本文发表于《中国科学院学报》2021年第6期《生态养草高质量发展》
何志雄 1，2 周任务 1，2 王敏 1 杨去 3 钟荣镇 4 乔金珍 1 唐少勋 1 谭志良 1，2
1 中国科学院亚热带农业粘土研究所 中国科学院亚热带农业分解过程重点实验室
2 中国科学院大学现代农业科学学院
3 （中国科学院西北生态环境与资源研究所）
4 （中国科学院东北地理与农业研究所， 吉林省草地畜牧业重点实验室）
为了满足我国14亿人对肉类、蛋类、奶类等动物产品的刚性需求，我国畜牧业在过去40年中实现了显著的数量增长。目前，我国育猪量占世界猪的1/2，家禽的1/3，绵羊的1/5和牛的1/11，畜牧业生产规模居世界前列。
一方面，我国食草畜牧业发展潜力巨大。统计数据显示，2019年我国肉类年产量为7759万吨，其中猪肉4255万吨，牛肉667万吨，羊肉487万吨，家禽1897万吨，鸡蛋3309万吨，牛奶3298万吨。
与我国肉类消费结构相比，食用谷物的猪、禽肉比例为79%，而食草牛肉羊肉的比例仅为15%。食粮猪禽比例的扭曲，不仅反映了我国畜牧业产业结构的严重不合理性，也与养殖业的自然资源禀赋和副产品资源（草原面积约4亿公顷，世界面积最大，每年约8亿吨农作物秸秆）不符。与食草动物业发达国家（例如，新西兰和澳大利亚分别占食草牛和羊肉的79%和65%）相比，我国食草畜牧业具有很大的发展潜力。
另一方面，面对我国农业在新发展阶段、新发展理念、新发展格局框架下的发展趋势，食草畜业发展走高质量转型发展道路也是必然趋势。功能性农业将是继高产农业和绿色农业之后的第三个发展阶段，功能性农产品被认为是未来高端食品的发展方向。
目前，我国一些动物产品存在结构性过剩：一般同质化产品价格高，优质产品供应不能满足消费者需求。以奶牛为例，消费者对国内乳制品消费缺乏信心，以及奶粉进口大幅增加，国内原奶供需严重失衡。
因此，发展国产食草畜牧业功能性产品，不仅是草食性畜牧业高质量发展的首要任务，还是重塑民族品牌，让消费者重新获得信心的新突破，也是推动我国畜牧业进入世界先进行列的必由之路。
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国内外功能性动物产品的发展现状
功能性动物产品是一种基于动物产品的功能性食品。功能性食品除了营养、感官功能等基本特性外，还可以对增强人体免疫功能、预防疾病、增强机体机能、调节机体机能等积极作用。
功能性食品开发大致分为三个阶段：
第一阶段功能食品主要是各种强化食品，没有经过任何实验验证的最原始的功能食品，我国大部分功能食品都属于这一类;
第二阶段功能性食品，经人体或动物试验证明其具有生理调节功能;
功能食品的第三阶段主要体现在对功能成分的深入研究上，即在第二阶段功能食品的基础上，同时明确功能因素的结构、含量及其作用机制，以及功能因素具有稳定的形式。目前，欧美等发达国家功能性食品研发基本处于第三阶段。
现阶段，我国开发的功能性农产品主要以第一阶段为特征的富含矿物质的食品（如硒、钙、锌等）。功能性卵是一种经过更多研究的动物产品。例如，使用高硒含量的饲料（例如无机硒或有机硒）将富硒鸡蛋喂给鸡，从而使硒在鸡体内转化为有机硒并沉积在鸡蛋中。鸡蛋中有机硒的吸收率高达80%，这表明富硒鸡蛋是硒营养的良好补充。此外，通过鸡蛋和鸡饲料对鸡蛋胆固醇、脂肪酸、磷脂、氨基酸、矿物质、维生素和类胡萝卜素等含量的控制，生产儿童、老人等饮食营养需求的功能性鸡蛋也有报道。
草食性牛和羊肉是高质量的蛋白质来源，胆固醇低，富含必需氨基酸和其他重要矿物质。牛肉中含有丰富的猪、禽肉不能与亚油酸、肉碱、肌酐、生物氢化中间体等功能成分相比，在减少脂肪摄入、预防糖尿病、癌症和心血管疾病方面显示出对人体健康的积极作用。
我国草食性畜奶功能性产品近年来已有一些报道。例如，国家地理标志产品"柏树羊肉"以其新鲜，芬芳，无鱼的味道而闻名，是一种高蛋白，低脂肪，高品质的山羊肉，富含游离氨基酸和多种微量元素。
此外，初乳被认为是一种潜在的功能性食物，因为它富含生物活性物质，如免疫球蛋白，乳铁蛋白和细胞因子，可增强人体的免疫功能并促进生长发育。
目前，食草家畜奶功能性产品的研发仍处于起步阶段（产品的第一阶段），随着中国人民健康意识的提高和功能性食品市场的挖掘，瞄准功能性食品特征的第三阶段开展草食性畜奶功能产品的精细研发， 提高产品的科学内涵，对于指导草饲畜生产和居民科学饮食具有重要的战略意义。
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草食性畜牧业功能性产品开发中的前沿科技问题
草食性畜奶功能性产品研究的总体目标。通过草食性动物奶功能产品"靶向分析-畜禽生产-人类健康"三个层次的科技创新，分析乳制品重要功能成分的形成机理，构建食草畜禽奶功能成分的靶向推广技术，明确乳品营养与人体健康的关系， 为指导精制日粮设计、开展草食性动物奶功能性产品个性化第三阶段研发提供基础理论支持。
图1 草食性畜牧业功能产品研究战略路线图
草食性畜奶制品的功能是一个理论问题。它侧重于食草动物的生物学基础和营养过程调节的两个方面。
1.从自身生物学基础的角度，有必要明确草食性畜奶制品重要功能成分（.raw 如肉类结合亚油酸、肉碱与肌酐、生牛奶铁蛋白和卵磷脂等）的遗传基础，分析表征牛奶肉及其前体重要功能成分的关键靶基因。
2.从养分过程调控的角度，要明确食草动物发育中重要功能成分的化学结构、生物合成过程及前体的积累规律、阈值范围、影响因素及其调控机制等，并分析如何调节消化等奶制品的质量和功能， 饲料关键营养素（如碳水化合物、蛋白质和脂质）的吸收、运输途径和分布。以脂肪代谢为例：由于大多数不饱和脂肪酸会被食草动物胃中的微生物氢化成饱和脂肪酸，因此有必要澄清胃中不饱和脂肪酸的氢化与乳制品中有机亚油酸的产生之间的关系。
基于乳制品功能成分增强的动物生产中的技术问题。草食性畜生产的主要问题是，如何在保证乳制品产量和质量的基础上，通过生物和非生物技术，改善其功能组成。
1.对于生肉，肉的质量通常通过肌肉pH值，肉色，水力学，嫩度，肌间脂肪含量，巴比妥酸硫反应值和风味评分等指标来量化。从生肉的功能组成来看，食草畜牧业关注的问题包括：在环境友好的基础上，如何利用氨基酸平衡、食品阴阳离子平衡、日粮氮释放同步指数和功能性绿色添加剂等技术来改善肉制品支链氨基酸等重要功能成分的含量， 磷脂，共轭亚油酸，生物氢化中间体，肌酐和肉碱;
2.对于生鲜奶，我国制定了严格的生产和质量标准，生牛奶脂肪率、牛奶蛋白质和脱脂固形物等指标都制定了严格的阈值限制。在符合行业标准的基础上，如何提高生鲜奶重要功能成分（如卵磷脂、共轭亚油酸、乳铁蛋白）的含量，以及原奶调节剂的剂量效应和生产成本，是乳品食草畜养殖关注的问题。
食草动物的功能组成及人体健康的理论依据.主要包括：消化吸收人体乳肉的重要功能成分，明确分类乳制品的功能分类;
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探索开发草食性畜牧业奶功能性产品的实践
利用遗传改良方法培育新菌株
家畜优良的遗传背景是培育好品种的基础。通过品种选择或基因工程培育高表达的家畜品种，是生产富含特定功能成分的功能性动物产品的有效途径。
例如，乳铁蛋白是一种核心营养蛋白，可以从牛奶中提取，具有调节免疫力和促进骨骼生长等多种健康功能。国内外科研人员利用体细胞克隆技术获取人乳铁蛋白基因，培育克隆牛人乳铁蛋白，提高生牛奶中重组人乳铁蛋白的含量。
高肌间脂肪是牛肉和羊肉大理石粒生产的基础，也是影响肉质的重要因素之一。肌间脂肪的沉积与食草动物的品种、管理、营养和遗传基础密切相关。中国科学院生态草畜牧研究团队鉴定出影响绵羊肌肉间脂肪沉积的相关基因，筛选构建了基于我国绵羊品种的肉性状基因筛选芯片，旨在生产优质羔羊，并利用良好育种的联合育种技术，对高肌间脂肪雪花羔羊新品系进行选育。
此外，草食性畜奶制品含有改善心血管健康、代谢疾病和神经健康的磷脂，尤其是牛肉和羊肉，以及更高浓度的肌酐和肉碱，可以生长人体肌肉，增强力量。虽然这些功能成分是食草畜奶制品中与猪肉和禽肉制品不同的重要功能成分，但目前关注较少。通过分析草食性畜奶制品中磷脂、肌酸、肉碱等重要功能成分的主要基因，利用遗传改良方法培养磷脂、肌酐或肉碱来表达当地的食草动物物种，是实现乳制品功能化的发展方向。
调节饮食配方改变功能性成分的合成过程
因为食草动物具有与单体动物截然不同的消化器官——肿瘤胃，所以动物体内的关键营养物质表现出独特的消化和代谢机制。
例如：在肿瘤胃微生物发酵下，碳水化合物降解，包括粗纤维，产生短链脂肪酸作为动物的主要能量来源，蛋白质降解成氨氮，并进一步生产含有各种必需氨基酸的微生物蛋白质，脂肪不饱和脂肪酸氢化产生饱和脂肪酸等。国内外科研人员从食草动物营养代谢过程控制乳品重要功能成分的角度进行了多年的研究和探索，其中共轭亚油酸的研究最多。草食性乳制品含有高水平的共轭亚油酸，对减少脂肪摄入和预防糖尿病、癌症和心血管疾病起到积极作用。研究表明，通过增加食草动物粗饲料的比例，改变脂肪酸的种类和数量，可以提高牛奶肉中共轭亚油酸的含量。
在早期应用植物功能成分调控食草动物产品品质的研究中，中国科学院生态草本畜牧研究团队发现，在羊肉日粮中添加3.0-4.0 g/kg儿茶素可有效提高羊肉的肌肉品质，增加肌肉中不饱和脂肪酸的比例;
目前，通过膳食食品调控方法对食草动物奶制品中磷脂、肌酸、肉碱等重要功能成分的研究较少，基于其在食草动物奶制品和人类营养中的重要性，有必要加强对这些重要功能成分的针对性膳食制备技术和功能性饲料产品的研发。
靶向合成草食性动物奶功能成分前体物质
近年来，合成生物学在转化微生物的遗传物质和代谢途径方面取得了显著进展。从头开始设计和合成DNA序列的能力已经从一个简单的基因进化到整个微生物的基因组，病毒，原核基因组和真核染色体已经成功合成。
随着合成生物学技术的不断突破，研究人员已经能够引入复杂的外源代谢途径，并对其进行工程改造，以实现特定微生物宿主内的定向进化。对于草食性家畜来说，胃是多种微生物的家园，包括细菌、真菌、古细菌和原生动物，它们物种多样，功能复杂，可以作为氨基酸、脂肪酸、维生素等多种功能成分的天然储存库。
基于合成生物学，挖掘食草动物功能组分前体物质的合成途径，在肿瘤胃型微生物中构建相应的合成途径，以功能簇的形式结合功能组分前体物质的代谢途径，通过高效合成元件挖掘优化组成网络， 增加关键限速酶的拷贝数并引入分子控制线。靶向转化食草动物肿瘤胃特异性微生物，合成功能组分前体物质，促进食草动物功能肉质（支链脂肪酸和风味氨基酸等）和牛奶成分（共轭亚油酸、磷脂和乳铁蛋白等）合成和沉积，在提高食草动物奶肉制品质量方面具有很大的潜力，亟待挖掘。
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政策建议
草食性畜牧业功能性产品开发尚处于探索阶段，围绕食草动物奶功能产品在国家战略层面开展重大基础研究、重大技术研究和重大产品开发，形成差异化草食性畜牧业奶制品，打造旗舰奶粉，具有重大战略意义。 推动食草畜牧业高质量发展路径，引导消费者健康饮食。为草食性畜牧业高质量发展，提出2项政策建议。
改善组织管理
要进一步加强功能性产品技术、食草畜牧产品开发的顶层设计，协调相关科技资源。积极与国内外顶尖学术机构和科学家建立紧密合作，形成科研界，发挥主动性和号召力，抢占多个领域的制高点，组建顶尖学术团队，搭建多台顶尖学术研究平台。
加强研究投入
在国家战略层面，各级政府在政策制定中发挥主导作用，针对不同地区、不同人群的消费需求，围绕草食性畜牧业功能性产品开发产业链部署重大科技任务，加大政府基础研究投入，引导企业和社会资本投入技术研发和产品。 开发食草牲畜和牛奶的功能性产品。
背景
20世纪以来，全球人口普遍形成了由营养过剩引起的功能性食品概念，000种"富虫病"如糖尿病、心血管疾病等。2017年，第十九次全国代表大会报告提出了"健康中国"的发展战略。在大健康战略的背景下，发展营养与健康相结合的功能性动物产品，不仅是推动畜牧业供给侧改革逐步形成高质量发展的产业新格局的有力把握者，也是助力健康中国战略落地的重要途径。从2020年到2035年，中国将在全面建成小康社会、实现第一世纪目标后，向第二世纪目标迈进。全社会对健康产品的需求越来越多样化、差异化、个性化，中国居民饮食结构中对肉、蛋、奶等动物产品的消费量逐年增加，因此人们对动物产品质量的需求将越来越迫切。未来15年，我们的中等收入群体的规模预计将从4亿增长到8亿。强劲的内生市场需求将促进高品质功能性动物产品的生产和开发，以满足中等收入群体的消费需求，同时增加牵引产品的产量。
何志雄是中国科学院亚热带农业地质分析研究所研究员。主要从事母幼食草动物营养生理研究，以及牛肉羊肉育肥、肉类质量控制、婴幼儿动物优化育种技术等方面的科技示范工作。近年来，主持国家自然科学基金、中国科学院人才选拔项目、中国科学院科技服务网络项目（STS）重点项目等科研项目。SCI论文50余篇发表在各大畜牧业期刊上。
谭世良，中国科学院亚热带农业生态研究所所长、研究员。科技部重点领域"动禽消化健康与育种生态安全"创新团队首席科学家，湖南省现代农业草食性动物产业技术体系首席科学家，中国畜牧兽医学会动物营养信用协会副会长。曾获国家科技进步二等奖2项，湖南省科技进步奖一等奖4项。主持重大科技项目、科技部国际合作项目、国家自然科学基金重大国际（区域）合作项目、重点项目30余项，发表SCI论文150余篇。
文章来源：何志雄，周川，王敏，杨国，钟荣珍，贾金珍，唐少勋，谭志良。草食性畜牧业功能性产品开发的战略思考.中国科学院学报， 2021，36 （6）： 685-691.