近紅外光譜技術(shù)在養(yǎng)豬業(yè)中的應(yīng)用研究進展

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）

養(yǎng)豬業(yè)是我國畜牧業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)，養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展在很大程度上影響著我國畜牧業(yè)的發(fā)展。養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展受到多方面的因素制約，其中一大重要因素是與豬相關(guān)的營養(yǎng)指標、肉質(zhì)指標以及胴體指標等數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量。因而開發(fā)一種準確、可實現(xiàn)批量化測定的分析技術(shù)對養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展具有積極意義。

近紅外光譜技術(shù)（NIR）是一種利用光學(xué)原理實現(xiàn)樣品高效快速檢測的現(xiàn)代分析技術(shù)，具有綠色、高效的特點，近幾年在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。NIR 技術(shù)可實現(xiàn)對多種組分的快速無損測定，操作簡單，在歐美國家廣受推崇，應(yīng)用于多個領(lǐng)域[2]。NIR 技術(shù)具有多重優(yōu)點，在養(yǎng)豬業(yè)中也得到較多應(yīng)用，如在豬的營養(yǎng)物質(zhì)消化評定[3]、豬的飼料營養(yǎng)價值評定[4]、肉質(zhì)評定[5]以及胴體品質(zhì)測定[6]等方面均有著積極作用。本文就NIR 技術(shù)在養(yǎng)豬業(yè)中的應(yīng)用展開綜述，并闡述了其應(yīng)用原理。

1 NIR 技術(shù)的原理及分析方法

1.1 NIR 技術(shù)的原理

近紅外光是一種波長在780～2 526 nm 的電磁波[7]，NIR 光譜主要是由透射光譜（波長在780～1 100 nm處）、反射光譜（波長在1 100～2 526 nm 處）獲得近紅外光譜[8]。NIR 反映的是待測物質(zhì)中的分子振動頻譜，通過測定含氫基團（-OH、-CH、-NH 以及-SH 等基團）的振動倍頻和合頻吸收，從而反映與分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)、官能團以及分子狀態(tài)相關(guān)的定量或定性的信息，進而實現(xiàn)對待測物的測定[9]。從NIR 技術(shù)的原理來看，該技術(shù)可以對任何產(chǎn)生近紅外光譜的有機物質(zhì)（固體、不明顆粒等）進行無損測定，從而實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用[10]。由此可以看出，NIR 技術(shù)在養(yǎng)豬業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 NIR 技術(shù)的分析方法

該技術(shù)主要依賴于電子計算機等技術(shù)的一種多元測定技術(shù)，通過化學(xué)計量軟件對待測物質(zhì)進行定性和定量分析，利用相關(guān)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫并構(gòu)建相關(guān)模型，將待測物的測定參數(shù)與數(shù)據(jù)庫的模型進行比對即可實現(xiàn)待測物的定性或定量分析[9]。NIR 技術(shù)的分析流程主要包括：（1）采集標準品光譜進行分析；（2）建立樣品數(shù)據(jù)預(yù)測模型；（3）測定待測樣品光譜；(4)將待測樣品與數(shù)據(jù)庫的模型進行比對后得出分析結(jié)果[11]。其測定過程主要運用偏最小二乘法（PLS）、多元線性回歸（MLR）、主成分分析（PCA）以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等計算模型進行模型的校正[9]，模型擬合的評價指標為相關(guān)系數(shù)（R2）、校正均方根差（RMSEC） 以及驗證均方根差（RMSEP）等。

2 NIR 技術(shù)在養(yǎng)豬業(yè)中的應(yīng)用

2.1 豬飼料營養(yǎng)利用率的研究

傳統(tǒng)的測定豬飼料消化率的方法主要有全收糞法、體外試驗、體內(nèi)消化、同位素示蹤法以及尼龍袋法等，這些技術(shù)過程繁瑣，對受試動物的要求高，并且結(jié)果不夠精準，不利于大批量精準的測定。而NIR 技術(shù)的出現(xiàn)，為營養(yǎng)物質(zhì)利用率的測定提供了新的手段并得到了普遍的應(yīng)用[10]。有學(xué)者就NIR 技術(shù)在豬對養(yǎng)分的消化吸收利用方面的應(yīng)用做了大量的研究，Zhou 等[12]用NIR 技術(shù)預(yù)測了豬對玉米干酒糟（DDGS）的消化能（DE）以及代謝能（ME），使用了PLS 進行標準化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NIR 技術(shù)具有較好的預(yù)測能力，其相關(guān)系數(shù)在0.93～0.94 之間，同時發(fā)現(xiàn)NIR 對玉米中氨基酸的預(yù)測能力優(yōu)于傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)回歸法。Li 等[3]研究表明，NIR 技術(shù)可準確預(yù)測育肥豬對玉米的DE。李軍濤等[13]利用改進的最小二乘法（MLPS）校正模型，選擇了88 頭和29 頭杜長大閹公豬分別作為定標集和驗證集，通過NIR 技術(shù)預(yù)測豬對玉米的DE 和ME，結(jié)果表明，在消化能中，定標集和驗證集的決定系數(shù)分別為0.89 和0.86；而在代謝能中，兩者分別為0.87 和0.86；研究認為NIR 技術(shù)可用于快速檢測豬對玉米的消化。NIR 技術(shù)可以有效準確地測定養(yǎng)分消化率。Bastianelli 等[14]以196 頭大白豬為研究對象，采用相同營養(yǎng)水平的日糧飼喂大白豬，用NIR測定其糞便中的養(yǎng)分，結(jié)果表明NIR 技術(shù)分析的糞便養(yǎng)分的校正誤差（SECV）僅為1%左右，因而認為NIR 技術(shù)具有很高的準確性，有望用于豬的消化利用率的測定。相同的研究也表明，NIR 技術(shù)可以準確預(yù)測豬糞便中有機物以及粗蛋白等養(yǎng)分的含量，但對于纖維的預(yù)測尚不夠準確，這進一步表明NIR 技術(shù)在豬消化利用率測定上的應(yīng)用前景[15]。綜上表明，NIR 技術(shù)作為一種準確的定量技術(shù)，在豬的養(yǎng)分消化方面的測定具有廣泛的應(yīng)用。

2.2 豬飼料營養(yǎng)價值評定

飼料營養(yǎng)價值評定是配制豬優(yōu)質(zhì)日糧的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的測定方法（凱氏定氮法、索氏提取法等檢測方法）檢測指標單一，檢測時間長，并且花費大，不適用于養(yǎng)豬生產(chǎn)企業(yè)以及飼料生產(chǎn)企業(yè)批量化檢測的目的，而NIR技術(shù)很好地解決了上述問題，在飼料營養(yǎng)價值評定中起到了積極的作用[10]。NIR 技術(shù)可用于飼料原料常規(guī)養(yǎng)分（水分、粗脂肪以及粗蛋白等） 含量的檢測，Tejerina等[4]利用常規(guī)方法檢測了飼草中的干物質(zhì)（DM）、粗脂肪（CE）、粗蛋白（CP） 以及飼草總能（TE），并用NIR 技術(shù)記錄相應(yīng)的光譜以便建立預(yù)測方程，外部驗證結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NIR 技術(shù)具有較高的相關(guān)系數(shù)（1-VR）以及低標準預(yù)測誤差（SEP），粗脂肪、粗蛋白、總能以及亞麻酸的1-VR 和SEP 分別為0.92 和0.54、0.86 和0.47、0.84 和0.2、0.82 和0.6，這表明NIR 技術(shù)可有效地預(yù)測飼草中的營養(yǎng)成分含量。也有研究發(fā)現(xiàn)，NIR技術(shù)可以很好地預(yù)測玉米中粗蛋白、淀粉以及可溶性多糖的含量，并且預(yù)測模型具有很好的穩(wěn)定性，這為飼料原料的評估提供了新的思路和方法[16]。Bagchi 等[17]采用改進的偏最小二乘分析法（MPLS）為修正模型，使用NIR 技術(shù)檢測糙米的營養(yǎng)價值，發(fā)現(xiàn)預(yù)測值與標準值具有很高的相關(guān)性，表明NIR 技術(shù)具有高精度特性。肖紅等[18]研究表明，傅里葉變換NIR 技術(shù)可以準確預(yù)測紫花苜蓿青貯飼料鮮樣中的粗灰分含量（相關(guān)系數(shù)為0.978、預(yù)測標準誤為0.207），類似的研究發(fā)現(xiàn)NIR 技術(shù)適用于苜蓿樣品中CP、CE、Ash、ADF 和NDF 含量的檢測，但不適用原料水分的測定[19]。在粗纖維測定方面，研究發(fā)現(xiàn)NIR 技術(shù)可用于多種纖維飼料原料的日糧纖維水平快速預(yù)測（決定系數(shù)為0.985、預(yù)測標準誤差為1.63），且研究認為一階導(dǎo)數(shù)優(yōu)于二階導(dǎo)數(shù)處理[20]。在氨基酸定量檢測方面，李守學(xué)等[21]研究發(fā)現(xiàn)近紅外漫反射光譜技術(shù)（NIDRS）可用于樣品中L-賴氨酸硫酸含量的檢測（決定系數(shù)為0.952、預(yù)測標準誤差為0.554）。綜上表明，NIR 技術(shù)具有快速、結(jié)果精確的優(yōu)良特性，在豬飼料營養(yǎng)價值評定中具有很好的應(yīng)用前景。

2.3 豬肉品質(zhì)測定

豬肉品質(zhì)是豬的重要經(jīng)濟性狀。隨著居民生活水平的提高，人們對豬肉品質(zhì)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的肉質(zhì)測定是在屠宰后進行相關(guān)指標的分析，采用破壞性測定方法，不利于快速檢測以及選育肉質(zhì)優(yōu)良的種豬，因而開發(fā)一種無損、快速測定豬肉品質(zhì)的方法對養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展具有積極意義。NIR 技術(shù)可利用分析樣品的光譜吸收實現(xiàn)對豬肉品質(zhì)相關(guān)指標的測定。大量研究表明，NIR 技術(shù)可實現(xiàn)對肌內(nèi)脂肪（IMF）、大理石花紋以及系水力等相關(guān)肉質(zhì)性狀的測定。在肌內(nèi)脂肪測定方面，Huang 等[22]開發(fā)了一種快速有效的近紅外（900～1700 nm）高光譜成像方法測定最后6 對肋骨處的IMF 含量，運用多元線性回歸（MLR）對不同肋骨處IMF 含量作模型預(yù)測，結(jié)果表明6 個預(yù)測模型均有良好的預(yù)測性能，對第2 對和第3 對肋骨處IMF 含量的預(yù)測最為準確，其相關(guān)系數(shù)分別高達0.96 和0.95，同時該技術(shù)可實現(xiàn)肋骨處IMF 分布可視化，這將為今后IMF 含量的測定提供有利工具。在大理石花紋方面，Huang 等[23]運用MLR 方法構(gòu)建大理石花紋預(yù)測模型，利用NIR 技術(shù)對豬的背最長肌進行光譜分析，結(jié)果表明，建立的預(yù)測模型具有很好的預(yù)測性能，其校準相關(guān)系數(shù)達到了0.94，這表明NIR技術(shù)有望實現(xiàn)對大理石花紋的評分。NIR 技術(shù)也可實現(xiàn)對豬肉系水力的測定，Zhu 等用NIR 技術(shù)評估了40 個肌肉樣品的系水力，使用偏最小二乘回歸分析（PLSR）建立校準模型，以NIR 光譜作為輸入值、滴水損失值作為輸出值，結(jié)果表明滴水損失值與模型的相關(guān)系數(shù)為0.66。NIR 技術(shù)在其他肉質(zhì)相關(guān)指標的測定領(lǐng)域也有應(yīng)用，如有研究采用偏最小二乘回歸分析檢測了NIR 光譜，從而測定腌肉制品的脂肪含量（R2=0.95）[5]；也可測定豬屠宰后的無氧酵解能力，從而分析pH 值的變化[24]以及肉質(zhì)中脂肪酸（SFA、MUFA 以及PUFA）的含量以及水分等指標[25]，從而實現(xiàn)對豬肉品質(zhì)的無損評定。由于無損、快速、高效的檢測功能，NIR 技術(shù)在豬肉品質(zhì)的測定方面將具有很好的應(yīng)用前景。

2.4 胴體性能測定

胴體性狀也是影響?zhàn)B豬業(yè)效益的重要經(jīng)濟性狀。傳統(tǒng)的屠宰測定屬于破壞性測定，費時費力，不利于產(chǎn)業(yè)化，也不利于胴體性能優(yōu)良個體的選育。NIR 技術(shù)具有無損和快速檢測的功效，在豬的活體胴體性能測定方面有著大量的應(yīng)用。NIR 技術(shù)主要用于豬的瘦肉率、脂肪含量以及皮厚等胴體性狀的測定。NIR 技術(shù)在胴體瘦肉率測定方面具有廣泛的研究，肥肉的近紅外光反射率（85%～95%） 高于瘦肉（僅為40%），光譜范圍在400～1 100 nm 間，因而可利用此特性鑒定瘦肉和肥肉，從而求得胴體瘦肉率[26]。魏云鵬等[27]采用NIR 技術(shù)與光纖傳感器技術(shù)測定了豬的胴體瘦肉率，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)胴體局部肥瘦位置的測定，進而實現(xiàn)瘦肉率的測定，通過驗證發(fā)現(xiàn)瘦肉和肥肉的測定值與實測值的誤差在1.5 mm 上下；也有研究發(fā)現(xiàn)，NIR 技術(shù)可實現(xiàn)瘦肉厚度的測定[28]；這表明了NIR 技術(shù)用于瘦肉率的測定是可行的。NIR 技術(shù)在豬胴體脂肪的測定上也有應(yīng)用，Hua 等[29]采用NIR 技術(shù)，以偏最小二乘分析對豬脂肪含量建立了預(yù)測模型，取得了較好的預(yù)測結(jié)果，其校正相關(guān)系數(shù)以及預(yù)測相關(guān)系數(shù)分別為0.9956 和0.961；馬一鳴等[28]采用NIR 技術(shù)實現(xiàn)了對胴體脂肪的無損測量；也有研究發(fā)現(xiàn)，NIR 技術(shù)可對豬腹部脂肪進行測定，使用NIR 技術(shù)可以解釋腹部脂肪變化的72.7%～81.1%。在胴體皮厚方面，有研究比較了皮厚的真實值（11.15±1.52 mm）以及使用NIR 技術(shù)的測定值（10.91±2.03 mm），兩者較為接近，這表明NIR 技術(shù)對于胴體皮厚的測定是可行的[30]。綜上表明，NIR 技術(shù)可應(yīng)用于豬胴體性能測定的多個方面。

2.5 在養(yǎng)豬業(yè)其他方面的應(yīng)用

除了上述應(yīng)用外，NIR 技術(shù)在養(yǎng)豬業(yè)其他方面也有應(yīng)用。鄒昊等[31]應(yīng)用NIR 技術(shù)實現(xiàn)了對豬的血液生化指標（皮質(zhì)醇以及葡萄糖等）的測定，還可用于劣質(zhì)肉的鑒定，對PSE 肉的預(yù)判正確率為92%，對DFD 肉的判別率高達96%。黃偉等[32]認為NIR 技術(shù)可以應(yīng)用于豬肉等級的鑒定（正確率在80%以上），也可鑒定豬肉、羊肉、牛肉、雞肉（正確率在90%以上），還可用于豬肉新鮮度的檢測[33,34]。李軍山等[35]采用NIR 技術(shù)對豬去氧膽酸進行了檢測，以PLS 建立校正模型，結(jié)果表明NIR技術(shù)測定豬去氧膽酸是可行的，其相關(guān)系數(shù)達到了0.9982，內(nèi)部交叉驗證均方差為0.862，外部驗證預(yù)測均方差為0.671。NIR 技術(shù)還可測定豬糞中C、N、H 元素的含量[36]以及豬肉加熱終點溫度[37]，在鑒定DLY 商品豬和滇南小耳豬品種上（識別率為100%）也有應(yīng)用[38]。

3 小結(jié)與展望

NIR 技術(shù)利用光學(xué)原理對待測樣品的吸收光譜進行分析，得出待測物品的理化特性。該項技術(shù)具有無損、精度高、檢測速度快等優(yōu)良特性，在豬的營養(yǎng)物質(zhì)利用率評價、飼料原料營養(yǎng)價值評定、豬肉質(zhì)以及胴體性能測定等方面具有廣泛的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)檢測方法耗時耗力、檢測效率低等問題，促進了養(yǎng)豬業(yè)的良好發(fā)展。但目前NIR 技術(shù)在養(yǎng)豬業(yè)中的應(yīng)用還存在一些制約其進一步推廣的問題，如相關(guān)儀器設(shè)備的研制能力不強、相關(guān)數(shù)據(jù)庫尚不完善，因而需要大力支持NIR 相關(guān)設(shè)備的研發(fā)、數(shù)據(jù)庫的完善和共享。