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热应激对奶牛泌乳性能和牛乳品质的影响

来源：985论文网添加时间：2020-05-18 14:25

热应激对奶牛泌乳性能和牛乳品质的影响

摘要

随着温室效应加剧，奶牛热应激问题日益凸显，对乳业造成巨大经济损失。热应激是一复杂的生理应答过程，奶牛在温热环境下表现为呼吸和心率加快，直肠温度升高，采食量下降，对其内分泌系统和免疫系统造成负面影响，严重降低奶牛泌乳性能。热应激不仅影响奶牛健康，而且易导致奶牛“热应激乳蛋白降低征”的发生，从而影响牛奶品质。目前关于奶牛热应激的报道多集中于生产试验，特别是饲喂功能性饲料添加剂对应激的缓解作用，但其具体作用机制尚不清晰。

文章介绍了热应激对国内外不同地区奶牛产奶量和乳品质的广泛影响，并从能量代谢、内分泌、氧化应激、细胞凋亡和自噬等方面综述了热应激对奶牛泌乳性能的影响机制。能量代谢方面，从奶牛采食量减少、脂质分解和能量代谢紊乱等内在分子学机理角度解释了奶牛在热应激下处于能量负平衡状态的原因；内分泌方面，介绍了热应激对奶牛下丘脑-垂体-肾上腺轴/甲状腺轴/性腺轴/生长轴的调控，分析了激素变化对机体的影响及其作用机制；也综述了近些年来热应激影响牛奶中乳蛋白含量及酪蛋白和乳清蛋白组分的研究进展，以期为缓解奶牛热应激和提高牛奶品质提供参考。

摘要:研究选取6头相同泌乳期的荷斯坦奶牛，正常饲喂和饮水。实验期从7月27日至8月31日，共计35天。每日10:00和18:00记录气温，统计产奶量。结果表明:随着环境气温由26C升高至38C，实验奶牛均产奶量由15.2kg/d下降至10kg/d;乳蛋白产量由0.47kg/d下降至0.30kg/d,乳脂肪产量由0.46kg/d下降至0.28kg/d,乳糖产量由0.71kg/d降至0.46kg/d。结果提示:在中国武汉夏季高温高湿条件下，可诱发奶牛发生热应激，奶牛内分泌和营养代谢均发生变化，表现泌乳量减少，乳品质降低。

关键词：热应激；泌乳性能；牛乳品质

一、绪论

（一）研究背景和意义

经济的快速发展，人们的生活水平也在不断的提高，人们对含有较高营养价值的牛奶的需求量不断增大，从而导致我国奶牛养殖的数量和规模不断扩大，加快了我国奶牛养殖业的快速发展。中国奶业发展呈现南北不均态势，奶牛主要养殖在北方地区（如内蒙古、新疆、河北和黑龙江等地），而在人口比较密集、牛奶需求量较大、奶牛疾病频发的南方地区（如：重庆、四川、武汉等地）奶牛养殖的数量却相对较少,究其原因是我国奶牛养殖主要以耐寒不耐热的荷斯坦奶牛的养殖为主，加之，近年来，随着全球气候变暖，我国夏季高温天气持续时间增长，尤其我国南方的部分地区夏季气温较高、湿度也较大，易造成奶牛严重的热应激反应，影响奶牛养殖的经济效益。

虽然如此，但是南方地区的奶牛乳品却有着巨大的市场需求。许多养殖企业尝试在南方饲养奶牛，以满足其市场空缺。但是着温室效应加剧，热应激对奶牛生产性能的影响已成为奶牛养殖业亟需解决的难题。泌乳性能作为奶牛最重要的生产指标，受高温影响显著，所以南方地区普遍存在的高温环境对奶牛泌乳性能的影响是奶农焦虑的主要问题之一。

本文从能量代谢、内分泌、氧化应激、细胞凋亡和自噬等方面综述了热应激对奶牛泌乳性能的影响及其机制，并结合组学技术揭示转录、蛋白和代谢水平物质变化，为热应激状态下改善奶牛乳腺机能进而采取保护措施以提高泌乳性能提供理论依据。

（二）研究现状

莫放（2003）主编的《养牛生产学》中也提到：热应激对牛群的健康、产奶量、乳脂率、繁殖率以及犊牛的初生重均会产生极显著的影响，这一系列的奶牛身体机能的变化最终对奶牛生产性能和健康造成了严重的危害和损伤。

Pierre（2003）报道美国每年因热应激奶牛业平均损失将近10亿美元，可见，热应激对国内外奶牛产业带来的经济损失相当巨大，我国尤其是南方地区每年因热应激带来的养殖损失也相当惊人。

外界的温度超过奶牛本身的适应能力，奶牛获得的热量超过机体通过辐射、对流、蒸发和传导所散失的热量时，热量就会被贮存而体温升高，机体发生一系列的生理、生化、以及内分泌功能的变化，奶牛即产生热应激（Finch，1986），最终影响奶牛的生产性能和繁殖性能。

应激又称全身适应综合征（，即面对外部的刺激动物系统所引起的正常生理状态改变的程度（Lee，1965)）。

在热环境下，遍布奶牛全身的温度敏感神经元，发出信息传给下丘脑，其调动各种生理性的、解剖或行为性改变以维持热平衡(Curtis，1983)。

奶牛机体产生的热来源于外部和内部两方面因素的控制(Spencer，1995)。内部产热主要来源于呼吸、消化和奶牛每天的维持性活动产热（如骨骼肌和体组织的物理活动），由于遗传、泌乳阶段、生产水平、采食饲料的数量和质量及饲料类型等因素的不同，内部产热的程度也不同。

Coppock（1985）研究表明：内部产热（即代谢热）的产量占体重600kg，产奶40kg，乳脂4%的奶牛的总采食能的31%。外部产热主要来源于环境热，较高的环境温度和相对湿度、空气缺乏流动或降温措施不当均使得环境热升高，易引起奶牛的热应激反应。

其中高温和高湿是诱发奶牛热应激产生的两个主要的因素(West，1994)，另外，如果遮阳效果不好，太阳辐射也是引起热应激的重要因素。这与饲养管理、奶牛舒适度、圈舍布局、棚舍密度和风扇控制密切相关。

奶牛在适温区5～20°C其健康和生产性能均能正常发挥，25～26°C为荷斯坦奶牛维持正常体温的上限（Berman，1985），奶牛的热平衡开始破坏，产生热应激。

同样，高温和高湿共同作用时奶牛也产生应激，如29°C，相对湿度40%时，荷斯坦牛、娟姗牛、瑞士褐牛产奶量分别为正常水平的97、93和98%，但相对湿度增加到90%时，产奶量分别只有正常水平的69、75、83%（Bianca，1965）。

2005年魏学良等研究发现当牛舍温度超过20℃时，不耐热奶牛即会发生轻度热应激；当温度高于25℃大部分奶牛都会发生热应激；当温度高于30℃，奶牛均会发生热应激。

史彬林等的研究发现，当热应激发生时奶牛直肠温度可以达到41.21℃，呼吸频率可增加到86.87次／min，均极显著高于非应激奶牛。

二、热应激对奶牛泌乳性能和牛乳品质的影响相关概述

热应激是全球奶业的一个顽疾，在美国，每年因热应激造成的奶业损失约达10亿美元。随着人曰的上升，人类对于食物的需求也会增加，而变暖的气候无疑会阻碍奶及奶制品的产量。我国南方为亚热带气候，夏季Ｗ高温高湿为特点，这样的环境下饲养的奶牛面临一系列健康问题，特别是热应激己经成为我国南方夏季奶业发展的擊肘，是影响我国奶业发展的重要因素。

（一）应激的概念、影响因素

应激又称全身适应综合征，即面对外部的刺激动物系统所引起的正常生理状态改变的程度。然而，产生应激的因素不仅来自外部，还会受到内部因素的影响。所以，应激更确切的概念是外界或内部的各种刺激对动物机体所产生的非特异性应答的总和。

热应激是动物机体应对环境高温所产生的非特异性应答反应。国外学者采用热应激表示动物机体应对高温环境产生的散热需求。国内学者则认为热应激是所有与高温有关的因素引起的有利于避免动物机体功能紊乱并使其更好地适应环境而发生在动物细胞水平的自我调节。

引起奶牛应激的因素有很多，如：饲养管理、环境因素、微生物感染、遗传、运输以及其他的人为因素等达到一定程度均能引起奶牛应激反应，其中环境因素包括：环境温度、湿度、太阳辐射、空气流动以及降雨等，对奶牛业的影响是不容忽视的，而且目前对环境温度和湿度的人为控制耗资较大且难以实施，即使其他的因素均控制在适宜奶牛活动的正常范围之内，过高的环境温度和湿度也会引起奶牛热应激反应。总言之，奶牛受到超过本身体温调节能力过高的温度刺激时，作用于垂体-肾上腺皮质系统，引起机体的非特异性防御反应和特异性障碍在内的全身性适应征，即为奶牛热应激综合征，是奶牛对不利于生理活动的高温环境产生的一种非特异性应答反应。

（二）奶牛热应激的产生

若奶牛从环境中获得的热量远大于自身可调控以维持热平衡的能力，奶牛即产生热应激反应。然而轻度热应激持续时间较短，奶牛可通过自身的调节适应轻度热应激，其产奶性能不被影响或者影响很小；反之，奶牛即产生中度或重度热应激反应。总之，在生产实践中不仅要考虑外部因素对奶牛生产的影响，还要结合内部因素的改善，才能使得奶牛热应激得以缓解。

奶牛的热应激是指对于不利于其生理的高温环境下，奶牛机体产生的非特异性应答反应的总和，包括食欲下降，采食量减少，体温升高，呼吸加快，营养物质吸收和利用率下降，机体内分泌机能素乱，母牛泌乳量明显下降等。奶牛是耐寒怕热的家畜，其正常体温为38.5℃，适宜的饲养环境温度为5-20℃，当环境温度超过25℃时，奶牛便会出现应激反应。

奶牛热应激时自身机体的热调节机能开始失调，正常的功能及其激素平衡等遭到破坏，并易发生皮肤代谢受阻，体内物质代谢障碍，表现呼吸急促，心跳加快，体温上升，食欲下降，体重减轻，发情素乱，受胎率下降，健康水平低下，抗病能力减弱，较牛生长缓慢及死亡率増加等不良反应也有实验证实热应激会影响奶牛泌乳性能，主要表现在奶牛采食量下降，反当活动减少，营养物质的吸收降低，维持需要增力口，进而导致养分和能量用于产奶的效率降低，使奶牛处于能量负平衡状态。

（三）奶牛热应激的判定

热应激由温度、相对湿度、太阳光福射、气流和降水等多个环境因素引起。在潮湿的环境中，湿度是引起热应激的关键因素，而在干燥的环境中，温度是引起热应激的关键因素。

奶牛发生热应激时，采食量、生产性能、各种生理生化、身体机能和血液指标等发生一系列的变化，实际中主要有以下几个方法判定：

（1）奶牛的直肠温度和呼吸频率：直肠温度和呼吸频率与奶牛的热应激有着密切关联。热应激时奶牛散热受阻，其体内热平衡紊乱，可Ｗ观察到体温和直肠湿度升高，呼吸频率明显增加。

（2）牛奶温度、采食量、产奶量及外界环境参数（包括有效温度、温湿指数（THI）、干球温度、湿球温度和黑球温度等）也可说明奶牛的处于热应激的状态。

溫湿指数综合了温度和湿度对动物的双重影响，是人们评定家畜热应激时常用的一个生物气候指标，也可Ｗ说是综合评价奶牛是否处于热应激状态的环境指标。THI在最初主要用于判断人体在温热环境中的舒适程度，后来逐渐在动物生产当中予Ｗ应用其计算要有Ｗ下几种：

（1）THI=0.72（Td+Tw）+40.6

（2）THI=Td+0.36Tdp+41.2

（3）THI=0.81Td+（0.99Td-14.3）RH+46.3

（4）THI=Td+0.361Tw+41.2

（注：其中Td为干球温度，Tw为湿球温度，RH是相对湿度，Td是露点（即空气中水汽含量不变，且气压一定时，因气温下降，使空气达到饱和，这时的温度称为＂露点＂）

由于THI的计算综合了湿度、高温环境（湿球温度在高温时对热应激影响较大）、低温环境（干球温度在低温时对热应激影响较大），是一个更加准确的热应激判定指标，在热应激中有广泛的应用。

三、热应激对奶牛泌乳性能及主要营养物质代谢的影响

（一）热应激对产奶量的影响

热应激对奶牛泌乳的直接影响就是奶牛产奶量的下降。许多经典研究都表明，奶牛的产奶量与温度、THI呈明显的负相关，而这种关系与采食量的下降有密切的关系。Drackl等y研究发现，当奶牛处于30℃环境时，其第1周产奶量下降10％左右，随着时间延长，产奶量最高下降20％，若处于35℃以上的高温环境下超过5周，其奶产量将下降33％。

产奶量是奶牛泌乳性能最基本的指标，其高低直接影响奶牛养殖场的经济效益。不同地区的高热环境均会降低奶牛产奶量，但由于热应激程度、持续时间、奶牛品种、饲养条件等不同，产奶量降低的程度也不同。当30＜THI＜60时，德国荷斯坦奶牛处于正常状态，奶产量随THI的升高而升高；当THI＞60时，奶牛受到轻度热应激，奶产量下降，并随THI的升高而逐渐降低。短期中度热应激下，加拿大和美国北部地区奶牛日均奶产量下降4.8%，并对恢复阶段存在长期的负面影响。当THI＞83时，巴西南部荷斯坦奶牛受到强烈热应激，与对照组相比日均奶产量降低21%。国内研究中，李朝明等试验表明热应激条件下荷斯坦、娟珊和娟荷杂交奶牛产奶量均下降，其中娟荷杂交奶牛产奶量优于其他组，表现出较好的耐热性能。可见不同地区或品种的奶牛对热应激应答程度不同。根据我国区域气候条件，选育适应高温环境的奶牛品种并深入研究南方地区奶牛热应激阈值显得尤为必要。

（二）热应激影响奶牛泌乳性能的机制

1、热应激影响奶牛能量代谢

机体在生命活动过程中，始终保持能量的动态平衡。奶牛受到热应激时表现为干物质采食量减少以最大限度减少热总负荷，并加快激活散热机制（出汗、血液流向皮肤）引起连锁生理调节使维持能量增加，用于生产泌乳的能量减少。下丘脑是动物体温和摄食调节中枢，热信号经下丘脑整合后通过神经和内分泌系统影响采食行为，其可通过合成载脂蛋白A-IV抑制食物摄取。啮齿动物研究表明，热应激使小鼠体内载脂蛋白A-IV表达上调，这可能是动物采食量下降的原因之一。并且，奶牛在热应激状态下血液葡萄糖含量显著上升，刺激胰岛素分泌增加，与免疫应答和糖异生相关的氨基酸含量升高，并利用非酯化脂肪酸作为供能物质和乳合成的前体物质，提示机体受热应激胁迫需要更多的氨基酸参与免疫反应和糖异生竞争，最终导致机体处于能量负平衡状态。热应激直接影响奶牛脂质分解和能量代谢。HE等运用代谢组学检测热应激奶牛乳样中代谢物变化，发现牛奶和血浆中存在乳酸盐、丙酮酸盐、肌酸等十几种差异代谢物，表明奶牛受到热应激后代谢紊乱，使机体处于能量负平衡状态，血乳屏障特异性功能下降。研究表明急性热应激通过激素敏感性脂肪酶和脂滴包被蛋白的蛋白激酶A磷酸化增加细胞对脂肪分解信号的应答。泌乳早期奶牛对热应激的代谢适应包括增加肌肉过氧化物酶体系中的长链脂肪酸降解，允许肌肉葡萄糖利用以及减少肝脏供能，保证产奶能量供应。试验还表明，热应激奶牛血清中脂联素和AMPK活性增加。腺苷酸活化蛋白激酶是细胞重要的能量感受器，调节细胞内代谢平衡。负能量刺激下AMPK使raptor蛋白Ser722/792位点磷酸化受到抑制，导致哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1活性降低，进而造成细胞基因转录及生物合成代谢紊乱，最终影响奶牛乳腺泌乳性能。研究发现，热应激期间奶牛干物质采食量的下降仅能解释产奶量下降的35%—50%，证明还有其他因素对奶牛泌乳性能产生重要影响。

2、热应激影响奶牛内分泌系统

乳腺是乳汁合成的场所，在多种神经内分泌激素和生长因子控制下发育、分化，合成并分泌乳汁。热应激条件下奶牛合成代谢相关的激素水平改变，并影响相应信号转导通路和泌乳相关基因表达，最终影响其泌乳性能。

（1）下丘脑-垂体-肾上腺轴

下丘脑-垂体-肾上腺轴在奶牛受到热应激时发挥重要作用。高热环境刺激动物下丘脑分泌促肾上腺皮质激素释放因子（CRF），进而刺激垂体分泌促肾上腺皮质激素（ACTH），促进肾上腺糖皮质激素（主要是皮质醇）合成。皮质醇是反刍动物主要应激激素，其分泌增加可有效帮助机体抵御热应激，是导致血液葡萄糖增加的主要因素。此外，肾上腺髓质分泌肾上腺素（AMH）和去甲肾上腺素（INN）作用于中枢神经系统，引起奶牛兴奋性增强、呼吸加快、血压升高等全身适应性反应，进而使奶牛以牺牲产奶量为代价保证机体内环境稳定。

（2）下丘脑-垂体-甲状腺轴甲状腺

受热应激影响主要表现为甲状腺功能降低以减少机体产热，甲状腺激素（TH）合成减少。TH介导的细胞信号转导在调节体温、能量摄入和代谢适应方面具有关键作用。最新研究发现，热应激状态下产后奶牛肝脏组织的TH依赖性基因（甲状腺激素受体α、碘甲状腺素脱碘酶1、共激活因子PPARGC1）表达降低，蛋白质组学数据显示肝脏氨基酸的分解代谢减少，转而用于β-氧化和糖异生。

（3）下丘脑-垂体-性腺轴

热应激同样可以影响下丘脑-垂体-性腺轴，调节促性腺激素释放激素（GnRH）和促性腺激素（Gn）的合成分泌，进而使促黄体激素（LH）、雌二醇（E2）、孕激素（P4）浓度减少，通过影响乳腺腺泡和导管系统的形成降低泌乳性能。P4通过与膜结合型孕激素受体结合，调节促分裂素原活化蛋白激酶和蛋白激酶B通路调控泌乳。催乳素（PRL）与催乳素受体结合并激活酪氨酸激酶2，催化信号转导和转录活化蛋白5磷酸化，活化的STAT5以二聚体的形式进入细胞核调控乳蛋白基因表达。

（4）下丘脑-垂体-生长轴

热应激也会影响下丘脑-垂体-生长轴。RHOADS等研究发现热应激期间奶牛机体减少了胰岛素样生长因子-1（IGF-1）的产生，同时减弱乳腺内对生长激素（GH）敏感的生物能量代谢过程。但热应激对IGF-1的影响仍存在争议，李林等研究显示热应激奶牛血液中GH、IGF-1含量显著上升，激活肝脏糖异生作用。GH可刺激IGF-1活化诱导的胰岛素受体底物I，经自磷酸化修饰后生成胰岛素受体蛋白停泊位点，通过磷脂酰肌醇3-激酶-Akt-哺乳动物雷帕霉素靶点信号通路，从转录、翻译水平调控奶牛泌乳过程。

乳腺内分泌调控奶牛泌乳的详细机理尚不清楚。进一步研究热应激对奶牛内分泌的影响，可结合组学方法深入分析下丘脑-垂体-乳腺轴的激素及相关基因表达变化，揭示热应激影响内分泌进而调控泌乳的分子生物学机制。

3、热应激诱导产生氧化应激

机体氧化物质的存在量超过其抗氧化能力，便会产生氧化应激。奶牛机体内的氧化物和抗氧化酶水平可作为衡量氧化应激程度的标志物。试验证明，高温环境下奶牛血浆中硫代巴比妥酸反应产物（TBARS）浓度升高，细胞内活性氧（ROS）水平、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化氢酶活性等指标显著增加，提示热应激可诱导产生氧化应激，并触发抗氧化酶防御系统。

热应激通过影响机体内ROS水平，进而产生氧化应激。其主要过程是动物体温上升影响机体内代谢酶活性，加速细胞和组织中的代谢反应以增加ROS产生。过多的自由基攻击生物大分子反应性Cys残基使靶蛋白失活，并造成脂质过氧化，最终引起蛋白质和DNA损伤。急性热应激可损伤线粒体膜电位，导致细胞线粒体功能障碍。通过β-氧化或三羧酸循环等方式氧化线粒体底物，解偶联蛋白水平下调而电子传递链活性增加，使超氧化物生成增加，随后被SOD分解产生过氧化氢。另一方面，热应激通过增加铁蛋白释放铁的速率导致过多的过渡金属离子生成，TMI可促进超氧阴离子或过氧化氢生成。过氧化氢以其恒定产生和相对稳定的特性作为细胞信号转导的常见ROS信使，主要通过上调Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1-核因子2相关因子2）-抗氧化反应元件信号通路，进而激活细胞内防御信号通路。同时，奶牛脂肪组织蛋白组学结果亦证明热应激可通过Nrf2介导的氧化应激、核受体FXR/RXR和LXR/RXR等应激相关途径影响组织蛋白组，并对奶牛的代谢应激有叠加作用。氧化应激可造成细胞功能障碍并发生病理变化，乳腺组织损伤对奶牛的泌乳性能造成严重影响。根据热应激诱导产生氧化应激机制，温热环境下可通过营养调控的方法增加机体抗氧化水平以减少血浆脂质过氧化，从而改善其应激状况。例如葛根素可通过抑制ROS产生和上调热休克蛋白72的表达，明显改善细胞由热应激引起的氧化应激损伤。

4、热应激促使乳腺上皮细胞凋亡并诱导自噬

细胞凋亡是经一系列物理、化学或环境刺激，在分子层面进行调节而导致细胞自我破坏的过程。高温可使奶牛乳腺上皮细胞超微结构发生变化，表现为常染色体聚积边缘化、片段DNA被细胞膜包裹形成凋亡小体、线粒体肿胀破裂等，说明热应激诱导的细胞凋亡与线粒体凋亡途径有直接关联。利用SW480细胞研究发现，热应激可激活细胞中溶酶体-线粒体凋亡途径，增加细胞内活性氧物质并使溶酶体膜通透性改变，组织蛋白酶B释放到细胞质中，线粒体去极化并使细胞色素C释放到胞质溶胶，从而引起细胞凋亡。奶牛乳腺上皮细胞试验表明，高温可引起细胞凋亡相关基因Caspase-3、Bax、Bcl-2、蛋白酶激活因子Apaf-1表达显著上升。Caspase-3在线粒体凋亡途径中起重要作用，由细胞色素C与Caspase-9以及Apaf-1组成的凋亡复合体激活。此外，肿瘤坏死因子受体（TNFR）、Caspase-8、p53抗癌基因细胞凋亡信号因子上调，表明热应激可通过外源性凋亡途径诱导细胞凋亡，干扰正常生物活性。p53信号通路在热应激诱导的细胞凋亡中起关键作用，其涉及线粒体电子传递链、糖酵解、细胞衰老死亡等多种生物途径。

正常情况下，自噬是保持细胞稳态的关键机制。在哺乳动物细胞中，自噬可通过溶酶体降解损伤的蛋白质和细胞器，并利用所得的氨基酸、脂肪酸和糖类，满足细胞的能量需求。而在病理条件下，细胞饥饿、缺氧、氧化损伤和高热都会诱发细胞自噬，过度的自噬会导致细胞损伤。在奶牛研究中，热应激诱导干奶期奶牛乳腺细胞发生自噬，干扰了细胞最佳增殖期的乳腺再生，引起泌乳性能降低。最新研究表明，雌二醇和孕激素可与自噬基因beclin1形成复合物，调节Bcl-2磷酸化，诱导牛乳腺上皮细胞发生自噬，提示热应激造成的奶牛激素紊乱可能促使乳腺细胞发生自噬。mTOR信号通路的激活可有效抑制牛乳腺上皮细胞产生自噬，是控制自噬的中心环节。自噬发生时，转化生长因子β1（TGFβ1）可通过Smad蛋白介导信号转导降低mTOR上游信号Akt浓度，从而缓解mTOR对自噬的抑制作用。奶牛的泌乳功能与乳腺细胞数量密切相关，热应激时乳腺细胞发生程序性死亡（凋亡、自噬）而造成泌乳能力下降。此外，细胞焦亡是一种新的程序性死亡方式，其依赖于caspase-1并伴有大量促炎因子释放。有研究表明热应激通过ROS依赖性高迁移率族蛋白1（high-mobilitygroupbox1，HMGB1）的释放而诱导大鼠肝脏炎症小体激活，促使细胞焦亡。热应激奶牛血浆蛋白质组检测显示，转甲状腺素蛋白减少而血浆肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）增加，证明热应激可诱导奶牛机体产生炎症反应，但其是否涉及乳腺细胞焦亡还需进一步研究。

四、热应激对奶牛如品质的影响

（一）热应激对乳品质的影响

乳蛋白率、乳脂率、乳糖率和非脂固体含量等是奶牛乳品质的重要指标。乳蛋白和乳脂肪是构成牛奶的重要营养物质，是市场竞争的核心因素。许多研究表明发生热应激时，各泌乳阶段奶牛的乳蛋白率、乳脂率、非脂固体含量均有下降趋势，且在泌乳前期降低幅度最大，但对牛奶中乳糖率没有显著影响。热应激对乳蛋白的影响主要表现为乳腺上皮细胞酪蛋白等主要乳蛋白基因表达下调，乳中总酪蛋白减少而尿素浓度增加，导致营养价值降低。最新研究表明，热应激奶牛乳中短链和中链脂肪酸含量，磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰胆碱和葡萄糖神经酰胺等5种极性脂质显著降低。极性脂质是构成脂肪球膜的主要成分，起到乳化剂的作用，可确保乳液体系的稳定性。此外，体细胞数是衡量原料乳质量的一个重要指标，热应激条件下奶牛乳中体细胞数显著增加，严重影响乳品质。但由于奶牛乳腺泌乳代谢受诸多因素调控，其泌乳参数不尽相同，大大增加了研究难度。只有深入了解热应激对奶牛泌乳性能的影响机制，才能合理调控泌乳进而达到改善乳品质的目的。

乳蛋白是乳中总蛋白质的总称，乳蛋白含量高达3％～4％，主要分成酪蛋白、乳清蛋白2类。它们除能供给机体营养，还具有预防病菌侵袭、抗高血压、抗血栓形成、免疫调节、传递遗传信息等功能，是构成牛奶重要营养品质的主要物质基础，也是奶业核心竞争力的标志。先前的研究已经对奶牛热应激和乳蛋白的功能有了深刻的认识，但很少有研究将两者联系起来。因此，本文从热应激导致牛奶中乳蛋白含量与功能变化层面，综述了近些年来热应激对牛奶乳蛋白、酪蛋白和乳清蛋白组分影响的研究进展，探讨了热应激诱导的“热应激乳蛋白降低征”的发生机理，以期为缓解奶牛热应激和提高牛奶品质提供参考。

（二）热应激对乳蛋白含量和组分的影响

概述了热应激对牛奶中各乳蛋白组分潜在的生物功能和含量的影响。热应激条件下，牛奶中酪蛋白、乳清蛋白等乳蛋白组分会发生变化，导致酪蛋白、β－乳球蛋白和免疫球蛋白含量降低，而α－乳白蛋白、乳铁蛋白含量和溶菌酶活性升高，这些乳蛋白组分的变化不但会导致奶牛机体免疫调节受阻，而且会影响乳蛋白抗炎、抗菌和抗氧化等生物功能的发挥，从而影响牛奶营养品质，制约奶业的发展。

1、热应激对牛奶中乳蛋白含量的影响

关于热应激对牛奶中乳蛋白含量的影响，国际上的学者进行了大量的研究。

根据Beede等人的观点，奶牛的乳蛋白合成随着温度的升高而逐渐减少。高温与乳脂百分比和乳脱脂固体含量呈负相关，相关系数分别为-0.23和-0.61。

RavAgnolo等人提出，当热应激发生时，每增加一单位THI，乳脂和乳蛋白的合成分别减少12克和9克。巴拉什(Barash)等报道，高温与黑白相间奶牛的乳蛋白合成呈负相关，当温度升高1℃时，鸡蛋的乳蛋白合成下降0.01公斤。我国许多学者对此也做了大量的研究。白雪等研究表明，当THI超过72时，牛奶品质下降，夏季牛奶脂肪百分比和牛奶蛋白质百分比较春、秋、冬季下降，但差异不显著。王建平等研究表明，高温可以降低牛奶中的乳脂、牛奶蛋白、乳糖和牛奶非脂肪固体的含量。当温度从18℃升至30℃时，产奶量下降15%，产奶净能量利用率下降35%，乳脂、乳非脂固体和乳蛋白含量分别下降39.7%、18.9%和16.9%。李征等研究表明，热应激显著降低奶牛的乳脂率和乳蛋白率，其中乳脂率在一年四季中的变化较大，以夏季最低。程建波等研究发现，中度热应激极显著降低奶牛的采食量、产奶量、乳脂校正乳产量、能量校正乳产量、乳脂率、乳蛋白含量、乳总固体含量，并显著增加了乳中尿素氮含量。热应激会导致牛奶中的乳脂率、乳蛋白率和乳非脂固形物含量下降。乳脂和乳蛋白的合成对热应激变化较为敏感，奶牛在热应激状态中首先会降低牛奶中乳蛋白的合成量，与之相伴随的是乳中尿素氮含量的显著升高，使奶牛氮代谢途径发生改变，发生“热应激乳蛋白降低征”。

2、热应激对牛奶中酪蛋白的影响

酪蛋白占乳蛋白的80%以上，主要包括α-酪蛋白、β-酪蛋白、γ-酪蛋白和κ-酪蛋白。在牛奶中，α-S-酪蛋白是酪蛋白的主要成分，占酪蛋白的45%~55%。其成分是αS1酪蛋白和αS2酪蛋白。β-酪蛋白是仅次于α-S-酪蛋白的重要成分，α-S-酪蛋白相当于α-S1-酪蛋白，分别占酪蛋白的35%和38%。γ-酪蛋白是β-酪蛋白的水解片段。根据片段的初始氨基酸残基，γ1-酪蛋白、γ2-酪蛋白和γ3-酪蛋白分为三种形式。κ-酪蛋白通过分子间二硫键聚合在一起，形成混合物，分布在酪蛋白胶束中，起到稳定胶束的作用。Chatterton等人研究表明酪蛋白具有重要的抗炎作用，对幼小动物的肠道健康具有重要意义。热应力会影响牛奶中酪蛋白成分的变化。Moore等人发现热应激奶牛的乳蛋白和酪蛋白含量在分娩前60天下降。Bernabuci等人分别测定了春季和夏季牛奶中α-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白的含量。发现夏季牛奶中酪蛋白总量比春季下降了5.5%。夏季牛奶中α-酪蛋白和β-酪蛋白含量变化非常显著，而κ-酪蛋白含量不受季节影响。

Cowley等人测量了牛奶中的蛋白质、酪蛋白含量和尿素氮浓度。试验发现，热应激降低了牛奶中的蛋白质和酪蛋白含量，提高了牛奶中的尿素氮浓度。为了进一步研究热应激降低乳蛋白含量过程中酪蛋白成分的变化，实验进一步测定了酪蛋白中的一些成分指标。结果表明，热应激导致酪蛋白总量和αS1酪蛋白含量增加，而αS2酪蛋白含量下降，表明酪蛋白含量下降主要是由αS2酪蛋白含量下降引起的。Bernabuci等人用SDSPAGE检测了冬、春、夏季泌乳天数相同的25头奶牛乳汁中酪蛋白成分的含量。发现夏季牛奶中αS-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白含量下降，夏季牛奶中γ-酪蛋白含量比冬季高50%，比春季高59%。除γ-酪蛋白外，其他酪蛋白含量在夏季下降。由此推断，酪蛋白总量的减少可能是由于α-酪蛋白和β-酪蛋白的减少造成的。虽然热应激增加了牛奶中α-S1酪蛋白的含量，但在热应激下α-酪蛋白的含量显著降低。热应激会导致α-酪蛋白和β-酪蛋白含量降低，进而导致总酪蛋白含量降低和“热应激乳蛋白减少综合征”。酪蛋白目前是各种生物活性肽的主要来源，也是氨基酸、钙和磷的来源。它具有高消化率，并能在胃中形成凝乳以促进消化。但是，在热应激条件下，由于“热应激乳蛋白减少迹象”，酪蛋白含量降低，抗炎作用不明显，这可能会影响乳的质量。

3、热应激对牛奶中乳清蛋白的影响

乳清蛋白是一种仍分散在酸碱度为4.6的乳清中的蛋白质。除了占最大比例的酪蛋白成分外，牛奶还含有一定量的乳清蛋白，占牛奶蛋白的18%~25%，包括α-乳清蛋白(αla)、β-乳球蛋白(β乳球蛋白、βLG)、免疫球蛋白(ig)、乳铁蛋白(lf)、溶菌酶(lzm)等生物活性蛋白。α-乳酸在乳腺乳糖生物合成中起辅酶作用，控制乳腺乳糖含量，是乳糖生物合成和分泌的关键蛋白。研究发现牛奶中的αla能抑制环氧化酶-2活性，从而发挥抗炎作用。βLG是一种脂质转运体，可与脂肪酸、维生素、多酚等生物活性物质结合，有助于吸收维生素A和维甲酸。Ig(包括IgG、IgA和IgM)是牛奶和血浆中的天然抗体成分。除了维持和促进身体的免疫功能外，免疫球蛋白还具有降低血浆胆固醇含量从而降低血压的功能。

LF具有抗菌、抗氧化、抗癌、抗炎、调节细胞生长和免疫调节等多种功能。LZM对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都有抑制作用。通过与LF的协同作用，LZM导致革兰氏阴性菌外膜的破坏。Conesa等人]测定了西班牙不同地区牛奶中的IgG含量，发现同一地区牛奶中的IgG含量在不同季节有所不同，夏季牛奶中的IgG含量低于春季。

LavalHaguenau等人发现，当THI超过72时，牛奶中IgA和IgG的比例下降。布罗兹亚克等人报告称，春季和夏季产奶量中的低频含量明显高于秋季和冬季，自由放牧条件下产奶量中的低频含量明显高于限制饲养条件下产奶量。此外，布罗兹亚克等人分别测定了春季、夏季和秋季以及冬季牛奶中的LZM活性，发现春季和夏季牛奶产犊中的LZM活性显著高于秋季和冬季牛奶产犊中的活性。杨金辉等研究了不同奶牛场牛奶中IgA、IgM和LF含量的季节变化。发现IgA含量不受季节变化的显著影响。然而，在6个不同奶牛场的春季和夏季，5个奶牛场的牛奶中IgM含量和3个奶牛场的牛奶中LF含量在春季和夏季差异显著。这些结果表明，牛奶中IgG、IgA、IgM和LF含量的变化可能受到温度和地域等多种因素的影响。Bernabuci等人[13]分别在春季和夏季测定了牛奶中αla和βig的含量，发现夏季和春季牛奶中αla和βig的含量差异不显著，且均不受季节的显著影响。然而，通过后期的进一步研究，伯纳布奇等人发现牛奶中αla含量夏季最高，冬季最低。然而，夏季牛奶中βIg含量低于冬季，说明不同季节对αLa和βIg含量的影响不同。热应激会影响牛奶中乳清蛋白成分的变化，增加α镧的含量。当奶牛处于热应激时，乳清蛋白中的IgG、IgM和IgA含量降低，损害了Ig抑制细菌代谢、细菌聚集和增强吞噬活性的功能。热胁迫下牛奶中LZM活性和LF含量的增加可能是由于热胁迫引起的牛奶中体细胞数的增加，LZM的活性将随着体细胞数的增加而增加，LZM可以作为杀菌剂与LF合作。

热应激会导致牛奶中乳成分的变化，降低乳蛋白含量，对各种功能蛋白造成损害，从而降低牛奶营养品质。虽然热应激对牛奶中乳蛋白的各组分都有不同程度的影响，但由于其作用机制的复杂性，以及试验条件、试验温度和持续时间的差异，目前为止以上很多方面的研究尚未达成一致观点，需要进一步的改进和提升研究技术，研究热应激条件下乳蛋白含量下降的原因，为采取相关措施缓解奶牛热应激提供理论依据，达到增加乳蛋白产量、改善牛奶品质的目的。

五、高温天气对奶牛泌乳性能及牛乳品质的影响实验

近年来，随着气候变暖，热应激愈发严重。尤其是在高温高湿的中国南方，热应激成为关键环境因素，严重制约着奶业的发展。本实验通过分析研究武汉地区夏季6月至8月高温高湿气候条件下，奶牛乳产量和郭品质的变化，结合奶牛血液中相关生化指标和相关激素的变化，系统研究了夏季高温环境下泌乳奶牛机体的代谢变化及对奶牛泌乳和郭品质的影响，为改善应激时奶牛的生产性能及合理饲养提供理论依据

（一）材料和方法

1、试剂与仪器

SN-695型智能放免ｙ测量仪让海原子核研究所日环仪器一厂）；RT－6000型酶标分析仪。Ｆｏｓｓ郭成分分析仪；室温检测仪；自动挤奶机；集郭器（余姚市宇海塑料制品有限公司）等。生长激素放射免疫分析试剂盒购自北京北方生物技术研究所；皮质醇，膜岛素，膜高血糖素和IGF-IELISA检测试剂盒均购自中国朗顿生物科技有限公司）。

2、实验动物与处理

6头健康，体质量（490 7）kg、分娩日期相近的泌郭早期荷斯坦奶牛，饲养于武汉某畜牧兽医实验站。采用Comell-Perm-MinerSystem（NRC2001）设计基础日粮，饲料配方见表5-1，具体营养成分见表5-2。

表5-1 饲料配方

玉米青贮（kg）苜蓿干草精料（kg）

60% 17% 23%

表5-1 日料营养成分

玉米青贮 30.00%

苜蓿 30.00%

玉米 24.30%

豆粕 13.5%

磷酸氢钙 0.8%

石粉 0%

食盐 0.35%

预混料 1.00%

营养指标

净能量 6.36

粗蛋白 16.99

粗脂肪 3.93

中性洗涤纤维 36.54

酸性洗涤纤维 22.51

非纤维性碳水化合物 33.76

钙 0.88

磷 0.43

饲喂从2018年7月27日一2018年8月31日，为中国武汉夏季暑热期，实验期维持35天。6头奶牛均饲养于开放式牛舍中，实验期间自由饮水，每天分别于4：00、12：00和18：00喂给饲料并于米食完成后挤奶。统计产奶量。

3、气温测定

实验期间每8气温纪录采用室温检测仪，于上午10:00和下午6:002次测定，2次气温平均值记为每天日间气温。实验期间日间气温介于26~38C之间。

4、产奶量和乳成分测定

产奶量测定:每天于奶牛进食后进行挤奶，挤奶采用自动挤奶机，集乳器收集后称质量，早、中、晚3次总和为每日产奶量。计算每周中每天的平均产奶量。

乳成分测定:实验中每周周五采集全天乳样，按4:3:3的体积比将早、中、晚奶样混合后加入200μ饱和重铬酸钾作为全天乳样，送至武汉乳业乳品检测中心检测。采用Foss乳成分分析仪检测各种乳成分含量。检测指标包括乳蛋白、乳脂肪、乳糖、乳中总固体物质、脱乳干物质、乳中尿素氮和乳中体细胞数。

5、数据统计与分析

所得数据先用Microsoft Excel2010做初步处理,然后用SPSS16.0 (SPSS, Chicago,IL, USA)软件进行单因素方差分析。数据结果以平均数t标准误表示( x士SEM)，组间差异用t检验，判断有无显著性差异。

（二）结果与分析

1、气温变化

结果见表5-3。由表5-3可知，实验预饲期，环境气温保持在26℃左右。从第1周开始，日间平均气温剧烈上升，总体保持在32℃以上，在总共35 d的实验期中,日间平均气温32℃以上持续时间达25d,占实验总天数的68.5%。整个实验期间最高温度为38℃，共计2d。

表5-3实验期间日间平均气温

日间平均气温（℃）

预实验期日期 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

温度 26 25.5 26 27 25 26 26

实验期日期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

温度 33 26 31 33 34 33 34 31 30 26

日期 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

温度 33 35 35 36 37 35 33 31 32 33

日期 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

温度 34 37 34 33 32 35 36 36 38 36

日期 31 32 33 34 35

温度 37 38 37 36 37

实验期记录日平均气温(从上午10:00到下午18:00) (℃)

根据THI公式和相关文献)，当环境温度高于32℃时，温湿指数最小值为72,奶牛即发生热应激。实验期间大部分时间(68.5%)日间气温均高于32℃,THI应激程度:TH>72，判定本实验设计中参试奶牛处于热应激状态。

2、乳产量和乳成分变化

（1）乳产量变化

结果见图5-2。由图5-2可以看出，乳产量随着实验期间气温上升总体呈下降趋势。在实验开始的前2周，奶产量迅速降低(由15.2 kg/d降至11.2 kg/d),而这一时间内温度由26℃上升至36 ℃。实验中随着热应激的发生发展，奶产量不断下降，最低为10 kg/d,仅为开始时的67%，下降了33%。最低产奶量出现在第四周，实验的最后一周产奶量稍稍高于第二周，但仍与预饲期、第一周有较大差距。

（2）乳成分的变化

乳产量和乳成分在实验期间的变化见表5-3.由表5-3对乳成分的分析发现:随着温度的上升，热应激的程度加深，奶牛不仅产奶量减少，而且生鲜乳的乳蛋白乳脂肪、乳糖含量均降低。

表5-3实验期间乳产量和乳成分变化(5周)

周次 0 1 2 3 4 5

乳产量(kg/d) 15.2 13.7 11.2 10.8 10 11.3

乳蛋白含量(%) 3.08 2.85 2.72 2.82 2.92 2.88

乳脂肪含量(%) 3.03 3.08 2.85 2.82 2.92 2.80

乳糖含量(%） 4.70 4.70 4.50 4.52 4.55 4.53

乳脂肪产量(kg/d) 0.46 0.42 0.32 0.30 0.28 0.29

乳糖产量(kg/d) 0.71 0.64 0.50 0.51 0.46 0.48

乳蛋白产量(kg/d) 0.47 0.39 0.30 0.31 0.29 0.30

如图5-3乳蛋白结果显示，乳蛋白含量在前2周降低(由3.08%降至2.82%)，在后3周升高(2.80%升至2.92)。但对乳蛋白的实际产量进行检测，发现其总体趋势为前2周降低(0.47kg/d降至0.39kg/d),后3周在较低水品保持稳定(0.29kg/d-0.31kg/d),与奶产量的变化相符。

图5-3实验期间乳蛋白变化（5周）

乳脂肪变化见图5-4。乳脂肪含量在第1周有一定的升高(3.03%-3.08%),之后的第2周发生降低（3.08%-2.85%），后3周有一定的波动（2.85%-2.92%-2.88%）。乳脂肪的实际产量与现蛋白的产量变化总体趋势类似，热应激期间乳脂肪产量下降。

图5-4实验期间乳脂肪变化（5周）

乳糖含量的变化见图5-5：乳糖在第1周保持在4.7%，其后2周出现小幅度上升，在最后一周乳糖含量大幅度上升，并超过实验开始时（4.70%）。乳糖产量变化与乳产量变化一致，最低值出现在第4周（0.46kg/d）。

图5-5实验期间乳糖变化（5周）

由奶产量和乳成分的变化趋势可以看出，随环境温度的变化，气温升高，奶牛的生产性能（乳产量）下降，各种乳成分产量也随之下降，乳品质降低。

结语

热应激一直是奶牛养殖业面对的重大难题。目前，国内外针对奶牛热应激问题已有诸多报道，但多集中于饲喂功能性饲料添加剂对热应激的缓解作用。今后，生产实践中可通过建立奶牛热应激模型，明确热应激对奶牛整体的影响；基础研究可通过奶牛乳腺上皮细胞热应激模型结合高通量数据分析技术，系统研究热应激的发生机制。缓解热应激对奶牛泌乳性能的提升具有长远影响，可为奶牛养殖业创造巨大的经济效益。因此，充分研究热应激对奶牛泌乳的影响机制并积极寻求缓解方法，具有重要的理论和实践意义。

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