VŨ CHÍ CƯƠNG – Bước đầu sử dụng kỹ thuật...
BƯỚC ĐẦU SỬ DỤNG KỸ THUẬT QUANG PHỔ HẤP PHỤ CẬN HỒNG NGOẠI
(NEAR INFRARED REFLECTANCE SPECTROSCOPY - NIRS) ĐỂ CHẨN ĐOÁN
THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA PHÂN VÀ THỨC ĂN CHO GIA SÚC NHAI LẠI
Vũ Chí Cương*, Phạm Kim Cương, Đoàn Thị Khang và Nguyễn Thu Anh
Viện Chăn Nuôi
*Tác giả để liên hệ: TS. Vũ Chí Cương, Phó Viện trưởng Viện Chăn nuôi,
ĐT: 0912121506, Email: vccuong@netnam.vn
ĐẶT VẤN ĐỀ
Kỹ thuật quang phổ hấp phụ cận hồng ngoại (Near Infrared Reflectance
Spectroscopy viết tắt là NIRS) là kỹ thuật đã được biết đến từ lâu và hiện nay đã được
ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực: xác định lượng nước trong ngũ cốc và các loại
hạt (Norris và Hart, 1965), xác định thành phần hoá học và tỷ lệ tiêu hoá của cỏ khô,
các thức ăn thô khô (Brown và cộng sự, 1990), thức ăn ủ chua (Park và cộng sự 1998),
cỏ tươi (Berarado và cộng sự 1997; Givens và cộng sự 1997), xác định lượng thức ăn
ăn vào (Coelho và cộng sự, 1988), xác định thành phần hoá học và giá trị dinh dưỡng
của các thức ăn hạt cốc cho gia súc nhai lại (Arminda và cộng sự., 1998), lợn (Van
Barneveld và cộng sự., 1999), gia cầm (Valdes và Leeson, 1992), xác định tinh bột,
mỡ, dầu thực vật, năng lượng trao đổi, tồn dư thuốc bảo vệ thực vật và độc tố trong ngũ
cốc (Wrigley, 1999), kiểm tra các loại thực phẩm (De Boever và cộng sự, 1994), tồn dư
nấm mốc và các chất phụ gia trộn trong nguyên liệu thức ăn (Givens và Deaville,
1999).
Dùng NIRS để xác định thành phần hoá học, tỷ lệ tiêu hoá của thức ăn, từ đó ước tính
giá trị dinh dưỡng của thức ăn đã được công nhận là phương pháp phòng thí nghiệm có độ
chính xác cao (Boval và cộng sự, 2004). NIRS cũng là phương pháp được AOAC chính
thức công nhận để phân tích protein thô và ADF và ẩm độ (Barton và Windham, 1998).
Những ưu điểm, hạn chế của phương pháp này đã được nhiều tác giả đề cập đến
(Givens và cộng sự, 1997; Coleman và cộng sự 1999).
NIRS cho phép phân tích nhanh, nhiều mẫu đồng thời, không độc hại, không phá huỷ
môi trường vì không dùng hoá chất, ít tốn thời gian, rẻ dù đầu tư ban đầu cao để mua thiết
bị (William và cộng sự., 1998), chuẩn bị mẫu đơn giản (Mark và cộng sự, 2002), độ chính
xác khá cao, đơn giản cho sử dụng và vận hành (Given và Deaville, 1999). Nhược điểm
của phương pháp là cần nhiều thời gian cho chuẩn hoá và phát triển mô hình, xử lý số liệu
khó, chuyển đổi số liệu từ các máy khác nhau về serie khá khó khăn (Given và Deaville,
1999). Với mục đích ứng dụng NIRS để xây dựng phương trình chẩn đoán thành phần hoá
học của thức ăn, phân tiến tới xây dựng phương trình chẩn đoán tỷ lệ tiêu hoá và giá trị
dinh dưỡng của thức ăn chúng tôi tiến hành đề tài này.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên lý của phương pháp
Theo William và cộng sự (1998), nguyên lý của phương pháp này như sau: Khi có một
chùm ánh sáng tới chiếu qua các mẫu sinh học, vùng ánh sáng cận hồng ngoại (750-
2500nm) được các cầu nối C-H, N-H, O-H - là các thành tố cơ bản tạo nên các chất hữu cơ
VŨ CHÍ CƯƠNG – Bước đầu sử dụng kỹ thuật...
của mô sinh học, hấp phụ. Đo phổ ánh sáng phản xạ từ các mẫu ta có được các thông tin về
thành phần hoá học của mẫu đó. Từ phổ (Spectrum) thu được nhờ một phần mềm ví dụ
WinISI chúng ta có được một ma trận các giá trị số của phổ cho một chất hữu cơ nào đó (ví
dụ protein thô). Vì mẫu đồng thời cũng được phân tích thành phần hoá học nên chúng ta có
được một ma trận số các giá trị phân tích về một chất hữu cơ nào đó (ví dụ protein thô).
Dùng các mô hình thống kê nhiều biến cho phép mô tả quan hệ giữa phổ hấp phụ và thành
phần hoá học, quan hệ này sau đó chính là mô hình toán để chẩn đoán thành phần hoá học
của các mẫu chưa phân tích tại phòng thí nghiệm. Toàn bộ nguyên lý của quá trình này
được mô tả trong Sơ đồ 1.
Phần mềm WINisi Phân tích
Ma trận kết quả phân tích chất A
x
1
x
2
..x
1
p y
1
y
2
x
21
…… y
2
y
2
. WinISI . .
. . .
x
n1
.. y
n
y
n
Phương trình chẩn đoán của NIRS cho chất A
Sơ đồ 1: Qui trình xây dựng phương trình chẩn đoán thành phần hoá học của thức ăn và
phân với máy NIRS
Các mẫu thức ăn, phân sử dụng trong nghiên cứu
Mẫu sử dụng trong thí nghiệm gồm: cỏ tự nhiên và cỏ trồng trong thí nghiệm in vivo
trên cừu và phân cừu trong thí nghiệm tiêu hoá in vivo đang được tiến hành tại Viện Chăn
nuôi từ năm 2004 - 2005. Các mẫu sau khi được sấy khô ở 45
0
C trong 24 giờ được nghiền
đến 1 mm để phân tích thành phần hoá học và chạy quét phổ trên máy NIRS
monochromator 5000 của hãng Foss, USA.
Phân tích thành phần hoá học
Thành phần hóa học thức ăn, phân đựơc phân tích tại phòng Phân tích thức ăn và 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 nước ban
đầu, protein thô, mỡ thô, xơ thô và khoáng tổng số. NDF, ADF được xác định theo phương
pháp của Goering và Van Soest (1970).
Chạy phổ và xử lý số liệu và xây dựng phưong trình chẩn đoán
Qui trình chạy và xây dựng phương trình chẩn đoán theo Sơ đồ 1. Mẫu thức ăn sau
chạy phổ được phần mềm chuyên dụng WinISI chuyển thành một ma trận số. Ma trận này
Ma trận phổ hấp phụ chất A
VŨ CHÍ CƯƠNG – Bước đầu sử dụng kỹ thuật...
cùng với ma trận kết quả phân tích sẽ được hồi qui với nhau (sau khi đã loại bỏ tự động các
số liệu cực đoan) với WinISI để xây dựng phương trình chẩn đoán. Mô hình toán học để
xây dựng quan hệ giữa hai ma trận số là hồi qui tuyến đa chiều (Multiple linear regssion-
MLR):
Y= b
0
+ b
1
X
1
+ b
2
X
2
+ …..+ b
i
X
i
+ b
p
X
p
Trong đó: Y là kết quả phân tích phòng thí nghiệm của chất A nào đó;
X là kết quả chẩn đoán với NIRS; b: hệ số
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả xây dựng phương trình chẩn đoán chất khô, protein thô, xơ thô và mỡ của cỏ
Bảng 1: Kết quả phân tích DM, CP, Fat và CF của cỏ trên máy NIRS
Thành phần n Mean SD Min Max SEC SECV
DM 37 18,38 4,93 3,58 33,17 0,76 0,97
CP 37 10,678 3,16 1,20 20,15 0,42 0,65
Fat 37 1,92 0,416 0,680 3,15 0,11 0,18
CF 37 30,41 3,35 20,37 40,46 0,72 1,24
Bảng 2: So sánh kết quả phân tích DM, CP, Fat và CF của cỏ với kết quả NIRS
Chỉ tiêu n Mean ± SD Min Max
Lab 39 18,46 ± 4,83 10,48 27,32
C
CK
K
NIRS 37 18.38 ± 4,93 3,58 33,17
Lab 39 11,12 ± 3,65 4,92 20,07 CP
NIRS 37 10,68 ± 3,16 1,20 20,15
Lab 39 1,98 ± 0,49 1,04 3,38 Mỡ
NIRS 37 1,92 ± 0,416 0,68 3,15
Lab 39 30,20 ± 3,58 21,21 36,10 CF
NIRS 37 30,41± 3,35 20,37 40,46
Bảng 3: Phương trình hồi qui chẩn đoá DM, CP, Fat và CF của cỏ trên máy NIRS
Chỉ tiêu n Phương trình R
2
(%) P (<)
DM của cỏ Y
1
39 Y
5
=
.
8393 + 0.9658 DMCoNIRS 93,6 0,001
CP của cỏ Y
2
49 Y
6
= - 0.6514 + 1.082 CPCoNIRS 90,6 0,001
Fat của cỏ Y
3
28 Y
7
= - 0.0101 + 1.033 FatCoNIRS 68,4 0,001
CF thô của cỏ Y
4
47 Y
8
= - 0.943 + 1.026 CFCoNIRS 92,7 0,001
VŨ CHÍ CƯƠNG – Bước đầu sử dụng kỹ thuật...
DM_Co_Nirs
DM_Co_Lab
28262422201816141210
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
S 1.22444
R-Sq 93.7%
R-Sq(adj) 93.6%
Fitted Line Plot
DM_Co_Lab = 0.8393 + 0.9658 DM_Co_Nirs
CP_Co_Nirs
CP_Co_Lab
17.515.012.510.07.55.0
20.0
17.5
15.0
12.5
10.0
7.5
5.0
S 1.12181
R-Sq 90.8%
R-Sq(adj) 90.6%
Fitted Line Plot
CP_Co_Lab = - 0.6514 + 1.082 CP_Co_Nirs
Fat_Co_Nirs
Fat_Co_Lab
2.62.42.22.01.81.61.41.2
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
S 0.278106
R-Sq 69.2%
R-Sq(adj) 68.4%
Fitted Line Plot
Fat_Co_Lab = - 0.0101 + 1.033 Fat_Co_Nirs
CF_Co_Nirs
CF_Co_Lab
35.032.530.027.525.0
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
S 0.967966
R-Sq 92.9%
R-Sq(adj) 92.7%
Fitted Line Plot
CF_Co_Lab = - 0.943 + 1.026 CF_Co_Nirs
Đồ thị 1, 2, 3, 4: Hồi qui giữa DM, CP, Fat và CF của cỏ phân tích phòng thí nghiệm và
chẩn đoán trên NIRS
Kết quả xây dựng phương trình chẩn đoán DM, CP, Fat và CF của cỏ từ NIRS được
trình bày ở các bảng 4, 5, 6 và đồ thị 3, 4, 5, 6. Kết quả này cho thấy trừ trường hợp Fat (R
2
trung bình: 68,4%) các phương trình chẩn đoán DM, CP và CF của cỏ bằng NIRS có R
2
cao (93,6; 90,6 và 92,7 %) với SEC (Standard error for callibration)-sai số của phép đo
chấp nhận được (0,76; 0,42 và 0,72%), và sai số của phép đo sau khi đã hiệu chỉnh SECV
(Standard error for cross validation) cũng đủ nhỏ để không gây sai số quá lớn của phép đo
(0,97; 0,65 và 1,24%). Với R
2
cao và sai số không lớn nên không có sự sai khác về các giá
trị: Mean ± SD, Min và Max của DM, CP và CF của cỏ phân tích phòng thí nghiệm và
chạy trên máy NIRS.
Kết quả xây dựng phương trình chẩn đoán DM, CP, Xơ, Mỡ, NDF, ADF, Ash của phân
cừu
Kết quả xây dựng phương trình chẩn đoán DM, CP, Fat, CF, NDF, NDF và Ash của
phân cừu từ NIRS được trình bày ở các bảng 4, 5, 6 và đồ thị 5, 6, 7, 8, 9, 10 và 11. Kết
quả này cho thấy trừ trường hợp DM (R
2
trung bình: 51,7%) các phương trình chẩn đoán
CP, Fat, CF, NDF, NDF và Ash của phân cừu từ NIRS có R
2
cao đến khá cao (98,4; 95,1;
94,6; 94,2; 93,8 và 98,1%) với SEC (Standard error for callibration)-sai số của phép đo
chấp nhận được (0,61; 0,2; 1,5; 1,36; 1,26 và 0,59%), và sai số của phép đo sau khi đã hiệu
chỉnh SECV (Standard error for cross validation) cũng đủ nhỏ để không gây sai số quá lớn
của phép đo (0,73; 0,27, 1,96; 1,70; 1,54 và 0,72%).
Với R
2
cao và sai số không lớn (không vượt quá 2%) nên không có sự sai khác về các
giá trị: Mean ± SD, Min và Max của DM, CP và CF của cỏ phân tích phòng thí nghiệm và
chạy trên máy NIRS, trừ trường hợp chất khô.
Bảng 4: Kết quả phân tích DM, CP, Xơ, Mỡ, NDF, ADF, Ash của phân cừu trên máy NIRS
Thành phần n Mean SD Min Max SEC SECV
DM 55 37,61 8,17 13,08 62,14 5,34 5,74
CP 57 12,88 4,62 7,39 26,74 0,61 0,73
VŨ CHÍ CƯƠNG – Bước đầu sử dụng kỹ thuật...
Fat 54 2,36 1,23 0,90 6,04 0,20 0,27
CF 55 27,52 6,47 8,12 46,92 1,50 1,96
NDF 54 61,10 8,17 36,59 85,62 1,36 1,70
ADF 54 34,19 7,05 13,049 55,33 1,26 1,54
Ash 55 18,04 4,82 3,59 32,49 0,59 0,72
Bảng 5: So sánh kết quả phân tích DM, CP, Xơ, Mỡ, NDF, ADF, Ash của phân cừu với kết
quả NIRS
Chỉ tiêu n Mean ± SD Min Max
Lab 57 38,2 ± 8,62 22,76 58,89
D
DM
M
NIRS 55 37,61 ± 8,17 13,08 62,14
Lab 57 12,88 ± 4,62 7,25 30,43 CP
NIRS 57 12,88 ± 4,62 7,39 26,74
Lab 57 2,44 ± 1,24 0,98 7,35 Fat
NIRS 54 2,36 ± 1,23 0,90 6,04
Lab 52 28,10 ± 7,17 13,97 50,78 CF
NIRS 55 27,52 ± 6,47 8,12 46,92
Lab 50 60,40 ± 8,76 34,40 74,38 NDF
NIRS 54 61,10 ± 8,17 36,59 85,62
Lab 51 34,32 ± 6,90 18,12 52,73 ADF
NIRS 54 34,19 ± 7,05 13,049 55,33
Lab 57 17,85 ± 4,84 10,28 26,72 Ash
NIRS 55 18,04 ± 4,82 3,59 32,49
Bảng 6: Phương trình hồi qui chẩn đoán DM, CP, Xơ, Mỡ, NDF, ADF, Ash của phân cừu trên
máy NIRS
Chỉ tiêu n Phương trình R
2
(%) P (<)
CK của phân cừu Y
5
36 Y
9
=
0.072 + 1.013 DMPhancuuNIRS 51,7 0,001
CP của phân cừu Y
6
57 Y
10
= - 0.0002 + 1.000 CPphancuuNirs 98,4 0,001
Fat của phân cừu Y
7
57 Y
11
= 0.02573 + 0.9946 FatphancuuNirs 95,1 0,001
CF của phân cừu Y
8
52 Y
12
= - 1.077 + 1.045 CFphancuuNirs 94,6 0,001
NDF của phân cừu Y
9
51 Y
13
= - 1.469 + 1.018 NDFphancuuNirs 94,2 0,001
ADF của phân cừu Y
10
50 Y
14
= 1.070 + 0.9771 ADFphancuuNirs 93,8 0,001
Ash của phân cừu Y
11
57 Y
15
= 0.0748 + 0.9953 AshphancuuNIRS 98,1 0,001