近紅外光譜分析技術在飼料工業中的應用進展

王俊強 · 發表于 2007-11-6 15:49:01

近紅外光譜分析技術在飼料工業中的應用進展

　　近紅外光譜分析技術（Near infrared reflectance spectroscopy，簡稱NIRS）是20 世紀70 年代興起的一種新的成分分析技術。該技術首先由美國農業部（USDA）的Norris開發，最早用于谷物中水分、蛋白質的測定。20世紀80年代中后期，隨著計算機技術的發展和化學計量學研究的深入，加之近紅外光譜儀器制造技術的日趨完善，促進了近紅外光譜分析技術的極大發展。由于現代NIRS分析技術所獨具的特點，NIRS已成為近年來發展最快的快速分析測試技術，被廣泛應用于各個領域，特別是歐美及日本等發達國家，已將許多近紅外光譜法作為標準方法。盡管NIRS技術在飼料工業上的應用起步較晚，但越來越被人們所重視。
1 近紅外光譜分析技術的基本原理及特點
1.1 近紅外光譜法的基本原理
近紅外光譜的波長范圍是780～2 500nm，通常分為近紅外短波區（780～1 100nm，又稱Herschel光譜區）和近紅外長波區（1 100～2 500nm）。近紅外光譜源于有機物中含氫基團，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的吸收光譜，通過主成分分析、偏最小二乘法、人工神經網等化學計量學的手段，建立物質光譜與待測成分含量間的線性或非線性模型，從而實現用物質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
1.2.1 近紅外光譜分析的優點
近紅外光譜法的優點：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所用光學材料便宜；⑤近紅外短波區域的吸光系數小，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纖維易得，利用光纖可實現在線分析和遙測；⑦高效，可同時完成多個樣品不同化學指標的檢測；⑧環保，檢測過程無污染；⑨儀器的構造比較簡單，易于維護；⑩應用廣泛，可不斷拓展檢測范圍。
1.2.2 近紅外光譜分析的缺點

近紅外也有其固有的缺點：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，定標模型的適用范圍、基礎數據的準確性即選擇計量學方法的合理性，都將直接影響最終的分析結果。

2 近紅外光譜儀的典型類型及進展

NIRS儀器一般由光源、分光系統、樣品池、檢測器和數據處理5部分構成。根據分光方式，NIRS儀器可分為：①濾光片型，分為固定濾光片和可調濾光片兩種，其設計簡單、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，該類儀器可進行全譜掃描、分辨率較高、儀器價格適中、便于維護；缺點是光柵的機械軸易磨損，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80年代以來的主導產品，其掃描速度快、波長精度高、分辨率好，短時間內可進行多次掃描，信噪比和測定靈敏度較高，可對樣品中的微量成分進行分析，但干涉儀中有移動性部件，需較穩定的工作環境，定性和定量分析采用全譜校正技術。④固定光路多通道檢測近紅外光譜儀，是20世紀90年代新發展的一類NIRS儀器，采用全息光柵分光，加之檢測器的通道數達1 024或2 048個，可得很好的分辨率，全譜校正，可進行定性和定量分析。儀器光路固定，波長精度高和重現性得到保證，而且無移動部件，其耐久性和可靠性都得到提高，適合現場分析和在線分析。⑤聲光可調濾光器近紅外光譜，被認為是20世紀90年代NIRS最突出的進展，其分光器件為聲光可調濾光器，根據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因素和較低的聲衰減的雙折射晶體制成分光器件，無機械移動部件，測量速度快、精度高、準確性好，可以長時間穩定的工作，且可以消除光路中各種材料的吸收、反射等干擾。
3 近紅外光譜分析技術在飼料檢測中的應用
3.1 常規成分的檢測
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含量的檢測，隨后用于油料作物籽實的水分、蛋白質等的檢測，都獲得了滿意的結果。最早由Norris[1]應用NIRS測定了飼草原料中的粗蛋白、水分和脂肪含量，其后Shenk等[2，3]，Abrams等[4]，Brown和Moore[5]，Windham等[6]，Givens等[7]均利用該技術分析鑒定了飼草原料的品質。隨著NIRS技術的應用發展，Schaalje和Mundel[8]測定了大豆的氮含量；Fontaine等[9]完成了對魚和魚粉中油脂和蛋白質含量的檢測；Garcia-Ciudad A.等[10]估測了NIRS評價半干旱牧草地飼草的氮含量的相關性，建立了良好的定標模型；Park R.S.等[11]利用NIRS對未干燥飼草進行了各種化學成分的預測，也取得了良好的效果。

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

氨基酸是組成蛋白質的基本單位，也是蛋白質的分解產物。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，都會影響動物的正常生長發育。因此，氨基酸的測定在動物飼養、營養生理和蛋白質代謝、理想蛋白質模型的研究以及生產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[19]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，相關系數在0.84～0.97之間。魏瑞蘭等[20]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[21]研究表明，利用NIRS技術測定飼料原料氨基酸含量，具有快速、準確、成本低的特點。飼料廠可以利用NIRS技術對主要飼料原料氨基酸含量進行在線監測，調整配方和采購策略，降低生產成本，提高產品質量。
   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主要是以中國農業大學丁麗敏等人的科研成果居多，他們進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[22]。1999年進行了魚粉氨基酸含量的測定，賴氨酸、蛋氨酸、膚氨酸、總的氨基酸的標準差分別為：0.375、0.304、0.074、2.041，相關系數分別為：0.939、0.664、0.962、0.975，取得了較滿意結果[23]。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的幾個方程外，其它氨基酸的定標經檢驗證明具有良好的預測性能，玉米真可消化氨基酸的定標性能不如豆粕好，目前還不能進行實際的應用，但大部分氨基酸定標方程的相關系數經F檢驗達到極顯著水平，說明用NIRS預測玉米真可消化氨基酸是可行的[24]。2000年測定了棉籽粕、菜籽粕的真可利用氨基酸含量，結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都在7%以下，經檢驗證明其定標具有良好的預測性能[25]。

3.4 有效能的估測

傳統的濕法化學分析方法在預測飼草品質和其營養價值時，費時耗材、花費大，而且有時要用到危險性化學藥品。因此，NIRS技術的優點得到了進一步的體現，在預測干燥樣品的消化性參數方面備受青睞，隨后也應用在未干燥過的飼料樣品，經查閱多是國外科學家的研究報道，國內很少有資料報道。Park R.S.等[26]對未干燥的飼草進行了消化性能的檢測。Xiccato G.等[27]用NIRS預測兔用混合飼料的總能和消化能，相關系數達0.90，每千克物質中預測標準差分別為0.26、0.37MJ,干物質消化率和總能消化率也得到勉強的檢測結果。Givens等[28]對青貯玉米飼料的消化能進行了檢測。Gordon, F.J.[29]通過NIRS技術預測了未干燥的青貯飼草飼料的攝食量和有機物質的消化能含量。
3.5 礦物質和維生素的檢測
NIRS技術是通過分子吸收光譜進行檢測的，通過其與有機物質結構的聯系，可以檢測飼草中的礦物質含量，但其應用在微量礦物質的檢測還是一項新興技術，直到2004年Cozzolino D.等[30]首次對白苜蓿和紫花苜蓿兩種豆科植物進行了Na、S、Cu、Fe、Mn、Zn和B的測定，每千克干物質中定標相關系數和變異系數標準差Na和S分別為0.83（0.8）、0.86（2.5），每千克干物質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的預測標準差分別為5.5、1.2和4.2，達到了滿意的結果。
   維生素分子中含有的含氫基團使理論上應用NIRS技術檢測其含量成為可能。我國最先應用NIRS檢測了飼料中的維生素含量，國外鮮有報道。李秋玫等[31]預測了多維預混料中維生素E的含量，預測值和實測值相關性顯著（R=0.985）。王文杰[32]曾用NIRS技術對預混料中維生素A、喳乙醇、土霉素的檢測進行研究，證明NIRS是一種有應用價值的監測手段。
3.6 飼料品質的評價

近紅外技術在評定植物、草料和飼料的品質及預測飼糧的質量方面，已作為一種快速且行之有效的辦法，提供給家畜營養學家、研究員、農業顧問和飼料原料咨詢者等。通過分析飼料組織結構的直接方法和從動物排泄物中預測飼糧品質的間接方法，檢測飼料中的主要指標，例如粗蛋白、消化率、酸性纖維、中型纖維、丹寧酸和礦物質等,來綜合評價飼料的營養價值。
   目前國外科學家已經把檢測重點和難點從單一原料、飼草飼料、青貯飼料轉移到混合飼料品質的檢測，通過不斷豐富檢測樣品的種屬分類，擴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方程，建立了完善的模型數據庫[33-37]。

國內主要還是以單一原料為主的品質鑒定，對于混合飼料、全價飼料的品質評價沒有建立起全面的定標模型，應盡快加大基礎科研工作的投入。焦仁海等[38]應用NIRS對6個玉米雜交種籽粒品質進行分析，將分析結果與農業部谷物品質監督檢驗測試中心化驗結果的一致性和相關性進行比較，并算出了蛋白質、粗淀粉、粗脂肪的回歸方程，認為在玉米回交轉育和加代過程中可以用NIRS光譜儀輔助分析化學成分，使選擇向即定目標進行，用于品種成分鑒定或批量糧食調運的成分分析，效果良好。孟兆芳等[39]應用NIRS以豆粕為試材，建立豆粕粗蛋白快速分析檢測模型，結果表明，近紅外光譜分析方法的預測值與化學分析值有顯著的相關性，相關系數為0.978 3。牛智有等[40]利用NIRS檢測145個魚粉樣品化學成分，其中115個作為定標集，其余30個作為檢驗集，采用偏最小二乘法（PLS）建立定標模型，并對原始光譜進行預處理。結果表明，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，但對鈣的預測結果不理想。
4 NIRS法應用前景與存在問題

飼料工業需快速而準確地獲得與飼料營養價值有關的數據，一方面可根據其營養價值對一種飼料原料的合理價格進行談判；另一方面可準確地將各種飼料原料配合在全價日糧中，在滿足動物營養需要的情況下獲得最低成本配方。NIRS法具有快速、簡便的優點，隨著各種技術、理論及方法的不斷發展，應用領域也越來越廣。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, 檢測預混添加劑和預混料中的微量成分和含量，及評價飼料的營養價值。除此以外，飼料廠可以利用NIRS技術進行在線監測，調整配方和采購策略，降低生產成本，提高產品質量。因此，NIRS技術有著廣闊的應用前景。
   當然NIRS技術在應用中也受到諸多因素的影響，如定標樣品的選擇、制備、精確的化學分析、近紅外儀器操作技術、計算機及其配套軟件等。尤其是其準確性不能比它所依賴的化學分析法更好，所以在推廣應用該技術時，必須使用準確、精確的化學分析值及適當的定標操作技術，即NIRS法必須實行系統的標準化操作。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方程，在一定程度上也限制了NIRS技術的推廣。