褪黑素在奶牛產(chǎn)業(yè)中的研究與應(yīng)用

文/吳 昊 張 魯 劉國世＊

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院）

關(guān)鍵字：褪黑素；胚胎發(fā)育；受胎率；體細胞數(shù)；功能乳

我國是乳業(yè)生產(chǎn)和消費大國，發(fā)展奶業(yè)不僅是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志，還是改善居民膳食結(jié)構(gòu)，健康中國、強壯民族的必由之路。目前，我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)正在向規(guī)模化、集約化發(fā)展快速轉(zhuǎn)變，奶業(yè)科技水平也與日劇增。但是在生產(chǎn)中依然面臨著飼養(yǎng)成本高、奶牛單產(chǎn)量低、繁育水平差、環(huán)保壓力大等問題[1]。在規(guī)?；翀龉芾碇?，奶牛生產(chǎn)性能測定即DHI（Dairy Herd Improvement）在指導(dǎo)牧場管理中日益重要。牛奶體細胞數(shù)是DHI中的重要指標(biāo)，能夠有效反映奶品質(zhì)及奶牛健康[2]。在實踐中牛奶體細胞數(shù)過高和產(chǎn)后配種妊娠率低是困擾奶牛養(yǎng)殖業(yè)的兩大難題。近些年來，養(yǎng)殖者應(yīng)用抗生素、中草藥、抗氧化劑等來降低牛奶體細胞數(shù)、提高產(chǎn)后配種妊娠率，取得了一定的進展，但是不同產(chǎn)品效果不盡相同。開發(fā)新產(chǎn)品促進奶牛養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展仍迫在眉睫[3]。

褪黑素（Melatonin，MT）主要是由人和哺乳動物的松果體分泌，除此之外，視網(wǎng)膜、淚腺、皮膚也能分泌[4]。作為重要的生殖內(nèi)分泌激素，褪黑素能夠提高卵巢機能，促進卵母細胞成熟和早期胚胎發(fā)育，調(diào)控其它生殖激素分泌[5]。同時作為高效的抗氧化劑，其還能夠清除活性氧，延緩衰老，提高機體免疫力[6]。在奶牛養(yǎng)殖過程中，應(yīng)用褪黑素復(fù)合抗氧化物能夠提高產(chǎn)后奶牛情期受胎率，降低牛奶中體細胞數(shù)提高原奶品質(zhì)[7]。同時，將褪黑素應(yīng)用于體外胚胎生產(chǎn)體系，其能夠促進卵母細胞的體外成熟，提高體外胚胎發(fā)育質(zhì)量[8]。此外，研發(fā)高褪黑素含量功能乳，不僅能豐富牛奶種類，增加牛奶附加值，提高經(jīng)濟效益，在一定程度上也能振興中國奶業(yè)。

1 提高產(chǎn)后奶牛情期受胎率

在規(guī)模化牧場管理中，產(chǎn)后首次配種受胎率是衡量奶牛生產(chǎn)水平的重要指標(biāo)，也是困擾產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)難題。通過測定產(chǎn)后至配種時22 頭荷斯坦奶牛血液中褪黑素濃度，發(fā)現(xiàn)妊娠母牛血液中褪黑素濃度均高于60 ppb，低于30 ppb的奶牛均未妊娠；褪黑素可能通過促進孕酮的合成和分泌，促進卵母細胞成熟；同時，褪黑素可能與顆粒細胞上過量表達的MT1型受體結(jié)合，促進顆粒細胞黃體化，增加黃體功能，提高卵巢機能[9]。作為強力的抗氧化劑，其還可以清除排卵過程中產(chǎn)生的過量活性氧，減少氧化應(yīng)激，抑制卵母細胞凋亡[10]。從而改善胚胎的質(zhì)量和發(fā)育能力，最終提高妊娠率。實踐證明，奶牛發(fā)情和配種時皮下注射褪黑素，短時間內(nèi)提高血液中褪黑素濃度，并且褪黑素能在卵巢中聚集，保護卵泡正常發(fā)育，顯著提高產(chǎn)后荷斯坦奶牛配種妊娠率[11]。

2 提高體外胚胎生產(chǎn)及精液、胚胎冷凍效率

2.1 改善冷凍精液品質(zhì)

在奶牛養(yǎng)殖中，冷凍精液的大量使用，不僅提高了繁殖效率，還充分利用了優(yōu)秀種公牛的資源。精液在冷凍過程中，常常受到機械和理化損傷而活力降低。褪黑素通過抗衰老、抗氧化的功能提高精液品質(zhì)和活力[12]。李曉霞等通過染色法分析褪黑素處理后牛精液品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)添加1.0×10-3mol/L褪黑素可明顯提高牛精液品質(zhì)和保存時間和質(zhì)量[13]。也有研究顯示，在水牛的卵黃稀釋液中加入1.0×10-3mol/L的褪黑素后冷凍保存，精子活率、有效精子數(shù)（冷凍后精子密度不會提高）明顯提高[14]。

2.2 促進卵母細胞成熟

牛卵母細胞體外成熟是體外胚胎生產(chǎn)、移植、冷凍等技術(shù)開展的前提和關(guān)鍵。牛卵泡液中存在褪黑素（MT），體外成熟培養(yǎng)體系中添加褪黑素能夠促進卵母細胞體外成熟[15]。在M-199成熟液中添加1.0×10-9mol/L褪黑素能夠顯著提高牛卵母細胞成熟質(zhì)量，提高受精后的卵裂率[16]。褪黑素能夠改善低質(zhì)量牛卵母細胞的線粒體功能，從而提高卵母質(zhì)量、體外受精及后續(xù)胚胎發(fā)育效率[17]。在體內(nèi)，卵母細胞線粒體合成褪黑素作用于細胞本身促進成熟[18]。卵泡液中大量的褪黑素能夠提高線粒體DNA（mtDNA）拷貝數(shù)與膜電位（MMP）水平，促進ATP合成；另一方面，褪黑素能降低線粒體呼吸代謝活性氧的產(chǎn)量，降低卵母細胞內(nèi)8-oxodG水平，從而減少DNA氧化損傷，并通過調(diào)節(jié)凋亡基因（Bcl-2、Caspase3）的表達，抑制卵母細胞凋亡[18]。

2.3 提高體外胚胎發(fā)育及玻璃化冷凍效率

褪黑素主要通過發(fā)揮強抗氧化性保護胚胎免受氧化損傷，提高早期胚胎發(fā)育。同時褪黑素也能調(diào)節(jié)胚胎早期發(fā)育過程中的關(guān)鍵因子，進而發(fā)揮作用[19]。MT1受體在牛早期胚胎發(fā)育階段（原核胚、2-細胞胚、8/16細胞胚、囊胚）中持續(xù)表達[20]。研究證實，褪黑素與MT1 受體結(jié)合后，下調(diào)胚胎中cAMP的表達水平，影響 cAMP/PKA 的下游通路，進而影響 Dnmt1a、SLC2A1基因表達，促進基因組表觀修飾、囊胚激活及葡萄糖轉(zhuǎn)運，顯著提高體外發(fā)育效率；同時，在體外培養(yǎng)液中添加褪黑素能夠提高囊胚的抗冷凍能力。褪黑素處理后囊胚冷凍解凍后的囊胚孵化率顯著提高[21]。

3 降低牛奶體細胞數(shù)

牛奶體細胞（Somatic Cells，SCS）是指白細胞和乳腺上皮細胞，其中99%是白細胞。當(dāng)乳房受到損傷或者炎癥等應(yīng)激，就會產(chǎn)生大量的白細胞保護機體，繼而引起體細胞數(shù)迅速升高[22]。因此，體細胞數(shù)可以直接反映出乳腺的健康程度。體細胞數(shù)過高將會造成牛奶產(chǎn)量降低和品質(zhì)下降。褪黑素能夠提高機體免疫力，其可通過調(diào)節(jié)細胞因子的產(chǎn)生、免疫細胞與細胞因子相互作用，從而調(diào)節(jié)免疫功能[23]。對荷斯坦奶牛皮下注射褪黑素能夠降低牛奶體細胞數(shù)，體細胞數(shù)量不同的奶牛作用效果也不同，對牛奶中體細胞數(shù)在30～100 萬個/mL的高產(chǎn)奶牛效果最明顯，下降幅度為16～30 萬/mL；與此同時，褪黑素降低了高體細胞數(shù)奶牛血液中皮質(zhì)醇、免疫球蛋白IgG和IgM的濃度，增加白蛋白含量，減低白細胞和中性粒細胞數(shù)量；在奶牛乳房炎治療過程中皮下注射褪黑素可顯著縮短乳房炎的治療天數(shù)[7]。

4 開發(fā)褪黑素功能乳

褪黑素作為主要由松果體產(chǎn)生的激素，能夠調(diào)節(jié)機體節(jié)律，并且在自然牛奶中存在。張薇等在對部分市售的商品奶進行褪黑素檢測，除脫脂奶外，褪黑素含量一般在15 pg/mL以下[24]。由于褪黑素不僅能調(diào)節(jié)機體生物節(jié)律，改善睡眠，還能提高免疫力，降血壓，抗腫瘤，減少氧化應(yīng)激，所以高褪黑素功能性牛奶，具有較高的附加值[25]。1999年，英格曼乳業(yè)已經(jīng)生產(chǎn)出天然高褪黑素牛奶，價格較高，但銷售一直穩(wěn)步增長[26]。隨后，日本、英國、愛爾蘭等國家市場上相繼出現(xiàn)類似品牌。國內(nèi)利用乳腺過表達褪黑素合成酶AANAT和HIOMT提高乳汁中的褪黑素含量[27]，也相繼出現(xiàn)幾種富含褪黑素激素的乳制品專利，對褪黑素功能乳研發(fā)也起到了一定的促進作用。2003年8月11日，中國人民共和國衛(wèi)生部，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了保健食品中褪黑素含量的測定（GB/T 5009 170-2003），并于次年施行，為開發(fā)高褪黑素乳制品奠定了基礎(chǔ)。

5 展望

2018年6月中國奶業(yè)大會在成都舉行，總結(jié)了十年來乳業(yè)發(fā)展歷程。雖然總體上我國乳業(yè)發(fā)展穩(wěn)步提升，但是奶業(yè)效益卻起起伏伏，質(zhì)量安全事件的屢次發(fā)生，對國民對奶品質(zhì)的信心造成了嚴重打擊，制約了奶業(yè)發(fā)展。褪黑素因其強大的生物活性，在奶牛產(chǎn)業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用潛力，從繁育管理到胚胎生產(chǎn)，褪黑素都發(fā)揮著不可替代的作用。因此，研究褪黑素復(fù)合抗氧化劑在奶牛產(chǎn)業(yè)中前景可觀。同時，天然高褪黑素牛奶及其制品具有保健功能，在食品領(lǐng)域中也會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。在奶業(yè)發(fā)展過程中，深入挖掘褪黑素的功能，將對振興民族奶業(yè)及促進國民經(jīng)濟產(chǎn)生不可估量的推動作用。