王櫻潔 ，周 博 ，孫海霞，張忠遠(yuǎn)*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江哈爾濱 150081）

近紅外光譜分析技術(shù)在畜禽糞樣成分檢測中的應(yīng)用

王櫻潔1，周 博1，孫海霞2，張忠遠(yuǎn)1*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江哈爾濱 150081）

隨著樣品分析技術(shù)水平的提高，近紅外光譜（NIRS）分析技術(shù)不僅在動物飼料原料成分分析及成品飼料質(zhì)量檢測中得到廣泛應(yīng)用，而且在快速檢測畜禽糞便養(yǎng)分物質(zhì)含量方面愈加成熟。本文通過介紹NIRS分析技術(shù)的原理特點(diǎn)、國內(nèi)外應(yīng)用情況及該技術(shù)在畜禽糞樣分析中的發(fā)展前景，為NIRS更好地應(yīng)用于畜牧業(yè)提供理論依據(jù)。

近紅外光譜分析技術(shù)；原理特點(diǎn)；畜禽糞樣；成分分析；發(fā)展前景

伴隨畜牧業(yè)的快速發(fā)展，近年來養(yǎng)殖業(yè)引發(fā)的糞便污染問題越來越嚴(yán)重。因此，如何有效預(yù)測糞便中的肥料成分并將其還田，逐漸引起人們的重視。過去畜禽糞樣中的成分主要是用傳統(tǒng)的化學(xué)方法測定，費(fèi)時費(fèi)力，還產(chǎn)生化學(xué)污染。近幾年為快速對動物體消化代謝及生長情況進(jìn)行評定，簡潔、無污染的近紅外預(yù)測方法成為研究熱點(diǎn)。近紅外光譜（NIRS）分析技術(shù)不僅應(yīng)用于畜牧業(yè)生產(chǎn)中，還應(yīng)用到化工、煙草、藥物、糧食等多個行業(yè)，同時它還具有操作簡便、可同時測多種成分及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，立足于畜禽糞便的營養(yǎng)成分分析與高效利用，以減少畜牧業(yè)對環(huán)境的破壞，其先決條件便是對畜禽糞便的化學(xué)組成進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測，

NIRS分析技術(shù)將成為畜禽糞樣檢測的優(yōu)選方法。

1 NIRS分析技術(shù)的原理及特點(diǎn)

1.1 NIRS分析技術(shù)的原理 NIRS分析的原理：在波長為780～2 526 nm，根據(jù)樣品成分中的含氫鍵集團(tuán)X-H（X=C、N、0、P等）化學(xué)鍵的振動，以投射、漫反射的方式獲得它們在近紅外光內(nèi)的吸收光譜，不同的光譜區(qū)域顯示不同物質(zhì)的信息，根據(jù)光譜中吸收峰的強(qiáng)度可確定待測樣品中成分的含量，根據(jù)光譜的形狀與位置可以推測待測物的化學(xué)機(jī)構(gòu)[1]。將NIRS分析技術(shù)與主成分分析（PCA）、偏最小二乘法（PLS）及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等多種現(xiàn)代分析技術(shù)相結(jié)合，建立樣品光譜與待測成分含量之間的回歸模型，進(jìn)而實現(xiàn)通過NIRS信息對待測樣品化學(xué)成分含量的快速預(yù)測[2]。

1.2 NIRS分析技術(shù)的特點(diǎn) NIRS分析技術(shù)在近幾十年中應(yīng)用與發(fā)展迅速，其在分析檢測中的優(yōu)勢包括5個方面：①該技術(shù)將光譜分析、計算機(jī)與化學(xué)技術(shù)結(jié)合在一起，分析速度快，一般單個樣品2 min內(nèi)就能獲得光譜數(shù)據(jù)；②由于NIR具有較強(qiáng)的散射和穿透能力，所以樣品不需要復(fù)雜的處理便可進(jìn)行測量；③該技術(shù)在測量中不使用化學(xué)試劑，所以不會破壞樣品的同時也不污染環(huán)境；④每個樣品有一張光譜圖，通過光譜圖便可測多個指標(biāo)；⑤在光纖中，NIRS可以進(jìn)行良好的傳輸，隨著技術(shù)的進(jìn)步，可實現(xiàn)在線分析與遠(yuǎn)程監(jiān)控，檢測范圍也隨之拓廣[3]。

NIRS分析技術(shù)也有一定的缺陷：①為確保NIRS分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，建立定標(biāo)模型前期需要對大量的樣品進(jìn)行化學(xué)分析，這一階段需投入大批物力與人力；②不同的時間或空間都需要一種與之適應(yīng)的定標(biāo)模型，為保證檢測的準(zhǔn)確性，要求對模型不斷維護(hù)與更新，所以NIRS分析技術(shù)對零散樣品的檢測具有一定的局限性；③該技術(shù)一般只能用于樣品中含量大于0.1%的成分，檢測靈敏度相對較低[4]。

2 NIRS分析技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)50年代，國外研制出NIRS分析儀，但因儀器噪聲大且數(shù)據(jù)處理誤差大等原因并未滿足人們的需求[5-6]。真正首次使用NIRS的是 1964年Norris用于測定谷物中的水分與蛋白[7-8]，在1975年，加拿大用NIRS代替凱氏定氮法來測定小麥中的蛋白質(zhì)[9-10]。在20世紀(jì)60—70年代，盡管NIRS被逐漸地應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品分析領(lǐng)域，但因其他新型分析檢測技術(shù)的出現(xiàn)加之本身靈敏度低等缺陷，使該技術(shù)的發(fā)展受到制約。直到20世紀(jì)80年代，信息技術(shù)革命到來，計算機(jī)技術(shù)與化學(xué)計量學(xué)迅猛發(fā)展，使研究者可在短時間內(nèi)處理大量光譜數(shù)據(jù)，NIRS分析技術(shù)被大規(guī)模應(yīng)用，進(jìn)入高速發(fā)展時期[11]。從20世紀(jì)90年代進(jìn)入21世紀(jì)后，該技術(shù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性全面提高，在多個領(lǐng)域得到廣泛的推廣。楊增玲等[12]利用NIRS技術(shù)和PLS定量分析測定魚粉中干物質(zhì)、粗蛋白、灰分、脂肪的含量就可以區(qū)別魚粉中是否有摻假成分；有研究利用NIRS分析技術(shù)預(yù)測了未干燥青貯飼料中有機(jī)物的消化能[13]；還有研究將NIRS應(yīng)用于海洋石油污染評價中，對海水表面不同種類和濃度的溢油成分進(jìn)行分析，實時檢測污染物，方便更好地找到解決方案[14]。

3 NIRS分析技術(shù)在畜禽糞樣分析中的應(yīng)用

3.1 國內(nèi)NIRS分析技術(shù)在畜禽糞樣分析中的研究在畜牧養(yǎng)殖行業(yè)中，調(diào)配飼料配方與了解動物機(jī)體消化率都需要對飼料與糞樣中的常規(guī)成分指標(biāo)進(jìn)行檢測。NIRS分析技術(shù)在飼料營養(yǎng)成分分析中已有大量的研究與報道，我國根據(jù)這些研究已經(jīng)建立了豐富完善的飼料模型數(shù)據(jù)庫，但關(guān)于畜禽糞便的模型尚需完善[15-16]。樊霞等[17]研究證明，肉牛糞樣中的全氮、全磷、全鉀和銨態(tài)氮含量的NIRS測定值與實驗室分析值相近，并且有顯著的線性相關(guān)關(guān)系。還有研究發(fā)現(xiàn)，利用NIRS分析技術(shù)可以很快地測出生長育肥豬糞便中鉀、鋅的含量，且兩者的定標(biāo)模型相關(guān)系數(shù)（R2）均大于0.90[18]。黃光群等[19]用傅里葉變換近紅外漫反射光譜技術(shù)和PLS建立了畜禽糞便堆肥中水分和揮發(fā)性固體的近紅外定量分析校正模型，校正模型決定系數(shù)（r2）為0.981 6和0.901 5，驗證集決定系數(shù)（r2v）為0.983 2和0.938 1，結(jié)果表明畜禽糞便堆肥中的水分與揮發(fā)性固體可以通過該技術(shù)進(jìn)行快速測定。崔蘭英等[20]用NIRS進(jìn)行了奶牛糞樣中總氮的標(biāo)定，近紅外測定值和實驗室化學(xué)分析值之間的R2為0.917 4，所以為得出與真實值相近的數(shù)據(jù)可以用NIRS法來檢測。

3.2 國外NIRS分析技術(shù)在畜禽糞樣分析中的研究 在國外，人們對如何快速檢測畜禽糞便中各成分含量這一問題進(jìn)行了大量的研究，其中用NIRS分析技術(shù)來分析畜禽糞便中肥料成分含量的研究報道已取得一定成果。Reeves等[21]試驗表明，用Foss NIRS儀掃描分析可準(zhǔn)確測定奶牛糞便中的水分，其中R2為0.94，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1.0 %。有報道稱，用NIRS法測定的豬糞堆肥中含水率與化學(xué)分析得出的含水率，兩者間的R2為0.97[22]。這說明NIRS測定值與化學(xué)分析值有顯著的相關(guān)性，所以可以用NIRS法對糞便中的水分進(jìn)行準(zhǔn)確測定。Nakatani等[23]和Asai等[24]在近紅外法檢測牛糞中總碳、總氮含量的試驗中發(fā)現(xiàn)，r2均高于0.90，所以可以用近紅外法對牛糞中總碳與總氮的含量進(jìn)行可行性分析。還有學(xué)者用近紅外法檢測畜禽堆肥樣品中鋅、銅、砷和鎘等重金屬含量也取得很好的效果[25]。

隨著國內(nèi)外NIRS分析畜禽糞便的研究逐漸增多，如何將其推廣到養(yǎng)殖業(yè)中是目前面臨的一個重要問題。而限制該技術(shù)在養(yǎng)殖業(yè)中的拓廣原因主要有2個：一個是NIRS分析儀的價格問題。據(jù)報道，NIRS分析模型在相同型號儀器上的通用性最終依賴于硬件制造技術(shù)[26]，盡管在NIRS儀器硬件方面取得一定成績，但主要的核心部件還依賴于進(jìn)口，價格昂貴且存在臺間差。另一個是NIRS檢測畜禽糞樣建模問題。建模的數(shù)量、穩(wěn)健性及光譜的采集處理，都需要大量的研究工作，且養(yǎng)殖業(yè)人員用普通的NIRS分析儀檢測畜禽糞樣，延長建模時間同時誤差較大。因此，為推廣該技術(shù)在實地的快速應(yīng)用，建議將光譜儀制造商、方法開發(fā)部門與養(yǎng)殖業(yè)公司聯(lián)合在一起，批量生產(chǎn)糞樣檢測專用的NIRS分析儀，同時采用光纖結(jié)合固態(tài)模塊化光學(xué)設(shè)計，開發(fā)高效、形式多樣的專用測樣附件，這樣NIRS分析儀便會以成本低、分析速度快和準(zhǔn)確性高等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于畜禽糞樣檢測。

4 NIRS分析技術(shù)在畜禽糞樣分析中的發(fā)展前景

養(yǎng)殖業(yè)需要快速準(zhǔn)確地獲得畜禽糞樣中的常規(guī)成分含量的相關(guān)數(shù)據(jù)，一方面可以根據(jù)糞便對動物機(jī)體消化代謝的優(yōu)良程度進(jìn)行預(yù)測，另一方面可用預(yù)測的消化代謝來判斷動物的生長狀態(tài)是否良好，進(jìn)而有所依據(jù)地調(diào)配飼料配方。目前我國NIRS分析技術(shù)在畜禽糞樣成分檢測的研究狀況與國外水平仍有一定差距，目前研究大部分僅限于科研院所，養(yǎng)殖場非技術(shù)人員適用性差，因此實現(xiàn)NIRS在畜禽糞樣成分分析中的規(guī)模化應(yīng)用，一直是國內(nèi)外學(xué)者努力的方向。現(xiàn)在制約該技術(shù)推廣應(yīng)用的主要因素是定標(biāo)模型的建立，設(shè)備之間存在的一定誤差或者不同的建模方法都會使模型不能通用或預(yù)測精度低等問題出現(xiàn)。所以NIRS在畜禽糞樣成分檢測中的未來趨勢將會是開發(fā)便攜式、適合現(xiàn)場檢測的NIRS儀。國內(nèi)已有多家單位根據(jù)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)研制出了多種分光類型的小型或微型NIRS儀器實驗樣機(jī)[27]，除了有檢測茶葉及農(nóng)作物種子品質(zhì)的便攜式儀器，還有測定土壤有機(jī)質(zhì)的實時分析儀[28]。這些在線儀器都是應(yīng)用于固體樣品分析，因此可根據(jù)其原理特點(diǎn)對此稍作改動用于糞樣的檢測。

雖然已經(jīng)有學(xué)者對便攜式、微型在線NIRS儀器進(jìn)行了相關(guān)研究工作，但還存在一些亟待解決的問題，其中最主要的就是模型數(shù)據(jù)庫的建立以及使用過程中的維護(hù)。針對這一問題，建議在研究NIRS檢測畜禽糞樣時，要提前優(yōu)化試驗方法，規(guī)范NIRS儀器使用型號，做好網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行與系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)，進(jìn)而利用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立畜禽糞樣的建模中心，這樣便于在云端實現(xiàn)統(tǒng)一的建立與維護(hù)，使其在養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)場糞樣檢測中得到廣泛的應(yīng)用。

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Application of Near Infrared Spectroscopy in the Detection of Fecal Components in Livestock and Poultry

WANG Ying-jie1, ZHOU Bo1, SUN Hai-xia2, ZHANG Zhong-yuan1*

(1. Colloge of Animal Science and Technology, Northeast Agricultural University, Heilongjiang Harbin 150030, China; 2.Northeast Institute of Geography and Agroecology, CAS, Heilongjiang Harbin 150081, China)

With the improvement of sample analysis technology, the near infrared spectroscopy (NIRS) analysis technology is not only widely used in animal feed ingredients analysis and fi nished feed quality testing, but also becomes more and more mature in the fi eld of rapid detection of nutrient content in livestock manure. This paper introduces the characteristics of NIRS analysis technology, the application situation at home and abroad and the development prospect of this technology in livestock and poultry fecal analysis, which provides the theoretical basis for NIRS to be better applied in animal husbandry.

Near infrared spectral analysis technology; Principle characteristics; Livestock and poultry feces; Component analysis; Prospects for development

S816.17

A

10.19556/j.0258-7033.2017-12-013

2017-06-17；

2017-07-23

黑龍江省高等學(xué)校飼料營養(yǎng)重點(diǎn)實驗室開放課題（yy-2012-09）

王櫻潔（1993-），女，山東諸城人，碩士研究生，研究方向為動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)，E-mail：18846091206@163.com

*通訊作者：張忠遠(yuǎn)（1971-），男，黑龍江哈爾濱人，博士，副教授，研究方向為動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)，E-mail：zyzhang@neau.edu.cn