陈渊国：奶牛瘤胃动态发酵系统的理论架构与实际应用
1983年毕业于台湾大学畜牧系，在乳牛产业界服务超过十年后，1994年进入美国康乃尔大学动物科学系研究所攻读硕士、博士学位。在康乃尔大学就学期间参与CNCPS研发工作，主要研究主题包括:玉米青贮和玉米谷粒在瘤胃发酵的动态过程、瘤胃发酵的协同作用等。因具备产业实际配方经验，协助CNCPS软件ß版本的测试工作。1999年取得博士学位后开始在台湾及亚洲地区担任乳牛、肉牛牧场和相关产业的营养与管理顾问。自2003年起长年获聘担任美国谷物协会DDGS项目顾问至今。
一、前言 中国是近二十年来全世界奶牛产业发展最快速的地区。随着经济的快速增长，中国不仅成为国际常温奶制品(全脂与脱脂奶粉)的最大买家，而且低温保鲜的巴氏杀菌鲜奶和发酵奶(酸奶)也迅速的受到消费市场的青睐；为了满足市场需求，中国的奶牛产业也随着消费趋势快速的变化，大型牧场的建设，全世界尖端的奶业科技在极短的时间内在中国奶牛产业迅速普及，产业的生产效率改善也有卓著的成果。
营养在奶牛生产成本中所占比例最大，也是提升奶牛生产效率最关键的因素，因此精准营养管理(precision feeding management)一直是奶牛产业的主流趋势，而精确的日粮配方则是精准营养管理不可或缺的基础。全世界奶业发展先进的国家投入许多不同专长的科研人员，经过逾八十年的努力，终于可以比较清楚的描述不同生理状态下反刍动物的营养需求，并且也可以比较精准的预测不同组合的日粮进入反刍动物消化系统中可能被消化、吸收、和代谢的营养总量。
本文的主要目的是要深入介绍反刍动物瘤胃动态发酵系统的理论架构及其背后的生物现象，并且探讨该系统的实际应用，希望能为中国奶业与世界奶业尖端科技的接轨略尽棉薄之力。
二、瘤胃发酵系统的特性
反刍动物因为有一个容积很大的瘤胃和其中共生的瘤胃微生物，所以在消化生理上和单胃动物截然不同，因此瘤胃发酵系统具备下列的特性：
1. 因为瘤胃微生物的发酵作用，所以能够分解不同化学结构的纤维。
2. 大部分生物参数之间的关系都是非线性关系(non-linear relationship)。
3. 日粮进入瘤胃后的消化过程是动态的(dynamic)，即随着时间的推移而变化(change over time)。
4. 日粮中不同成分之间会有协同作用(associative effect)或交互作用(digestive interaction)，因此某些营养值(例如:泌乳净能)是没有加成性的(non-additive)。
当我们以传统的畜牧学观点，用线性规划(linear programming)的方法来预测这个非线性、动态、又没有加成性的瘤胃发酵系统时，配方计算的精确度通常是不理想的。我们用〔图一〕来解释这种偏离现象，当我们用一条直线试图去描述一个非线性的系统时，通常只有在〝a〞和〝b〞两点之间结果是令人满意的，越偏离这个范围偏差的幅度越大。
计算一个日粮配方来满足一群反刍动物的营养需求量就好像拿一副弓箭来射标靶一样。一把好弓、一支会按照既定抛物线轨迹稳定飞行的箭，加上能够随时感知环境参数变化的老练弓箭手，这样的组合最有机会正中靶心；同样的道理，由经过严谨训练的专业营养技术人员来操作一套能够精准描述瘤胃发酵和奶牛代谢生理的系统，加上严格的管理和标准的饲喂体系，是让奶牛生产效率极大化的不二法门。
三、瘤胃动态发酵系统的理论架构与演进 瘤胃动态发酵系统的整合研究已经超过四十年 (Fox, 2014)，美国康乃尔大学(Cornell University)的研究人员不断的积累有关反刍动物瘤胃动态发酵和生理代谢的研究成果，并且利用这些知识的积累架构成一套评估和计算反刍动物日粮配方的软件，为了适用于反刍动物的非线性关系，这个配方软件未采用传统动物配方软件所用的线性规划(linear programming)技术，而是采用可以更精准描述非线性系统的最优化(optimization)计算模块。康乃尔大学的研究团队终于在1992-93年正式在Journal of Animal Science上发表了四篇相关的参考文献，分别详细阐述：
1. 瘤胃发酵系统 (Russell et al., 1992)。
2. 碳水化合物和蛋白质的供应 (Sniffen et al., 1992)。
3. 动物的需求量和日粮的供给 (Fox et al., 1992)。
4. 满足氨基酸的需求 (O’Connor et al., 1993)。
由 Danny Fox博士所领导的研究团队将该配方软件命名为Cornell Net Carbohydrate and Protein System (CNCPS)，瘤胃动态发酵系统的架构就此完成。
瘤胃微生物依照它所能分解的碳水化合物属性可以大致分成两大类:结构性碳水化合物(structural carbohydrate, SC)分解微生物和非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrate，NSC)分解微生物(Russell et al., 1992)。[表一]说明了这两大类的微生物的主要营养来源和生长速度的差异。这个基本分类提供了由日粮碳水化合物和含氮化合物来计算瘤胃微生物蛋白质产量的基础。Russell et al., (1992)的研究团队所进行的试管试验发现当瘤胃中胺基酸浓度由0增加到14%时，非纤维分解菌(NSC)的产量提高18.7% (非线性增长)，超过14%之后就没有影响。
建立动态系统的第二个步骤是将日粮中的碳水化合物和含氮化合物依照其消化速度(digestion rate, Kd)来分组，分组的方式和各组的消化速度从最早的CNCPS 1.0版到现在的CNCPS 6.5.5版本经历过多次的修正，每一次的修正都经历过激烈的学术讨论，但是最后决定修正的目的都是为了让系统更加完善，其他以CNCPS为基础所开发的商业配方软件(CPM, AMTS, NDS)也都随着逐步修正，但是由Cornell University、Penn State University、和Miner Institute共同开发的CPM软件在3.0版之后就终止研究计划，不再进行任何版本更新。有关碳水化合物和含氮化合物分组方式及各组消化速度的演进过程请详见[表二]。
动态发酵系统的另外一个参数是通过速度(passage rate, Kp)，通过速度事实上是日粮在消化道或其中某一个区段滞留时间(retention time)的倒数。通过速度会明显受到采食量(intake, Ki)的影响，采食量越高，通过速度越快；此外，因为液体和固体在消化道的通过速度不同，所以可溶性和不可溶性的营养成分必需用不同的通过速度来计算。通过速度同样也经过多次严谨的学术讨论而逐步修正([表二])。事实上，日粮固体部份的粒径(particle size)粗细大小也会影响通过速度。
所有的参数都具备之后就可以来架构瘤胃动态发酵系统的主轴。[图二]是瘤胃动态发酵系统的概念图。动物采食日粮之后，可以被瘤胃分解利用的比率取决于Kd 和 Kp这两个相互竞争的参数，消化速度越快的成分大部分会在瘤胃中分解，所以越没有机会离开瘤胃；相反的，通过速度越快的成分在瘤胃被分解的机会相对较小；但是提高采食量会增加通过速度。所以，日粮进入瘤胃后可以被分解利用的比例(Rd)如下:
瘤胃可利用率(Rd) = 采食量 ╳ [消化速度/(消化速度+通过速度)]
反之，在瘤胃不会被分解利用而进入皱胃和小肠的部分(Ru)就等于:
瘤胃不可利用率(Ru ) = 采食量 ╳ [通过速度/(消化速度+通过速度)]
利用这个瘤胃公式就可以用动态的方式计算出进入瘤胃的日粮有多少会在瘤胃中分解并作为微生物繁殖的营养来源，进而估算微生物蛋白质和其他发酵产物的产量；同时也可以计算出有多少营养成分是不会在瘤胃被分解利用，而是进入皱胃、小肠、和大肠进行不同的消化吸收作用。因此，单一原料的净能值和过瘤胃蛋白的比例都不是恒定的，日粮的净能值也是整个动态平衡的结果。
瘤胃动态发酵系统只是CNCPS和其相关商业软件的基础，整套系统还需要下列八个方面的次模块(sub-models)来完整描述后续消化、吸收、代谢、产乳、和排泄过程：
1.瘤胃发酵产物(挥发性脂肪酸…等)的吸收。
2.皱胃消化作用。
3.小肠消化吸收作用。
4.大肠发酵和吸收作用。
5.营养成分吸收后的代谢与分配利用。
6.营养需求量(维持、怀孕、产乳、生长、体组织储备)。
7.环境变量与管理参数。
8.排泄废弃物预估。
以上几个方面就像一块块拼图一样架构起精准模拟奶牛营养的全貌。为了提升整个系统的精准度，这些方面在每一次改版的过程都做了必要的修正，将最新的研究结果纳入系统中(详见[表二])。不断地追求完美是系统研发不变的原则，研发团队仍然努力不懈的在修正系统的准确度和补足系统未尽之处。
四、瘤胃动态发酵系统的操作过程 充分了解瘤胃动态发酵系统的原理和背后的生理机制是学习操作这个系统必要的基础，根据系统需求建立符合实际情况的原料营养成分数据库则是不可或缺的条件。操作步骤如下：
1.首先必需收集牛群的详细情况及环境与管理参数信息，方便系统准确预估牛群的实际营养需求量。
2.选择稳定有经济效益的原料并设定必要的限制条件。
3.调控日粮粗细度与通过速度(passage rate, Kp)。
4.运用配方软件的最优化(optimization)功能来同步化碳水化合物和含氮化合物的供应速度，使瘤胃产出极大化([图三])，目标如下:
-瘤胃微生物蛋白(microbial protein)产出最大。
-尿素氮能量成本(urea cost)最低。
5.有效率的移除发酵产物，维持瘤胃环境稳定。
6.如果瘤胃的最大产出仍无法满足营养需求量，选择过瘤胃蛋白比例较高的优质原料，补足氨基酸的需求，或考虑使用过瘤胃胃脂肪、过瘤胃氨基酸的必要性和经济效益。
作者自1999年采用此类反刍动物配方软件系统 (CNCPS 5.0； CPM 3.0； NDS Pro)在亚洲地区进行奶牛牧场、肉牛牧场、和饲料公司的顾问工作。此系统显著地降低总体日粮的蛋白质含量，提升瘤胃发酵效率、减少废弃物的排放量和浓度，当然也相对的提高牛群的生产效率，降低日粮的成本。这个系统虽然未臻完美(例如:未将协同作用列入系统考量的因素、在热应激环境下对干物质采食量的预估准确度不佳)，但是相对于传统的线性规划系统，配方演算结果有令人惊艳的显著优势，势必是未来反刍动物营养配方的主流。
五、中国奶业如何与世界尖端的瘤胃动态发酵系统接轨?
中国的奶业规模庞大，肩负了供应广大消费者奶制品需求的重任，在环境保护议题受到极度关注的时代，奶牛牧场如何提升生产效率，减少废弃物排放是责无旁贷的课题。瘤胃动态发酵系统提供了一套精准的奶牛日粮评估和配方计算的计算机系统，中国的奶牛产业可以省下几十年研究整合的时间，直接取得一把精良的弓(配方软件)来协助提升整体产业的生产效率；但是因为原料的种类和来源不尽相同，所需要分析的项目有别于传统的一般化学分析，所以中国的奶牛产业界必需投注资源和时间建立符合需求的原料营养成分数据库，这个符合中国奶牛产业使用的原料营养成分数据库就像可以按照既定轨道稳定飞行的好箭。有了精良的弓和优质的箭，就需要培养擅于操作弓箭的人，培育足够数量的营养配方技术人员是当务之急，这些种子营养配方技术人员必需对于反刍动物瘤胃动态发酵系统的理论架构和运作原理有正确而深入的认识，同时要具备足够的牧场管理的实践经验，进而不断的操作演练和日粮实际饲喂的成果反馈，积累系统实际运作的经验。有了这整个体系的建立，中国的奶业可以迅速地和世界奶业尖端的营养技术和观念接轨，轻易的跻身世界奶业先进国家的行列。
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