褪黑素在养牛生产中的应用研究进展

高伟星，马慧，杨敏娜，方伟楠，白萨茹拉，曲永利*

（1.黑龙江八一农垦大学动物科技学院，黑龙江大庆 163319；2.北京首农畜牧发展有限公司，北京 100076）

随着饲用抗生素全面禁止，抗生素替代物的研究受到广泛关注，其中对褪黑素的研究逐渐热化。有研究表明，褪黑素通过调节免疫细胞活性、促进免疫器官的生长，以此调节和提高动物体的免疫功能，即褪黑素能够从多方面改善畜禽自身健康状态，增强机体免疫和抗氧化能力，同时褪黑素对不同畜禽产品的产量及质量均有积极作用，但目前对于改善奶牛、肉牛产品品质的研究报道较少。因此，对于褪黑素在奶牛、肉牛产品中的开发研究仍需不断探索。

褪黑素是一种由松果体分泌的来源于色氨酸的胺类神经内分泌激素，又称为美拉酮宁、抑黑素、松果胰素等，是动物、植物及微生物体自行产生的内源性物质，可作用于动物体全身的多个器官、组织和细胞，具有调节生物节律、改善睡眠、调控生殖活动、抗氧化、抗肿瘤及清除体内自由基等多种生理和药理作用。褪黑素作用甚广，将其科学应用于养牛生产中，不仅能为动物健康提供保障，而且能大大提升牧场效益。本文主要综述了褪黑素在奶牛生产中的应用研究进展，为其进一步研究及合理应用提供参考。

1 褪黑素的发现及其合成

1.1 褪黑素的发现 对哺乳动物松果体的系统研究始于19 世纪80 年代，大约在1900 年，开始对松果体的生物学作用进行研究。1958 年Lerner 等发现褪黑素（N-乙酰-5-甲氧基色胺）仅由松果体产生，Quay等观察到松果体中的血清素水平白天较高，晚上较低，光照周期的变化导致松果体血清素发生相应变化，他还发现了松果体褪黑素的每日节律与松果体中血清素变化水平恰恰相反，这些观察结果表明，光周期调节松果体的运动节律，而松果体血清素的夜间下降是由于褪黑激素增加。1975 年Raikhlin 等利用免疫细胞化学鉴定肠黏膜、肠嗜铬细胞中存在褪黑素，并推测胃肠道和血浆中的褪黑激素含量约比松果体分泌的褪黑素含量分别高400 倍和10～100 倍。

1.2 褪黑素的合成 1969 年Wurtman 等研究指出，哺乳动物的松果体不是腺体，而是“神经内分泌传感器”。它的作用是将神经信息转化为内分泌输出。它通过制造一种独特的酶来响应交感神经的输入，这种酶催化松果体激素褪黑素的合成。随着时间推移，在后续研究中也发现，哺乳动物的各种器官、组织和细胞内也可合成褪黑素，包括肝脏、肾脏、卵巢和睾丸、胎盘、子宫内膜、卵母细胞、精子和乳腺等。

1.2.1 褪黑素在生物体内的合成 褪黑素在生物体内主要合成途径如图1，其中6-羟基褪黑素为动物体主要代谢产物。

图1 褪黑素生物体内合成与代谢

1.2.2 化学法合成褪黑素 通过植物及动物体提取褪黑素的工艺繁琐且产出率较低，因此主要通过化学法合成褪黑素，化学法合成褪黑素的途径有很多种，如以丙稀晴和丙二酸二乙酯为原料合成褪黑素、以1,3-二溴丙烷和邻苯二甲酰胺钾及对甲氧基苯胺为原料合成褪黑素、以4-氯-1-丁醇和4-甲氧基苯胺为原料合成褪黑素、以-丁内酯和对甲氧基苯胺为原料合成褪黑素。其中，以-丁内酯和对甲氧基苯胺为原料合成褪黑素的方法如图2 所示，经开环、加氢还原、重氮化、再还原、水解、缩合和乙酰化等加工过程，主要为4-氯丁醛的制备、4-甲氧基苯肼盐酸盐的合成和N-乙酰基-5-甲氧基色胺（MT）的合成。

图2 γ-丁内酯和对甲氧基苯胺为原料合成褪黑素

2 褪黑素养牛生产中的应用

2.1 褪黑素可提高牛繁殖效率 褪黑素在牛卵巢中起到强大的抗氧化作用，能够降低卵巢氧化应激同时使得卵母细胞免受损伤。卵泡发育决定后期胚胎发育，褪黑素受体MT1 能够在牛的早期胚胎中持续表达，进而可对机体繁殖类激素进行调控，与成熟卵泡相比不成熟卵泡含有大量的褪黑激素且含量与孕激素产生正相关。褪黑素含量可能影响机体孕激素合成与分泌，从而促进卵母细胞发育与成熟，同时由于褪黑素作为抗氧化剂，能够抑制卵母细胞凋亡，从而改善胚胎发育环境及发育能力，进而提高胚胎妊娠率。研究显示，荷斯坦奶牛从产后至配种时，褪黑素浓度最高值出现于配种时期，配种当天体内注射褪黑素能够显著提高荷斯坦奶牛春季和夏季产后首次配种受胎率，夏季显著提高10.1%，春季显著提升11.2%。

2.1.1 褪黑素可改善精液品质 褪黑素作为一种强大的抗氧化剂，能够提高精子线粒体活性，保证精子顶体完整性，清除体内过多的活性氧（ROS）。Li 等将公牛精液通过一系列处理加入到培养基中，38.5℃恒温培养1.5 h 后发现，添加褪黑素浓度为10mol/L 和10mol/L 时，精子存活率分别为46.9% 和31.6%，较对照组显著提高23.2%；晚期精子凋亡率分别为31.2%和32.3%，较对照组显著降低52.8%；使用褪黑素为10mol/L 时，其精子的顶体完整度、精子死亡率及精子获能性显著高于对照组及10mol/L 褪黑素组，且褪黑素组均高于对照组。周凌博等研究发现，湘中黑牛精液中添加10mol/L 与10mol/L 褪黑素能够显著提高精子质膜完整性、线粒体活性及顶体完整性，同时能够显著降低精子细胞内的ROS 水平。

2.1.2 褪黑素可加快卵母细胞分裂 Pang 等研究了褪黑素对牛卵母细胞成熟后胚胎发育的影响，通过体外培养发现，10mol/L 和10mol/L 褪黑素组第一极体裂解率（79.1%和82.5%）显著高于对照组（74.8%），而10mol/L 组与对照组间无明显差异；而后，添加褪黑素会显著增加成熟卵母细胞的数量，试验组卵母细胞外周皮质粒的比例明显高于对照组，且褪黑素浓度为10mol/L 时外周皮质粒最高。Sheikh 等研究发现，当牛卵母细胞体外培养基中添加10mol/L 与10mol/L褪黑素时，卵母细胞总裂解率较对照组显著提高。Zhao 等研究结果表明，当试验组褪黑素的添加量为10mol/L 与10mol/L 时，体外培养卵母细胞的细胞核、线粒体、皮质粒、谷胱甘肽（GSH）等均显著高于对照组，且褪黑素含量为10mol/L 时达到最大值。

褪黑素可在卵巢和睾丸中合成，反映了其潜在的生理生殖分泌调节过程，能够加快母牛卵母细胞的成熟，改善精液品质，诱发精子和卵母细胞自身保护机制的启动，抗氧化性增强，减弱外界环境对其氧化作用，从而降低精子凋亡率，促进卵母细胞裂解，提高胚胎发育效率。

2.2 褪黑素可增强免疫因子抗性 Yu 等通过从12 头荷斯坦奶牛乳中分离和纯化上皮细胞进行培养后得出，褪黑素能够降低促炎细胞因子、趋化因子等表达，其中包括肿瘤坏死因子-、白细胞介素（IL）-1、IL-6、趋化因子CC 基序配体CCL2、CCL5、血清淀粉样蛋白A、触珠蛋白等，且注射褪黑素能够增加脂多糖（LPS）刺激的乳腺上皮细胞（bMECs）活力，使bMECs 免受LPS 诱导的炎症和氧化剂应激损伤，其作用机制可能与褪黑素的抗氧化、抗炎和免疫增强作用有关，褪黑素能增强免疫机制，能刺激活化免疫细胞，促进阿片肽的释放，增加抗体的生成。

2.3 褪黑素可降低牛奶中体细胞数（SCC） 乳房炎引起的牛奶SCC 过高，严重影响牛奶质量，每年造成巨大的经济损失，并影响消费者健康。如上所述，褪黑素能够降低促炎因子的表达。Yang 等将120 头患有乳房炎的奶牛分为4 组，每组中一半数量的奶牛植入褪黑素，发现褪黑素植入显著降低了SCC。Yao 等选取SCC 值在0.4 万～70 万/mL 的荷斯坦奶牛35 头并随机分为7 组，分别饲喂40 mg/（头·d）与80 mg/（头·d）7、14、21 d，试验结果显示，饲喂第7 天，乳中SCC开始下降且14 d 后，乳中SCC 极显著降低，饲喂21 d后，结果与饲喂14 d 相同，在停饲后，SCC 持续下降5～7 d。Wu 等挑选3个不同牧场且分别在不同季节及各个年龄段及不同泌乳时期的健康荷斯坦奶牛进行试验，于10:00 将褪黑素稀释液皮下注射9.3 mg/d，连续4 d 并在褪黑素注射前和注射后15 d，收集鲜牛奶进行DHI（Dairy Herd Improvement）分析，结果显示，在不同年龄段中，年龄最大（7 岁）的奶牛SCC 值最高。

2.4 改善乳品质 褪黑素是一种有效的抗氧化剂，具有重要的营养和药用价值。Wang 等给试验组荷斯坦奶牛皮下注射4.64 mg 褪黑素后，产奶量较对照组略有提高，乳脂肪浓度显著降低。Avilés 等研究指出，在干奶期给予褪黑素对哺乳期具有催乳作用，试验组在耳皮下植入18 mg 褪黑素后，前14 周泌乳期内试验组产奶量显著高于对照组，但对乳脂及乳蛋白无显著差异。Yao 等研究表明，褪黑素组牛奶的蛋白含量显著高于对照组，且饲喂褪黑素第14 天和21 天时乳脂及干物质含量显著高于对照组；但饲喂40 mg/头褪黑素组在第14 天及21 天时牛奶中乳糖含量显著低于对照组。Wu 等研究结果显示，皮下注射褪黑素组蛋白质含量在秋季时显著高于对照组；在春季、夏季和冬季乳糖含量显著高于对照组；在春季时乳脂含量显著减少，但对牛奶干物质和尿素氮均无显著影响。

褪黑素能够影响产奶量及乳成分，其主要影响乳中脂肪、乳糖及蛋白含量，但相关研究结果各不相同，分析其原因可能由于褪黑素添加量不同，也可能由于褪黑素在机体内代谢具有时效性，测试时间不同导致褪黑素对乳成分的影响不同。

2.5 褪黑素对母牛及后代的影响 Brockus 等在妊娠期第190～262 天给荷斯坦奶牛饲喂褪黑素20 mg/（头·d），发现对照组与试验组之间母牛体重、干物质采食量、犊牛体重与妊娠时间等指标均无差异。相反，McCarty 等选取32 头头胎牛和25 头经产牛（该品种包括8 头赫里福德、28 头安格斯和21 头主要是安格斯繁殖的杂交品种）在妊娠第180 天时随机分为2 组饲喂，试验组每30 天耳皮下植入褪黑素24 mg/头，产犊后195 d 时对15 头公犊进行去势并收获睾丸组织进行生精小管分析，发现试验组与对照组头胎牛体重无差异，但经产牛试验组（580.0 kg）较对照组（572.0 kg）趋于增加；与对照组相比较，母牛及犊牛体内褪黑素含量显著增加，在妊娠240 d 时，母牛子宫动脉血流量极显著增加；断奶时，生精针叶管直径和面积无差异，试验组出生的公犊牛体重及其阴囊周长较对照组显著增加。以上结果均表明，褪黑素均未对母牛及其后代产生不良影响。

3 小结与展望

褪黑素作为一种强抗氧化剂能够延长精子凋亡时间及加快卵母细胞分裂。褪黑素的使用能够增强机体免疫能力、降低奶牛乳中SCC、增加产奶量及改善乳品质；褪黑素使用对母牛及犊牛并未出现不良影响，可促进公犊牛生长发育。因此，褪黑素可用于肉牛、奶牛养殖生产中，以提高其生产效率。

尽管褪黑素对动物机体本身具有积极促进作用，但就目前国内外研究中，对于经动物体转化而生产的“褪黑素产品”在临床验证的相关报道少之又少。同时，由于褪黑素合成及提取工艺繁琐，成本较高，在畜牧生产中的应用仅局限于试验动物，对于畜产品的批量生产存在局限性。相信在不久的将来，关于褪黑素在养牛生产中使用及畜产品研发等难题将会被逐个攻克并被广泛应用于实际生产当中。