瘤胃降解蛋白质与非降解蛋白质在泌乳奶牛日粮配制上的应用

hzj1128 · 发表于 2007-7-14 12:34:16

饲料粗蛋白(CP)在瘤胃中的降解是影响奶牛瘤胃发酵和氨基酸供应的一个重要因素。瘤胃降解蛋白质(RDP)和瘤胃非降解蛋白质(RUP)是饲料CP中两个功能截然不同的组分。饲料CP在瘤胃中的降解为微生物的生长和微生物蛋白质的合成提供了所需的肽、游离氨基酸和氨。瘤胃合成的微生物蛋白质提供了小肠氨基酸流量中的绝大部分。瘤胃非降解的蛋白质是动物吸收氨基酸的第二重要来源。瘤胃中饲料蛋白质降解的动力学知识，是科学配置饲粮使瘤胃微生物获得充足RDP和宿主动物本身获得充足RUP的基础［1］。
美国国家科学研究委员会于2001年发布了第7修订版《奶牛营养需要》。该版本的显著特点除利用最新的信息技术，通过计算机模型将影响动物的各种因素参数化后对奶牛的营养需要量作出科学预测外，在营养需要参数指标上不仅给出了奶牛日粮中对饲粮中RDP和RUP在总量上(克/天)的需要量，而且还对RDP和RUP的浓度(%)需要量也作出了预测，为奶牛日粮的精准配制在质和量上提出了更科学的、内在的要求。同时，为将奶牛饲料蛋白质的消化动力学理论全面应用到具体的奶牛日粮中，《奶牛营养需要》也提供了配套的奶牛常用饲料及非常用饲料的营养成分细目表，为进行高产泌乳奶牛日粮的精准设计提供了数据基础。本研究利用现代信息技术，在充分占有数据信息、模型并结合参数线性规划技术的基础上，研究了如何将饲粮蛋白质在瘤胃的降解动力学理论应用到日粮的设计中，并从中窥视出些应注意的技术问题，为我国应用NRC新版《奶牛营养需要》而抛砖引玉。
1．1．采用的理论与方法
1.1 瘤胃蛋白质降解动力学
在《奶牛营养需要》的模型中，将饲料中的CP划分为A、B和C三个组分。组分A为在零时间点迅速溶解的NPN部分，其溶解速度(Kd)可假设为无穷大；组分C为在化学分析时属于从ADF中回收的那部分蛋白质(ADIN)，是被认为不能被降解的蛋白质，其溶解速度(Kd)可假设为零。剩余的B组分则代表了潜在可降解的真蛋白部分。在 NRC《肉牛营养需要》还将B部分细分为B1、B2和B3，各部分具有不同的降解速率(Kd)。但在新版的《奶牛营养需要》中，组分B不在细分而给出统一的Kd值。每种饲料原料CP中RDP和RUP的含量可用下列2个方程式计算：
RDP=A+B(Kd/(Kd+Kp))
(1)
RUP=B(Kp/(Kd+Kp))+C
(2)
其中RDP=饲料原料中瘤胃降解蛋白(% as fed)； A=饲料CP中的A组分(% as fed)； B=饲料CP中的B组分(% as fed)； Kd=B组分的降解速率(%/h),可用尼龙袋方法测定；C=饲料CP中的C组分(% as fed)； Kp=瘤胃内容物的外流速率(%/h)。
在应用上述方程式设计奶牛日粮时，还必须估测每种饲料原料瘤胃外流速率Kp。NRC(2001)总结了275个试验的研究结果，推荐了计算不同性质饲料原料Kp的方程式：
估测湿的粗饲料(青贮或新鲜牧草): Kp=3.054+0.614 X1
(3)
估测干的粗饲料: Kp=3.362+0.479 X1—0.007X2—0.017X3
(4)
估测精料: Kp=2.904+1.375 X1—0.020X2
(5)
式中X1=干物质采食量(%体重)；X2=饲粮DM中精料比例(%DM)； X3=饲料原料中NDF含量(%DM)。由此可见，各种类型的饲料原料在瘤胃中的外流速率受控于动物本身、干物质采食量、日粮类型等因素而动态变化，与瘤胃养分消化的动力学特征相呼应。
1.2 泌乳奶牛的饲料配方模型构建
如同单胃动物的饲料配方一样，本研究仍采用线性规划的数学模型构建奶牛的日粮配方模型。为此，我们以NRC(2001)推荐的奶牛营养需要量和饲料的养分参数指标，结合瘤胃饲料蛋白质降解动力学理论和线性规划的优化技术，利用计算机VFP数据库管理系统，研究完成了奶牛日粮配制完整的优化系统平台。以下从计算一个具体的泌乳奶牛配方，阐述整个模型的建立过程，特别是要注意与构建单胃动物配方模型的不同之处。
奶牛标准的选择：本文拟配制“小体型奶牛(454Kg)处在泌乳中期(产奶天数=90天)”的日粮配方。主要参数：日产奶量=20kg, 日增重0.2kg，乳脂率=4.0%，在干物质中，粗料和精料干物质比例F:C=44:56；环境参数缺省即不考虑。则查表可得到待配合的日粮应达到的主要养分参数指标列在表2的最后1列。不难看出，这些需要量既包含养分需要的绝对含量指标(Mcal/d, kg/d，g/d)，又包含某些养分需要的浓度指标(%)，从而控制对奶牛日粮质和量的要求。
日粮的饲料原料选择考虑到表的篇幅，本文只列出主要的9种饲料原料，它们依次是黄玉米(粉碎、干,X1)、小麦麸(X2)、大豆粕(浸提,CP44%,X3)、鲱鱼鱼粉(压榨,X4)、黄玉米青贮(正常，DM32%～38%,X5)、碳酸氢钠(饲料级,X6)、磷酸氢钙(饲料级,X7)、碳酸钙(X8)和七水硫酸镁(X9)等。其它如微量元素的矿物质原料和维生素A、D、E等未列出原料也能参与优化计算。在选用原料过程中，一定要注意原料的描述，因为同名饲料原料，因加工方法或贮存方法不同，其养分参数也存在差异而影响计算结果。例如，就黄玉米而言，本文涉及的干的粉碎玉米，与破碎干玉米或蒸汽压片玉米的养分价值在很多指标方面是不同的，如蛋白质A、B、C的构成不同，其B部分的降解速率(%/h)也不同，导致其RDP和RUP的含量也出现较大的差异，即前后关联。因此，合理选择原料是重要的第一步。
日粮的目标函数确定　一般情况下，奶牛日粮配方追求的目标是在满足奶牛每日营养需要量的前提下，日粮原料成本趋于最小化。于是有：
MinY=C1×X1+C2×X2+…＋CnXn
(6)
式中Y代表日粮成本(元/天)；Xj(j=1,2,…,n)代表每种原料的使用量即决策变量，kg/天；Cj(j=1,2,…,n)代表每种原料的价格系数，元/kg。
配方模型的约束方程组　构成奶牛配方的约束方程组主要是预期达到的各种养分指标，有时还包括对个别原料在用量上有限制的约束。在形成奶牛配方模型之前，先整理出选用主要原料的粗蛋白质及其不同性质的组分一并总结在表1中。然后，将日粮的目标值与原料的相应养分指标、目标约束方式、用量限制条件及原料的价格等，按照线性规划模型的系数矩阵形成的数据表即配方模型列在表2中。

表1 饲料原料的蛋白质组成(以饲喂状态为基础)①

Table 1 Protein Fractions for Feedstuffs (As-Fed )

饲料名称	干物质 , %	总可消化养分, %	粗蛋白 ,%	蛋白质Ａ A,%	蛋白质Ｂ B, %	蛋白质Ｃ C, %	B 组分消化速率 %/h
黄玉米	86.0	76.27	7.83	1.87	5.67	0.28	4.90
小麦麸	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
鲱鱼鱼粉	91.2	72.88	62.47	14.24	44.98	3.25	1.40
黄玉米青贮	35.1	24.16	3.09	1.59	0.93	0.57	4.40

注：①不含蛋白质组分的原料不予列出。

表2 小体型奶牛(454Kg)处在泌乳中期(产奶天数=90天)配方模型①

项目名称	黄玉米 x1	小麦麸 x2	大豆粕 x3	鱼粉 x4	黄玉米青贮 x5	碳酸氢钠 x6	磷酸氢钙 x7	碳酸钙 x8	七水硫酸镁 x9	约束方式	标准要求
1.干物质%,	86.0	88.0	89.1	91.2	35.1	100	100	100	98.0	>=	16.00千克/天
2. 精料干物质%	86.0	88.0	89.1	91.2		100	100	100	98.0	=	7.00千克/天
3. 粗料干物质%					35.10					>=	9.00千克/天
4. 总可消化养分%,TDN	76.27	62.94	71.28	72.88	24.16					>=	68.0%
5. 产奶净能 ,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浓度, %	4.23	11.63	29.80	21.91	2.02					>=	9.8%
9. RUP浓度,%	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.钙,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.镁,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.钾,g/kg	3.24	10.53	17.82	6.03	3.78		0.63	0.54		>=	145.4克/天
16.钠,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.小麦麸		1.00								<=	1.0千克/天
19.原料价格	1.00	0.90	2.00	5.00	0.50	0.80	1.22	0.10	3.00

　注：①表中凡是为零的数据均用空表示，其次表中所示饲料的养分参数数据均以饲喂状态为基础。
表2中数据说明：①第4行数据表明，只有“黄玉米青贮”为粗饲料；② 表中最后一行的数据表示对应原料的价格Cj(元/kg)； ③ 表中第6，7（8，9行分别与6，7行相同）行数据分别是各种原料对应的RDP和RUP含量数据(%)。这些数据是从表1中列出的粗蛋白中A、B、C组分含量、奶牛体重(BW)、干物质采食量(DMI)、F：C及饲料原料中NDF(%DM)等数据，按照前述方程式(1)~(5)计算而派生的，它们均由计算机按设定的计算模型完成。在原料选定后，如果在计算过程中，一旦调整F:C即表中最后一列中第2、3行数据，就必须重新计算所有饲料的RDP和RUP值，否则优化结果有误差； ④ 在单胃动物按相对浓度生成的如同表2的配方模型中，表中数据组成决策变量的系数矩阵。但是在表2所示奶牛配方模型中，阴影部分指示的数据行，由于对应的营养需要量是相对浓度指标，这些数据包括养分数据和需要量数据必须经过相应转换后，才能参与优化计算。以第8行所示瘤胃降解蛋白RDP约束行为例，在进入计算前必须进行的转化如下：

X1×RDP(1)+X2×RDP(2)+
…+ Xn×RDP(n)

X1×DM(1)+X2×DM(2)+
…+ Xn×DM(n)

≥RDP浓度(%)×0.01

(7)

式中Xj(j=1,2,…,n)代表每种原料的使用量即决策变量；RDPj(j=1,2,…,n)代表每种原料的瘤胃降解蛋白含量(%)；DMj(j=1,2,…,n)代表每种原料的干物质含量(%)；RDP浓度(%)是以日粮干物质为基础的日粮降解蛋白浓度(%)。将公式(7)处理成线性方程后，其一般形式为：
(RDP(1)-DM(1)×RDP浓度(%)×0.01)×X1+(RDP(2)-DM(2)×RDP浓度(%)×0.01)×X2+…+(RDP(n)-DM(n)×RDP浓度(%)×0.01)×Xn≥０
(8)
公式(8)中决策变量的系数才是最终进入优化计算的数值，同时必须注意到在经过上述线性方程的转化后，约束方程右边的标准要求目标值变为“零”值。例如，经计算，第８行X1的系数为4.24－86*9.8*0.01=-4.188。总之，其它凡是以相对浓度指标作为需要量并参与优化计算的数据行，只有按上述方式进行数据转换后，才能参与优化计算。
2．结果与讨论
利用线性规划的单纯形方法［2］，对表2所示的泌乳奶牛配方模型，在对阴影部分所示的数据行进行转换后通过优化得到的日粮最优配方(或者无最优解给出的次优配方)及其配方的养分诊断结果列在表3中。

表3 泌乳奶牛日粮配方及主要养分诊断结果

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

1. 1日粮配方及精补料配方				2．2．日粮配方对应养分诊断结果
饲料名称	原料价格元/kg	日粮配方 kg/天	精料配方 %	养分项目	需要量	实际达成	养分项目	需要量	实际达成
黄玉米	1.00	3.911	49.00	DM采食量,kg/d	≥16	16.00	CP,%	≥16.3	16.7
小麦麸	0.80	1.000	12.54	精料干物质,kg/d	＝7.00	7.00	钙,g/d	＝ 40.9	40.9
大豆粕	2.00	2.338	29.31	粗料干物质,kg/d	≥9.00	9.00	磷,g/d	≥ 36.1	52.7
鲱鱼鱼粉	5.00	0.620	7.77	总可消化养分,%	≤78.00	74.54	镁,g/d	≥ 4.5	5.3
黄玉米青贮	0.50	25.641		产奶净能 , Mcal/d	≥23.8	27.01	氯,g/d	≥ 33.4	33.4
碳酸氢钠	0.80	0.104	1.30	RDP,g/d	≥1560	1630	钾,g/d	≥145.4	165.5
碳酸钙	0.10	0.003	0.03	RUP,g/d	≥1040	1040	钠,g/d	≥30.6	30.6
预混料	5.00		0.35	RDP,%	≥9.80	10.20	硫,g/d		34.4
合计	25.50①	33.620	100.00	RUP,%	≥6.50	6.50

注：① 指示日粮成本(元/天)；②用在精补料中的复合预混料，含有微量元素、维生素及药物。
优化结果表明，在给定条件下得到的日粮配方是满足所有约束条件下的最优配方。从日粮养分诊断结果分析，产奶净能(Mcal/d)、瘤胃降解RDP的总量(g/d)及其浓度(%)均有一定程度超标，从而影响了RDP和RUP的相对平衡。究其原因与养分指标钙含量的硬性约束(“=”)有直接关系。如果将日粮钙指标的约束修改为“≥”弹性约束，经计算，在满足营养需要并追求最低成本的目标下，其计算结果则降低了“玉米”的用量但同时加大了“碳酸钙”的用量，且日粮成本降低。而日粮诊断结果中NEl(Mcal/d)、RDP的总量(g/d)及其浓度(%)均刚好满足，但钙含量大大超标(实际为522.4克/天)。这主要是因为用以满足钙源的原料——碳酸钙价格最低出现的必然结果。如果期望不出现主要养分超标包括钙指标，一个有效的办法则是在原料中自动补充填充料调和这一矛盾。不过，这一情形的出现是在选择的原料质量较好，而对日粮的最终养分指标要求不高才出现的结果。
奶牛日粮配方的弹性分析满足同一奶牛每日营养需要量，在不同的组合条件下会出现不同的优化配方，且不同配方间差异较大。主要的制约因素是能否选择合适的精、粗料干物质比例。这是因为这一比例首先影响瘤胃食糜外流速度Kp，进而影响到每种饲料粗蛋白中 RDP与RUP的分配，最终影响到日粮中RDP与RUP的平衡。一般情况下，不论精、粗料干物质比例是否合理，配制出日粮中RDP和RUP在总量上(g/d)总是满足的，但往往有其中之一超过较多而破坏了RDP与RUP的平衡。而只有饲粮RDP和RUP达到完全平衡，两者之和才能满足所需的蛋白质需要。如果选择了合适、配套的饲料原料，通过尝试改变粗料和精料干物质比例(F:C)，在一般情况下可以实现饲粮RDP与RUP的完全平衡。不过也有例外，即改变F:C达不到预期的效果，特别在设计超高产奶牛的日粮配方。从根本上解决这一问题得从调整选用的基础原料种类着手，才有可能达到预期的效果。例如，在本研究中，选用的玉米为干、粉碎玉米，在针对饲喂对象和特定的F:C情况下，按模型计算出玉米的RDP和RUP的分配比例为4.23%和3.59%(CP=7.81%)。如果用该原料作为主要原料去配制要求RUP含量高的超高产奶牛配方就会无能为力。但是，若选用蒸汽压片玉米，其蛋白质经处理受到过瘤胃的保护，用本研究设定的条件计算出的RDP和RUP的分配比例则为2.27%和5.56%(CP=7.83%)，后者RDP较前者提高了55%。这也从本质上说明了为什么在高产奶牛日粮中常用蒸汽压片玉米的缘故。

干物质采食量的重要性
奶牛干物质采食量(DMI)直接影响产奶水平。保证奶牛能食入预期的干物质数量是保证奶牛达到预期生产性能的最基本要求。研究证明，饲粮粗料与精料比例(F:C)影响奶牛干物质采食量。在以苜蓿和鸭茅草为基础的饲粮中，奶牛饲料DM中20%为精料饲粮的产奶量较饲料DM中40%或60%为精料的饲粮都少［3］。不论饲粮中粗料种类如何，DMI都随饲粮中精料水平的提高而线性增加。可消化干物质采食量也随饲粮中精料水平的提高而线性增加［4］。由于不可消化的干物质采食量不受精料采食量的影响，饲料流通速度和消化速度以及物理特性可能造成了DMI的差异。进一步研究表明，饲粮精料水平达到干物质60%之前，提高精料水平总能提高干物质采食量［5］。所以，合适的F:C的确定应与实际奶牛能采食期望的数据为基础，切勿在计算上以满足RDP和RUP达到完全平衡为目的而止步。只有奶牛能全部食入预期的日粮数量，且日粮基本满足所有养分需要和RDP、RUP达到完全平衡的日粮，才算是理论与实践相结合的科学、精准日粮