近紅外光譜分析技術(shù)在飼料工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展

近紅外光譜分析技術(shù)（Nearinfraredreflectance spectroscopy，簡稱NIRS）是20 世紀(jì)70 年代興起的一種新的成分分析技術(shù)。該技術(shù)首先由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）的Norris開發(fā)，最早用于谷物中水分、蛋白質(zhì)的測定。20世紀(jì)80年代中后期，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和化學(xué)計量學(xué)研究的深入，加之近紅外光譜儀器制造技術(shù)的日趨完善，促進(jìn)了近紅外光譜分析技術(shù)的極大發(fā)展。由于現(xiàn)代NIRS分析技術(shù)所獨(dú)具的特點(diǎn)，NIRS已成為近年來發(fā)展最快的快速分析測試技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，特別是歐美及日本等發(fā)達(dá)國家，已將許多近紅外光譜法作為標(biāo)準(zhǔn)方法。盡管NIRS技術(shù)在飼料工業(yè)上的應(yīng)用起步較晚，但越來越被人們所重視。

1 近紅外光譜分析技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)

1.1 近紅外光譜法的基本原理

近紅外光譜的波長范圍是780～2500nm，通常分為近紅外短波區(qū)（780～1100nm，又稱Herschel光譜區(qū)）和近紅外長波區(qū)（1 100～2500nm）。近紅外光譜源于有機(jī)物中含氫基團(tuán)，如OH、CH、NH、SH、PH等振動光譜的倍頻及合頻吸收，以漫反射方式獲得在近紅外區(qū)的吸收光譜，通過主成分分析、偏最小二乘法、人工神經(jīng)網(wǎng)等化學(xué)計量學(xué)的手段，建立物質(zhì)光譜與待測成分含量間的線性或非線性模型，從而實現(xiàn)用物質(zhì)近紅外光譜信息對待測成分含量的快速計算。

1.2 近紅外光譜法的特點(diǎn)  

1.2.1近紅外光譜分析的優(yōu)點(diǎn)

近紅外光譜法的優(yōu)點(diǎn)：①簡單，無繁瑣的前處理且不消耗樣品；②快速；③光程的精確度要求不高；④所用光學(xué)材料便宜；⑤近紅外短波區(qū)域的吸光系數(shù)小，穿透性高，可用透射模式直接分析固體樣品；⑥適用于近紅外的光導(dǎo)纖維易得，利用光纖可實現(xiàn)在線分析和遙測；⑦高效，可同時完成多個樣品不同化學(xué)指標(biāo)的檢測；⑧環(huán)保，檢測過程無污染；⑨儀器的構(gòu)造比較簡單，易于維護(hù)；⑩應(yīng)用廣泛，可不斷拓展檢測范圍。

1.2.2近紅外光譜分析的缺點(diǎn)

近紅外也有其固有的缺點(diǎn)：①由于測定的是倍頻及合頻吸收，靈敏度差，一般要求檢測的含量＞1%；②建模難度大，定標(biāo)模型的適用范圍、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性即選擇計量學(xué)方法的合理性，都將直接影響最終的分析結(jié)果。

2 近紅外光譜儀的典型類型及進(jìn)展

NIRS儀器一般由光源、分光系統(tǒng)、樣品池、檢測器和數(shù)據(jù)處理5部分構(gòu)成。根據(jù)分光方式，NIRS儀器可分為：①濾光片型，分為固定濾光片和可調(diào)濾光片兩種，其設(shè)計簡單、成本低、光通量大、信號記錄快、堅固耐用，但只能在單一波長下測定，靈活性差。②掃描型近紅外光譜儀，分光原件可以是棱鏡和光柵，該類儀器可進(jìn)行全譜掃描、分辨率較高、儀器價格適中、便于維護(hù)；缺點(diǎn)是光柵的機(jī)械軸易磨損，抗振性較差，不適合在線分析。③傅里葉變換近紅外光譜儀，是20世紀(jì)80年代以來的主導(dǎo)產(chǎn)品，其掃描速度快、波長精度高、分辨率好，短時間內(nèi)可進(jìn)行多次掃描，信噪比和測定靈敏度較高，可對樣品中的微量成分進(jìn)行分析，但干涉儀中有移動性部件，需較穩(wěn)定的工作環(huán)境，定性和定量分析采用全譜校正技術(shù)。④固定光路多通道檢測近紅外光譜儀，是20世紀(jì)90年代新發(fā)展的一類NIRS儀器，采用全息光柵分光，加之檢測器的通道數(shù)達(dá)1024或2048個，可得很好的分辨率，全譜校正，可進(jìn)行定性和定量分析。儀器光路固定，波長精度高和重現(xiàn)性得到保證，而且無移動部件，其耐久性和可靠性都得到提高，適合現(xiàn)場分析和在線分析。⑤聲光可調(diào)濾光器近紅外光譜，被認(rèn)為是20世紀(jì)90年代NIRS最突出的進(jìn)展，其分光器件為聲光可調(diào)濾光器，根據(jù)各向異性雙折射晶體的聲光衍射原理，采用具有較高的聲光品質(zhì)因素和較低的聲衰減的雙折射晶體制成分光器件，無機(jī)械移動部件，測量速度快、精度高、準(zhǔn)確性好，可以長時間穩(wěn)定的工作，且可以消除光路中各種材料的吸收、反射等干擾。⑥MEMS技術(shù)，隨著近年來MEMS技術(shù)的應(yīng)用，越來越多的近紅外光譜儀向著更小巧更便攜的方面發(fā)展。

3 近紅外光譜分析技術(shù)在飼料檢測中的應(yīng)用

3.1 常規(guī)成分的檢測

NIRS在飼料檢測中，最初多是用于飼草原料和谷物類原料中水分和蛋白質(zhì)含量的檢測，隨后用于油料作物籽實的水分、蛋白質(zhì)等的檢測，都獲得了滿意的結(jié)果。最早由Norris應(yīng)用NIRS測定了飼草原料中的粗蛋白、水分和脂肪含量，其后Shenk等均利用該技術(shù)分析鑒定了飼草原料的品質(zhì)。隨著NIRS技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，Schaalje和Mundel測定了大豆的氮含量；Fontaine等完成了對魚和魚粉中油脂和蛋白質(zhì)含量的檢測；Garcia-CiudadA.等估測了NIRS評價半干旱牧草地飼草的氮含量的相關(guān)性，建立了良好的定標(biāo)模型；ParkR.S.等利用NIRS對未干燥飼草進(jìn)行了各種化學(xué)成分的預(yù)測，也取得了良好的效果。

我國在20世紀(jì)90年初也開展了NIRS測定飼料各種成分定標(biāo)軟件的研制，先后完成了飼料和飼料原料中干物質(zhì)、粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、灰分、氨基酸等指標(biāo)的定標(biāo)檢測。

3.2 氨基酸的檢測

氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單位，也是蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物。缺少某種氨基酸，特別是必需氨基酸，或各種氨基酸配比不當(dāng)，都會影響動物的正常生長發(fā)育。因此，氨基酸的測定在動物飼養(yǎng)、營養(yǎng)生理和蛋白質(zhì)代謝、理想蛋白質(zhì)模型的研究以及生產(chǎn)實踐中都有重要意義。目前，我國科研工作者在這方面作了大量的實驗研究。馮平測定了小麥麩中賴氨酸、精氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、組氨酸的定標(biāo)，相關(guān)系數(shù)在0.84～0.97之間。魏瑞蘭等測定了花生餅粕中的8種氨基酸含量，取得了很好的效果。任繼平等研究表明，利用NIRS技術(shù)測定飼料原料氨基酸含量，具有快速、準(zhǔn)確、成本低的特點(diǎn)。飼料廠可以利用NIRS技術(shù)對主要飼料原料氨基酸含量進(jìn)行在線監(jiān)測，調(diào)整配方和采購策略，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3 可消化氨基酸的測定

NIRS法用于飼料中真可消化氨基酸的研究近幾年國內(nèi)主要是以中國農(nóng)業(yè)大學(xué)丁麗敏等人的科研成果居多，他們進(jìn)行了大量的可消化氨基酸的測定工作。1998年測定了雞飼料中的真可消化氨基酸含量。1999年進(jìn)行了魚粉氨基酸含量的測定，賴氨酸、蛋氨酸、膚氨酸、總的氨基酸的標(biāo)準(zhǔn)差分別為：0.375、0.304、0.074、2.041，相關(guān)系數(shù)分別為：0.939、0.664、0.962、0.975，取得了較滿意結(jié)果。同年，還測定過豆粕、玉米的真可消化氨基酸含量，豆粕中除與胱氨酸有關(guān)的幾個方程外，其它氨基酸的定標(biāo)經(jīng)檢驗證明具有良好的預(yù)測性能，玉米真可消化氨基酸的定標(biāo)性能不如豆粕好，目前還不能進(jìn)行實際的應(yīng)用，但大部分氨基酸定標(biāo)方程的相關(guān)系數(shù)經(jīng)F檢驗達(dá)到極顯著水平，說明用NIRS預(yù)測玉米真可消化氨基酸是可行的。2000年測定了棉籽粕、菜籽粕的真可利用氨基酸含量，結(jié)果表明棉籽粕除胱氨酸和色氨酸，菜籽粕除賴氨酸外，其它氨基酸的變異系數(shù)都在7%以下，經(jīng)檢驗證明其定標(biāo)具有良好的預(yù)測性能。

3.4 有效能的估測

傳統(tǒng)的濕法化學(xué)分析方法在預(yù)測飼草品質(zhì)和其營養(yǎng)價值時，費(fèi)時耗材、花費(fèi)大，而且有時要用到危險性化學(xué)藥品。因此，NIRS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)得到了進(jìn)一步的體現(xiàn)，在預(yù)測干燥樣品的消化性參數(shù)方面?zhèn)涫芮嗖A，隨后也應(yīng)用在未干燥過的飼料樣品，經(jīng)查閱多是國外科學(xué)家的研究報道，國內(nèi)很少有資料報道。ParkR.S.等對未干燥的飼草進(jìn)行了消化性能的檢測。XiccatoG.等用NIRS預(yù)測兔用混合飼料的總能和消化能，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.90，每千克物質(zhì)中預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.26、0.37MJ,干物質(zhì)消化率和總能消化率也得到勉強(qiáng)的檢測結(jié)果。Givens等對青貯玉米飼料的消化能進(jìn)行了檢測。Gordon,F.J.通過NIRS技術(shù)預(yù)測了未干燥的青貯飼草飼料的攝食量和有機(jī)物質(zhì)的消化能含量。

3.5 礦物質(zhì)和維生素的檢測

NIRS技術(shù)是通過分子吸收光譜進(jìn)行檢測的，通過其與有機(jī)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，可以檢測飼草中的礦物質(zhì)含量，但其應(yīng)用在微量礦物質(zhì)的檢測還是一項新興技術(shù)，直到2004年CozzolinoD.等首次對白苜蓿和紫花苜蓿兩種豆科植物進(jìn)行了Na、S、Cu、Fe、Mn、Zn和B的測定，每千克干物質(zhì)中定標(biāo)相關(guān)系數(shù)和變異系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差Na和S分別為0.83（0.8）、0.86（2.5），每千克干物質(zhì)B、Zn、Mn、Cu和Fe分別為0.80(4.4)、0.80（10.6）、0.78（22.9）、0.76（0.83）、0.57（25.7），S、Na和B的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差分別為5.5、1.2和4.2，達(dá)到了滿意的結(jié)果。

維生素分子中含有的含氫基團(tuán)使理論上應(yīng)用NIRS技術(shù)檢測其含量成為可能。我國最先應(yīng)用NIRS檢測了飼料中的維生素含量，國外鮮有報道。李秋玫等預(yù)測了多維預(yù)混料中維生素E的含量，預(yù)測值和實測值相關(guān)性顯著（R=0.985）。王文杰曾用NIRS技術(shù)對預(yù)混料中維生素A、喳乙醇、土霉素的檢測進(jìn)行研究，證明NIRS是一種有應(yīng)用價值的監(jiān)測手段。

3.6 飼料品質(zhì)的評價

近紅外技術(shù)在評定植物、草料和飼料的品質(zhì)及預(yù)測飼糧的質(zhì)量方面，已作為一種快速且行之有效的辦法，提供給家畜營養(yǎng)學(xué)家、研究員、農(nóng)業(yè)顧問和飼料原料咨詢者等。通過分析飼料組織結(jié)構(gòu)的直接方法和從動物排泄物中預(yù)測飼糧品質(zhì)的間接方法，檢測飼料中的主要指標(biāo)，例如粗蛋白、消化率、酸性纖維、中型纖維、丹寧酸和礦物質(zhì)等,來綜合評價飼料的營養(yǎng)價值。

目前國外科學(xué)家已經(jīng)把檢測重點(diǎn)和難點(diǎn)從單一原料、飼草飼料、青貯飼料轉(zhuǎn)移到混合飼料品質(zhì)的檢測，通過不斷豐富檢測樣品的種屬分類，擴(kuò)充不同生長階段和地域的樣品，及樣品的收獲期和水分含量，取得不同模型的定標(biāo)方程，建立了完善的模型數(shù)據(jù)庫。

國內(nèi)主要還是以單一原料為主的品質(zhì)鑒定，對于混合飼料、全價飼料的品質(zhì)評價沒有建立起全面的定標(biāo)模型，應(yīng)盡快加大基礎(chǔ)科研工作的投入。焦仁海等應(yīng)用NIRS對6個玉米雜交種籽粒品質(zhì)進(jìn)行分析，將分析結(jié)果與農(nóng)業(yè)部谷物品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心化驗結(jié)果的一致性和相關(guān)性進(jìn)行比較，并算出了蛋白質(zhì)、粗淀粉、粗脂肪的回歸方程，認(rèn)為在玉米回交轉(zhuǎn)育和加代過程中可以用NIRS光譜儀輔助分析化學(xué)成分，使選擇向即定目標(biāo)進(jìn)行，用于品種成分鑒定或批量糧食調(diào)運(yùn)的成分分析，效果良好。孟兆芳等應(yīng)用NIRS以豆粕為試材，建立豆粕粗蛋白快速分析檢測模型，結(jié)果表明，近紅外光譜分析方法的預(yù)測值與化學(xué)分析值有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.9783。牛智有等利用NIRS檢測145個魚粉樣品化學(xué)成分，其中115個作為定標(biāo)集，其余30個作為檢驗集，采用偏最小二乘法（PLS）建立定標(biāo)模型，并對原始光譜進(jìn)行預(yù)處理。結(jié)果表明，在置信度為99%下，除鈣之外，其它成分均為高度顯著。近紅外光譜分析技術(shù)可以檢測魚粉中的水分、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、總磷和鹽分，但對鈣的預(yù)測結(jié)果不理想。

4 NIRS法應(yīng)用前景與存在問題

飼料工業(yè)需快速而準(zhǔn)確地獲得與飼料營養(yǎng)價值有關(guān)的數(shù)據(jù)，一方面可根據(jù)其營養(yǎng)價值對一種飼料原料的合理價格進(jìn)行談判；另一方面可準(zhǔn)確地將各種飼料原料配合在全價日糧中，在滿足動物營養(yǎng)需要的情況下獲得最低成本配方。NIRS法具有快速、簡便的優(yōu)點(diǎn)，隨著各種技術(shù)、理論及方法的不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。在飼料分析方面，不僅能用于飼料常量成分分析，也能用于微量成分、有毒有害成分的檢測, 檢測預(yù)混添加劑和預(yù)混料中的微量成分和含量，及評價飼料的營養(yǎng)價值。除此以外，飼料廠可以利用NIRS技術(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，調(diào)整配方和采購策略，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，NIRS技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)然NIRS技術(shù)在應(yīng)用中也受到諸多因素的影響，如定標(biāo)樣品的選擇、制備、精確的化學(xué)分析、近紅外儀器操作技術(shù)、計算機(jī)及其配套軟件等。尤其是其準(zhǔn)確性不能比它所依賴的化學(xué)分析法更好，所以在推廣應(yīng)用該技術(shù)時，必須使用準(zhǔn)確、精確的化學(xué)分析值及適當(dāng)?shù)亩?biāo)操作技術(shù)，即NIRS法必須實行系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化操作。同時,許多飼料廠還沒有能力購買NIRS分析儀器，有些飼料廠雖然擁有自己的NIRS分析儀器，卻沒有能力建立可靠的定標(biāo)方程，在一定程度上也限制了NIRS技術(shù)的推廣。