پیش‌بینی ارزش غذایی جیره‌های روزانه گاوهای شیرده

در تولید فشرده‌ی فرآورده‌های لبنی، هزینه‌های خوراک تا ۶۰% کل هزینه‌ی تولید شیر را تشکیل می‌دهند. بهبود پیوسته‌ی بازدهی مساله‌ای حیاتی در موفقیت شرکت‌های تولید محصولات لبنی است. بنابراین آنالیزهای سریع و قابل اطمینان از خوراک دام برای انجام یک ارزیابیِ دقیق از در دسترس بودن انرژی و عناصر غذایی در خوراک‌ دام الزام آور است.
نسبت‌های ترکیبی کل (TMR) روش معمول خوراک دادن به دام‌ها هستند. عناصر خوراک دام به طور معمول به صورت انفرادی آزمایش می‌شوند. ارزش‌های انرژی TMR حاصل با این فرض محاسبه می‌شوند که ارزش‌های حاصل از تک تک عناصر می‌تواند به صورت خطی افزوده شود.
اما این روش، تعامل گوارشی ممکن که از آن‌ها با عنوان آثار مشارکتی یاد می‌شود را نادیده می‌گیرد که می‌تواند میان عناصر به صورت تک تک و جداگانه رخ داده و اینکه می‌تواند به شکلی منفی یا مثبت بر محصول به دست آمده از تخمیر و بنابراین بر عملکرد دام اثرگذار باشد. در نتیجه نرخ بهره‌وری میکروبی (Microbial efficiency) و میزان تخمیر می‌تواند منجر به دست‌کم گرفتن و یا حتی اختلال در عملکرد شکمبه به دلیل میزان بالای تخمیر گردد.

جلوگیری از هدررفت انرژی

یکی دیگر از ضعف‌های شیوه‌های گوارش‌پذیری سنتی، این واقعیت است که این شیوه‌ها بر اندازه‌گیری‌های نهایی تمرکز کرده و اطلاعات کافی درباره‌ی میزان گوارش به دست نمی‌دهند. این اطلاعات هنگام ارزیابی میزان عناصر تغذیه‌ای در دسترس دام از اهمیت زیادی برخوردارند.
مقدار انرژی فراهم شده از شکسته شدن سریع یا کند کربوهیدرات‌ها بستگی به ترکیب جیره دارد. برای نمونه، خوراک‌های سیلو شده یا انبار شده حاوی اسیدهای ارگانیک بیشتری هستند؛ دانه‌های غلات حاوی نشاسته‌اند؛ تفاله‌ی چغندر، تفاله‌ی مرکبات، پوسته‌ی سویا و یونجه حاوی مقادیر چشمگیری پکتین هستند. یونجه، ملاس ها، تفاله چغندر حاوی مقادیر زیاد شکر هستند. نوع ماده‌ی مغذی در دسترس میکروب‌های شکمبه بر میزان تخریب اندازه‌ی آن‌ها تاثیرگذار بوده و بنابراین می‌تواند بر میزان رشد میکروب‌های شکمبه اثرگذار باشد.
هدف به حداکثر رساندن تولید زی توده‌ی میکروبی و VFA و به حداقل رساندن گازهای تخمیری (دی‌اکسید کربن و متان) است که باعث کاهش انرژی و از دست دادن انرژی در بدن دام می‌شوند. در بسیاری از موقعیت‌ها، مواد نامتوازن را می‌توان با تنظیم نسبت‌های مخلوط کردن تک تک خوراک‌ها تصحیح کرد. در مواقع دیگر، استفاده از خوراک‌های دیگر شاید نیازمند به دست آوردن تخمیر موثر باشد.
هنگامی که راه‌حل‌های بازفرمولی شده و به خوبی تنظیم شده جوابگو نیستند، استفاده از تکنولوژی‌های آنزیم‌های برون‌ریز و کشت مخمرهایی که فیبرها و شکستن نشاسته را هدف قرار می‌دهند، از دیگر گزینه‌های کمک به بهبود ارزش تغذیه‌ای جیره‌های غذایی است.

مدل تخمیر در شرایط آزمایشگاهی

برای ارزیابی دقیق موجود بودن انرژی و مواد غذایی در خوراک، یک مدل تخمیر در شرایط آزمایشگاهی (IFM) ایجاد می‌گردد. این مدل بر اساس استفاده از یک روش شبیه‌سازی جامع شکمبه‌ای برای تعیین کمیت فرآیند تخمیر میکروبی از لحاظ گوارش‌پذیری، زی توده‌ی میکروبی، منبع مهم پروتئین قابل هضم برای گاوهای شیری و اسیدهای چرب فرار (vfa) منبعی مهم از انرژی قابل متابولیسم  برای گاوها بنا شده است.
برای هر نمونه خوراک دام بیش از ۲۰ پارامتر نشان دهنده‌ی تخمیر شکمبه‌ای ایجاد شده است همراه با شناسنامه‌ی عناصر غذایی بر اساس شیمی تر (wet chemistry). در تخمیر در شرایط آزمایشگاهی گازهای تولید شده از تخمیر خوراک دام به عنوان واسطه‌ی گوارش ماده‌ی ارگانیک به کار گرفته می‌شود. منحنی گاز با مدل‌های ریاضیاتی ویژه‌ای مطابقت داشته می‌شود تا برای توصیف تعادل و توازن کسرهای کربوهیدراته‌ی مختلف توضیح داده شوند.
دو مخزن عمده استخراج می‌شود: یک مخزن سریع (Fast pool) که نشان دهنده‌ی کربوهیدرات‌هایی است که به سرعت تخمیر می‌شوند و یک مخزن تولید آهسته یا کند گاز (slow pool) که مربوط است به فیبرهای موجود غیرقابل حل یا کربوهیدرات‌هایی که به آهستگی و کندی تخمیر می‌شوند.

اجرای بهبودهای بالقوه

ارزیابی مدل تخمیر در شرایط آزمایشگاهی در شناسایی نمونه‌هایی با نمایه‌های شدید تخمیری (مقادیرخارج از محدوده‌های طبیعی) که بیشترین احتمال ایجاد چالش‌های تولیدی دارند موثر است. بسته به محدودیت‌های جیره‌ای و خواست کارشناس تغذیه برای توصیه‌هایی درباره‌ی اجرای مدل تخمیر در شرایط آزمایشگاهی، بهبود بالقوه در شیر به ازاء هر گاو در هر روز می‌تواند دامنه‌ای از مقداری کم به میزان ۰.۵ کیلوگرم برای جیره‌های کوچک؛ تا مقدارهایی به بزرگی ۵ کیلوگرم برای جیره‌های بزرگ با تغییرات اساسی از جمله استفاده از منابع علوفه‌ای دیگربه خوبی تنظیم شده داشته باشد.
برای مثال، گاوی شیری که مشکلی مانند کم شیر بودن داشته و آزمایش‌های چربی کره اخیرا نمونه‌هایی به آزمایشگاه مدل سازی تخمیر آزمایشگاهی فرستاده است. آنالیزهای مدل تخمیر در شرایط آزمایشگاهی نشان داده که در نتیجه‌ی خوراندن نشاسته‌های با قدرت تخمیر بسیار بالا و ذرت سیلوشده ی رسیده، گاز زیاد تولید شده و میزان تخمیر بسیار سریع بوده است. جایگزین کردن این ذرت فرآوری شده با ذرت خشک و قسمتی هم استفاده از ذرت سیلو شده با یونجه‌ی خشک میزان تعادل تخمیر را بهبود بخشیده و فیبرهای موثرتری در دسترس دام قرار داده که برای نشخوار مناسب‌تر در گاوها ضروری است. این تغییرات منجر به ایجاد بهبود چربی شیر تا میزان ۰.۳ درصد و محصول شیر تا حدود یک کیلوگرم در مدت ۲ هفته پس از اجرای تغییرات شده است.

اهمیت پارامترهای کلیدی تخمیر

در آزمایشگاهی در Brookings در داکوتای جنوبی ایالات متحده از سال ۲۰۱۳ که آغاز به کار کرده، بیش از ۱۶۰۰ نمونه خوراک آنالیز شده‌اند.  در این آزمایشگاه ۱۱۰ نمونه گرفته شده از اروپای غربی عمدتا از بریتانیا آنالیز شده است. در این آنالیز عملکرد دامی و مشخصات تخمیر جیره‌های خورانده شده به گاوها، اهمیت پارامترهای کلیدی تخمیر همچون اندازه‌ی تولید گاز مخزن سریع، میزان گوارش مخزن کند (مثلا فیبر) و نشاسته، گوارش پذیری ماده ی خشک واقعی (TDMD) (یا تولید کل گاز)، VFA و زی توده‌ی میکروبی – با در نظر گرفتن اثرگذاری مثبت بر روی تولید بالقوه‌ی شیر بررسی شده است.
افزون بر آن، ۵۰ تا ۷۰% نمونه‌های آنالیز شده دارای پارامترهای فوق الذکر زیر مقادیر میانگین برای بهترین ۹۰% از گله‌های تولیدکننده بوده‌اند. به طور مشابه، بیش از ۲۰% از این نمونه‌ها دارای یک انحراف از معیار زیر این مقدارهای کلیدی داشته و به این مساله اشاره می‌کند که خوراک‌ها دارای کیفیت‌هایی پایین بوده‌اند. این مقایسه‌ها نشان می‌دهند که یک پتانسیل چشمگیر بالقوه برای تغییر ساختار خوراک دام و ارتقای آن برای تخمیر موثرتر در شکمبه و محصول‌دهی بهتر شیر و بازدهی بهتر خوراک دام وجود دارد.

تفاوت‌های میان اروپا و آمریکا

مقایسه‌ی میان منابع عناصر تغذیه‌ای و تخمیر بین خوراک‌های اروپایی و خوراک‌های آمریکای شمالی  تفاوت‌هایی کلیدی را آشکار می‌کند که بازتاب‌دهنده‌ی گوناگونی‌ها درسیستم‌های خوراک‌دهی، مواد غذایی موجود و کیفیت تغذیه‌ای آن‌هاست. نمونه‌های نسبت‌های ترکیبی کل (TMR) از اروپا حاوی ۱۹% فیبر بیشتر (NDF) و ۱۵% نشاسته‌ی کمتر است.
به طور میانگین، ارزش انرژی برآوردشده (گوارش‌پذیری در شرایط آزمایشگاهی، تولید خالص VFA) نسبت‌های ترکیبی کل اروپا به میزان ۹ درصد کمتر از نسبت‌های ترکیبی کل آمریکای شمالی بوده است. این تفاوت می‌تواند به دلیل میزان آهسته‌ترِ گوارش فیبر (۹% کمتر) افزایش بیشتری یابد. هضم آهسته‌تر فیبر بر مصرف خوراک و عملکرد دام اثرگذار بوده و نشان دهنده‌ی کیفیت پایین‌تر علوفه است.
هنگامی که با یک عملکرد «ایده آل» تخمیر عملکرد بالا (بیشتر از ۴۵ کیلوگرم شیر در روز) مقایسه شود این نمونه‌ها حتی محدودکننده‌تر نیز می‌شوند و ارزش انرژی به میزان ۱۲ تا ۱۵ درصد کمتر دارند. تحت این شرایط، پتانسیل تولید بیشتر شیر توسط مصرف علوفه‌ی بیشتر و کیفیت متغیر علوفه‌ها محدود‌تر می‌شود. منابع فیبرهای غلات و فیبرهای غیرعلوفه‌ای که غنی از فیبر حلال بوده و می‌توانند به سرعت هضم شوند، یکی از گزینه‌های کمک به بهبود عملکرد شیردهی می‌باشند.
استفاده از مکمل‌های خوراک دام که تخمیر بهتر در شکمبه را ارتقا می‌دهند و بهره‌وری فیبر یکی دیگر از ابزارهای به دست آوردن بازده‌ی بهتر شیرسازی هستند. هنگامی که تغییرات برای تخمیر بهینه‌ی شکمبه اجرا شوند، مهم است اطمینان حاصل کنیم که یک جیره‌ی متعادل که باعث سلامت بیشتر شکمبه می‌شود به گاوها خورانده شود.

پیش بینی گسیل متان

یکی از کاربردهای عملی دیگر ابزار مدل تخمیر در شرایط آزمایشگاهی، توانایی برآورد دقیق‌تر گسیل متان روده است مثلا متانی که در طی تخمیر خوراک در شکمبه تولید می‌شود. در این عمل، بهبود تا ۴۵-۵۵ % مقادیر برآورده شده را می‌توان در مقایسه با روش‌های موجود به دست آورد. دانستن این موضوع اهمیت زیادی دارد که شکمبه می‌تواند تا ۴۵% کل جای پای کربن به شمار رود و نیز دانستن این نکته که محاسبه‌ی غیردقیق مشارکت شکمبه می‌تواند منجر به بروز خطاهایی تا ۲۵% در هنگام محاسبه‌ی کل جای پای کربن مزرعه گردد.
در سال ۲۰۱۳، سازمان Carbon Trust که کارش اندازه‌گیری و صدور گواهی جای پای کربن زیست محیطی سازمان‌ها، زنجیره‌های عرضه و محصولات است تایید کرده که مدل تخمیر در شرایط آزمایشگاهی یک ابزار موثر برای آورد گسیل متان روده مخصوص گاوداری‌ها از خوراک‌های مخصوص است.
به طور خلاصه، بازده‌ی تخمیر شکمبه یک فرآیند پیچیده است که در ابتدا به موجود بودن بستر و بازده‌ی رشد میکروبی بستگی دارد. بنابراین یک ارزیابی همزمان از همه‌ی پارامترهای گوارشی (چنان که با مدل تخمیر در شرایط آزمایشگاهی انجام می‌گیرد) به جای استفاده از یک متریک واحد ، نتیجه‌گیری و تنظیم بالقوه به یک رژیم غذایی مورد احتیاج است.