近紅外光譜分析技術在飼料行業中的應用

魯 雄，張力培

(廣州訊動網絡科技有限公司，廣東廣州 510000)

?

近紅外光譜分析技術在飼料行業中的應用

魯 雄，張力培

(廣州訊動網絡科技有限公司，廣東廣州 510000)

摘要近紅外光譜分析技術可應用于飼料生產全過程的品質控制。近年來，我國大型飼料集團公司幾乎都采用近紅外光譜分析手段進行飼料原料、半成品及成品料中常量成分、微量成分和真偽摻雜的分析，并獲得了較好的經濟效益。介紹了近紅外光譜分析技術在飼料分析中的原理和優勢、儀器類型，并對其在飼料行業中應用的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞近紅外光譜分析技術；成分分析；真偽摻雜鑒別；在線檢測；發展趨勢

飼料工業中飼料品質的控制包括原料、成品料及加工工藝的控制。就原料而言，根據其營養特性可分為能量飼料、蛋白質飼料、礦物質飼料和各種飼料添加劑。能量飼料可利用的能值高，主要包括各種谷物及谷物的加工副產品，目前在飼料工業中常用的有玉米、稻谷、小麥、大麥、高粱、米糠、麥麩等。蛋白質飼料的蛋白含量高，主要的是豆類及其加工的副產品，特別是油脂加工業的副產品，如豆粕、棉粕、菜粕、花生粕等植物性蛋白飼料。動物性蛋白飼料主要有魚粉、肉粉、肉骨粉、血粉、羽毛粉、蠶蛹粉等。飼料國家標準中規定的對原料品控指標包括水分、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維和粗灰分，不同的等級規定了不同的營養指標值。全價配合飼料是一種營養全面、平衡的飼料成品料，在配制全價料前需要首先測定各種原料及營養指標的含量，再進行飼料配方，然后按照一定的生產工藝生產出成品料。成品料在出廠前要進行各種指標的檢測。判定成品飼料合格與否的指標包括感官指標、水分、混合均勻度、粗蛋白、粗灰分、粗纖維、氨基酸、維生素、鈣、磷等。

評定飼料的品質需要對上述各種指標進行測定，目前用于這些飼料品質指標的分析方法主要為傳統的理化分析方法，采用這種方法進行測定常常需要破壞樣品，耗時長，購買大型化學分析儀器，且需要裝配良好的實驗室和經過培訓的操作人員，有的需要使用危險性化學試劑，一定程度上制約了飼料行業的發展[1]。為了對飼料加工全過程進行品質監控，需要一種快速、費用低和非破壞性的測量方法，一次完成幾種不同又有關聯的質量指標分析。近紅外光譜分析技術滿足了以上各種需求，并能夠完成以上有機指標的測定。近紅外光譜技術迎合了飼料行業需要快速進行飼料原料檢測、產品的在線檢測及出廠前品質控制的要求，必將在飼料檢測領域得到大規模應用。基于此，筆者介紹了近紅外光譜分析技術在飼料分析中的原理和優勢、儀器類型，并展望了其在飼料行業中應用的發展趨勢，旨在為其在飼料行業中的應用提供參考。

1近紅外光譜分析技術在飼料分析中應用的原理及優勢

1.1利用近紅外光譜分析技術進行飼料成分測定的原理按照美國實驗與材料協會(ASTM)規定近紅外光譜是指波長在780~2 526 nm范圍內的電磁波[2]。近紅外光譜分析技術是利用含氫基團(如C-H、N-H、O-H等)的樣品在近紅外光譜區的吸收、反射、散射等所包含的信息，運用化學計量學多元校正方法將校正樣品的近紅外吸收光譜與其成分濃度或性質數據進行關聯，建立校正樣品吸收光譜與其成分濃度或性質之間的關系校正模型。在進行未知樣品預測時，應用已建好的校正模型和未知樣品的吸收光譜就可以定量預測其成分濃度或性質。另外，通過選擇合適的化學計量學模式識別方法，也可以分離提取樣本的近紅外吸收光譜特征信息，并建立相應的類模型。在進行未知樣品的分類時，應用已建立的類模型和未知樣品的吸收光譜，就可以定性判別未知樣品的歸屬。與其他常規分析技術不同，現代近紅外光譜分析技術是一種間接分析技術，是通過校正模型的建立來實現對未知樣本的定性或定量分析。

1.2近紅外光譜分析技術在飼料分析中應用的優勢在短短的數十年時間內，近紅外光譜分析技術能夠在飼料領域得到了廣泛應用，離不開其在分析測試中具有的獨特優越性：①近紅外光譜產生于共價化學鍵非諧振能級振動，含碳氫氧的物質都能產生，在檢測中可以不斷拓展指標；②在波長能量上，近紅外光譜穿透能力較強，能夠直接穿透玻璃或者石英等材質，使其可以通過漫反射進行直接測量；③許多物質在近紅外光譜區吸收很小，所以近紅外光譜儀器具有很高的信噪比，可達25 000∶1~100 000∶1[3]；④樣品制備簡單或者根本不需要樣品制備，大大降低了操作費用，同時避免了對環境的污染；⑤測定快速，只需要幾秒即可完成多個指標的檢測，大大提高了檢測工作效率。

2用于飼料近紅外分析的儀器類型

目前近紅外光譜儀器一般由光源、單色器、檢測器、樣品檢測附件組成。按照單色器分類，大致可分為濾光片型、光柵色散型、傅里葉變換型(FT)和聲光可調濾光器型(AOTF)、不使用單色器(以單色LED、LD為光源)等5類。近幾年，我國近紅外光譜儀器的研制成果豐碩，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研制了基于固定濾光片的近紅外光譜儀[4]。上海棱光技術有限公司研制了光柵掃描式近紅外農產品品質分析儀[5]。北京瑞利分析儀器公司研制出傅里葉變換型近紅外光譜儀[6]。天津大學研制出基于AOTF的近紅外成分分析儀[7]。畢衛紅等[8]研制出基于AOTF的便攜式近紅外光譜分析儀。中國農業大學研制了以LED為光源的便攜式近紅外光譜分析儀，用于整粒小麥成分[9]和玉米品質[10]的測試。暨南大學和廣州訊動網絡科技有限公司利用不同波長的半導體激光器(LD)的光源組成整列光源，研制了用于飼料檢測的D+快檢近紅外光譜分析儀。

此外，近幾年來國際上出現了一些基于微機電(MEMS)技術的新型近紅外光譜儀器，具有重量輕、體積小、探測速度快、可批量制造以及成本低廉等特點，具有代表性的有德國Fraunhofer 研制出的微型掃描光柵型芯片[11]和使用可編程光柵進行光譜選擇的Polychromix的microPHAZIR系列儀器[12]等。國產儀器在這方面進展稍慢，廣州迅動網絡科技公司正在研制基于MEMS技術的便攜式近紅外檢測器，很快將會推向市場。

3近紅外光譜分析技術在飼料行業中的應用

飼料工業需要快速而準確地獲得與飼料營養價值有關的數據。我國在近紅外光譜檢測飼料方面已經建立了豐富且較為完善的飼料模型數據庫。近紅外光譜不僅可以用于原料和成品料中常量成分、微量成分和真偽摻雜的分析，還能用于飼料生產過程的在線檢測及質量控制，可為飼料企業提高生產效率與保證產品質量提供一種行之有效的技術。

3.1常量成分的測定近紅外光譜技術在飼料常量成分檢測中的應用最為廣泛。1976年，Norris等[13]最早應用近紅外反射光譜測定谷物中的粗蛋白、水分和脂肪的含量。1978年，加拿大和美國的谷物協會規定NIR技術為飼料常量成分檢測的方法[14]。然而，我國近紅外光譜研究工作起步較晚。檀其梅[15]研究了近紅外光譜分析方法與傳統的化學分析方法同時測定豆粕、玉米、魚粉、菜籽粕、花生粕、棉籽粕、玉米蛋白粉、次粉、玉米酒精糟、玉米胚芽飼料(餅)、標準粉等11種飼料原料中的粗蛋白、水分等營養指標，并進行比較分析。結果表明，NIRS法和化學法對11種飼料原料中粗蛋白和水分測定結果的相對誤差絕大部分在5%以內(P>0.05)，測定結果的相關系數大部分在0.9以上(P<0.01)。NIRS法測定飼料原料中粗蛋白和水分含量具有較高的準確性，可以替代化學分析方法。

3.2微量成分的測定飼料常量成分反映了飼料真正營養價值的其中一部分，若要更加全面評價飼料營養價值需要對飼料中微量成分(質量分數為0.01%~1.00%)進行分析，主要包括氨基酸、維生素、Ca和P等。周叢[16]應用改進的偏最小二乘回歸(PLS)方法建立了魚粉中17種氨基酸的NIRS定標模型，除了酪氨酸、絲氨酸、半胱氨酸外，其他氨基酸的常規液相檢測值與近紅外分析值的相關系數(R2)都達到0.9以上，具有良好的線性關系；相對標準差(RSD)均小于10%，相對分析誤差(RPD)大于3%，取得良好的定標效果，結果表明利用近紅外光譜分析技術能夠快速準確地檢測魚粉中各種氨基酸含量。牛智友等[17]采用PLS方法研究了利用近紅外光譜分析方法對飼料中總磷含量進行檢測，結果表明近紅外光譜技術可以定量檢測飼料中總磷的含量。近紅外光譜技術除了可以測定飼料中的微量營養成分外，還能快速測定飼料中的某些有毒有害成分、抗營養因子及藥物成分(如棉酚、植酸磷和葡萄苷等)，實現對飼料原料和成品中微量成分的快速檢測。

3.3真偽、摻雜鑒別近紅外光譜分析技術不僅在飼料成分分析上可以與傳統的化學分析方法相媲美，而且還具備快速鑒別原料真偽及摻雜情況的功能，這在飼料工業的產品質量控制中有著特殊的作用。楊增玲等[18]基于NIRS技術建立了魚粉中動植物摻假成分的DPLS定性判別分析模型、PLS定量分析模型以及定量分析模型的傳遞方法，結果表明利用NIRS可以快速準確地定性鑒別和定量分析魚粉中的動植物摻假成分。劉小莉等[19]利用傅利葉近紅外光譜進行了定性檢測魚粉中摻雜的三聚氰胺的檢測，結果表明當飼用魚粉中摻入三聚氰胺量為0.1%～15.0%時，6 873.4～6 514.7 cm-1可作為定性鑒定飼用魚粉是否摻雜三聚氰胺的特征譜峰，根據此譜峰所建立的定性模型對檢驗集樣品的識別率為96.5%。

3.4在線檢測及質量控制隨著互聯網技術的快速發展，通過網絡將樣品現場采集的光譜數據發送到云端進行分析，實現遠距離在線測量，對原料及成品進行連續在線檢測，及時監測原料及產品品質的變化，保證產品質量的穩定。另外，近紅外光譜分析技術還可用于在線監控飼料產品加工過程中物理參數的變化，如物料的混合均勻度、粉碎粒度、淀粉糊化度、硬度等與加工質量直接相關的指標[20]。近紅外光譜技術的在線檢測功能與傳統化學分析方法相比具有顯著的優勢，避免了以往化學分析結果的滯后性，測試成本低，分析速度快，便于在線實時監測，可滿足現場測量的要求。廣州訊動網絡科技有限公司推出的在線近紅外云檢測器可以在線實時采集樣品光譜數據，并通過網絡將數據傳回云平臺，在云端進行統一的模型管理和數據處理，同時通過網絡將檢測結果快速反饋至用戶端。

4展望

2002年底，國家正式頒布了近紅外光譜分析的國家標準(GB/T 18868-2002)[21]，這標志著這項檢測技術已成為我國標準的飼料檢測方法。實現近紅外光譜分析技術在飼料行業的規模化應用，一直是國內外近紅外學者努力的方向。無論是臺式、便攜式還是在線式分析，制約近紅外技術大規模推廣應用的主要瓶頸在于：①進口(或當前國產的)產品的硬件設備價格昂貴；②硬件設備存在臺間差，模型不能通用，需要進行模型傳遞。因此，我國在近紅外技術領域的一個發展趨勢是硬件設備向低成本小型化發展，另一個發展趨勢是結合云計算和大數據技術組建飼料行業的云端建模中心，在云端實現統一的模型自動建立和維護，模型資源共享。相信未來的5~10年，近紅外光譜分析技術一定能夠在我國信息化與工業化深度融合的發展歷程中發揮應有的作用[22]。

參考文獻

[1] 嚴衍祿.近紅外光譜分析基礎與應用[M].北京：中國輕工業出版社，2005.

[2] 劉建學.實用近紅外光譜分析技術[M].北京：科學出版社，2008.

[3] 陸婉珍，袁洪福，褚小立.近紅外光譜儀器[M].北京：化學工業出版社，2009.

[4] 張軍，陳星旦.溫度測量型近紅外光譜分析儀的研究[J].長春理工大學學報，2004，27(4)：88-90.

[5] 蔡貴民，李軍會，趙龍蓮，等.國產光柵型近紅外儀器上建立穩健性數學模型的方法研究[J].光譜儀器與分析，2009(Z1)：51-53.

[6] 高學軍.WQF-400N型付立葉變換近紅外光譜儀[J].光譜儀器與分析，1999，19(5)：51-53.

[7] 常敏，張學典，李朝陽，等.近紅外成分含量分析儀的研制[J].現代儀器，2004(3)：40-42.

[8] 畢衛紅，唐予軍，楊小莉，等.基于AOTF的便攜式近紅外光譜測量儀[J].半導體光電，2005，26(3)：264-266.

[9] 聞明，吉海彥.基于LED的便攜式近紅外整粒小麥成分測量儀的研制[J].光譜學與光譜分析，2004，24(10)：276-279.

[10] 張曄暉，勞彩蓮，吉海彥，等.近紅外玉米品質分析儀的研制與應用[J].現代儀器，2001(5)：11-13.

[11] SCHENK H，DURR P，HAASE T，et al.Large deflection micromechanical scanning mirrorsfox linear scans and pattern generation[J].Journal of selected topics in quantum electronics，2000，6(5)：715-722.

[12] SINCLAIR M B，PFEIFER K B，BUTLER M A，et al.Micromachining and microfabrication [M].International society for optics and photomics，2004：37.

[13] NORRIS K H，BARNES R F，MOORE J E，et al.Predicting forage quality by infrared replectance spectroscopy[J].Journal of animal science，1976，43(4):889-897.

[14] 馮軍勤.多元多相物理混合物光學特性及成分檢測[D].廣州：華南理工大學，2005.

[15] 檀其梅.NIRs對11種飼料原料常規成分測定結果的可靠性評估[D].合肥：安徽農業大學，2008.

[16] 周叢.近紅外光譜技術在魚粉質量快速鑒定中的應用[D].長沙：湖南農業大學，2010.

[17] 牛智友，韓魯佳.基于近紅外光譜的反芻動物飼料營養指標的檢測方法研究[J].華中農業大學學報，2007，26(5)：657-660.

[18] 楊增玲，韓魯佳，湛小梅，等.近紅外光譜技術在魚粉摻假檢測中的應用[C]//中國農業工程學會2011年學術年會論文集.中國農業工程學會，2011.

[19] 劉小莉，賈剛，王康寧，等.應用傅利葉近紅外光譜定性、定量檢測魚粉中摻雜三聚氰胺的研究[J].動物營養學報，2010，22(3)：741-749.

[20] 穆懷彬，侯向陽，米福貴.近紅外光譜技術在我國飼料領域的應用現狀[J].糧食與飼料工業，2011(11)：61-63.

[21] 國家飼料質量監督檢驗中心(北京).飼料中水分、粗蛋白質、粗纖維、粗脂肪、賴氨酸、蛋氨酸快速測定：GB/T 18868-2002[S].北京：中國石化出版社，2003．

Application of Near Infrared Spectral Analysis Technology in Feed Industry

LU Xiong，ZHANG Li-pei(Guangzhou SonDon Network & Technology Co.,Ltd.,Guangzhou，Guangdong 510000)

AbstractNear-infrared spectroscopy (NIRS) technology can be applied to the quality control of feed production process.In recent years，most of the large feed companies use NIRS technology to analyze the macro-components，micro-components and adulteration in feed raw materials，semi-finished products and finished product.NIRS technology has already gained considerable economic profit.In this research，we mainly introduced the principle and advantage of NIR spectroscopy technology applied in feed analysis，the types of devices，and the development trend in feed application.

Key wordsNIR spectroscopy technology; Component analysis; Adulteration identification; Online detection; Development trend

收稿日期2015-12-24

作者簡介魯雄(1986- )，男，湖北荊州人，碩士，從事農產品及食品質量安全研究。

中圖分類號S 816.17

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)02-083-03