褪黑素在奶牛产业中的研究与应用

文/吴 昊 张 鲁 刘国世＊

（中国农业大学动物科技学院）

关键字：褪黑素；胚胎发育；受胎率；体细胞数；功能乳

我国是乳业生产和消费大国，发展奶业不仅是农业现代化的标志，还是改善居民膳食结构，健康中国、强壮民族的必由之路。目前，我国奶牛养殖业正在向规模化、集约化发展快速转变，奶业科技水平也与日剧增。但是在生产中依然面临着饲养成本高、奶牛单产量低、繁育水平差、环保压力大等问题[1]。在规模化牧场管理中，奶牛生产性能测定即DHI（Dairy Herd Improvement）在指导牧场管理中日益重要。牛奶体细胞数是DHI中的重要指标，能够有效反映奶品质及奶牛健康[2]。在实践中牛奶体细胞数过高和产后配种妊娠率低是困扰奶牛养殖业的两大难题。近些年来，养殖者应用抗生素、中草药、抗氧化剂等来降低牛奶体细胞数、提高产后配种妊娠率，取得了一定的进展，但是不同产品效果不尽相同。开发新产品促进奶牛养殖业健康发展仍迫在眉睫[3]。

褪黑素（Melatonin，MT）主要是由人和哺乳动物的松果体分泌，除此之外，视网膜、泪腺、皮肤也能分泌[4]。作为重要的生殖内分泌激素，褪黑素能够提高卵巢机能，促进卵母细胞成熟和早期胚胎发育，调控其它生殖激素分泌[5]。同时作为高效的抗氧化剂，其还能够清除活性氧，延缓衰老，提高机体免疫力[6]。在奶牛养殖过程中，应用褪黑素复合抗氧化物能够提高产后奶牛情期受胎率，降低牛奶中体细胞数提高原奶品质[7]。同时，将褪黑素应用于体外胚胎生产体系，其能够促进卵母细胞的体外成熟，提高体外胚胎发育质量[8]。此外，研发高褪黑素含量功能乳，不仅能丰富牛奶种类，增加牛奶附加值，提高经济效益，在一定程度上也能振兴中国奶业。

1 提高产后奶牛情期受胎率

在规模化牧场管理中，产后首次配种受胎率是衡量奶牛生产水平的重要指标，也是困扰产业的生产难题。通过测定产后至配种时22 头荷斯坦奶牛血液中褪黑素浓度，发现妊娠母牛血液中褪黑素浓度均高于60 ppb，低于30 ppb的奶牛均未妊娠；褪黑素可能通过促进孕酮的合成和分泌，促进卵母细胞成熟；同时，褪黑素可能与颗粒细胞上过量表达的MT1型受体结合，促进颗粒细胞黄体化，增加黄体功能，提高卵巢机能[9]。作为强力的抗氧化剂，其还可以清除排卵过程中产生的过量活性氧，减少氧化应激，抑制卵母细胞凋亡[10]。从而改善胚胎的质量和发育能力，最终提高妊娠率。实践证明，奶牛发情和配种时皮下注射褪黑素，短时间内提高血液中褪黑素浓度，并且褪黑素能在卵巢中聚集，保护卵泡正常发育，显著提高产后荷斯坦奶牛配种妊娠率[11]。

2 提高体外胚胎生产及精液、胚胎冷冻效率

2.1 改善冷冻精液品质

在奶牛养殖中，冷冻精液的大量使用，不仅提高了繁殖效率，还充分利用了优秀种公牛的资源。精液在冷冻过程中，常常受到机械和理化损伤而活力降低。褪黑素通过抗衰老、抗氧化的功能提高精液品质和活力[12]。李晓霞等通过染色法分析褪黑素处理后牛精液品质，发现添加1.0×10-3mol/L褪黑素可明显提高牛精液品质和保存时间和质量[13]。也有研究显示，在水牛的卵黄稀释液中加入1.0×10-3mol/L的褪黑素后冷冻保存，精子活率、有效精子数（冷冻后精子密度不会提高）明显提高[14]。

2.2 促进卵母细胞成熟

牛卵母细胞体外成熟是体外胚胎生产、移植、冷冻等技术开展的前提和关键。牛卵泡液中存在褪黑素（MT），体外成熟培养体系中添加褪黑素能够促进卵母细胞体外成熟[15]。在M-199成熟液中添加1.0×10-9mol/L褪黑素能够显著提高牛卵母细胞成熟质量，提高受精后的卵裂率[16]。褪黑素能够改善低质量牛卵母细胞的线粒体功能，从而提高卵母质量、体外受精及后续胚胎发育效率[17]。在体内，卵母细胞线粒体合成褪黑素作用于细胞本身促进成熟[18]。卵泡液中大量的褪黑素能够提高线粒体DNA（mtDNA）拷贝数与膜电位（MMP）水平，促进ATP合成；另一方面，褪黑素能降低线粒体呼吸代谢活性氧的产量，降低卵母细胞内8-oxodG水平，从而减少DNA氧化损伤，并通过调节凋亡基因（Bcl-2、Caspase3）的表达，抑制卵母细胞凋亡[18]。

2.3 提高体外胚胎发育及玻璃化冷冻效率

褪黑素主要通过发挥强抗氧化性保护胚胎免受氧化损伤，提高早期胚胎发育。同时褪黑素也能调节胚胎早期发育过程中的关键因子，进而发挥作用[19]。MT1受体在牛早期胚胎发育阶段（原核胚、2-细胞胚、8/16细胞胚、囊胚）中持续表达[20]。研究证实，褪黑素与MT1 受体结合后，下调胚胎中cAMP的表达水平，影响 cAMP/PKA 的下游通路，进而影响 Dnmt1a、SLC2A1基因表达，促进基因组表观修饰、囊胚激活及葡萄糖转运，显著提高体外发育效率；同时，在体外培养液中添加褪黑素能够提高囊胚的抗冷冻能力。褪黑素处理后囊胚冷冻解冻后的囊胚孵化率显著提高[21]。

3 降低牛奶体细胞数

牛奶体细胞（Somatic Cells，SCS）是指白细胞和乳腺上皮细胞，其中99%是白细胞。当乳房受到损伤或者炎症等应激，就会产生大量的白细胞保护机体，继而引起体细胞数迅速升高[22]。因此，体细胞数可以直接反映出乳腺的健康程度。体细胞数过高将会造成牛奶产量降低和品质下降。褪黑素能够提高机体免疫力，其可通过调节细胞因子的产生、免疫细胞与细胞因子相互作用，从而调节免疫功能[23]。对荷斯坦奶牛皮下注射褪黑素能够降低牛奶体细胞数，体细胞数量不同的奶牛作用效果也不同，对牛奶中体细胞数在30～100 万个/mL的高产奶牛效果最明显，下降幅度为16～30 万/mL；与此同时，褪黑素降低了高体细胞数奶牛血液中皮质醇、免疫球蛋白IgG和IgM的浓度，增加白蛋白含量，减低白细胞和中性粒细胞数量；在奶牛乳房炎治疗过程中皮下注射褪黑素可显著缩短乳房炎的治疗天数[7]。

4 开发褪黑素功能乳

褪黑素作为主要由松果体产生的激素，能够调节机体节律，并且在自然牛奶中存在。张薇等在对部分市售的商品奶进行褪黑素检测，除脱脂奶外，褪黑素含量一般在15 pg/mL以下[24]。由于褪黑素不仅能调节机体生物节律，改善睡眠，还能提高免疫力，降血压，抗肿瘤，减少氧化应激，所以高褪黑素功能性牛奶，具有较高的附加值[25]。1999年，英格曼乳业已经生产出天然高褪黑素牛奶，价格较高，但销售一直稳步增长[26]。随后，日本、英国、爱尔兰等国家市场上相继出现类似品牌。国内利用乳腺过表达褪黑素合成酶AANAT和HIOMT提高乳汁中的褪黑素含量[27]，也相继出现几种富含褪黑素激素的乳制品专利，对褪黑素功能乳研发也起到了一定的促进作用。2003年8月11日，中国人民共和国卫生部，中国国家标准化管理委员会发布了保健食品中褪黑素含量的测定（GB/T 5009 170-2003），并于次年施行，为开发高褪黑素乳制品奠定了基础。

5 展望

2018年6月中国奶业大会在成都举行，总结了十年来乳业发展历程。虽然总体上我国乳业发展稳步提升，但是奶业效益却起起伏伏，质量安全事件的屡次发生，对国民对奶品质的信心造成了严重打击，制约了奶业发展。褪黑素因其强大的生物活性，在奶牛产业中具有广泛的应用潜力，从繁育管理到胚胎生产，褪黑素都发挥着不可替代的作用。因此，研究褪黑素复合抗氧化剂在奶牛产业中前景可观。同时，天然高褪黑素牛奶及其制品具有保健功能，在食品领域中也会产生巨大的经济效益。在奶业发展过程中，深入挖掘褪黑素的功能，将对振兴民族奶业及促进国民经济产生不可估量的推动作用。