植物油作为瘤胃甲烷抑制剂的效果及其作用机理

植物油作为瘤胃甲烷抑制剂的效果及其作用机理浙江大学动物科学学院/张春梅苑志朋易贤武郭嫣秋刘建新摘要：甲烷是反刍动物正常消化过程中的产物，以嗳气的方式经口腔排出体外，减少甲烷的产生对提高饲料能量利用率和改善环境均具有重要意义，因此有必要寻求降低反刍动物甲烷排放的策略。油脂作为日粮配合的成分相对于合成的甲烷抑制剂、抗生素及生物化学的干预来讲，是最自然的一种调控方式。本文综述了植物油的不同来源及其组成抑制甲烷的效果、作用机理及影响因素。关键词：畜牧学；甲烷；综述；植物油；反刍动物在反刍动物瘤胃代谢过程中，依饲喂水平、日粮组成及消化率不同，大约有2％～15%的饲料能以甲烷的形式被损失掉[1]。全球反刍动物年产甲烷约7.7107t，占散发到大气中的甲烷总量的15%，而且每年还以1%的速度递增。甲烷是与全球气候变化密切相关的温室气体，对全球气候变暖的影响作用占到所有影响气候变暖作用的15%～20%，其增温潜势是CO2的62倍[2]。因此，减少反刍动物甲烷的排放对环境和动物生产具有双重意义。在实际生产中，除了离子载体外并没有其它有效的甲烷抑制剂可供利用。然而，出于食品安全方面的考虑，抗生素在动物营养中的应用日益受到限制，因此，利用饲喂策略和生物措施抑制甲烷生成引起了人们的广泛关注。研究表明，由于不饱和脂肪酸的生物氢化作用和自由脂肪酸对甲烷菌和原虫的毒害作用，日粮中添加油脂是最自然的一种瘤胃甲烷调控方式[2]。本文综述了反刍动物日粮中添加不同来源的植物油对瘤胃甲烷生成的效果、作用机理及其影响因素。1植物油抑制甲烷的效果植物油的主要成分是甘油三酯，由甘油的三个羟基与三个脂肪酸缩合而成。根据脂肪酸含量的差异，可把植物油分为富含中链饱和脂肪酸（如椰子油和棕榈仁油等）和富含长链不饱和脂肪酸（如亚麻油、葵花籽油、豆油和菜籽油等）两大类。1.1富含中链饱和脂肪酸的植物油抑制甲烷的效果Machmüller等[3]利用体外产气技术研究了椰子油和全压榨的油料种子如油菜籽、向日葵籽和亚麻籽对甲烷生成的效果，结果表明，椰子油、向日葵籽和亚麻籽显著降低了甲烷的生成。与不添加植物油和油料种籽的对照组相比，日粮中添加3%和6％的椰子油后，甲烷产量分别减少43%和57%；向日葵籽和亚麻籽也抑制了高达40%的甲烷产量。这些结果表明，某些油脂在正常的日粮配比下即可抑制甲烷生成。上述日粮在生长羊上的试验证实了体外试验的结果，椰子油和向日葵籽通过抑制甲烷减少能量损失平均达27%[4]。Yabuuchi等[5]比较了富含月桂酸（C12:0）的多种植物油的效果，包括椰子油、棕榈仁油、棕榈油和椰子油钙皂。以5%的水平添加时，椰子油、棕榈仁油均显著降低了甲烷产量，且显著降低了原虫数量。Dohme等[6]进一步比较单个脂肪酸时发现，只有C12:0和C14:0这2种中链脂肪酸能有效抑制甲烷生成和甲烷菌数量，这也解释了椰子油抑制甲烷的良好效果，因为椰子油中主要含有C12:0和C14:0这2种中链脂肪酸。Soliva等[7]在体外研究非酯化的C12:0和C14:0及它们不同比例的混合对甲烷生成的影响时，发现甲烷产量随着C12:0比例的增加而下降，然而，当C12:0/C14:0为2:1时即达到了单独添加C12:0的效果（抑制96%的甲烷生成）。1.2富含长链不饱和脂肪酸的植物油抑制甲烷的效果Giger-Reverdin等[8]综述了一些文章认为，当日粮脂肪尤其是长链脂肪酸中，3个或3个以上双键的不饱和脂肪酸含量高时，对甲烷生成的影响最大。但也有不同的观点。Czerkawski[9]等向绵羊瘤胃中分别灌注油酸、亚油酸和亚麻酸观察其对甲烷产量的影响，发现甲烷产量的降低和不饱和脂肪酸的灌注量存在剂量效应，但与不饱和脂肪酸的不饱和度没有明显的联系。D.JALČ和Z.ČEREŠŇÁKOVÁ[10]研究了菜籽油、葵花籽油和亚麻油在底物干物质10％的添加量时对甲烷生成和瘤胃发酵的影响，发现这3种植物油均显著抑制了甲烷生成，提高了丙酸含量，降低了乙丙比，但其抑制甲烷的效果与植物油中不饱和脂肪酸的不饱和度没有直接关系。Johnson[11]等以全棉籽和堪诺拉菜籽作为脂肪源调整日粮脂肪水平分别为2.3%、4.0%和5.6%，油料籽实降低了日粮中的C8:0～C16:0脂肪酸水平，而增加了C18:1、C18:2、C20:1和反式C18:1的水平。结果表明，适量增加日粮脂肪水平降低了每千克牛奶的甲烷释放量，且改变了乳脂肪酸组成，增加了乳中有益于人类将康的不饱和脂肪酸含量。2植物油抑制甲烷生成的作用机理2.1中链饱和脂肪酸的作用机理中链脂肪酸抑制甲烷生成的作用可能是由于其抑制原虫和直接抑制甲烷菌的双重作用。瘤胃内的甲烷主要由甲烷菌产生，瘤胃原虫自身并不产生甲烷，但由于甲烷菌与原虫具有内共生或外共生的关系，因此原虫数量的变化常引起瘤胃甲烷产量的变化[12]。植物油具有抑制原虫的作用，也就降低了与原虫共生的这部分甲烷菌的数量。同时，原虫数量的减少也降低了甲烷菌赖以生存的底物氢的数量，间接降低了甲烷产量。Machmüller等[13]发现，在体外培养系统中，椰子油、向日葵籽和亚麻籽能减少原虫数，椰子油甚至可完全驱除瘤胃液中的原虫。相同设计日粮的在体试验也证实了此结果，用分别含有椰子油0、3.5%和7%的日粮饲喂阉公羊发现，3.5%和7%的椰子油可抑制瘤胃液中的原虫数分别达88%和97%之多，而细菌计数则有所增加。但也有资料表明，中链脂肪酸抑制甲烷的效果并不依赖于原虫，而是直接抑制甲烷菌，并且可能改变他们的代谢活性及甲烷菌群的组成。Dohme[14]和Machmüller[15]分别在体外和体内研究了瘤胃纤毛虫在椰子油抑制甲烷生成中的作用。体外试验结果表明，椰子油在具原虫和去原虫的瘤胃液中均降低了甲烷的产量，在体试验也证实了椰子油对甲烷的抑制效果并不依赖于原虫抑制效应，有可能是直接抑制了甲烷菌。Soliva等[7]的体外试验结果表明，甲烷产量及甲烷菌数量均随着C12:0含量的增加而线性下降，且改变了甲烷菌不同目之间的组成比例，这也首次证明改变日粮策略可以改变甲烷菌群组成。2.2长链多不饱和脂肪酸的作用机理通常认为长链多不饱和脂肪酸抑制甲烷生成主要通过2个途径：一是作为氢的受体，改变了氢还原二氧化碳的代谢通路；二是对瘤胃微生物的直接毒害作用[1,16]。不饱和脂肪酸通过生物氢化作用为瘤胃发酵产生的氢提供可供选择的代谢通路，减少了可供甲烷菌利用的底物氢的数量。然而，与还原二氧化碳生成甲烷(48%)、挥发性脂肪酸合成(33%)和细菌细胞生长和繁殖(12%)利用的氢相比，生物氢化过程中利用的代谢氢的总量(1%)是很少的[9]，因此，不饱和脂肪酸抑制甲烷生成的主要机制可能不是生物氢化作用，而更可能是对瘤胃微生物的直接作用。已发现不饱和脂肪酸对几种细菌和原虫具有抑制作用。瘤胃原虫因为与甲烷菌存在共生关系而对甲烷生成具有重要影响。有文献报道添加豆油水解物的绵羊甲烷产量的下降和原虫数量的下降一致[17]。但富含不饱和脂肪酸的植物油在去原虫的情况下也降低了甲烷生成，表明抑制原虫也不是不饱和脂肪酸抑制甲烷生成的主要机制。有研究报道，不饱和脂肪酸对纯培养的甲烷菌具有直接抑制作用[18]。另外，不饱和脂肪酸抑制甲烷的生成总是伴随着瘤胃发酵模式的改变，既丙酸比例的提高和乙丙比的降低，这可能是不饱和脂肪酸促进了丙酸生成菌数量或活性的增加，从而生成更多的丙酸。而丙酸生成过程是众所周知的与甲烷菌竞争底物氢的过程。3影响植物油抑制甲烷效果的因素植物油抑制甲烷的效果跟日粮成分、脂肪浓度、脂肪酸组成以及与瘤胃内容物的相互作用有关。因为一些矿物质可以和脂肪酸形成皂类，因此在日粮矿物质对脂肪抑制甲烷的影响方面有不少研究，表明日粮钙的水平能改变脂肪抑制瘤胃甲烷生成的效果。添加5%C12:0的日粮平均每日减少甲烷产量76%；而当添加1.1g/kg钙时，抑制效果仅为47%[19]。除了矿物质外，另一个决定脂肪抑制甲烷效果的因素是日粮的碳水化合物组成。Machmüller等[20]在体外研究了脂肪在高结构性碳水化合物和低结构性碳水化合物日粮下抑制甲烷的效果，结果表明脂肪抑制甲烷的效果在低结构性碳水化合物日粮中较大，而在高纤维日粮下，甲烷生成好像只对非酯化形式的脂肪酸敏感。因此，在利用日粮策略减少甲烷生成时必须考虑脂肪与基础日粮的相互作用。当对瘤胃发酵进行调控时，所有的相互作用和发生的调控过程都应当考虑在内，这就使阐明一种调控剂或调控措施的效果和机制几乎是不可能的事情。图1阐明了添加植物油时瘤胃中所有可能发生的影响植物油抑制甲烷效果的相互作用。植物油抑制甲烷生成的决定性因素是非酯化的脂肪酸浓度[16]。在瘤胃中，下列因素可能影响非酯化脂肪酸在瘤胃中的浓度从而影响其抑制甲烷的效果：①黏附在饲料颗粒上；②与矿物质形成皂化物；③附在细菌上或被细菌吸收；④被宿主动物吸收；⑤被饮水或唾液稀释。另外，植物油的抑制效果可能具有pH依赖效应，低pH能增强植物油抑制甲烷的效果。这也说明了植物油对高精料型日粮的甲烷抑制效果优于高纤维型饲粮的原因。另一个必须考虑的影响因素是试验动物初始的瘤胃微生物区系组成，这取决于宿主动物的品种和饲喂史。因为瘤胃微生物对脂肪酸的敏感性取决于其细胞壁结构，原虫和革兰氏阳性古细菌比革兰氏阴性菌先被抑制[15]，在敏感菌被抑制之后，瘤胃中氢的产生和利用过程取决于未被抑制的微生物菌群组成。4小结与展望综上所述，脂肪作为一种日粮成分可以有效地抑制反刍动物的甲烷排放，改变瘤胃中挥发性脂肪酸的比例，提高泌乳效率和生产性能。油脂抑制甲烷的效果受多种因素影响，其具体的作用机理尚未完全明了，且过量添加油脂会降低纤维的消化率。因此，如何通过日粮配合科学地应用脂肪抑制反刍动物甲烷生成尚需进一步研究。近年来，随着分子生物学技术的迅速发展，基于16SrRNA的分子生物学技术在胃肠道微生态研究中得到了广泛应用，利用变性梯度凝胶电泳（DGGE）和温度变性梯度凝胶电泳（TGGE）等指纹技术以及实时定量PCR（Real～timequantitativePCR）技术研究日粮变化后微生物菌群组成的变化也许能为我们带来一些启示。