飼料領(lǐng)域中如何應用應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70年代發(fā)展起來的一種新的成分分析技術(shù)，其應用波長范圍大約為3-0．70um，屬紅外光譜范圍，是電磁波的一個組成部分。NIRS作為電磁波的一個組成部分，具有電磁波和物體作用時表現(xiàn)出的一般特性，如透射、漫反射、吸收等，此外，其zui突出的特點是這一光譜區(qū)域為含氫基團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振動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)定律適合每個基團的吸收強度與其含量之間的定量關(guān)系，但對于一個吸收峰高度疊加光譜的定量分析，簡單地應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)光譜測定液體中的水分含量和苯、乙醇等含一OH基團的化合物[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)應用于農(nóng)產(chǎn)品方面是1976年Norris將近紅外反射光譜應用于谷物的水分研究并提出相對NIRS定量分析技術(shù)之后，其理論是：物質(zhì)中某一化學成分的含量與近紅外區(qū)內(nèi)多個不同的波長點吸收率呈線性關(guān)系。

    通過對一批已知其化學成分含量的NIRS校正，可獲得X個波長點的回回系數(shù)，再用這個被確定的模型來猜測未知樣品中該化學成分的含量。

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

1  飼料領(lǐng)域中如何應用NIRS定量分析技術(shù)

    上述國內(nèi)外研究工作均采用相對NIR法，尚未見NIT分析技術(shù)在飼料領(lǐng)域中的研究報道?？v觀近10年來國內(nèi)外的應用研究情況，應用NIRS作為飼料的定量分析技術(shù)，都遵循這樣的過程--定標(Calibration)和猜測(Prediction)。定標目的在于建立常規(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，包括定標樣品的選擇，常規(guī)法測定定標樣品某成分含量，獲取定標樣品的光譜數(shù)據(jù)并進行數(shù)學處理，經(jīng)回回計算產(chǎn)生某成分的定標方程，再對該成分定標方程的正確性進行評價。定標樣品在數(shù)目理論上只要比回回自由度的數(shù)目多一個就可以計算，但實際上數(shù)目越多，定標方程越有普遍意義。實際工作中，至少應考慮取50個樣品。光譜數(shù)據(jù)的預處理和采用的回回校正方法是影響定標方程效果的主要因素，預處理較多采用趨勢變換法、標準正態(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分析上應用zui多的回回方法。猜測是考察定標方程在實際應用中的可行性，其樣品的選擇和處理與定標用的樣品大致一樣，只是樣品數(shù)目和成分含量分布不必象定標樣品嚴格，結(jié)果需用猜測標準差(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樣品數(shù)目盡可能均勻分布。

2  國內(nèi)外應用NIB分析技術(shù)檢測飼料品質(zhì)情況

    NIBS分析技術(shù)究竟是在對農(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，目前文獻涉及的NIBS分析盡大多數(shù)是相對NIB分析，而且多數(shù)是農(nóng)產(chǎn)品方面的品質(zhì)分析和應用研究，在飼料方面的應用也幾乎全是對飼料作物及其產(chǎn)品的品質(zhì)分析和應用研究。近十幾年來筆者檢索到的用NIRS分析技術(shù)測定水分和／或蛋白質(zhì)和／或脂肪的報道共有221篇，除26篇涉及醫(yī)學、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篇報道，都采用相對NIR分析方法。

    固然相對NIB分析技術(shù)作為猜測粗蛋白含量的快速檢測方法已于1989年被AOAC通過，但由于該方法在實際應用中技術(shù)性能變化較大，AOAC也只是對該方法作一些規(guī)則性描述。上述33篇飼料類文獻表明，長期以來很多學者對相對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目，定標應用效果良好，參見文獻國外的實驗材料多數(shù)選單一原料，也有報道混合飼料的相對NIB效果差于單一原料，對動物性飼料原料或混料的研究較少。

    我國NIBS分析技術(shù)的研究起步較晚。"七五"期間，以中國農(nóng)業(yè)科學院畜牧所為主，全國約20家研究所聯(lián)合研制了一些飼料質(zhì)量分析定標軟件，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，中科院長春光機所研制出了具有9個濾光片NIRl501型近紅外反射光譜儀，到1996年出現(xiàn)了該國產(chǎn)NIR分析儀在飼料檢測中的應用研究。與國外情況相似，我國的NIBS技術(shù)也多以糧谷作物及其產(chǎn)品為研究對象，文獻中提及的"飼料"都是飼草類或糧谷類配合飼料。文獻于1996年應用國產(chǎn)濾光片式NIR分析儀對全國各飼料廠及原料供給商采集的50個魚粉樣品(48個用于定標)的水分、粗蛋白含量進行定標、猜測，效果良好。同年，福建省測試技術(shù)研究所用NIR分光光度計成功地測定成鰻飼料中粗纖維含量。王文杰報道曾用NIR技術(shù)對預混料中維生素A、喹乙醇、土霉素的檢測進行研究，證實NIR是一種有應用價值的監(jiān)測手段。丁麗敏用NIR技術(shù)對魚粉的氨基酸含量和豆粕、玉米的真可消化氨基酸含量進行定標和猜測，結(jié)果表明魚粉賴氨酸和總的氨基酸的定標效果達到可利用程度，而蛋氨酸和胱氨酸的定標精度有待進一步進步；豆粕中除與胱氨酸有關(guān)的方程較差外，其它氨基酸的定標方程經(jīng)檢驗有良好的猜測性能；玉米真可消化氨基酸的定標性能不如豆粕好，目前還不能實際應用。