飼料配方的科學與藝術_飼料配方軟件的應用及存在的問題

smallgao · 發表于 2008-6-20 15:48:55

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飼料配方的科學與藝術
———飼料配方軟件的應用及存在的問題
武書庚, 苗燕編譯
( 中國農業科學院飼料研究所, 北京100081)
飼料配方的制作應綜合考慮原料成本、供應情況
及營養素含量, 從而配制出既能保證營養品質一致性
又能滿足最低生產成本的飼料產品。飼料配方軟件是
模擬未來可能發生的事件, 通過預測飼料產量, 可確定
未來原料的用量及庫存水平。從某種意義來講, 這是一
種風險管理。飼料公司在購買原料時存在一定的風險。
通過正確的加工和混合, 可將這些有營養價值的原料
實現增值; 但不正確或低效率的比例混合會使其變得
更加昂貴。確定原料用量的軟件工具、未來庫存水平以
及稀有原料的存放, 均是影響飼料產品生產及銷售贏
利與否的風險因子。本文將討論在使用軟件系統過程
中有關飼料配方常見的問題。
1 配方的科學
世界各地飼料原料的供應情況、質量及成本參差
不齊。實際生產配方常包含25 種或更多的原料。采用
表格的方法將其逐一列出, 顯而易見難以實現, 因此需
要更加簡練的數學工具來解決該問題。
在過去幾十年中, 飼料配方已經演變為一門極為
復雜的藝術和科學, 需要多個領域的經驗和理論基礎
知識及技巧。其中最重要的是: 動物營養需要、飼料原
料的營養組成、飼料原料成本及供應( 即具體的市場情
況)、數學公式( 主要是線形規劃) 、計算機程序等。但事
實上, 我們很難同時具備這些領域的知識和能力。因
此, 成功地研發、安裝和使用配方軟件, 需要不同領域
人們的合作, 以及團隊精神。
1.1 動物的營養需要
配制飼料的重要前提是了解動物的營養需要。配
方師不僅要參考書本上的動物營養需求, 還要結合飼
養環境、飼養管理等具體情況, 及時調整配方。
1.2 飼料原料的營養組成
配合飼料由多種原料組成, 可根據已知或已被估
測的原料的營養含量及配方, 計算飼料產品的營養組
成。世界上用到的飼料原料已達數千種, 不同地區的作
物生長、收割以及加工條件各不相同, 同種原料其營養
素種類及含量也會隨之發生變化。在實際配方中, 配方
師除可參考有關飼養標準( 如NRC、CRC 等)外, 還應能
夠準確了解現有飼料原料營養價值的知識與技能。
1.3 飼料原料的成本及供應情況
隨著新的替代原料的不斷開發和應用, 配方師可
以根據其所含營養成分及成本, 并結合動物營養需要
而設計出成千上萬種的飼料配方。從飼料配合角度來
看, 這些配方均能滿足動物的營養需要及原料限量的
要求, 都是“可行的”; 但由于各配方所涉及的每種原料
成本不同, 從而導致配方之間價格存在一定差異。一組
原料的配比能夠使飼料產品成本最低則被認為是最低
成本的配方, 但這并不是意味著以犧牲質量為代價。最
低成本配方必須符合質量的期望水平, 其質量在很大
程度上取決于配方師對營養成分及原料限量的巧妙運
用。
1.4 數學在最低成本配方中的應用
并非所有最低成本配方系統均系線性規劃, 多數
情況仍需要使用其他數學手段。雖然需要計算機進行
大量的計算, 但“配方軟件”在此處指系統化的、迭代解
步驟的過程, 而非計算機程序語言。該技術通過使用線
性函數來解決實際問題。線性函數中的變量是限制性
的。線性規劃在數學運算領域中是相對新的技術, 這一
應用最普遍運算技術的理論最初是由George B.Dantzig
在1947 年提出。因為需要大批量的計算, 當時沒有高
速計算機, 該技術并未得到推廣。
1.5 計算機及配方設計
飼料工業是首先認識到線性規劃作用的行業之
一。早在19 世紀60 年代末, 就已經利用計算機軟件來
開發飼料配方。這些早期的系統通過撥號終端進入大
型計算機運算, 盡管比手動操作快很多數倍, 但與現在
的系統相比, 運算速度慢、笨重、昂貴。70 年代末, 計算
機技術的發展提高了運算速度和配方設計能力, 價格
也有所降低, 此時配方運算速度為30 s/配方, 計算機
65 000 美元/臺, 只有大型飼料企業才采用。80 年代以
來隨著微機系統( 即個人電腦) 的到來, 計算機技術才
有了真正的突破。軟件運算速度加快( 小于0.1 s/配
方) , 計算機價格也便宜, 使得配方軟件的使用得到了
普及。現在的配方軟件均能充分利用其視頻功能, 系統
控制菜單、選擇數據時的彈出窗口和更新文件時全屏
顯示數據的功能使得系統易操作、易理解。
2 配方的調整及配方軟件
2.1 配方調整的意義
過去, 對于體積大、價格高、速度相對慢的系統而
言, 實現低成本配方難度較大。隨著原料成本的不斷變
化, 每周都要根據新的原料成本, 對飼料產品成本進行
調整。配方變化的目的在于在保證飼料質量及營養組
成的前提下, 節省成本。隨著每周數萬噸的飼料的生
產, 即使是配方成本的小比例降低, 也能給飼料生產商
節約大筆資金, 每周對產品配方進行調整是飼料廠的
一項重要工作。迅速計算最低成本配方, 并用于生產飼
料, 正在改變著配方設計在當今飼料工業中的作用。
2.2 配方軟件的作用
當今領先的家畜生產者已認識到飼料制造商的配
方是基于平均需要狀況下的配方, 并非最佳配方。他們
在尋找專門針對自己生產設計的最佳配方, 先進的飼
料公司會把提供定制配方服務作為其市場策略的一部
分。多數情況下, 銷售員都配備了手提電腦以便于他們
能現場設計配方。但是計算機輸出飼料配方的準確性
取決于輸入信息的準確性, 因此對銷售員進行適當的
教育和培訓, 最終將其培養成一名合格的配方師是必
要的。飼料生產商通過適當培訓其銷售團隊, 并為他們
配備配方軟件, 即可打入定制配方市場, 使自己處于有
利的競爭地位。這還能增加客戶的滿意度和忠誠度, 當
然沒有飼料配方軟件可能就無法達到該目的。
2.3 對飼料配方軟件的要求
以目前計算機的處理水平, 菜單操作和屏幕顯示
可引導使用者熟悉操作系統。也可以利用使用手冊,
前提是系統能迅速搜索到手冊相關內容, 一旦使用
者入門, 即可自行操作。當需要選擇一個特殊條目
( 如原料選擇或設計) 時, 彈出窗口應能顯示目前已
存儲的內容。使用者可通過鍵盤和鼠標來選擇所需
要的項目。每個選定項目的數據都應顯示在屏幕上,
這樣在輸入或者改變數據時都能夠得到確認。新型
系統能讓使用者知道是否輸入了正確的數據。新系
統還具有全面糾錯功能, 這樣能很容易找到錯誤信
息。當發現明顯錯誤時, 比如當要輸入數值型數據時
卻輸入了字母或者輸入值超過了最大允許值, 電腦
應能立即顯示出來。
3 飼料配方的藝術
現在做飼料配方只需要按電腦鍵盤就可以了, 但
可能會出現不可行的配方, 此時軟件會提醒操作者。然
而, 可行的配方也可能包含常被忽略的問題。下面就討
論可能存在的問題, 并提供實用信息, 以使做出的配方
可用于飼料廠的生產, 最終配出可飼喂動物的飼料。
3.1 作為營養需要忽略配方空間
飼料配方系統中初始限量, 通常是默認的( 設定
100%) 。這對了解配方空間成本、對發生錯誤的警告均
非常重要。如果權重僅設定了最大或最小營養需要量,
提供數種原料, 軟件將選擇最便宜的原料去滿足100%
的最大- 最小的重量設定。多數情況下將是石粉( 最便
宜的原料) , 緊接著就是食鹽和玉米。此外也可將所有
的營養最小量由飼料的90%來代替100%的設置作為
缺省。在此情況下, 機器可能選擇最便宜的原料滿足另
外10%。結果就是飼料鈣含量相對偏高, 因此鈣磷比發
生變化。如果以鈣的最大限量來再次配制同樣的飼料,
則機器可能選擇鹽份補充另外10%。結果算出的飼料
將滿足所有的限制, 但過多的鈉將會影響動物健康和
生產性能。最后, 如果以鈣和鈉的最大限量再次配制飼
料, 玉米( 或者另一種成本更低的原料, 如麥麩) 將成為
下一個被選擇的原料。這會更加安全, 但是此時操作者
必須預測到額外的能量是否影響動物生產性能。
最低要求: 注意設定鈣和鹽的最大需要量, 防止配
方中以石粉和食鹽來填補配方空間, 對其它營養素和
原料也應遵守同樣的原則。
配方空間同樣影響最終配方成本和配制飼料的原
料的影子價格。影子價格是指最佳配方中每種原料或
營養素的單位價值。一般情況下, 配制富含營養( 高濃
度) 的配方要選擇營養濃度高的原料, 反之亦然。原料
供給僅是一個簡單的營養問題, 如賴氨酸, 不同原料的
含量, 對配方最終成本以及該原料的價值( 影子價格)
均會產生重要影響。多數情況, 原料的采購僅僅基于其
單位營養含量, 而非飼料配方中的影子價格。以賴氨酸
為例, 78%的賴氨酸較好且在高營養濃度飼料中有更
大價值, 而40%賴氨酸或者50%液體賴氨酸, 或許在
低濃度配方中更受歡迎。
最低要求: 評價飼料原料不僅局限于單位營養的
成本, 還要考慮其最終價值、對最終飼料成本的影響、
制造飼料的空間。
3.2 建立沖突抑制
沖突抑制并非意味著那些導致不可行的飼料配
方。它們可能是微妙的, 可能會改善生產性能但同時增
加飼料成本。例如, 對氨基酸和粗蛋白之間設置最小量
的關系。操作者一定要意識到氨基酸的限量( 恰好滿足
其最小量, 并最大限度地壓低成本) 及其對粗蛋白水平
的影響。如色氨酸是家禽飼料中一個敏感的沖突限制。
根據配方的基本原理, 除蛋氨酸、半胱氨酸、賴氨酸、蘇
氨酸和精氨酸外, 可以給色氨酸設置最小量。許多時
候, 色氨酸水平的設置將會導致日糧粗蛋白水平提高,
甚至超過最低設置水平, 增加飼料配方成本。研究表明
色氨酸并非肉雞或蛋雞的第三限制性氨基酸, 但各種
來源飼養標準的推薦量均較高, 此時就可以不將色氨
酸設置限量要求。
最低要求: 弄清楚相關營養素或原料之間的關
系, 知道如何限制其用量對最終產品及其配方成本的
影響。
3.3 先進的配方功能
給予相同的數據, 所有配方軟件均應產生相同的
結果。但各軟件的速度、靈活性、易操作性有較大的不
同。系統必須至少能夠產生針對每個產品的最低成本
配方, 給出營養需量表和可利用的原料。
配方系統之間真正區別是有沒有能力提供額外的
功能作為管理的工具使用, 如配方已定, 可以給出生產
數噸產品需要的每一種原料的量。原料成本經常占飼
料售價的70%~80%, 原料采購效率的稍微提高, 即可
對收益率產生較大影響。
對于研究、研制、采購和生產等功能, 配方技術能
夠成為有價值的制定決策工具。另外, 運用線性規劃的
高級模型可有助于決定, 應考慮從不同產地以不同價
格購買和配送的原料, 而非一個生產地。當原料過剩或
短缺時, 這些模型甚至可突出分配原料, 用于生產特殊
產品以節約成本。基于利益最大化而非成本最小化的
操作原則, 出現了更多的特殊模型。
3.4 良好的飼料配方設計實踐( GFP) 注意事項
所有生產加藥飼料的工廠均要符合GMP 標準,
同時也要按照HACCP 規則執行。好的配方設計均產
自研究室。在哪里研制生產配方? 何時才對配方庫中
的原料及其營養進行最終審核? 廠家在生產飼料時是
否了解原料營養價值表和生產配方中原料的名稱及
含義? 每種原料最大或最小的稱量, 是否符合工廠衡
器的稱量范圍及靈敏度? 每種原料的營養值是否與其
營養含量相對應? 不同存放位置, 覆蓋物是否使用正
確? 每批次混合的原料排列順序是否正確? 能否使飼
料原料達到充分混合? 適當的控制和程序是否到位?
其能否允許及證明原料/營養成分的變化? 這些方面
都需要仔細考慮確保GFP 的建立, 其它提到的方面
也很重要。
最低要求: 控制最初的審查, 然后定期審查, 以便
建好配方數據庫。記住這句格言: 您的輸出其實是由您
的輸入決定的。
3.5 建立各原料營養成分含量標準
現己公布的數據可為建立飼料用量水平提供良好
的指導, 但原料的最大和最小用量仍需要考慮到以下
幾方面:
3.5.1 質量保證/控制程序使用的每種原料的營養
成分分析數據和對原料規格描述的詳細程度, 決定
了日糧中每種原料的用量。如果缺少部分或全部控
制程序, 最大用量標準就會低于已公布的范圍, 相
反, 對于具有較好營養素數據的良好軟件, 可用較寬
的最大限量。
3.5.2 時間因素各種原料和飼料產品在飼料生產和
運輸的過程中必須高效流通。因購買原料而導致的飼
料生產效率降低, 會抵消利用配方設計所節約的成本。
同樣, 雖然脂肪添加量高的飼料在較暖和的氣候中保
存良好, 但在寒冷季節會產生極端問題, 如在搬運、運
輸和飼料罐中。原料添加量和營養標準應該隨季節的
變化而變化。
3.5.3 飼料種類/生產階段谷物類及動物蛋白類等
原料應有一定的限量, 從而日糧組成不至于產生極端
變化, 避免對動物生產性能的影響。允許不同飼料產品
中同一原料粒度有所不同, 否則影響動物健康及生產
性能。
3.5.4 原料和營養之間的關系不給僅含一種營養素
的原料設置限量, 否則會導致像鹽分和鈉等營養成分
低于或高于標準要求。
3.5.5 影子價格原料的影子價格表明在給定日糧限
量條件下的價值, 較低的影子價格限量是指在該價格
下可用到的該原量的最大量; 較高的影子價限量則指
在該價格下可用到的該原量的最低量。當實際成本低
于影子價格上限時, 設定一種原料的最大的添加量, 將
增加飼料成本, 這時就需要考慮放寬限量( 如把家禽副
產物的最大限量由5%提到8%) 。生產廠家應知道影
子價格和限量能影響最終飼料成本。
3.5.6 多重優化程序當今常用的飼料配方軟件能夠
調整配方中各原料的用量, 而使飼料達到最佳。例如,
開口料中需要某種原料的最小量, 而在生長料中需要
調整到最佳水平。
最低要求: 不僅要注意單一日糧中營養成分的限
量, 所有日糧配制均需如此。運用以上原則即可根據影
子價格和最終飼料成本找出最佳限量。
3.6 確定最低成本與最小爭論的配方
理論上, 使用高性能配方軟件的營養師能夠為動
物生命中的每一天或不同的生長階段配制出不同的配
方, 這有利于發揮動物生產性能, 卻不切實際, 因為這
將導致整個飼料廠及飼料傳輸系統的混亂。另外, 全天
生產一種配方的飼料, 每天生產該飼料會使飼料廠生
產效率達到最好, 但該方法也同樣不可行, 因為這樣一
來每種動物及每種動物的每個生理階段均需要一個專
門的飼料廠。
確定某一飼料產品的生產數量及配方改變的頻率
需要營養學、市場、生產、采購及生產人員之間的良好
溝通。以上每一環節的變動均需考慮到其他方面的需
要及要求。配方的變化不僅取決于降低原料的成本, 還
需要仔細考慮原料供應、預測原料的需要量、飼料廠改
變新配方的成本等。
3.7 配方軟件及其設計
當今的計算機性能可靠, 但是計算機本身遠沒有
軟件重要。軟件可提供合理的成本、高生產率及可靠
度。然而, 完美的軟件是不存在的。軟件是由人類發明
出來的, 人類本身并不完美, 因此其設計出來的軟件也
并非十全十美。軟件的少數問題通常意味著設計者致
力于改善產品的新功能, 并走在技術的前沿。
軟件設計師最重要的品質是對不斷變化著的技術
及消費者的需求做出反應的能力。正如前面提及的配
方軟件的發展需要來自不同領域的技術與知識的結
合。所有的軟件設計師都具有寫程序的能力, 然而, 不
是所有的配方軟件公司都有能力發展和維持線形規劃
這一數學運算。雖然這一技術為最小的生產型配方服
務, 但其對增長和更加有效的運用具有非常有限的適
應性。隨著對飼料配方認識到的功能改進和額外功能
的提出, 他們有能力做出反應, 而不依賴于外部的資源
研發和幫助。