近红外光谱分析技术在畜禽粪样成分检测中的应用

王樱洁 ，周 博 ，孙海霞，张忠远*

（1.东北农业大学动物科学技术学院，黑龙江哈尔滨 150030；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，黑龙江哈尔滨 150081）

近红外光谱分析技术在畜禽粪样成分检测中的应用

王樱洁1，周 博1，孙海霞2，张忠远1*

（1.东北农业大学动物科学技术学院，黑龙江哈尔滨 150030；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，黑龙江哈尔滨 150081）

随着样品分析技术水平的提高，近红外光谱（NIRS）分析技术不仅在动物饲料原料成分分析及成品饲料质量检测中得到广泛应用，而且在快速检测畜禽粪便养分物质含量方面愈加成熟。本文通过介绍NIRS分析技术的原理特点、国内外应用情况及该技术在畜禽粪样分析中的发展前景，为NIRS更好地应用于畜牧业提供理论依据。

近红外光谱分析技术；原理特点；畜禽粪样；成分分析；发展前景

伴随畜牧业的快速发展，近年来养殖业引发的粪便污染问题越来越严重。因此，如何有效预测粪便中的肥料成分并将其还田，逐渐引起人们的重视。过去畜禽粪样中的成分主要是用传统的化学方法测定，费时费力，还产生化学污染。近几年为快速对动物体消化代谢及生长情况进行评定，简洁、无污染的近红外预测方法成为研究热点。近红外光谱（NIRS）分析技术不仅应用于畜牧业生产中，还应用到化工、烟草、药物、粮食等多个行业，同时它还具有操作简便、可同时测多种成分及绿色环保等优点。因此，立足于畜禽粪便的营养成分分析与高效利用，以减少畜牧业对环境的破坏，其先决条件便是对畜禽粪便的化学组成进行快速准确的检测，

NIRS分析技术将成为畜禽粪样检测的优选方法。

1 NIRS分析技术的原理及特点

1.1 NIRS分析技术的原理 NIRS分析的原理：在波长为780～2 526 nm，根据样品成分中的含氢键集团X-H（X=C、N、0、P等）化学键的振动，以投射、漫反射的方式获得它们在近红外光内的吸收光谱，不同的光谱区域显示不同物质的信息，根据光谱中吸收峰的强度可确定待测样品中成分的含量，根据光谱的形状与位置可以推测待测物的化学机构[1]。将NIRS分析技术与主成分分析（PCA）、偏最小二乘法（PLS）及人工神经网络（ANN）等多种现代分析技术相结合，建立样品光谱与待测成分含量之间的回归模型，进而实现通过NIRS信息对待测样品化学成分含量的快速预测[2]。

1.2 NIRS分析技术的特点 NIRS分析技术在近几十年中应用与发展迅速，其在分析检测中的优势包括5个方面：①该技术将光谱分析、计算机与化学技术结合在一起，分析速度快，一般单个样品2 min内就能获得光谱数据；②由于NIR具有较强的散射和穿透能力，所以样品不需要复杂的处理便可进行测量；③该技术在测量中不使用化学试剂，所以不会破坏样品的同时也不污染环境；④每个样品有一张光谱图，通过光谱图便可测多个指标；⑤在光纤中，NIRS可以进行良好的传输，随着技术的进步，可实现在线分析与远程监控，检测范围也随之拓广[3]。

NIRS分析技术也有一定的缺陷：①为确保NIRS分析结果的准确性，建立定标模型前期需要对大量的样品进行化学分析，这一阶段需投入大批物力与人力；②不同的时间或空间都需要一种与之适应的定标模型，为保证检测的准确性，要求对模型不断维护与更新，所以NIRS分析技术对零散样品的检测具有一定的局限性；③该技术一般只能用于样品中含量大于0.1%的成分，检测灵敏度相对较低[4]。

2 NIRS分析技术的发展

20世纪50年代，国外研制出NIRS分析仪，但因仪器噪声大且数据处理误差大等原因并未满足人们的需求[5-6]。真正首次使用NIRS的是 1964年Norris用于测定谷物中的水分与蛋白[7-8]，在1975年，加拿大用NIRS代替凯氏定氮法来测定小麦中的蛋白质[9-10]。在20世纪60—70年代，尽管NIRS被逐渐地应用于农副产品分析领域，但因其他新型分析检测技术的出现加之本身灵敏度低等缺陷，使该技术的发展受到制约。直到20世纪80年代，信息技术革命到来，计算机技术与化学计量学迅猛发展，使研究者可在短时间内处理大量光谱数据，NIRS分析技术被大规模应用，进入高速发展时期[11]。从20世纪90年代进入21世纪后，该技术的准确性与稳定性全面提高，在多个领域得到广泛的推广。杨增玲等[12]利用NIRS技术和PLS定量分析测定鱼粉中干物质、粗蛋白、灰分、脂肪的含量就可以区别鱼粉中是否有掺假成分；有研究利用NIRS分析技术预测了未干燥青贮饲料中有机物的消化能[13]；还有研究将NIRS应用于海洋石油污染评价中，对海水表面不同种类和浓度的溢油成分进行分析，实时检测污染物，方便更好地找到解决方案[14]。

3 NIRS分析技术在畜禽粪样分析中的应用

3.1 国内NIRS分析技术在畜禽粪样分析中的研究在畜牧养殖行业中，调配饲料配方与了解动物机体消化率都需要对饲料与粪样中的常规成分指标进行检测。NIRS分析技术在饲料营养成分分析中已有大量的研究与报道，我国根据这些研究已经建立了丰富完善的饲料模型数据库，但关于畜禽粪便的模型尚需完善[15-16]。樊霞等[17]研究证明，肉牛粪样中的全氮、全磷、全钾和铵态氮含量的NIRS测定值与实验室分析值相近，并且有显著的线性相关关系。还有研究发现，利用NIRS分析技术可以很快地测出生长育肥猪粪便中钾、锌的含量，且两者的定标模型相关系数（R2）均大于0.90[18]。黄光群等[19]用傅里叶变换近红外漫反射光谱技术和PLS建立了畜禽粪便堆肥中水分和挥发性固体的近红外定量分析校正模型，校正模型决定系数（r2）为0.981 6和0.901 5，验证集决定系数（r2v）为0.983 2和0.938 1，结果表明畜禽粪便堆肥中的水分与挥发性固体可以通过该技术进行快速测定。崔兰英等[20]用NIRS进行了奶牛粪样中总氮的标定，近红外测定值和实验室化学分析值之间的R2为0.917 4，所以为得出与真实值相近的数据可以用NIRS法来检测。

3.2 国外NIRS分析技术在畜禽粪样分析中的研究 在国外，人们对如何快速检测畜禽粪便中各成分含量这一问题进行了大量的研究，其中用NIRS分析技术来分析畜禽粪便中肥料成分含量的研究报道已取得一定成果。Reeves等[21]试验表明，用Foss NIRS仪扫描分析可准确测定奶牛粪便中的水分，其中R2为0.94，相对标准偏差（RSD）为1.0 %。有报道称，用NIRS法测定的猪粪堆肥中含水率与化学分析得出的含水率，两者间的R2为0.97[22]。这说明NIRS测定值与化学分析值有显著的相关性，所以可以用NIRS法对粪便中的水分进行准确测定。Nakatani等[23]和Asai等[24]在近红外法检测牛粪中总碳、总氮含量的试验中发现，r2均高于0.90，所以可以用近红外法对牛粪中总碳与总氮的含量进行可行性分析。还有学者用近红外法检测畜禽堆肥样品中锌、铜、砷和镉等重金属含量也取得很好的效果[25]。

随着国内外NIRS分析畜禽粪便的研究逐渐增多，如何将其推广到养殖业中是目前面临的一个重要问题。而限制该技术在养殖业中的拓广原因主要有2个：一个是NIRS分析仪的价格问题。据报道，NIRS分析模型在相同型号仪器上的通用性最终依赖于硬件制造技术[26]，尽管在NIRS仪器硬件方面取得一定成绩，但主要的核心部件还依赖于进口，价格昂贵且存在台间差。另一个是NIRS检测畜禽粪样建模问题。建模的数量、稳健性及光谱的采集处理，都需要大量的研究工作，且养殖业人员用普通的NIRS分析仪检测畜禽粪样，延长建模时间同时误差较大。因此，为推广该技术在实地的快速应用，建议将光谱仪制造商、方法开发部门与养殖业公司联合在一起，批量生产粪样检测专用的NIRS分析仪，同时采用光纤结合固态模块化光学设计，开发高效、形式多样的专用测样附件，这样NIRS分析仪便会以成本低、分析速度快和准确性高等优势被广泛应用于畜禽粪样检测。

4 NIRS分析技术在畜禽粪样分析中的发展前景

养殖业需要快速准确地获得畜禽粪样中的常规成分含量的相关数据，一方面可以根据粪便对动物机体消化代谢的优良程度进行预测，另一方面可用预测的消化代谢来判断动物的生长状态是否良好，进而有所依据地调配饲料配方。目前我国NIRS分析技术在畜禽粪样成分检测的研究状况与国外水平仍有一定差距，目前研究大部分仅限于科研院所，养殖场非技术人员适用性差，因此实现NIRS在畜禽粪样成分分析中的规模化应用，一直是国内外学者努力的方向。现在制约该技术推广应用的主要因素是定标模型的建立，设备之间存在的一定误差或者不同的建模方法都会使模型不能通用或预测精度低等问题出现。所以NIRS在畜禽粪样成分检测中的未来趋势将会是开发便携式、适合现场检测的NIRS仪。国内已有多家单位根据微机电系统（MEMS）技术研制出了多种分光类型的小型或微型NIRS仪器实验样机[27]，除了有检测茶叶及农作物种子品质的便携式仪器，还有测定土壤有机质的实时分析仪[28]。这些在线仪器都是应用于固体样品分析，因此可根据其原理特点对此稍作改动用于粪样的检测。

虽然已经有学者对便携式、微型在线NIRS仪器进行了相关研究工作，但还存在一些亟待解决的问题，其中最主要的就是模型数据库的建立以及使用过程中的维护。针对这一问题，建议在研究NIRS检测畜禽粪样时，要提前优化试验方法，规范NIRS仪器使用型号，做好网络运行与系统的技术开发，进而利用大数据技术建立畜禽粪样的建模中心，这样便于在云端实现统一的建立与维护，使其在养殖业现场粪样检测中得到广泛的应用。

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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

黑龙江省高等学校饲料营养重点实验室开放课题（yy-2012-09）

王樱洁（1993-），女，山东诸城人，硕士研究生，研究方向为动物营养与饲料科学，E-mail：18846091206@163.com

*通讯作者：张忠远（1971-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，副教授，研究方向为动物营养与饲料科学，E-mail：zyzhang@neau.edu.cn