近红外光谱分析技术在饲料行业中的应用

鲁 雄，张力培

(广州讯动网络科技有限公司，广东广州 510000)



近红外光谱分析技术在饲料行业中的应用

鲁 雄，张力培

(广州讯动网络科技有限公司，广东广州 510000)

摘要近红外光谱分析技术可应用于饲料生产全过程的品质控制。近年来，我国大型饲料集团公司几乎都采用近红外光谱分析手段进行饲料原料、半成品及成品料中常量成分、微量成分和真伪掺杂的分析，并获得了较好的经济效益。介绍了近红外光谱分析技术在饲料分析中的原理和优势、仪器类型，并对其在饲料行业中应用的发展趋势进行了展望。

关键词近红外光谱分析技术；成分分析；真伪掺杂鉴别；在线检测；发展趋势

饲料工业中饲料品质的控制包括原料、成品料及加工工艺的控制。就原料而言，根据其营养特性可分为能量饲料、蛋白质饲料、矿物质饲料和各种饲料添加剂。能量饲料可利用的能值高，主要包括各种谷物及谷物的加工副产品，目前在饲料工业中常用的有玉米、稻谷、小麦、大麦、高粱、米糠、麦麸等。蛋白质饲料的蛋白含量高，主要的是豆类及其加工的副产品，特别是油脂加工业的副产品，如豆粕、棉粕、菜粕、花生粕等植物性蛋白饲料。动物性蛋白饲料主要有鱼粉、肉粉、肉骨粉、血粉、羽毛粉、蚕蛹粉等。饲料国家标准中规定的对原料品控指标包括水分、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维和粗灰分，不同的等级规定了不同的营养指标值。全价配合饲料是一种营养全面、平衡的饲料成品料，在配制全价料前需要首先测定各种原料及营养指标的含量，再进行饲料配方，然后按照一定的生产工艺生产出成品料。成品料在出厂前要进行各种指标的检测。判定成品饲料合格与否的指标包括感官指标、水分、混合均匀度、粗蛋白、粗灰分、粗纤维、氨基酸、维生素、钙、磷等。

评定饲料的品质需要对上述各种指标进行测定，目前用于这些饲料品质指标的分析方法主要为传统的理化分析方法，采用这种方法进行测定常常需要破坏样品，耗时长，购买大型化学分析仪器，且需要装配良好的实验室和经过培训的操作人员，有的需要使用危险性化学试剂，一定程度上制约了饲料行业的发展[1]。为了对饲料加工全过程进行品质监控，需要一种快速、费用低和非破坏性的测量方法，一次完成几种不同又有关联的质量指标分析。近红外光谱分析技术满足了以上各种需求，并能够完成以上有机指标的测定。近红外光谱技术迎合了饲料行业需要快速进行饲料原料检测、产品的在线检测及出厂前品质控制的要求，必将在饲料检测领域得到大规模应用。基于此，笔者介绍了近红外光谱分析技术在饲料分析中的原理和优势、仪器类型，并展望了其在饲料行业中应用的发展趋势，旨在为其在饲料行业中的应用提供参考。

1近红外光谱分析技术在饲料分析中应用的原理及优势

1.1利用近红外光谱分析技术进行饲料成分测定的原理按照美国实验与材料协会(ASTM)规定近红外光谱是指波长在780~2 526 nm范围内的电磁波[2]。近红外光谱分析技术是利用含氢基团(如C-H、N-H、O-H等)的样品在近红外光谱区的吸收、反射、散射等所包含的信息，运用化学计量学多元校正方法将校正样品的近红外吸收光谱与其成分浓度或性质数据进行关联，建立校正样品吸收光谱与其成分浓度或性质之间的关系校正模型。在进行未知样品预测时，应用已建好的校正模型和未知样品的吸收光谱就可以定量预测其成分浓度或性质。另外，通过选择合适的化学计量学模式识别方法，也可以分离提取样本的近红外吸收光谱特征信息，并建立相应的类模型。在进行未知样品的分类时，应用已建立的类模型和未知样品的吸收光谱，就可以定性判别未知样品的归属。与其他常规分析技术不同，现代近红外光谱分析技术是一种间接分析技术，是通过校正模型的建立来实现对未知样本的定性或定量分析。

1.2近红外光谱分析技术在饲料分析中应用的优势在短短的数十年时间内，近红外光谱分析技术能够在饲料领域得到了广泛应用，离不开其在分析测试中具有的独特优越性：①近红外光谱产生于共价化学键非谐振能级振动，含碳氢氧的物质都能产生，在检测中可以不断拓展指标；②在波长能量上，近红外光谱穿透能力较强，能够直接穿透玻璃或者石英等材质，使其可以通过漫反射进行直接测量；③许多物质在近红外光谱区吸收很小，所以近红外光谱仪器具有很高的信噪比，可达25 000∶1~100 000∶1[3]；④样品制备简单或者根本不需要样品制备，大大降低了操作费用，同时避免了对环境的污染；⑤测定快速，只需要几秒即可完成多个指标的检测，大大提高了检测工作效率。

2用于饲料近红外分析的仪器类型

目前近红外光谱仪器一般由光源、单色器、检测器、样品检测附件组成。按照单色器分类，大致可分为滤光片型、光栅色散型、傅里叶变换型(FT)和声光可调滤光器型(AOTF)、不使用单色器(以单色LED、LD为光源)等5类。近几年，我国近红外光谱仪器的研制成果丰硕，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制了基于固定滤光片的近红外光谱仪[4]。上海棱光技术有限公司研制了光栅扫描式近红外农产品品质分析仪[5]。北京瑞利分析仪器公司研制出傅里叶变换型近红外光谱仪[6]。天津大学研制出基于AOTF的近红外成分分析仪[7]。毕卫红等[8]研制出基于AOTF的便携式近红外光谱分析仪。中国农业大学研制了以LED为光源的便携式近红外光谱分析仪，用于整粒小麦成分[9]和玉米品质[10]的测试。暨南大学和广州讯动网络科技有限公司利用不同波长的半导体激光器(LD)的光源组成整列光源，研制了用于饲料检测的D+快检近红外光谱分析仪。

此外，近几年来国际上出现了一些基于微机电(MEMS)技术的新型近红外光谱仪器，具有重量轻、体积小、探测速度快、可批量制造以及成本低廉等特点，具有代表性的有德国Fraunhofer 研制出的微型扫描光栅型芯片[11]和使用可编程光栅进行光谱选择的Polychromix的microPHAZIR系列仪器[12]等。国产仪器在这方面进展稍慢，广州迅动网络科技公司正在研制基于MEMS技术的便携式近红外检测器，很快将会推向市场。

3近红外光谱分析技术在饲料行业中的应用

饲料工业需要快速而准确地获得与饲料营养价值有关的数据。我国在近红外光谱检测饲料方面已经建立了丰富且较为完善的饲料模型数据库。近红外光谱不仅可以用于原料和成品料中常量成分、微量成分和真伪掺杂的分析，还能用于饲料生产过程的在线检测及质量控制，可为饲料企业提高生产效率与保证产品质量提供一种行之有效的技术。

3.1常量成分的测定近红外光谱技术在饲料常量成分检测中的应用最为广泛。1976年，Norris等[13]最早应用近红外反射光谱测定谷物中的粗蛋白、水分和脂肪的含量。1978年，加拿大和美国的谷物协会规定NIR技术为饲料常量成分检测的方法[14]。然而，我国近红外光谱研究工作起步较晚。檀其梅[15]研究了近红外光谱分析方法与传统的化学分析方法同时测定豆粕、玉米、鱼粉、菜籽粕、花生粕、棉籽粕、玉米蛋白粉、次粉、玉米酒精糟、玉米胚芽饲料(饼)、标准粉等11种饲料原料中的粗蛋白、水分等营养指标，并进行比较分析。结果表明，NIRS法和化学法对11种饲料原料中粗蛋白和水分测定结果的相对误差绝大部分在5%以内(P>0.05)，测定结果的相关系数大部分在0.9以上(P<0.01)。NIRS法测定饲料原料中粗蛋白和水分含量具有较高的准确性，可以替代化学分析方法。

3.2微量成分的测定饲料常量成分反映了饲料真正营养价值的其中一部分，若要更加全面评价饲料营养价值需要对饲料中微量成分(质量分数为0.01%~1.00%)进行分析，主要包括氨基酸、维生素、Ca和P等。周丛[16]应用改进的偏最小二乘回归(PLS)方法建立了鱼粉中17种氨基酸的NIRS定标模型，除了酪氨酸、丝氨酸、半胱氨酸外，其他氨基酸的常规液相检测值与近红外分析值的相关系数(R2)都达到0.9以上，具有良好的线性关系；相对标准差(RSD)均小于10%，相对分析误差(RPD)大于3%，取得良好的定标效果，结果表明利用近红外光谱分析技术能够快速准确地检测鱼粉中各种氨基酸含量。牛智友等[17]采用PLS方法研究了利用近红外光谱分析方法对饲料中总磷含量进行检测，结果表明近红外光谱技术可以定量检测饲料中总磷的含量。近红外光谱技术除了可以测定饲料中的微量营养成分外，还能快速测定饲料中的某些有毒有害成分、抗营养因子及药物成分(如棉酚、植酸磷和葡萄苷等)，实现对饲料原料和成品中微量成分的快速检测。

3.3真伪、掺杂鉴别近红外光谱分析技术不仅在饲料成分分析上可以与传统的化学分析方法相媲美，而且还具备快速鉴别原料真伪及掺杂情况的功能，这在饲料工业的产品质量控制中有着特殊的作用。杨增玲等[18]基于NIRS技术建立了鱼粉中动植物掺假成分的DPLS定性判别分析模型、PLS定量分析模型以及定量分析模型的传递方法，结果表明利用NIRS可以快速准确地定性鉴别和定量分析鱼粉中的动植物掺假成分。刘小莉等[19]利用傅利叶近红外光谱进行了定性检测鱼粉中掺杂的三聚氰胺的检测，结果表明当饲用鱼粉中掺入三聚氰胺量为0.1%～15.0%时，6 873.4～6 514.7 cm-1可作为定性鉴定饲用鱼粉是否掺杂三聚氰胺的特征谱峰，根据此谱峰所建立的定性模型对检验集样品的识别率为96.5%。

3.4在线检测及质量控制随着互联网技术的快速发展，通过网络将样品现场采集的光谱数据发送到云端进行分析，实现远距离在线测量，对原料及成品进行连续在线检测，及时监测原料及产品品质的变化，保证产品质量的稳定。另外，近红外光谱分析技术还可用于在线监控饲料产品加工过程中物理参数的变化，如物料的混合均匀度、粉碎粒度、淀粉糊化度、硬度等与加工质量直接相关的指标[20]。近红外光谱技术的在线检测功能与传统化学分析方法相比具有显著的优势，避免了以往化学分析结果的滞后性，测试成本低，分析速度快，便于在线实时监测，可满足现场测量的要求。广州讯动网络科技有限公司推出的在线近红外云检测器可以在线实时采集样品光谱数据，并通过网络将数据传回云平台，在云端进行统一的模型管理和数据处理，同时通过网络将检测结果快速反馈至用户端。

4展望

2002年底，国家正式颁布了近红外光谱分析的国家标准(GB/T 18868-2002)[21]，这标志着这项检测技术已成为我国标准的饲料检测方法。实现近红外光谱分析技术在饲料行业的规模化应用，一直是国内外近红外学者努力的方向。无论是台式、便携式还是在线式分析，制约近红外技术大规模推广应用的主要瓶颈在于：①进口(或当前国产的)产品的硬件设备价格昂贵；②硬件设备存在台间差，模型不能通用，需要进行模型传递。因此，我国在近红外技术领域的一个发展趋势是硬件设备向低成本小型化发展，另一个发展趋势是结合云计算和大数据技术组建饲料行业的云端建模中心，在云端实现统一的模型自动建立和维护，模型资源共享。相信未来的5~10年，近红外光谱分析技术一定能够在我国信息化与工业化深度融合的发展历程中发挥应有的作用[22]。

参考文献

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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

作者简介鲁雄(1986- )，男，湖北荆州人，硕士，从事农产品及食品质量安全研究。

中图分类号S 816.17

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)02-083-03