一般農(nóng)業(yè)研究中，分析一個樣品的一種參數(shù)（如蛋白質(zhì)、賴氨酸含量等），從制樣到完成分析需耗費(fèi)數(shù)小時到數(shù)天的時間。
- 而采用“近紅外分析技術(shù)”可在數(shù)分鐘內(nèi)完成多項參數(shù)的測定，分析速度可提高上百倍，分析成本可降低數(shù)十倍，而且整個分析過程不會對環(huán)境造成任何污染。
- 近紅外譜區(qū)的信息主要是分子內(nèi)部原子間振動的倍頻與合頻的信息，幾乎包括有機(jī)物中所有含氫基團(tuán)的信息，信息量極為豐富。
- 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，近紅外分析可用于與蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、淀粉、水分以及其它營養(yǎng)成分有關(guān)的分析，適合于對各種農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行品質(zhì)分析。
- 近紅外光對物質(zhì)的穿透能力較強(qiáng)，所以近紅外分析不需對樣品作任何預(yù)處理 ? 近紅外光子的能量比可見光還低，不會對人體造成傷害，屬于綠色分析技術(shù)。近紅外在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用 。
- 近紅外光譜分析的最早應(yīng)用領(lǐng)域
- 應(yīng)用范圍含蓋了多種農(nóng)業(yè)產(chǎn)品：
–農(nóng)作物：種子，水果，煙葉，茶葉等
–加工產(chǎn)品：咖啡、面粉、飼料等
–其它：乳制品、肉類等
一、農(nóng)產(chǎn)品分析
農(nóng)業(yè)為人類的生存提供了所需要的食品和纖維紡織品，其營養(yǎng)組分和質(zhì)量的測定是設(shè)計合理的植物培育和動物飼養(yǎng)程序不可缺少的因素。近紅外光譜技術(shù)最初的發(fā)展就是在農(nóng)產(chǎn)品分析的應(yīng)用中，在 90年代以前，大部分近紅外光譜的應(yīng)用文獻(xiàn)都是在農(nóng)產(chǎn)品分析中的應(yīng)用。早在 50 年代，Birth Norris 等人將磨碎后的谷物及油菜子用氯仿或四氯化碳溶解成勻漿狀，然后采用近紅外透射光譜分析其中營養(yǎng)組分的含量。后來他們結(jié)合漫反射技術(shù)直接采用近紅外光譜非破壞性分析谷類、油菜子、蔬菜及水果等農(nóng)產(chǎn)品。也正是因為近紅外光譜在農(nóng)產(chǎn)品分析中的應(yīng)用帶來了經(jīng)濟(jì)效益，才促進(jìn)了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和在其它領(lǐng)域中的作用。
大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品的組成都很復(fù)雜且較難處理，采用傳統(tǒng)的分析方法很難得到全面的表征數(shù)據(jù)。近紅外光譜結(jié)合漫反射技術(shù)很適于農(nóng)產(chǎn)品的快速分析。由于該技術(shù)對樣品顆粒大小的依賴性較小，使得近紅外光譜可以對各種食品及農(nóng)產(chǎn)品，包括完整的水果和蔬菜、肉類和魚類、奶制品及各種液體飲料等，直接進(jìn)行測定而無需特殊的樣品處理過程。此外，傳統(tǒng)的實驗室方法分析速度太慢，需要輔助設(shè)備及操作技能，而這些又是原始的生產(chǎn)者所不具備的。近紅外光譜儀由于具有操作空間小、自動化程度高及受環(huán)境變化影響不大等特點，可以直接安裝在糧倉的谷物傳送帶上，對各種谷物進(jìn)行現(xiàn)場分析，其分析結(jié)果直接用于谷物的分類。這種快速、多組分的分析方法大大降低了裝載貨車和卸載貨車的滯留時間，提高了糧食市場的交易速度，從而極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益。
近紅外光譜在農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中的應(yīng)用包括原料的分析和鑒定、產(chǎn)品的質(zhì)量控制和標(biāo)記及新產(chǎn)品的研制和開發(fā)；分析對象從糧食到飼料、從水果到蔬菜、從肉類到奶制品及各種液體飲料等；測定的性質(zhì)參數(shù)包括各種農(nóng)產(chǎn)品和食品的濕度及淀粉、蛋白質(zhì)、油脂、糖分、纖維及灰分的含量。
上圖是小麥中主要營養(yǎng)組分的近紅外光譜圖，其中淀粉即碳水化合物在 2100nm 處有 1 個強(qiáng)的 O—H合頻吸收峰，其一級倍頻在 1460nm 處；蛋白質(zhì)中 N-H 合頻吸收在 1980、2060 和 2180nm 處，一級倍頻在1510nm 處；油類和脂肪有很尖的 G—H 合頻和倍頻吸收，這些特征吸收帶在食品中各營養(yǎng)組分的定量測定中非常有用。水在 1940nm 處的合頻吸收和 1450nm 處的倍頻吸收常用于濕度測定。
二、糧食和飼料
近紅外漫反射光譜在糧食分析鑒定中的應(yīng)用一直是近紅外光譜儀發(fā)展中所關(guān)注的問題。最初的應(yīng)用主要是測定小麥中的水分含量，后來又延伸到了淀粉、蛋白質(zhì)、油脂、糖分及食用纖維含量的測定。傳統(tǒng)的水分測定方法是干燥失重法，將樣品在加熱爐中加熱烘干，測定其質(zhì)量的損失，即得樣品中水分的含量。但樣品中所含的揮發(fā)性組分也會在加熱過程中損失，從而帶來一定的測量誤差。而近紅外光譜則可以利用水在 1940nm 處較強(qiáng)的合頻吸收帶，直接測定各種糧食中水分的含量，樣品所需要的唯一制備過程就是簡單的磨碎，且磨碎前后都不需要稱量，整個測定過程中需 9—30s。同時，由其它吸收帶還可以得到淀粉、蛋白質(zhì)及油脂等的含量參數(shù)。糧食中淀粉和蛋白質(zhì)的含量直接影響其質(zhì)量和價格，采用近紅外光譜法可以快速測定各種糧食中淀粉和蛋白質(zhì)的含量，從而將糧食進(jìn)行分類。
近紅外光譜由于設(shè)計合理、操作空間小、自動化程度高，使其可以直接安裝在面粉加工流水線上，分析定時采集的樣品，從而控制產(chǎn)品的質(zhì)量。除了蛋白質(zhì)含量和濕度測定外，加工過程控制的一個關(guān)鍵的要求是測定糠和內(nèi)殼（Endosperm）的分離程度，該分離程度可用灰分來表示，灰分試驗是測量面粉在高溫焚化后殘余氧化物的含量?？返幕曳趾勘葍?nèi)殼高 10—30 倍，近紅外光譜可以根據(jù)產(chǎn)品中纖維素（Cellulose）和油脂的含量估計糠的含量，從而由校正模型預(yù)測其灰分含量。同時，它還可以測定面粉加工過程中淀粉的損壞程度。此外，近紅外光譜在小麥硬度和質(zhì)地方面的測定也倍受人們的歡迎。
三、飼料分析
隨著人們對高營養(yǎng)價值的肉類、奶類和蛋類食品的需求量逐漸增加，動物飼養(yǎng)商對其所用飼料營養(yǎng)價值也越來越關(guān)注，因而飼料中營養(yǎng)組分的評價也就成為動物飼養(yǎng)過程中一個必不可少的環(huán)節(jié)。近紅外光譜由于其快速、非破壞性的特點，使其在這方面的應(yīng)用有很大的優(yōu)勢。初，人們將曬干粉碎的各種天然飼料經(jīng)近紅外光譜掃描后建立了包括蛋白質(zhì)、纖維、木質(zhì)數(shù)、活體和離體消化度、灰分及消化撮入量的校正模型，從而用于定量表征各種飼料。目前近紅外光譜可以直接分析未經(jīng)曬干和粉碎的新鮮飼料，這種技術(shù)已被用于農(nóng)作物中動態(tài)檢測樹葉、濕草中營養(yǎng)組分的含量。
制備動物飼料使用 20 多種原料，一般包括谷物、含油籽及其副產(chǎn)物和各種礦物質(zhì)，其合適的組成將直接影響其市場價格和原料的可獲得性。采用近紅外光譜分析無需將樣品磨碎，可快速得到原料及產(chǎn)品的濕度和各種營養(yǎng)組分的含量，從而得出正確的組成配方用于其加工控制。
四、肉類和奶制品
肉類和魚類在許多國家的進(jìn)出口貿(mào)易中占有非常重要的地位，其化學(xué)組成直接影響其市場價格和貿(mào)易情況。一般情況下，肉類的組成隨部位的不同而變化，又由于其中水分含量很高，因此，很難制得均勻的樣品。傳統(tǒng)的濕化學(xué)方法費(fèi)時、費(fèi)力且污染嚴(yán)重，用于肉類和魚類分析不甚理想。由于近紅外光在固體中的穿透程度相對較深，故可采用透射式近紅外光譜對肉類和魚類進(jìn)行非破壞性測定，得到其中脂肪、蛋白質(zhì)的含量及濕度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)其營養(yǎng)組分的含量進(jìn)行分類，在特定的生產(chǎn)過程中選擇合適的原料，優(yōu)化加工過程，同時對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，提高經(jīng)濟(jì)效益。另外，近紅外光譜還可以監(jiān)測肉類和魚類隨季節(jié)變化而引起的組成變化。 隨著人類生活水平的提高，奶制品在人類生活中的地位越來越重要。正確、快速的組成測定不僅可以為奶制品的加工過程提供適時指導(dǎo)，還可以為動物的優(yōu)良培育提供參考。近紅外光譜在奶制品工業(yè)中早期的應(yīng)用是分析干燥后的奶制品，測定奶粉中脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖的含量和濕度，后來又推廣到半干奶酪的分析。奶酪和奶粉加工者采用近紅外光譜監(jiān)控加工過程中液體奶制品在進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)時脂肪和水分的損失，從而進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)控，優(yōu)化干燥過程，提高效率，以得到合適濕度和組成的奶酷及奶粉。
近紅外光譜在液體牛奶研究的應(yīng)用崛起于 80 年代，采用近紅外光譜及多元校正方法建立了不同地方、不同培育類型奶牛牛奶中脂肪總量、固體、蛋白質(zhì)和乳糖含量的校正模型，實時測定不同來源的牛奶中各營養(yǎng)組分的含量，為奶牛優(yōu)良品種的培育提供了指導(dǎo)性參數(shù)。
五、水果和蔬菜
傳統(tǒng)的水果和蔬菜的質(zhì)量評價都是基于一些外部參數(shù)，如顏色、形狀、傷痕及大小來判斷的，近年來一些內(nèi)部參數(shù)，如甜度、酸度、濕度及脆度在其質(zhì)量評價中變得越來越重要。水果和蔬菜的化學(xué)組成隨種類、生長區(qū)域、氣候及種植和收割條件的變化而不同，實時監(jiān)測其中營養(yǎng)組分的含量，可以調(diào)節(jié)其生長條件，確定合適的收割時間，以得到營養(yǎng)價值高且視覺效果好的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的分析方法都需要將水果去皮，取出其中的果汁分析。近紅外光譜借助于光導(dǎo)纖維，不僅可以非破壞性監(jiān)測成熟水果和蔬菜中和種營養(yǎng)組分及上述內(nèi)部參數(shù)，而且還可以在植物生長過程中在線監(jiān)測其化學(xué)組成，從而確定植物在生長循環(huán)過程中是否從土壤中得到了合適的營養(yǎng)成份，同時它還可以監(jiān)測土壤的條件，確定哪種土壤適合哪種植物的栽種。
近紅外光譜在農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中的應(yīng)用除上述外，還可用于各種酒精飲料中醇含量、果汁中糖和酸含量、各種食用油和固體油脂中脂肪、水分及其它營養(yǎng)成分含量的測定，并用于這類食品的分類。同時，它還可用于各種快餐食品中食用纖維和淀粉含量的測定、豆類食品中蛋白質(zhì)和碳水化合物含量的測定及煙草中生物堿和濕度的測定等?？傊?，近紅外光譜在農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中的應(yīng)用遍及到了每一個角落，它為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品加工提供了一種簡單、快速、準(zhǔn)確的質(zhì)量控制手段，大大地提高了經(jīng)濟(jì)效益。
