CN103270412A - 由产奶反刍动物产生的甲烷量的评估方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的方法的特征在于其包括至少测量所述反刍动物的奶样品中的至少一种得自从头合成的脂肪酸（AG）的重量，并根据下式评估所述甲烷量：CH4=a*（从头合成的AG）+y*（BH AG）+z，其中：“CH4”是由所述反刍动物的每千克奶产生的甲烷量，以克计；“从头合成的AG”是样品中至少所述脂肪酸的单独的测得的量，或与至少另一饱和的从头合成的脂肪酸的测得的量相结合的测得的量，以克每千克奶计；“BH AG”是样品中至少一种得自瘤胃生物氢化作用的脂肪酸的单独的测得的量，或与至少另一得自瘤胃生物氢化作用的脂肪酸的测得的量相结合的测得的量，以克每千克奶计。

Description

由产奶反刍动物产生的甲烷量的评估方法
技术领域
本发明涉及由产奶反刍动物产生的甲烷量的评估方法。
背景技术
肠道甲烷（CH4）是由反刍动物打嗝排放的气体。其在这些动物的瘤胃中的饲料的发酵过程中形成，并表示动物的能量损失。但甲烷也是强大的温室气体。
在全球范围内，畜牧业可占全部温室气体排放的18%（来源FAO，2006）。由反刍动物的肠道发酵排放的CH4本身占全球温室气体排放总数的3至5%。
其在大气中的寿命仅为12年（相比于二氧化碳的100年），使得人们对实现用于减少所述肠道甲烷排放的技术最感兴趣。
减少来自反刍动物的肠道甲烷的排放由此达到双重目标，即经济目标和环境目标。
此后人们提出许多技术以减少来自反刍动物特别是产奶反刍动物的肠道甲烷的排放。
然而，只要还没有开发出可以常规测量的简单方法，这些技术的有效测量问题将仍然存在。
尽管肠道甲烷的排放是反刍动物发酵的特征，但是每产生千克奶的甲烷量随着奶牛的生产率、采食的性质、瘤胃生态系统等显著变化。
在这方面，科学文献的数据显示每千克奶极宽范围的变化。实际上，每产生千克奶可以排放约7至25克甲烷。
奶的“甲烷足迹”可以定义为由奶牛每天泌乳的同时排放的甲烷量除以每天产生的奶的千克数。其表示为克甲烷（CH4）每千克奶。
由此感兴趣的是能够以可靠的方式估计每千克奶随着其组成而变的甲烷排放，从而能够随后找到促进减少并最小化甲烷足迹（亦即，产生千克奶排放的甲烷量）的畜牧业技术。
科学文献描述了许多用于减少肠道甲烷排放的潜在方法。
可以注意如下方法，但它们并非穷举的：
-生产率（每头奶牛每天产生的奶的千克）的提高增加了每头奶牛每天的甲烷排放，但减少了每升奶的甲烷量（本文使用术语“奶牛”，因为其为最普遍的产奶反刍动物）；
-食用油的吸收，其在瘤胃中不发酵；
-使用对瘤胃的某些微生物种群有毒的物质：抗生素、精油、植物提取物、脂肪酸等，其提高经由丙酸盐路径氢的使用而损害甲烷路径；
-使用丙酸盐前体（苹果酸盐、延胡索酸盐等），其也有利于丙酸盐路径而损害甲烷路径；
-所述不同方法的组合等。
描述这些效果的出版物使用如下测量方法：
a）体外技术：这些不总是代表在活体内，
ｂ）短实验周期的体内技术：它们并不为随时间保持效果提供保证。它们通常难以实施，并具有实验限制。
它们中最普遍的已知为
-“量热室”和
-“SF6方法”，即
在收集打嗝的气体样品后，以重量计的甲烷排放的读数与已知的得自参数化的扩散器（diffuseur paramétré）导入活体内动物的瘤胃的SF6气体的量相比较。
c）“激光检测器”测量：这个最近的技术能够使得有可能通过激光辐射原位测量甲烷排放，但是第一个可得的出版物（Chagunda & al2009）并没有使其具有大的可靠性。
d）从摄入量或采食性质预测：不同作者提出许多公式。
它们不精确，并且取决于常规不可测量或通常未知的许多标准（例如奶牛的摄食、饲料的可发酵性等）。
e）从奶牛的生产率预测：奶牛产奶越多，每千克奶的甲烷排放越低。
与生产率的关联并不整合与采食类型相关联的不同，仔细阅读参考文献说明，当甲烷的排放用不同的采食测量时，相同的生产率水平会出现非常显著的不同。
在本申请人的法国申请FR0854230中描述了可靠且简单的方法，其根据瘤胃的脂肪酸、奶的脂肪酸和甲烷之间的化学计量关系在一次同时整合奶牛的生产率和反刍发酵的取向。
最近的出版物（Martin2008,Chilliard2009.）证实了这种关联。
尽管如此，为了实施这种测量，必需的是：
-了解奶牛的生产率
-以及进行奶的脂肪酸分布，其要求：
ο萃取奶的脂类
ο以及气相色谱分析。
发明内容
本发明的目的在于克服这些困难。
由此，提出一种由产奶反刍动物产生的甲烷量的评估方法，其特征在于其包括至少测量所述反刍动物的奶样品中的至少一种得自从头合成（synthèse de novo）的脂肪酸（AG）的重量，并根据如下关系式评估所述甲烷量：
CH4=a*（从头合成的AG）+y*（BH AG）+z
其中：
-“CH4”是由所述反刍动物的每千克或每升奶产生的甲烷量，以克计。
-“从头合成的AG（AG de novo）”是样品中至少所述脂肪酸的单独的测得的量，或与至少另一从头合成的脂肪酸的测得的量相结合的测得的量，以克每千克或每升奶计；
-“BH AG”是样品中至少一种得自瘤胃生物氢化作用的脂肪酸的单独的测得的量，或与至少另一得自瘤胃生物氢化作用的脂肪酸的测得的量相结合的测得的量，以克每千克或每升奶计；
-y等于零时，a在-2和2之间，或者y不等于零时，a在0.1和10之间；
-a不等于0时，y在-10和+10之间，或者a等于零时，y在-50和-0.1之间；
-a和y不能同时等于零；
-z在-100和+100之间。
由于此方法，可以不需要反刍动物的乳制品生产率而通过分析奶的简单样品测定所述CH4量。
另外，根据其他有利的和非限定性的特征：
-“从头合成的AG”根据如下定义选择：
a）4至14个碳原子的饱和脂肪酸（AGS）的量；
b）4至16个碳原子的饱和脂肪酸的量；
c）C12和C14饱和脂肪酸的量；
d）C4、C6、C8、C10、C12、C14和C16饱和脂肪酸的量，单独地或其中至少两者相结合。
-由如下公式给出所述甲烷量：
CH4=（1.07±0.5）*C4至C14饱和脂肪酸的和+（4.8±3）。
-“BH AG”根据如下定义选择：
a）全部不饱和脂肪酸（AGI）的量；
b）全部不饱和脂肪酸（AGI）的量，包括至少18个碳原子；
c）全部不饱和脂肪酸（AGI）的量，包括至少18个碳原子，但C18:1n-9、C18:2n-6和C18:3n-3不饱和脂肪酸除外；
d）C18饱和脂肪酸（C18:0）的量；
e）反式脂肪酸的量或其部分量。
-由如下公式给出的所述甲烷量：
-CH4=（1.14±0.4）*C4至C14饱和脂肪酸的和-（0.07±0.3）*[AGI-（C18:1n-9+C18:2n-6+C18:3n-3）]+（4.7±0.5）
其中“AGI-（C18:1n-9+C18:2n-6+C18:3n-3）”表示除了C18:1n-9,C18:2n-6和C18:3n-3酸的全部不饱和脂肪酸的量。
-通过红外光谱，优选在中红外中，测量得自从头合成的脂肪酸的所述量。
a）用已知作为参比样品的若干奶样品重复所述方法；
b）每个参比样品的测得的CH4量与其红外吸收光谱关联；
c）记录待测试的新样品的红外吸收光谱；
d）将所述光谱与参比样品的光谱进行比较；
e）通过将新样品的光谱与参比样品的光谱进行比较，推断与新样品相关的CH4量。
-优选地，在步骤d）中，通过数学和统计模型进行所述比较，以及在步骤e）中，使用由步骤d）的模型获得的评估公式。
具体实施方式
通过阅读如下详细的说明，本发明的其他特征和优点将变得清楚。
在整个本申请中，如下定义以下表述：
-“从头合成的脂肪生成”：通过乳房上皮细胞进行的脂肪酸合成；
-“从头合成的脂肪酸”：由乳房上皮细胞合成的包含16个或更少碳原子的脂肪酸；
-“BH脂肪酸”或“得自瘤胃生物氢化作用的脂肪酸”：在瘤胃的发酵过程中经受了至少一次氢化作用的具有18个碳原子脂肪酸。它们具有零级、一级或更多的不饱和。
最后，术语“结合”意指加或减或乘或除。
1/甲烷和AGV（挥发性脂肪酸）的关系-瘤胃和甲烷生成
瘤胃中AGV的产生和甲烷的产生之间的联系是已知的，并已研究了很多年。
因此，已经显示在瘤胃中乙酸盐和丁酸盐的产生释放氢，并由此有利于甲烷产生，而丙酸盐的产生可以使用氢并由此限制甲烷的产生。这可以通过下式说明：
1葡萄糖（C6）给出2丙酮酸盐（C3）[+4H]
1丙酮酸盐（C3）+H2O=1乙酸盐+CO2[+2H]
和
1丙酮酸盐=1丙酸盐（C3）[-4H]
根据Moss等2000年的出版物，已经由此开发了预测公式以从AGV的产量预测CH4的产量。由此，瘤胃的发酵产生的C2（乙酸盐）和C4（丁酸盐）越多，CH4的产量越高。
相反地，瘤胃的发酵产生的C3（丙酸盐）越多，CH4的产量越低。
由此产生的合成公式定义如下
（Moss公式）：[CH4]=0.45[乙酸盐]+0.40[丁酸盐]–0.275[丙酸盐]
其中[x]=在全部AGV中以%计的x的量。
此处显示出从头合成的脂肪生成和甲烷生成之间的联系，因为C2和C4为在乳头中合成的从头合成的脂肪酸（从头合成的AG）的前体。
由瘤胃的发酵产生的C2和C4越多，可用于奶的脂肪酸的从头合成的基质越多。
2/乳头和脂肪生成
得自瘤胃发酵的C2和C4AGV接着被乳房上皮细胞吸收以用作合成从头合成的AG的基质。
如果AGV基质的可得性是限制这些合成的因素（其为非常普遍的情况），则在肠道CH4的排放与得自奶中从头合成的AG的分泌物之间存在严格的比例关系，如下表所示。
基质 从头合成的AG
2C2（或1C4）制造 C4:0
3C2 C6:0
4C2 C8:0
5C2 C10:0
6C2 C12:0
7C2 C14:0
8C2 C16:0
在乳房上皮细胞中从头合成的AG的合成几乎仅仅发生在具有“甲烷足迹”的得自瘤胃发酵的C2和C4基质中，如上文所开发的Moss公式所表明的。
随后结束于如下偶饱和脂肪酸的合成：C4:0、C6:0、C8:0、C10:0、C12:0、C14:0、C16:0。
尽管如此，应注意，在第二阶段中，某些得自从头合成的所述饱和AG（AGS）可为去饱和的。
随后看来是尝试一方面使用（C2+C4）和CH4（甲烷）的双重关系，并尝试使用（C2+C4）作为乳头中饱和的从头合成的AG的合成的前体以从由合成的从头合成的AG的量预测排放的甲烷量。
奶的脂类也包含得自从头合成的使用偶AGV基质（具有甲烷正影响）的奇饱和AG，而且也得自C3，其对甲烷产生为负影响。由此，对于奇AG，其在奶中的重量与其“甲烷足迹”之间的联系将是比较低的。
然而，某些偶饱和AG可以具有外生源，特别是C16:0，其本身占奶的全部AG的近三分之一且其可源自各种源，例如脂肪组织的储量的转移或外生的植物油（例如棕榈油）等。
由此为了建立每千克奶甲烷足迹与AG重量之间的可靠关系，首先需要具有每千克奶中的从头合成的重量的可得的可靠测量法。
3/估计在奶中存在的从头合成的AG的量
随后在乳头中偶饱和AG的酯化作用的合成机理包括许多公共路径。
此外，合乎逻辑的是找到奶的偶饱和AG之间的强关系。在对于该主题的出版物进行荟萃分析之后，下表（Moate等，2007）给出奶的偶C4至C16饱和AG之间的统计关系：
AG C4:0 C6:0 C8:0 C10:0 C12:0 C14:0
C4:0
C6:0 0.8*
C8:0 0.67* 0.95*
C10:0 0.56* 0.87* 0.98*
C12:0 0.49* 0.85* 0.91* 0.97*
C14:0 0.56* 0.86* 0.89* 0.93* 0.95*
C16:0 0.58* 0.74* 0.72* 0.70* 0.76* 0.85*
（*p<0.05）
可以清楚地看出，所有这些AG通过很大程度上的公共的合成路径联系到一起，它们在奶中的水平高度相关在一起。
脂肪酸C16:0显示出与短和中等链长的AGS的相关度比其他更短链长的偶AG更小，可能是由于其部分为外生源。
脂肪酸C4:0也显示出不如其他“从头合成的”AG的相关度，可能由于合成路径和酯化作用路径（在奶的甘油三酸酯上）与其他AG不同，也可能由于分析困难。
由此，看来使用所述AG的每一个的总和或结合作为从头合成的标记和作为C2和C4基质是等价的。
在优选的方式中，以重量计的不包括C16:0（可能为外生源）的所有短和中等链长的AG（从C4:0至C14:0）的总和似乎是最可靠的关系。
尽管如此，任何偶C4至C16AG，单独地，或至少两种所述AG的任何总和或组合，对于从头合成（由此对于瘤胃的甲烷生成）使用的C2和C4基质给出大致可靠的估计。
由此，为了测定CH4的排放量，以克每千克奶或克每升奶计，使用如下公式：
CH4（g/kg）=a*从头合成的AG+z
从头合成的AG：以重量计（g/kg奶），
公式中a在-2和+2之间，z在-100和+100之间。
优选地，从头合成的AG可以通过奶的4至14个碳原子的饱和AG（AGS）含量加以估计。
此公式低估了用于在乳房去饱和步骤后合成4至16个碳原子的单不饱和AG的C2和C4基质的量，但稍微高估了在奇饱和AG中的C2和C4的部分。
在特别优选的方式中，根据如下公式估计这个量：
CH4（g/kg）=1.07*C4至C14AGS的和+4.8
其中C4至C16的AGS的和以克每千克奶表示。
但也可以使用其他公式，包括例如如下变量替代C4至C14AGS的和：
-全部AGS的总和：尽管如此，这是个不太准确的参数，因为AGS也含有得自瘤胃生物氢化作用的外生源AG和C18:0。
-4至16个碳原子的饱和AG的总和：虽然C16:0已知的部分未必总是外生源。
-C12:0和C14:0的总和；
-C4:0、C6:0、C8:0、C10:0、C12:0、C14:0、C16:0，单独地或其中至少两者的结合。
4/精确度增益
根据本发明的方法很好地考虑到如上所述的甲烷生成和脂肪生成之间的联系。
尽管如此，此处甲烷排放的变化关系到甲烷合成路径和丙酸盐合成路径之间的氢的分布/竞争。
然而，除了甲烷和丙酸盐之外的路径存在使用氢。其多数为微小的，但在瘤胃的厌氧发酵过程中产生的氢新陈代谢也可以被用于采食的聚不饱和AG的氢化反应过程中。
由此，表示上述的公式也可以写成：
CH4（g/kg）=a*从头合成的AG+y BH AG*+z
*BH AG=得自瘤胃生物氢化作用的AG，在公式中：
-y等于零时，a在-2和2之间，或者y不等于零时，a在0.1和10之间；
-a不等于0时，y在-10和+10之间，或者a等于零时，y在-50和-0.1之间；
-a和y不能同时等于零；
-z在-100和+100之间。
得自生物氢化作用的AG表示具有18个或更多个碳原子的所有AG的总和减去外生源AG。
它们包括：
-硬脂酸（C18:0），但其也可具有外生源；
-油酸（C18:1n-9），当其得自乳头中的C18:0去饱和时，但其也可具有外生源；
-除了外生源的亚油酸（C18:2n-6）和α-亚油酸（C18:3n-3）的所有具有大于2级不饱和的AG。
-还建议的是去除如下AG：C20:4n-6、C20:5n-3、C22:6n-3或更长的链长。
其对通过竞争氢而减少甲烷排放的具体贡献（除了从从头合成的AG捕获的油对瘤胃发酵的一般作用）不能完全忽略不计。
举例而言。
·360克饮食的C18:1n-9（采食的2%），在瘤胃中氢化的85%“消耗”用于合成0.4g CH4/千克奶所需的氢。（≈2%的CH4排放）
·360克饮食的C18:2n-6，在瘤胃中氢化的85%“消耗”用于合成0.7g CH4/千克奶所需的氢。（≈4%）
·360克饮食的C18:3n-3，在瘤胃中氢化的85%“消耗”用于合成1.1g CH4/千克奶所需的氢需要。（≈6%）
得自生物氢化作用的AG的性质复杂。
具有18个或更多碳原子的AG中，某些例如C18:1n-9可以具有内生源（C18:0的氢化，随后C18:1n-9）的去饱和作用或外生源（例如通过菜籽油）。
[AGI-（C18:1n-9）-（C18:2n-6）-（C18:3n-3）]的值是特别地得自氢化作用的AG的量的良好指示。
由此，上述公式可以有利地写成：
CH4（g/kg）=1.14*（C4至C14AGS的和）
-0.07*[AGI-（C18:1n-9+C18:2n-6+C18:3n-3）]+4.7
也可以使用其他公式，其包括生物氢化作用的其他指示的如下变量替代AGI-（C18:1n-9+C18:2n-6+C18:3n-3），例如为
-AGI的总和；
-C18:0；
-反式AG的总和或其某些的总和。
如上所述，现有技术不能直接、快速和简单地实现读数。目前最准确的预测必须知道至少奶的脂类含量和奶牛的生产率，这两个因子通常是未知的。
本发明的方法使得可以用单一标准（而不再是最小三个标准）估计每千克奶的甲烷排放：所述一种或多种脂肪酸中的所述奶的以克每千克表示的含量。
5/方法的实施
若干年来，已开发了通过红外光谱分析以克每千克奶（或每升）计的快速测量奶的AG的技术。
根据奶样品的数据库，这包括与每个奶样品的联系、通过参考分析（例如气相色谱法）获得的AG的组成（以克每升计）、通过红外分析获得的光吸收图谱。通过使用公式（或校准）的数学和统计方法，从测量的可靠性水平令人满意时起，可能的是使用之前确定的估计公式，利用红外分析通过公式估计奶的任何样品的AG。
由于奶的AG和甲烷排放之间的化学计量联系是已知的，尝试使用以克每千克（或每升）计的奶AG的直接读数以评估奶的“甲烷足迹”。
不再需要知道每头奶牛的生产率，或奶的总脂类含量。
使用红外光谱分析，更精确地使用中红外，使得有可能直接以克/千克奶（或每升）计测量液体奶样品的AG含量。
如最近的出版物（Soyeurt等，2010）所表明的，此方法的精确性越来越可靠。
技术中的这种进步使本发明可以以极大地便利实施。
由此，不再需要进行脂类的萃取和气相色谱，或知道奶的总脂类含量和奶牛的生产率。
根据本发明，每千克奶的甲烷足迹的测量可以随时以常规的方式进行。
除了通过单独或组合使用奶的红外光谱分析来成功地测量AG及随后来自这些AG的CH4外，也可以设想从红外光谱分析直接推断CH4。
事实上，至少目前在中红外中很好地测定从头合成的AG的量，并将从头合成的AG的量特别地联系到确认的吸收光谱带，其波长对应于它们的光吸收。由此，可以不经历奶的AG的测量而是通过使用相同的光谱带从光谱分析来直接测定奶样品的CH4。

Claims (8)

1.一种由产奶反刍动物产生的甲烷量的评估方法，其特征在于其包括至少测量所述反刍动物的奶样品中的至少一种得自从头合成的脂肪酸（AG）的重量，并根据如下关系式评估所述甲烷量：
CH4=a*（从头合成的AG）+y*（BH AG）+z
其中：
-“CH4”是由所述反刍动物的每千克或每升奶产生的甲烷量，以克计；
-“从头合成的AG”是样品中至少所述脂肪酸的单独的测得的量，或与至少另一从头合成的脂肪酸的测得的量相结合的测得的量，以克每千克或每升奶计；
-“BH AG”是样品中至少一种得自瘤胃生物氢化作用的脂肪酸的单独的测得的量，或与至少另一得自瘤胃生物氢化作用的脂肪酸的测得的量相结合的测得的量，以克每千克或每升奶计；
-y等于零时，a在-2和2之间，或者y不等于零时，a在0.1和10之间；
-a不等于0时，y在-10和+10之间，或者a等于零时，y在-50和-0.1之间；
-a和y不能同时等于零；
-z在-100和+100之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述“从头合成的AG”根据如下定义选择：
a）4至14个碳原子的饱和脂肪酸（AGS）的量；
b）4至16个碳原子的饱和脂肪酸的量；
c）C12和C14饱和脂肪酸的量；
d）C4、C6、C8、C10、C12、C14和C16饱和脂肪酸的量，单独地或其中至少两者相结合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中y等于零，其特征在于所述甲烷量由如下公式给出：
CH4=（1.07±0.5）*C4至C14饱和脂肪酸的和+（4.8±3）。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中y不等于零，其特征在于所述“BH AG”根据如下定义选择：
a）全部不饱和脂肪酸（AGI）的量；
b）全部不饱和脂肪酸（AGI）的量，包括至少18个碳原子；
c）全部不饱和脂肪酸（AGI）的量，包括至少18个碳原子，但C18:1n-9、C18:2n-6和C18:3n-3不饱和脂肪酸除外；
d）C18饱和脂肪酸（C18:0）的量；
e）反式脂肪酸的量或其部分量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述甲烷量由如下公式给出：
CH4=（1.14±0.4）*C4至C14饱和脂肪酸的和-（0.07±0.03）*[AGI-（C18:1n-9+C18:2n-6+C18:3n-3）]+（4.7±0.5），
其中“AGI-（C18:1n-9+C18:2n-6+C18:3n-3）”表示除了C18:1n-9,C18:2n-6和C18:3n-3酸的全部不饱和脂肪酸的量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于通过红外光谱，优选在中红外中，测量得自从头合成的脂肪酸的所述量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：
a）用已知作为参比样品的若干奶样品重复所述方法；
b）每个参比样品的测得的CH4量与其红外吸收光谱关联；
c）记录待测试的新样品的红外吸收光谱；
d）将所述光谱与参比样品的光谱进行比较；
e）通过将新样品的光谱与参比样品的光谱进行比较，推断与新样品相关的CH4量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤d）中，通过数学和统计模型进行所述比较，以及在步骤e）中，使用由步骤d）的模型获得的评估公式。
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