草食性畜牧業高品質發展的首要任務，還是重塑民族品牌，讓消費者重新獲得信心的新突破，也是推動我國畜牧業進入世界先進行列的必由之路。
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國内外功能性動物産品的發展現狀
功能性動物産品是一種基于動物産品的功能性食品。功能性食品除了營養、感官功能等基本特性外，還可以對增強人體免疫功能、預防疾病、增強機體機能、調節機體機能等積極作用。
功能性食品開發大緻分為三個階段：
第一階段功能食品主要是各種強化食品，沒有經過任何實驗驗證的最原始的功能食品，我國大部分功能食品都屬于這一類;
第二階段功能性食品，經人體或動物試驗證明其具有生理調節功能;
功能食品的第三階段主要展現在對功能成分的深入研究上，即在第二階段功能食品的基礎上，同時明确功能因素的結構、含量及其作用機制，以及功能因素具有穩定的形式。目前，歐美等發達國家功能性食品研發基本處于第三階段。
現階段，我國開發的功能性農産品主要以第一階段為特征的富含礦物質的食品（如硒、鈣、鋅等）。功能性卵是一種經過更多研究的動物産品。例如，使用高硒含量的飼料（例如無機硒或有機硒）将富硒雞蛋喂給雞，進而使硒在雞體内轉化為有機硒并沉積在雞蛋中。雞蛋中有機硒的吸收率高達80%，這表明富硒雞蛋是硒營養的良好補充。此外，通過雞蛋和雞飼料對雞蛋膽固醇、脂肪酸、磷脂、氨基酸、礦物質、維生素和類胡蘿蔔素等含量的控制，生産兒童、老人等飲食營養需求的功能性雞蛋也有報道。
草食性牛和羊肉是高品質的蛋白質來源，膽固醇低，富含必需氨基酸和其他重要礦物質。牛肉中含有豐富的豬、禽肉不能與亞油酸、肉堿、肌酐、生物氫化中間體等功能成分相比，在減少脂肪攝入、預防糖尿病、癌症和心血管疾病方面顯示出對人體健康的積極作用。
我國草食性畜奶功能性産品近年來已有一些報道。例如，國家地理标志産品"柏樹羊肉"以其新鮮，芬芳，無魚的味道而聞名，是一種高蛋白，低脂肪，高品質的山羊肉，富含遊離氨基酸和多種微量元素。
此外，初乳被認為是一種潛在的功能性食物，因為它富含生物活性物質，如免疫球蛋白，乳鐵蛋白和細胞因子，可增強人體的免疫功能并促進生長發育。
目前，食草家畜奶功能性産品的研發仍處于起步階段（産品的第一階段），随着中國人民健康意識的提高和功能性食品市場的挖掘，瞄準功能性食品特征的第三階段開展草食性畜奶功能産品的精細研發， 提高産品的科學内涵，對于指導草飼畜生産和居民科學飲食具有重要的戰略意義。
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草食性畜牧業功能性産品開發中的前沿科技問題
草食性畜奶功能性産品研究的總體目标。通過草食性動物奶功能産品"靶向分析-畜禽生産-人類健康"三個層次的科技創新，分析乳制品重要功能成分的形成機理，建構食草畜禽奶功能成分的靶向推廣技術，明确乳品營養與人體健康的關系， 為指導精制日糧設計、開展草食性動物奶功能性産品個性化第三階段研發提供基礎理論支援。
圖1 草食性畜牧業功能産品研究戰略路線圖
草食性畜奶制品的功能是一個理論問題。它側重于食草動物的生物學基礎和營養過程調節的兩個方面。
1.從自身生物學基礎的角度，有必要明确草食性畜奶制品重要功能成分（.raw 如肉類結合亞油酸、肉堿與肌酐、生牛奶鐵蛋白和卵磷脂等）的遺傳基礎，分析表征牛奶肉及其前體重要功能成分的關鍵靶基因。
2.從養分過程調控的角度，要明确食草動物發育中重要功能成分的化學結構、生物合成過程及前體的積累規律、門檻值範圍、影響因素及其調控機制等，并分析如何調節消化等奶制品的品質和功能， 飼料關鍵營養素（如碳水化合物、蛋白質和脂質）的吸收、運輸途徑和分布。以脂肪代謝為例：由于大多數不飽和脂肪酸會被食草動物胃中的微生物氫化成飽和脂肪酸，是以有必要澄清胃中不飽和脂肪酸的氫化與乳制品中有機亞油酸的産生之間的關系。
基于乳制品功能成分增強的動物生産中的技術問題。草食性畜生産的主要問題是，如何在保證乳制品産量和品質的基礎上，通過生物和非生物技術，改善其功能組成。
1.對于生肉，肉的品質通常通過肌肉pH值，肉色，水力學，嫩度，肌間脂肪含量，巴比妥酸硫反應值和風味評分等名額來量化。從生肉的功能組成來看，食草畜牧業關注的問題包括：在環境友好的基礎上，如何利用氨基酸平衡、食品陰陽離子平衡、日糧氮釋放同步指數和功能性綠色添加劑等技術來改善肉制品支鍊氨基酸等重要功能成分的含量， 磷脂，共轭亞油酸，生物氫化中間體，肌酐和肉堿;
2.對于生鮮奶，我國制定了嚴格的生産和品質标準，生牛奶脂肪率、牛奶蛋白質和脫脂固形物等名額都制定了嚴格的門檻值限制。在符合行業标準的基礎上，如何提高生鮮奶重要功能成分（如卵磷脂、共轭亞油酸、乳鐵蛋白）的含量，以及原奶調節劑的劑量效應和生産成本，是乳品食草畜養殖關注的問題。
食草動物的功能組成及人體健康的理論依據.主要包括：消化吸收人體乳肉的重要功能成分，明确分類乳制品的功能分類;
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探索開發草食性畜牧業奶功能性産品的實踐
利用遺傳改良方法培育新菌株
家畜優良的遺傳背景是培育好品種的基礎。通過品種選擇或基因工程培育高表達的家畜品種，是生産富含特定功能成分的功能性動物産品的有效途徑。
例如，乳鐵蛋白是一種核心營養蛋白，可以從牛奶中提取，具有調節免疫力和促進骨骼生長等多種健康功能。國内外科研人員利用體細胞克隆技術擷取人乳鐵蛋白基因，培育克隆牛人乳鐵蛋白，提高生牛奶中重組人乳鐵蛋白的含量。
高肌間脂肪是牛肉和羊肉大理石粒生産的基礎，也是影響肉質的重要因素之一。肌間脂肪的沉積與食草動物的品種、管理、營養和遺傳基礎密切相關。中國科學院生态草畜牧研究團隊鑒定出影響綿羊肌肉間脂肪沉積的相關基因，篩選建構了基于我國綿羊品種的肉性狀基因篩選晶片，旨在生産優質羔羊，并利用良好育種的聯合育種技術，對高肌間脂肪雪花羔羊新品系進行選育。
此外，草食性畜奶制品含有改善心血管健康、代謝疾病和神經健康的磷脂，尤其是牛肉和羊肉，以及更高濃度的肌酐和肉堿，可以生長人體肌肉，增強力量。雖然這些功能成分是食草畜奶制品中與豬肉和禽肉制品不同的重要功能成分，但目前關注較少。通過分析草食性畜奶制品中磷脂、肌酸、肉堿等重要功能成分的主要基因，利用遺傳改良方法培養磷脂、肌酐或肉堿來表達當地的食草動物物種，是實作乳制品功能化的發展方向。
調節飲食配方改變功能性成分的合成過程
因為食草動物具有與單體動物截然不同的消化器官——惡性良性腫瘤胃，是以動物體内的關鍵營養物質表現出獨特的消化和代謝機制。
例如：在惡性良性腫瘤胃微生物發酵下，碳水化合物降解，包括粗纖維，産生短鍊脂肪酸作為動物的主要能量來源，蛋白質降解成氨氮，并進一步生産含有各種必需氨基酸的微生物蛋白質，脂肪不飽和脂肪酸氫化産生飽和脂肪酸等。國内外科研人員從食草動物營養代謝過程控制乳品重要功能成分的角度進行了多年的研究和探索，其中共轭亞油酸的研究最多。草食性乳制品含有高水準的共轭亞油酸，對減少脂肪攝入和預防糖尿病、癌症和心血管疾病起到積極作用。研究表明，通過增加食草動物粗飼料的比例，改變脂肪酸的種類和數量，可以提高牛奶肉中共轭亞油酸的含量。
在早期應用植物功能成分調控食草動物産品品質的研究中，中國科學院生态草本畜牧研究團隊發現，在羊肉日糧中添加3.0-4.0 g/kg兒茶素可有效提高羊肉的肌肉品質，增加肌肉中不飽和脂肪酸的比例;
目前，通過膳食食品調控方法對食草動物奶制品中磷脂、肌酸、肉堿等重要功能成分的研究較少，基于其在食草動物奶制品和人類營養中的重要性，有必要加強對這些重要功能成分的針對性膳食制備技術和功能性飼料産品的研發。
靶向合成草食性動物奶功能成分前體物質
近年來，合成生物學在轉化微生物的遺傳物質和代謝途徑方面取得了顯著進展。從頭開始設計和合成DNA序列的能力已經從一個簡單的基因進化到整個微生物的基因組，病毒，原核基因組和真核染色體已經成功合成。
随着合成生物學技術的不斷突破，研究人員已經能夠引入複雜的外源代謝途徑，并對其進行工程改造，以實作特定微生物宿主内的定向進化。對于草食性家畜來說，胃是多種微生物的家園，包括細菌、真菌、古細菌和原生動物，它們物種多樣，功能複雜，可以作為氨基酸、脂肪酸、維生素等多種功能成分的天然儲存庫。
基于合成生物學，挖掘食草動物功能組分前體物質的合成途徑，在惡性良性腫瘤胃型微生物中建構相應的合成途徑，以功能簇的形式結合功能組分前體物質的代謝途徑，通過高效合成元件挖掘優化組成網絡， 增加關鍵限速酶的拷貝數并引入分子控制線。靶向轉化食草動物惡性良性腫瘤胃特異性微生物，合成功能組分前體物質，促進食草動物功能肉質（支鍊脂肪酸和風味氨基酸等）和牛奶成分（共轭亞油酸、磷脂和乳鐵蛋白等）合成和沉積，在提高食草動物奶肉制品品質方面具有很大的潛力，亟待挖掘。
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政策建議
草食性畜牧業功能性産品開發尚處于探索階段，圍繞食草動物奶功能産品在國家戰略層面開展重大基礎研究、重大技術研究和重大産品開發，形成差異化草食性畜牧業奶制品，打造旗艦奶粉，具有重大戰略意義。 推動食草畜牧業高品質發展路徑，引導消費者健康飲食。為草食性畜牧業高品質發展，提出2項政策建議。
改善組織管理
要進一步加強功能性産品技術、食草畜牧産品開發的頂層設計，協調相關科技資源。積極與國内外頂尖學術機構和科學家建立緊密合作，形成科研界，發揮主動性和号召力，搶占多個領域的制高點，組建頂尖學術團隊，搭建多台頂尖學術研究平台。
加強研究投入
在國家戰略層面，各級政府在政策制定中發揮主導作用，針對不同地區、不同人群的消費需求，圍繞草食性畜牧業功能性産品開發産業鍊部署重大科技任務，加大政府基礎研究投入，引導企業和社會資本投入技術研發和産品。 開發食草牲畜和牛奶的功能性産品。
背景
20世紀以來，全球人口普遍形成了由營養過剩引起的功能性食品概念，000種"富蟲病"如糖尿病、心血管疾病等。2017年，第十九次全國代表大會報告提出了"健康中國"的發展戰略。在大健康戰略的背景下，發展營養與健康相結合的功能性動物産品，不僅是推動畜牧業供給側改革逐漸形成高品質發展的産業新格局的有力把握者，也是助力健康中國戰略落地的重要途徑。從2020年到2035年，中國将在全面建成小康社會、實作第一世紀目标後，向第二世紀目标邁進。全社會對健康産品的需求越來越多樣化、差異化、個性化，中國居民飲食結構中對肉、蛋、奶等動物産品的消費量逐年增加，是以人們對動物産品品質的需求将越來越迫切。未來15年，我們的中等收入群體的規模預計将從4億增長到8億。強勁的内生市場需求将促進高品質功能性動物産品的生産和開發，以滿足中等收入群體的消費需求，同時增加牽引産品的産量。
何志雄是中國科學院亞熱帶農業地質分析研究所研究員。主要從事母幼食草動物營養生理研究，以及牛肉羊肉育肥、肉類品質控制、嬰幼兒動物優化育種技術等方面的科技示範工作。近年來，主持國家自然科學基金、中國科學院人才選拔項目、中國科學院科技服務網絡項目（STS）重點項目等科研項目。SCI論文50餘篇發表在各大畜牧業期刊上。
譚世良，中國科學院亞熱帶農業生态研究所所長、研究員。科技部重點領域"動禽消化健康與育種生态安全"創新團隊首席科學家，湖南省現代農業草食性動物産業技術體系首席科學家，中國畜牧獸醫學會動物營養信用協會副會長。曾獲國家科技進步二等獎2項，湖南省科技進步獎一等獎4項。主持重大科技項目、科技部國際合作項目、國家自然科學基金重大國際（區域）合作項目、重點項目30餘項，發表SCI論文150餘篇。
文章來源：何志雄，周川，王敏，楊國，鐘榮珍，賈金珍，唐少勳，譚志良。草食性畜牧業功能性産品開發的戰略思考.中國科學院學報， 2021，36 （6）： 685-691.