В современной науке о кормлении сельскохозяйственных животных большое внимание уделяется кормовым добавкам и предподготовке зерна перед скармливанием, которые улучшают усвояемость основных компонентов рациона. При этом меньше затрачивается энергии на переваривание кормов, повышается продуктивность животных, улучшается состояние здоровья. В настоящее время для улучшения усвояемости зерно подвергают плющению, экструдированию, ферментации и др. Все большее распространение находят биохимические технологии получения кормовых нутриентов для животных из растительного сырья. Так же в корма включают покупные кормовые добавки: премиксы, комбикорма, белково-витаминные добавки. При этом следует обратить внимание на то, что недостаточно используются в кормах животных вторичные ресурсы, так называемые отходы основных производств, содержащие массу полезных и питательных белково-углеводных, витаминных и макро-, микроэлементов. К вторичным ресурсам относятся молочная сыворотка и отруби пшеничные.
Молочная сыворотка содержит углеводы представленые лактозой (3,5 %), моносахаридами (галактоза, глюкоза), аминосахаридами (нейраминовая кислота, включая ее производные, кетопентоза), олигосахаридами (серологически активные вещества, арабиноза). Творожная сыворотка содержит 0,8 % белка, а подсырная – 1,0 %. Содержащиеся в сыворотке витамины: В12 (цианокобаламин) – 3,2 мкг, В3 (пантотеновая кислота – 4,2 мкг, и ВН (биотин) – 40 мкг способствуют улучшению кроветворения и состава крови, что также способствует улучшению здоровья животного.
К недостаткам сыворотки относятся: 1 – неблагоприятное для пищеварения соотношение белков, углеводов и минеральных веществ, 2 – сыворотка должна скармливаться в течение 12 ч из-за быстрой ее порчи и уменьшения содержания лактозы на 40 %, белка – на 14 %, сухих веществ – на 10 %, 3 – она является крупнотоннажным отходом при переработке молока и в настоящее время ее сливают в канализацию, она попадает в водоемы, что неблагоприятно сказывается на экологии [1].
К достоинствам отрубей относится большое количество клетчатки (46 %), значительное количество – 15,5 % белка, наличие витаминов А, Е, а также группы В: В1, В2, В6; микро- и макроэлементов: калий, кальций, магний, фосфор, натрий, медь, йод; жирных кислот (Омега-3, Омега-6, пантотеновая – благотворно влияет на ЖКТ); Эта составляющая также позволит увеличить количество белка в патоке и клетчатки в композите, т.е. заменить часть зерна пшеницы в существующем рационе.
Ранее в СибНИТИП была разработана и внедрена технология получения паток кормового назначения, содержащих легко перевариваемые углеводы, из различного зернового сырья [2, 3], в качестве концентрированной углеводной добавки. Патока производилась в роторно-пульсационном аппарате (РПА) с использованием воды, подкисленной до рН 5,5–5,8. Содержание сахаров в патоке составляло 17,0 ± 2 %. Главным недостатком такой патоки является: необходимость хранения в холодильных установках, так как в обычных условия патока является благоприятной средой для развития микроорганизмов, приводящих к ее порче. Кроме того, в патоке недостаточное количество сахаров, совсем мало белка и отсутствует клетчатка, необходимая животному для жизнедеятельности микроорганизмов, участвующих в пищеварительном процессе. Это три наиболее ценных компонента в рационе питания животного.
Повысить питательную ценность кормов можно путем создания композитов из патоки, полученной ферментативным гидролизом из молочной сыворотки и пшеничного зерна на первом этапе и последующим обогащением патоки белками и клетчаткой, смешивая ее с пшеничными отрубями. При этом количественное соотношение зерна, сыворотки и отрубей устанавливается экспериментально.
При обычной практике научно-исследовательской работы (НИР) разработка нового продукта – это проведение значительного количества экспериментов и, как следствие, большие затраты времени, расходных материалов и энергозатрат. Чтобы уменьшить указанные составляющие НИР, обратимся к методам моделирования процесса создания многокомпонентного продукта.
В настоящее время существуют различные способы оптимизации состава при создании комбинированных продуктов, основанные на использовании современных компьютерных технологий. Это универсальные математические системы MathCAD, Maple, программа FORECASTE, распространённая оболочка: табличный процессор Microsoft Excel [4–6]. Общим для них является формирование банка данных исходного состава сырьевой смеси путем экспертной оценки ингредиентов и выбор количественных ограничений доз основных компонентов на основе литературных источников.
Программа «КОРАЛЛ-кормление» позволяет комплексно оптимизировать рацион с включением в него комбикормов, премиксов, белково-витаминных добавок, сочетающихся с основными кормами [7]. Мы предлагаем для включения в эту программу оригинальный белково-углеводный композит, созданный по методу автоматизированного проектирования сложных многокомпонентных продуктов питания с использованием программы linprog Matlab, разработанному в Тамбовском государственном техническом университете [8].
Цель исследования: разработать компьютерную модель состава белково-углеводного композита из зерна пшеницы, молочной (подсырной) сыворотки и пшеничных отрубей.
Материалы и методы исследования
Зерно пшеницы, молочная (подсырная) сыворотка и пшеничные отруби. метод автоматизированного проектирования сложных многокомпонентных продуктов питания с использованием программы linprog Matlab. Химический состав всех перечисленных компонентов исследовали по литературным источникам. Выбор количественных ограничений доз основных компонентов проводили на основе литературных источников. Так же по литературным источникам и результатам ранее проведенных исследований установили количественные значения физиологически ценных биологически активных веществ (БАВ), содержащихся в выбранных компонентах смеси, влияющих на продуктивность животных.
Далее провели теоретическое обоснование соотношения белков, углеводов и клетчатки в белково-углеводном композите, отвечающее современным требованиям кормления КРС.
Результаты исследования и их обсуждение
Оптимизация состава композита сводится к решению задачи разработки рецептуры композита с максимальной физиологической ценностью и проводится с использованием программы linprog Matlab. Физиологической ценностью обладает композит, содержащий максимальное количество белков, углеводов и клетчатки в определенном соотношении.
Ставится задача: разработать рецептуру композита с максимальной физиологической ценностью, содержащего углеводов не менее 22 г сахара в 100 г патоки (исходя из суточной нормы 3 кг патоки), белка не менее – 11 г/100 г композита, клетчатки не менее – 10 г/100 г композита. При этом другие содержащиеся в сырье в незначительных количествах вещества при расчете не учитываются.
Последовательность шагов.
Дано: 1. Исходя из рекомендаций к проектированию комбинированных продуктов, изложенных в [7], задаем пределы возможного варьирования (в %) выбранных компонентов смеси (зерно, сыворотка, отруби) с указанием содержания сухих веществ (в %). Варианты сводим в табл. 1.
Таблица 1
Содержание сухих веществ и диапазон варьирования компонентов смеси
|
Рецептурные компоненты |
Возможный диапазон варьирования компонентов, % |
Содержание сухих веществ, % |
|
Компонент 1(зерно ИК) |
10–40 |
90 (после ИК сушки) |
|
Компонент 2 (сыворотка) |
38,5–80 |
6 |
|
Компонент 3 (отруби) |
15–30 |
97 |
2. Составляем табл. 2 с указанием количества физиологически ценных биологически активных веществ (БАВ), содержащихся в выбранных компонентах смеси, влияющих на продуктивность животных,
Таблица 2
Количество физиологически ценных пищевых веществ компонентов смеси
|
Перечень ценных кормовых веществ |
Количество пищевых веществ, мас. % |
||
|
Зерно (ИК) пшеницы |
Сыворотка молочная |
Отруби пшеничные |
|
|
Углеводы (сахара) |
66 |
3,5 |
16,0 |
|
Белок |
13,9 |
0,8 |
15,5 |
|
Клетчатка |
11,3 |
0 |
43,6 |
|
Итого |
91,2 |
4,3 |
75,1 |
Максимальная физиологическая ценность выражается формулой F(x) = max {91,2Х1 + 4,3Х2 + 75,1Х3}, в которой коэффициенты взяты из строки «Итого» табл. 2. Требуется найти значения Х1 – зерна, Х2 – сыворотки, Х3 – отрубей при соблюдении следующих условий:
1) Наличие в сыром композите сухих веществ (СВ) не менее (сами задаемся) 50 %
94 Х1 + 6 Х2 + 97 Х3 ≥ 0,50
2) Содержание сахара не менее 22 %
66 Х1 + 3,5 Х2 + 16 Х3 ≥ 22
3) Содержание белка не менее 11 %
13,9 Х1 + 1.0 Х2 + 15,5 Х3 ≥ 11
4) Содержание клетчатки не менее 10 %
11,3 Х1 + 0 Х2 + 43,6 Х3 ≥ 10
5) Получение единицы продукта (композита)
Х1 + Х2 + Х3 = 1
6) Задание нижних ограничений переменных (из табл. 1)
Х1 ≥ 10; Х2 ≥ 38,5; Х3 ≥ 15
7) Задание верхних ограничений переменных (из табл. 1)
Х1 ≤ 40; Х2 ≤ 80; Х3 ≤ 30
8) Определение коэффициентов целевой функции
f = [91.4; 4,5; 75,1] (из «Итого» табл. 2)
f = – f
9) Задание матрицы А и вектора b правой части системы неравенств (ставят точку вместо запятой)
[66 3.5 16
13.9 1.0 15.5
11.3 0 43.6
94 6 97]
А= – А
b = [–22; –11; –10; –50]
10) Задание ограничений типа равенств
Аеq [1 1 1]
beq [1]
11) Задаем ограничения снизу на переменные
lb = [10; 38,5; 15]
12) Задаем ограничения сверху на переменные
rb = [40; 80; 30]
13) Решение и вывод результата в командное окно программы
x = linprog (f, А, b, Аеq, beq, lb, rb)
14) Получим на компьютере результаты расчета значений Х1; Х2; Х3
В результате решения задачи с помощью linprog Matlab находим численные значения Х1 = 29,765, Х2 = 38,500, Х3 = 31,803.
Выводы
В результате проведенных расчетов получены теоретические значения процентного содержания зерна 29,765 %, молочной сыворотки 38,500 % и отрубей пшеничных 31,803 % в проектируемой белково-углеводной композитной смеси, которую планируется использовать в качестве добавки при разработке рецептур кормов сельскохозяйственных животных. По разработанным таким способом рецептам животноводческие предприятия могут заказывать или производить самостоятельно кормовые добавки, обеспечивающие больший экономический эффект по сравнению с производимыми в настоящее время.