近红外光谱分析技术在饲料工业中的应用进展

发表于:2013-08-13 来源:肉类产业网
关键词: 近红外光谱分析技术

  近红外光谱分析技术(Nearinfraredreflectancespectroscopy,简称NIRS)是20世纪70年代兴起的一种新的成分分析技术。该技术首先由美国农业部(USDA)的Norris开发,最早用于谷物中水分、蛋白质的测定。20世纪80年代中后期,随着计算机技术的发展和化学计量学研究的深入,加之近红外光谱仪器制造技术的日趋完善,促进了近红外光谱分析技术的极大发展。由于现代NIRS分析技术所独具的特点,NIRS已成为近年来发展最快的快速分析测试技术,被广泛应用于各个领域,特别是欧美及日本等发达国家,已将许多近红外光谱法作为标准方法。尽管NIRS技术在饲料工业上的应用起步较晚,但越来越被人们所重视。

  1近红外光谱分析技术的基本原理及特点

  1.1近红外光谱法的基本原理

  近红外光谱的波长范围是780~2500nm,通常分为近红外短波区(780~1100nm,又称Herschel光谱区)和近红外长波区(1100~2500nm)。近红外光谱源于有机物中含氢基团,如OH、CH、NH、SH、PH等振动光谱的倍频及合频吸收,以漫反射方式获得在近红外区的吸收光谱,通过主成分分析、偏最小二乘法、人工神经网等化学计量学的手段,建立物质光谱与待测成分含量间的线性或非线性模型,从而实现用物质近红外光谱信息对待测成分含量的快速计算。

  1.2近红外光谱法的特点

  1.2.1近红外光谱分析的优点

  近红外光谱法的优点:①简单,无繁琐的前处理且不消耗样品;②快速;③光程的精确度要求不高;④所用光学材料便宜;⑤近红外短波区域的吸光系数小,穿透性高,可用透射模式直接分析固体样品;⑥适用于近红外的光导纤维易得,利用光纤可实现在线分析和遥测;⑦高效,可同时完成多个样品不同化学指标的检测;⑧环保,检测过程无污染;⑨仪器的构造比较简单,易于维护;⑩应用广泛,可不断拓展检测范围。

  1.2.2近红外光谱分析的缺点

  近红外也有其固有的缺点:①由于测定的是倍频及合频吸收,灵敏度差,一般要求检测的含量?1%;②建模难度大,定标模型的适用范围、基础数据的准确性即选择计量学方法的合理性,都将直接影响最终的分析结果。

  2近红外光谱仪的典型类型及进展

  NIRS仪器一般由光源、分光系统、样品池、检测器和数据处理5部分构成。根据分光方式,NIRS仪器可分为:①滤光片型,分为固定滤光片和可调滤光片两种,其设计简单、成本低、光通量大、信号记录快、坚固耐用,但只能在单一波长下测定,灵活性差。②扫描型近红外光谱仪,分光原件可以是棱镜和光栅,该类仪器可进行全谱扫描、分辨率较高、仪器价格适中、便于维护;缺点是光栅的机械轴易磨损,抗振性较差,不适合在线分析。③傅里叶变换近红外光谱仪,是20世纪80年代以来的主导产品,其扫描速度快、波长精度高、分辨率好,短时间内可进行多次扫描,信噪比和测定灵敏度较高,可对样品中的微量成分进行分析,但干涉仪中有移动性部件,需较稳定的工作环境,定性和定量分析采用全谱校正技术。④固定光路多通道检测近红外光谱仪,是20世纪90年代新发展的一类NIRS仪器,采用全息光栅分光,加之检测器的通道数达1024或2048个,可得很好的分辨率,全谱校正,可进行定性和定量分析。仪器光路固定,波长精度高和重现性得到保证,而且无移动部件,其耐久性和可靠性都得到提高,适合现场分析和在线分析。⑤声光可调滤光器近红外光谱,被认为是20世纪90年代NIRS最突出的进展,其分光器件为声光可调滤光器,根据各向异性双折射晶体的声光衍射原理,采用具有较高的声光品质因素和较低的声衰减的双折射晶体制成分光器件,无机械移动部件,测量速度快、精度高、准确性好,可以长时间稳定的工作,且可以消除光路中各种材料的吸收、反射等干扰。

  3近红外光谱分析技术在饲料检测中的应用

  3.1常规成分的检测

  NIRS在饲料检测中,最初多是用于饲草原料和谷物类原料中水分和蛋白质含量的检测,随后用于油料作物籽实的水分、蛋白质等的检测,都获得了满意的结果。最早由Norris[1]应用NIRS测定了饲草原料中的粗蛋白、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]均利用该技术分析鉴定了饲草原料的品质。随着NIRS技术的应用发展,Schaalje和Mundel[8]测定了大豆的氮含量;Fontaine等[9]完成了对鱼和鱼粉中油脂和蛋白质含量的检测;Garcia-CiudadA.等[10]估测了NIRS评价半干旱牧草地饲草的氮含量的相关性,建立了良好的定标模型;ParkR.S.等[11]利用NIRS对未干燥饲草进行了各种化学成分的预测,也取得了良好的效果。

  我国在20世纪90年初也开展了NIRS测定饲料各种成分定标软件的研制,先后完成了饲料和饲料原料中干物质、粗蛋白、粗纤维、粗脂肪、灰分、氨基酸等指标的定标检测。

  3.2氨基酸的检测

  氨基酸是组成蛋白质的基本单位,也是蛋白质的分解产物。缺少某种氨基酸,特别是必需氨基酸,或各种氨基酸配比不当,都会影响动物的正常生长发育。因此,氨基酸的测定在动物饲养、营养生理和蛋白质代谢、理想蛋白质模型的研究以及生产实践中都有重要意义。目前,我国科研工作者在这方面作了大量的实验研究。冯平[19]测定了小麦麸中赖氨酸、精氨酸、苏氨酸、亮氨酸、组氨酸的定标,相关系数在0.84~0.97之间。魏瑞兰等[20]测定了花生饼粕中的8种氨基酸含量,取得了很好的效果。任继平等[21]研究表明,利用NIRS技术测定饲料原料氨基酸含量,具有快速、准确、成本低的特点。饲料厂可以利用NIRS技术对主要饲料原料氨基酸含量进行在线监测,调整配方和采购策略,降低生产成本,提高产品质量。

  3.3可消化氨基酸的测定

  NIRS法用于饲料中真可消化氨基酸的研究近几年国内主要是以中国农业大学丁丽敏等人的科研成果居多,他们进行了大量的可消化氨基酸的测定工作。1998年测定了鸡饲料中的真可消化氨基酸含量[22]。1999年进行了鱼粉氨基酸含量的测定,赖氨酸、蛋氨酸、肤氨酸、总的氨基酸的标准差分别为:0.375、0.304、0.074、2.041,相关系数分别为:0.939、0.664、0.962、0.975,取得了较满意结果[23]。同年,还测定过豆粕、玉米的真可消化氨基酸含量,豆粕中除与胱氨酸有关的几个方程外,其它氨基酸的定标经检验证明具有良好的预测性能,玉米真可消化氨基酸的定标性能不如豆粕好,目前还不能进行实际的应用,但大部分氨基酸定标方程的相关系数经F检验达到极显著水平,说明用NIRS预测玉米真可消化氨基酸是可行的[24]。2000年测定了棉籽粕、菜籽粕的真可利用氨基酸含量,结果表明棉籽粕除胱氨酸和色氨酸,菜籽粕除赖氨酸外,其它氨基酸的变异系数都在7%以下,经检验证明其定标具有良好的预测性能[25]。

  3.4有效能的估测

  传统的湿法化学分析方法在预测饲草品质和其营养价值时,费时耗材、花费大,而且有时要用到危险性化学药品。因此,NIRS技术的优点得到了进一步的体现,在预测干燥样品的消化性参数方面备受青睐,随后也应用在未干燥过的饲料样品,经查阅多是国外科学家的研究报道,国内很少有资料报道。ParkR.S.等[26]对未干燥的饲草进行了消化性能的检测。XiccatoG.等[27]用NIRS预测兔用混合饲料的总能和消化能,相关系数达0.90,每千克物质中预测标准差分别为0.26、0.37MJ,干物质消化率和总能消化率也得到勉强的检测结果。Givens等[28]对青贮玉米饲料的消化能进行了检测。Gordon,F.J.[29]通过NIRS技术预测了未干燥的青贮饲草饲料的摄食量和有机物质的消化能含量。

  3.5矿物质和维生素的检测

  NIRS技术是通过分子吸收光谱进行检测的,通过其与有机物质结构的联系,可以检测饲草中的矿物质含量,但其应用在微量矿物质的检测还是一项新兴技术,直到2004年CozzolinoD.等[30]首次对白苜蓿和紫花苜蓿两种豆科植物进行了Na、S、Cu、Fe、Mn、Zn和B的测定,每千克干物质中定标相关系数和变异系数标准差Na和S分别为0.83(0.8)、0.86(2.5),每千克干物质B、Zn、Mn、Cu和Fe分别为0.80(4.4)、0.80(10.6)、0.78(22.9)、0.76(0.83)、0.57(25.7),S、Na和B的预测标准差分别为5.5、1.2和4.2,达到了满意的结果。

  维生素分子中含有的含氢基团使理论上应用NIRS技术检测其含量成为可能。我国最先应用NIRS检测了饲料中的维生素含量,国外鲜有报道。李秋玫等[31]预测了多维预混料中维生素E的含量,预测值和实测值相关性显著(R=0.985)。王文杰[32]曾用NIRS技术对预混料中维生素A、喳乙醇、土霉素的检测进行研究,证明NIRS是一种有应用价值的监测手段。

  3.6饲料品质的评价

  近红外技术在评定植物、草料和饲料的品质及预测饲粮的质量方面,已作为一种快速且行之有效的办法,提供给家畜营养学家、研究员、农业顾问和饲料原料咨询者等。通过分析饲料组织结构的直接方法和从动物排泄物中预测饲粮品质的间接方法,检测饲料中的主要指标,例如粗蛋白、消化率、酸性纤维、中型纤维、丹宁酸和矿物质等,来综合评价饲料的营养价值。

  目前国外科学家已经把检测重点和难点从单一原料、饲草饲料、青贮饲料转移到混合饲料品质的检测,通过不断丰富检测样品的种属分类,扩充不同生长阶段和地域的样品,及样品的收获期和水分含量,取得不同模型的定标方程,建立了完善的模型数据库[33-37]。

  国内主要还是以单一原料为主的品质鉴定,对于混合饲料、全价饲料的品质评价没有建立起全面的定标模型,应尽快加大基础科研工作的投入。焦仁海等[38]应用NIRS对6个玉米杂交种籽粒品质进行分析,将分析结果与农业部谷物品质监督检验测试中心化验结果的一致性和相关性进行比较,并算出了蛋白质、粗淀粉、粗脂肪的回归方程,认为在玉米回交转育和加代过程中可以用NIRS光谱仪辅助分析化学成分,使选择向即定目标进行,用于品种成分鉴定或批量粮食调运的成分分析,效果良好。孟兆芳等[39]应用NIRS以豆粕为试材,建立豆粕粗蛋白快速分析检测模型,结果表明,近红外光谱分析方法的预测值与化学分析值有显著的相关性,相关系数为0.9783。牛智有等[40]利用NIRS检测145个鱼粉样品化学成分,其中115个作为定标集,其余30个作为检验集,采用偏最小二乘法(PLS)建立定标模型,并对原始光谱进行预处理。结果表明,在置信度为99%下,除钙之外,其它成分均为高度显著。近红外光谱分析技术可以检测鱼粉中的水分、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、总磷和盐分,但对钙的预测结果不理想。

  4NIRS法应用前景与存在问题

  饲料工业需快速而准确地获得与饲料营养价值有关的数据,一方面可根据其营养价值对一种饲料原料的合理价格进行谈判;另一方面可准确地将各种饲料原料配合在全价日粮中,在满足动物营养需要的情况下获得最低成本配方。NIRS法具有快速、简便的优点,随着各种技术、理论及方法的不断发展,应用领域也越来越广。在饲料分析方面,不仅能用于饲料常量成分分析,也能用于微量成分、有毒有害成分的检测,检测预混添加剂和预混料中的微量成分和含量,及评价饲料的营养价值。除此以外,饲料厂可以利用NIRS技术进行在线监测,调整配方和采购策略,降低生产成本,提高产品质量。因此,NIRS技术有着广阔的应用前景。

  当然NIRS技术在应用中也受到诸多因素的影响,如定标样品的选择、制备、精确的化学分析、近红外仪器操作技术、计算机及其配套软件等。尤其是其准确性不能比它所依赖的化学分析法更好,所以在推广应用该技术时,必须使用准确、精确的化学分析值及适当的定标操作技术,即NIRS法必须实行系统的标准化操作。同时,许多饲料厂还没有能力购买NIRS分析仪器,有些饲料厂虽然拥有自己的NIRS分析仪器,却没有能力建立可靠的定标方程,在一定程度上也限制了NIRS技术的推广。

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