近紅外光譜分析技術(shù)（Nearinfraredreflectancespectroscopy，簡(jiǎn)稱(chēng)NIRS）是20世紀70年代興起的一種新的成分分析技術(shù)。該技術(shù)首先由美國農業(yè)部（USDA）的Norris開(kāi)發(fā)，zui早用于谷物中水分、蛋白質(zhì)的測定。20世紀80年代中后期，隨著(zhù)計算機技術(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。由于現代NIRS分析技術(shù)所*的特點(diǎn)，NIRS已成為近年來(lái)發(fā)展zui快的快速分析測試技術(shù)，被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是歐美及日本等發(fā)達國家，已將許多近紅外光譜法作為標準方法。盡管NIRS技術(shù)在飼料工業(yè)上的應用起步較晚，但越來(lái)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(cháng)范圍是780～2500nm，通常分為近紅外短波區（780～1100nm，又稱(chēng)Herschel光譜區）和近紅外長(cháng)波區（1100～2500nm）。近紅外光譜源于有機物中含氫基團，如OH、CH、NH、SH、PH等振動(dòng)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(guò)主成分分析、偏zui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(xiàn)性或非線(xiàn)性模型，從而實(shí)現用物質(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(jiǎn)單，無(wú)繁瑣的前處理且不消耗樣品；②快速；③光程的度要求不高；④所用光學(xué)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(shí)現在線(xiàn)分析和遙測；⑦，可同時(shí)完成多個(gè)樣品不同化學(xué)指標的檢測；⑧環(huán)保，檢測過(guò)程無(wú)污染；⑨儀器的構造比較簡(jiǎn)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(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，定標模型的適用范圍、基礎數據的準確性即選擇計量學(xué)方法的合理性，都將直接影響zui終的分析結果。
2近紅外光譜儀的典型類(lèi)型及進(jìn)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(jiǎn)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(cháng)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(lèi)儀器可進(jìn)行全譜掃描、分辨率較高、儀器價(jià)格適中、便于維護；缺點(diǎn)是光柵的機械軸易磨損，抗振性較差，不適合在線(xiàn)分析。③傅里葉變換近紅外光譜儀，是20世紀80年代以來(lái)的主導產(chǎn)品，其掃描速度快、波長(cháng)精度高、分辨率好，短時(shí)間內可進(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(dòng)性部件，需較穩定的工作環(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90年代新發(fā)展的一類(lèi)NIRS儀器，采用全息光柵分光，加之檢測器的通道數達1024或2048個(gè)，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(cháng)精度高和重現性得到保證，而且無(wú)移動(dòng)部件，其耐久性和可靠性都得到提高，適合現場(chǎng)分析和在線(xiàn)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NIRSzui突出的進(jìn)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(zhì)因素和較低的聲衰減的雙折射晶體制成分光器件，無(wú)機械移動(dòng)部件，測量速度快、精度高、準確性好，可以長(cháng)時(shí)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(shù)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，zui初多是用于飼草原料和谷物類(lèi)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(shí)的水分、蛋白質(zhì)等的檢測，都獲得了滿(mǎn)意的結果。zui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(shù)分析鑒定了飼草原料的品質(zhì)。隨著(zhù)NIRS技術(shù)的應用發(fā)展，Schaalje和Mundel[8]測定了大豆的氮含量；Fontaine等[9]完成了對魚(yú)和魚(yú)粉中油脂和蛋白質(zhì)含量的檢測；Garcia-CiudadA.等[10]估測了NIRS評價(jià)半干旱牧草地飼草的氮含量的相關(guān)性，建立了良好的定標模型；ParkR.S.等[11]利用NIRS對未干燥飼草進(jìn)行了各種化學(xué)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(kāi)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(zhì)、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(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，都會(huì )影響動(dòng)物的正常生長(cháng)發(fā)育。因此，氨基酸的測定在動(dòng)物飼養、營(yíng)養生理和蛋白質(zhì)代謝、理想蛋白質(zhì)模型的研究以及生產(chǎn)實(shí)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(shí)驗研究。馮平[19]測定了小麥麩中賴(lài)氨酸、精氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、組氨酸的定標，相關(guān)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(shù)測定飼料原料氨基酸含量，具有快速、準確、成本低的特點(diǎn)。飼料廠(chǎng)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(xiàn)監測，調整配方和采購策略，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主要是以中國農業(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[22]。1999年進(jìn)行了魚(yú)粉氨基酸含量的測定，賴(lài)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(guān)系數分別為：0.939、0.664、0.962、0.975，取得了較滿(mǎn)意結果[23]。同年，還測定過(guò)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(gè)方程外，其它氨基酸的定標經(jīng)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(jìn)行實(shí)際的應用，但大部分氨基酸定標方程的相關(guān)系數經(jīng)F檢驗達到極顯著(zhù)水平，說(shuō)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(lài)氨酸外，其它氨基酸的變異系數都在7%以下，經(jīng)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(xué)分析方法在預測飼草品質(zhì)和其營(yíng)養價(jià)值時(shí)，費時(shí)耗材、花費大，而且有時(shí)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，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(guò)的飼料樣品，經(jīng)查閱多是國外科學(xué)家的研究報道，國內很少有資料報道。ParkR.S.等[26]對未干燥的飼草進(jìn)行了消化性能的檢測。XiccatoG.等[27]用NIRS預測兔用混合飼料的總能和消化能，相關(guān)系數達0.90，每千克物質(zhì)中預測標準差分別為0.26、0.37MJ,干物質(zhì)消化率和總能消化率也得到勉強的檢測結果。Givens等[28]對青貯玉米飼料的消化能進(jìn)行了檢測。Gordon,F.J.[29]通過(guò)NIRS技術(shù)預測了未干燥的青貯飼草飼料的攝食量和有機物質(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(guò)分子吸收光譜進(jìn)行檢測的，通過(guò)其與有機物質(zhì)結構的，可以檢測飼草中的礦物質(zhì)含量，但其應用在微量礦物質(zhì)的檢測還是一項新興技術(shù)，直到2004年CozzolinoD.等[30]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)中定標相關(guān)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(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的預測標準差分別為5.5、1.2和4.2，達到了滿(mǎn)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(shù)檢測其含量成為可能。我國zui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(shí)測值相關(guān)性顯著(zhù)（R=0.985）。王文杰[32]曾用NIRS技術(shù)對預混料中維生素A、喳乙醇、土霉素的檢測進(jìn)行研究，證明NIRS是一種有應用價(jià)值的監測手段。
3.6飼料品質(zhì)的評價(jià)
近紅外技術(shù)在評定植物、草料和飼料的品質(zhì)及預測飼糧的質(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(yíng)養學(xué)家、研究員、農業(yè)顧問(wèn)和飼料原料咨詢(xún)者等。通過(guò)分析飼料組織結構的直接方法和從動(dòng)物排泄物中預測飼糧品質(zhì)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(zhì)等,來(lái)綜合評價(jià)飼料的營(yíng)養價(jià)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、青貯飼料轉移到混合飼料品質(zhì)的檢測，通過(guò)不斷豐富檢測樣品的種屬分類(lèi)，擴充不同生長(cháng)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(zhì)鑒定，對于混合飼料、全價(jià)飼料的品質(zhì)評價(jià)沒(méi)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(gè)玉米雜交種籽粒品質(zhì)進(jìn)行分析，將分析結果與農業(yè)部谷物品質(zhì)監督檢驗測試中心化驗結果的一致性和相關(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，認為在玉米回交轉育和加代過(guò)程中可以用NIRS光譜儀輔助分析化學(xué)成分，使選擇向即定目標進(jìn)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(xué)分析值有顯著(zhù)的相關(guān)性，相關(guān)系數為0.9783。牛智有等[40]利用NIRS檢測145個(gè)魚(yú)粉樣品化學(xué)成分，其中115個(gè)作為定標集，其余30個(gè)作為檢驗集，采用偏zui小二乘法（PLS）建立定標模型，并對原始光譜進(jìn)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(zhù)。近紅外光譜分析技術(shù)可以檢測魚(yú)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。
4NIRS法應用前景與存在問(wèn)題
飼料工業(yè)需快速而準確地獲得與飼料營(yíng)養價(jià)值有關(guān)的數據，一方面可根據其營(yíng)養價(jià)值對一種飼料原料的合理價(jià)格進(jìn)行談判；另一方面可準確地將各種飼料原料配合在全價(jià)日糧中，在滿(mǎn)足動(dòng)物營(yíng)養需要的情況下獲得*配方。NIRS法具有快速、簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，隨著(zhù)各種技術(shù)、理論及方法的不斷發(fā)展，應用領(lǐng)域也越來(lái)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(jià)飼料的營(yíng)養價(jià)值。除此以外，飼料廠(chǎng)可以利用NIRS技術(shù)進(jìn)行在線(xiàn)監測，調整配方和采購策略，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，NIRS技術(shù)有著(zhù)廣闊的應用前景。
當然NIRS技術(shù)在應用中也受到諸多因素的影響，如定標樣品的選擇、制備、的化學(xué)分析、近紅外儀器操作技術(shù)、計算機及其配套軟件等。尤其是其準確性不能比它所依賴(lài)的化學(xué)分析法更好，所以在推廣應用該技術(shù)時(shí)，必須使用準確、的化學(xué)分析值及適當的定標操作技術(shù)，即NIRS法必須實(shí)行系統的標準化操作。同時(shí),許多飼料廠(chǎng)還沒(méi)有能力購買(mǎi)NIRS分析儀器，有些飼料廠(chǎng)雖然擁有自己的NIRS分析儀器，卻沒(méi)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(shù)的推廣。
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