瘤胃降解蛋白質(zhì)與非降解蛋白質(zhì)在泌乳奶牛日糧配制上的應(yīng)用

hzj1128 · 發(fā)表于 2007-7-14 12:34:16

飼料粗蛋白(CP)在瘤胃中的降解是影響奶牛瘤胃發(fā)酵和氨基酸供應(yīng)的一個(gè)重要因素。瘤胃降解蛋白質(zhì)(RDP)和瘤胃非降解蛋白質(zhì)(RUP)是飼料CP中兩個(gè)功能截然不同的組分。飼料CP在瘤胃中的降解為微生物的生長和微生物蛋白質(zhì)的合成提供了所需的肽、游離氨基酸和氨。瘤胃合成的微生物蛋白質(zhì)提供了小腸氨基酸流量中的絕大部分。瘤胃非降解的蛋白質(zhì)是動(dòng)物吸收氨基酸的第二重要來源。瘤胃中飼料蛋白質(zhì)降解的動(dòng)力學(xué)知識(shí)，是科學(xué)配置飼糧使瘤胃微生物獲得充足RDP和宿主動(dòng)物本身獲得充足RUP的基礎(chǔ)［1］。
美國國家科學(xué)研究委員會(huì)于2001年發(fā)布了第7修訂版《奶牛營養(yǎng)需要》。該版本的顯著特點(diǎn)除利用最新的信息技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)模型將影響動(dòng)物的各種因素參數(shù)化后對(duì)奶牛的營養(yǎng)需要量作出科學(xué)預(yù)測(cè)外，在營養(yǎng)需要參數(shù)指標(biāo)上不僅給出了奶牛日糧中對(duì)飼糧中RDP和RUP在總量上(克/天)的需要量，而且還對(duì)RDP和RUP的濃度(%)需要量也作出了預(yù)測(cè)，為奶牛日糧的精準(zhǔn)配制在質(zhì)和量上提出了更科學(xué)的、內(nèi)在的要求。同時(shí)，為將奶牛飼料蛋白質(zhì)的消化動(dòng)力學(xué)理論全面應(yīng)用到具體的奶牛日糧中，《奶牛營養(yǎng)需要》也提供了配套的奶牛常用飼料及非常用飼料的營養(yǎng)成分細(xì)目表，為進(jìn)行高產(chǎn)泌乳奶牛日糧的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本研究利用現(xiàn)代信息技術(shù)，在充分占有數(shù)據(jù)信息、模型并結(jié)合參數(shù)線性規(guī)劃技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了如何將飼糧蛋白質(zhì)在瘤胃的降解動(dòng)力學(xué)理論應(yīng)用到日糧的設(shè)計(jì)中，并從中窺視出些應(yīng)注意的技術(shù)問題，為我國應(yīng)用NRC新版《奶牛營養(yǎng)需要》而拋磚引玉。
1．1．采用的理論與方法
1.1 瘤胃蛋白質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)
在《奶牛營養(yǎng)需要》的模型中，將飼料中的CP劃分為A、B和C三個(gè)組分。組分A為在零時(shí)間點(diǎn)迅速溶解的NPN部分，其溶解速度(Kd)可假設(shè)為無窮大；組分C為在化學(xué)分析時(shí)屬于從ADF中回收的那部分蛋白質(zhì)(ADIN)，是被認(rèn)為不能被降解的蛋白質(zhì)，其溶解速度(Kd)可假設(shè)為零。剩余的B組分則代表了潛在可降解的真蛋白部分。在 NRC《肉牛營養(yǎng)需要》還將B部分細(xì)分為B1、B2和B3，各部分具有不同的降解速率(Kd)。但在新版的《奶牛營養(yǎng)需要》中，組分B不在細(xì)分而給出統(tǒng)一的Kd值。每種飼料原料CP中RDP和RUP的含量可用下列2個(gè)方程式計(jì)算：
RDP=A+B(Kd/(Kd+Kp))
(1)
RUP=B(Kp/(Kd+Kp))+C
(2)
其中RDP=飼料原料中瘤胃降解蛋白(% as fed)； A=飼料CP中的A組分(% as fed)； B=飼料CP中的B組分(% as fed)； Kd=B組分的降解速率(%/h),可用尼龍袋方法測(cè)定；C=飼料CP中的C組分(% as fed)； Kp=瘤胃內(nèi)容物的外流速率(%/h)。
在應(yīng)用上述方程式設(shè)計(jì)奶牛日糧時(shí)，還必須估測(cè)每種飼料原料瘤胃外流速率Kp。NRC(2001)總結(jié)了275個(gè)試驗(yàn)的研究結(jié)果，推薦了計(jì)算不同性質(zhì)飼料原料Kp的方程式：
估測(cè)濕的粗飼料(青貯或新鮮牧草): Kp=3.054+0.614 X1
(3)
估測(cè)干的粗飼料: Kp=3.362+0.479 X1—0.007X2—0.017X3
(4)
估測(cè)精料: Kp=2.904+1.375 X1—0.020X2
(5)
式中X1=干物質(zhì)采食量(%體重)；X2=飼糧DM中精料比例(%DM)； X3=飼料原料中NDF含量(%DM)。由此可見，各種類型的飼料原料在瘤胃中的外流速率受控于動(dòng)物本身、干物質(zhì)采食量、日糧類型等因素而動(dòng)態(tài)變化，與瘤胃養(yǎng)分消化的動(dòng)力學(xué)特征相呼應(yīng)。
1.2 泌乳奶牛的飼料配方模型構(gòu)建
如同單胃動(dòng)物的飼料配方一樣，本研究仍采用線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建奶牛的日糧配方模型。為此，我們以NRC(2001)推薦的奶牛營養(yǎng)需要量和飼料的養(yǎng)分參數(shù)指標(biāo)，結(jié)合瘤胃飼料蛋白質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)理論和線性規(guī)劃的優(yōu)化技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)VFP數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，研究完成了奶牛日糧配制完整的優(yōu)化系統(tǒng)平臺(tái)。以下從計(jì)算一個(gè)具體的泌乳奶牛配方，闡述整個(gè)模型的建立過程，特別是要注意與構(gòu)建單胃動(dòng)物配方模型的不同之處。
奶牛標(biāo)準(zhǔn)的選擇：本文擬配制“小體型奶牛(454Kg)處在泌乳中期(產(chǎn)奶天數(shù)=90天)”的日糧配方。主要參數(shù)：日產(chǎn)奶量=20kg, 日增重0.2kg，乳脂率=4.0%，在干物質(zhì)中，粗料和精料干物質(zhì)比例F:C=44:56；環(huán)境參數(shù)缺省即不考慮。則查表可得到待配合的日糧應(yīng)達(dá)到的主要養(yǎng)分參數(shù)指標(biāo)列在表2的最后1列。不難看出，這些需要量既包含養(yǎng)分需要的絕對(duì)含量指標(biāo)(Mcal/d, kg/d，g/d)，又包含某些養(yǎng)分需要的濃度指標(biāo)(%)，從而控制對(duì)奶牛日糧質(zhì)和量的要求。
日糧的飼料原料選擇考慮到表的篇幅，本文只列出主要的9種飼料原料，它們依次是黃玉米(粉碎、干,X1)、小麥麩(X2)、大豆粕(浸提,CP44%,X3)、鯡魚魚粉(壓榨,X4)、黃玉米青貯(正常，DM32%～38%,X5)、碳酸氫鈉(飼料級(jí),X6)、磷酸氫鈣(飼料級(jí),X7)、碳酸鈣(X8)和七水硫酸鎂(X9)等。其它如微量元素的礦物質(zhì)原料和維生素A、D、E等未列出原料也能參與優(yōu)化計(jì)算。在選用原料過程中，一定要注意原料的描述，因?yàn)橥暳显希蚣庸し椒ɑ蛸A存方法不同，其養(yǎng)分參數(shù)也存在差異而影響計(jì)算結(jié)果。例如，就黃玉米而言，本文涉及的干的粉碎玉米，與破碎干玉米或蒸汽壓片玉米的養(yǎng)分價(jià)值在很多指標(biāo)方面是不同的，如蛋白質(zhì)A、B、C的構(gòu)成不同，其B部分的降解速率(%/h)也不同，導(dǎo)致其RDP和RUP的含量也出現(xiàn)較大的差異，即前后關(guān)聯(lián)。因此，合理選擇原料是重要的第一步。
日糧的目標(biāo)函數(shù)確定　一般情況下，奶牛日糧配方追求的目標(biāo)是在滿足奶牛每日營養(yǎng)需要量的前提下，日糧原料成本趨于最小化。于是有：
MinY=C1×X1+C2×X2+…＋CnXn
(6)
式中Y代表日糧成本(元/天)；Xj(j=1,2,…,n)代表每種原料的使用量即決策變量，kg/天；Cj(j=1,2,…,n)代表每種原料的價(jià)格系數(shù)，元/kg。
配方模型的約束方程組　構(gòu)成奶牛配方的約束方程組主要是預(yù)期達(dá)到的各種養(yǎng)分指標(biāo)，有時(shí)還包括對(duì)個(gè)別原料在用量上有限制的約束。在形成奶牛配方模型之前，先整理出選用主要原料的粗蛋白質(zhì)及其不同性質(zhì)的組分一并總結(jié)在表1中。然后，將日糧的目標(biāo)值與原料的相應(yīng)養(yǎng)分指標(biāo)、目標(biāo)約束方式、用量限制條件及原料的價(jià)格等，按照線性規(guī)劃模型的系數(shù)矩陣形成的數(shù)據(jù)表即配方模型列在表2中。

表1 飼料原料的蛋白質(zhì)組成(以飼喂?fàn)顟B(tài)為基礎(chǔ))①

Table 1 Protein Fractions for Feedstuffs (As-Fed )

飼料名稱	干物質(zhì) , %	總可消化養(yǎng)分, %	粗蛋白 ,%	蛋白質(zhì)Ａ A,%	蛋白質(zhì)Ｂ B, %	蛋白質(zhì)Ｃ C, %	B 組分消化速率 %/h
黃玉米	86.0	76.27	7.83	1.87	5.67	0.28	4.90
小麥麩	88.0	62.94	14.50	4.89	9.06	0.55	20.00
大豆粕	89.1	71.28	44.46	10.00	34.15	0.31	9.40
鯡魚魚粉	91.2	72.88	62.47	14.24	44.98	3.25	1.40
黃玉米青貯	35.1	24.16	3.09	1.59	0.93	0.57	4.40

注：①不含蛋白質(zhì)組分的原料不予列出。

表2 小體型奶牛(454Kg)處在泌乳中期(產(chǎn)奶天數(shù)=90天)配方模型①

項(xiàng)目名稱	黃玉米 x1	小麥麩 x2	大豆粕 x3	魚粉 x4	黃玉米青貯 x5	碳酸氫鈉 x6	磷酸氫鈣 x7	碳酸鈣 x8	七水硫酸鎂 x9	約束方式	標(biāo)準(zhǔn) 要求
1.干物質(zhì)%,	86.0	88.0	89.1	91.2	35.1	100	100	100	98.0	>=	16.00千克/天
2. 精料干物質(zhì)%	86.0	88.0	89.1	91.2		100	100	100	98.0	=	7.00千克/天
3. 粗料干物質(zhì)%					35.10					>=	9.00千克/天
4. 總可消化養(yǎng) 分%,TDN	76.27	62.94	71.28	72.88	24.16					>=	68.0%
5. 產(chǎn)奶凈能 ,Mcal/d	1.73	1.41	1.90	2.12	0.51					>=	23.8 兆卡/天
6. RDP, %	4.23	11.63	29.72	21.85	2.02					>=	1560克/天
7. RUP,%	3.59	2.87	14.74	40.62	1.07					>=	1040克/天
8. RDP濃度, %	4.23	11.63	29.80	21.91	2.02					>=	9.8%
9. RUP濃度,%	3.59	2.87	14.66	40.56	1.07					>=	6.5%
10. 粗蛋白%,	7.83	14.50	44.46	62.47	3.09					>=	16.3%
11.鈣,g/kg	0.24	0.72	2.16	29.22	0.60		182.6	292.5		=	40.9克/天
12.磷,g/kg	1.75	7.28	4.41	19.46	0.63		144.75	0.28		>=	36.1克/天
13.鎂,g/kg	0.18	0.74	0.45	0.29	0.10		0.94	0.08	66.57	>=	4.5克/天
14.氯,g/kg	0.63	1.26	1.08	6.57	0.90					>=	33.4克/天
15.鉀,g/kg	3.24	10.53	17.82	6.03	3.78		0.63	0.54		>=	145.4克/天
16.鈉,g/kg	0.18	0.36	0.36	5.58	0.00	243.0	0.45	0.54		>=	30.6克/天
17.硫,g/kg	0.90	1.90	4.10	10.60	0.50		11.40		125.4	>=
18.小麥麩		1.00								<=	1.0千克/天
19.原料價(jià)格	1.00	0.90	2.00	5.00	0.50	0.80	1.22	0.10	3.00

　注：①表中凡是為零的數(shù)據(jù)均用空表示，其次表中所示飼料的養(yǎng)分參數(shù)數(shù)據(jù)均以飼喂?fàn)顟B(tài)為基礎(chǔ)。
表2中數(shù)據(jù)說明：①第4行數(shù)據(jù)表明，只有“黃玉米青貯”為粗飼料；② 表中最后一行的數(shù)據(jù)表示對(duì)應(yīng)原料的價(jià)格Cj(元/kg)； ③ 表中第6，7（8，9行分別與6，7行相同）行數(shù)據(jù)分別是各種原料對(duì)應(yīng)的RDP和RUP含量數(shù)據(jù)(%)。這些數(shù)據(jù)是從表1中列出的粗蛋白中A、B、C組分含量、奶牛體重(BW)、干物質(zhì)采食量(DMI)、F：C及飼料原料中NDF(%DM)等數(shù)據(jù)，按照前述方程式(1)~(5)計(jì)算而派生的，它們均由計(jì)算機(jī)按設(shè)定的計(jì)算模型完成。在原料選定后，如果在計(jì)算過程中，一旦調(diào)整F:C即表中最后一列中第2、3行數(shù)據(jù)，就必須重新計(jì)算所有飼料的RDP和RUP值，否則優(yōu)化結(jié)果有誤差； ④ 在單胃動(dòng)物按相對(duì)濃度生成的如同表2的配方模型中，表中數(shù)據(jù)組成決策變量的系數(shù)矩陣。但是在表2所示奶牛配方模型中，陰影部分指示的數(shù)據(jù)行，由于對(duì)應(yīng)的營養(yǎng)需要量是相對(duì)濃度指標(biāo)，這些數(shù)據(jù)包括養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)和需要量數(shù)據(jù)必須經(jīng)過相應(yīng)轉(zhuǎn)換后，才能參與優(yōu)化計(jì)算。以第8行所示瘤胃降解蛋白RDP約束行為例，在進(jìn)入計(jì)算前必須進(jìn)行的轉(zhuǎn)化如下：

X1×RDP(1)+X2×RDP(2)+
…+ Xn×RDP(n)

X1×DM(1)+X2×DM(2)+
…+ Xn×DM(n)

≥RDP濃度(%)×0.01

(7)

式中Xj(j=1,2,…,n)代表每種原料的使用量即決策變量；RDPj(j=1,2,…,n)代表每種原料的瘤胃降解蛋白含量(%)；DMj(j=1,2,…,n)代表每種原料的干物質(zhì)含量(%)；RDP濃度(%)是以日糧干物質(zhì)為基礎(chǔ)的日糧降解蛋白濃度(%)。將公式(7)處理成線性方程后，其一般形式為：
(RDP(1)-DM(1)×RDP濃度(%)×0.01)×X1+(RDP(2)-DM(2)×RDP濃度(%)×0.01)×X2+…+(RDP(n)-DM(n)×RDP濃度(%)×0.01)×Xn≥０
(8)
公式(8)中決策變量的系數(shù)才是最終進(jìn)入優(yōu)化計(jì)算的數(shù)值，同時(shí)必須注意到在經(jīng)過上述線性方程的轉(zhuǎn)化后，約束方程右邊的標(biāo)準(zhǔn)要求目標(biāo)值變?yōu)椤?/font>零”值。例如，經(jīng)計(jì)算，第８行X1的系數(shù)為4.24－86*9.8*0.01=-4.188?？傊?，其它凡是以相對(duì)濃度指標(biāo)作為需要量并參與優(yōu)化計(jì)算的數(shù)據(jù)行，只有按上述方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，才能參與優(yōu)化計(jì)算。
2．結(jié)果與討論
利用線性規(guī)劃的單純形方法［2］，對(duì)表2所示的泌乳奶牛配方模型，在對(duì)陰影部分所示的數(shù)據(jù)行進(jìn)行轉(zhuǎn)換后通過優(yōu)化得到的日糧最優(yōu)配方(或者無最優(yōu)解給出的次優(yōu)配方)及其配方的養(yǎng)分診斷結(jié)果列在表3中。

表3 泌乳奶牛日糧配方及主要養(yǎng)分診斷結(jié)果

Table 3 Ration Formula for Lactating Dairy Cows and Calculated Result of Main Compositions

1. 1日糧配方及精補(bǔ)料配方				2．2．日糧配方對(duì)應(yīng)養(yǎng)分診斷結(jié)果
飼料名稱	原料價(jià)格元/kg	日糧配方 kg/天	精料配方 %	養(yǎng)分項(xiàng)目	需要量	實(shí)際達(dá)成	養(yǎng)分項(xiàng)目	需要量	實(shí)際達(dá)成
黃玉米	1.00	3.911	49.00	DM采食量,kg/d	≥16	16.00	CP,%	≥16.3	16.7
小麥麩	0.80	1.000	12.54	精料干物質(zhì),kg/d	＝7.00	7.00	鈣,g/d	＝ 40.9	40.9
大豆粕	2.00	2.338	29.31	粗料干物質(zhì),kg/d	≥9.00	9.00	磷,g/d	≥ 36.1	52.7
鯡魚魚粉	5.00	0.620	7.77	總可消化養(yǎng)分,%	≤78.00	74.54	鎂,g/d	≥ 4.5	5.3
黃玉米青貯	0.50	25.641		產(chǎn)奶凈能 , Mcal/d	≥23.8	27.01	氯,g/d	≥ 33.4	33.4
碳酸氫鈉	0.80	0.104	1.30	RDP,g/d	≥1560	1630	鉀,g/d	≥145.4	165.5
碳酸鈣	0.10	0.003	0.03	RUP,g/d	≥1040	1040	鈉,g/d	≥30.6	30.6
預(yù)混料	5.00		0.35	RDP,%	≥9.80	10.20	硫,g/d		34.4
合計(jì)	25.50①	33.620	100.00	RUP,%	≥6.50	6.50

注：① 指示日糧成本(元/天)；②用在精補(bǔ)料中的復(fù)合預(yù)混料，含有微量元素、維生素及藥物。
優(yōu)化結(jié)果表明，在給定條件下得到的日糧配方是滿足所有約束條件下的最優(yōu)配方。從日糧養(yǎng)分診斷結(jié)果分析，產(chǎn)奶凈能(Mcal/d)、瘤胃降解RDP的總量(g/d)及其濃度(%)均有一定程度超標(biāo)，從而影響了RDP和RUP的相對(duì)平衡。究其原因與養(yǎng)分指標(biāo)鈣含量的硬性約束(“=”)有直接關(guān)系。如果將日糧鈣指標(biāo)的約束修改為“≥”彈性約束，經(jīng)計(jì)算，在滿足營養(yǎng)需要并追求最低成本的目標(biāo)下，其計(jì)算結(jié)果則降低了“玉米”的用量但同時(shí)加大了“碳酸鈣”的用量，且日糧成本降低。而日糧診斷結(jié)果中NEl(Mcal/d)、RDP的總量(g/d)及其濃度(%)均剛好滿足，但鈣含量大大超標(biāo)(實(shí)際為522.4克/天)。這主要是因?yàn)橛靡詽M足鈣源的原料——碳酸鈣價(jià)格最低出現(xiàn)的必然結(jié)果。如果期望不出現(xiàn)主要養(yǎng)分超標(biāo)包括鈣指標(biāo)，一個(gè)有效的辦法則是在原料中自動(dòng)補(bǔ)充填充料調(diào)和這一矛盾。不過，這一情形的出現(xiàn)是在選擇的原料質(zhì)量較好，而對(duì)日糧的最終養(yǎng)分指標(biāo)要求不高才出現(xiàn)的結(jié)果。
奶牛日糧配方的彈性分析滿足同一奶牛每日營養(yǎng)需要量，在不同的組合條件下會(huì)出現(xiàn)不同的優(yōu)化配方，且不同配方間差異較大。主要的制約因素是能否選擇合適的精、粗料干物質(zhì)比例。這是因?yàn)檫@一比例首先影響瘤胃食糜外流速度Kp，進(jìn)而影響到每種飼料粗蛋白中 RDP與RUP的分配，最終影響到日糧中RDP與RUP的平衡。一般情況下，不論精、粗料干物質(zhì)比例是否合理，配制出日糧中RDP和RUP在總量上(g/d)總是滿足的，但往往有其中之一超過較多而破壞了RDP與RUP的平衡。而只有飼糧RDP和RUP達(dá)到完全平衡，兩者之和才能滿足所需的蛋白質(zhì)需要。如果選擇了合適、配套的飼料原料，通過嘗試改變粗料和精料干物質(zhì)比例(F:C)，在一般情況下可以實(shí)現(xiàn)飼糧RDP與RUP的完全平衡。不過也有例外，即改變F:C達(dá)不到預(yù)期的效果，特別在設(shè)計(jì)超高產(chǎn)奶牛的日糧配方。從根本上解決這一問題得從調(diào)整選用的基礎(chǔ)原料種類著手，才有可能達(dá)到預(yù)期的效果。例如，在本研究中，選用的玉米為干、粉碎玉米，在針對(duì)飼喂對(duì)象和特定的F:C情況下，按模型計(jì)算出玉米的RDP和RUP的分配比例為4.23%和3.59%(CP=7.81%)。如果用該原料作為主要原料去配制要求RUP含量高的超高產(chǎn)奶牛配方就會(huì)無能為力。但是，若選用蒸汽壓片玉米，其蛋白質(zhì)經(jīng)處理受到過瘤胃的保護(hù)，用本研究設(shè)定的條件計(jì)算出的RDP和RUP的分配比例則為2.27%和5.56%(CP=7.83%)，后者RDP較前者提高了55%。這也從本質(zhì)上說明了為什么在高產(chǎn)奶牛日糧中常用蒸汽壓片玉米的緣故。

干物質(zhì)采食量的重要性
奶牛干物質(zhì)采食量(DMI)直接影響產(chǎn)奶水平。保證奶牛能食入預(yù)期的干物質(zhì)數(shù)量是保證奶牛達(dá)到預(yù)期生產(chǎn)性能的最基本要求。研究證明，飼糧粗料與精料比例(F:C)影響奶牛干物質(zhì)采食量。在以苜蓿和鴨茅草為基礎(chǔ)的飼糧中，奶牛飼料DM中20%為精料飼糧的產(chǎn)奶量較飼料DM中40%或60%為精料的飼糧都少［3］。不論飼糧中粗料種類如何，DMI都隨飼糧中精料水平的提高而線性增加?？上晌镔|(zhì)采食量也隨飼糧中精料水平的提高而線性增加［4］。由于不可消化的干物質(zhì)采食量不受精料采食量的影響，飼料流通速度和消化速度以及物理特性可能造成了DMI的差異。進(jìn)一步研究表明，飼糧精料水平達(dá)到干物質(zhì)60%之前，提高精料水平總能提高干物質(zhì)采食量［5］。所以，合適的F:C的確定應(yīng)與實(shí)際奶牛能采食期望的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，切勿在計(jì)算上以滿足RDP和RUP達(dá)到完全平衡為目的而止步。只有奶牛能全部食入預(yù)期的日糧數(shù)量，且日糧基本滿足所有養(yǎng)分需要和RDP、RUP達(dá)到完全平衡的日糧，才算是理論與實(shí)踐相結(jié)合的科學(xué)、精準(zhǔn)日糧