杜雪燕, 王 迅, 柴沙駝, 劉書杰
(1.青海大學(xué)/青海省高原放牧家畜營養(yǎng)與飼料科學(xué)重點實驗室/青海高原牦牛研究中心,青海 西寧 810016)
天然牧草營養(yǎng)直接影響放牧家畜的營養(yǎng)狀況、生命活動和生產(chǎn)性能。準確獲取天然牧草營養(yǎng)信息,對草地畜牧業(yè)生產(chǎn)非常重要??的螤杻舻鞍踪|(zhì)和碳水化合物體系(CNCPS)可以將牧草的化學(xué)分析與植物細胞成分及反芻動物的消化吸收高度結(jié)合,全面深度評價天然牧草的營養(yǎng)價值。在國內(nèi),CNCPS已廣泛應(yīng)用于反芻動物常用飼料營養(yǎng)價值測定和評價[1-3],并且建立了適合中國肉牛和奶牛的常用飼料組分數(shù)據(jù)庫[4],為CNCPS模型的準確預(yù)測提供基礎(chǔ)。在天然牧草營養(yǎng)評價方面,艷城等[5]測定了內(nèi)蒙古荒漠草原區(qū)8種牧草的CNCPS組分,表明CNCPS體系將飼料化學(xué)分析與反芻動物瘤胃消化利用情況結(jié)合在一起,使結(jié)果呈現(xiàn)動態(tài)指標。目前,天然牧草營養(yǎng)價值評價主要依靠傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法,檢測周期長、成本高。運用高效檢測技術(shù)準確、全面、快速測定天然牧草營養(yǎng)價值,有利于實時估測草地營養(yǎng)狀況。
近紅外光譜技術(shù)(NIRS)是現(xiàn)代光譜分析技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代化學(xué)計量學(xué)的高度集合體,是新興光譜分析技術(shù)[6],以快速、實時、無損測定的優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于牧草、煙草、茶葉等產(chǎn)品的營養(yǎng)成分分析[7-9]。陳龍等[10]對 NIRS 在 CNCPS 體系中的應(yīng)用進行了積極探索,結(jié)果表明NIRS技術(shù)可以準確預(yù)測燕麥干草CNCPS蛋白質(zhì)組分含量,為NIRS在天然牧草價值方面的應(yīng)用提供了新的思路。
本試驗探討利用近紅外技術(shù)測定天然牧草中CNCPS蛋白質(zhì)組分和碳水化合物組分的可行性,為青海地區(qū)天然牧草營養(yǎng)價值數(shù)據(jù)庫的建立提供數(shù)據(jù)。
試驗地位于青海省河南縣,是典型的高寒草甸類高 山 嵩 草 草 地。經(jīng) 度 101°38'08.7″~101°38'13.8″,緯度 34°51'03.4″~34°51'18.1″,平均海拔3 570 m。該草地以高山嵩草(Kobresia pygmea)為主要優(yōu)勢種,次優(yōu)勢種有線葉嵩草(Kobresia capillifolia)、矮嵩草(Kobresia humilis)、雙柱頭藨草(Scripus triqueter)、異針茅(Stipa aliena)、草地早熟禾(Poa crymophila)、垂穗披堿草(Elymus nutans)等,伴生有菊科、豆科、薔薇科等牧草,主要有毒植物為秦艽(Gentiana macrophylla Pall)、橐吾(Ligularia sibirica L.)、黃花棘豆(Oxytropis ochrocephala)等。
在牧草生長季節(jié),按照任繼周樣地設(shè)置原則[11],采集 1.0 ×1.0 m2樣方牧草,齊地面刈割,挑出石子、毒雜草等不可食部分,將可食牧草自然風(fēng)干,共計66份樣品。所有樣品粉碎,65℃烘48 h,過篩(1 mm),裝入自封袋,常溫避光保存,用于化學(xué)成分測定和光譜掃描。
本試驗使用FOSS公司生產(chǎn)的DS2500近紅外光譜分析儀。工作參數(shù):波長400~2 500 nm;雙檢測器系統(tǒng),硅檢測器 (400~1 100 nm),硫化鉛檢測器(1 100~2 500 nm);數(shù)據(jù)采集頻率為1 s掃描2次;光譜分辨率:0.5 nm;波長準確度<0.05 nm;定標軟件為WinISIⅢ;數(shù)據(jù)采集形式為lg(1/R)。工作條件:室溫25℃穩(wěn)定。
每次開機掃描光譜前,儀器預(yù)熱30 min。將處理好的樣品裝入樣品杯,大約為杯容量的3/4,每個樣品重復(fù)掃描6次,每次均掃描背景,將平均光譜保存為樣品的最終光譜,從而消除由裝樣緊實度以及樣品粒度不同所造成的誤差。
1.3.1 CNCPS組分的定義和劃分 CNCPS體系以反芻動物瘤胃消化特征為基礎(chǔ),將牧草化學(xué)成分、植物細胞組成、瘤胃消化利用情況有機結(jié)合,從蛋白質(zhì)組分和碳水化合物組分更深層次評價天然牧草營養(yǎng)價值。CNCPS體系將蛋白質(zhì)分為3部分:非蛋白質(zhì)氮、真蛋白質(zhì)、不可降解粗蛋白質(zhì),分別用PA、PB、PC表示。PA在瘤胃中快速降解。真蛋白質(zhì)PB,包括 PB1、PB2、PB3,PB1是可溶于緩沖液的真蛋白質(zhì),屬于快速降解蛋白質(zhì);PB2是中性洗滌可溶蛋白質(zhì),屬于中速降解蛋白質(zhì);PB3是酸性洗滌可溶蛋白質(zhì),屬于緩慢降解蛋白質(zhì)。PC是酸性洗滌不溶蛋白質(zhì),為結(jié)合蛋白質(zhì),是與木質(zhì)素、單寧等結(jié)合的蛋白質(zhì)。碳水化合物被分為4部分:以糖類為主的快速降解部分(CA);以淀粉和果膠為主的中速降解部分(CB1);以可利用纖維為主的慢速降解部分(CB2);以牧草細胞壁為主的不可利用纖維(CC)。
1.3.2 指標測定方法 粗蛋白質(zhì)(CP)、可溶性蛋白質(zhì) (SP)含量按AOAC方法[12]測定,酸性洗滌纖維(ADF)、中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌木質(zhì)素(ADL)含量采用Vansoest等[13]的方法測定,每份樣品測定2個平行,取平均值。按照Sniffen等[14]的方法計算總碳水化合物(CHO)、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(CNSC)、CNCPS 蛋白質(zhì)組分(PA、PB1、PB2、PB3、PC)、CNCPS 碳水化合物組分(CA、CB1、CB2、CC)含量。
樣品按3∶1比例隨機分為定標集(Calibration)和驗證集(Validation)[15]。用 WinISIⅢ軟件,采用修正偏最小二乘法(MPLS),結(jié)合散射光譜預(yù)處理和導(dǎo)數(shù)、平滑數(shù)學(xué)預(yù)處理方法,用定標集樣品建立模型。用馬氏距離(Mahalanobis distance)和絕對偏差(Residual)分別對光譜值和化學(xué)值進行檢驗[16],提高模型的準確度。同時進行交叉驗證,防止模型過擬合現(xiàn)象。根據(jù)定標標準偏差(SEC)、交叉檢驗標準誤差(SECV)、交叉驗證決定系數(shù)(1-VR)、預(yù)測標準誤差(SEP)等指標評價,確定最優(yōu)模型[17]。用驗證集樣品對最優(yōu)模型進行外部驗證,評價其外部預(yù)測能力[18]。用交叉驗證相對分析誤差RPDCV(SD/SECV)和外部驗證相對分析誤差RPDP(SD/SEP)對模型進行進一步評價:RPDCV和RPDP大于3,說明定標效果良好,建立的模型可以用于實際檢測;小于2.5,說明該模型難以用于實際測定;大于2.5且小于3.0,模型的預(yù)測精度有待進一步提高[19],精度提高后模型可用于實際測定。
根據(jù)馬氏距離檢測結(jié)果,剔除異常樣品。由常規(guī)化學(xué)分析方法和CNCPS體系蛋白質(zhì)各組分計算公式,計算天然牧草各蛋白質(zhì)組分含量。結(jié)果(表1)顯示:定標集和驗證集蛋白質(zhì)各組分含量范圍、平均值和標準差都比較接近,驗證集樣品的代表性較強;牧草中CNCPS體系蛋白質(zhì)組分含量由高到低依 次 為 PB2、PA、PB3、PC、PB1,PB2含 量 最 高(36.68%),PB1含量最低(10.07%)。
表1 天然牧草中各蛋白質(zhì)組分含量Table 1 The contents of protein components in natural pasture
根據(jù)常規(guī)化學(xué)分析方法和CNCPS體系碳水化合物各組分計算公式,計算天然牧草各碳水化合物組分含量。結(jié)果(表2)顯示,牧草中CNCPS體系碳水化合物組分含量由高到低依次為CB2、CC、CA、CB1。CB2含量最高,達到36.37%,CB1含量最低,為1.81%。
表2 天然牧草中碳水化合物各組分含量Table 2 The contents of carbohydrates components in natural pasture
圖1顯示:牧草樣品光譜響應(yīng)曲線形態(tài)變化呈現(xiàn)2種趨勢。生長期牧草中含有大量的葉綠素,因葉綠素的強吸收,在以450 nm為中心的藍波段(a)和670 nm為中心的紅波段(b)出現(xiàn)吸收峰;隨牧草生長發(fā)育停止,葉綠素含量降低,葉綠素在藍、紅波段的吸收減少,反射增加;牧草干枯時,葉綠素更少,葉黃素和葉紅素在牧草葉片光譜響應(yīng)中起主導(dǎo)作用。760~900 nm是近紅外波段,是植物的高反射區(qū),其光譜特征主要受牧草細胞結(jié)構(gòu)影響。不同牧草的色素含量、細胞結(jié)構(gòu)、含水量(自由水)均不同,因此在同一波長處,光譜響應(yīng)會有一定的變化范圍??傊烊荒敛輼悠饭庾V在全波長范圍內(nèi)存在多個吸收峰,為其營養(yǎng)成分的定量分析提供了豐富的信息。
通過WinISIⅢ定標軟件,用修正偏最小二乘法(MPLS)及不同光譜和數(shù)學(xué)處理方法,對定標集樣品建立模型,篩選最佳模型。最佳處理參數(shù)下,模型的交叉檢驗標準誤差(SECV)最小、交叉驗證決定系數(shù)(1-VR)最大。
圖1 牧草樣品近紅外光譜圖Fig.1 NIRSspectra of natural pasture
利用最佳的光譜和化學(xué)處理方法,建立最優(yōu)模型。由表3可以看出,粗蛋白質(zhì)(CP)的交叉驗證標準誤差(SECV)為0.439 3,交叉驗證決定系數(shù)(1-VR)為0.989,交叉驗證相對分析誤差(RPDCV)為9.336;不溶蛋白質(zhì)(PC)的 SECV為2.255,1-VR為0.870,RPDCV為2.913。其他蛋白質(zhì)組分的1-VR均小于0.8。
由表4可以看出,碳水化合物組分NDF、ADF、CHO、CNSC 的 1-VR 分別為 0.975、0.932、0.964、0.966,RPDCV 分別為 6.353、3.758、5.306、5.521;CA 的1-VR 為0.846,RPDCV 為2.603;CB1、CB2、CC的1-VR 分別為 0.684、0.716、0.619,均小于 0.9,RPDCV 分別為1.870、1.940、1.786,均小于 2.5。
表3 蛋白質(zhì)組分各指標NIRS模型參數(shù)Table 3 The parameters of protein components of NIRS models
各蛋白質(zhì)組分見表1注。SNV+Detrend:標準正常化+去散射處理;1,4,4,1:一階導(dǎo)數(shù)處理,數(shù)據(jù)間隔點為4,平滑處理間隔點為4,二次平滑處理間隔點為1;2,4,4,1:二階導(dǎo)數(shù)處理,數(shù)據(jù)間隔點為4,平滑處理間隔點為4,二次平滑處理間隔點為1;None:無散射處理。SEC:定標標準偏差;SECV:交叉驗證標準誤差;1-VR:交叉驗證決定系數(shù);RPDCV:交叉驗證相對分析誤差(RPDCV=SD/SECV)。
表4 碳水化合物組分各指標NIRS模型參數(shù)Table 4 The parameters of carbohydrates components of NIRS models
各碳水化合物組分見表2注。最佳處理參數(shù)和模型參數(shù)等見表3注。
通過預(yù)測標準誤差(SEP)、預(yù)測值與化學(xué)值的相關(guān)系數(shù)(RSQ)、外部驗證相對分析誤差(RPDP),用驗證集樣品對模型進行外部驗證,評價實際預(yù)測效果,進一步檢驗其優(yōu)劣。對驗證集樣品的預(yù)測值和化學(xué)值進行成對數(shù)據(jù)雙尾t檢驗[20],用預(yù)測值和化學(xué)值作散點比較兩者相關(guān)性。
蛋白質(zhì)組分各指標模型預(yù)測效果見表5。粗蛋白質(zhì)(CP)的 RPDP為10.95,大于3;其他指標的RPDP均小于2.5。各指標化學(xué)分析值與NIRS預(yù)測值相關(guān)性散點圖見圖 2,PA、PB1、PB2、PB3、PC 的化學(xué)分析值與NIRS預(yù)測值相關(guān)系數(shù)分別為0.82、0.67、0.80、0.64、0.86。
表5 蛋白質(zhì)組分定標模型評價Table 5 The evaluation of calibration model for protein components
各蛋白質(zhì)組分見表1注。SEP:預(yù)測標準誤差;RSQ:NIRS預(yù)測值與實測值的相關(guān)系數(shù);RPDP:外部驗證相對分析誤差(RPDP=SD/SEP)。
圖2 蛋白質(zhì)組分的化學(xué)分析值與NIRS預(yù)測值的相關(guān)性Fig.2 Correlation between measured and NIRS predicted values of protein components
碳水化合物組分各指標模型預(yù)測效果見表6。NDF、ADF、CHO、CNSC 的 RPDP 分別為 5.286、3.787、4.589、4.928,均大于 3;CA、CB1、CB2、CC 的RPDP 分別為 2.138、2.037、1.940、1.464,均小于2.5;CA、CB1、CB2、CC 的化學(xué)分析值與 NIRS 預(yù)測值的相關(guān)系數(shù)分別為 0.89、0.93、0.85、0.68?;瘜W(xué)分析值與NIRS預(yù)測值相關(guān)性見圖3。
表6 碳水化合物組分定標模型評價Table 6 The evaluation of calibration model for carbohydrates components
各碳水化合物組分見表2注。SEP:預(yù)測標準誤差;RSQ:NIRS預(yù)測值與實測值的相關(guān)系數(shù);RPDP:外部驗證相對分析誤差(RPDP=SD/SEP)。
圖3 碳水化合物組分的化學(xué)分析值與NIRS預(yù)測值相關(guān)性分析Fig.3 Correlation between measured and NIRS predicted values of carbohydrates components
NIRS在牧草營養(yǎng)分析方面的應(yīng)用起步較晚,但是營養(yǎng)成分分析是NIRS技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域,國內(nèi)外學(xué)者對牧草、秸稈類粗飼料中營養(yǎng)成分進行了大量研究,建立了NIRS預(yù)測模型。Arminda等[21]建立的多花黑麥草(Lolium multiflorum)的CP、NDF、ADF、CF(粗纖維)、ASH(粗灰分)含量預(yù)測模型,定標決定系數(shù)均在0.9以上。Dale等[22]利用NIRS建立紫花苜蓿的CF、NDF、ADF、ADL含量預(yù)測模型,預(yù)測標準誤差(SEP)分別為1.058、0.964、1.041、1.209。石丹等[23]首次建立了適合中國北方不同區(qū)域、不同生育期、不同干燥方式的羊草干草CP、NDF、ADF的NIRS預(yù)測模型,預(yù)測值與化學(xué)分析值的相關(guān)系數(shù)分別為0.963 7、0.959 4、0.947 9。
本研究建立了天然牧草中蛋白質(zhì)組分和碳水化合物組分的NIRS模型。其中,CP的1-VR為0.989,RPDCV(9.336)和RPDP(10.95)均大于3;NDF、ADF、CHO、CNSC 含量模型的1-VR 值分別為0.975、0.932、0.964、0.966,RPDCV 值和 RPDP 值均大于 3。SP的 1-VR值為 0.717,比 Carmen等[24]報道的結(jié)果好,說明利用NIRS分析技術(shù)對該成分進行定量分析是可行的,但其預(yù)測精度有待于進一步提高。ADL的1-VR值(0.710)比較低,模型需要進一步優(yōu)化。
建立天然牧草中CNCPS組分校正模型的難度很大。其原因有:①測定指標多。CNCPS體系通過測定常規(guī)蛋白質(zhì)、碳水化合物等23個指標,區(qū)分了非蛋白質(zhì)氮與真蛋白質(zhì)、結(jié)構(gòu)性碳水化合物與非結(jié)構(gòu)性碳水化合物,真實地反映飼料的特性及動物對其利用情況,能夠全面反映飼料的營養(yǎng)成分。②計算步驟繁雜,難免誤差累積。例如,通過NPN、SP、ADIP和NDIP等的測定值計算PA、PB1、PB2、PB3、PC 含量,計算結(jié)果難免會受測定值準確度的影響。NPN、SP、ADIP和 NDIP等的測定比較繁瑣,ADIP的測定又受到ADF的影響,誤差隨測定步驟的增加而積累,并通過CNCPS的計算公式而擴大。
本試驗中 CNCPS蛋白質(zhì)組分 PA、PB1、PB2、PB3、PC的模型預(yù)測值與化學(xué)分析值的相關(guān)系數(shù)分 別 為 0.821、0.674、0.798、0.635、0.862,Carmen等[24]的試驗結(jié)果依次為 0.467、0.054、0.051、0.734、0.747,相 比 較 可 知,本 研 究CNCPS蛋白質(zhì)組分預(yù)測模型精度較好,但是比陳龍等[10]的結(jié)果差??赡苁菢悠返脑?,本試驗選用的樣品為天然牧草,與單種牧草的模型相比較,天然牧草樣品中各營養(yǎng)成分的組成和含量更加復(fù)雜,對光譜數(shù)據(jù)和化學(xué)分析值的影響較大。CNCPS體系中將碳水化合物分為快速降解糖(CA)、中速降解淀粉(CB1)、慢速降解有效細胞壁部分(CB2)、不可利用的細胞壁部分(CC)。各組分的計算結(jié)果會受其他組分的交叉影響,一種組分的分析誤差都會影響其他指標,甚至導(dǎo)致誤差累積??梢姡瑴蚀_的化學(xué)值測定是指標模型建立的基礎(chǔ)。Chen等[25]研究結(jié)果表明,添加新樣品到定標集可以提高模型精度。因此可嘗試添加樣品量、提高實測值精度來優(yōu)化模型。
本試驗以青海省河南縣典型的高山嵩草草地天然牧草為研究對象,探討NIRS定量分析天然牧草CNCPS營養(yǎng)成分的可行性。采用改進偏最小二乘法,建立了天然牧草常規(guī)蛋白質(zhì)組分和碳水化合物組分及CNCPS體系各組分的近紅外定量分析模型。模型預(yù)測效果表明,常規(guī)組分CP、NDF、ADF、CHO、CNSC、PC、CA 含量預(yù)測模型可以實際應(yīng)用。
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