近紅外光譜分析技術(shù)（Nearinfraredreflectancespectroscopy，簡(jiǎn)稱NIRS）是20世紀(jì)70年代興起的一種新的成分分析技術(shù)。該技術(shù)首先由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）的Norris開發(fā)，zui早用于谷物中水分、蛋白質(zhì)的測(cè)定。20世紀(jì)80年代中后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和化學(xué)計(jì)量學(xué)研究的深入，加之近紅外光譜儀器制造技術(shù)的日趨完善，促進(jìn)了近紅外光譜分析技術(shù)的極大發(fā)展。由于現(xiàn)代NIRS分析技術(shù)所*的特點(diǎn)，NIRS已成為近年來發(fā)展zui快的快速分析測(cè)試技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是歐美及日本等發(fā)達(dá)國家，已將許多近紅外光譜法作為標(biāo)準(zhǔn)方法。盡管NIRS技術(shù)在飼料工業(yè)上的應(yīng)用起步較晚，但越來越被人們所重視。
1近紅外光譜分析技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)
1.1近紅外光譜法的基本原理
近紅外光譜的波長范圍是780～2500nm，通常分為近紅外短波區(qū)（780～1100nm，又稱Herschel光譜區(qū)）和近紅外長波區(qū)（1100～2500nm）。近紅外光譜源于有機(jī)物中含氫基團(tuán)，如OH、CH、NH、SH、PH等振動(dòng)光譜的倍頻及合頻吸收，以漫反射方式獲得在近紅外區(qū)的吸收光譜，通過主成分分析、偏zui小二乘法、人工神經(jīng)網(wǎng)等化學(xué)計(jì)量學(xué)的手段，建立物質(zhì)光譜與待測(cè)成分含量間的線性或非線性模型，從而實(shí)現(xiàn)用物質(zhì)近紅外光譜信息對(duì)待測(cè)成分含量的快速計(jì)算。
1.2近紅外光譜法的特點(diǎn)
1.2.1近紅外光譜分析的優(yōu)點(diǎn)
近紅外光譜法的優(yōu)點(diǎn)：①簡(jiǎn)單，無繁瑣的前處理且不消耗樣品；②快速；③光程的度要求不高；④所用光學(xué)材料便宜；⑤近紅外短波區(qū)域的吸光系數(shù)小，穿透性高，可用透射模式直接分析固體樣品；⑥適用于近紅外的光導(dǎo)纖維易得，利用光纖可實(shí)現(xiàn)在線分析和遙測(cè)；⑦，可同時(shí)完成多個(gè)樣品不同化學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)；⑧環(huán)保，檢測(cè)過程無污染；⑨儀器的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，易于維護(hù)；⑩應(yīng)用廣泛，可不斷拓展檢測(cè)范圍。
1.2.2近紅外光譜分析的缺點(diǎn)
近紅外也有其固有的缺點(diǎn)：①由于測(cè)定的是倍頻及合頻吸收，靈敏度差，一般要求檢測(cè)的含量?1%；②建模難度大，定標(biāo)模型的適用范圍、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性即選擇計(jì)量學(xué)方法的合理性，都將直接影響zui終的分析結(jié)果。
2近紅外光譜儀的典型類型及進(jìn)展
NIRS儀器一般由光源、分光系統(tǒng)、樣品池、檢測(cè)器和數(shù)據(jù)處理5部分構(gòu)成。根據(jù)分光方式，NIRS儀器可分為：①濾光片型，分為固定濾光片和可調(diào)濾光片兩種，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、光通量大、信號(hào)記錄快、堅(jiān)固耐用，但只能在單一波長下測(cè)定，靈活性差。②掃描型近紅外光譜儀，分光原件可以是棱鏡和光柵，該類儀器可進(jìn)行全譜掃描、分辨率較高、儀器價(jià)格適中、便于維護(hù)；缺點(diǎn)是光柵的機(jī)械軸易磨損，抗振性較差，不適合在線分析。③傅里葉變換近紅外光譜儀，是20世紀(jì)80年代以來的主導(dǎo)產(chǎn)品，其掃描速度快、波長精度高、分辨率好，短時(shí)間內(nèi)可進(jìn)行多次掃描，信噪比和測(cè)定靈敏度較高，可對(duì)樣品中的微量成分進(jìn)行分析，但干涉儀中有移動(dòng)性部件，需較穩(wěn)定的工作環(huán)境，定性和定量分析采用全譜校正技術(shù)。④固定光路多通道檢測(cè)近紅外光譜儀，是20世紀(jì)90年代新發(fā)展的一類NIRS儀器，采用全息光柵分光，加之檢測(cè)器的通道數(shù)達(dá)1024或2048個(gè)，可得很好的分辨率，全譜校正，可進(jìn)行定性和定量分析。儀器光路固定，波長精度高和重現(xiàn)性得到保證，而且無移動(dòng)部件，其耐久性和可靠性都得到提高，適合現(xiàn)場(chǎng)分析和在線分析。⑤聲光可調(diào)濾光器近紅外光譜，被認(rèn)為是20世紀(jì)90年代NIRSzui突出的進(jìn)展，其分光器件為聲光可調(diào)濾光器，根據(jù)各向異性雙折射晶體的聲光衍射原理，采用具有較高的聲光品質(zhì)因素和較低的聲衰減的雙折射晶體制成分光器件，無機(jī)械移動(dòng)部件，測(cè)量速度快、精度高、準(zhǔn)確性好，可以長時(shí)間穩(wěn)定的工作，且可以消除光路中各種材料的吸收、反射等干擾。
3近紅外光譜分析技術(shù)在飼料檢測(cè)中的應(yīng)用
3.1常規(guī)成分的檢測(cè)
NIRS在飼料檢測(cè)中，zui初多是用于飼草原料和谷物類原料中水分和蛋白質(zhì)含量的檢測(cè)，隨后用于油料作物籽實(shí)的水分、蛋白質(zhì)等的檢測(cè)，都獲得了滿意的結(jié)果。zui早由Norris[1]應(yīng)用NIRS測(cè)定了飼草原料中的粗蛋白、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]均利用該技術(shù)分析鑒定了飼草原料的品質(zhì)。隨著NIRS技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，Schaalje和Mundel[8]測(cè)定了大豆的氮含量；Fontaine等[9]完成了對(duì)魚和魚粉中油脂和蛋白質(zhì)含量的檢測(cè)；Garcia-CiudadA.等[10]估測(cè)了NIRS評(píng)價(jià)半干旱牧草地飼草的氮含量的相關(guān)性，建立了良好的定標(biāo)模型；ParkR.S.等[11]利用NIRS對(duì)未干燥飼草進(jìn)行了各種化學(xué)成分的預(yù)測(cè)，也取得了良好的效果。
我國在20世紀(jì)90年初也開展了NIRS測(cè)定飼料各種成分定標(biāo)軟件的研制，先后完成了飼料和飼料原料中干物質(zhì)、粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、灰分、氨基酸等指標(biāo)的定標(biāo)檢測(cè)
3.2氨基酸的檢測(cè)
氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單位，也是蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物。缺少某種氨基酸，特別是必需氨基酸，或各種氨基酸配比不當(dāng)，都會(huì)影響動(dòng)物的正常生長發(fā)育。因此，氨基酸的測(cè)定在動(dòng)物飼養(yǎng)、營養(yǎng)生理和蛋白質(zhì)代謝、理想蛋白質(zhì)模型的研究以及生產(chǎn)實(shí)踐中都有重要意義。目前，我國科研工作者在這方面作了大量的實(shí)驗(yàn)研究。馮平[19]測(cè)定了小麥麩中賴氨酸、精氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、組氨酸的定標(biāo)，相關(guān)系數(shù)在0.84～0.97之間。魏瑞蘭等[20]測(cè)定了花生餅粕中的8種氨基酸含量，取得了很好的效果。任繼平等[21]研究表明，利用NIRS技術(shù)測(cè)定飼料原料氨基酸含量，具有快速、準(zhǔn)確、成本低的特點(diǎn)。飼料廠可以利用NIRS技術(shù)對(duì)主要飼料原料氨基酸含量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，調(diào)整配方和采購策略，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
3.3可消化氨基酸的測(cè)定
NIRS法用于飼料中真可消化氨基酸的研究近幾年國內(nèi)主要是以中國農(nóng)業(yè)大學(xué)丁麗敏等人的科研成果居多，他們進(jìn)行了大量的可消化氨基酸的測(cè)定工作。1998年測(cè)定了雞飼料中的真可消化氨基酸含量[22]。1999年進(jìn)行了魚粉氨基酸含量的測(cè)定，賴氨酸、蛋氨酸、膚氨酸、總的氨基酸的標(biāo)準(zhǔn)差分別為：0.375、0.304、0.074、2.041，相關(guān)系數(shù)分別為：0.939、0.664、0.962、0.975，取得了較滿意結(jié)果[23]。同年，還測(cè)定過豆粕、玉米的真可消化氨基酸含量，豆粕中除與胱氨酸有關(guān)的幾個(gè)方程外，其它氨基酸的定標(biāo)經(jīng)檢驗(yàn)證明具有良好的預(yù)測(cè)性能，玉米真可消化氨基酸的定標(biāo)性能不如豆粕好，目前還不能進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用，但大部分氨基酸定標(biāo)方程的相關(guān)系數(shù)經(jīng)F檢驗(yàn)達(dá)到極顯著水平，說明用NIRS預(yù)測(cè)玉米真可消化氨基酸是可行的[24]。2000年測(cè)定了棉籽粕、菜籽粕的真可利用氨基酸含量，結(jié)果表明棉籽粕除胱氨酸和色氨酸，菜籽粕除賴氨酸外，其它氨基酸的變異系數(shù)都在7%以下，經(jīng)檢驗(yàn)證明其定標(biāo)具有良好的預(yù)測(cè)性能[25]。
3.4有效能的估測(cè)
傳統(tǒng)的濕法化學(xué)分析方法在預(yù)測(cè)飼草品質(zhì)和其營養(yǎng)價(jià)值時(shí)，費(fèi)時(shí)耗材、花費(fèi)大，而且有時(shí)要用到危險(xiǎn)性化學(xué)藥品。因此，NIRS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)得到了進(jìn)一步的體現(xiàn)，在預(yù)測(cè)干燥樣品的消化性參數(shù)方面?zhèn)涫芮嗖A，隨后也應(yīng)用在未干燥過的飼料樣品，經(jīng)查閱多是國外科學(xué)家的研究報(bào)道，國內(nèi)很少有資料報(bào)道。ParkR.S.等[26]對(duì)未干燥的飼草進(jìn)行了消化性能的檢測(cè)。XiccatoG.等[27]用NIRS預(yù)測(cè)兔用混合飼料的總能和消化能，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.90，每千克物質(zhì)中預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.26、0.37MJ,干物質(zhì)消化率和總能消化率也得到勉強(qiáng)的檢測(cè)結(jié)果。Givens等[28]對(duì)青貯玉米飼料的消化能進(jìn)行了檢測(cè)。Gordon,F.J.[29]通過NIRS技術(shù)預(yù)測(cè)了未干燥的青貯飼草飼料的攝食量和有機(jī)物質(zhì)的消化能含量。
3.5礦物質(zhì)和維生素的檢測(cè)
NIRS技術(shù)是通過分子吸收光譜進(jìn)行檢測(cè)的，通過其與有機(jī)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的，可以檢測(cè)飼草中的礦物質(zhì)含量，但其應(yīng)用在微量礦物質(zhì)的檢測(cè)還是一項(xiàng)新興技術(shù)，直到2004年CozzolinoD.等[30]對(duì)白苜蓿和紫花苜蓿兩種豆科植物進(jìn)行了Na、S、Cu、Fe、Mn、Zn和B的測(cè)定，每千克干物質(zhì)中定標(biāo)相關(guān)系數(shù)和變異系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差Na和S分別為0.83（0.8）、0.86（2.5），每千克干物質(zhì)B、Zn、Mn、Cu和Fe分別為0.80（4.4）、0.80（10.6）、0.78（22.9）、0.76（0.83）、0.57（25.7），S、Na和B的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差分別為5.5、1.2和4.2，達(dá)到了滿意的結(jié)果。
維生素分子中含有的含氫基團(tuán)使理論上應(yīng)用NIRS技術(shù)檢測(cè)其含量成為可能。我國zui先應(yīng)用NIRS檢測(cè)了飼料中的維生素含量，國外鮮有報(bào)道。李秋玫等[31]預(yù)測(cè)了多維預(yù)混料中維生素E的含量，預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值相關(guān)性顯著（R=0.985）。王文杰[32]曾用NIRS技術(shù)對(duì)預(yù)混料中維生素A、喳乙醇、土霉素的檢測(cè)進(jìn)行研究，證明NIRS是一種有應(yīng)用價(jià)值的監(jiān)測(cè)手段。
3.6飼料品質(zhì)的評(píng)價(jià)
近紅外技術(shù)在評(píng)定植物、草料和飼料的品質(zhì)及預(yù)測(cè)飼糧的質(zhì)量方面，已作為一種快速且行之有效的辦法，提供給家畜營養(yǎng)學(xué)家、研究員、農(nóng)業(yè)顧問和飼料原料咨詢者等。通過分析飼料組織結(jié)構(gòu)的直接方法和從動(dòng)物排泄物中預(yù)測(cè)飼糧品質(zhì)的間接方法，檢測(cè)飼料中的主要指標(biāo)，例如粗蛋白、消化率、酸性纖維、中型纖維、丹寧酸和礦物質(zhì)等,來綜合評(píng)價(jià)飼料的營養(yǎng)價(jià)值。
目前國外科學(xué)家已經(jīng)把檢測(cè)重點(diǎn)和難點(diǎn)從單一原料、飼草飼料、青貯飼料轉(zhuǎn)移到混合飼料品質(zhì)的檢測(cè)，通過不斷豐富檢測(cè)樣品的種屬分類，擴(kuò)充不同生長階段和地域的樣品，及樣品的收獲期和水分含量，取得不同模型的定標(biāo)方程，建立了完善的模型數(shù)據(jù)庫[33-37]。
國內(nèi)主要還是以單一原料為主的品質(zhì)鑒定，對(duì)于混合飼料、全價(jià)飼料的品質(zhì)評(píng)價(jià)沒有建立起全面的定標(biāo)模型，應(yīng)盡快加大基礎(chǔ)科研工作的投入。焦仁海等[38]應(yīng)用NIRS對(duì)6個(gè)玉米雜交種籽粒品質(zhì)進(jìn)行分析，將分析結(jié)果與農(nóng)業(yè)部谷物品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心化驗(yàn)結(jié)果的一致性和相關(guān)性進(jìn)行比較，并算出了蛋白質(zhì)、粗淀粉、粗脂肪的回歸方程，認(rèn)為在玉米回交轉(zhuǎn)育和加代過程中可以用NIRS光譜儀輔助分析化學(xué)成分，使選擇向即定目標(biāo)進(jìn)行，用于品種成分鑒定或批量糧食調(diào)運(yùn)的成分分析，效果良好。孟兆芳等[39]應(yīng)用NIRS以豆粕為試材，建立豆粕粗蛋白快速分析檢測(cè)模型，結(jié)果表明，近紅外光譜分析方法的預(yù)測(cè)值與化學(xué)分析值有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.9783。牛智有等[40]利用NIRS檢測(cè)145個(gè)魚粉樣品化學(xué)成分，其中115個(gè)作為定標(biāo)集，其余30個(gè)作為檢驗(yàn)集，采用偏zui小二乘法（PLS）建立定標(biāo)模型，并對(duì)原始光譜進(jìn)行預(yù)處理。結(jié)果表明，在置信度為99%下，除鈣之外，其它成分均為高度顯著。近紅外光譜分析技術(shù)可以檢測(cè)魚粉中的水分、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、總磷和鹽分，但對(duì)鈣的預(yù)測(cè)結(jié)果不理想。
4NIRS法應(yīng)用前景與存在問題
飼料工業(yè)需快速而準(zhǔn)確地獲得與飼料營養(yǎng)價(jià)值有關(guān)的數(shù)據(jù)，一方面可根據(jù)其營養(yǎng)價(jià)值對(duì)一種飼料原料的合理價(jià)格進(jìn)行談判；另一方面可準(zhǔn)確地將各種飼料原料配合在全價(jià)日糧中，在滿足動(dòng)物營養(yǎng)需要的情況下獲得*配方。NIRS法具有快速、簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，隨著各種技術(shù)、理論及方法的不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。在飼料分析方面，不僅能用于飼料常量成分分析，也能用于微量成分、有毒有害成分的檢測(cè),檢測(cè)預(yù)混添加劑和預(yù)混料中的微量成分和含量，及評(píng)價(jià)飼料的營養(yǎng)價(jià)值。除此以外，飼料廠可以利用NIRS技術(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，調(diào)整配方和采購策略，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，NIRS技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。
當(dāng)然NIRS技術(shù)在應(yīng)用中也受到諸多因素的影響，如定標(biāo)樣品的選擇、制備、的化學(xué)分析、近紅外儀器操作技術(shù)、計(jì)算機(jī)及其配套軟件等。尤其是其準(zhǔn)確性不能比它所依賴的化學(xué)分析法更好，所以在推廣應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，必須使用準(zhǔn)確、的化學(xué)分析值及適當(dāng)?shù)亩?biāo)操作技術(shù)，即NIRS法必須實(shí)行系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化操作。同時(shí),許多飼料廠還沒有能力購買NIRS分析儀器，有些飼料廠雖然擁有自己的NIRS分析儀器，卻沒有能力建立可靠的定標(biāo)方程，在一定程度上也限制了NIRS技術(shù)的推廣。
