飼料企業(yè)動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

■王繼華 劉 伯馬騰壑 牛 軍

(1.河北工程大學(xué)動(dòng)物科學(xué)系，河北邯鄲 056002；2.遼寧省農(nóng)牧業(yè)機(jī)械研究所有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110036)

飼料質(zhì)量的穩(wěn)定，是飼料廠穩(wěn)步發(fā)展的重要保證。然而，在飼料生產(chǎn)中常出現(xiàn)成品質(zhì)量與配方設(shè)計(jì)質(zhì)量之間有一定差異，即所謂配方失真。配方失真的原因，有的屬于配方設(shè)計(jì)問(wèn)題，有的屬于品控問(wèn)題；有的可以人為調(diào)控，有的不可人為調(diào)控。本文主要討論大型飼料品牌構(gòu)建和使用動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)模型，降低飼料配方失真，提高飼料配方可靠性的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)措施。

1 飼料配方的失真

王繼華等（2012）總結(jié)飼料配方失真的主要原因有：①原料營(yíng)養(yǎng)成分的變異。②原料粉碎粒度不同其消化率常有差異。③飼料混合均勻度。④配料精度。⑤制粒工藝。⑥成品水分。⑦機(jī)器物料殘留。⑧采樣、化驗(yàn)。汝應(yīng)?。?006）指出飼料數(shù)據(jù)庫(kù)變異的主要原因有，⑨測(cè)定數(shù)據(jù)所用的方法、測(cè)定營(yíng)養(yǎng)價(jià)值如測(cè)定消化率所用的方法、試驗(yàn)的重復(fù)數(shù)、數(shù)據(jù)測(cè)定年限、表示結(jié)果的方法（不同單位和不同基礎(chǔ)，例如干物質(zhì)或風(fēng)干物）等。所以，飼養(yǎng)試驗(yàn)得到的消化率存在變異，應(yīng)視消化率為隨機(jī)變量。

本文不討論那些人為誤差或機(jī)器誤差。實(shí)踐中配方師不可避免、只能盡量減少，需要配方師考慮的影響飼料配方可靠性的因素主要有以下幾個(gè)（王繼華，2014）。

1.1 氨基酸周轉(zhuǎn)

動(dòng)物體內(nèi)存在蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)，已降解的體蛋白質(zhì)并不完全隨排泄物或分泌物排出，而是大部分被動(dòng)物重新利用合成體蛋白。所以豬體蛋白生長(zhǎng)與牛奶或雞蛋生成后即離體不同，豬體這部分周轉(zhuǎn)的蛋白質(zhì)會(huì)降低生產(chǎn)效率。據(jù)報(bào)道，生長(zhǎng)豬體蛋白質(zhì)的日周轉(zhuǎn)量（除去凈蛋白質(zhì)沉積之外的合成量）高達(dá)全身蛋白質(zhì)總量的1/7～1/8，尤其是，這部分周轉(zhuǎn)的氨基酸如何與飼糧氨基酸相平衡，有待深入研究。

1.2 靜態(tài)飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)

飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)是靜態(tài)的，而動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)需要量是動(dòng)態(tài)的。所謂理想氨基酸模型，應(yīng)全面考慮時(shí)、空、量三個(gè)要素，而不僅僅是量的觀念——比例和數(shù)值。我們?cè)O(shè)計(jì)的日糧最理想的是以恰好的速度、比例和數(shù)量來(lái)消化、吸收和運(yùn)送各種必需和非必需氨基酸到靶細(xì)胞，因?yàn)槲盏襟w內(nèi)的氨基酸在豬體內(nèi)的貯存能力很弱，時(shí)間很短，特別是各種單個(gè)氨基酸基本上不能貯存。

1.3 飼料數(shù)據(jù)庫(kù)變異

我們?cè)O(shè)計(jì)飼料配方一般是使用國(guó)家公布的飼料數(shù)據(jù)庫(kù)，那個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)僅僅給出平均數(shù)，配方師使用的本廠飼料原料未必是國(guó)家飼料數(shù)據(jù)庫(kù)的養(yǎng)分指標(biāo)。即使同一批同一種原料，其養(yǎng)分含量也存在抽樣誤差和測(cè)定誤差，是一個(gè)隨機(jī)變量，多個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)就構(gòu)成一個(gè)隨機(jī)向量。

1.4 飼料加工

不同加工方式對(duì)于飼料的有效養(yǎng)分含量影響很大，例如原料粉碎、制粒等，配方師在設(shè)計(jì)飼料配方時(shí)應(yīng)該根據(jù)本廠機(jī)械性能參數(shù)設(shè)置和調(diào)整飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是要考慮粉碎粒度、制粒溫度等，受飼料加工影響最大的是酶制劑和維生素等。

當(dāng)前，我國(guó)飼料企業(yè)、豬場(chǎng)在應(yīng)用中參照的主要是“中國(guó)飼料原料數(shù)據(jù)庫(kù)”、NRC、ARC等數(shù)據(jù)庫(kù)。相比而言，美國(guó)NRC飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)比較豐富全面。2012版NRC共列出122個(gè)原料，每個(gè)原料133個(gè)指標(biāo)，列出了各個(gè)指標(biāo)的樣本數(shù)、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，豬生長(zhǎng)階段的劃分較之前的劃分更加細(xì)致合理，但其數(shù)據(jù)依然是靜態(tài)的，沒(méi)有反映出原料營(yíng)養(yǎng)成分（特別是有效成分）的之間的相關(guān)，且數(shù)據(jù)是來(lái)自不同時(shí)間、不同實(shí)驗(yàn)室，變異較大，同時(shí)許多原料的營(yíng)養(yǎng)成分沒(méi)有數(shù)據(jù)。

2 動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)及其數(shù)學(xué)模型

在配合飼料前獲得準(zhǔn)確的飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值對(duì)高效動(dòng)物生產(chǎn)至關(guān)重要。隨著快速檢測(cè)方法的建立和科學(xué)數(shù)據(jù)的積累，需要一個(gè)快速傳送數(shù)據(jù)的工具，目前學(xué)界稱(chēng)之為“動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)”。動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)的主要作用是關(guān)于飼料養(yǎng)分?jǐn)?shù)值的估計(jì)，國(guó)內(nèi)外都有報(bào)道。

飼料原料有效成分動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)是根據(jù)飼料原料的物理、化學(xué)方法，快速、準(zhǔn)確估計(jì)飼料原料有效成分的數(shù)據(jù)庫(kù)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)體現(xiàn)了飼料原料的變異，從變異中尋找規(guī)律，在生產(chǎn)中利用規(guī)律。數(shù)據(jù)庫(kù)主要以表格和近紅外測(cè)定數(shù)據(jù)的形式為企業(yè)提供參考和支持。飼料原料動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)施計(jì)劃周密、方法科學(xué)，主要通過(guò)對(duì)不同有效成分的準(zhǔn)確測(cè)定，建立有效能值的預(yù)測(cè)模型，并應(yīng)用整豬替代小鼠或體外消化試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，更加符合生產(chǎn)實(shí)際需要。目前我國(guó)，李德發(fā)團(tuán)隊(duì)已根據(jù)對(duì)玉米、DDGS和小麥、谷物加工副產(chǎn)物等十多個(gè)飼料原料有效營(yíng)養(yǎng)成分分析，成功建立了方程并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，公布于《中國(guó)飼料行業(yè)信息網(wǎng)》并不斷更新完善，為飼料企業(yè)、養(yǎng)殖企業(yè)提供數(shù)據(jù)支持和參考。

用近紅外法（NIR）快速估測(cè)飼料能量值的原理和方法是根據(jù)有機(jī)鍵反射光測(cè)定飼料近紅外光譜值與真正實(shí)測(cè)的消化能值的相關(guān)，樣品用NIR掃描后建立光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，然后把樣品飼喂豬和雞測(cè)定消化能，建立回歸模型，一組獨(dú)立的樣品掃描后飼喂豬雞作為驗(yàn)證值，比較估測(cè)值和實(shí)測(cè)值的差異，用相關(guān)系數(shù)和估測(cè)誤差評(píng)估回歸模型的實(shí)用性。目前用NIR估測(cè)谷物飼料的消化能，估計(jì)誤差在0.38 MJ/kg（汝應(yīng)俊，2006）?？焖俟罍y(cè)谷物飼料的消化能可以提高配合飼料的準(zhǔn)確性,持續(xù)增加實(shí)測(cè)值以提高估測(cè)模型的準(zhǔn)確性,尤其是消化能在13.0～13.5 MJ/kg的樣品。NIR估測(cè)玉米消化能的模型正在研究之中，但估測(cè)其他營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的模型已經(jīng)應(yīng)用，這些指標(biāo)可以間接估測(cè)表觀代謝能（見(jiàn)圖1）。

圖1 NIR估測(cè)的消化能與實(shí)測(cè)豬消化能的關(guān)系

動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)估計(jì)飼料養(yǎng)分?jǐn)?shù)值的方法，是根據(jù)什么原理？目前國(guó)內(nèi)外都是采用線性回歸模型。當(dāng)兩個(gè)變量之間有相關(guān)時(shí)，我們就可以根據(jù)一個(gè)變量來(lái)估計(jì)另一個(gè)，這就是回歸，高爾登的方法。依據(jù)的信息來(lái)源越多，估計(jì)的結(jié)果就越可靠。例如實(shí)踐中直接估計(jì)日糧凈能（Noblet等，1994）：

凈能=0.012 1×可消化蛋白+0.035 0×可消化脂肪+0.014 3×淀粉+0.011 9×糖+0.008 6×可消化其他。

NRC 2012版凈能值根據(jù)以下公式推測(cè)：

式中：NE/ME/DE分別是凈能/代謝能/消化能；EE/Starch/CP分別是脂肪/淀粉/粗蛋白質(zhì)；ADF/CF分別是酸性洗滌纖維/粗纖維。全部的養(yǎng)分和可消化養(yǎng)分的單位都是g/kg DM，ME和DE的單位是kcal/kg。用數(shù)學(xué)符號(hào)把上面的預(yù)測(cè)方程表示為：

式中：xj是原料第 j個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，j=0,1,...,q-1。

一般地說(shuō)，營(yíng)養(yǎng)學(xué)家要做的事情是確定回歸方程中的系數(shù)，bj,j=0,1,...,q-1，配方師只是根據(jù)營(yíng)養(yǎng)學(xué)家給出的參數(shù)來(lái)估計(jì)自己需要的養(yǎng)分值：

事實(shí)上，模型中的自變量xj也是隨機(jī)變量。規(guī)?；暳蠌S分析原料比較全面，完全可以測(cè)定出這些自變量的統(tǒng)計(jì)分布參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于提高飼料配方的準(zhǔn)確性，降低配方失真，具有巨大價(jià)值，然而過(guò)去常常忽視了這些信息。一個(gè)供貨商的某一品牌的原料成分有變異是難免的，但是，使用的多元線性模型可以精確校正這種變異，這樣可以使飼料原料有效成分值越來(lái)越能夠接近真實(shí)有效成分值。這就是所謂的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，有變異校正功能。

這里特別指出，國(guó)內(nèi)外常使用回歸模型估計(jì)某一飼料原料的有效能值，而回歸模型有很大局限性，例如不考慮自變量間的相關(guān)，這是極其寶貴的數(shù)據(jù)信息。建議用多元線性模型進(jìn)行估計(jì)，因?yàn)橥辉喜煌B(yǎng)分間不相互獨(dú)立。例如小麥麩，假定其粗蛋白質(zhì)方差為0.73，粗纖維方差為1.35，粗灰分方差為0.48，粗蛋白質(zhì)與粗纖維的協(xié)方差為-0.334，粗蛋白質(zhì)與粗灰分的協(xié)方差為-0.035，粗纖維與粗灰分的協(xié)方差為0.355，則可有如下數(shù)據(jù)模型：

以這種方式給出的數(shù)據(jù)庫(kù)，可極大地提高飼料配方設(shè)計(jì)的可靠性和精確性；國(guó)內(nèi)外有報(bào)道原料養(yǎng)分含量的平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，但是還沒(méi)有見(jiàn)到同時(shí)報(bào)道不同養(yǎng)分之間的協(xié)方差或相關(guān)系數(shù)。如果假定同一原料內(nèi)不同養(yǎng)分之間的協(xié)方差為零，則會(huì)丟失極有價(jià)值的信息。

3 動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)模型

大型飼料廠日常觀測(cè)的指標(biāo)較全，具有豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)，完全可以建立自己的動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)，這對(duì)于提高本公司配方設(shè)計(jì)的可靠性有巨大作用。假定觀測(cè)了多個(gè)指標(biāo)，例如玉米，要根據(jù)多個(gè)觀測(cè)指標(biāo)（例如化學(xué)成分測(cè)定值或容重等指標(biāo)）估計(jì)玉米的賴(lài)氨酸含量：

式中：xj是玉米第 j個(gè)觀測(cè)指標(biāo)值，j=1,...,q。

可以根據(jù)下式估計(jì)各個(gè)偏回歸系數(shù)：

式中：σxixj是變量xi與xj的協(xié)方差，σxiy是變量xi與變量y的協(xié)方差，當(dāng)i=j時(shí)，σxixj就是玉米第i個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的方差。

具體設(shè)計(jì)飼料配方時(shí)，配方師可以根據(jù)下式預(yù)測(cè)所用玉米的賴(lài)氨酸含量：

式中：xi是第i個(gè)化學(xué)成分的測(cè)定值。

假設(shè)飼料配方使用了m種原料，第 i種原料在飼料配方中的用量為ai,i=1,...,m，第 i種原料第 j個(gè)養(yǎng)分的估計(jì)值為，則飼料配方第 j個(gè)養(yǎng)分的平均數(shù)和變異系數(shù)分別為：

這時(shí)可以根據(jù)公式X±KαS或X(1±KαCV)估計(jì)飼料配方某一養(yǎng)分水平的置信限，例如賴(lài)氨酸的置信限。

4 動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用

前面講的都是先設(shè)計(jì)飼料配方，然后估計(jì)飼料配方的營(yíng)養(yǎng)成分保證值。如果先設(shè)定要求的飼料配方養(yǎng)分保證值，該怎么設(shè)計(jì)飼料配方？

關(guān)于飼料配方的可靠性（概率保證值），國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)報(bào)道。國(guó)外有極少報(bào)道，但常為了易懂，簡(jiǎn)化一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題，而正是這種簡(jiǎn)化，使得他們的結(jié)論令人啼笑皆非。例如在考慮線性規(guī)劃法時(shí)，把飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)分指標(biāo)提高1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，就可以使飼料配方的可靠性從線性規(guī)劃的50%提高到68%，要使可靠性提高到95%，就需要提高1.96個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。這1.96個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的養(yǎng)分是多大成本？這不等于把這種提高配方可靠性的方法給槍斃了么！

使用隨機(jī)規(guī)劃法可避免這些缺陷。關(guān)于隨機(jī)規(guī)劃法的原理與方法，可見(jiàn)王繼華等（2012）《仔豬飼料配方設(shè)計(jì)高級(jí)技術(shù)》，這里不再贅述。需要強(qiáng)調(diào)的是，有了原料養(yǎng)分之間的方差-協(xié)方差或相關(guān)系數(shù)信息，配方師就可根據(jù)已測(cè)養(yǎng)分校正或預(yù)測(cè)已測(cè)甚至未測(cè)養(yǎng)分的數(shù)值。如果飼料原料數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)十分準(zhǔn)確，用線性規(guī)劃法也可達(dá)到相應(yīng)準(zhǔn)確度。所以也可以先進(jìn)行飼料數(shù)據(jù)估計(jì)，然后使用線性規(guī)劃法設(shè)計(jì)飼料配方。

提高飼料養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)該使用多元線性模型。

我國(guó)地域廣、飼料原料種類(lèi)多、同一（同名）飼料原料的養(yǎng)分變異很大。大型飼料企業(yè)應(yīng)該研究和制定自己的飼料原料標(biāo)準(zhǔn)和飼料數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)然是要建立動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)。企業(yè)集團(tuán)技術(shù)部對(duì)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)和飼料配方設(shè)計(jì)的規(guī)范上應(yīng)有宏觀機(jī)制，結(jié)合各個(gè)分公司的實(shí)際情況，適當(dāng)指導(dǎo)飼料數(shù)據(jù)模型和飼料配方設(shè)計(jì)模式。

豬的飼料數(shù)據(jù)庫(kù)，有效能測(cè)定不易，SID氨基酸也不易測(cè)定，需要國(guó)家加大科研投入來(lái)完成。但是大型飼料企業(yè)可建立初步的動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)，例如常規(guī)的飼料原料以氨基酸、非淀粉多糖、淀粉、礦物質(zhì)等為主，指導(dǎo)各企業(yè)使用。大型集團(tuán)企業(yè)完全有能力建立自己的飼料原料數(shù)據(jù)庫(kù)，甚至只需要把現(xiàn)有的化驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總分析即可。

雜粕的使用是降低飼料成本的常用手段，企業(yè)不可能完全使用玉米-豆粕型配方，市場(chǎng)上都或多或少地使用非常規(guī)原料，構(gòu)建動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)就是為了非常規(guī)原料的更好使用，要求所使用原料的養(yǎng)分值成分更加準(zhǔn)確。

在糧價(jià)不斷上漲的大背景下，飼料行業(yè)成本也在不斷攀升，飼料企業(yè)想要使自己的產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，必然需要在優(yōu)化飼料配方、提高飼料質(zhì)量、降低飼料成本方面下翻功夫，而飼料原料有效營(yíng)養(yǎng)成分的變異是影響飼料質(zhì)量的重要因素，飼料企業(yè)使用的原料永遠(yuǎn)不可能與數(shù)據(jù)庫(kù)中原料的營(yíng)養(yǎng)成分相同。因此，建立企業(yè)自己的動(dòng)態(tài)飼料原料數(shù)據(jù)庫(kù)勢(shì)在必行。

據(jù)報(bào)道，近3年來(lái)李德發(fā)院士一直致力于“豬飼料原料有效養(yǎng)分動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)”的建立，完成了多種飼料原料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)價(jià)工作，初步建立一個(gè)飼料有效成分的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的配方軟件。據(jù)說(shuō)，這個(gè)想法緣于在上世紀(jì)90年代開(kāi)始，法國(guó)農(nóng)科院營(yíng)養(yǎng)研究所的Noblet通過(guò)61種全價(jià)飼料的消化、代謝試驗(yàn)，建立了一系列通過(guò)全價(jià)飼料原料化學(xué)成分推測(cè)有效成分的回歸方程。

配方師使用豬飼料有效成分動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，可在配料前通過(guò)化學(xué)成分分析或者近紅外分析快速獲得飼料原料有效養(yǎng)分，達(dá)到精準(zhǔn)配料，提高飼料中養(yǎng)分利用效率和飼料質(zhì)量，降低飼料成本，節(jié)約資源。這一先進(jìn)科技的產(chǎn)生無(wú)論對(duì)緩解國(guó)家糧食壓力還是對(duì)提高飼料企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，都將是一種福音。

李德發(fā)院士的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)是為整個(gè)國(guó)家行業(yè)服務(wù)的，但是現(xiàn)實(shí)中，變異無(wú)處不在。一個(gè)企業(yè)的配方所用原料基本固定，即使原料供求不足，或價(jià)格不能接受，也只是改變替換幾種原料，而且在選擇供貨商時(shí)，無(wú)論從企業(yè)、個(gè)人、地域、原料等方面還是從物流運(yùn)輸來(lái)說(shuō)都有一定局限性，這種局限性有一定弊端，但反過(guò)來(lái)，也縮小了企業(yè)的原料營(yíng)養(yǎng)成分變異。因此，對(duì)于工業(yè)化產(chǎn)品例如豆粕、DDGS等原料，飼料企業(yè)應(yīng)建立以自己企業(yè)為中心，以供貨商為項(xiàng)目的原料數(shù)據(jù)庫(kù)。

單一原料供貨商的原料養(yǎng)分也有變異，據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，單就豆粕粗蛋白質(zhì)一項(xiàng)（不計(jì)大豆來(lái)源，取樣變異等），其檢測(cè)數(shù)值變異在1%～3%之間，因此，有必要建立品管部的化驗(yàn)記錄，配方師的本廠、某供貨商、某品牌的動(dòng)態(tài)原料數(shù)據(jù)庫(kù)。

據(jù)了解，世界知名數(shù)據(jù)公司正在想辦法尋找處理飼料真實(shí)成分和配方師使用數(shù)值的差異，并進(jìn)行軟件模擬，以便為配方師提供更準(zhǔn)確的數(shù)值。據(jù)悉，嘉吉總部為各分公司提供的主要技術(shù)支持就是一套完整的數(shù)據(jù)模型。

5 小結(jié)

總之，大型飼料企業(yè)完全有條件建立自己的動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)，這對(duì)于提高本公司配方的準(zhǔn)確性和可靠性具有巨大作用。規(guī)劃分析自己的原料數(shù)據(jù)庫(kù)，將誤差降低到最小，是當(dāng)前配方師應(yīng)尋求的方法。學(xué)會(huì)使用數(shù)學(xué)模型，建立動(dòng)態(tài)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)是降低成本的最有效手段。