Оптимизация аминокислотной питательности комбикормов для свиней средствами компьютерного моделирования

УДК 636.4.085.55

ОПТИМИЗАЦИЯ АМИНОКИСЛОТНОЙ ПИТАТЕЛЬНОСТИ КОМБИКОРМОВ ДЛЯ СВИНЕЙ СРЕДСТВАМИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

ХВ. М. ГОЛУШКО, 2А. Я. РАЙХМАН, ХА. В. ГОЛУШКО, ХВ. Н. ПИЛЮК

'РУП «НПЦ НАН Беларуси по животноводству», г. Жодино, Минская обл., Республика Беларусь, 222160

2УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия», г. Горки, Могилевская обл., Республика Беларусь, 213407

Резюме. Разработана экономико-математическая модель комбикорма для получения максимального приближения аминокислотного состава к идеальному протеину при снижении общего количества сырого протеина в рецепте.

Это позволит конструировать рецепты полнорационных комбикормов с пониженным содержанием протеина без снижения его аминокислотной полноценности и снизить расход белковых кормов и добавок.

Ключевые слова: комбикорма, экономико-математическая модель, аминокислоты, кормление свиней.

Summary. We developed a mathematical economic model for getting the maximum approximation of amino acid content to the ideal protein while decreasing the total crude protein in the feed formula.

This should allow us to design complete feed formula with reduced content of crud protein but without decreasing amino acid full-value and to reduce protein feed consumption as well as additive content.

Key words: mixed feed, mathematical economic model, amino acid, pig feeding.

Введение. Для дальнейшего динамического развития свиноводческой отрасли как основного поставщика мяса нужна прочная кормовая база, которая позволяет организовать производство высококачественных комбикормов. Однако недостаток дешевого белкового сырья сдерживает рост их производства. При изготовлении комбикормов преимущественно пока используются импортные обогатительные добавки, что значительно повышает затраты и снижает рентабельность свинины.

Степень усвоения животными содержащегося в корме протеина зависит от соотношения в нем незаменимых аминокислот: лизина, метионина, треонина, триптофана. Поскольку эти аминокислоты не синтезируются в организме свиней, дефицит в рационе какой-либо из них нарушает обменные процессы и снижает продуктивность животных [2, 6, 13].

Для синтеза белка и интенсивного роста свиньям необходимо получать одновременно все аминокислоты при каждом кормлении. Их соотношение должно соответствовать идеальному.

«Идеальный протеин» может быть представлен в виде точного соотношения незаменимых аминокислот, необходимых для поддержания жизни и производства продукции. Следует отметить, что концепция «идеального протеина» нашла практическое применение прежде всего для оптимизации рационов свиней. Отчасти это объясняется тем, что производители свинины более широко используют в рационах свиней альтернативные источники протеина и хорошо знают, что чрезмерное потребление протеина может привести к негативным последствиям. Кроме того, это связано с тем, что количество выделяемого животноводческими предприятиями азота теперь регулируется законодательными актами [9, 11, 12].

С увеличением цен на белковое сырье стало более важным регулировать содержание незаменимых аминокислот или сырого протеина в рационах свиней в соответствии с их физиологическими потребностями, поскольку избыток протеина в рационе будет увеличивать стоимость корма, а недостаток приводит к снижению уровня продуктивности. В некоторых странах очень остро стоит проблема повышенного выделения азота животноводческими предприятиями в окружающую среду, что происходит вследствие недостаточно эффективного использования протеина корма организмом. В коммерческих рационах для свиней только 35 % протеина усваивается, а остальные 65 % потребленного азота выделяются с экскрементами. Степень усвоения протеина рациона можно увеличить, применяя синтетические аминокислоты. Чем больше аминокислотный состав рациона удовлетворяет потребностям организма, тем меньше белка разрушается и выводится из организма. Так как выведение избытка протеина из организма требует определенных энергетических затрат, то, используя концепцию «идеального протеина», можно сделать более эффективным и использование энергии рациона.

Белки в желудочно-кишечном тракте под действием пищеварительных ферментов расщепляются до аминокислот, которые всасываются из кишечника в кровь и разносятся ко всем тканям и органам, из них синтезируются белки мяса, молока, яиц, внутренних органов, крови, ферменты, гормоны, иммунные тела и т. д. Таким образом, животным и человеку белок необходим не сам по себе, а как источник аминокислот и что потребность в белке - это ни что иное, как потребность в незаменимых и заменимых аминокислотах [2, 12].

Значительный перерасход белка обусловлен, прежде всего, потерями неутилизированных аминокислот по причине их избытка относительного уровня наиболее лимитирующей аминокислоты, чаще всего лизина. Здесь действует «закон минимума», сформулированный немецким химиком Юстусом Либихом в 1840 году. Аминокислоты (белок) эффективно могут использоваться лишь на уровне содержания наиболее лимитирующей аминокислоты.

Установлено, что как дефицит какой-либо незаменимой аминокислоты, так и избыток аминокислот, вызывает снижение потребления корма и, как следствие этого, продуктивность сельскохозяйственных животных. Устранение дефицита незаменимых аминокислот путем использования их синтетических препаратов позволяет достигать баланса по принципу идеального белка, существенно экономить белковые корма на производство продукции животноводства.

По данным академика В. Г. Рядчикова [12] принципиально новый подход к белковому питанию как аминокислотному питанию побудил мировую науку решить следующие задачи:

- разработать нормы потребности в незаменимых аминокислотах для разных видов и половозрастных групп животных, а также человека;

- разработать методы аминокислотного анализа и определить аминокислотный состав огромного ассортимента пищевых продуктов, кормов и других объектов животного и растительного мира;

- освоить промышленное производство синтетических аминокислот, среди которых лизин, метио-нин, треонин и триптофан нашли широкое применение в устранении их дефицита в кормах для свиней, птиц, крупного рогатого скота;

- установить, что роль аминокислот состоит не только в качестве строительных блоков белков, но и в том, что они выполняют важные функции в работе центральной нервной системы, а также сигнальных веществ в механизмах биосинтеза белков организма;

- кроме того, было выяснено очень существенное обстоятельство, что аппетит животных зависит в первую очередь от сбалансированности рационов по незаменимым аминокислотам [11, 12].

К этому мы добавим еще одну задачу, без которой немыслимо отыскать единственно возможное, эффективное, с точки зрения экономики, решение - разработать математический инструмент для нахождения наилучшей комбинации кормов и добавок, при которой уровень обеспеченности аминокислотами будет соответствовать потребности в них животных с одной стороны, и обеспечит максимальную прибыль, - с другой [9, 10].

Таким образом организация рационального использования белка должна базироваться на современных нормах потребности животных в незаменимых аминокислотах, данных анализа содержания и переваримости аминокислот в кормах и наличии белковых ресурсов.

Материал и методика исследований. Нами была изучена информация о протеиновой и аминокислотной питательности кормов, которые используются в комбикормовой промышленности при составлении рецептов различных назначений, а также нормы содержания незаменимых аминокислот в полнорационных комбикормах для всех половозрастных групп свиней.

Кроме того, мы учитывали стоимость кормов и добавок, их доступность и традиционно сложившиеся составы комбикормов для различных половозрастных групп свиней.

Математическая модель комбикорма основана на принципе линейного программирования. Целевая функция выбрана на минимизацию количества сырого протеина в рецепте. Ограничения вводились жесткие системные на равенство общего количества каждой из аминокислот в рецепте научно-обоснованной норме. Нами разработана модель для оптимизации комбикорма марки КС-26, который используется в первом периоде откорма молодняка свиней [1, 7, 10].

Линейное программирование — математическая дисциплина, посвященная теории и методам решения экстремальных задач на множествах, задаваемых системами линейных уравнений и неравенств.

Целевая функция представлена как сумма произведений содержания сырого протеина в ингредиентах на количество ингредиентов в рецепте:

n

f(X) = X cjxj = C1X1 + c2X2 +••• + cnxn ^ min; J =1

где с - содержание сырого протеина в ингредиенте; х - количество ингредиента в рецепте; п - всего ингредиентов в рецепте.

Задача линейного программирования в нашем случае имеет канонический вид, так как все ограничения имеют форму равенств:

а\_х| I I ... I а^хп —

2х^ I а2х2 I ... I а2хп — Ь2 аъхх I аъх2 I ... I аъхп —

где ai - содержание первой незаменимой аминокислоты (лизин) в ингредиентах рецепта; а2 - содержание второй незаменимой аминокислоты (метионин+цистин) в ингредиентах рецепта; аз - содержание третьей незаменимой аминокислоты (триптофан) в ингредиентах рецепта; xi, Х2, хз - количество соответствующих ингредиентов в рецепте; n - всего ингредиентов в рецепте, bi - норма содержания лизина в рецепте, b2 - норма содержания метионина+цистина в рецепте, Ьз - норма содержания триптофана в рецепте.

Модель была введена в электронную таблицу Excel. Ниже в табл. 1 ее фрагмент.

Т а б л и ц а 1. Фрагмент экономико-математической модели комбикорма, определенной в терминах электронной таблицы Excel

Корма СП Lys Met Trp СП Lys Met Trp

Ячмень 110 4 4,1 1,4 =$I4D4 =$I4*E4 =$I4F4 =$I4*G4

Тритикале 115 4,1 4,5 1,5 =$I5D5 =$I5*E5 =$I5F5 =$I5*G5

Пшеница 120 3,4 4,5 1,4 =$I6D6 =$I6*E6 =$I6F6 =$I6*G6

Рожь 113 4 3,4 1,1 =$I7D7 =$I7*E7 =$I7F7 =$I7*G7

Овес 103 3,8 3,4 1,5 =$I8D8 =$I8*E8 =$I8F8 =$I8*G8

Кукуруза 89 2,6 3,7 0,6 =$I9D9 =$I9*E9 =$I9F9 =$I9*G9

Люпин 320 14,8 7,4 2,4 =$I10D10 =$I10*E10 =$I10F10 =$I10*G10

Горох 218 15,3 8,1 1,9 =$I11D11 =$I11*E11 =$I11F11 =$I11*G11

Вика 241 13,1 4,9 2,4 =$I12D12 =$I12*E12 =$I12F12 =$I12*G12

Соя 358 22,7 11 4,4 =$I13D13 =$I13*E13 =$I13F13 =$I13*G13

Колонка 1 содержит наименования кормов и добавок. Колонки 2-5 содержат значения концентрации аминокислот в в 1 кг натурального корма. В шестой колонке записано содержание сырого протеина в кормах. Последние три колонки (7, 8, 9) - формальное описание модели. Питательность кормов связана с ключевыми ячейками количества ингредиентов, которое и является окончательным решением задачи.

Задача решалась средствами математической библиотеки Solver с использованием собственного интерфейса в форме диалогового окна «Аминокислотный оптимизатор», написанного на языке VBA for Application Microsoft Office [1, 7].

Результаты исследований и их обсуждение. Основой для выбора нормы аминокислотного питания послужил классификатор кормов. В табл. 2 приведена потребность молодняка свиней в незаменимых критических аминокислотах в расчете на 1 кг комбикорма.

Т а б л и ц а 2. Нормативное содержание протеина и незаменимых аминокислот в комбикорме СК-26, г/кг

Аминокислота Лизин Треонин Метионин+ цистин Триптофан Протеин

Норма в комбикорме СК-26, г/кг 9,50 6,30 5,70 1,80 165,00

По отношению к лизину, % 100,00 66,32 60,00 18,95

Лизин принят за 100 %. Остальные аминокислоты рассчитаны по отношению к нему в процентах. Здесь приведены современные нормы аминокислотного питания растущих свиней мясного направления продуктивности.

В табл. 3 дано содержание в кормах трех критических аминокислот и сырого протеина. Это стандартное усредненное значение, которое может изменяться незначительно.

Т а б л и ц а 3. Исходная информация для решения математической модели оптимизации по трем незаменимым аминокислотам

Корма Содержится в кормах Ограничения на ввод в рецепт

Сырой протеин, г Лизин, г Метионин+ цистин, г Триптофан, г Мин., кг Макс., кг

Ячмень 110 4 4,1 1,4 0,2 0,65

Тритикале 115 4,1 4,5 1,5 0,05 0,3

Пшеница 120 3,4 4,5 1,4 0,3 0,6

Рожь 113 4 3,4 1,1 0 0,1

Овес 103 3,8 3,4 1,5 0 0,2

Кукуруза 89 2,6 3,7 0,6 0,2 0,65

Люпин 320 14,8 7,4 2,4 0 0,12

Горох 218 15,3 8,1 1,9 0,05 0,2

Вика 241 13,1 4,9 2,4 0 0,05

Соя 358 22,7 11 4,4 0,1 0,2

Рапс 223 12,4 13,2 2,9 0 0,05

Шрот рапсовый 378 19,1 15,8 4,3 0 0,06

Шрот соевый 440 28,4 12,9 5,8 0 0,2

Шрот подсолнечный 380 14,3 16,2 4,8 0 0,15

Дрожжи кормовые 455 31,5 11,8 7,1 0 0,05

Мука рыбная 610 46,6 26,7 6,4 0,03 0,05

Мука мясо-костная 420 21,5 11,7 3,1 0 0,05

СОМ 333 28,1 12,1 4,3 0 0,02

Сыворотка молочная 116 6,8 2,4 1,6 0 0,03

Лизин 980 980 0 0 0 0,01

Метионин 980 0 980 0 0 0,01

Триптофан 980 0 0 980 0 0,01

Комбикорм СК-26 165 9,5 5,7 1,8 0 0,950

В модель введены также препараты этих аминокислот. В последней строке приведена потребность молодняка свиней в расчете на 1 кг комбикорма полнорационного марки СК-26. Верхние границы ввода ингредиентов в модель определяются физиологическими возможностями животных, которые взяты нами из классификатора. Изменять их нельзя в сторону увеличения. Это связано с содержанием антипитательных факторов в некоторых кормах, а также особенностями желудочно-кишечного тракта моногастричных животных. Нижние границы определяются наличием кормов и добавок и практической целесообразностью их использования. В каждом конкретном случае их можно изменять. Например, злаковые зерновые можно использовать в зависимости от их стоимости и наличия на складе в пределах, допустимых указанными ограничениями. Кроме того, включение подсолнечного

шрота в комбикорма для свиней в сочетании с дефицитным по лизину злаковым фуражом не может улучшить белковую полноценность такого комбикорма и он без обогащения его кормовыми препаратами лизина будет использоваться неэффективно.

Согласно рекомендациям по нормированному кормлению свиней РУП «НИЦ НАН Беларуси по животноводству», ввод в рецепт препаратов аминокислот допускается не более 10 % по массе для суммы всех препаратов [8]. Модель определена таким образом, чтобы их количество было всегда минимальным. Цель использования таких ингредиентов - устранение недостатка аминокислот в том случае, когда невозможно сбалансировать комбикорм кормами и кормовыми средствами, доступными для включения в рецепт [7, 10].

Максимальная масса приведенных кормов составляет 950 г, так как 40-60 г занимают минеральные добавки и препараты витаминов, часть из которых включена в премикс.

Из таблицы видно, что среди злаковых культур наибольшим содержанием лизина отличаются ячмень, тритикале, рожь, бедно лизином зерно кукурузы, пшеницы, овса. Более высоким содержанием треонина на фоне злакового зернофуража выделяются тритикале, ячмень, рожь. Наиболее богатыми по содержанию серосодержащих аминокислот (метионин+цистин) являются тритикале, пшеница, ячмень, а рожь, овес, кукуруза содержат их наименьшее количество. Лучшим источником триптофана являются тритикале, овес, ячмень, пшеница, а рожь и особенно кукуруза в своем белке содержат триптофана явно недостаточно. Содержание других аминокислот в злаковом зернофураже, как правило, представляет меньше проблем при балансировании комбикормов по аминокислотному составу [3-5].

Наилучшим источником лизина являются кормовые дрожжи и корма животного происхождения, особенно рыбная мука.

В табл. 4 приведено решение экономико-математической модели, которое отражает содержание ингредиентов (кормов и добавок) в рецепте комбикорма, оптимизированного по протеину и аминокислотному составу.

Т а б л и ц а 4. Оптимальный состав комбикорма с учетом потребности в трех незаменимых аминокислотах

Корма Количество, кг Сырой протеин, г Лизин, г Метионин + цистин, г Триптофан, г

Ячмень 0,2000 22,00 0,80 0,82 0,28

Тритикале 0,0500 5,75 0,21 0,23 0,08

Пшеница 0,3000 36,00 1,02 1,35 0,42

Кукуруза 0,2171 19,32 0,56 0,80 0,13

Горох 0,0500 10,90 0,77 0,41 0,10

Соя 0,1000 35,80 2,27 1,10 0,44

Мука рыбная 0,0300 18,30 1,40 0,80 0,19

Лизин 0,0025 2,48 2,48 0,00 0,00

Метионин 0,0002 0,20 0,00 0,20 0,00

Триптофан 0,0002 0,17 0,00 0,00 0,17

ИТОГО: 0,950 150,91 9,50 5,70 1,80

ТРЕБУЕТСЯ ПО НОРМЕ: 0,950 165,00 9,50 5,70 1,80

Как видно из табл. 4 потребность в основных аминокислотах удовлетворена полностью. Строка «ИТОГО» совпадает со строкой «ТРЕБУЕТСЯ ПО НОРМЕ». При этом удалось минимизировать количество сырого протеина с 165 до 150,91 г., что составляет 8,54 %. Не удалось обойтись без добавления препаратов аминокислот. Их количества были минимальными. Лизина потребовалось 2,5 г, метионина 0,2 г, триптофана - 0,2 г в расчете на 1 кг комбикорма.

Следует отметить, что данное решение необходимо уточнить по некоторым важным показателям:

1. Потребность в обменной энергии.

2. Содержание сухого вещества.

3. Стоимость кормов и препаратов аминокислот.

4. Остальные незаменимые аминокислоты.

5. Соотношение суммы незаменимых аминокислот к сумме заменимых.

6. Уровень клетчатки.

Такие дополнительные ограничения, вероятно, не будут жесткими (на равенство), и принципиально не изменят решение. Наши дальнейшие исследования в этом направлении позволят отработать алгоритм оптимизации аминокислотного питания и разработать на его основе компьютерную программу для использования ее в производстве [7, 10].

На наш взгляд особого внимания заслуживает разработка алгоритма многоцелевого программирования задачи оптимизации. Это даст возможность управлять всеми перечисленными целями с учетом их значения для достижения максимального экономического эффекта с учетом доступности кормов и добавок и физиологических особенностей пищеварения животных.

Заключение.

1. Аминокислотная полноценность доступных к использованию кормов неравнозначна. Корма различаются не только уровнем сырого протеина (от 89 г/кг в зерне кукурузы до 610 г/кг в рыбной муке), но и соотношением незаменимых аминокислот. Наиболее близкими к «идеальному белку» можно считать протеины кормов животного происхождения. В кормах растительного происхождения низкий уровень лизина, триптофана, метионина.

2. Разнообразие аминокислотного состава в кормах обеспечивает достаточную комбинаторику для моделирования состава комбикорма с целью получения рецепта с минимальным содержанием азотистых веществ (сырой протеин) и максимальным приближением соотношения незаменимых аминокислот к «идеальному белку».

3. При оптимизации рецепта комбикорма СК-26, используемого в первом периоде откорма молодняка свиней по трем незаменимым аминокислотам, нам удалось снизить уровень сырого протеина на 8,54 %. При этом концентрация лизина, метионина и триптофана составила 9,5; 5,7, и 1,8 г/кг натурального корма, что точно соответствует потребности.

4. Для получения идеального соотношения трех незаменимых аминокислот в один килограмм комбикорма необходимо ввести препараты синтетических аминокислот в количестве: лизин - 2,5 г, метионин - 0,2 г, триптофан - 0,2 г.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Гарнаев, А. Ю. Excel, VBA, Internet в экономике и финансах / А. Ю. Гарнаев. - Спб.: BHV, 2001. - 113 с.

2. Голушко, В. М. Потребность хрячков и свинок разных пород в лизине / В. М. Голушко, А. И. Фицев // Сб. Микробиологический синтез лизина. Институт микробиологии им. А. Кирхенштейна. - Рига: Изд-во «Знание». - 1974. - С. 81-83.

3. Даниленко, И. А. Проблема аминокислотного питания сельскохозяйственных животных / И. А. Даниленко, Г. А. Богданов // Аминокислотное питание свиней и птицы. - М.: Изд-во сельскохозяйственной литературы, журналов и патентов. -1968. - С. 5-42.

4. Клеменс, М. Дж. Обеспеченность аминокислотами и их роль в синтезе белка в клетках организма животных. Белковый обмен и питание / М. Дж. Клеменс, В. М. Пейн // Под ред. В. Ф. Вракина, И. С. Ковальчук. - М., Колос. - 1980. -С. 20-30.

5. Концепция идеального протеина для свиней. / M. Pack [et. al.] // Аминокислоты в кормлении животных: сб. обзоров и отчетов / Evonik Industries. - 2008. - С. 123-128.

6. Коул Д. Дж. Аминокислотное питание свиней. Питание свиней: теория и практика / Д. Дж. Коул / Пер. с англ. Н. М. Темпера. - М., Агропромиздат. - 1987. - С. 73-84.

7. Мур, Дж. Экономическое моделирование в Microsoft Excel / Дж. Мур, Р. Уэдэрфорд Лари. - 6-е изд. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. - 1024 с.

8. Нормированное кормление свиней. Рекомендации / РУП «НПЦ НАН Беларуси по животноводству», г. Жодино, 2011. -47 с.

9. Райхман, А. Я. Приемы составления рационов использованием персонального компьютера / А. Я. Райхман // Методические указания, Горки, Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2006. - 25 с.

10. Райхман, А. Я. Совершенствование системы кормления молочного скота средствами информационных технологий / А. Я. Райхман // Монография. - Горки: БГСХА, 2013. - 152 с.

11. Рядчиков, В. Г. Производство и рациональное использование белка (от Т. Особрна до наших дней) / В. Г. Рядчиков / Аминокислотное питание животных и проблема белковых ресурсов // Кубанский гос. агр. университет. Краснодар, 2005. -С. 17-70.

12. Рядчиков, В. Г. Рациональное использование белка - концепция «идеального» протеина / В. Г. Рядчиков Научные основы ведения животноводства: юбилейный сб. науч. трудов / Северо-Кавказский НИИ животноводства. - Краснодар, 1999. - С. 192-208.

13. Шманенков, Н. А. Белково-аминокислотное питание свиней / Н. А. Шманенков, В. Ф. Каленюк, П. И. Карначев // Вестник сельскохозяйственной науки. - №2(401). - 1990. - С. 22-26.