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近红外光谱快速分析技术及其在动物饲料和产品品质检测中的应用

发表时间:2016-08-08 13:34作者: 王利 孟庆翔来源:仪器信息网网址:http://www.instrument.com.cn

 随着畜牧业的发展,人们对动物饲料及产品的营养价值和安全性越来越关注,如何实现其在生产过程中的质量控制及其营养成分的快速分析显得越来越重要,以往的化学分析方法存在着过程缓慢,方法复杂,使用大量的化学试剂,不仅对环境造成污染,而且一些有毒试剂对人身造成重大伤害等诸多不足,因此,建立快速简便而且绿色的分析方法,使整个分析过程变得更加快速,简便和实用是十分必要的,近红外光谱分析技术是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术,该技术被称为."世纪分析领域的巨人,它的出现可以说带来了又一次分析化学技术的革命%该技术具有测定快速,制样简单,一次可同时测定多个成分,不需要化学试剂,检测无污染等诸多优点,因此,近红外光谱快速分析技术近年来得以迅速地发展,并在分析检测领域得到广泛的应用。

1 近红外光谱分析技术的基本原理及其发展

 1.1 基本原理

 近红外光是指波长介于可见区与中红外区之间的电磁波,其波长范围约为800-2500nm,波数范围约为12500-4000cm-1,近红外光谱简称NIRS,方法是利用有机物中含有B,C!(,C!D,C和B,B等化学键的泛频振动或转动,以漫反射方式获得在近红外区的光谱,通过主成分分析,偏最小二乘法,人工神经网等现代化学计量学的手段,建立物质光谱与待测成分含量间的线性或非线性模型,从而实现用物质近红外光谱信息对待测成分含量的快速预测),

1.2 近红外光谱预处理技术

  光谱预处理是提高校正模型的可靠性和稳定性的必要措施,它主要是除去光谱中的噪音并提取有用信息,同时它也是提高未知样品组分浓度预测精度的有力保证

  1.2.1 微分处理技术 

   微分处理主要包括一阶导数处理和二阶导数处理!光谱一阶求导处理主要解决基线的偏移!二阶求导处理主要解决基线的漂移!是最为常用和比较有效的光谱预处理技术!可以很好地除去背景影响!减弱和消除各种非目标因素对光谱干扰,但是在某些情况下微分处理减弱了目标因素的信息!降低了信噪比,江泽慧)在利用近红外光谱结合多变量数据分析技术对人工林木材纤维素的结晶度进行预测的能力的研究时发现!采用一阶导数和二阶导数光谱预处理没有提高近红外模型的预测效果!而采用原始光谱的预测效果最好,

 1.2.2 信号平滑技术

  由于由仪器扫描得到的光谱信号中存在随机误差从而产生噪音!所以消除这些噪声是十分关键的%平滑算法是消除噪声最常用的一种方法%其基本原理是假设光谱含有的噪声为零均随时白噪声!多次测量可以取平均值!以此来降低噪声提高信躁比%常用的信号平滑技术有移动平均平滑法和卷积平滑法

 1.2.3中心化和标准化处理技术

  数字中心化是从每个光谱数据中减去样品的平均值!使得处理后的光谱数据充分反映变化信息!使所有数据都分布在零点两侧!这样可简化并稳定以后的计算!而且不影响数据的相对位置变异信息%标准化处理的原理是通常使用同一列数据的方差去除!消除变量的量纲效应!从而使每一个数据在变异信息中具有同等的表现力。

1.2.4 小波变换滤波技术.

  小波变换技术是."世纪>"年代发展起来的应用数学分支!主要用于近红外光谱的数据压缩和背景扣除!被称为傅里叶分析方法的突破性进展)应义斌见本刊,利用小波变换滤波技术对?"个水果样品的近红外光谱信号进行了去噪处理%研究结果表明(使用小波去噪方法有消除原始光谱噪声作用!从而使最终的模型更具有代表性和稳定性!同时提高了品质检测时模型预测精度%不同的光谱预处理技术各有其优点和缺点!适用范围有一定限制%所以在具体应用时应当根据光谱的特点!采用合理的光谱预处理技术!这样才能保证获得更好的定量分析结果%$%'

1.3 近红外光谱分析模型的发展

  为了对近红外光谱进行快速、实时的定性定量分析,必须利用化学计量学建立稳定可靠的定性或定量分析模型,

 1.3.1 多元线性回归

  多元线性回归是较早的化学计量学方法%它是1976年由noisse等提出的,并将其成功地运用于近红外光谱分析中%SXV的校正方法比较简单!物理意义明确,它的原理是对所测组分建立线性回归方程!即S(-"<-**D*<-.*D.<1<-! *D!%但是它常常需要人工选择建模波长点!在分析样品时只用了一些特征波长点的光谱信息!其他点的信息被忽略!容易对模型产生过适应性,所以近年来!随着近红外技术的应用领域越来越广!它也显示出更多的局限性!逐渐被其他的模型代替。

 1.3.2  马氏距离

  马氏距离常用于光谱的判别分析,它用来度量未知样本与特定类之间的距离等将其用于近红外光谱定量校正模型的适用性判断,结果发现在应用马氏距离计算时!可采用几个波长下的光谱数据进行,其不足一是如果将光谱数据减少!波长的选择是一个重要又比较困难的问题!因为波长选择不合适可能会丢失样品的信息'二是如果采用全谱运算!计算工作量极大!且可能由于共线性的存在导致矩阵运算不稳定%

1.3.3 主成分分析(PCA)

  PCA的主要目的是数据降维!以消除近红外光谱信息中相互重叠的部分!将光谱数据向协方差最大方向投影!得到最大限度反映被测样品的组成和结构信息的新变量%但是它对离群点判别的定量阈值不易界定,徐广通提出了将EB9和 SQ相结合解决校正模型的适应性判断,既利用了EB9对光谱降维处理不丢失信息的特点!又发挥了 SQ判别离群值有效识别的优点

 1.3.4 偏最小二乘法

  偏最小二乘法是应用最广泛的建模方法%它是在传统的多元线性回归的基础上发展起来的一种回归方法%用EX/建立模型!可以利用全部光谱的信息对样品进行分析!将光谱矩阵的分解和回归交互进行%大量的近红外技术的应用都采用了此种建模方法.

  但是当训练集样品数目有限或者存在较大的误差时!由于采用EX/单一模型!模型的精度和准确性往往达不到预期效果%邵学广)#*采用基于多模型共识的偏最小二乘法"1EX/#对烟草样品中氯的含量与近红外光谱的模型进行研究!结果表明1EX/较EX/算法的模型更加稳定可靠%唐长波等)H*提出了用移动窗口最小二乘回归法和全谱EX/法建立模型!其所建模型效果优于EX/所建模型

1.3.5 人工神经网络

  在近红外光谱中!往往光谱参数与样品含量化学测定值之间具有一定的非线性!特别是当样品含量范围变化较大时!样品的近红外光谱与其待测组分含量之间的关系是非线性&多因子的复杂关系!线性模型不再适应!这时就可以采用人工神经网络法)>*%人工神经网络模仿人脑处理信息!具有分布并行处理&非线性映射&自适应学习等特性!对处理灰色&黑色体系与非线性体系的信息有着突出的优点%赵琛"见本刊!.""+!.+"*#(-"#用 ME神经网络建立了氨基酸&精氨酸和总氨酸的定量模型!均优于主成分回归和偏最小二乘回归等线性模型的处理结果%结果表明 !该方法是一种有效实用的非线性校正方法

 1.3.6 支持向量机

  支持向量机是近年来出现的新的化学计量学方法,当训练集样本较少且变量较多时!应用EB9和EX/常会出现/过拟合0或/欠拟合0现象)#*%基于上述缺点!将支持向量机用于近红外光谱可有效地改善过拟合现象!而且它允许高维数据作为输入矢量!可以很好地解决温度等变量引起的光谱非线性变化问题%兰州大学的栾峰),将支持向量机方法应用到化学&环境化学和药物化学等领域中!进行了多种化学物质的性质&环境毒物的毒性和药物有关的性质的预测!建立了准确的定量结构性质+活性关系模型%对于每一种化学计量学方法而言!都有各自的长处和短处!在用于近红外光谱时可能受到某些限制%目前已有研究者将这些方法相互结合!取长补短!再将其应用于近红外光谱分析技术中.

2 近红外快速分析技术在动物饲料及产品品质分析中的应用

2.1 近红外快速分析技术在动物饲料品质分析中的应用

  近年来!随着计算机技术和化学计量学的发展!(WV/技术在饲料分析方面也取得了一定的成果%(WV/技术不仅能用于饲料常量成分分析!如水分&粗蛋白&粗纤维&粗脂肪的测定!而且能用于微量成分"如氨基酸!维生素#&有毒有害成分"如植酸磷,棉酚等,的测定,并且 (WV/已发展为用于饲料营养价值评定!如单胃动物的氨基酸利用率&有效能值测定等'另外!它还能用于饲料加工过程的在线分析%由于 (WV/具有简便&快速&相对准确的优点!因此国内外不少学者认为 (WV/光谱技术已成为饲料快速&实时成分分析和过程控制的最先进技术%表*为近红外光谱技术在饲料分析上的应用.

2.2 近红外快速分析技术在动物产品品质检验中的应用

  实时,快速,准确地实现动物产品品质检验对提高动物产品的质量具有很好的现实指导意义%近红外快速检测技术已应用于肉类工业的各个领域%它除了可以测定肉产品中的水分!蛋白!脂肪等成分外!还可以在屠宰分割过程中及时测定肉的各种理化指标,应用此技术!可以对产品品质进行在线检测!通过对产品成分含量的校准和预测!可以随时调整生产策略!优化产品%近年来!在各种肉类产品检验的的报道中!尤以牛肉居多%此外!还有牛奶和蛋类的报道%表.为近红外光谱技术在动物产品品质分析中的应用.

3 近红外光谱快速分析技术在动物饲料和产品快速分析中应用展望

 NIRS法以其快速&简便&无损&绿色等诸多优点!在各行各业越来越受到青睐%在饲料分析方面!不仅能用于饲料常量成分分析!还能用于微量成分&有毒有害成分的检测!同时能用于饲料营养价值的评价!从而为饲料生产过程的质量控制提供了行之有效的方法%在动物产品品质分析方面!用于肉类&蛋&奶类等多种成分的快速检测!大大优化了动物产品的品质%除此以外!企业可以利用 (WV/技术进行在线监测!调整配方和采购策略!降低生产成本!提高产品质量%因此!近红外光谱分析技术在饲料检测和动物产品品质分析上的应用前景是十分乐观的

 但是由于各种影响因素的存在!NIRS法在目前的应用中还存在着诸多需要解决的问题%尤其在无损检测方面!由于采集样品技术问题!在动物产品的无损检测受到限制%如在蛋类产品品质检测中的应用很少!在国内外鲜有报道%另外!由于其准确性依赖于准确的化学分析&先进的光谱采集技术&合适的数据处理技术以及稳定的化学计量模型!因此!使NIRS分析技术能够作为动物饲料及产品质量检测控制常规的分析检测技术!还需要更多的研究者进行长期的探索和研究,

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