《Journal of Dairy Science》：Milking-time test indicators reveal links between vacuum dynamics, milk-flow patterns, and milk-quality traits in commercial Holstein herds
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挤奶真空的变化会影响奶牛乳头组织的机械应力，进而影响乳房健康和牛奶质量。该研究在商业荷斯坦牛群中评估了关键挤奶时间测试指标及其与产奶量、乳成分和体细胞评分（SCS）的同期关联。数据包含来自214个意大利牛群的3,739头奶牛的4,246条测试日记录，这些牛群均
挤奶真空的变化会影响奶牛乳头组织的机械应力，进而影响乳房健康和牛奶质量。该研究在商业荷斯坦牛群中评估了关键挤奶时间测试指标及其与产奶量、乳成分和体细胞评分（SCS）的同期关联。数据包含来自214个意大利牛群的3,739头奶牛的4,246条测试日记录，这些牛群均配备传统挤奶厅。研究在短奶管（SMT）和嘴套腔（MPC）连续记录真空值，以表征设备开启时间、 milk let-down（MLD; 即奶流起始）、过度挤奶、正负压周期波动（分别记为CVFmax和CVFmin）。采用随机森林模型识别与SCS变异关联最强的挤奶时间测试指标、牛群及个体特征。将最重要的挤奶时间测试指标纳入重复测量混合模型，以量化其对产奶量和乳成分的影响。类似的混合模型方法用于确定牛群和个体特征如何影响挤奶时间测试指标。结果显示，过度挤奶和挤奶阶段的SMT真空是与SCS变异关联最强的变量。当过度挤奶超过30秒时SCS显著升高，超过60秒时达到峰值（分别为2.60 vs. 2.95）；同时，≥60秒组的乳糖和乳脂含量显著降低（分别为4.78%和3.81%），但单次挤奶量不受过度挤奶影响。SMT真空影响产奶量和乳成分：SCS在37.3–38.0 kPa时最高（3.13），在39.3–39.8 kPa时最低（2.57）；而乳糖在36.7–37.3 kPa时最低（4.76%），在38.7–40.4 kPa时最高。当CVFmin和CVFmax超过约3.50 kPa后，较大的波动与乳脂含量显著降低相关，这可能反映了乳-气流动动力学的改变。大规模牛群（>329头泌乳牛）的设备开启时间（328 vs. 338秒）和过度挤奶时间（47.6 vs. 59.2秒）显著缩短，且奶流量更高（3.07 vs. 2.73 kg/min），这与高遗传价值动物的存在一致，这些动物通常与更大规模养殖场更高的产奶潜力相关。然而，大规模牛群的MLD显著延长（34.9 vs. 24.8秒），这可能反映了高流通量程序中预刺激减少的趋势。高产牛群（>38 kg/天/头）也呈现类似趋势：与低产牛群（<34 kg/天/头）相比，其设备开启时间显著缩短（328 vs. 341秒）、相对过度挤奶比例降低（15.0% vs. 18.2%）、相对MLD延长（9.70% vs. 8.51%），且奶流量更高（3.17 vs. 2.71 kg/min）。最后，随着胎次增加，MPC真空显著下降，从初产牛的21.8 kPa降至≥4胎牛的12.8 kPa，这与乳头孔逐渐扩大的趋势一致。该研究基于田间条件对挤奶时间测试指标进行了表征，并揭示了其与意大利荷斯坦牛群产奶量和乳成分的关联。与过度挤奶和真空动态相关的挤奶时间测试指标与牛奶SCS变异相关。在牛群水平上，挤奶的不同阶段（包括MLD、主挤奶期和过度挤奶）因牛群规模和生产力的不同而存在差异；在个体水平上，胎次主要影响基于真空的参数。总体而言，挤奶时间测试指标捕捉了挤奶条件下的生物学和机械学变异，可用于识别田间条件下的低效挤奶模式。
该论文发表于《Journal of Dairy Science》，致力于解决商业化奶牛场挤奶管理中机械参数与牛奶品质、乳房健康之间的关联这一重要科学问题。
研究背景与问题提出方面，奶牛养殖业正经历深刻的技术变革，挤奶管理日益成为数据驱动的过程。尽管现代挤奶系统通过传感器、记录设备和自动控制算法优化挤奶程序和动物监测，但挤奶机的机械功能与奶牛生理反应之间的相互作用仍然是决定挤奶效率和乳房健康的关键因素。挤奶系统调控着乳汁排出和乳头按摩的交替进行，其参数偏差会显著影响奶流模式和乳头组织完整性。特别是，乳头末端施加的真空度在平衡乳汁移除和组织保护方面起着关键作用：足够的真空度是克服乳头管内阻力、维持稳定奶流的必要条件，但过高或不稳定的真空度会对括约肌及其周围组织施加机械应力。MPC和SMT是描述这些动态的两个关键部位：MPC真空调节内套压缩程度，进而控制开合相的交替；SMT真空则反映瞬时奶流速率和从集乳器到乳头的真空传递一致性。这些动态与由奶流和空气进入交互作用产生的周期真空波动（CVF）密切相关。然而，现有证据多来源于1960–1990年代的研究，当时奶牛生产力、挤奶设备和管理方案与当前实践存在显著差异。当代牛群规模扩大、日产奶量提高，意味着更高的奶流和更短的挤奶间隔，以及更复杂的操作规程。在此条件下，真空动态的偏差可能产生与历史报道不同的效应，而机械指标与乳成分之间的关系也仅得到部分评估。近期高频率真空记录设备（如VaDia）的技术进步使得在挤奶杯组多个位置详细表征真空行为成为可能，从而精确识别设备开启时间、MLD和过度挤奶持续时间等挤奶阶段。与传统的真空表或抽查不同，挤奶时间测试能捕捉瞬态波动和个体间的真实变异性，为理解机械刺激如何转化为生理反应提供了新视角。尽管如此，将挤奶时间测试指标作为与乳成分和乳房健康相关的同期多变量特征进行探索的研究仍然有限。
研究设计与方法方面，研究人员利用意大利国家育种者协会（AIA）在2021年3月至2023年3月期间收集的数据，对214个商业荷斯坦牛群的4,707条测试日记录进行了分析，经数据编辑后保留4,246条记录（来自3,739头奶牛）。挤奶时间测试使用VaDia数字真空记录仪进行，在SMT、MPC和短脉动管4个通道连续记录真空数据。通过主成分分析（PCA）降维和变量分类，将数据集按时间、真空、乳成分、动物和牛群水平进行结构化组织。采用随机森林（RF）分类分析确定与SCS变异关联最强的变量，并使用10折交叉验证（2,000次迭代）评估模型性能。随后，将最重要的变量（过度挤奶持续时间、SMT真空、CVFmax和CVFmin）纳入混合模型，以确定其对产回答内容，包括乳成分和SCS的影响。混合模型中还纳入了泌乳天数（DIM）、胎次、季节等固定效应，以及动物在牛群内嵌套的随机效应。此外，研究还构建了单独模型以考察牛群规模和动物水平因素对挤奶时间测试指标的影响。
研究结果方面，论文从描述性统计、挤奶时间测试指标对产奶量和乳成分的影响，以及牛群和个体因素对挤奶时间测试指标的影响三个层面展开。
描述性统计结果显示，乳成分变异有限，乳糖变异系数最低（CV=3.73%），其次是乳蛋白和乳脂（分别为10.7%和20.2%）。挤奶时间测试指标中，过度挤奶和MLD持续时间的变异最大（CV分别为94.0%和74.2%）。设备开启时间平均为330±109秒，过度挤奶和MLD分别占总设备开启时间的18.4%和10.9%。SMT真空变异最小（CV=5.53%），范围33.0–44.3 kPa；CVFmin平均超过CVFmax（3.11 vs. 2.66 kPa）。机器开启时间与MLD持续时间无显著关联（R2=0.01）。
挤奶时间测试指标对产奶量和乳成分的影响方面，随机森林分析显示，在挤奶时间相关指标中，过度挤奶持续时间的平均基尼指数下降值（MDG=8.78）最高；在真空相关指标中，SMT真空的MDG最高（12.8）。在乳成分类别中，乳糖含量MDG最高（48.3），其次为总日产奶量（22.3）。过度挤奶对乳成分影响显著：与≤30秒组相比，30–60秒和≥60秒组的SCS显著升高（分别为2.80和2.95 vs. 2.60），乳糖含量显著降低（4.77%和4.78% vs. 4.84%），乳脂含量从4.03%降至3.81%；但单次挤奶量和乳蛋白含量无显著差异。SMT真空对牛奶性状呈现非线性影响：SCS在37.4–38.0 kPa时最高（3.13），在39.3–39.8 kPa时最低（2 rim 2.42）；乳糖在36.7–37.3 kPa时最低（4.79%），在38.7–40.4 kPa时最高（4.82%）。CVFmax和CVFmin超过约3.50 kPa后，乳脂含量显著降低，CVFmax>3.50 kPa时乳脂为3.81%–3.91%，而<2.01 kPa时达4.02%；CVFmin>4.22 kPa时乳脂最低（3.85%），1.81–3.00 kPa时最高。
牛群和个体因素对挤奶时间测试指标的影响方面，牛群规模显著影响多个指标。大规模牛群（>329头）的设备开启时间（328秒）显著短于小规模（≤175头；338秒）和中规模（176–329头；341秒）牛群，有效挤奶时间比例也较低（66.4% vs. 69.1%和69.7%）。但大规模牛群的MLD持续时间和比例显著更高（34.9秒和11.6% vs. 24.8秒和7.80%、7.66%）。过度挤奶持续时间和比例在大、中规模牛群中显著降低（47.6秒和49.0秒；15.4% vs. 59.2秒和19.0%）。奶流量随牛群规模增大而增加，大规模牛群达3.07 kg/min。CVFmax、CVFmin、MPC真空和SMT真空不受牛群规模影响。牛群生产力水平同样产生影响：高产牛群（>38 kg/天/头）的设备开启时间（328秒）显著短于低产牛群（≤34 kg/天/头；341秒），过度挤奶绝对值（46.0 vs. 58.0秒）和相对比例（15.0% vs. 18.2%）均降低，而MLD绝对值（29.8 vs. 27.4秒）和相对比例（9.70% vs. 8.51%）升高，奶流量从2.71增至3.17 kg/min。胎次主要影响真空模式：MPC和SMT真空随胎次增加而降低，初产牛分别为21.8 kPa和38.6 kPa，降至≥4胎牛的12.8 kPa和38.3 kPa；CVFmax和CVFmin在第二、三胎次最高。但奶流量、设备开启时间、过度挤奶和MLD等指标不受胎次显著影响。
讨论部分，研究人员对研究结果进行了深入解读。关于描述性统计，研究确认了商业挤奶厅中挤奶时间指标存在广泛变异性，这反映了管理和设备配置的异质性。与早期意大利Lactocorder数据相比，本研究观察到的更短设备开启时间可能反映了自动脱杯器的改进、挤奶方案依从性的提高 somewhat 提高，以及育种进展带来的生理学变化。MLD和过度挤奶合计占设备开启时间的近三分之一（29.3%），表明相当比例的挤奶发生在次优流率条件下，可能对乳头末端施加额外机械应力。
关于挤奶时间测试指标对牛奶品质和产量的影响，延长过度挤奶与更高SCS和更低乳糖的关联，与SCS和乳糖之间的既定负相关关系一致。这与N?rsteb?等关于过度挤奶与更高SCC关联的发现相符，也支持了Fernandes等关于过度挤奶与短期乳头末端改变比例正相关的研究。值得注意的是，研究未观察到不同过度挤奶组别间单次挤奶量的差异，强化了将过度挤奶限制在≤30秒可改善乳房保护而不损害奶量的观点。SMT真空与SCS的关系呈现复杂性：较高SMT真空与较低SCS相关，这与N?rsteb?等在自动挤奶和挤奶厅系统中的发现一致，反映了良好流率条件下较高真空可能代表高效乳汁输送而非有害超载。CVF与乳脂的负向关联应谨慎解读，因为CVF主要反映挤奶单元内的乳-气流动动力学，而非牛奶脂肪合成的直接决定因素；较高CVF可能指示空气进入增加、真空不稳定或奶流升高，这些条件与脂肪球机械应力和脂解增强相关，但空气相关因素仅能解释游离脂肪酸变异的一小部分。
关于牛群规模和生产力的影响，大规模和高产牛群的更短设备开启时间和减少的过度挤奶，与这些养殖场更倾向于采用自动脱杯器等精准工具、实现更一致的脱杯有关。同时，这些牛群更长的MLD和更低的有效挤奶时间比例，与高吞吐量程序中预刺激减少的趋势一致。更高奶流量既反映了设备性能和管理一致性，也与高产牛群更高的遗传价值相关。
关于胎次影响，MPC和SMT真空随胎次增加而降低，这与老龄奶牛更大的乳池比例、更长乳头等结构变化导致的liner-乳头交互改变、早期流率行为和真空传递变化有关。第二、三胎次CVF最高，可能与乳腺发育中间阶段的乳池容量增加和演变中的乳头形态导致真空传递稳定性降低有关。
研究结论指出，该研究基于VaDia数字设备在商业条件下表征了挤奶时间测试指标，并评估了其与意大利荷斯坦牛群产奶量、乳成分和SCS的关联。过度挤奶持续时间和真空相关指标是与SCS变异相关的关键变量。超过30秒的过度挤奶与更高SCS和更低乳糖相关，超过60秒时最不利。SMT真空与牛奶性状呈非线性关联，中上真空组观察到更低SCS和更高乳糖。CVFmin和CVFmax超过约3.50 kPa后与乳脂降低相关，可能反映乳-气流动动力学改变而非直接因果效应。在牛群水平，大规模和高产牛群表现出更短设备开启时间和减少的过度挤奶，以及更高奶流量，但MLD更长。在个体水平，胎次主要影响真空模式：MPC和SMT真空随胎次增加而降低，≥4胎牛最低。总体而言，挤奶时间测试指标捕捉了与乳成分性状和SCS相关的生物学和机械学相关变异。过度挤奶持续时间和真空稳定性可作为监测低流阶段、识别田间条件下低效挤奶模式的相关描述指标。
