CC BY
10
УДК 631.363:636.087.7
DOI: 10.24411/1999-6837-2018-11014
ГРНТИ 68.85.39, 68.39.15
Шишкин В.В., канд. с.-х. наук, заместитель директора; Михалёв В.В., канд. с.-х. наук, ст. науч. сотр. отдела механизации животноводства и кормопроизводства; Шишкина Г.Ю., науч.сотр. лаборатории биотехнологий,
Дальневосточный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства, г. Благовещенск, Амурская область, Россия, E-mail: [email protected]
ВЛИЯНИЕ ЗНАЧИМЫХ ФАКТОРОВ НА КРИТЕРИИ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА СОЕВО-КУКУРУЗНОГО КОРМОВОГО КОНЦЕНТРАТА
Смешивание экструдируемого соевого зерна с зерном кукурузы, при соблюдении определенных конструктивно-режимных параметров и в оптимальных пропорциях, обеспечивает создание энергонасыщенных кормовых концентратов для разных видов и половозрастных групп животных. Разработка на основе экспериментальных данных математических моделей,отражающих закономерности влияния параметров независимых переменных факторов на результирующие критерии процесса производства указанного корма, представляет новизну и является актуальной задачей для кормопроизводства Приамурья.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: СОЯ, КУКУРУЗА, ЗЕРНОСМЕСЬ, ЭКСТРУДАТ, КОНЦЕНТРАТ, ЭКСПЕРИМЕНТ, ФАКТОР, МОДЕЛЬ, ОПТИМИЗАЦИЯ, ПРИАМУРЬЕ.
Shishkin V.V., Cand. Agr. Sci., Assistant Director;
Mikhalev V.V., Cand. Agr. Sci., Senior Researcher;
Shishkina G.Yu., Research Worker of biotechnology laboratory,
Far East Research lnstitute of Mechanization and Electrification of Agriculture,
Blagoveshchensk, Amur region, Russia,
E-mail:
INFLUENCE OF MAIN FACTORS ON THE CRITERIA OF OPTIMIZATION OF PROCESS OF PRODUCTION OF SOYA-MAIZE FEED CONCENTRATE
Mixing of extruded soy-bean with maize grain, at the observance of certain conditions and parameters in optimal proportions, provides production of the energy saturated forage concentrates for different kinds and age-related groups of animals. Development of mathematical models on the basis of experimental data, reflecting regularity of influence of parameters of independent variable factors on the resulting criteria of process of production of the above-mentioned feed, presents a novelty and is an actual task for feed production in Priamurye.
KEYWORDS: SOYA, MAIZE, GRAIN MIXTURE, EXTRUDED ARTICLE, CONCENTRATE, EXPERIMENT, FACTOR, MODEL, OPTIMIZATION, PRIAMURYE.
© Шишкин В.В., Михалёв В.В., Шишкина Г.Ю., 2018
UDC 631.363:636.087.7
DOI: 10.24411/1999-6837-2018-11014
Актуальность темы: Большую роль в развитии животноводства играет полноценное кормление в соответствии с современным нормированием [3]. Истинная питательность кормов - показатель, который складывается из потребления, переваримости и эффективности их использования. Эти слагаемые, при наличии негативных факторов, могут существенно изменяться по причине ухудшения вкусовых качеств корма и наличия антипитательных веществ [8].
Соя - самая ценная бобовая культура, её зерно богато белком, витаминами и энергией, содержит 32 - 45% протеина, до 20% жира, но сравнительно мало углеводов. Наличие антипитательных веществ, которые сильно снижают биологическую доступность протеина, вынуждает обрабатывать сою перед скармливанием [2,5].
В нашей стране соя и продукты ее переработки пока не нашли широкого применения в кормлении животных по причине отсутствия специальной техники и технологий, а также научно обоснованных данных для их проектирования и конструирования
[4].
В хозяйствах Приамурья, являющегося основным производителем соевого зерна в России, становится актуальным повышение эффективности его использования в животноводстве, получение на его основе новых белковых кормовых добавок, обогащенных с учетом дефицитности кормовой базы по основным элементам питания.
Кукуруза, как источник энергии (70% углеводов), превосходит все зерновые корма злаковых, но отличается наименьшим содержанием сырого протеина (до 10%). Как и все злаковые зерновые корма, она содержит довольно большое количество витаминов группы В и особенно много - витамина Е (135 мг/кг). Сравнительно низкая растворимость протеина (25—30%) делает её ценным компонентом комбикормов для жвачных животных. Для повышения эффективности использования питательных веществ различных кормов необходимо их смешивать в оптимальном сочетании, обеспечивающем потребность животного не только в энергии, протеине, но и в других
элементах [6,8]. При этом все виды питательности смеси превысят простую сумму таковых в её компонентах из-за улучшения условий использования питательных веществ.
В связи с тем, что урожайность кукурузы в Амурской области в 5 и более раз превышает аналогичный показатель сои, себестоимость первой в 2 раза ниже, несмотря на значительные затраты (завозные семена, поздняя уборка, сушка и др.). На основе информации о химическом составе, экономической эффективности и динамике объемов производства возникла необходимость проверки гипотезы, что кукуруза будет идеальным углеводным обогатителем зерна сои в результате их совместного экструдирова-ния.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является определение оптимальных конструктивно-технологических параметров процесса производства высокоэнергетического, минерально -обогащенного соево-кукурузного кормового концентрата и разработка математической модели влияния факторов на критерии оптимизации. Задачи исследований: провести обзор информации и патентный поиск по данной теме, разработать план проведения многофакторного эксперимента, разработать техническое задание и конструкторскую документацию для изготовления деталей экстру-дера с новыми параметрами, провести эксперимент с получением образцов кормового концентрата для проведения химического анализа, исследовать полученные образцы на содержание протеина и сахара, обработать результаты эксперимента для создания математической модели оптимизации процесса.
Материалы и методы исследований:
Основным фактором, оказывающим влияние на питательность кормов, является их химический состав, зависящий от зональных почвенно-климатических условий региона. В связи с этим необходимо разрабатывать и научно обосновывать рецепты кормовых добавок, комбикормов и премиксов, с учетом биогеохимических условий, вида животных, их возраста, физиологического
состояния, количества и качества получаемой от них продукции и экономических показателей [7].
Использование сои в рационе животных предполагает эффективное разрушение антипитательных веществ и повышение усвояемости его преимущественной составляющей — протеина, который на 80-90% состоит из легкорастворимых и расщепляемых фракций (при оптимальном содержании 40-50%).
Основная роль в улучшении использования питательных веществ кормов принадлежит углеводам, их фракции являются основным поставщиком энергии и оказывают значительное влияние на пищеварение и усвоение веществ организмом. При барометрической обработке зерна значительно улучшается его кормовая ценность, количество крахмала при этом уменьшается, а декстринов и сахара увеличивается.
Для получения исходных данных выполнен обзор информации, проведён регла-ментационный поиск по следующим направлениям: комплексная оценка питательности кормов и рационов, зерновые корма, технология получения комбикормов и премиксов, оборудование для производства комбикормов и премиксов. Результаты патентных исследований подтвердили отсутствие информации об опыте экструдиро-вания соево-кукурузной смеси, оптималь-
Факторы, влияющие на качество
ных конструктивно-технологических параметрах изучаемого процесса и химическом составе полученного продукта.
Для анализа влияния отдельных факторов на критерии оптимизации было решено построить две математические модели исследуемого процесса. В целях реализации всех возможных комбинаций факторов был выполнен многофакторный эксперимент 231 (полуреплика) [1].
Сущность эксперимента заключается в том, что он позволяет обобщить материалы исследований в виде математической модели и дать им статистическую оценку при значительном сокращении числа опытов по сравнению с однофакторным экспериментом, а также позволяет оценить роль отдельных факторов (независимых переменных) в формировании уровня результативной переменной и в степени её изменения выявить наиболее важные и существенные факторы.
Экструдирование зерновой смеси проводилось в лаборатории отдела механизации и электрификации животноводства и кормопроизводства ФГБНУ Даль-НИИМЭСХ с использованием лабораторного пресс-экструдера XP-3. Химический анализ полученных образцов экструдата выполнен в лаборатории ФГБУ «Станция агрохимической службы «Амурская».
На основании результатов анализа априорной информации ранжированием были выбраны параметры наиболее значимых факторов (табл. 1).
Таблица1
и производительность пресс-экструдера
Факторы Обозначение Размерность Уровень варьирования
-1 0 +1
Доля кукурузы в смеси, Бк XI % 25 50 75
Шаг витка шнека, 5ш Х2 мм 12 14 16
Частота вращения шнека, х3 об/мин. 52,0 57,4 62,8
Для оценки исследуемого объекта выбрано два критерия оптимизации: У1 - са-харо-протеиновое соотношение экструдата (С:П,%), У2 - производительность экстру-дера (Рэ, г/мин.)
В целях оптимизации долевого соотношения компонентов соево - кукурузной
зерносмеси для получения наиболее эффективного сочетания их основных питательных достоинств- максимального содержания в химическом составе протеина (зерно сои - 37,5%) и углеводов (зерно кукурузы -70%), исследовано влияние ввода в смесь зерна кукурузы в двух соотношениях - 25%
и 75% при двух изменениях других переменных факторов - частота вращения шнека пресса (62,8 и 52 об. мин.), а также шаг витка шнека (12 и 16 мм) на содержание в химическом составе указанных питательных веществ.
Определение содержания азота в пробах экструдата с последующим пересчетом результатов на сырой протеин проводилось титриметрическим методом (по Кьельдалю)
Результаты химических
ГОСТ 13496.4-93, сахара - методом определения растворимых углеводов по Бертрану (контрольный метод) ГОСТ 26176-91. Результаты представлены в (табл.2).
Производительность пресс-экструдера (параметр оптимизации у2) во всех 8-ми по-вторностях опытов определялась массой экструдата, полученного в единицу времени (г/мин).
Результаты исследований и их обсуждение.
Таблица 2 й экструдата зерновой смеси (%)
№ опыта-образца Сахар Протеин С:П Крахмал № опыта-образца Сахар Протеин С:П Крахмал
1-1 10,67 32,05 33,29 17,60 3-1 9,85 32,15 30,64 12,54
1-2 11,02 32,49 33,92 13,72 3-2 9,57 32,92 29,07 13,62
2-1 12,59 16,58 75,93 24,44 4-1 11,94 16,07 74,30 23,56
2-2 12,21 16,26 75,09 25,61 4-2 12,94 15,86 81,59 23,95
После обработки экспериментальных данных и исключения статистически незначимых коэффициентов уравнения регрессии - математические модели исследуемых процессов имеют вид:
3/1=54,2+22,5/1 5) 2=29,0+6,6/1+5,0/2+1,1/з Расчетное сахаро-протеиновое соотношение в неэкструдированных соево-ку-курузных зерновых смесях варьирует в пределах 12,5 - 30,0%. А фактическое соотношение в экструдатах смесей (соя 75% + кукуруза 25%) - 31,7% и (соя 25% + кукуруза 75%) - 76,7%).Содержание сахара в экстру-дате увеличивается в 3-4 раза вследствие преобразования других углеводов под воздействием температуры и давления (декс-тринизация крахмала, деструкция целлю-лозно-лигниновых образований). Но замещение сои равной массой кукурузы обеспечивает содержание сахара в эксрудате зер-носмеси не более 13%, что даже при максимальном содержании протеина 32,92% (75% сои) создает в экструдате соотношение сахар: протеин 39%. Основной рост соотношения обеспечивается не за счёт увеличения доли сахара, а значительным сокращением протеина в экструдате зерносмеси, в результате замещения сои кукурузой.
В целях сохранения максимальной концентрации протеина при производстве высокоэнергетического соево-кукурузного кормового концентрата замена сои кукурузой не должна превышать 10%. Построение с использованием формулы перехода (1) уравнения регрессии для натуральных значений факторов (2) позволяет получить значение параметра оптимизации у1 для заданных условий [1]:
, (1)
где: Ху - кодированное значение фактора, /у - интервал варьирования,
Ху - натуральное значение фактора, 7 - номер фактора.
Ху0 - натуральное значение основного уровня,
10-50 12-14 . Л
*1=^- = -1,б; *2=—г- = -1,0;
25
*3
52-57,4 5,74
= -1,0
у1 = 54,2 + 22,5 • (-1,6) =
= 54,2 - 36,0 = 18,2 (2) При максимальной концентрации протеина в экструдате соево-кукурузной смеси (90 : 10) сахаро-протеиновое соотношение получается ~ 18%, при расчетном -13% в аналогичной смеси неэкструдированного
зерна. Полученная математическая модель позволяет рассчитать значения параметра оптимизации сахаро-протеинового соотношения получаемого экструдата для соево-кукурузных зерносмесей любых пропорций.
В соответствии с представленной методикой построения уравнения для натуральных значений факторов получено значение параметра оптимизации производительности экструдера у2 (модель 2).
Производительность при экструдиро-ваннии сои без кукурузы:
у2 = 29,0 + 6,6 • (-2,0) + 5,0 • 1,0 + 1,1 • 1,0 = 29,0 - 13,2 + 5,0 + 1,1 = 21,9 (3) При экструдированнии соево-кукуруз-ной зерносмеси (90+10) производительность экструдера увеличивается на 11,9%:
у2 = 29,0 + 6,6 • (-1,6) + 0,5 • 1,0 + 1,1 • 1,0 = 29,0 - 10,6 + 5,0 + 1,1 = 24,5 (4) Совместно с увеличением на 5% са-харо-протеинового соотношения и почти на 12% производительности оборудования при экструдировании, за счет введения в зернос-месь 10% зерна кукурузы, в получаемом экс-трудате в 5 раз возрастает содержание крахмала (более 6,5%, вместо 1,2% в зерне чистой сои), что значительно увеличивает уг-
леводную питательность кормового концентрата, в дополнение к повышению качества протеина за счет низкорастворимого белка кукурузы.
Замещение 10% сои кукурузой в экс-трудате зерносмеси, по расчётам, снизит лишь на 0,19 МДж обменной энергии 1 кг корма, что уменьшит энергетическую питательность сои на 1,3% - практически сохранив без существенных изменений.
Заключение. Использование математических моделей описания закономерностей влияния независимых переменных факторов лабораторного шнекового пресс-экс-трудера ХР-3, совместно с долей компонентов экструдируемой зерносмеси, на выбранные зависимые переменные: сахаро-протеи-новое соотношение экструдата (у1) и производительность пресс-экструдера (у2) при получении минерально-обогащенного высокоэнергетического кормового концентрата, созданных в результате полного факторного эксперимента, позволяет с применением натуральных значений факторов получать искомые критерии оптимизации для задаваемых условий - любых пропорций со-ево-кукурузной зерносмеси и конструктивно-технических параметров оборудования.
Список литературы
1. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. - М.: Наука, 1976. - С. 72-193.
2. Бабич, А.А. Соя - культура XXI века / А.А. Бабич // Вестник с.х. науки. - 1991. - №7 - С. 21-37.
3. Бенкена, И.И., Томилина Т.Б. Антипитательные вещества белковой природы в семенах сои // НТБ ВИР. - 1985. - Вып. 149. - С. 3-10.
4. Воякин, С.Н. Рекомендации по повышению эффективности приготовления кормовой добавки на основе соевого компонента / С.Н, Воякин, С.М. Доценко, А.Н. Вишневский. - Благовещенск: Изд-во ДальГАУ, 2014. - 62 с.
5. Катаев, А.С. Совершенствование процесса приготовления ЗЦМ и обоснование технологических и конструктивных параметров малогабаритного агрегата: автореф. дис. канд. техн. наук / А.С. Катаев. - С.-Петербург, 1999. - 16 с.
6. Нормы и рационы кормления с.-х. животных в условиях интенсивных технологий производства продуктов животноводства / Т.А. Краснощекова [и др.], - Благовещенск: ДальГАУ, 2011. - 188 с.
7. Макарцев, Н.Г. Кормление сельскохозяйственных животных: учебник для вузов. - 2-е изд., пе-рераб. и доп. - Калуга: Издательство научной литературы, 2007. - 608 с.
8. Фурцев, С.Г. Установка для приготовления соевого молока в хозяйстве / С.Г. Фурцев, Т.А. Сая-пина // Тр. ДальНИПТИМЭСХа. - Новосибирск, 1991. - С. 36-37.
Reference
1. Adler, Yu. P., Markova,, E.V., Granovskii, Yu.V. Planirovanie eksperimenta pri poiske optimal'nykh uslovii (Planning of Experiment When Searching Optimal Conditions), M., Nauka, 1976, PP. 72-193.
2. Babich, A.A. Soya - kul'tura XXI veka (Soya - Crop ofthe XXI Century), Vestniks.kh. nauki, 1991, No 7, PP. 21-37.
3. Benkena, I.I., Tomilina T.B. Antipitatel'nye veshchestva belkovoi prirody v semenakh soi (Anti-Nourishing Substances of Protein Nature in Soya Seeds), NTB VIR, 1985, Vyp. 149, PP. 3-10.
4. Voyakin, S.N., Dotsenko, S.M., Vishnevskii, A.N. Rekomendatsii po povysheniyu effektivnosti prigotovleniya kormovoi dobavki na osnove soevogo komponenta (Recommendations on Enhancement of Efficiency of Feed Additives Preparation on the Basis of Soya Component), Blagoveshchensk, Izd-vo Dal'GAU, 2014, 62 p.
5. Kataev, A.S. Sovershenstvovanie protsessa prigotovleniya ZTsM i obosnovanie tekhnologicheskikh i konstruktivnykh parametrov malogabaritnogo agregata (Improvement of the Process of Whole Milk Substitute Preparation and Substantiation of Technological and Design Characteristics of Small-Size Unit), avtoref. dis. kand. tekhn. nauk A.S. Kataev, S.-Peterburg, 1999, 16 p.
6. Normy i ratsiony kormleniya s.-kh. zhivotnykh v usloviyakh intensivnykh tekhnologii proizvodstva produktov zhivotnovodstva (Norms and Rations of Feeding Farm Animals in Conditions of Intensive Technologies of Livestock Products Production), T.A. Krasnoshchekova [i dr.], Blagoveshchensk, Dal'GAU, 2011, 188 p.
7. Makartsev, N.G. Kormlenie sel'skokhozyaistvennykh zhivotnykh: uchebnik dlya vuzov (Feeding of Farm Animals: Text-Book for Institutes of Higher Education), 2-e izd., pererab. i dop., Kaluga, Izdatel'stvo nauchnoi literatury, 2007, 608 p.
8. Furtsev, S.G., Sayapina, T.A. Ustanovka dlya prigotovleniya soevogo moloka v khozyaistve (Soya-Based Milk Producing Unit), tr. Dal'NIPTIMESKha, Novosibirsk, 1991, PP. 36-37.
