NEAR INFRARED SPECTROSCOPY IN ANIMAL NUTRITION AND FEED EVALUATION

The current doctoral thesis is focused on the importance of using near-infrared spectroscopy (NIRS) as a rapid and low-cost means for predicting and monitoring the nutrient composition and quality of different types of feed matrices, dried and milled, and fresh and unmilled. NIRS technology can be used for analysing simple samples like single feed ingredients such as cereals or more complex ones such as compound feed and complete feed. The thesis is organised into two parts: the theory part and the experimental part, in turn divided into different chapters. The theory part starts with Chapter 1, which is the introduction, focused on the importance of feed analysis in the current context, a general overview of the theory of spectroscopy is provided, starting from the discovery of the infrared (IR) region of the electromagnetic spectrum, up to the principles of vibrational spectroscopy, therefore how molecules vibrate, and how they behave in the near-infrared (NIR). Chapter 2 is dedicated to chemometrics. This section is intended as a sort of introduction for beginners who approach this discipline for the first time. It offers an overview of chemometrics without giving too many details about this large subject, and for this reason, the number of formulas is kept to a minimum. In Chapter 3, entitled Instrumentation, a short overview of the NIR instrumentation is given. Moreover, the main features of the NIR spectroscopy (NIRS) are reported too. The experimental part starts in Chapter 4, which is the core of the thesis where four different case studies that interested the research activity during the PhD are reported. In particular, this part is composed of four different case studies: 1. Enabling precision feeding: A novel micro-NIRS system for rapid on-site analysis of nutritional composition of poultry feed and feed ingredients 2. Near-infrared spectroscopy (NIRS) as a tool to monitor forage quality: a 7-Year survey on corn silage nutrient composition in Po Valley (Italy) 3. NIRS and standard chemical assay for determination of starch content in corn silage samples from Northern Italy 4. Evaluation of the performance of a new benchtop NIR spectrometer in predicting the main chemical components in fresh matrices for cows' nutrition compared with the oldest one in a laboratory in Northern Italy. The last Chapter summarises the conclusion of these three-year studies on NIRS.

La presente tesi di dottorato è incentrata sull’importanza dell’utilizzo della spettroscopia del vicino infrarosso (NIRS) come un mezzo rapido e a basso costo per la previsione e il monitoraggio della composizione dei nutrienti e della qualità di diversi tipi di alimenti per animali, essiccati e macinati, e freschi e non macinati. La tecnologia NIRS può essere usata per analizzare semplici campioni come singoli ingredienti per mangimi come i cerali oppure campioni più complessi come i mangimi composti e mangimi completi. La tesi è organizzata in due parti: la parte teorica e la parte sperimentale a sua volta divisa in diversi capitoli. La parte teorica inizia con il Capitolo 1, che è l’introduzione, focalizzata sull’importanza dell’analisi dei mangimi nel contesto attuale, viene fornita anche una panoramica generale della teoria della spettroscopia, iniziando dalla scoperta dell’ infrarosso (IR), regione dello spettro elettromagnetico, fino ad arrivare ai principi di spettroscopia vibrazionale e quindi come le molecole vibrano e come si comportano nel vicino infrarosso (NIR). Il Capitolo 2 è dedicato alla chemiometria. Questa sezione è da intendere come una sorta di introduzione per principianti che si approcciano per la prima volta a tale disciplina. Offre una panoramica della chemiometria senza fornire troppi dettagli riguardo a questa così ampia materia, e per questo motivo, il numero delle formule è stato ridotto al minimo indispensabile. Nel Capitolo 3, intitolato Strumentazione, viene data una breve panoramica sulla strumentazione NIR. In aggiunta, sono riportate le principali caratteristiche della spettroscopia NIR (NIRS). La parte sperimentale inizia nel Capitolo 4, che è il cuore della tesi e dove sono riportati quattro diversi casi di studio che hanno interessato l’attività di ricerca durante il dottorato. In particolare, questa parte è composta da quattro diversi casi di studio: 1. Facilitare l'alimentazione di precisione: un nuovo sistema micro-NIRS per l'analisi rapida in loco della composizione nutrizionale dei mangimi e degli ingredienti per pollame 2. Spettroscopia del vicino infrarosso (NIRS) come strumento per monitorare la qualità dei foraggi: sondagio di 7 anni sulla composizione nutrizionale dell’insilato di mais nella pianura padana (Italia) 3. NIRS e analisi chimica standard per la determinazione del contenuto di amido nell’insilato di mais in campioni del Nord Italia 4. Valutazione delle prestazioni di un nuovo NIR da banco nel prevedere i principali componenti chimici in matrici fresche per l’alimentazione di vacche da latte rispetto a quello più vecchio in un laboratorio del Nord Italia. L’ultimo capitolo riassume le conclusioni di questi tre anni di studio sul NIRS.