二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化肉羊TMR 加工工藝

■程學(xué)科 成述儒 縱 瑞 張乃鋒*

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼料生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

全混合日糧（total mixed ration，TMR）是指根據(jù)反芻動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)需要制定飼糧配方，再通過(guò)機(jī)械混合將各種原料充分混合在一起制成的配合飼料，TMR 可為反芻動(dòng)物提供充足全面的營(yíng)養(yǎng)，并且能在一定程度上減少動(dòng)物的挑食行為，充分發(fā)揮其生產(chǎn)潛力。在生產(chǎn)TMR 時(shí)對(duì)混合均勻度有嚴(yán)格的要求，混合均勻度大于95%說(shuō)明混合均勻度非常好，介于93%～95%尚可接受，但小于93%時(shí)說(shuō)明混合均勻度需改善[1]。Mccoy等[2]和Hess等[3]研究發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)飼料的混合均勻度會(huì)隨著混合時(shí)間的增加而提高。也有研究表明，飼料混合時(shí)間對(duì)動(dòng)物干物質(zhì)攝入量、平均日增重有影響[4]。由于TMR 的原料形態(tài)差異較大，有干有濕、有輕有重、有長(zhǎng)有短，在配制TMR 時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮不同原料對(duì)混合時(shí)間的要求。有文獻(xiàn)提出，在配制TMR 時(shí)，最后一種飼料原料填充完畢后再充分混合5～8 min，整個(gè)循環(huán)工作時(shí)間保持在25～45 min[5]。飼糧的物理有效中性洗滌纖維（physically effective neutral detergent fiber，peNDF）也是影響反芻動(dòng)物瘤胃健康的關(guān)鍵因素之一。有研究證明，隨著飼糧peNDF 的增加奶牛反芻時(shí)間呈線性增加[6]。適當(dāng)含量的peNDF 含量還能夠降低奶牛亞急性瘤胃酸中毒發(fā)生率[7]。TMR 原料的混合時(shí)間、飼糧peNDF與混合均勻度等指標(biāo)有直接關(guān)系，但在TMR 配制時(shí)，不同原料需要的混合時(shí)間缺乏具體的參數(shù)。本試驗(yàn)首先通過(guò)單因素試驗(yàn)確定了精料補(bǔ)充料、羊草和全株玉米青貯混合時(shí)間對(duì)TMR 飼料peNDF、容重、混合均勻度的影響，并初步確定適宜的混合時(shí)間，然后通過(guò)二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，以三類飼料原料混合時(shí)間為自變量，以TMR 混合均勻度為因變量，優(yōu)化TMR 混合參數(shù)，為改善TMR 加工質(zhì)量提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及儀器

試驗(yàn)于2020年6月至2020年11月在河北省承德市豐寧滿族自治縣樂(lè)拓牧業(yè)有限公司開(kāi)展。混合機(jī)為9TMRW型臥式全日糧飼料制備機(jī)（石家莊蓋氏機(jī)械設(shè)備有限公司）；DHG-9070A型電熱鼓風(fēng)干燥箱；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)全混合日糧便攜分級(jí)篩（BX-4型，篩孔直徑：上層≥19.0 mm，中上8.0～19.0 mm，中下1.2～8.0 mm，下層＜1.2 mm）；0.01 g高精度電子秤；1 L量筒。

1.2 基礎(chǔ)飼料

試驗(yàn)使用精料補(bǔ)充料、羊草、全株玉米青貯配制肉羊全混合日糧。飼料組成及營(yíng)養(yǎng)水平見(jiàn)表1、表2。

表1 基礎(chǔ)飼糧組成（%）

表2 飼料原料及基礎(chǔ)飼糧營(yíng)養(yǎng)水平（干物質(zhì)基礎(chǔ)，%）

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素試驗(yàn)

采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探究羊草、精料補(bǔ)充料、全株玉米青貯混合時(shí)間對(duì)全混合日糧peNDF、容重、混合均勻度的影響。通過(guò)前期調(diào)研以及查閱文獻(xiàn)確定各因素水平：羊草混合時(shí)間為10、15、20、25、30 min；精料補(bǔ)充料混合時(shí)間為3、5、7、9、11 min；全株玉米青貯混合時(shí)間為3、6、9、12、15 min。

1.3.2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用三因素“二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)”，建立以羊草、精料補(bǔ)充料、全株玉米青貯混合時(shí)間為自變量，全混合日糧混合均勻度為因變量的函數(shù)，以獲得配制全混合日糧最佳混合時(shí)間的參數(shù)。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 物理有效中性洗滌纖維

peNDF采用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)BX-4型便攜分級(jí)篩測(cè)定，具體測(cè)定方法為：將篩子和底盤(pán)按孔徑由大到小依次向下排列，取約300 g 鮮樣置于最上層篩（孔徑19.0 mm）。篩子總共水平振蕩40 次（每個(gè)方向5 次，共2 組），水平振蕩一次來(lái)回距離大于20 cm，振蕩過(guò)程中不允許出現(xiàn)垂直振動(dòng)。振動(dòng)結(jié)束后，稱量每層篩上物，測(cè)定DM和NDF含量，用于計(jì)算peNDF：

1.4.2 容重

參考楊俊成等[8]測(cè)定容重的方法，本試驗(yàn)測(cè)定時(shí)將制好的樣品放入1 000 mL 的量筒內(nèi)直至到達(dá)量筒口，如果超過(guò)刻度線則將多余飼料倒出，保證量筒內(nèi)沒(méi)有較大空隙，在離平整地面4～5 cm 的地方均勻發(fā)力落下4～5 次，最后稱量量筒內(nèi)飼料質(zhì)量（E），E 與V之比即為容重。

1.4.3 混合均勻度

使用物理示蹤法檢測(cè)全混合日糧混合均勻度，參考王強(qiáng)等[9]的方法，并根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行了修改。使用飼料原料中的整粒玉米作為示蹤劑，在配制TMR 的過(guò)程中投入混合機(jī)，每個(gè)時(shí)間梯度在混合機(jī)的四個(gè)角和中心位置取5 個(gè)樣，每個(gè)樣品300 g，篩選出300 g 樣品中的完整玉米粒，以5 個(gè)樣所含玉米粒個(gè)數(shù)的變異系數(shù)（CV）作為判斷混合均勻度的指標(biāo)。

1.4.4 常規(guī)養(yǎng)分檢測(cè)

TMR營(yíng)養(yǎng)成分及TMR原料營(yíng)養(yǎng)成分檢測(cè)方法參考張麗英《飼料分析及飼料質(zhì)量分析檢測(cè)技術(shù)》[10]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 進(jìn)行整理，單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS 22.0 中的單因素方差分析（one-way ANOVA），并用Duncan’s 進(jìn)行多重比較，統(tǒng)計(jì)分析以P＜0.05 為差異顯著，使用GraphPad Prism 8.0.2 進(jìn)行繪圖。二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用DPS V18.10進(jìn)行二次正交回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合時(shí)間對(duì)TMR物理有效中性洗滌纖維含量的影響（見(jiàn)圖1、圖2）

圖1 混合時(shí)間對(duì)TMR peNDF8.0的影響

圖2 混合時(shí)間對(duì)TMR peNDF1.2的影響

由圖1 可知，在精料補(bǔ)充料混合時(shí)間為5 min 時(shí)TMR 的peNDF8.0 含量高于3、9 min 和11 min 時(shí)（P＜0.05），在3 min 時(shí)TMR 的peNDF8.0 含量低于其他組（P＜0.05）；當(dāng)羊草混合時(shí)間為25 min 時(shí)TMR 的peNDF8.0 含量低于其他組（P＜0.05）；在全株玉米青貯混合時(shí)間為3、6、9 min 時(shí)TMR 的peNDF8.0 含量高于其他兩組（P＜0.05）。

如圖2 所示，在精料補(bǔ)充料混合時(shí)間為5、7 min時(shí)TMR 的peNDF1.2 含量高于3、9、11 min 時(shí)（P＜0.05）；在羊草混合時(shí)間為10、20、30 min 時(shí)TMR 的peNDF1.2含量高于其他兩組（P＜0.05）；在全株玉米青貯混合時(shí)間為3、6、9 min 時(shí)TMR 的peNDF1.2 含量高于其他兩組（P＜0.05）。

2.2 混合時(shí)間對(duì)容重的影響（見(jiàn)圖3）

圖3 混合時(shí)間對(duì)TMR容重的影響

如圖3所示，精料補(bǔ)充料、羊草、全株玉米青貯混合時(shí)間對(duì)TMR容重沒(méi)有顯著影響（P＞0.05）。

2.3 混合時(shí)間對(duì)混合均勻度的影響（見(jiàn)圖4）

由圖4 可知，在精料補(bǔ)充料混合時(shí)間為7 min 時(shí)TMR混合均勻度高于其他4 組（P＜0.05）；在羊草混合時(shí)間為20 min 時(shí)TMR 混合均勻度高于其他4 組（P＜0.05）；在全株玉米青貯混合時(shí)間為6 min 時(shí)TMR 混合均勻度高于12 min和15 min組（P＜0.05）。

2.4 二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化混合參數(shù)

2.4.1 優(yōu)化混合參數(shù)范圍（見(jiàn)圖4、表3）

通過(guò)單因素試驗(yàn)初步確定了三種原料的混合時(shí)間，利用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)在混合均勻度較高的范圍內(nèi)進(jìn)一步優(yōu)化選擇。由圖4可見(jiàn)，隨著混合時(shí)間的增加，當(dāng)精料補(bǔ)充料混合時(shí)間為11 min時(shí)，TMR 混合均勻度不僅低于其他組（P＜0.05），而且有不斷下降的趨勢(shì)，因此在二次旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)中選擇較優(yōu)的精料補(bǔ)充料混合時(shí)間范圍為3～7 min。在羊草混合時(shí)間25～30 min時(shí)，TMR混合均勻度有逐漸升高的趨勢(shì)，并且25、30 min 時(shí)TMR 混合均勻度比10、15 min 略高，所以選定優(yōu)化范圍為20～30 min。全株玉米青貯混合時(shí)間為3、6、9 min 時(shí)TMR 混合均勻度顯著高于12、15 min（P＜0.05），優(yōu)化范圍為3～9 min。最終試驗(yàn)因子及設(shè)計(jì)水平如表3所示。

表3 試驗(yàn)因子及設(shè)計(jì)水平

圖4 不同混合時(shí)間對(duì)TMR混合均勻度的影響

2.4.2 二次多項(xiàng)式回歸模型的建立（見(jiàn)表4）

將試驗(yàn)設(shè)計(jì)編碼和混合均勻度一起定義成數(shù)據(jù)塊（見(jiàn)表4），利用DPS V18.10建立二次多項(xiàng)式回歸模型，得到回歸方程：

表4 三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣及試驗(yàn)結(jié)果

該方程的相關(guān)系數(shù)R=0.84，表明以所建立的數(shù)學(xué)模型來(lái)優(yōu)化混合時(shí)間可靠性較高。對(duì)回歸方程進(jìn)行F檢驗(yàn)，結(jié)果表明，F(xiàn)1=3.41，P1=0.023＜0.05，回歸方程顯著失擬性檢驗(yàn)結(jié)果表明（P＜0.05），F(xiàn)2=1.70，P2=0.373＞0.05，說(shuō)明回歸方程擬合較好，可進(jìn)一步對(duì)回歸模型進(jìn)行分析。

2.4.3 試驗(yàn)因子效應(yīng)分析結(jié)果（見(jiàn)表5）

回歸方程中回歸系數(shù)表示自變量X對(duì)因變量Y的影響程度，回歸系數(shù)的正負(fù)反映影響的趨勢(shì)，因此可通過(guò)比較回歸模型中表中回歸系數(shù)的絕對(duì)值判斷各試驗(yàn)因素在試驗(yàn)過(guò)程中所起到的作用，并根據(jù)回歸系數(shù)的正負(fù)判斷各因素在試驗(yàn)過(guò)程中的作用趨勢(shì)。由表5 可知，各變量標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)的絕對(duì)值排序?yàn)閄3＞X2＞X1，說(shuō)明全株玉米青貯、羊草、精料補(bǔ)充料混合時(shí)間對(duì)TMR混合均勻度的影響程度逐步減小。其中X1系數(shù)為正值，而X2、X3的系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)TMR混合均勻度隨精料補(bǔ)充料混合時(shí)間的增加而增加，隨著羊草和全株玉米青貯混合時(shí)間的增加而降低。T檢驗(yàn)結(jié)果表明，X3達(dá)到顯著水平（P＞0.05），X1X2與X2X3變量間的交互效應(yīng)也達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），說(shuō)明全株玉米青貯混合時(shí)間、精料補(bǔ)充料與羊草混合時(shí)間的交互效應(yīng)、羊草與全株玉米青貯混合時(shí)間的交互效應(yīng)對(duì)TMR混合均勻度的影響相對(duì)較大，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)充分考慮這三個(gè)因素。

表5 回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步揭示單一因素對(duì)混合均勻度的影響，采用降維法將其他變量固定在0水平，得到單一變量與混合均勻度的一元二次回歸子模型：

將各因子的編碼值代入以上一元二次回歸子模型，即得到各因素在不同混合時(shí)間下的混合均勻度效應(yīng)值，并繪制出單因素效應(yīng)圖。由圖5可見(jiàn)，在-1.681 8≤X≤1.681 8水平范圍內(nèi)，羊草（X2）、全株玉米青貯（X3）混合時(shí)間的效應(yīng)曲線呈持續(xù)下降趨勢(shì)，精料補(bǔ)充料（X1）混合時(shí)間的效應(yīng)曲線呈拋物線趨勢(shì)。X1在1水平時(shí)達(dá)到最大值，X2在-1 水平時(shí)達(dá)到最大值，X3在-1.681 8水平時(shí)達(dá)到最大值，說(shuō)明過(guò)高的羊草和全株玉米青貯混合時(shí)間不利于TMR混合均勻度的提高。

圖5 混合均勻度的單因素效應(yīng)

2.4.4 混合均勻度優(yōu)化分析結(jié)果（見(jiàn)表6）

配合飼料CV大于7%則需要改善，因此以93%混合均勻度為目標(biāo)混合均勻度，采用頻率分析法對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化分析并統(tǒng)計(jì)其頻次。由表6可見(jiàn)，混合均勻度高于93%時(shí)，X1取值次數(shù)和頻率隨著-1.681 8～1.681 8 水平不斷地增加，次數(shù)和頻率也不斷增加、X2取值次數(shù)和頻率隨著-1.681 8～-1 水平和1～1.681 8水平的減小和增加向兩端集中、X3取值次數(shù)和頻率也隨著-1.681 8～1.681 8 水平的減小和增加向兩端集中，但是X1、X2、X3整體分布程度都較為分散。說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，精料補(bǔ)充料、羊草和全株玉米青貯混合時(shí)間對(duì)TMR混合均勻度都有一定程度的影響。表6頻次分布表分析可得到在95%置信區(qū)間內(nèi)TMR 混合均勻度高于93%的優(yōu)化方案31 個(gè)，X1～X3個(gè)因素的水平取值分別為4.89～5.91、23.09～26.08、4.84～6.54，在上述時(shí)間范圍內(nèi)計(jì)算得出預(yù)期平均混合均勻度為100.39%。

表6 混合均勻度大于93%各變量取值的頻率分布

3 討論

物理有效中性洗滌纖維（peNDF）兼顧了日糧物理意義上的顆粒大小和化學(xué)意義上的纖維含量，能夠更加準(zhǔn)確地評(píng)估日糧纖維的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[11-12]，對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和健康、動(dòng)物產(chǎn)量提高有重要意義。我國(guó)肉羊養(yǎng)殖中廣泛使用高精料日糧，因此日糧中更需要充足的纖維，以刺激咀嚼行為、維持瘤胃內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定等功能。TMR中peNDF水平取決于多種因素，其中就包括飼料原料顆粒大小、TMR 加工方式等[13]。在奶牛飼糧中，研究表明peNDF8.0 為17.0%～18.5%時(shí)，可保證相關(guān)指標(biāo)在處于正常范圍[14]。8～10月齡后備牛適宜peNDF1.2 的需要量為24.44%～29.01%，peNDF8.0 為19.96%～23.79%[15]。楊麗[16]、楊麗等[17]在對(duì)波雜公山羊的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，peNDF水平為22.69%的飼糧相較于31.69%的飼糧飼喂效果更好。本試驗(yàn)中，peNDF8.0為30%～38%，peNDF1.2為40%～50%，略高于上述奶牛、后備牛以及波雜山羊需要量，可能與羊草和全株玉米青貯等粗飼料的質(zhì)量及長(zhǎng)度等有關(guān)。為了保證TMR 混合均勻度，同時(shí)保持peNDF 到適宜范圍內(nèi)，可以預(yù)先對(duì)過(guò)長(zhǎng)羊草進(jìn)行切短處理。本試驗(yàn)中，隨著混合時(shí)間的增加TMR 物理有效中性洗滌纖維含量都有下降的趨勢(shì)，這是由于TMR 混合機(jī)混合時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)原料的粉碎程度越大，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)當(dāng)在保證TMR混合均勻度的情況下，尋找適宜的混合時(shí)間來(lái)控制TMR物理有效中性洗滌纖維的含量，保證TMR質(zhì)量。

飼料容重是一種判別飼料優(yōu)劣的簡(jiǎn)便方法[18]。由于多種飼料原料的容重都是不同的，當(dāng)飼料成分發(fā)生變化時(shí)，飼料的容重也會(huì)相應(yīng)地變化。有研究證明，容重較高的飼糧所需要的混合時(shí)間更短，玉米-豆粕型日糧混合時(shí)間在60 s 時(shí)的變異系數(shù)達(dá)到8%，低容重成分的飼料需要240 s的混合時(shí)間才能達(dá)到低于10%的變異系數(shù)[19]。但本試驗(yàn)精料補(bǔ)充料、羊草、全株玉米青貯混合時(shí)間對(duì)TMR 容重均無(wú)顯著影響，具體原因需要進(jìn)一步研究證實(shí)。

TMR 混合均勻度與很多因素有關(guān)，包括設(shè)備性能、投料順序、混合時(shí)間、原料種類、原料形態(tài)等。Marchesini 等[20]研究發(fā)現(xiàn)將全部原料預(yù)先投入混合機(jī)，10 min的混合時(shí)間TMR 混合均勻度較高，并且一定程度上降低了肉牛挑食行為。王凱軍等[21]研究表明，混合時(shí)間8 min對(duì)奶牛TMR日糧的混合均勻度好于16 min。本試驗(yàn)條件下，使用臥式W 型混合機(jī)，精料補(bǔ)充料、羊草、全株玉米青貯的最佳混合時(shí)間范圍為：4.89～5.91、23.09～26.08、4.84～6.54 min。試驗(yàn)中最后添加全株玉米青貯后的混合時(shí)間與張偉等[22]得出的臥式混合機(jī)混合時(shí)間為5～7 min 相近，總體時(shí)間也在陳玉華等[5]的建議范圍內(nèi)，說(shuō)明試驗(yàn)得出的結(jié)果是可靠的。需要指出的是，實(shí)際TMR 飼料生產(chǎn)中使用的混合機(jī)類型，飼料原料種類、物理特性及添加順序，以及不同物料的混合時(shí)間均會(huì)影響TMR飼糧的最終混合均勻度和產(chǎn)品質(zhì)量，本試驗(yàn)初步確定了精料補(bǔ)充料、羊草、全株玉米青貯的混合時(shí)間，對(duì)于肉羊TMR飼料的加工生產(chǎn)具有一定的借鑒意義，但其普遍適用性仍有待于進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，飼料原料的混合時(shí)間對(duì)TMR 的物理有效中性洗滌纖維含量、混合均勻度有顯著影響。單因素試驗(yàn)條件下，TMR 混合均勻度最高時(shí)，精料補(bǔ)充料、羊草、全株玉米青貯的混合時(shí)間分別為7、20 min 和6 min。經(jīng)過(guò)二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，精料補(bǔ)充料、羊草、全株玉米青貯的適宜混合時(shí)間范圍為：4.89～5.91、23.09～26.08、4.84～6.54 min。