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飼料領域中如何應用應用近紅外光譜定量分析技術

近紅外光譜(Near lnfrared Spectroscopy，NIBS)分析技術是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新的成分分析技術，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，所以該技術未能用于食品和農(nóng)產(chǎn)品分析。真正使NIBS分析技術應用于農(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定量分析技術之后，其理論是：物質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、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  飼料領域中如何應用NIRS定量分析技術

    上述國內(nèi)外研究工作均采用相對NIR法，尚未見NIT分析技術在飼料領域中的研究報道?？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，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分析法得到的結果之間可靠的函數(shù)關系，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)變量轉換法、乘性散射校正法和加權乘性散射校正法等，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，結果需用猜測標準差(Standard Error of Prediction)和相關系數(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分析技術檢測飼料品質情況

    NIBS分析技術究竟是在對農(nóng)產(chǎn)品尤其是谷物品質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)品的品質分析和應用研究。近十幾年來筆者檢索到的用NIRS分析技術測定水分和／或蛋白質和／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分析技術作了很多研究，水分、蛋白質、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(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。