二次正交旋转组合设计优化肉羊TMR 加工工艺

■程学科 成述儒 纵 瑞 张乃锋*

（1.甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃 兰州 730070；2.中国农业科学院饲料研究所，农业农村部饲料生物技术重点实验室，北京 100081）

全混合日粮（total mixed ration，TMR）是指根据反刍动物的营养需要制定饲粮配方，再通过机械混合将各种原料充分混合在一起制成的配合饲料，TMR 可为反刍动物提供充足全面的营养，并且能在一定程度上减少动物的挑食行为，充分发挥其生产潜力。在生产TMR 时对混合均匀度有严格的要求，混合均匀度大于95%说明混合均匀度非常好，介于93%～95%尚可接受，但小于93%时说明混合均匀度需改善[1]。Mccoy等[2]和Hess等[3]研究发现在一定范围内饲料的混合均匀度会随着混合时间的增加而提高。也有研究表明，饲料混合时间对动物干物质摄入量、平均日增重有影响[4]。由于TMR 的原料形态差异较大，有干有湿、有轻有重、有长有短，在配制TMR 时应当充分考虑不同原料对混合时间的要求。有文献提出，在配制TMR 时，最后一种饲料原料填充完毕后再充分混合5～8 min，整个循环工作时间保持在25～45 min[5]。饲粮的物理有效中性洗涤纤维（physically effective neutral detergent fiber，peNDF）也是影响反刍动物瘤胃健康的关键因素之一。有研究证明，随着饲粮peNDF 的增加奶牛反刍时间呈线性增加[6]。适当含量的peNDF 含量还能够降低奶牛亚急性瘤胃酸中毒发生率[7]。TMR 原料的混合时间、饲粮peNDF与混合均匀度等指标有直接关系，但在TMR 配制时，不同原料需要的混合时间缺乏具体的参数。本试验首先通过单因素试验确定了精料补充料、羊草和全株玉米青贮混合时间对TMR 饲料peNDF、容重、混合均匀度的影响，并初步确定适宜的混合时间，然后通过二次正交旋转组合设计，以三类饲料原料混合时间为自变量，以TMR 混合均匀度为因变量，优化TMR 混合参数，为改善TMR 加工质量提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验场地及仪器

试验于2020年6月至2020年11月在河北省承德市丰宁满族自治县乐拓牧业有限公司开展。混合机为9TMRW型卧式全日粮饲料制备机（石家庄盖氏机械设备有限公司）；DHG-9070A型电热鼓风干燥箱；中国农业大学全混合日粮便携分级筛（BX-4型，筛孔直径：上层≥19.0 mm，中上8.0～19.0 mm，中下1.2～8.0 mm，下层＜1.2 mm）；0.01 g高精度电子秤；1 L量筒。

1.2 基础饲料

试验使用精料补充料、羊草、全株玉米青贮配制肉羊全混合日粮。饲料组成及营养水平见表1、表2。

表1 基础饲粮组成（%）

表2 饲料原料及基础饲粮营养水平（干物质基础，%）

1.3 试验设计

1.3.1 单因素试验

采用单因素试验设计，探究羊草、精料补充料、全株玉米青贮混合时间对全混合日粮peNDF、容重、混合均匀度的影响。通过前期调研以及查阅文献确定各因素水平：羊草混合时间为10、15、20、25、30 min；精料补充料混合时间为3、5、7、9、11 min；全株玉米青贮混合时间为3、6、9、12、15 min。

1.3.2 二次正交旋转组合设计

根据单因素试验结果，采用三因素“二次正交旋转组合设计”，建立以羊草、精料补充料、全株玉米青贮混合时间为自变量，全混合日粮混合均匀度为因变量的函数，以获得配制全混合日粮最佳混合时间的参数。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 物理有效中性洗涤纤维

peNDF采用中国农业大学BX-4型便携分级筛测定，具体测定方法为：将筛子和底盘按孔径由大到小依次向下排列，取约300 g 鲜样置于最上层筛（孔径19.0 mm）。筛子总共水平振荡40 次（每个方向5 次，共2 组），水平振荡一次来回距离大于20 cm，振荡过程中不允许出现垂直振动。振动结束后，称量每层筛上物，测定DM和NDF含量，用于计算peNDF：

1.4.2 容重

参考杨俊成等[8]测定容重的方法，本试验测定时将制好的样品放入1 000 mL 的量筒内直至到达量筒口，如果超过刻度线则将多余饲料倒出，保证量筒内没有较大空隙，在离平整地面4～5 cm 的地方均匀发力落下4～5 次，最后称量量筒内饲料质量（E），E 与V之比即为容重。

1.4.3 混合均匀度

使用物理示踪法检测全混合日粮混合均匀度，参考王强等[9]的方法，并根据实际条件进行了修改。使用饲料原料中的整粒玉米作为示踪剂，在配制TMR 的过程中投入混合机，每个时间梯度在混合机的四个角和中心位置取5 个样，每个样品300 g，筛选出300 g 样品中的完整玉米粒，以5 个样所含玉米粒个数的变异系数（CV）作为判断混合均匀度的指标。

1.4.4 常规养分检测

TMR营养成分及TMR原料营养成分检测方法参考张丽英《饲料分析及饲料质量分析检测技术》[10]。

1.5 数据处理与统计分析

试验数据用Excel 进行整理，单因素试验数据使用SPSS 22.0 中的单因素方差分析（one-way ANOVA），并用Duncan’s 进行多重比较，统计分析以P＜0.05 为差异显著，使用GraphPad Prism 8.0.2 进行绘图。二次回归正交旋转组合设计数据应用DPS V18.10进行二次正交回归分析。

2 结果与分析

2.1 混合时间对TMR物理有效中性洗涤纤维含量的影响（见图1、图2）

图1 混合时间对TMR peNDF8.0的影响

图2 混合时间对TMR peNDF1.2的影响

由图1 可知，在精料补充料混合时间为5 min 时TMR 的peNDF8.0 含量高于3、9 min 和11 min 时（P＜0.05），在3 min 时TMR 的peNDF8.0 含量低于其他组（P＜0.05）；当羊草混合时间为25 min 时TMR 的peNDF8.0 含量低于其他组（P＜0.05）；在全株玉米青贮混合时间为3、6、9 min 时TMR 的peNDF8.0 含量高于其他两组（P＜0.05）。

如图2 所示，在精料补充料混合时间为5、7 min时TMR 的peNDF1.2 含量高于3、9、11 min 时（P＜0.05）；在羊草混合时间为10、20、30 min 时TMR 的peNDF1.2含量高于其他两组（P＜0.05）；在全株玉米青贮混合时间为3、6、9 min 时TMR 的peNDF1.2 含量高于其他两组（P＜0.05）。

2.2 混合时间对容重的影响（见图3）

图3 混合时间对TMR容重的影响

如图3所示，精料补充料、羊草、全株玉米青贮混合时间对TMR容重没有显著影响（P＞0.05）。

2.3 混合时间对混合均匀度的影响（见图4）

由图4 可知，在精料补充料混合时间为7 min 时TMR混合均匀度高于其他4 组（P＜0.05）；在羊草混合时间为20 min 时TMR 混合均匀度高于其他4 组（P＜0.05）；在全株玉米青贮混合时间为6 min 时TMR 混合均匀度高于12 min和15 min组（P＜0.05）。

2.4 二次正交旋转组合设计优化混合参数

2.4.1 优化混合参数范围（见图4、表3）

通过单因素试验初步确定了三种原料的混合时间，利用二次正交旋转组合设计在混合均匀度较高的范围内进一步优化选择。由图4可见，随着混合时间的增加，当精料补充料混合时间为11 min时，TMR 混合均匀度不仅低于其他组（P＜0.05），而且有不断下降的趋势，因此在二次旋转组合设计中选择较优的精料补充料混合时间范围为3～7 min。在羊草混合时间25～30 min时，TMR混合均匀度有逐渐升高的趋势，并且25、30 min 时TMR 混合均匀度比10、15 min 略高，所以选定优化范围为20～30 min。全株玉米青贮混合时间为3、6、9 min 时TMR 混合均匀度显著高于12、15 min（P＜0.05），优化范围为3～9 min。最终试验因子及设计水平如表3所示。

表3 试验因子及设计水平

图4 不同混合时间对TMR混合均匀度的影响

2.4.2 二次多项式回归模型的建立（见表4）

将试验设计编码和混合均匀度一起定义成数据块（见表4），利用DPS V18.10建立二次多项式回归模型，得到回归方程：

表4 三元二次回归正交旋转组合设计结构矩阵及试验结果

该方程的相关系数R=0.84，表明以所建立的数学模型来优化混合时间可靠性较高。对回归方程进行F检验，结果表明，F1=3.41，P1=0.023＜0.05，回归方程显著失拟性检验结果表明（P＜0.05），F2=1.70，P2=0.373＞0.05，说明回归方程拟合较好，可进一步对回归模型进行分析。

2.4.3 试验因子效应分析结果（见表5）

回归方程中回归系数表示自变量X对因变量Y的影响程度，回归系数的正负反映影响的趋势，因此可通过比较回归模型中表中回归系数的绝对值判断各试验因素在试验过程中所起到的作用，并根据回归系数的正负判断各因素在试验过程中的作用趋势。由表5 可知，各变量标准回归系数的绝对值排序为X3＞X2＞X1，说明全株玉米青贮、羊草、精料补充料混合时间对TMR混合均匀度的影响程度逐步减小。其中X1系数为正值，而X2、X3的系数为负值，说明在试验设计范围内TMR混合均匀度随精料补充料混合时间的增加而增加，随着羊草和全株玉米青贮混合时间的增加而降低。T检验结果表明，X3达到显著水平（P＞0.05），X1X2与X2X3变量间的交互效应也达到了显著水平（P＜0.05），说明全株玉米青贮混合时间、精料补充料与羊草混合时间的交互效应、羊草与全株玉米青贮混合时间的交互效应对TMR混合均匀度的影响相对较大，实际生产中应充分考虑这三个因素。

表5 回归系数的显著性检验结果

为进一步揭示单一因素对混合均匀度的影响，采用降维法将其他变量固定在0水平，得到单一变量与混合均匀度的一元二次回归子模型：

将各因子的编码值代入以上一元二次回归子模型，即得到各因素在不同混合时间下的混合均匀度效应值，并绘制出单因素效应图。由图5可见，在-1.681 8≤X≤1.681 8水平范围内，羊草（X2）、全株玉米青贮（X3）混合时间的效应曲线呈持续下降趋势，精料补充料（X1）混合时间的效应曲线呈抛物线趋势。X1在1水平时达到最大值，X2在-1 水平时达到最大值，X3在-1.681 8水平时达到最大值，说明过高的羊草和全株玉米青贮混合时间不利于TMR混合均匀度的提高。

图5 混合均匀度的单因素效应

2.4.4 混合均匀度优化分析结果（见表6）

配合饲料CV大于7%则需要改善，因此以93%混合均匀度为目标混合均匀度，采用频率分析法对回归模型进行优化分析并统计其频次。由表6可见，混合均匀度高于93%时，X1取值次数和频率随着-1.681 8～1.681 8 水平不断地增加，次数和频率也不断增加、X2取值次数和频率随着-1.681 8～-1 水平和1～1.681 8水平的减小和增加向两端集中、X3取值次数和频率也随着-1.681 8～1.681 8 水平的减小和增加向两端集中，但是X1、X2、X3整体分布程度都较为分散。说明在本试验条件下，精料补充料、羊草和全株玉米青贮混合时间对TMR混合均匀度都有一定程度的影响。表6频次分布表分析可得到在95%置信区间内TMR 混合均匀度高于93%的优化方案31 个，X1～X3个因素的水平取值分别为4.89～5.91、23.09～26.08、4.84～6.54，在上述时间范围内计算得出预期平均混合均匀度为100.39%。

表6 混合均匀度大于93%各变量取值的频率分布

3 讨论

物理有效中性洗涤纤维（peNDF）兼顾了日粮物理意义上的颗粒大小和化学意义上的纤维含量，能够更加准确地评估日粮纤维的营养价值[11-12]，对反刍动物瘤胃内环境稳定和健康、动物产量提高有重要意义。我国肉羊养殖中广泛使用高精料日粮，因此日粮中更需要充足的纤维，以刺激咀嚼行为、维持瘤胃内环境稳定等功能。TMR中peNDF水平取决于多种因素，其中就包括饲料原料颗粒大小、TMR 加工方式等[13]。在奶牛饲粮中，研究表明peNDF8.0 为17.0%～18.5%时，可保证相关指标在处于正常范围[14]。8～10月龄后备牛适宜peNDF1.2 的需要量为24.44%～29.01%，peNDF8.0 为19.96%～23.79%[15]。杨丽[16]、杨丽等[17]在对波杂公山羊的试验中发现，peNDF水平为22.69%的饲粮相较于31.69%的饲粮饲喂效果更好。本试验中，peNDF8.0为30%～38%，peNDF1.2为40%～50%，略高于上述奶牛、后备牛以及波杂山羊需要量，可能与羊草和全株玉米青贮等粗饲料的质量及长度等有关。为了保证TMR 混合均匀度，同时保持peNDF 到适宜范围内，可以预先对过长羊草进行切短处理。本试验中，随着混合时间的增加TMR 物理有效中性洗涤纤维含量都有下降的趋势，这是由于TMR 混合机混合时间越长，对原料的粉碎程度越大，在实际生产中，应当在保证TMR混合均匀度的情况下，寻找适宜的混合时间来控制TMR物理有效中性洗涤纤维的含量，保证TMR质量。

饲料容重是一种判别饲料优劣的简便方法[18]。由于多种饲料原料的容重都是不同的，当饲料成分发生变化时，饲料的容重也会相应地变化。有研究证明，容重较高的饲粮所需要的混合时间更短，玉米-豆粕型日粮混合时间在60 s 时的变异系数达到8%，低容重成分的饲料需要240 s的混合时间才能达到低于10%的变异系数[19]。但本试验精料补充料、羊草、全株玉米青贮混合时间对TMR 容重均无显著影响，具体原因需要进一步研究证实。

TMR 混合均匀度与很多因素有关，包括设备性能、投料顺序、混合时间、原料种类、原料形态等。Marchesini 等[20]研究发现将全部原料预先投入混合机，10 min的混合时间TMR 混合均匀度较高，并且一定程度上降低了肉牛挑食行为。王凯军等[21]研究表明，混合时间8 min对奶牛TMR日粮的混合均匀度好于16 min。本试验条件下，使用卧式W 型混合机，精料补充料、羊草、全株玉米青贮的最佳混合时间范围为：4.89～5.91、23.09～26.08、4.84～6.54 min。试验中最后添加全株玉米青贮后的混合时间与张伟等[22]得出的卧式混合机混合时间为5～7 min 相近，总体时间也在陈玉华等[5]的建议范围内，说明试验得出的结果是可靠的。需要指出的是，实际TMR 饲料生产中使用的混合机类型，饲料原料种类、物理特性及添加顺序，以及不同物料的混合时间均会影响TMR饲粮的最终混合均匀度和产品质量，本试验初步确定了精料补充料、羊草、全株玉米青贮的混合时间，对于肉羊TMR饲料的加工生产具有一定的借鉴意义，但其普遍适用性仍有待于进一步研究验证。

4 结论

本研究发现，饲料原料的混合时间对TMR 的物理有效中性洗涤纤维含量、混合均匀度有显著影响。单因素试验条件下，TMR 混合均匀度最高时，精料补充料、羊草、全株玉米青贮的混合时间分别为7、20 min 和6 min。经过二次正交旋转组合设计进一步优化，精料补充料、羊草、全株玉米青贮的适宜混合时间范围为：4.89～5.91、23.09～26.08、4.84～6.54 min。