飼料領(lǐng)域中如何應(yīng)用應(yīng)用近紅外光譜定量分析技術(shù)

近紅外光譜(Near lnfrared Spectroscopy，NIBS)分析技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新的成分分析技術(shù)，其應(yīng)用波長(zhǎng)范圍大約為3-0．70um，屬紅外光譜范圍，是電磁波的一個(gè)組成部分。NIRS作為電磁波的一個(gè)組成部分，具有電磁波和物體作用時(shí)表現(xiàn)出的一般特性，如透射、漫反射、吸收等，此外，其zui突出的特點(diǎn)是這一光譜區(qū)域?yàn)楹瑲浠鶊F(tuán)的倍頻和合頻吸收區(qū)。物質(zhì)的近紅外光譜是其中各基團(tuán)振動(dòng)的倍頻和組合頻率的綜合吸收表現(xiàn)。盡管朗伯一比爾(Lamher-Beer)定律適合每個(gè)基團(tuán)的吸收強(qiáng)度與其含量之間的定量關(guān)系，但對(duì)于一個(gè)吸收峰高度疊加光譜的定量分析，簡(jiǎn)單地應(yīng)用朗伯一比爾定律顯然是分歧適的。這也是傳統(tǒng)的光譜工作者避開近紅外區(qū)的原因之一。

    早期的NIRS分析技術(shù)主要是利用近紅外的透射(Near lnfrared Transmittance，NIT)光譜測(cè)定液體中的水分含量和苯、乙醇等含一OH基團(tuán)的化合物[刨。由于大多數(shù)食品和農(nóng)產(chǎn)品的未破壞無損傷物料對(duì)NIRS來說是不透明體，丈量其透射率有一定困難，所以該技術(shù)未能用于食品和農(nóng)產(chǎn)品分析。真正使NIBS分析技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品方面是1976年Norris將近紅外反射光譜應(yīng)用于谷物的水分研究并提出相對(duì)NIRS定量分析技術(shù)之后，其理論是：物質(zhì)中某一化學(xué)成分的含量與近紅外區(qū)內(nèi)多個(gè)不同的波長(zhǎng)點(diǎn)吸收率呈線性關(guān)系。

    通過對(duì)一批已知其化學(xué)成分含量的NIRS校正，可獲得X個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的回回系數(shù)，再用這個(gè)被確定的模型來猜測(cè)未知樣品中該化學(xué)成分的含量。

    近十幾年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大量光譜數(shù)據(jù)的處理成為可能；同時(shí)，NIRS分析技術(shù)本身也不斷地發(fā)展，如采用的光譜區(qū)段、進(jìn)樣方法、光譜采集方法及定標(biāo)用的統(tǒng)計(jì)方法等，都使NIBS分析技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，由zui早谷物中水分含量的測(cè)定發(fā)展到同時(shí)測(cè)定谷物中的蛋白質(zhì)、淀粉、油分等多種組分，應(yīng)用范圍也由農(nóng)業(yè)擴(kuò)展到食品、醫(yī)藥、紡織、石油等行業(yè)。

1  飼料領(lǐng)域中如何應(yīng)用NIRS定量分析技術(shù)

    上述國(guó)內(nèi)外研究工作均采用相對(duì)NIR法，尚未見NIT分析技術(shù)在飼料領(lǐng)域中的研究報(bào)道。縱觀近10年來國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用研究情況，應(yīng)用NIRS作為飼料的定量分析技術(shù)，都遵循這樣的過程--定標(biāo)(Calibration)和猜測(cè)(Prediction)。定標(biāo)目的在于建立常規(guī)分析方法和NIRS分析法得到的結(jié)果之間可靠的函數(shù)關(guān)系，包括定標(biāo)樣品的選擇，常規(guī)法測(cè)定定標(biāo)樣品某成分含量，獲取定標(biāo)樣品的光譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，經(jīng)回回計(jì)算產(chǎn)生某成分的定標(biāo)方程，再對(duì)該成分定標(biāo)方程的正確性進(jìn)行評(píng)價(jià)。定標(biāo)樣品在數(shù)目理論上只要比回回自由度的數(shù)目多一個(gè)就可以計(jì)算，但實(shí)際上數(shù)目越多，定標(biāo)方程越有普遍意義。實(shí)際工作中，至少應(yīng)考慮取50個(gè)樣品。光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理和采用的回回校正方法是影響定標(biāo)方程效果的主要因素，預(yù)處理較多采用趨勢(shì)變換法、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量轉(zhuǎn)換法、乘性散射校正法和加權(quán)乘性散射校正法等，回回校正方法常用逐步回回分析法(SMLR)、主成分分析法(PCR)、zui小偏差分析法(PLS)和傅立葉轉(zhuǎn)化等，其中PLS法是目前NIBS分析上應(yīng)用zui多的回回方法。猜測(cè)是考察定標(biāo)方程在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，其樣品的選擇和處理與定標(biāo)用的樣品大致一樣，只是樣品數(shù)目和成分含量分布不必象定標(biāo)樣品嚴(yán)格，結(jié)果需用猜測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Error of Prediction)和相關(guān)系數(shù)(Rc)來衡量。為了獲得滿足的Rc要留意盡量多收集樣品，并增加樣品的覆蓋范圍，使各不同含量水平的定標(biāo)樣品數(shù)目盡可能均勻分布。

2  國(guó)內(nèi)外應(yīng)用NIB分析技術(shù)檢測(cè)飼料品質(zhì)情況

    NIBS分析技術(shù)究竟是在對(duì)農(nóng)產(chǎn)品尤其是谷物品質(zhì)分析的研究中形成和發(fā)展起來的，目前文獻(xiàn)涉及的NIBS分析盡大多數(shù)是相對(duì)NIB分析，而且多數(shù)是農(nóng)產(chǎn)品方面的品質(zhì)分析和應(yīng)用研究，在飼料方面的應(yīng)用也幾乎全是對(duì)飼料作物及其產(chǎn)品的品質(zhì)分析和應(yīng)用研究。近十幾年來筆者檢索到的用NIRS分析技術(shù)測(cè)定水分和／或蛋白質(zhì)和／或脂肪的報(bào)道共有221篇，除26篇涉及醫(yī)學(xué)、15篇涉及環(huán)境生態(tài)、9篇涉及木材及其加工等行業(yè)外，其余171篇都是關(guān)于農(nóng)產(chǎn)晶類的研究，其中飼料類33篇。這33篇報(bào)道，都采用相對(duì)NIR分析方法。

    固然相對(duì)NIB分析技術(shù)作為猜測(cè)粗蛋白含量的快速檢測(cè)方法已于1989年被AOAC通過，但由于該方法在實(shí)際應(yīng)用中技術(shù)性能變化較大，AOAC也只是對(duì)該方法作一些規(guī)則性描述。上述33篇飼料類文獻(xiàn)表明，長(zhǎng)期以來很多學(xué)者對(duì)相對(duì)NIB分析技術(shù)作了很多研究，水分、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分是做得比較多的項(xiàng)目，定標(biāo)應(yīng)用效果良好，參見文獻(xiàn)國(guó)外的實(shí)驗(yàn)材料多數(shù)選單一原料，也有報(bào)道混合飼料的相對(duì)NIB效果差于單一原料，對(duì)動(dòng)物性飼料原料或混料的研究較少。

    我國(guó)NIBS分析技術(shù)的研究起步較晚。"七五"期間，以中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧所為主，全國(guó)約20家研究所聯(lián)合研制了一些飼料質(zhì)量分析定標(biāo)軟件，如飼料用玉米、大豆粕、苜宿粉、蛋雞配合飼料中的干物質(zhì)(DM)、粗蛋白(CP)、粗纖維(CF)和灰分含量定標(biāo)軟件以及6種飼料的消化能(DE)和代謝能(ME)、4種飼料原料的氨基酸(AA)、6種飼料的植酸磷、飼料添加劑中喹乙醇分析軟件。之后，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研制出了具有9個(gè)濾光片NIRl501型近紅外反射光譜儀，到1996年出現(xiàn)了該國(guó)產(chǎn)NIR分析儀在飼料檢測(cè)中的應(yīng)用研究。與國(guó)外情況相似，我國(guó)的NIBS技術(shù)也多以糧谷作物及其產(chǎn)品為研究對(duì)象，文獻(xiàn)中提及的"飼料"都是飼草類或糧谷類配合飼料。文獻(xiàn)于1996年應(yīng)用國(guó)產(chǎn)濾光片式NIR分析儀對(duì)全國(guó)各飼料廠及原料供給商采集的50個(gè)魚粉樣品(48個(gè)用于定標(biāo))的水分、粗蛋白含量進(jìn)行定標(biāo)、猜測(cè)，效果良好。同年，福建省測(cè)試技術(shù)研究所用NIR分光光度計(jì)成功地測(cè)定成鰻飼料中粗纖維含量。王文杰報(bào)道曾用NIR技術(shù)對(duì)預(yù)混料中維生素A、喹乙醇、土霉素的檢測(cè)進(jìn)行研究，證實(shí)NIR是一種有應(yīng)用價(jià)值的監(jiān)測(cè)手段。丁麗敏用NIR技術(shù)對(duì)魚粉的氨基酸含量和豆粕、玉米的真可消化氨基酸含量進(jìn)行定標(biāo)和猜測(cè)，結(jié)果表明魚粉賴氨酸和總的氨基酸的定標(biāo)效果達(dá)到可利用程度，而蛋氨酸和胱氨酸的定標(biāo)精度有待進(jìn)一步進(jìn)步；豆粕中除與胱氨酸有關(guān)的方程較差外，其它氨基酸的定標(biāo)方程經(jīng)檢驗(yàn)有良好的猜測(cè)性能；玉米真可消化氨基酸的定標(biāo)性能不如豆粕好，目前還不能實(shí)際應(yīng)用。