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1、精选优质文档-倾情为你奉上近红外光谱技术在反刍动物饲草分析中的研究综述摘要：草是畜牧业生产的物质基础，饲草质量的好坏直接关系到畜产品质量的好坏。控制饲草质量、检测饲草原料的成分是饲草生产中非常重要的一环。近红外光谱技术是20世纪70年代发展起来的一项高效、快速的现代分析技术。它综合运用了计算机技术、光谱技术和化学计量学等多个学科的最新研究成果，以其独特的优点在多个领域得到了广泛的应用。尽管NIRS技术在饲草分析上的应用起步较晚，但越来越被人们所重视。目前，近红外光谱技术不仅能测定饲草中的水分、粗蛋白、粗纤维和粗脂肪等常规成分，还能测定饲草中的矿物质、微量元素和酶类等非常规成分，预测饲草的抗营养
2、成分。而且还可进行饲草的生物学效价评定，从而评定饲草的利用率及营养价值，并能分析草地的植物组成和饲草的茎叶比例。文章综合阐述了近红外光谱技术在饲草分析中的应用现状，并对其应用前景进行了展望。关键词：近红外光谱技术(NIRS)；饲草分析；展望The review of research of Near infrared spectroscopy in the analysis of ruminant animal forage grassAbstract: the grass is the material basis for the animal husbandry production, f
3、orage quality is directly related to animal products quality. Control quality of forage grass, the detection of forage grass raw material composition is very important in the production of forage grass. Near infrared spectrum technology is developed in the 1970 s a high efficient and rapid modern an
4、alysis technique. It integrated use of the computer technology, spectroscopy and chemical metrology, and many other disciplines of the latest research results, with its unique advantage has been widely used in many fields. Although NIRS technology application in analysis of forage grass started late
5、, but more and more attention by people. At present, the near infrared spectrum technology can not only measure the moisture in forage grass, crude protein, crude fiber and crude fat and other main compositions, also measure the forage grass in unconventional ingredients such as minerals, trace elem
6、ents and enzymes, prediction of forage grass nutrition. But also for forage grass biological titer Evaluation, so as to assess the utilization rate of forage grass and nutritional value, and can analyze the grass plant stem leaf proportion of composition and forage grass. Comprehensive article expou
7、nds the status quo of the application of near infrared spectroscopy in the analysis of forage grass, and prospects of its application is prospected.Keywords: near infrared spectroscopy (NIRS); Analysis of forage grass; Looking forward to1、引言近红外光谱分析技术是20世纪70年代发展起来的一项高效、快速的现代分析技术。它综合运用了计算机技术、光谱技术和化学计量
8、学等多个学科的最新研究成果，以其独特的优点在多个领域特别是农业领域得到广泛的应用。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NIRS分析技术的极大发展。NIRS分析技术按检测光的不同可分为近红外反射(nearinfrared reflectance，NIR)和近红外透射(near infrared tramsmittance，NIT)两种，目前在饲草领域的实际应用研究中普遍使用近红外漫反射光谱。NIRS法是应用饲草中各种有代表的有机成分在NIRS区域的光学吸收特性，且不同成分的最强吸收波长不同，吸收的强度与饲草有机物含量成正比的原理，通过对已知化学
9、成分含量的样品与其近红外反射光谱的回归分析，建立起定标方程，即可对同一种类及其相似类型的未知样品进行估测1-4。应用NIRS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；(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
10、；(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。因此，NIRS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先导技术。2 研究现状饲草是畜牧业生产的物质基础，饲草质量的好坏直接关系到畜产品质量的好坏。控制饲草质量、检测饲草原料的常规成分是饲草生产中非常重要的一环。现行的饲草品质检测普遍采用的是传统的经典分析方法，这些方法繁琐、测定周长，需对样品进行破坏性处理，要求人员有熟练的操作技术，检测费时、费用昂贵，不能即时得知饲料的营养价值，对生产的指导具有滞后性，严重制约
11、饲草品质的提高，实际工作中应用该法很不方便，在不同程度上限制了饲料质量管理上的快速检验。NIRS技术以其高效、成本低、环保无污染等特点，为快速、简便、准确地评定饲草营养价值提供了可能性，还便于对饲草营养价值进行即时监测，指导家畜日粮配制，提高饲喂质量。尽管NIRS技术在饲草分析上的应用起步较晚，但越来越被人们所重视5-7。21常规营养成分分析测定和分析饲草的常规营养成分是NIRS分析技术的传统应用领域，国内外学者利用NIRS分析技术在饲草的常规成分分析方面进行了大量的研究，取得了较满意的结果，并已经成为分析测定常规营养成分的标准方法之一。饲草的常规成分主要指水分、干物质(dry matter，
12、DM)、粗蛋白(crude protein，CP)、粗脂肪(ether extracts，EE)、粗灰分(crude ash，CA)、粗纤维(crude fiber，CF)、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber，ADF)和酸性洗涤木质素(acid detergent lignin，ADL)等指标。1976年Norris等首次利用NIRS技术对牧草的粗蛋白进行了测定，其后Alexandrov等和Berardo测定了苜蓿草的CP、总氮含量，Boever和Villamarin等分析了青贮饲草样品的CP。Gare
13、ia-Criado等用NIRS法分析不同生长阶段草地植物的CP含量，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。Gislum等对不同种的高羊茅和黑麦草样品的分析表明，NIRS技术能很好分析样品的CP含量，并指出要想使方程广泛应用于生产，必须每年收集样品，对方程进行纠正。Hansen用NIRS法测定了枯萎苜蓿草的可溶性蛋白质及氮含量，表明枯萎前比枯萎后可溶性蛋白含量高。除蛋白质外，此技术也先后被用在其他养分的检测上。Thiex利用NIRS测定千草、饲草、饲料玉米中的水分，相关系数高达098，取得了很好的效果。灰分(Ash)由于不含H键，长期以来被认为是不可能用NIRS法准确探测。
14、但Alexandrov等和Berardo用此法成功地测定了苜蓿草的AshE213；Boever等对牧场青贮饲料作物中的Ash进行了分析测定；Vazquez等的研究也表明NIRS技术可以很好地分析饲草样品中灰分含量，认为这可能是由于灰分与蛋白质等有机物结合在一起的缘故。此外，饲草中的CF，NDF，ADF，ADI。，DM指标均可用NIRS法测定，但是ADL的效果较差。Villamarin等按品种、茬次和年份收集了西班牙Galicia地区的青贮禾草样品，用NIRS法对样品的CP，NDF，ADF，CF进行了分析，其相关系数(R2)达09以上。同时，他认为可以用化学测定值的标准差与方程的预测标准差之比是
15、否大于30(sDSEV30)来作为接受NIRS法预测方程的依据。Waes等利用NIRS技术分析了墨西哥苜蓿的各常规化学成分，取得很好效果。我国在20世纪90年代初也开展了NIRS测定饲草各种成分定标软件的研制，先后完成了饲草中DM，CD，CF，EE，Ash等指标的定标工作。随着NIRS技术的成熟和样品处理方法的改进，对新鲜饲草料进行近红外分析已成为可能。但对于结冰和融解的青贮草能否使用NIRS技术预测没有相关的报道。22 矿物质和微量元素测定和营养价值的评定以往快速测定矿物质元素的方法主要是利用原子吸收光谱法和分光光度法等，但是在测定之前要对所分析的样品进行一定的较为复杂的化学处理。由于饲草中
16、的矿物质及元素多是与有机物螯合的，NIRS分析法通过对相关有机物结构的检测，可以实现对饲草中矿物质及各种元素的检测，但这方面的研究较少。1989年，Clark首先用NIRS法分析了高羊茅、冰草、苜蓿三种牧草中Ba，Mo，Ni，Pb，V，Al，S和si的含量，发现用NIRS法对和S的预测效果较好，而在预测其他元素含量时结果较差。2004年，Cozzolino等首次对白三叶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，结果表明，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083(O8)和086(25)，每千克干物质B，Zn，Mn，Cu和Fe分别为080(44)，
17、080(106)，078(229)，076(083)，057(257)；S，Na和B的预测标准差分别为55，12和42，达到了满意的结果。NIRS技术除了可用于饲草的常规养分分析外，还可结合一些消化代谢实验，建立定标方程，实现饲草的生物学效价评定，从而评定饲草的利用率及营养价值。通过分析饲草组织结构的直接方法和从动物排泄物中预测饲草品质的间接方法，检测饲草中的主要指标，例如粗蛋白、消化率、纤维素、消化能等，来综合评价饲草的营养价值。国外的一些科学家早已开始研究利用NIRS技术分析牧草品质，所测指标包括粗蛋白(CP)、粗灰分(Ash)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维和酸性洗涤木质素(ADL
18、)以及体外干物质消化率(IVDMD)等。Givens等对青贮玉米饲料的消化能进行了检测。另外一些人用NIRS预测牧草的CP、ADF、蛋白水解程度、脂肪、Ash、纤维素、P、K、Ca、Mg、Na、NDF、OMD(有机物消化率)、总能项目，证明除了ADL不能用NIRS测定外，其他项目均可以使用。其中Gordon通过NIRS技术预测了未干燥的青贮饲草的摄食量和有机物质的消化能含量。国内的一些科学家，如白琪林，通过实验结果表明用NIRS法可快速、准确地测定玉米秸秆的体外干物质消化率(IVDMD)，NDF，ADF，CP和EE的含量。聂志东等应用傅里叶变换近红外(FTNIR)光谱技术，使用偏最小二乘法首次
19、成功地建立了国内紫花苜蓿青干草CP，CA，NDF，ADF，ADI以及IVDMD 6项品质指标的预测模型，并对模型进行了交互验证和外部验证。23 抗营养成分检测和其它成分的鉴定饲草中的一些抗营养成分可能是踊类化合物，而另一类被定义为单一化合物。Clark等先后应用NIRS技术测定了有毒植物体内的生物碱含量，发现其决定系数(化学法测值与近红外分析法测值之间的相关系数的平方值)都大于09，定标非常成功。原因有，(1)生物碱在植物内存在的范围大；(2)生物碱是一个特别强的近红外吸收者4引。Andres等利用近红外技术测定了银合欢中的单宁含量4引。Goodchild等建立了测定干草、Vicia和L a
20、thy rus spp秸秆中的总酚、总丹宁和浓缩丹宁含量的NIRS预测模型，其中交叉验证标准分析误差(SECV)分别为017，018和0234”。Landau等也成功建立了具有良好相关性(R2=096)和可接受的准确度(SEP=170)的PE(丹宁(丹宁生物活性评价指标)定标模型Windham等用NIRS预测牧草中的“总丹宁酸”含量，结果与用50甲醇提取法所测结果的相关系数为094。Boever用NmS分析测定了牧场青贮饲料作物的wsc(可溶性碳水化合物)。壳多糖水解酶是与高羊茅抗病性有关的酶类，Roberts等用NIRS法与常规化学方法相结合对其建立预测模型，所得方程的相关系数(R2)达09
21、以上，变异系数(CV)小于10，说明可以用NIRS法来对壳多糖水解酶活性进行测定51|。Fairbrother用NIRS法分析了六种冷季型豆科牧草、两种冷季型禾草和四种暖季型禾草的细胞壁碳水化合物(果胶、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖)含量。试验中分别用各种草的NIRS信息建立方程，其预测相关系数(R2)均在085以上，但对单一草种的某组分进行预测时，基于混合牧草建标的方程的预测效果没有基于单一草种建标的方程的预测效果好。沈恒胜等用NIRS法测定稻草中的纤维及硅化物，结果证明Lab值与NIRS值分析的各成分闻相关性趋势相同，且NIRS值分析的相关程度略高于Lab值的分析结果。24 草地植物组成分析NI
22、RS技术还可以对草地的植物组成进行分析。Shaffer用NIRS技术分析了苜蓿和黑麦草混合饲草的组成，认为可以用NIRS法代替人工分离法对饲草组成进行分析；他还对样本大小与建标准确性的关系进行了分析，认为如果样品选择恰当，用5的样品建标即可达到用全部样品建标的效果。Alexander用NIRS技术分别分析了蓝茎冰草、地中海匍匐冰草、披碱草的茎叶比例，结果表明NIRS分析值与常规方法分析值之间有较好的相关性，相关系数分别为073，075和084，说明可以用NIRS技术很好的预测这些植物的茎叶比例。Smart等用NIRS预测的几种禾本科草茎叶比的相关系数均大于07，可以作为一种快速检测这些禾本科牧
23、草茎叶比的方法。3、研究展望 综上所述，NIRS分析技术测定的项目已经由常规养分到矿物质及微量元素等非常规成分，从饲草中单宁、生物碱等有毒成分检测到牧草的茎叶比分析、干物质的体外消化率等生物学效价评定等多个方面。随着电子计算机，光纤技术的飞速发展，实现NIRS法的在线分析已成为可能。将NIRS技术用于畜禽饲料的实时分析，合理搭配畜禽日粮组成，使提高畜禽生产性能成为可能。尽管NIRS分析技术在我国的饲草分析中尚属起步阶段，目前在实际应用中还存在一定局限性，但随着NIRS技术的逐步提高，在我们这样一个畜牧业大国，NIRS技术定会在饲革分析及草地畜牧业发展中具有广阔的发展前景，并且会发挥越来越重要的
24、作用。今后应从三个方面进行深入的研究。1）建立完善的饲草模型数据库。充分利用全国饲料质量检验系统网络和样品资源，集中具有丰富经验的专家和研究人员，建立不同种类、不同产地、不同配方及不同饲草原料的定标模型，并建立相应的N取S快速检测标准。通过现代网络技术，实现资源共享，同时根据实际情况对定标模型进行有效升级，提高其检测精度，以推进NIRS分析技术在饲草检测分析中的广泛应用。2）发展在线检测技术。并与网络技术相结合在线检测是及时解决生产中质量问题的最有效途径，随着光导纤维及传感技术的发展，实现在线检测已成为可能；同时将近红外技术和网络技术相结合，不仅可实现异地定标、异地检测及资源共享，同时可准确并
25、快速地获得各个区域内的饲草质量状况。3）研制开发价廉实用的NIRS仪。目前我国使用的NIRS仪绝大多数为进1：1产品，价格昂贵，制约了NIRS法在饲草分析检测中的普遍应用。因此，今后应加强对价廉实用NIRS仪的研制开发工作，推进NIRS法在饲草分析中的应用，如中国石油化工研究院的袁洪福等人提出采用固定光路，CCD器件作检测器的技术路线，研制出样机并成功地应用于炼油过程的质量监控，这项技术已取得国家专利，值得我们很好的借鉴。参考文献1丁海泉，卢启鹏. 近红外光谱技术在土壤养分分析中的研究进展及应用前景J，光谱学与光谱分析，2012,30（1）：88-91.2任秀珍，郭宏儒，贾玉山，格根图，王垄.
26、 近红外光谱技术在饲草分析中的应用现状及展望J, 光谱学与光谱分析，2009，20（3）：635-640.3王晶，王加启，卜登攀，国卫杰，申军士，魏宏阳，周凌云，刘开朗. 近红外光谱技术在牛奶及其制品品质检测中的应用J. 光谱学与光谱分析，2009，29（5）:12811285.4邹强，方慧，张维，何勇. 近红外光谱技术在奶酪品质评价中的应用J, 光谱学与光谱分析，2011，31（10）：2725-2729.5余永华. 近红外光谱技术定量测定基质参数研究J, 光谱学与光谱分析，2011，31（11）：29282931.6HUANG Furong，PANTao，ZHANGGan-lin0lptics andPrecisionEngineering，2010，18(3)：5867GA0 Hong_zhi，Lu Qipeng，DING Hai-quan，et alSpectmscopy and spectral Analysis，2009，29(11)：2951专心-专注-专业