陳 輝

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)動物遺傳育種與繁殖教育部重點實驗室；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部豬遺傳育種重點開放實驗室，湖北 武漢 430070）

飼料營養(yǎng)評定是評價飼料品質(zhì)以及畜禽生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確的評定數(shù)據(jù)對飼料生產(chǎn)以及畜禽生產(chǎn)具有積極意義。畜禽飼料營養(yǎng)評定主要分為飼料（包括原料養(yǎng)分評定和飼料成品品質(zhì)評定）評定和飼料消化率的預(yù)測。傳統(tǒng)測定飼料養(yǎng)分以及飼料養(yǎng)分消化率的預(yù)測方法大多耗時耗力，且評定效率低，難以滿足現(xiàn)代飼料企業(yè)和畜禽生產(chǎn)企業(yè)高效發(fā)展的需要。因而開發(fā)一種高效準(zhǔn)確的快速測定方法具有迫切性和積極意義。近紅外光譜技術(shù)（NIR）是一種結(jié)合化學(xué)計量技術(shù)和光譜分析技術(shù)的測定技術(shù)，NIR技術(shù)具有高效無損、低成本且不需要復(fù)雜的樣品制備等測定功效，因而被認(rèn)為是有望取代傳統(tǒng)分析技術(shù)的潛力替代分析技術(shù)，尤其是隨著近幾年電子計算機(jī)等技術(shù)的飛速發(fā)展，使其在蔬菜品質(zhì)、肉品質(zhì)評定、中草藥鑒定等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；同時NIR技術(shù)在畜禽飼料營養(yǎng)評定中也表現(xiàn)出了很好的應(yīng)用潛力。大量的研究表明，NIR技術(shù)在飼料原料養(yǎng)分的評定、飼料成品品質(zhì)的評定、豬的飼料消化率預(yù)測、家禽的飼料消化率預(yù)測以及反芻動物飼料消化率預(yù)測等方面有著廣泛的應(yīng)用。文章就NIR技術(shù)在畜禽飼料營養(yǎng)評定中的應(yīng)用加以綜述，并分析了其應(yīng)用原理及策略，提出了其在畜禽飼料營養(yǎng)評定應(yīng)用的可行性以及優(yōu)越性，為其在畜禽飼料營養(yǎng)評定中的應(yīng)用推廣提供理論依據(jù)，旨在為飼料生產(chǎn)企業(yè)和畜禽生產(chǎn)企業(yè)的高效發(fā)展提供思路和方向。

1 NIR技術(shù)的簡介

1.1 NIR技術(shù)的測定原理

紅外光按波長來分主要分為兩種，一種為中紅外和近紅外，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域運用廣泛的就是近紅外分析技術(shù)（NIR）；近紅外光本質(zhì)上屬于電磁波，其波長在780～2526nm間。其測定原理是：NIR通過記錄樣品內(nèi)部當(dāng)待測樣品中的OH、-CH、-NH以及-SH等含氫基團(tuán)的光譜吸收信息，結(jié)合化學(xué)計量學(xué)對樣品進(jìn)行定性或定量分析；其具體原理是當(dāng)待測樣品被不同波長的近紅外光照射后，樣品內(nèi)部的分子會發(fā)生能量越級變化，分子內(nèi)部振動的合頻和倍頻對特定的波長產(chǎn)生近紅外光譜吸收，形成光譜帶，而NIR記錄樣品的光譜信息，實現(xiàn)對待測樣品進(jìn)行定量或定性分析，得到樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與組成信息。

1.2 NIR技術(shù)的分析流程及相關(guān)參數(shù)

NIR技術(shù)的分析一般流程如圖1。主要包括樣品的采集、標(biāo)準(zhǔn)集的制備以及預(yù)測模型的建立與優(yōu)化。在NIR技術(shù)分析中，模型的校正方法和選擇非常重要，在NIR分析技術(shù)中常見的模型校正方法主要有：1、主成分分析回歸法（PCA）；2、偏最小二乘回歸法（PLS）；3、多元線性回歸法（MLR）；4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）法等校正方法，前二者較為常用。評價NIR分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，通?？紤]模型的參數(shù)有相關(guān)系數(shù)（R）和決定系數(shù)（R2），兩者越接近于1說明模型擬合度越好；除此以外，校正集標(biāo)準(zhǔn)誤差 （RMSEC）、驗證集標(biāo)準(zhǔn)誤差（RMSEP）、校正集標(biāo)準(zhǔn)差（SEE）、驗證集標(biāo)準(zhǔn)差（SEP）以及相對誤差（RPD）也是評定NIR結(jié)果準(zhǔn)確性的重要參數(shù)；在畜禽飼料營養(yǎng)評定中，良好的模型應(yīng)具有較高的 R、R2以及 RPD， 而 RMSEC和RMECP參數(shù)較低，SEC值和SEP值接近時，從而使畜禽飼料營養(yǎng)評定結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

圖1 NIR光譜分析的基本流程

2 NIR技術(shù)在畜禽飼料評定中的應(yīng)用

2.1 NIR技術(shù)在飼料原料養(yǎng)分評定中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的飼料養(yǎng)分評定方法檢測效率低、耗費時間長，不利于飼料企業(yè)快速準(zhǔn)確的評定飼料原料的營養(yǎng)價值，進(jìn)而影響飼料配方的優(yōu)化；而NIR技術(shù)可對原料養(yǎng)分進(jìn)行高效準(zhǔn)確的預(yù)測，被多數(shù)飼料企業(yè)應(yīng)用于飼料原料養(yǎng)分的評定中。大量的研究表明，NIR技術(shù)在原料蛋白質(zhì)、粗脂肪、粗纖維以及碳水化合物等常規(guī)養(yǎng)分的評定中具有廣泛的應(yīng)用。在飼料原料蛋白質(zhì)評定方面，納嶸等采用NIR技術(shù)對苜蓿中的蛋白質(zhì)含量作了預(yù)測，以改進(jìn)最小二乘回歸分析為校正模型，結(jié)果表明預(yù)測模型的相關(guān)系數(shù)（1-VR）為0.9201，內(nèi)部和外部的交叉驗證標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.4335和0.2640，表明NIR預(yù)測苜蓿中的蛋白質(zhì)含量是可行的；也有研究表明，使用NIR技術(shù)可快速測定大豆中蛋白質(zhì)的含量，并有望取代傳統(tǒng)的凱氏定氮法；也可對玉米中蛋白質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測以及動物源性飼料原料（蟲粕）中的蛋白質(zhì)作出準(zhǔn)確的預(yù)測。在原料粗脂肪含量預(yù)測方面，曹小華等使用NIR技術(shù)建立了肉骨粉中粗脂肪的預(yù)測模型（以偏最小二乘回歸分析法為校正方法），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型的決定系數(shù)高達(dá)0.9261，交叉檢驗的均方根誤差為0.303，外部驗證集的決定系數(shù)高于0.94且RPD高于2.5，表明NIR技術(shù)可以準(zhǔn)確預(yù)測肉骨粉中的粗脂肪的含量；NIR技術(shù)也可對大豆、米糠粕以及飼草（橡草）中的粗脂肪進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。NIR技術(shù)在飼料原料粗纖維含量預(yù)測中也有著廣泛的應(yīng)用，據(jù)胡世洋報道，NIR技術(shù)可對玉米秸稈中的纖維素含量進(jìn)行快速評定（決定系數(shù)在0.8383～0.9187間，絕對偏差在-2%-2%間）；也有研究報道，NIR技術(shù)可以準(zhǔn)確的預(yù)測玉米干酒糟及其可溶物、大豆皮、小麥麩、苜蓿草顆粒、噴漿玉米皮和甜菜粕等植物性原料中粗纖維（NDF和ADF）水平，為飼料企業(yè)對植物性原料的快速評定提供了依據(jù)。NIR對飼料原料中的碳水化合物含量也可進(jìn)行預(yù)測，李國彰等研究表明，NIR技術(shù)可準(zhǔn)確評定大麥秸稈中的碳水化合物含量 （驗證決定系數(shù)高于0.84）；也有研究報道，NIR技術(shù)可對玉米秸稈中的可溶性糖進(jìn)行實時監(jiān)測；Hetta等研究表明，NIR技術(shù)對玉米中可溶性碳水化合物的評定具有很高的穩(wěn)健性；這表明NIR技術(shù)在原料碳水化合物含量的評定中具有可行性。除上述常規(guī)養(yǎng)分評定中，NIR技術(shù)還可對苜蓿中的粗灰分含量、糙米的干物質(zhì)含量、鼓樹中的鐵（Fe）和鉀（K）以及原料中鈣磷含量的預(yù)測中均有著較為廣泛的應(yīng)用。綜上表明，NIR技術(shù)可實現(xiàn)對飼料原料多種常規(guī)養(yǎng)分進(jìn)行預(yù)測，為飼料企業(yè)準(zhǔn)確評定原料價值以及開發(fā)高效的營養(yǎng)配方提供保障。

2.2 NIR技術(shù)在飼料成品評定中的應(yīng)用

NIR技術(shù)可對飼料中的養(yǎng)分、成分、摻假以及均勻度評定等方面進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而對飼料成品進(jìn)行綜合評定。在飼料養(yǎng)分評定方面，Modrono等利用手持式近紅外光譜儀對飼料成品中粗蛋白（CP）、粗纖維（CF）以及淀粉等常規(guī)養(yǎng)分的快速檢測，經(jīng)驗證，對于CP的交叉驗證決定系數(shù)為0.88-0.99，CF的預(yù)測決定系數(shù)為0.85-0.88，對于淀粉預(yù)測決定系數(shù)為0.91，儀器的準(zhǔn)確性高達(dá)99%；熊羅英發(fā)現(xiàn)使用NIR技術(shù)可準(zhǔn)確預(yù)測豬料和膨化料中的水分和粗蛋白質(zhì)含量（決定系數(shù)均在0.9以上，且RPD均大于3）（熊羅英與蔡仁賢等，2015）；有研究表明，NIR技術(shù)可預(yù)測羊飼料中的干物質(zhì)（DM）、粗蛋白（CP）以及有機(jī)物的消化率（OMD）以及禽飼料中的總磷、植酸磷以及粗蛋白含量；這進(jìn)一步表明NIR技術(shù)在飼料養(yǎng)分預(yù)測中的可行性和準(zhǔn)確性。在飼料成分檢測方面，Nunez-Sanchez等研究發(fā)現(xiàn)，使用NIR技術(shù)可預(yù)測母羊日糧中的飼料組分（苜蓿、谷物秸稈以及玉米等均能被識別）；類似的研究也表明NIR技術(shù)可識別黑麥草、白三葉草樣本和56個含有菊苣、大蕉、白三葉草和紅三葉草的不同組合；可以準(zhǔn)確地識別動物源性飼料中肉骨粉中污染的肉骨粉；在飼料安全評定中，NIR技術(shù)可以準(zhǔn)確識別出飼料中混有的三聚氰胺，有利于飼料安全。飼料摻假是飼料企業(yè)以及畜禽生產(chǎn)面臨的一大難題，據(jù)Graham等報道，使用NIR技術(shù) （使用PCA模型進(jìn)行定性分析）可以準(zhǔn)確識別出大豆油中混合的礦物油（預(yù)測決定系數(shù)高達(dá)0.99）；除此以外，NIR技術(shù)還可鑒別出大豆中蛋白質(zhì)的摻假；NIR技術(shù)的鑒別作用為保證飼料品質(zhì)提供了保障。NIR技術(shù)在飼料混合均勻度的預(yù)測中也有廣泛的應(yīng)用，撖淙武等研究發(fā)現(xiàn)，使用NIR技術(shù)可以準(zhǔn)確預(yù)測臥式混合機(jī)中飼料混合均勻度，預(yù)測結(jié)果良好，準(zhǔn)確率在85%以上；也有研究表明，使用NIR技術(shù)可對添加粉末添加劑的成品混合均勻度進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。綜上表明NIR技術(shù)在飼料成品的養(yǎng)分、組分、摻假以及均勻度等方面具有著良好的應(yīng)用前景，表明NIR技術(shù)將會被越來越多的飼料生產(chǎn)企業(yè)所接受和應(yīng)用。

3 NIR技術(shù)在畜禽的飼料消化率預(yù)測中的應(yīng)用

養(yǎng)分的消化率預(yù)測是畜禽營養(yǎng)評定中重要的一個環(huán)節(jié)，該指標(biāo)反映了飼料品質(zhì)以及畜禽機(jī)體消化系統(tǒng)本身品質(zhì)的好壞，傳統(tǒng)的測定方法耗費時間長，且對受試動物以及飼養(yǎng)環(huán)境等方面具有較高的要求，因而不利于畜禽生產(chǎn)企業(yè)快速準(zhǔn)確地對飼料品質(zhì)以及畜禽進(jìn)行評定；而NIR技術(shù)憑借其無損高效的測定功效，為多數(shù)畜禽生產(chǎn)企業(yè)所青睞，故本段就NIR技術(shù)在畜禽養(yǎng)分消化率的預(yù)測方面的應(yīng)用展開論述。

3.1 NIR技術(shù)在豬的飼料消化率預(yù)測中的應(yīng)用

大量的研究NIR技術(shù)在豬的養(yǎng)分消化利用率預(yù)測方面有著很好的應(yīng)用潛力，主要通過分析糞便中養(yǎng)分組成進(jìn)而對養(yǎng)分 （OM、CP以及DE、ME等）的消化利用率進(jìn)行預(yù)測。研究發(fā)現(xiàn)NIR技術(shù)是預(yù)測豬對飼料消化利用率預(yù)測的一種具有廣泛潛力的技術(shù)，可對多種飼料進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。Nirea等使用NIR技術(shù)開發(fā)了一種預(yù)測豬的營養(yǎng)素的總表觀消化率（ATTD），使用NIR技術(shù)分析了豬糞便中的各種營養(yǎng)素的ATTD，結(jié)果表明，使用NIR技術(shù)可以有效地預(yù)測有機(jī)物（OM）、飼料總能（GE）、粗蛋白（CP）以及中性洗滌纖維（NDF）等消化率，其決定系數(shù)均在0.88以上，研究認(rèn)為使用NIR技術(shù)可快速準(zhǔn)確預(yù)測營養(yǎng)素（OM、CP以NDF等）的 ATTD；Schiborra等也發(fā)現(xiàn)使用NIR技術(shù)可通過分析糞便中養(yǎng)分組成及含量，可得到CP和OM消化率，其預(yù)測結(jié)果比較理想。在育肥豬DE和ME的研究中，Li等使用NIR技術(shù)預(yù)測了育肥中對玉米的DE和ME，采用改進(jìn)偏最小二乘回歸分析法建立校正模型，經(jīng)NIR掃描后進(jìn)行分析，結(jié)果表明，DE和ME的交叉驗證相關(guān)系數(shù)和外部驗證相關(guān)系數(shù)分別為0.87和0.86、0.86和0.86，表明NIR技術(shù)可快速測定育肥豬對玉米有效能了利用率；Zhou等發(fā)現(xiàn)使用NIR技術(shù)可準(zhǔn)確預(yù)測豬對玉米DDGS的DE和ME；相似的研究發(fā)現(xiàn)使用NIR技術(shù)預(yù)測了豬對玉米酒糟干燥可溶物（DDGS）的消化能（DE）和代謝能 （ME），結(jié)果觀察到豬對DDGS的DE以及ME的預(yù)測較為準(zhǔn)確。NIR技術(shù)通過其強(qiáng)大的分析能力，可以準(zhǔn)確的預(yù)測豬對養(yǎng)分的消化吸收利用率，為豬的精準(zhǔn)飼養(yǎng)提供了良好的數(shù)據(jù)支撐。

3.2 NIR技術(shù)在家禽的飼料消化率預(yù)測中的應(yīng)用

NIR技術(shù)在家禽中養(yǎng)分消化率預(yù)測中也有應(yīng)用，主要應(yīng)用于肉雞的消化率預(yù)測中。Montanhini等研究了NIR技術(shù)對肉雞飼料營養(yǎng)評估中的應(yīng)用，結(jié)果表明使用NIR技術(shù)可預(yù)測肉雞對小麥和豆粕日糧的表觀代謝能（AME）。廖瑞波（廖瑞波，2012）的碩士論文中使用NIR技術(shù)建立了肉雞的玉米標(biāo)準(zhǔn)回腸可消化氨基酸測定的預(yù)測模型，試驗對象為28日齡健康愛拔益加肉仔雞 （n=48），預(yù)測了肉仔雞對玉米中蛋氨酸、甘氨酸、天門冬氨酸以及色氨酸等回腸末端氨基酸消化率以及標(biāo)準(zhǔn)回腸可消化氨基酸消化率。NIR技術(shù)也可預(yù)測蛋雞的消化率進(jìn)行預(yù)測，李玉鵬等研究表明，使用NIR技術(shù)可以預(yù)測蛋公雞對棉籽粕的表觀代謝能以及真代謝能，兩者的定標(biāo)決定系數(shù)分別為0.9690、0.9268；交互驗證決定系數(shù)均在0.9以上，表明NIR技術(shù)預(yù)測蛋雞的代謝能是可行的。NIR技術(shù)在肉鴨的飼料消化率預(yù)測方面，于夢超等以櫻桃谷鴨（n=410）為研究對象，使用NIR技術(shù)預(yù)測了肉鴨對不同來源的小麥的表觀代謝能（AME），使用套算法計算小麥的AME作為標(biāo)準(zhǔn)集，建立預(yù)測模型，結(jié)果表明，小麥的AME預(yù)測模型的定標(biāo)決定系數(shù)為0.85、定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差為0.187、相對標(biāo)準(zhǔn)差為1.70%，研究認(rèn)為使用NIR技術(shù)預(yù)測肉鴨對小麥的AME的預(yù)測結(jié)果比較理想。也有研究發(fā)現(xiàn)，NIR技術(shù)可以通過測定家禽糞便中總凱氏氮（R2=0.94）以及水分（R2=0.99），進(jìn)而實現(xiàn)對家禽養(yǎng)分消化率的預(yù)測。綜合來看，NIR技術(shù)在家禽的飼料消化 （代謝）預(yù)測方面具有很高的準(zhǔn)確性，有望取代傳統(tǒng)測定家禽飼料消化率的方法。

3.3 NIR技術(shù)在反芻動物飼料消化率預(yù)測中的應(yīng)用

NIR技術(shù)不僅在單胃動物飼料消化率的預(yù)測方面有廣泛的應(yīng)用，還在牛和羊等反芻家畜飼料消化率預(yù)測方面有著許多的應(yīng)用。在奶牛消化率預(yù)測方面，Brogna等采用采用NIR技術(shù)對飼料中難消化的中性洗滌纖維 （NDF）的消化率進(jìn)行體外預(yù)測，建立了NDF的消化率預(yù)測方程，結(jié)果表明，奶牛對NDF消化率的預(yù)測方程具有很高的預(yù)測價值，240h的NDF體外瘤胃消化率的預(yù)測決定系數(shù)為0.90，交叉驗證決定系數(shù) （1-VR）為0.85，RPD 高于 2.5（為 2.53），表明 NIR 可以準(zhǔn)確的預(yù)測NDF的消化率；有研究使用NIR技術(shù)對哺乳期不同階段奶牛的糞便進(jìn)行掃描，分析其糞便中有機(jī)物（OM）以及NDF，結(jié)果表明NIR技術(shù)可以準(zhǔn)確的預(yù)測奶牛對有機(jī)物的消化率（OMD）以及NDF的消化率，并認(rèn)為使用NIR技術(shù)對奶牛的消化率進(jìn)行預(yù)測是一個不錯的選擇。NIR技術(shù)在肉牛的消化率預(yù)測方面，Johnson等采用NIR技術(shù)掃描肉牛糞便以評估其養(yǎng)分消化能力以及干物質(zhì)攝入量，結(jié)果表明，NIR技術(shù)可以準(zhǔn)確預(yù)測肉牛的日糧組成，同時可以預(yù)測肉牛的養(yǎng)分消化率（決定系數(shù)高于0.76），同時成功的預(yù)測了肉牛的DMI。在羊的飼料消化率預(yù)測方面，Starks等研究發(fā)現(xiàn)，使用NIR技術(shù)可以對羔羊的干物質(zhì)攝入量（DMI，該指標(biāo)用常規(guī)方法難以測量）進(jìn)行預(yù)測，同時可對飼草中的中性洗滌纖（NDF）和酸性洗滌纖維（ADF）的體外真消化率進(jìn)行預(yù)測；Villamuelas等研究結(jié)果表明使用NIR技術(shù)可以準(zhǔn)確評定阿爾卑斯山羊糞便中氮（FN）含量，決定系數(shù)為098，RPD值為5.3，進(jìn)而對其進(jìn)行準(zhǔn)確的營養(yǎng)評估。NIR技術(shù)也可通過分析反芻動物的糞便進(jìn)而定量分析其飼料的消化利用率，Decruyenaere等使用NIR技術(shù)掃描了反芻動物的糞便，為研究反芻動物體內(nèi)有機(jī)物的消化率（OMD）和干物質(zhì)攝入量（DMI），以實驗室方法建立標(biāo)準(zhǔn)集，結(jié)果表明，模型的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤差較?。?.0155），研究認(rèn)為NIR分析技術(shù)是預(yù)測反芻動物OMD和DMI的可靠的分析方法。綜上表明，NIR技術(shù)有望在反芻動物的飼料消化評定中發(fā)揮重要作用。

4 小結(jié)與展望

縱觀全文，NIR技術(shù)憑借其快速無損以及高效等優(yōu)良的測量功效，在眾多農(nóng)業(yè)領(lǐng)悟均有應(yīng)用，因而為越來越多的研究者以及畜禽生產(chǎn)相關(guān)企業(yè)所青睞。NIR技術(shù)在飼料原料養(yǎng)分價值評定、飼料品質(zhì)評定、豬、禽以及反芻動物的養(yǎng)分消化利用率等畜禽飼料營養(yǎng)領(lǐng)域發(fā)揮著良好的應(yīng)用潛力。然而，該技術(shù)目前的推廣仍存在問題，比如我國相關(guān)的NIR配套設(shè)備研發(fā)力度不夠；再者從該技術(shù)的測定原理來看，需要建立一個強(qiáng)大而完備的數(shù)據(jù)庫方可發(fā)揮出NIR技術(shù)的最大測量潛力；因而，在今后的推廣過程中，我國應(yīng)重視相關(guān)儀器設(shè)備的研發(fā)以及重視數(shù)據(jù)（相關(guān)畜禽飼料營養(yǎng)評定數(shù)據(jù)）的共享和完善更新。相信今后隨著飼料企業(yè)、畜禽生產(chǎn)企業(yè)的高效發(fā)展以及電子信息技術(shù)和化學(xué)計量學(xué)的發(fā)展，相關(guān)的NIR設(shè)備將會被廣泛開發(fā)和應(yīng)用，開發(fā)出針對性、簡便性的設(shè)備；同時隨著信息技術(shù)以及光導(dǎo)纖維技術(shù)的發(fā)展，NIR的數(shù)據(jù)庫將會得到充實和完善，實現(xiàn)異地實時檢測，進(jìn)而發(fā)揮其在畜禽飼料營養(yǎng)評定中的應(yīng)用潛力，最終促進(jìn)我國飼料企業(yè)以及畜禽生產(chǎn)相關(guān)企業(yè)實現(xiàn)高效發(fā)展！