Das Verfahren betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Milch mit
hohem Melatoningehalt und daraus erhältliche Milcherzeugnisse.
Das Hauptsekretionsprodukt der Epiphyse oder Zirbeldrüse ist
das 1958 von Lerner gefundene Indolamin Melatonin, das über Serotonin aus der
Aminosäure Tryptophan entsteht. In den Folgejahren wurden die Wirkungen von
Melatonin untersucht. Durch orale Verabreichung von Melatonin konnten positive Wirkungen
erzielt werden, so dass viele Verwendungsmöglichkeiten in der Humanmedizin
und im Bereich der Nahrungsergänzung entwickelt worden sind. Allerdings muss
hierzu synthetisches Melatonin aus pharmazeutischer Herkunft verwendet werden, da
Melatonin aus bislang natürlichen Quellen nicht in ausreichendem Maße
verfügbar war.
Melatonin ist ein hydrophiles Aminosäurenderivat. Es wirkt im
Körper als Hormon und Antioxidans. Zahlreiche neurobiologische Funktionen wurden
inzwischen beim Menschen festgestellt, wie z.B. als "Anti-Aging-Mittel", Radikalfänger,
Regulator der circadianen Uhr und endogenen Induktion von Schlaf, sowie ein Einfluss
auf die Reproduktion, das Immunsystem, die Körpertemperatur und die Hirnaktivität.
Das Hormon Melatonin wird beim Menschen wie auch bei den Säugetieren von der
Zirbeldrüse ausgeschüttet. Bei der Synthese wird die Aminosäure Tryptophan
decarboxyliert und hydroxyliert. Aus dem so entstandenen Serotonin wird durch N-Acetylierung
und Methylierung Melatonin (= N-Acetyl-5-methoxyltryptamin).
Die Verwendung von mit Melatonin angereicherter Milch oder Milcherzeugnissen
daraus gegen den zunehmend absinkenden Melatoninspiegel im Alter wäre z.B.
vom wissenschaftlichen Standpunkt aus ein logisches Konzept. Der Melatonintagesspiegel
im Blut liegt bei etwa 20 bis 70 pg/ml bei jungen Menschen (20–30 Jahre).
Er steigt nachts auf ca. 125 pg/ml an. Dieser Konzentrationsbereich wäre der
nach Konsum von Milch oder Milchpulver zu erreichende. Bei oraler Aufnahme unterliegt
Melatonin jedoch einem relativ hohen First-pass Mechanismus, d.h. etwa 30% werden
von der Leber direkt verstoffwechselt und ausgeschieden und treten daher nicht als
wirksamer Spiegel im Blut auf. Es müsste also eine um 30% höhere Menge
oral zugeführt werden, um die gewünschte Zielkonzentration zu erreichen.
Melatonin aus natürlichen Quellen steht bis heute nur begrenzt
zur Verfügung. Bisher wurden geringste Konzentrationen in wenigen Pflanzenarten
gefunden. Es gibt jedoch keine Verfahren zur systematischen Gewinnung und kein natürliches
Depot zur Aufbewahrung von melatoninreichen Lebensmitteln. Untersuchungen und Forschungen
über die medizinische Wirksamkeit und biologische Verfügbarkeit von natürlich
hergestelltem Melatonin wurden bisher nicht veröffentlicht. Inwieweit natürlich
gewonnenes sich von dem pharmazeutisch produzierten Melatonin hinsichtlich seiner
biologischen Wirkung und Verfügbarkeit unterscheidet, ist bisher nicht hinreichend
untersucht worden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher in der Bereitstellung
eines Verfahrens zur Herstellung von Milch mit erhöhtem Melatoningehalt, das
den Tieren und auch dem Bedienungspersonal bei Nacht eine ausreichende Orientierung
ermöglicht und auch für eine erhöhte Anzahl von Tieren geeignet ist.
Diese Aufgaben konnten überraschenderweise durch ein Verfahren
zur Herstellung von Milch mit erhöhtem Melatoningehalt oder Milcherzeugnissen
davon gelöst werden, bei dem der Tagesrhythmus von einem oder mehreren weiblichen
Säugetieren in eine Tagphase unter einem ersten Lichtregime mit Blaulichtanteil
und in eine Nachtphase unter einem zweiten Lichtregime unterteilt wird und das oder
die Tiere während der Nachtphase mindestens einmal gemolken werden, um Milch
mit erhöhtem Melatoningehalt zu erhalten, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
während der Nachtphase mindestens eine Lichtquelle für das Lichtregime
eingesetzt wird, die Licht im Wellenlängenbereich von 500 nm oder mehr und
im wesentlichen kein Licht im Wellenlängenbereich unter 500 nm emittiert. Die
Lichtquelle emittiert insbesondere Licht der Farbe gelb, orange, amber oder rot
oder einer Mischfarbe davon, wobei rotes Licht besonders bevorzugt ist.
Mit der hier vorgestellten Erfindung wird ein Verfahren beschrieben,
bei dem unter Einsatz von zweckmäßigen Lichtregimen der circadiane Rhythmus
und die Melatoninsuppression der Tiere so beeinflusst werden, dass eine Milch mit
erhöhtem Melatoningehalt erhalten wird. Dabei werden die Tiere in der Nachtphase
trotzdem unter einem Lichtregime gehalten, das eine ausreichende Orientierung gewährleistet.
Damit kann das Verfahren auch bei einer größeren Anzahl von Tieren eingesetzt
werden.
1 zeigt eine gemittelte circadiane Wirkungskurve in
Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts. 2
vergleicht die Wellenlängenabhängigkeit der photopischen, skotopischen
und circadianen Wirkung. Photopisch bezieht sich auf das Sehen bei normaler Helligkeit.
Skotopisch bezieht sich auf das Sehen in der Dämmerung oder im Dunkeln.
3 zeigt die Spektralverteilung einer roten LED.
Für die Erzeugung von mit Melatonin hochangereichertem Milcheiweiß
eignen sich alle laktierenden Tiere, insbesondere weibliche Tiere ausgewählt
aus den Säugetierrassen Schafe, Kühe und Ziegen. Diese drei Tierarten
bieten durch ihre physiologischen Voraussetzungen ein ideales wirtschaftliches Verhältnis
von Körpergewicht zu Milchertrag. Sie verfügen über ähnliche
circardiane Rhythmen und Systeme und natürliche Milchdepots
(Euter). Außerdem verfügen sie über weltweit verbreitete Populationen
und sind gut verfügbar.
Es werden ein oder mehrere Tiere unter dem erfindungsgemäßen
Tagesrhythmus gehalten, bevorzugt mindestens 10, bevorzugter mindestens 50 oder
100 oder sogar mehr als 200 Tiere. Bevorzugt wird eine laktierende Tiergruppe dem
Rhythmus nach der Erfindung unterworfen. Die Haltung der ganzen Gruppe unter dem
erfindungsgemäßen Tagesrhythmus ist vorteilhaft, da dadurch kein spezieller
Eingriff erforderlich ist, die Tiere keine ungewohnte Änderung erfahren und
eine bei Absonderung erforderliche unterschiedliche Haltung der Tiere vermieden
werden kann.
Wenn nicht anders angegeben, wird hier unter Licht die in das Auge
eintreffende optische Strahlung, die eine Sehempfindung hervorruft, verstanden,
d.h. Strahlung im Wellenlängenbereich von 380 bis 780 nm. Die Beleuchtungsstärke
wird allgemein als Lichtmenge definiert, die auf eine Fläche fällt, und
nicht die Quantität des Lichts, die auf die Netzhaut auftrifft. Letzteres ist
jedoch für die circadiane Wirkung des Lichts entscheidend. Nicht die Lichtstärke
einer Lichtquelle in Lux, sondern die Farbe des Lichts und die Wellenlänge
der Lichtfarben sind für die gewünschte Wirkung auf das zur Melatoninproduktion
wichtige circadiane System wichtig.
Als Lichtquellen werden hier dementsprechend nur solche angesehen,
die im Bereich des sichtbaren Lichts emittieren. Die Spektralverteilung des von
Lichtquellen erzeugten Lichts wird in Emissionsspektren deutlich, in denen die Intensität
in Abhängigkeit von der Wellenlänge wiedergegeben wird. Häufig wird
die relative Intensität angegeben, wobei der höchste Wert im untersuchten
Spektrum zu 100% gesetzt wird.
Die Menge des Lichts, seine spektrale Zusammensetzung, räumliche
Verteilung sowie Zeitpunkt und Dauer, die für das Sehvermögen von Säugetieren
erforderlich sind, unterscheiden sich signifikant von Anforderungen, die sich aus
circadianen Funktionsweisen ergeben.
Die Erfindung beruht unter anderem auf der Abhängigkeit der Melatoninsuppression
von der spektralen Zusammensetzung der verwendeten Lichtquelle. Durch die Erfindung
kann eine optimal angepasste Beleuchtung mit künstlichem Licht für eine
maximale Melatoninausbeute erreicht werden. Hierfür wurden die Farbparameter
verschiedener Lichtquellen in Bezug auf ihre Wirksamkeit für die Melatoninsuppression
untersucht.
Licht ist der Primärerreger für die Steuerung der Melatoninbildung.
Der Einsatz von ausgewählten Lichtquellen zur zielgerichteten Wirkung auf circadiane
Funktionen ergibt eine durch unterschiedliche Lichtregime gesteuerte Unterdrückung
oder Stimulierung der Melatoninsekretion durch die Zirbeldrüse und demzufolge
eine erhöhte Melatoninkonzentration im Blutplasma. Der Melatoningehalt im Blutplasma
korreliert, etwas unterschiedlich und zeitversetzt, mit der Melatoninkonzentration
der Milch.
Es wird eine neue Art und Kombination von Lichtquellen und -farben
eingesetzt, da die Quantität der Lichtquelle, das Spektrum der Lichtfarben
und deren Wellenlänge, die räumliche Verteilung und der Zeitpunkt und
die Dauer der Lichteinwirkung für die circadiane Beeinflussung der Tiere völlig
anders sind als die, die für das gewöhnliche Sehen wichtig sind. Es wurde
festgestellt, dass es zur Beeinflussung des Melatoninspiegels im Blut von Säugetieren
gut und schlecht geeignetes Licht gibt. Die gefundenen Lichtsysteme sind geeignet,
sowohl photopische als auch circadiane Effekte von Licht zur Melatoninsuppression
präzise zu steuern.
Die Anpassung der physiologisch-psychologischen Prozesse des Körpers
an die zeitlichen Umweltbedingungen erfolgt durch die innere Uhr. Bei Ausschaltung
von Zeitgebern läuft die innere Uhr frei. So dauert z.B. bei völliger
Dunkelheit die freilaufende circadiane Periode des Menschen im Mittel 10 min bis
20 min länger als der 24-Stunden-Tag. Störungen der Synchronisation der
inneren Uhr und daraus resultierender fehlender Tagesrhythmik sind für die
Melatoninproduktion hochwirksam im negativen Sinne. Die Anpassung der circadianen
Tagesperiodik an den aktuellen Tages-Nachtrhythmus erfolgt durch das retinal absorbierte
Licht und den Mechanismus der Melatoninsuppression.
Nicht die Beleuchtungsstärke einer Lichtquelle gemessen in Lux,
sondern die spektrale Abhängigkeit ist für die Melatoninsuppression entscheidend.
Es stellte sich heraus, dass die spektrale Empfindlichkeit der circadianen Photorezeptoren
sich im Vergleich zur Hellempfindlichkeitskurve für das Tagessehen vor allem
vom kurzwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums beeinflussen lassen. Daraus resultiert,
dass z.B. Blauanteile des Lichtes bei der Steuerung des circadianen Systems wirksamer
sind als andere Spektralfarben.
Folglich ist unter dem Gesichtspunkt der höchstmöglichen
Effizienz der Melatoninproduktion die spektrale Empfindlichkeit,
d.h. die Abhängigkeit der Effizienz von der Wellenlänge, von großer
Bedeutung. Es ist dabei zwischen der photopischen bzw. scotopischen Wirkung und
der circadianen Wirkung, also der Wirkung auf die Melatoninproduktion, des Lichts
zu unterscheiden.
In 1 ist eine circadiane Wirkungskurve
in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts gezeigt. 2
zeigt Empfindlichkeitskurven für die photopische, scotopische und circadiane
Wirkung in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Photopische und circadiane Lichtausbeuten unterscheiden sich je nach
Art der gewählten Lichtquelle gravierend. Die Bemessung der Lichtausbeute in
Lux oder Lumen pro Watt ist deshalb nicht geeignet zur Beurteilung der Melatoninsuppression.
Die maximale Wirksamkeit der Melatoninsuppression erfolgt bei Licht in Wellenlängen
von ca. 450 bis 470 nm. Diese Wellenlängen sind im Spektralfarbenbereich des
Sonnenlichts enthalten und in der künstlichen Lichtfarbe „blau" vorhanden.
Die photopische und circadiane Wirkung verschiedener Lichtquellen ist in nachfolgender
Tabelle beispielhaft wiedergegeben.
Die photopische Lichtausbeute, bezogen auf eine Leuchtstofflampe mit
3000 K (Kelvin), beträgt bei einer LED in der Spektralfarbe rot 44, bei der
LED in der Farbe blau hingegen 11. Die circadiane Lichtausbeute, bezogen auf eine
Leuchtstofflampe mit 3000 K, beträgt bei der LED in der Farbe rot 2, bei einer
LED in der Farbe blau hingegen 681.
Für den Melatoningehalt ist nur relevant, dass farbige Lichtquellen
mit maximaler Lichtausbeute im kurzwelligen Bereich die circadiane Wirkung maximieren
und farbige Lichtquellen im langwelligen Bereich diese minimieren. Beispielsweise
haben eine blaue LED (Maximum ca. 460 nm) und eine rote LED (Maximum ca. 630 nm)
etwa die gleiche photopische Beleuchtungsstärke. Die circardiane Lichtausbeute
dieser beiden Farben unterscheidet sich aber ungefähr im Verhältnis 1200:1.
Das Verhältnis der relativen circadianen zu photopischen Lichtausbeuten
bezogen auf eine Leuchtstofflampe mit 3000 K, erreicht bei einer LED in der Farbe
rot die höchstmögliche Effizienz zur Förderung der Melatoninbildung.
Einen abgeschwächte, aber hinreichende Wirkung erreicht man mit einer LED in
den Farben amber, orange oder gelb bzw. Mischfarben dieser Spektren oder durch den
Einsatz einer Natriumdampflampe mit der Farbe gelb.
Die Tagphase ist eine durch gezielten Lichteinfluss gesteuerte Phase
der maximalen Melatoninsuppression, vorzugsweise tagsüber unter Ausnutzung
der natürlichen Tageshelligkeit, während die Nachtphase eine durch gezielten
Lichteinfluss gesteuerte Phase der maximalen Unterdrückung der Melatoninsuppression
ist, vorzugsweise nachts unter Ausnutzung der natürlichen Dunkelheit.
Demgemäß wird der Tagesrhythmus der Tiere in eine Tagphase
unter einem Lichtregime und eine Nachtphase unter einem anderen Lichtregime unterteilt.
Insbesondere handelt es sich bei dem Lichtregime der Tagphase um ein Lichtregime
mit Blaulichtanteil. In der Nachtphase weist das eingesetzte Licht im wesentlichen
keinen Blaulichtanteil auf.
Die erfindungsgemäß verwendete Lichtregime sind hinsichtlich
Intensität und zeitlichen Einsatz prinzipiell beliebig steuerbar. Die jeweiligen
Phasen können beliebig verkürzt, verlängert, nach vorne oder hinten
verschoben werden. Allerdings lassen sich circadiane Rhythmen nur sehr langsam umstellen,
da das circadiane System sehr träge reagiert. Daher kann es zweckmäßig
sein, den Tagesrhythmus langsam, z.B. in mehreren Stufen, auf den gewünschten
Tagesrhythmus einzustellen und/oder mit der eigentlichen Milchgewinnung mit erhöhtem
Melatoningehalt erst nach einer Gewöhnungsphase, z.B. einigen Tagen, zu beginnen.
Ungeachtet zeitlich beliebig steuerbarer Lichteinsätze ist es
vorteilhaft, dass die Tagphase z.B. etwa 8 bis 22 Stunden, zweckmäßigerweise
etwa 12 bis 21 Stunden und bevorzugt etwa 14 bis 20 Stunden dauert. Eine günstige
Dauer beträgt z.B. etwa 17 Stunden plus/minus 1 Stunde oder mehr. Die Nachtphase
kann z.B. etwa 2 bis 16 Stunden, zweckmäßigerweise etwa 3 bis 12 Stunden
und bevorzugt etwa 4 bis 10 Stunden dauern. Eine besonders günstige Dauer beträgt
z.B. etwa 6 Stunden plus/minus 1 Stunde oder weniger.
Die Tagphase ist dabei die Phase der Suppression der Melatoninbildung,
während in der Nachtphase die Suppression unterdrückt wird. Um die tageszeitlichen
Hell- und Dunkelphasen zu nutzen, sollten die Tag- und Nachtphasen daran orientiert
werden. Dies ist aber nicht prinzipiell notwendig, sondern nur aufgrund praktischer
Erwägungen zweckmäßig. Die Tagphase (Suppressionsphase) könnte
z.B. in die Zeit von ca. 5.00 Uhr bis 22.00 Uhr und die Nachtphase (Unterdrückung
der Suppressionsphase) in Zeit ab ca. 22.00 Uhr bis ca. 5.00 Uhr gelegt werden.
Selbstverständlich können die Phasen aber auch in andere Zeitintervalle
gelegt werden.
Der Übergang von einer Phase in die andere Phase sollte jeweils
bevorzugt einen Helligkeits- und Dunkelheitsübergang simulieren, welcher die
natürlichen Lichtübergänge zu Nacht und Tag und umgekehrt nachempfindet.
Jede Störung der gewohnten Rhythmen beeinträchtigt die Melatoninsekretion.
Ein solcher Übergang kann z.B. ca. 30 min bis 1,5 Stunden, bevorzugt ca. 1
h, dauern. Die Übergangszeit kann dann jeweils zur Hälfte der Tag- und
Nachtphase zugerechnet werden.
Die Tagphase und die Nachtphase sind jeweils durch ein unterschiedliches
Lichtregime gekennzeichnet. Beide Lichtregime können durch künstliches
Licht gesteuert werden; in der Tagphase bietet sich auch der Einsatz von normalem
Sonnenlicht an.
In der Tagphase sind die Tiere insbesondere einem Lichtregime mit
Blaulichtanteil unterstellt, der eine hohe photopische und circadiane Wirkung aufweist.
Blaulicht ist Licht, das im Wellenlängenbereich von ca. 440 bis 490 nm liegt.
Eine maximale Melatoninsuppression kann durch Auslauf der Tiere ins Sonnenlicht
oder durch den Einsatz von Lichtquellen mit hoher circadianer Wirkung erreicht werden.
Erfindungsgemäß bevorzugt werden Vollspektrumlampen (ca. 375–725
nm), welche dem Sonnenlicht (ca. 290–770 nm) am ähnlichsten sind und
neben dem bekannten Farbenspektrum des Regenbogens wichtiges UV-Licht beinhalten.
Eine mehrstündige, das Sonnenlicht simulierende Bestrahlung bewirkt ebenfalls
eine maximale Melatoninsuppression durch eine starke Wirkung auf das circadiane
System.
Vollspektrumlampen sind im Handel erhältlich. Beispiele sind
Lichtfarbe 940 Weiß von Osram oder Biolux von Osram mit der Lichtfarbe 965.
Letztere ist bevorzugt, da sie das Sonnenspektrum annähernd simuliert. Ähnliche
Vollspektrumlampen werden auch von anderen Herstellern angeboten.
Neben Sonnenlicht und Vollspektrumlampen können auch andere Lichtquellen
eingesetzt werden, die durch hohe circadiane Wirkung die Produktion von Melatonin
unterdrücken. Möglich wäre z.B. der Einsatz von blauem Licht (Wellenlänge
ca. 460 nm) oder anderen Lichtquellen mit Blaulichtanteil, mit denen eine hohe Melatoninsuppression
erreicht wird. Beim Einsatz von Blaulicht ist jedoch die wellenlängenabhängige
Gefahr der thermischen Netzhautgefährdung zu beachten.
Bei einem Lichtregime durch künstliches Licht wie Vollspektrumlampen
kann die Tagesphase auch beliebig verlängert oder verkürzt werden. Die
Milchleistung der laktierenden Tiere wird durch Verlängerung der Helligkeitsphase
signifikant erhöht.
In der Nachtphase werden die Tiere unter ein Lichtregime gestellt,
das die Melatoninsuppression unterdrückt und damit die Melatoninbildung
fördert. Die maximale Unterdrückung der Melatoninsuppression würde
prinzipiell durch natürliche Dunkelheit (Fehlen von Licht) erreicht. Allerdings
ergibt sich dadurch der Nachteil, dass eine Orientierung nicht mehr möglich
ist. Vor allem beim Melkvorgang ist dies nicht praktikabel. Zudem bewirkt die Orientierungslosigkeit
Stress bei den Tieren, vor allem wenn sie in großer Zahl und in begrenzter
Umgebung gehalten werden. Auch dies beeinträchtigt die Melatoninbildung.
Schwarzlichtlampen sind UV-Lampen (ca. 345–400 nm), welche
das circadiane System nur wenig beeinflussen, aber wegen ihrer geringen photopischen
Lichtausbeute für die Nachtphase nicht geeignet sind, insbesondere in Freilaufsystemen,
da mit ihnen wegen der geringen Belichtungsstärke keine ausreichende Orientierung
erreicht werden kann. Schwarzlichtlampen können neben UV-Licht auch sichtbares
Licht im Blaubereich emittieren.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass diese Nachteile
überwunden werden können, wenn zur Überwindung der Dunkelheit Lichtquellen
verwendet werden, die Licht im Wellenlängenbereich von 500 nm oder mehr emittieren
und im Wellenlängenbereich unter 500 nm im wesentlichen kein Licht emittieren,
so dass die Lichtquelle insbesondere Licht der Farbe gelb, orange, amber oder rot
oder einer Mischfarbe davon emittiert. Die Lichtquelle weist daher im Wellenlängenbereich
des sichtbaren Lichts ein Emissionsspektrum auf, das den höchsten Wert mit
einer relativen Intensität von 100% bei einer Wellenlänge von 500 nm oder
mehr zeigt.
Dass die Lichtquelle im wesentlichen kein Licht mit einer Wellenlänge
unter 500 nm emittiert bedeutet dabei insbesondere, dass im Emissionsspektrum des
sichtbaren Lichts unter 500 nm jeder messbare Wert, falls überhaupt vorhanden,
eine relative Intensität von weniger als 15%, bevorzugt weniger als 10% und
besonders bevorzugt unter 5 bzw. unter 3% aufweist. Bevorzugt emittiert die eingesetzte
Lichtquelle im wesentlichen kein Licht im Wellenlängenbereich unter 520 nm
und bevorzugter unter 540 nm. Besonders bevorzugt emittiert die eingesetzte Lichtquelle
kein Licht im Wellenlängenbereich unter 500 nm und insbesondere unter 520 nm
und noch bevorzugter unter 530 nm.
Als Lichtquellen können z.B. übliche Lampen, wie z.B. Temperaturstrahler,
Kontiniumstrahler, Linienstrahler, Gasentladungslampen, verwendet werden, die einen
Monochromator enthalten, so dass im wesentlichen kein Licht mit einer Wellenlänge
unter 500 nm emittiert wird. Beispiele für Monochromatoren sind Prismas, Beugungsgitter
und optische Filter. Als Filter eignen sich z.B. Interferenzfilter, Bandpassfilter
oder Langpassfilter, die kurzwellige Bereiche sperren. Solche Filter sind z.B. von
Schott erhältlich. Auf diese Weise können Rotlichtlampen hergestellt werden.
Rotlichtlampen mit einer ausreichenden Sperrung von Blaulichtanteilen können
in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Solche Lichtquellen, die mit Filtern oder anderen Monochromatoren
arbeiten, besitzen aber auch einige Nachteile. Zum einen werden Wellenlängenbereiche
nicht völlig abgeschnitten, sondern zunehmend reduziert. Ferner führen
Fehler in der Sperrung zu kleinen Peaks bei anderen Wellenlängen oder Oberwellen
im Durchlassbereich, so dass auch im Bereich unter 500 nm geringe Lichtanteile vorliegen
können. So sind Rotlichtlampen nicht reinfarbig rot, sondern können zusätzlich
geringe Anteile weitere Spektralfarben beinhalten. Außerdem wird ein Teil des
erzeugten Lichts nicht zur Belichtung verwendet, sondern herausgefiltert. Dies erhöht
den Energieverbrauch.
Es werden daher bevorzugt Lichtquellen eingesetzt, die keinen Monochromator
erfordern. Dementsprechend werden bevorzugt keine Temperaturstrahler eingesetzt.
Vorzugsweise werden Lumineszenzstrahler als Lichtquelle verwendet. Lumineszenzstrahler
können sogenannte Linienstrahler oder monochromatische Strahler sein. Beispiele
für Lumineszenzstrahler sind Gasentladungslampen und Leuchtdioden. Als Lichtquelle
wird daher bevorzugt ein Lumineszenzstrahler verwendet, der im wesentlichen kein
Licht mit einer Wellenlänge unter 500 nm oder gar kein Licht mit einer Wellenlänge
unter 500 nm emittiert.
Das Emissionsspektrum der Lichtquelle im Wellenlängenbereich
des sichtbaren Lichts hat vorzugsweise mindestens ein Maximum über 550 nm,
bevorzugter mindestens ein Maximum über 570 nm und noch bevorzugter über
600 nm. Die Lichtquelle hat bevorzugt kein Maximum unter 550 nm, bevorzugter unter
570 nm und noch bevorzugter unter 600 nm im sichtbaren Wellenlängenbereich
mit einer relativen Intensität von mehr als 5%.
Es hat sich gezeigt, dass es in der Nachtphase wichtig ist, Licht
zu verwenden, bei dem Licht mit Wellenlängen von weniger als 500 nm, besser
von weniger 520 nm und noch besser von weniger als 550 nm minimiert und bevorzugt
im wesentlichen vollständig oder ganz vermieden wird. Dies ist mit Lichtquellen,
die ein kontinuierliches Spektrum zeigen, möglich, wenn eine
geeignete Filterung erfolgt. Lumineszensstrahler, wie LED und NDL, sind aber bevorzugter,
da sie im Gegensatz zu Temperaturstrahlern ein schmalbandiges Spektrum ausstrahlen
und keine Filterung erfordern. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann
eine bessere Orientierung der Tiere wegen der weit höheren photopischen Wirkung
der eingesetzten Lichtquellen, insbesondere der Lumineszensstrahler, erreicht werden.
Eine geeignete Lichtquelle ist z.B. eine Natriumdampflampe (NDL).
NDL sind Gasentladungslampen, welche sich durch hohe photopische Lichtausbeuten
auszeichnen und monochromatisches gelbes Licht mit einer Wellenlänge von etwa
589 bis 590 nm emittieren. Die Beleuchtung mit NDL eignet sich zur sicheren Erkennung
von Objekten und Hindernissen. Das gelbe Licht soll sich auch weniger anziehend
auf Insekten auswirken.
Besonders geeignete Lumineszensstrahler sind Leuchtdioden, die auch
als LED (light emitting diode) bezeichnet werden. LEDs sind sehr effiziente Lichtquellen.
Sie zeigen gewöhnlich ein relativ schmalbandiges Signal mit einem Maximum im
Emissionsspektrum, wie z.B. in 3 gezeigt. Mit LED-Lampen
kann der gewünschte Wellenlängenbereich gezielt eingestellt werden und
sie besitzen gleichzeitig eine genügend große photopische Wirkung, so
dass die Tiere sich bei Beleuchtung mit diesen Lichtquellen gut orientieren können.
Als Lichtquelle für die Nachtphase werden Lichtquellen ausgewählt,
deren circadiane Lichtausbeute gering ist. Primär ist die Wahl der richtigen
Lichtfarben. Blaue LEDs oder Weißlicht-LEDs sind wegen des Blaulichtanteils
ungeeignet. Ideale Lichtfarben sind rot, weniger gut, jedoch auch noch möglich
sind amber (auch bernsteinfarben oder "superorange") (z.B. Maximum ca. 612 nm),
orange (z.B. Maximum ca. 605 nm) oder gelb (z.B. Maximum ca. 585 nm) sowie Mischfarben
dieser Spektren. Gelbes Licht kann auch durch eine NDL erzeugt werden. Bevorzugt
sind rote Leuchtdioden (z.B. Maximum ca. 630 nm; einschließlich "Ultrarot"
bei einem Maximum von ca. 660 nm), deren photopische Lichtausbeute trotz minimaler
circadianer Wirkung sehr hoch ist und die sich deshalb für den Nachtbetrieb
ideal eignen. Außerdem sind LEDs die einzigen Leuchtkörper, die rotes
Licht in Reinfarbe liefern. Solche LEDs sind handelsüblich und überall
erhältlich.
Beispiele für im Handel erhältliche LEDs, die für die
Erfindung zweckmäßig sind, sind z.B. Lumileds® Luxeon
red 1 Watt, Lumileds® Luxeon Star/O red 1 Watt oder SOUL R32 red
1 Watt.
Es ist nicht notwendig, dass die Lichtquelle während der ganzen
Nachtphase eingesetzt wird. Sie werden aber insbesondere zumindest während
des Melkvorgangs eingesetzt, da dann die Notwendigkeit der Orientierung bei den
Tieren und Bedienungspersonal am größten ist. Bevorzugt ist die Lichtquelle
während mindestens ein Drittel oder mindestens die Hälfte der Dauer der
Nachtphase im Einsatz. Da die eingesetzte Lichtquelle, vor allem die Lumineszenzlampe,
praktisch keine negative Auswirkung auf die Melatoninbildung hat und damit gleichzeitig
eine bessere Orientierung für Tiere und Bedienungspersonal möglich ist,
werden die Lichtquellen besonders bevorzugt im wesentlichen während der ganzen
oder in der ganzen Nachtphase eingesetzt. Die Lichtquelle, insbesondere die LED-Lampe,
ist während der Nachtphase in der Regel mindestens 1 Stunde, bevorzugt mindestens
2 Stunden, bevorzugter mindestens 5 Stunden und noch bevorzugter mindestens 6 Stunden
im Einsatz.
Ansonsten sollten in der Nachtphase keine anderen Lichtquellen eingesetzt
werden. Allerdings ist auch keine Totalabdunklung notwendig. Die natürliche
Dunkelheit der Nacht ist in Kombination mit der oder den Lichtquellen für die
Nachtphase durchaus zweckmäßig. Insbesondere ist im wesentlichen keine
Beleuchtung mit Licht mit Blaulichtanteil (insbesondere von 450 bis 470 nm) vorhanden.
Es ist zu bedenken, dass es sich um natürliche Systeme handelt,
so dass kurzfristige Störungen des Systems (Unwetter, Lichtausfall usw.) und
Variationen (Anpassung an die Jahreszeit durch Verschiebung der Tag- und Nachtphase)
möglich sind und vom Verfahren der Erfindung umfasst werden.
Damit die Lichtregime der Tag- und Nachtphase erfüllt werden,
sind die Lichtquellen sowohl in Höhe wie Häufigkeit bevorzugt so zu installieren,
dass sich die Lichtwirkung in allen den Tieren zugänglichen Bereichen entfalten
kann. Bei Einsatz von Sonnenlicht sind die den Tieren zugänglichen Bereiche
natürlich entsprechend zu wählen.
Eine Bestimmung der Lichtausbeute in Lux zwecks Unterdrückung
bzw. Stimulierung der Melatoninsuppression ist im Hinblick auf die Melatoninproduktion
praktisch irrelevant, da Eigenschaften des eingesetzten Lichts sowohl nach den relevanten
Aspekten für das circadiane System als auch für das visuelle System zu
berücksichtigen sind. Nicht die Stärke einer Lichtquelle in Lux, sondern
die Farbe des Lichts und die Wellenlänge der Lichtfarben sind
für die gewünschte Wirkung auf das zur Melatoninproduktion wichtige circadiane
System bestimmend.
Überraschenderweise kann die Umgebung der Tiere mit den erfindungsgemäß
eingesetzten Lichtquellen in der Nachtphase sogar relativ hell beleuchtet werden,
ohne dass dies zu einer signifikanten Reduzierung der Melatoninkonzentration in
der Milch führt. Dies steht im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik,
in dem man von der Notwendigkeit einer möglichst dunklen Umgebung ausging.
Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass die Orientierung wesentlich leichter ist
und die Beleuchtung ohne weiteres während der ganzen Nachtphase eingeschaltet
sein kann.
Die Beleuchtungsstärke, die durch die in der Nachtphase verwendeten
Lichtquellen erhalten wird, kann bevorzugt mehr als 50 lux, bevorzugter mehr als
100 lux und besonders bevorzugt mehr als 250 lux betragen. Die Beleuchtungsstärke
kann z.B. 500 lux und mehr betragen. Die Beleuchtungsstärke kann mit üblichen
Luxmetern gemessen werden. Für Linienstrahler wie LED können für
genauere Messungen Spektroradiometer verwendet werden. Die Beleuchtungsstärke
bezieht sich auf die in das Auge des Tieres eintreffende Strahlung. Somit wird die
angegebene Beleuchtungsstärke auf Augenhöhe der Tiere gemessen. So wird
die angegebene Beleuchtungsstärke bei Kühen bei einem Bodenabstand von
etwa 1,50 m und bei Ziegen bei einem Bodenabstand von etwa 50 cm gemessen.
Bei der Beleuchtungsstärke ist aber zu berücksichtigen,
dass langwelliges Licht wie hier definiert auch eine circadiane Wirkung aufweist,
wenn auch eine äußerst geringe, die in Richtung kürzerer Wellenlängen
zunimmt. Bei hohen Beleuchtungsstärken kann diese circadiane Wirkung Einfluss
auf den Melatoningehalt haben. Es ist daher insbesondere bei Beleuchtungsstärken
von mehr als 50 lux bevorzugt, eine Lichtquelle zu verwenden, die Licht mit einem
Wellenlängenmaximum über 620 nm emittiert, wie eine rote LED.
Die betreffenden Tiere werden mindestens einmal in der Nachtphase
gemolken. Je nach Zahl der zu melkenden Tiere wird der Beginn des Melkvorgangs so
gelegt, dass er bis zum Ende der Nachtphase abgeschlossen ist. Der Melkvorgang beginnt
z.B. zweckmäßigerweise etwa in der Mitte der Nachtphase, insbesondere
wenn eine größere Anzahl von Tieren zu melken ist, um alle Tiere in der
Nachtphase melken zu können. Die dabei gewonnene Milch besitzt einen erhöhten
Melatoningehalt. Das Hormon Melatonin wird in der Leber hauptsächlich zu 6-Sulphatoxymelatonin
umgewandelt und über die Nieren ausgeschieden. Die Halbwertszeit beträgt
weniger als etwa 60 Minuten. Deshalb muss zur Erhaltung des Melatoninpegels in der
Milch die Unterdrückung der Melatoninsuppression bis zum Ende des Melkvorgangs
des Tieres aufrechterhalten werden, d.h. der Melkvorgang erfolgt in der Nachtphase
mit Beleuchtung durch die Lichtquelle.
Je stärker und länger die Suppression ist, desto höher
ist danach der in der Milch enthaltene Melatoninpeak. Daher kann durch verkürzte
Nachtphasen unter einem Lichtregime mit möglichst geringer circadianer Wirkung
und Melken am Ende der Nachtphase eine Milch mit höherer Melatoninkonzentration
gewonnen werden. Beispielsweise eignen sich verlängerte Tagphasen von 16 h
und vorzugsweise mehr als 18 h, um in der Nachtphase einen erhöhten Melatoninpeak
zu erhalten. Die Lichtexposition für die Tagphase kann dann unmittelbar nach
dem Melkvorgang erfolgen.
Die Tiere können natürlich mehr als einmal am Tag beliebig
oft gemolken werden, z.B. zweimal oder häufiger. Bevorzugt wird auch wenigstens
einmal während der Tagphase gemolken. Da diese Milch keinen erhöhten Melatoningehalt
aufweist, wird sie auch getrennt von der in der Nachtphase gesammelten Milch mit
erhöhtem Melatoningehalt verwertet.
Die während der Nachtphase gesammelte Milch wird vorzugsweise
rasch auf unter 10°C, z.B. 3 bis 8°C, gekühlt. Rasch bedeutet hier
z.B. innerhalb von 2 Stunden oder weniger. Die Milch kann zu allen bekannten Milcherzeugnissen
auf übliche Weise weiterverarbeitet werden, wobei Milcherzeugnisse mit einem
erhöhten Melatoningehalt erhalten werden. Die aus Milch erhältlichen Milcherzeugnisse
wie Milchpulver und die Verfahren zur Herstellung sind gut bekannt. Eine allgemeine
Beschreibung findet sich z.B. in Ullmanns, Encyklopädie der technischen Chemie,
4. Aufl., Bd. 16, S. 689 ff. Beispiele für Milcherzeugnisse sind Milchpulver,
Käse, Joghurt, Quark und Molkeprodukte. Bevorzugt wird die Milch durch Trocknung
in Milchpulver mit hohem Melatoningehalt überführt. Hierfür können
die allgemein bekannten Verfahren verwendet werden. Das Hormon Melatonin bindet
sich an die Eiweißmoleküle der Milch und wird durch Druck, Wärme
oder Gefrierbehandlung nicht zerstört.
Die Milch oder die Milcherzeugnisse, insbesondere das Milchpulver,
können für die üblichen Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere
als oder für Nahrungsmittel, Nahrungsergänzungsmittel und Arzneimittel.
Durch weitere Bearbeitung der Milch in Form von Fettreduzierung oder Lactoseentzug
kann der relative Anteil von Melatonin am Endprodukt (z.B. Milch, Voll- oder Magermilchpulver)
weiter gesteigert werden.
Normale Tagesmilch enthält Melatoninwerte von ca. 1,5–3
pg/ml. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Milch enthält
in der Regel mindestens die 2-fache Menge oder sogar bis zum 10-fachen oder mehr.
Sie kann z.B. einen Melatoningehalt von mehr als 10 pg/ml, z.B. 15–50 pg/ml,
aufweisen. Die mit Melatonin angereicherte Milch, die nach dem Verfahren der Erfindung
erhalten wird, kann so verarbeitet werden, dass die Konzentration des an die Moleküle
des Milcheiweißes gebundenen Hormons Melatonin im Endprodukt eine signifikante
Steigerung um das bis zu 350-fache der normal vorhandenen Melatoninkonzentration
der Milch erfährt.
Das erhältliche Milchpulver hat z.B. eine Melatoninkonzentration
von über 100 pg/g, bevorzugt über 150 pg/g und bevorzugter über 200
pg/g. Die Melatoninkonzentration kann z.B. gegebenenfalls bis zu 1.000 pg/g betragen.
Ein markfähiges Endprodukt in Form von Milchpulver, das gemäß der
Erfindung erhalten wird, enthält z.B. eine Melatoninkonzentration von etwa
200 bis 500 pg/g. Mit einer derartig gesteigerten Konzentration sind vielfältige
Verwendungsmöglichkeiten im medizinischen Bereich und als Nahrungsmittel oder
Nahrungsergänzungsmittel möglich. Das Milchpulver kann z.B. mit oder ohne
verträgliche Träger z.B. als Pulver, Kapsel, Lösung oder Tablette
bereitgestellt werden. Es kann mit weiteren geeigneten Additiven und/oder Wirkstoffen,
wie Nährstoffen, z.B. Vitaminen oder Mineralien, oder pharmazeutischen Wirkstoffen
gemischt werden.
Das Verfahren nach der Erfindung ist für eine nachhaltige und
industrielle Herstellung von natürlichem Melatonin geeignet, besonders auch
für die Produktion in Betrieben mit über 200 Tieren. Das natürliche
Melatonin ist dabei an Milcheiweiß gebunden. Damit kann natürliches Melatonin,
gebunden an Milcheiweiß, in hohen Mengen und auf einfache Weise hergestellt
werden, bevorzugt in Form von Milchpulver.
Durch das Verfahren der Erfindung lassen sich u.a. auch folgende Ziele
erreichen:
- 1. Die natürlichen circardianen Rhythmen der Tiere werden unterstützt
und dem Körper tageszeitliche Informationen signalisiert.
- 2. Durch Installation und Steuerung der erfindungsgemäß verwendeten
Lichtquellen in den Aufenthaltsräumen der Tiere wird die Produktion des Hormons
Melatonin im Blutserum und damit auch in der Milch derart angeregt, dass die Konzentration
von Melatonin in der Milch auf das Vielfache der üblichen Konzentration ansteigt.
Im Endprodukt werden im Herdendurchschnitt Melatoninwerte von über 200 pg/g
Milchpulver erreicht, Einzeltiere erreichen Werte von über 500 pg/g.
- 3. Durch die zeitlich gezielte Verwendung der vorgenannten Lichtquellen werden
die täglichen Hell- und Dunkelphasen gezielt so manipuliert, dass die Melatoninsekretion
der Zirbeldrüse maximal unterdrückt bzw. maximal stimuliert wird, so dass
in einem genau bestimmbaren Zeitraum des Tages eine höchstmögliche Melatoninkonzentration
in der Milch erreicht und durch zeitgenaues Melken der Tiere Milch mit einer vielfach
erhöhten Melatoninkonzentration gewonnen wird.
- 4. In den Aufenthaltsräumen der Tiere können die bisher üblichen
Notbeleuchtungen durch weißes Licht (z.B. Glüh-, Neon- oder Leuchtstofflampen)
vermieden werden.
- 5. Eine Verdunkelung der Haltungsräume der Tiere zur Vermeidung von Lichteinfall
ist nicht erforderlich, da die natürliche Dunkelheit der Nacht und der Einsatz
der vorgenannten Lichtquellen ausreicht, die Melatoninsuppression zu unterdrücken.
