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饲料领域中如何应用近红外光谱定量分析技术
发布时间:2017-10-23   点击次数:864次
饲料领域中如何应用应用近红外光谱定量分析技术
近红外光谱(Near lnfrared Spectroscopy,NIBS)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,其应用波长范围大约为3-0.70um,属红外光谱范围,是电磁波的一个组成部分。NIRS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zui突出的特点是这一光谱区域为含氢基团的倍频和合频吸收区。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。尽管朗伯一比尔(Lamher-Beer)定律适合每个基团的吸收强度与其含量之间的定量关系,但对于一个吸收峰高度叠加光谱的定量分析,简单地应用朗伯一比尔定律显然是分歧适的。这也是传统的光谱工作者避开近红外区的原因之一。
    早期的NIRS分析技术主要是利用近红外的透射(Near lnfrared Transmittance,NIT)光谱测定液体中的水分含量和苯、乙醇等含一OH基团的化合物[刨。由于大多数食品和农产品的未破坏无损伤物料对NIRS来说是不透明体,丈量其透射率有一定困难,所以该技术未能用于食品和农产品分析。真正使NIBS分析技术应用于农产品方面是1976年Norris将近红外反射光谱应用于谷物的水分研究并提出相对NIRS定量分析技术之后,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。
    通过对一批已知其化学成分含量的NIRS校正,可获得X个波长点的回回系数,再用这个被确定的模型来猜测未知样品中该化学成分的含量。
    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,NIRS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NIBS分析技术的应用日益广泛,由zui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。
1  饲料领域中如何应用NIRS定量分析技术
    上述国内外研究工作均采用相对NIR法,尚未见NIT分析技术在饲料领域中的研究报道。纵观近10年来国内外的应用研究情况,应用NIRS作为饲料的定量分析技术,都遵循这样的过程--定标(Calibration)和猜测(Prediction)。定标目的在于建立常规分析方法和NIRS分析法得到的结果之间可靠的函数关系,包括定标样品的选择,常规法测定定标样品某成分含量,获取定标样品的光谱数据并进行数学处理,经回回计算产生某成分的定标方程,再对该成分定标方程的正确性进行评价。定标样品在数目理论上只要比回回自由度的数目多一个就可以计算,但实际上数目越多,定标方程越有普遍意义。实际工作中,至少应考虑取50个样品。光谱数据的预处理和采用的回回校正方法是影响定标方程效果的主要因素,预处理较多采用趋势变换法、标准正态变量转换法、乘性散射校正法和加权乘性散射校正法等,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)和傅立叶转化等,其中PLS法是目前NIBS分析上应用zui多的回回方法。猜测是考察定标方程在实际应用中的可行性,其样品的选择和处理与定标用的样品大致一样,只是样品数目和成分含量分布不必象定标样品严格,结果需用猜测标准差(Standard Error of Prediction)和相关系数(Rc)来衡量。为了获得满足的Rc要留意尽量多收集样品,并增加样品的覆盖范围,使各不同含量水平的定标样品数目尽可能均匀分布。
2  国内外应用NIB分析技术检测饲料品质情况
    NIBS分析技术究竟是在对农产品尤其是谷物品质分析的研究中形成和发展起来的,目前文献涉及的NIBS分析尽大多数是相对NIB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NIRS分析技术测定水分和/或蛋白质和/或脂肪的报道共有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篇都是关于农产晶类的研究,其中饲料类33篇。这33篇报道,都采用相对NIR分析方法。
    固然相对NIB分析技术作为猜测粗蛋白含量的快速检测方法已于1989年被AOAC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。上述33篇饲料类文献表明,长期以来很多学者对相对NIB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,参见文献国外的实验材料多数选单一原料,也有报道混合饲料的相对NIB效果差于单一原料,对动物性饲料原料或混料的研究较少。
    我国NIBS分析技术的研究起步较晚。"七五"期间,以中国农业科学院畜牧所为主,全国约20家研究所联合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6种饲料的消化能(DE)和代谢能(ME)、4种饲料原料的氨基酸(AA)、6种饲料的植酸磷、饲料添加剂中喹乙醇分析软件。之后,中科院长春光机所研制出了具有9个滤光片NIRl501型近红外反射光谱仪,到1996年出现了该国产NIR分析仪在饲料检测中的应用研究。与国外情况相似,我国的NIBS技术也多以粮谷作物及其产品为研究对象,文献中提及的"饲料"都是饲草类或粮谷类配合饲料。文献于1996年应用国产滤光片式NIR分析仪对全国各饲料厂及原料供给商采集的50个鱼粉样品(48个用于定标)的水分、粗蛋白含量进行定标、猜测,效果良好。同年,福建省测试技术研究所用NIR分光光度计成功地测定成鳗饲料中粗纤维含量。王文杰报道曾用NIR技术对预混料中维生素A、喹乙醇、土霉素的检测进行研究,证实NIR是一种有应用价值的监测手段。丁丽敏用NIR技术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猜测,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进步;豆粕中除与胱氨酸有关的方程较差外,其它氨基酸的定标方程经检验有良好的猜测性能;玉米真可消化氨基酸的定标性能不如豆粕好,目前还不能实际应用。
 
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