Sử dụng kỹ thuật quang phổ hấp thụ cận hồng ngoại (near infrared reflectance spectroscopy-nirs) để chẩn đoán thành phần hóa học của thức ăn, phân gia súc, gia cầm

sư dơng kü tht quang phỉ hÊp phơ cËn hång ngoại (near infrared reflectance spectroscopy - NIRS) để chẩn đoán thành phần hoá học củathức ăn, phân gia súc, gia cầm Vũ Chí Cơng1, Phạm Kim Cơng1, Đoàn Thị Khang2 Dơng Thị Thu Anh2 Bộ môn Nghiên cứu Bò; Phòng Phân tích thức ăn SPCN Đặt vấn đề Kỹ thuật quang phổ hấp phụ cận hồng ngoại (Near Infrared Reflectance Spectroscopy viết tắt NIRS) kỹ thuật đà đợc biết đến từ lâu đà đợc ứng dụng rộng rÃi vào nhiều lĩnh vực: xác định lợng nớc ngũ cốc loại hạt (Norris Hart, 1965) xác định thành phần hoá học tỷ lệ tiêu hoá cỏ khô, thức ăn thô khô (Abrams cộng 1987; Lippke and Barton, 1988 vµ Brown vµ céng sù, 1990), thức ăn ủ chua (Sinnaeve cộng 1994; Park cộng 1998), cỏ tơi (Norris cộng sù 1976; Shenk vµ céng sù 1977 and Berarado vµ cộng 1997; Givens cộng 1997), xác định lợng thức ăn ăn vào (Norris cộng sự,1976; Ward vµ céng sù, 1982; Redshaw vµ céng sù, 1986, Coelho vµ céng sù, 1988 and Park vµ céng sù, 1997), xác định thành phần hoá học giá trị dinh dỡng thức ăn hạt cốc cho gia súc nhai lại (Arminda cộng sự., 1998), lợn (Van Barneveld cộng sự., 1999), gia cầm (Valdes cộng sự., 1985; Valdes Leeson, 1992a, 1992b, 1992c, 1992d), xác định tinh bột, mỡ, dầu thực vật, lợng trao đổi, tồn d thuốc bảo vệ thực vật độc tố ngũ cốc (Wrigley, 1999), kiểm tra loại thực phÈm (De Boever vµ céng sù, 1994), tån d− nÊm mốc chất phụ gia trộn nguyên liệu thức ăn (Givens and Deaville, 1999) Dùng NIRS để xác định thành phần hoá học, tỷ lệ tiêu hoá thức ăn, từ ớc tính giá trị dinh dỡng thức ăn đà đợc công nhận phơng pháp phòng thí nghiệm có độ xác cao (Boval cộng sự, 2004) NIRS phơng pháp đợc AOAC thức công nhận để phân tích protein thô ADF (AOAC 989.03) ẩm độ (AOAC 991.01; Barton Windham, 1998) Những u điểm, hạn chế phơng pháp đà đợc nhiều tác giả đề cập đến (Norris vµ céng sù 1976., Shenk vµ Westerhaus, 1985; Murray, 1986., Givens vµ céng sù, 1997; Kitessa vµ céng sù, 1999., Fahey vµ Hussein, 1999 vµ Coleman vµ céng sù 1999) NIRS cho phép phân tích nhanh, nhiều mẫu đồng thời, không độc hại, không phá huỷ môi trờng không dùng hoá chất, tốn thời gian, rẻ dù đầu t ban đầu cao để mua thiết bị (William cộng sự., 1998), chuẩn bị mẫu đơn giản (Mark cộng sự.,2002), độ xác cao, đơn giản cho xử dụng vận hành (Given Deaville, 1999) Nhợc điểm phơng pháp cần nhiều thời gian cho chuẩn hoá phát triển mô hình, sử lý số liệu khó, chuyển đổi số liệu từ máy khác serie khó khăn (Given Deaville, 1999) Với mục đích ứng dụng NIRS để xây dựng phơng trình chẩn đoán thành phần hoá học thức ăn, phân tiến tới xây dựng phơng trình chẩn đoán tỷ lệ tiêu hoá giá trị dinh dỡng thức ăn tiến hành đề tài Vật liệu phơng pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên lý phơng pháp Theo William cộng sự., (1998) nguyên lý phơng pháp nh sau: Thành phần cỏ mô động vật đợc phản ánh loại hình cầu nối nguyên tử nhóm nguyên tử (nhóm chức - functional groups), chúng cấu tạo nên mô sinh học thông tin nhóm có đợc thông qua dạng quang phổ khác Khi mẫu chất hữu đợc chiếu sáng cầu nối liên tục dao động dÃn co lại Sự dao động tạo kiểu vận động dạng sóng cầu nối tần số đặc trng cho nhóm chức Những tần số ánh sáng tới phù hợp với tần số sóng dao động bị hấp phụ, tần số khác bị phản xạ qua Vùng cận hồng ngoại (750-2500nm) đợc cầu nối C-H, N-H, O-H - thành tố tạo nên chất hữu mô sinh học hấp phụ Nh thành tố hoá học mô qui định chất số lợng cầu nối qui định độ dài bớc sóng hấp phụ số lợng ánh sáng bị hấp phụ Phổ ánh sáng phản xạ từ mẫu chứa đựng thông tin thành phần hoá học mẫu Từ phổ thu đợc cầu nối đặc trng cho chất số mẫu định nhờ phần mềm ví dụ winisi mà dùng có đợc ma trận giá trị số phổ cho chất hữu (ví dụ protein thô) Vì mẫu đồng thời đợc phân tích thành phần hoá học nên có đợc ma trận số chất hữu (ví dụ protein thô) Sử dụng mô hình thống kê nhiều biến cho phép mô tả quan hệ phổ hấp phụ thành phần hoá học, quan hệ sau mô hình toán để chẩn đoán thành phần hoá học mẫu cha phân tích phòng thí nghiệm Toàn nguyên lý trình đợc mô tả sơ đồ Sơ đồ Qui trình xây dựng phơng trình chẩn đoán thành phần hoá học thức ăn phân với máy NIRS Phần mềm WINisi Phân tích Ma trận phổ hấp phô chÊt A x1 x2 …… x1p x21 Ma trận kết phân tích chất A y1 y2 y2 …… WinISI x n1 y2 n y yn Phơng trình chẩn đoán NIRS cho chất A 2.2 Các mẫu thức ăn, phân sử dơng nghiªn cøu MÉu sư dơng thÝ nghiƯm gồm: bột cá, cám gạo, đậu tơng cỏ thí nghiệm in vivo cừu phân cừu thí nghiệm tiêu hoá in vivo đợc tiến hành Viện chăn nuôi Các mẫu sau đợc sấy khô 45 0C 24 đợc nghiền đến mm để phân tích thành phần hoá học chạy quét phổ máy NIRS monochromator 5000 hÃng Foss, USA 2.3 Phân tích thành phần hoá học Thành phần hóa học thức ăn, phân đựơc phân tích phòng Phân tích thức ăn sản phẩm chăn nuôi, Viện Chăn nuôi Các tiêu chuẩn TCVN 4326 - 86, TCVN 4328 - 86, Shocklex, TCVN 4329 - 86, TCVN 4327 - 86 đựơc sử dụng để phân tích tỷ lệ nớc ban đầu, protein thô, mỡ thô, xơ thô khoáng tổng số NDF, ADF đợc xác định theo phơng pháp Goering Van Soest (1970) 2.4 Chạy phổ xử lý số liệu xây dựng phong trình chẩn đoán Qui trình chạy xây dựng phơng trình chẩn đoán theo sơ đồ Mấu thức ăn sau chạy phổ đợc phần mềm chuyên dụng WinISI chuyển thµnh mét ma trËn sè Ma trËn nµy cïng víi ma trận kết phân tích đợc hồi qui với (sau đà loại bỏ tự động số liệu cực đoan) với WinISI để xây dựng phơng trình chẩn đoán Mô hình toán học để xây dựng quan hệ hai ma trận số hồi qui tun ®a chiỊu (Multiple linear regssion-MLR): Y= b0 + b1X1 + b2X2 + … + biXi + bpXp Trong ®ã: Y kết phân tích phòng thí nghiệm chất A X kết chẩn đoán với NIRS b: hệ số Kết thảo luận Q 3.1 Kết nghiên cứu 3.1.1 Kết xây dựng phơng trình chẩn đoán chất khô (DM) protein thô (CP) bột cá Kết xây dựng phơng trình chẩn đoán DM CP bột cá từ NIRS đợc trình bày bảng 1, 2, đồ thị 1, Kết cho thấy phơng trình chẩn đoán DM CP bột cá NIRS có r từ (83,8 %) đến cao (91,61%) víi SEC (Standard error for callibration)-sai sè cđa phép đo chấp nhận đợc (0,88 đến 1,44 %), sai sè cđa phÐp ®o sau ®· hiƯu chØnh SECV (Standard error for cross validation) cịng ®đ nhá ®Ĩ không gây sai số lớn phép đo (0,94 % đến 1,94%) Bảng Kết phân tích DM, CP bột cá máy NIRS Chỉ tiêu n DM CP Mean SD Min Max SEC SECV 143 89,01 1,73 83,82 94,20 0,8789 0,9369 143 59,43 4,47 46,00 72,85 1,4346 1,9357 Bảng So sánh kết phân tích DM, CP bột cá phòng thí nghiệm với kết NIRS Chỉ tiêu n Mean SD Min Max ChÊt kh« Lab 89,02 ± 1,76 83,89 93,76 NIRS 143 89,01 ± 1,73 83,82 94,20 Lab 143 59,141 ± 4,84 37,900 68,02 NIRS CP 143 143 59,43 ± 4,47 46,00 72,85 H i qui gi a giá tr ch n đốn NIR v i giá tr phân tích phịng thí nghi m (% CP) B t cá H i qui gi a giá tr ch n đốn NIR v i giá tr phân tích phịng thí nghi m (% DM) 96 80 94 y = 0.8369x + 9.8278 R2 = 0.8392 70 NIR 50 NIR y = 0.7042x + 26.332 R2 = 0.7023 92 60 90 40 88 30 20 86 10 84 0 10 20 30 40 50 60 70 80 82 84 86 88 90 92 94 96 Lab Lab Đồ thị 1; Hồi qui DM, CP bột cá phân tích phòng thí nghiệm chẩn đoán NIRS Bảng Phơng trình hồi qui chẩn đoán DM CP bột cá từ DM, CP máy NIRS Chỉ tiêu n Phơng trình R2 r (%) P (