褪黑激素(melatonin,MT)是由松果体合成和分泌的一种吲哚类激素，化学名称为N-乙酰-5-甲氧基色胺，又名褪黑素、美拉酮宁、抑黑素、松果腺素，最早由美国皮肤病学家Lerner等于1958年从肉牛松果体提取物中分离出来。MT在生物钟、免疫、消化、中枢神经系统、抗氧化以及抗肿瘤方面具有广泛的生物学效应^[1]。MT早已作为一种调节睡眠和治疗抑郁症的医疗药品^[2]，具有改善睡眠和调节情绪的功能，近年来研究还发现其有抗肿瘤^[3]、增强免疫^[4]和延缓衰老^[5]的作用。因此，富含MT的保健食品在市场上广受欢迎。目前世界范围内，美国和中国香港等少数国家和地区把人工合成的MT作为食品添加剂，加拿大、英国和法国等绝大多数国家和地区把人工合成的MT归为药物，不能作为食品添加剂。因此，研发富含天然MT的食品成为欧洲及国际上崇尚天然、追求安全人群的迫切需求。当我国关于脑白金含人工合成的MT，可能导致内分泌紊乱在主流媒体上报道后，人们更加关心人工合成的MT的安全性问题，而天然来源的MT安全性可靠，含低剂量天然来源的MT保健品会越来越受到人们的关注。牛奶是大众消费最多的乳制品，含有天然的MT，是外源性MT的良好补充来源，但其在普通市售牛奶中含量较低。本文就MT的合成、生物学功能、对人体健康的作用及天然高MT牛奶生产技术进行介绍，以期能为进一步研究生产天然高MT牛奶提供参考。

动物机体中的MT主要是由松果体腺细胞合成的，其他部位如视网膜、副泪腺、唾液腺、肠的嗜铬细胞及红细胞等也可合成和分泌少量MT^[6]。松果体细胞合成MT的过程如下：首先色氨酸在色氨酸羟化酶(TPH)的作用下转变成5-羟色氨酸；然后5-羟色氨酸在5-羟色氨酸脱羧酶(5-HT-POC)催化下转变成5-羟色胺；5-羟色胺在5-羟色胺-2-N-乙酰转移酶(NAT)和羟基吲哚氧位甲基转移酶(HMOT)的作用下，经N-乙酰羟色胺转变成N-乙酰-5-甲氧基色胺，合成的MT在吲哚胺羟化酶和甲酰胺化酶的催化下产生N-乙酰-5-甲氧基犬尿酰胺而失去活性^[7]。MT的分泌受光周期的制约，呈昼夜节律性改变^[8]，夜间MT量比白天多5~10倍，00:00—02：00时MT的合成达到最高峰，而后渐渐减少，在12：00时达最低点^[9]。MT的生物合成还与年龄有关，刚出生的婴儿可通过胎盘和哺乳获得少量MT，3~5岁的幼儿夜间MT分泌量最高，青春期分泌量略有下降，老年后MT水平则更低，尤以夜间为甚^[10]。从动物(如牛)松果腺中提取天然MT，提取物中可能带有各类病毒或存在能引起抗体反应的蛋白质，因此目前化学合成MT较多。利用化学合成方法制备MT的工艺较成熟，纯度高，是MT的主要来源，但是合成激素不可能达到100%纯度，存在化学合成步骤多、反应条件不易控制、生产成本高、生产原料和副产品对人体有害等缺点^[11]。另外，化学合成MT虽与体内分泌的MT在初级化学结构上一致，但它们的生物特性或立体化学结构是否完全一致、制剂辅助成分的搭配是否合理、合成MT是否对体内MT和其他类型激素的内分泌系统产生影响等问题尚不清楚，其安全性有待评价。与人工合成MT相比，通过食用含高MT的食品补充外源性MT具有很高的安全性。

MT可以提高机体的免疫功能，包括促进免疫系统产生抗体，提高抗体对抗原的敏感性，增加免疫因子数量，增强免疫因子的活性，促进T、B淋巴细胞的增殖，增强自然杀伤细胞的细胞毒性^[12]，增加胸腺的重量^[13]。MT能够减少胃酸的分泌，提高血浆中胃泌素的水平，从而对胃黏膜起到保护作用^[14]。研究表明，MT本身及其多级代谢产物具有强大的抗氧化功能，可以同时清除氧族和氮族自由基及上调多种抗氧化酶活性，起到抗肿瘤和抗衰老作用^[5]。此外，MT的昼夜分泌节律与情感状态关系密切^[15]。

MT可用于治疗人体睡眠紊乱疾病。补充外源性MT，可使体内MT水平维持在正常状态，调整正常睡眠节律，提高睡眠质量，治疗睡眠紊乱疾病^{[16, 17]}。外源性MT可减轻由酒精引起的胃黏膜损伤和胃黏膜血流减少，可减少胃溃疡的发生率和严重性^[18]。在治疗精神分裂症患者时辅助应用MT可以改善睡眠、控制和改善情绪^{[19, 20]}。此外，MT还可以对抗精神病药副作用所导致的体重增加和血糖失调^{[21, 22]}。尽管MT在脑功能保护方面显示出良好前景，但还有许多问题有待解决，如给药方式、最佳剂量等^[23]。研究结果表明，MT可以改善肿瘤患者因化疗或手术所致的血细胞减少，作为肿瘤的辅助治疗^[3]。补充外源性MT可以维持机体正常MT水平而起到延缓衰老的作用^[24]。

MT作为一种催眠药物，有其独特的优点：小剂量(0.1~0.3 mg)MT就有较为理想的催眠效果^[25]；生物半衰期短，口服几小时后即降至正常人的生理水平；MT作为一种内源性物质，在体内有其自身的代谢途径，不会造成药物及其代谢物在体内蓄积，毒性极小^[26]。Valtonen等^[27]研究每天进餐时饮用0.5 L含MT为10~40 pg/mL的夜间牛奶对福利院老年人睡眠和生理活动的影响，探讨低剂量MT(其剂量为不影响白天血液中MT的含量)对改善老人睡眠质量和翌日白天活动的效果，结果表明，即使是微量的MT也能通过提高老年人白天的活动使他们受益。Barchas等^[28]研究结果表明，MT可溶性剂量800 mg/kg BW不引起小鼠死亡。3 000多例人体服用试验表明，每天服用多达几克(为维持健康剂量的几千倍)，长达1个月，未见或者几乎没有毒性^[29]。Miyamoto等^[30]报道2例具有严重睡眠障碍的病人连续每天服用5 mg MT 2年，未发现任何副作用。Seabra等^[31]采用随机、双盲、安慰剂对照试验，结果表明，40名志愿者每天服用10 mg、连服28 d未观察到有任何毒性作用。龚广予^[32]应用强化MT超高温牛奶(MT含量12 mg/L)进行老鼠急性毒性试验，结果表明，试验没有引起老鼠急性毒性和遗传毒性等毒副作用。

研究结果表明，MT普遍存在于与人类生活密切相关的植物中，包括粮食作物、蔬菜以及药用植物，其中药用植物MT含量很高，如黄岑中MT的含量达7.11×10³ ng/g，然而在马铃薯和烟草叶中没有检测到MT的存在^[33]。Eriksson等^[34]研究了每日牛奶中MT含量变化，发现牛奶中MT夜间增加，并认为乳中MT含量反映血液MT含量，但有短期延迟。牛奶中天然地含有一定量的MT，且夜间牛奶中MT含量较白天牛奶高，因此一些牛奶公司通过光控研发富含高天然MT的牛奶。1999年芬兰英格曼乳业(Ingman Dairy)与库奥皮奥大学(University of Kuopio)的Maija Valtonen教授合作成功研发出天然高MT奶，实现了销售的稳健增长和奶业的高附加值。随后，日本、英国和爱尔兰等国相继有天然高MT牛奶产品问世，价格是普通牛奶的2.5倍，颇受消费者欢迎^[35]。

芬兰于2000年6月29日申请，于2001年1月11日公布了1种富含天然MT奶的生产方法的专利^[36]。此方法中，奶牛1 d中处于暗周期和光周期的长度基本不变，时间长度分别为2~11 h和13~22 h。在这种光照制度下，暗周期的光照强度最大为40 lx，最优光照强度为10 lx；光周期的光照强度大于150 lx，最优光照强度大于250 lx。奶牛的挤奶昼夜节律要调整到在每天暗周期结束之前进行挤奶，生产实践中奶牛挤奶时间是在早晨，允许奶牛暴露在光源下，但暴露时间只有大约30 min，目的是为了防止在挤奶之前MT停止分泌。在挤奶过程中，奶牛眼睛接触的最大光照强度为40 lx。奶牛舍中23:00至次日07:00的光照强度应该保持在10 lx，早晨挤奶工作应该在06:30之前完成，在其他时间里可以按照正常程序对奶牛挤奶得到普通牛奶。对光照制度进行规范化，可以保证在不同季节都能得到MT含量在20 pg/mL以上的高MT奶。此方法得到的牛奶包含了较高含量的MT，其活性相对稳定，烹调、冷冻或者巴氏杀菌不会使MT降解，因此牛奶可以用于制作诸如奶酪等乳制品。在牛场的实践证明，在光照强度相同的条件下，使用此方法推荐的光照制度(光照/黑暗为17/7)与之前的光照制度(光照/黑暗为12/12)相比，奶中MT的含量由8.9 pg/mL增加到56.4 pg/mL。

英国于2002年3月5日申请，于2003年10月8日公布了1种提高牛奶中天然MT含量方法的专利^[37]。此专利方法要求控制光照强度和光照时间，将光照分为暗周期和光周期，同时需要增加动物的干物质采食量。最优的暗周期时间为8~10 h，光周期为14~16 h。暗周期的光强度不应超过50 lx，光周期的平均光强度应至少有1 000 lx。在自然光照不能满足专利方法所要求的光照条件时，需要限制自然光源的使用或者补充人工光源。暗周期的时间范围(可以运行在任何阶段，但首选是尽可能多地与自然的日节律一致)21：00至次日05：00，这个时间点最符合日节律和日常挤奶时间。24 h内至少进行2次挤奶，其中1次挤奶在暗周期结束前进行，暗周期和其他时间内的牛奶分开收集和加工。如果只进行1次非黑暗挤奶，可以在大约19:00进行挤奶，黑暗挤奶在大约05：00进行；若24 h内3次挤奶，挤奶时间分别为05：00、13:00和21:00。应用此专利提供的方法生产的牛奶中MT的含量为15~30 pg/mL。

德国于2006年11月30日申请，于2009年12月31日公布了1种天然高MT奶或奶制品的生产方法^[38]。该方法将哺乳动物的日循环分为光周期和暗周期，分别使用第1和第2光照制度，产奶动物在暗周期至少要进行1次挤奶以获取高含量MT的奶。在光周期执行第1光照制度，含有一定比例的蓝光。在暗周期执行第2光照制度时，至少要应用1种光源，其发出的波长在500 nm以上，不使用波长在500 nm以下的光源，使用的光源要求可以发出黄光、橙光、红光或者这些颜色的混合光，其中红色光源是最佳选择。根据此专利的要求，全光谱灯(375~725 nm)是首选，这和阳光最相似(290~770 nm)。由于延长光周期可以显著增加哺乳动物的产奶量，因此可以通过人工光源如全光谱灯的光照，根据要求延长或缩短白天的时间。用于暗周期的理想光源的发光颜色有红色、琥珀色(最高约612 nm)、橙色(最高约605 nm)或黄色(最高约585 nm)，理想光源为红色发光二极管(LED)灯，其在夜间阶段照射至少1 h。在实际使用过程中，最好是至少2 h，6 h以上的使用效果更好。暗周期收集的牛奶最好在2 h以内迅速冷却到10 ℃以下，如3或8 ℃。通过缩短暗周期的时间，并使挤奶在暗周期结束前完成，可以得到具有较高MT含量的牛奶。例如，延长光周期达16 h(优选大于18 h)，能够在暗周期获得MT增加的高峰。正常牛奶中含有MT 1.5~3 pg/mL，根据此专利的方法，生产的牛奶通常含有至少2倍，甚至高达10倍以上的MT。用该牛奶加工制作的奶粉中，群体平均的MT含量大于200 pg/g，动物个体能达到500 pg/g以上。

我国于2010年4月22日申请，于2012年1月18日公布了1种获得高MT含量的原料乳的方法^[39]，此专利解决了现有的提高原料乳中MT含量的方法中存在的原料乳中乳糖含量低的问题，利用此专利方法生产的原料乳中MT和乳糖的含量均较高。此专利获得高MT乳的方法如下：泌乳期的奶牛饲养根据光照强度分为光照期、黑暗期和采奶期。光照期03:00—15:00，光照强度为540~600 lx；黑暗期15:00至次日02:30，黑暗期每隔1~2 h波长为420~480 nm的蓝绿光光照15~30 min、蓝绿光光照强度为240~300 lx，黑暗期蓝绿光光照之外剩余时间光照强度控制为20~40 lx；采奶期02:30—03:00，采奶期用波长为420~480 nm、光照强度为240~300 lx的蓝绿光进行照明。此专利方法中，黑暗期对MT的分泌起积极的促进作用；同时，蓝绿光采用间歇式光照，反复刺激视网膜上的可感光神经节细胞，然后将光刺激传导给下丘脑，再传导给松果体，进一步加快了分泌MT的速度；采奶期使用蓝绿光在保证采奶工作顺利进行的同时，不影响松果体分泌MT。使用此专利方法生产的原料乳中MT的含量为50~71 pg/mL，得到了高MT含量的原料乳。此专利方法中给动物喂食含有红豆、酵母和小米的饲料，红豆和小米进入瘤胃中并被瘤胃中的微生物所分解，而酵母菌提高了瘤胃内羧甲基纤维素酶、水杨苷酶和木聚糖酶的活性，进一步提高了瘤胃的消化分解能力，加快了红豆和小米的分解，促进了丙酸的生成，从而加快了乳糖的合成，此专利原料乳中的乳糖含量为44~56 mg/mL。

以前人们非常关注功能性食品在抗胆固醇、糖尿病和骨质疏松等疾病方面的作用，往往忽视了食品本身在改善睡眠等机体亚健康，即那些降低生活质量、但并不危及生命的疾病方面的功能。随着生活水平的提高，以及科学技术的发展，人们认识到亚健康疾病的潜在危害，更关心亚健康疾病的改善或治疗问题，伴随而来的就是功能性食品中功能物质的来源问题。消费者愿意购买天然高MT奶及奶制品——溢价价格很高的功能性食品，这就是一个很好的例子。

我国属睡眠障碍或失眠症高发国家。有调查研究显示：我国3~13岁儿童睡眠障碍(睡眠不安、睡眠节律紊乱、睡眠异态)的发生率为41%，15~19岁睡眠障碍发生率为18.2%，18~60岁发病率是15.8%；总体上，随着年龄增长，人类1 d睡眠总时间呈递减趋势，老年人失眠发病率高达67.2%^[40]。食用MT补充剂早已成为失眠症人群，特别是大部分老年人群的选择，有些人已经开始使用天然MT。随着我国奶业的发展，喝奶已经成为我国民众的日常习惯，如果开发推广天然高MT牛奶及奶制品，市场前景广阔。

虽然我国奶业发展迅速，但奶业效益却起起伏伏，屡次出现质量安全事件。在这种情况下，打击了国内民众对我国奶产品的信心，奶牛养殖户和奶制品生产企业需要承担很大的经济损失，造成我国奶业的非良性发展。通过天然高MT牛奶及奶产品的开发，特别是天然高MT有机奶及奶产品的开发，增强消费者的信心，促进国内民众对奶产品的购买力，稳定或提高奶牛养殖及奶产品加工效益，促进我国奶业的健康发展。此外，因为天然高MT牛奶及奶制品的保健功能，在功能性食品领域也许会产生巨大的经济效益。

牛奶作为大众消费最多的乳制品，是补充外源性MT的良好来源，通过光控技术手段提高牛奶中天然MT的含量，生产高MT牛奶，可能具有广阔的市场前景。