NIRS分析技术在饲料品质检测中的应用

综　述NIRS 分析技术在饲料品质检测中的应用苏彩珠,尹平河3(广州暨南大学生命科学技术学院,广州510632)摘　要:简介近红外光谱(Near Infrared S pectroscopy ,N IRS )分析技术的优点、原理和应用,并重点对其在饲料品质检测中的应用进行综述(引用文献共51篇)。

关键词:近红外光谱;饲料;应用;综述中图分类号:O65 文献标识码:A 文章编号:100124020(2003)022*******PRESEN T STA TUS OF THE APPL ICA TION OF N IRS TO THEQUAL IT Y INSPECTION OF FODDERSSU C ai 2zhu ,YIN Ping 2he(Chemist ry Depart ment of Ji ′nan U niversity ,Guangz hou 510632,China )Abstract :A review on the application of N IRS to the quality inspection of fodders in the last decade was present 2ed.The principles and advantages of N IRS were discussed briefly (51references cited ).K eyw ords :N IRS ;Quality inspection ;Fodders ;Review1　NIRS 分析技术简介近红外光谱(N IRS )分析技术是20世纪70年代发展起来的一种新的成分分析技术,其应用光谱区段按人为划分稍有差异,波长范围大约为3～0170μm ,属于红外光谱范围,和可见光一样,都是电磁波的一个组成部分[1,2]。

N IRS 分析技术按检测光的不同可分为近红外反射(Near Infrared Re 2flectance ,N IR )和近红外透射(Near Infrared Trans 2mittance ,N IT )两种,但由于只经粉碎的饲料样品在此光谱区段的反射率很低,难于测量,而散反射较高,在饲料领域的实际应用研究中目前普遍使用近收稿日期:2001206211作者简介:苏彩珠(19662),女,广东人,工程师,理学学士,研究　方向为现代分析技术的应用。

暨南大学在职硕士研究生,黄埔出　入境检验检疫局工作。

3联系人红外漫反射光谱。

应用N IRS 分析技术作为一种定量分析方法,与化学法或物理化学法相比,主要具有如下优点:①无须称样,可以连续无限次地进行分析;②样品制备简单,只需粉碎,不用任何化学试剂处理,或者根本不用样品制备,对样品无损耗,测定后仍可作它用;③测定快速,只需几秒钟或几分钟即可完成[2],且一次可完成多个成分的测定。

因此,N IRS 分析法也称无损分析法,已引起化学和分析测试工作者的普遍重视,许多科学家认为此种技术将成为21世纪快速、实时分析和过程控制的最先导技术。

近红外光谱作为电磁波的一个组成部分,具有电磁波和物体作用时表现出的一般特性,如透射、漫反射、吸收等,此外,其最突出的特点是这一光谱区域为含氢基团(OH 、SH 、CH 、N H 等)的倍频和合频吸收区[2,3]。

物质的近红外光谱是其中各基团振动的倍频和组合频率的综合吸收表现[4]。

尽管朗伯2(上接第123页)参考文献:[1]　中国预防医学科学院劳动卫生与职业病研究所主编.车间空气检测检验方法(第三版)[M ].北京:人民卫生出版社,1990.204.[2]　国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法(第三版)[M ].北京:中国环境科学出版社,1989.376.・621・第39卷　第2期2003年2月理化检验2化学分册PTCA (PART B :CHEMICAL ANAL YSIS )Vol.39　No.2Feb.2003比耳定律适合每个基团的吸收强度与其含量之间的定量关系,即当介质厚度一定时,被测组分含量与特征吸收波长处反射率倒数的对数呈线性关系。

但对于一个吸收峰高度叠加光谱的定量分析,简单地应用朗伯2比耳定律显然是不合适的。

这也是传统的光谱工作者避开近红外区的原因之一。

1976年Norris[5～7]提出相对N IRS定量分析技术,应用多元回归模型,成功地将N IRS定量分析技术应用于谷物中某些成分如水分、蛋白质等含量研究,其理论是物质中某一化学成分的含量与近红外区内多个不同的波长点吸收率呈线性关系,即C nirs=B0+B1A1+B2A2+……+B x A x B0,……,B x为回归系数(也是在第K个波长点的吸收常数),A1,……,A x为在第K个波长点的吸收强度,C nirs为近红外区光谱分析的某个化学成分含量。

通过收集/制备一定足够数量有代表性的样品,并用常规法测定其化学成分含量,用N IRS分析仪扫描收集这些样品的光谱数据和曲线,再运用适当的光谱信息预处理和回归方法进行校正,可获得K个波长点的回归系数,再用这个被确定的模型来预测未知样品中该化学成分的含量。

随着相对N IRS定量分析技术的出现,经典的N IRS分析技术就逐渐被相对N IRS技术取代。

也就是相对N IRS 技术的出现,才使N IRS成为真正的应用技术。

近十几年来,随着计算机技术的发展,大量光谱数据的处理成为可能;同时,N IRS分析技术本身也不断地发展,如采用的光谱区段、进样方法、光谱采集方法及定标用的统计方法等,都使N IRS分析技术的应用日益广泛,由最早谷物中水分含量的测定发展到同时测定谷物中的蛋白质、淀粉、油分等多种组分,应用范围也由农业扩展到食品、医药、纺织、石油等行业[8]。

在饲料品质检测领域,N IRS分析技术的应用研究也相当活跃。

2　国外NIRS分析技术检测饲料品质情况N IRS分析技术毕竟是在对农产品尤其是谷物品质分析的研究中形成发展起来的,目前文献涉及N IRS分析绝大多数是相对N IR分析,而且多数是农产品方面的品质分析和应用研究,在饲料方面的应用也几乎全是对饲料作物及其产品的品质分析和应用研究。

近十几年来笔者检索到的用N IRS分析技术测定水分/或蛋白质/或脂肪的报道共221篇,除26篇涉及医学、15篇涉及环境生态、9篇涉及木材及其加工等行业外,其余171篇都是关于农产品类的研究,其中饲料类32篇,具体报道情况见表1。

虽然相对N IR分析技术作为预测粗蛋白含量的快速检测方法已于1989年被AOAC首次通过,但由于该方法在实际应用中技术性能变化较大, AOAC也只是对该方法作一些规则性描述。

由表1可以看到,长期以来,许多学者应用相对N IR分析技术作了很多研究,水分、蛋白质、脂肪、灰分是做得比较多的项目,定标应用效果良好。

近十几年来,国外应N IT分析技术测定粮谷中水分、蛋白质、油分、淀粉等项目含量的研究报道,效果也使人满意[39～44]。

由于N IT检测器接收的是穿过样品的光,所以很少或不用制备样品,用于测定水分、粗蛋白质的准确性及重复性优于相对N IR分析技术,但对油、脂肪则不及相对N IR分析技术。

目前美国、加拿大、澳大利亚及几个欧洲国家间已建立N IT分析网络,用于仓储小麦的粗蛋白分析。

国外尚未见N IT分析技术在饲料领域中的研究报道。

3　国内NIRS分析技术检测饲料品质情况我国N IRS分析技术的研究起步较晚。

七五期间,相对N IRS定标软件的研制列入国家攻关计划。

这段时间,以中国农业科学院畜牧研究所为主,全国约20家研究所联合共同研制了一些饲料质量分析定标软件,如饲料用玉米、大豆粕、苜宿粉、蛋鸡配合饲料中的干物质(DM)、粗蛋白(CP)、粗纤维(CF)和灰分含量定标软件以及六种饲料的消化能(DE)和代谢能(M E)、四种饲料原料的氨基酸(AA)、六种饲料的植酸磷、饲料添加剂中喹乙醇分析软件[45]。

之后,中科院长春光机所研制出了具有9个滤光片N IR1501型近红外反射光谱仪,到1996年出现了该国产N IR分析仪器在饲料检测中的应用研究[46,47]。

与国外研究情况相似,我国的N IRS技术也多以粮谷作物及其产品为研究对象,文献[6,7]中提及的“饲料”都是饲草类或粮谷类配合饲料。

文献[47]于1996年应用国产滤光片式N IR分析仪对全国各饲料厂及原料供应商采集的50个鱼粉样品(48个用于定标)的水分、粗蛋白含量进行定标、预测,效果良好。

同年,福建省测试技术研究所用N IR分光光度计成功地测定成鳗饲料中粗纤维含量[48]。

王文杰[49]报道曾用N IR技术对预混料中维生素A、喹乙醇、土霉素的检测进行研究,证明N IR是一种有应用价值的监测手段。

丁丽敏[50,51]用N IR技术・721・对鱼粉的氨基酸含量和豆粕、玉米的真可消化氨基酸含量进行定标和预测,结果表明鱼粉赖氨酸和总的氨基酸的定标效果达到可利用程度,而蛋氨酸和胱氨酸的定标精度有待进一步提高;豆粕中除与胱氨酸有关的方程差外,其它氨基酸的定标方程经检验有良好的预测性能;玉米真可消化氨基酸的定标性能不如豆粕好,目前还不能应用。

国内也未有N IT分析技术在饲料领域中的研究报道。

上述国内外这些研究工作为我国饲料行业应用N IRS分析技术提供了大量的基础数据。

但是,近十几年来我国在N IRS分析技术研究上仍处于摸索阶段,在仪器和研究方法上均落后于欧美国家。

目前N IRS分析技术还没有在我国农业科研和生产中得到真正的应用[6,7]。

表1　国外应用NIRS分析饲料品质概况[9～40]T ab.1　Application of NIRS in the qu ality analysis of fodder样品Sample应用光谱Spectrometry applied测定项目Items determined结　论Conclusion参考文献References苜蓿草NIR　Ash、CP、CF、NDF、ADF、ADL、总氮、DM、微量CP　ADL,微量CP不能预测,其它项目可以使用[9,10]牧草NIR ADF、CP、蛋白水解程度、脂肪、灰分、纤维素、P、K、Ca、Mg、Na、NDF、总能、OMD可以使用(ADL除外)[11～15]牛马饲草NIR　水分含量、蛋白降解性、NDF、ADF可以使用[16～18]牛粪便NIR CP、IVDOM、DE、OM、Fat、氮含量、水分　可以使用,微波干燥的需用真空干燥校正[19～21]　饲料玉米、小麦、黄豆粕及混有粮谷、苜蓿、肉和鱼粉的混合饲料NIR蛋白质、水分、淀粉、CF、Ash单种成分好于混合饲料[22]枯萎苜蓿草NIR可溶性蛋白质及氮含量　枯萎前比后可溶性蛋白含量高[23]牧场草混料NIR　CP、NDF、ADF、ADL、木质素、纤维素可以使用[24,25]饲料玉米NIR 代谢能(MEC)、CP、NDF、淀粉、可容性糖、水分、ADF、CF、ADL、Ash　可以使用,优于其它检测方法[26～28]米糠NIR水、油灰分可以使用(r=0.94)[29]饲料干草NIR　正常消化或消化不良时的波长点NIR信息好于化学法[30]新鲜牧草NIR氮的降解性　NIR数据比化学成分对了解全过程更有意义[31]牧场青贮饲料作物NIR CP、WSC(水溶性糖)、水、CF、Ash、NDF、ADF、ADL　CP最好,接着WSC...,依次差[32]氨水处理稻草NIR OMD(有机物消化率)、CP、NDF、ADF、ADL　处理前后前三者含量无变化;处理后OMD高度负相关(-0.97)[33]　饲料干草、饲草、饲料玉米NIR水分r=0.98,SEC=0.20[34]饲料谷物NIR NIR在小麦种植国家已作为水分,蛋白质的日常测定方法,也有望发展成为可以测其它品质成分的快速方法[35]兔子复合饲料NIR CP、DM、GE、DE满意[36]　肉骨粉、鱼粉、家禽副产品、黄豆粕NIR　真可消化氨基酸(赖氨酸,蛋氨酸)NIR值更准确[37]鱼粉、肉骨粉NIR氨基酸、可消化氨基酸　预测误差不完美,但足以实际应用[38]参考文献:[1]　Mohsenin N.Electromagnetic Radiation Properties of Foods and Agricultural Products[M].United States of America:G ordon and Breach Science Publishers,1983. 275～315.・821・[2]　Williams P,Norris K.Near Infrared Technology in A2gricultural and food Industries[Z].United States of America:American Association of Cereal Chemists, 1990.185～210.[3]　钟海庆.红外光谱入门[M].北京:化学工业出版社,1984.1～40.[4]　Naest Marten H.Multivariate Calibration by Data Com2pression[A].In:Williams P,Norris K H,et al.Near infrared Technology in the Agricultural and food Industry [M].St.Paul:AACC,1997.234～276.[5]　Norris K H.J Anim Sci[J],1976,43:4.[6]　杨曙明.分析测试仪器通讯[J],1997,7(4):215.[7]　杨曙明,张瑜.分析检验学报[J],1999,18(1):85.[8]　Matin K A.Applied Spectroscopy Reviews[J],1992,27(4):325.[9]　Berardo N.Grass and Forge Science[J],1997,52(1):27.[10]　Alexandrov A N,Atanassova S L,Peltekova V D,etal.Proceedings7th International 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