大豆异黄酮对骨骼肌发育的影响及其对动物肉品质的调控作用

许铭洙，张 勇*，严鸿林，张宏福，刘静波,

（1.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621010；2.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

大豆异黄酮（Soybean Isoflavones）是一类从大豆等豆科植物中分离提取出来的含有15 个碳的多酚结构混合物。由于大豆异黄酮是植物生长过程中形成的次生代谢产物，且与雌激素有相似的结构，因此又被称为植物雌激素，主要分布在大豆种子（0.5～0.7 mg/g）的子叶和胚轴中，在大豆、三叶草和苜蓿中含量较高[1]。大豆异黄酮中具有活性的成分为染料木素（Genistein）、大豆苷元（Daidzein）和黄豆黄素（Glycitein）。大量研究表明，大豆异黄酮具有改善动物生长性能和繁殖性能、增强机体抗氧化和免疫调节能力等功效[2-5]。近来有研究发现，大豆异黄酮可参与肌肉发育的一系列过程，如骨骼肌能量和蛋白质代谢、成肌分化以及肌纤维类型转化等[6-10]。因此，本文就大豆异黄酮对骨骼肌发育的影响及其对动物肌肉品质调控的研究进展进行综述，以期为大豆异黄酮在动物生产中的应用提供参考。

1 大豆异黄酮在动物体内的代谢及其生物转化

到目前为止，共发现15 种大豆异黄酮异构体，主要分为游离型苷元和结合型糖苷2 类。其中游离型苷元占比2%～5%，主要包括染料木素、大豆苷元和黄豆黄素；而结合型糖苷占比95%～98%，主要由3 种游离型苷元通过β-糖苷键与葡萄糖连接，以异黄酮葡萄糖苷的形式存在于大豆中，分别以染料木苷、大豆苷和黄豆黄苷等9 种形式存在[11]。糖苷形式的大豆异黄酮被哺乳动物摄入体内后，不能被小肠壁直接吸收，只有少量糖苷形式的大豆异黄酮在小肠被水解为游离型的苷元，被小肠吸收[12]。其中，未被吸收的大豆黄酮苷元中，5%～20%在肠道微生物作用下被开环形成O-脱甲基安哥拉紫檀素（O-DMA），约70%被微生物还原成双氢大豆黄酮苷元（DHD），最后形成稳定的雌马酚被胃肠道吸收[13]。与大豆异黄酮苷元相比，雌马酚与雌激素受体的结合能力更强。大量研究表明，与大豆异黄酮相比，大豆异黄酮的代谢产物具有更高更广的生物学活性。

目前已知可水解大豆异黄酮糖苷的酶主要有α-葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶和β-葡萄糖苷酶，而研究较多的是β-葡萄糖苷酶[14]。β-葡萄糖苷酶可水解结合于末端非还原性的β-D-葡萄糖苷键，同时释放出β-葡萄糖和相应的配基（图1）。β-葡萄糖苷酶的来源主要包括植物来源和微生物来源。植物来源的β-葡萄糖苷酶主要存在于豆科植物的根系、子叶或杏仁中，其水解效率较低[15]；而微生物来源的β-葡萄糖苷酶的活性远高于植物来源，主要集中在酵母、曲霉、木霉以及细菌类[16-17]，其中曲霉被广泛认为是产β-葡萄糖苷酶的优良菌种，尤以黑曲霉的效率最高[18]。此外，研究还发现双歧杆菌和乳酸杆菌具有产β-葡萄糖苷酶的能力，在豆奶发酵的过程中可将大豆黄酮转化为活性苷元[19]。

图1 β-葡萄糖苷酶水解大豆异黄酮糖苷

2 大豆异黄酮对肌肉发育的影响及机理

2.1 大豆异黄酮与肌肉能量和蛋白质代谢 骨骼肌是参与机体运动的重要组织和能量代谢的重要场所，含有丰富的线粒体和能量代谢相关的酶系，因此维持能量代谢的稳态对骨骼肌的正常发育至关重要。大豆异黄酮可影响骨骼肌细胞中葡萄糖的转运和摄取。如Cederroth 等[20]研究报道，大豆苷元可通过增加葡萄糖转运载体4（GLUT4）表达和葡萄糖摄取来提高骨骼肌中胰岛素的敏感性。同时Jang 等[21]研究发现，黑豆提取物可增加肌管中GLUT4 的异位表达、葡萄糖的转运，并恢复对胰岛素介导的Akt 磷酸化的抑制。在II 型糖尿病小鼠模型中，大豆苷元可通过促进GLUT4 的表达从而促进L6 成肌细胞葡萄糖摄取并提高葡萄糖的稳态[7]。此外，大豆异黄酮可进一步被肠道微生物代谢为许多具有活性的分子，如雌马酚和去氧甲基安哥拉紫檀素[22]，而大豆苷元被动物摄取后可在肠道微生物的作用下转化为雌马酚[23]。研究发现，在缺乏胰岛素的情况下，雌马酚可促进L6 肌管葡萄糖的摄取、AMPK 的磷酸化以及GLUT4 易位表达，并且可降低禁食葡萄糖水平和肝脏葡萄糖代谢相关基因的表达[24]。此外，大豆苷元和染料木素处理增加了PGC-1α 的表达，进而促进线粒体的生物合成，同时还提高了ATP 合成酶β 和ND6 的表达以及ATP 含量[25]。而在C2C12 细胞系上的研究显示，大豆苷元可通过SIRT1 相关信号通路来调控转录网络（TFAM、PGC-1α、NRF 等），进而促进线粒体的生物合成[26]。

蛋白质是肌肉主要的功能和结构物质，因此蛋白质合成和降解的平衡对维持骨骼肌的生长和发育至关重要。肌肉蛋白的合成会受到生长激素、胰岛素以及雌激素等许多激素的调控。大豆异黄酮与哺乳动物的雌激素在结构上相似，两者在功能上也具有相似性。Rehfeldt等[27]研究了不同浓度的染料木素和大豆苷元对猪肌管蛋白质代谢的影响，发现100 μmol/L 的染料木素和大豆苷元会导致细胞的损失，进而降低蛋白质总量，通过[3H]-苯丙氨酸结合的测定方法发现100 μmol/L 染料木素会降低活细胞蛋白质的合成速率；而在其他浓度下，染料木素（0.1 μmol/L）、大豆苷元（10、100 μmol/L）和17β-雌二醇（0.1、1 nmol/L）可降低蛋白质的降解。此外，当蛋白质的分解速率大于合成速率时，肌肉表现出萎缩症状。在C2C12 细胞中，大豆苷元可显著抑制肌肉特异性环指蛋白1（MuRF1）启动子的活性，并可通过激活SIRT1 来预防TNF-α 诱导的肌肉萎缩[28]。Akt/mTOR 信号通路在肌肉肥大中发挥重要作用，主要通过调节蛋白合成，进而促进肌肉的生长[29]。在成肌细胞分化的后期，大豆苷元处理可激活Akt/mTOR 信号来诱导肌管的形成和肥大，同时还会抑制地塞米松诱导的肌管萎缩[6]。此外，泛素化修饰是调控真核生物体内蛋白质表达的重要方式。在雌性小鼠上的研究发现，日粮添加大豆苷元可通过雌激素受体ERβ 来降低雌激素诱导的USP19 mRNA 的表达，同时还会增加比目鱼肌的肌肉量[30]。

2.2 大豆异黄酮与肌细胞的增殖与分化 肌纤维的发育和形成主要经历4 个阶段：①起源于中胚层的间充质干细胞定型并分化为生肌谱系（Myogenic Lineage）；②生肌谱系发育为肌细胞（Myoblast）和成熟的肌细胞（Myocyte）；③肌细胞进一步增殖到一定数目后退出细胞周期，融合形成肌管（Myobute）；④最终形成成熟的具有多核特征的肌纤维（Myofiber）[31]。骨骼肌的生长发育受到一系列营养因素的影响。

大豆异黄酮可发挥与雌激素相似的生物学功能，雌激素受体β 被激活后可刺激骨骼肌的生长和再生[32]。研究发现，异黄酮类雌激素，尤其是染料木素可抑制蛋白酪氨酸激酶的活性，从而阻碍细胞G2/M 期来抑制细胞周期进程，进而抑制细胞的生长[33]。Mau 等[8]研究发现，17β-雌二醇（1 nmol/L 和1 μmol/L）、雌素酮（1 μmol/L）、大豆苷元（1 μmol/L 和100 μmol/L）和染料木素（100 μmol/L）处理可降低猪肌卫星细胞DNA 的合成和DNA 数量，且染料木素和大豆苷元（100 μmol/L）可降低蛋白质的合成、导致G2/M 期停滞以及细胞的凋亡，从而导致DNA 总量下降。此外，较高浓度的染料木素可通过影响拓扑异构酶II 的活性来诱导细胞凋亡和DNA 损伤，进而影响细胞增殖[34]。而Lee 等[6]在小鼠肌肉细胞系上研究发现，大豆苷元可通过激活Akt/p38来促进成肌分化和肌管的形成。Gan 等[35]以C2C12 细胞系为模型研究了染料木素对成肌细胞增殖和分化的影响，结果显示，在0～2 μmol/L 浓度范围内，染料木素以剂量依赖的方式促进成肌细胞的增殖，并在2 μmol/L 浓度下达到最大效应；当染料木素浓度超过20 μmol/L 时可显著抑制成肌细胞增殖；而在10 μmol/L 浓度下，染料木素可促进成肌细胞的分化，超过此浓度时则表现出抑制效应；而对其作用机制进一步研究发现，染料木素可下调miR-222 的表达，从而增加其靶基因（MyoG、MyoD 和ERα）的表达，进而促进成肌细胞的分化。而作为大豆异黄酮的类似物，雌激素也可通过调控非编码RNA 的表达来影响骨骼肌发育。研究发现，雌激素处理显著影响虹鳟骨骼肌成肌分化相关microRNA 的表达，如显著上调了miR-133 和miR-206 的表达，同时显著下调了miR-145 和miR-499 的表达[36]。

2.3 大豆异黄酮与肌纤维类型转化 肌纤维占肌肉总体积的75%～90%，是骨骼肌的基本单位。根据肌球蛋白重链（MyHC）的多态性，肌纤维可分为主要包括4 种类型：I 型（慢速氧化型）、IIa 型（快速氧化型）、IIx 型（中间型）以及IIb 型（快速酵解型）。营养是肌纤维生长发育过程中的物质基础，不同类型的肌纤维在代谢特点和营养需求上存在差异，因此不同的营养状态可能会导致肌纤维的类型发生改变。Rehfeldt 等[37]报道，在妊娠后期母猪日粮中添加1 mg/kg 大豆苷元可显著降低仔猪背最长肌中肌肉的比重，提高半腱肌中快肌的比例，并影响半腱肌的酸碱度。在C2C12 成肌细胞分化过程中，大豆苷元、染料木素及其混合物可促进快肌纤维的形成[38]。而在卵巢切除的雌性大鼠上，染料木素可通过雌激素受体ERβ 信号途径来提高比目鱼肌中慢肌纤维的比例，同时也显著提高腓肠肌中快肌纤维的比例[39]。此外，Guo 等[40]以骨骼肌卫星细胞为模型，研究了雌激素对骨骼肌纤维类型的影响，结果显示雌激素可通过雌激素受体α（ERα）促进MyHC-I 蛋白的表达，同时也降低MyHC-IIb 蛋白的表达。而在家禽上的研究表明，添加大豆异黄酮对后代仔鸡腿肌的快慢肌纤维比例、纤维密度以及快慢肌纤维的横截面积均无显著影响[41]。

3 大豆异黄酮对动物肌肉品质的调控作用

肌肉品质包括肌肉的颜色、嫩度、蒸煮损失、滴水损失、pH 以及风味等关键指标，其主要依赖于肌纤维的组织特征、代谢特点以及理化特性。其中，氧化型纤维（MyHC-I、MyHC-IIa）肌红蛋白、磷脂含量较高，糖原含量和ATPase 活性较低，肌纤维直径较细，厌氧酶含量低，有氧代谢能力强；而酵解型肌纤维（MyHCIIb）则恰好相反；MyHC-IIx 的特性则介于氧化型肌纤维和酵解型肌纤维之间。因此，氧化型肌纤维比例高时，肌肉的肉色、pH、大理石纹评分和肌内脂肪含量较高，肌肉的保水性能较高，肌肉细嫩，肉品质好。肌肉品质受动物品种、营养与饲养、养殖环境及管理等多方面因素的影响，通过调整日粮的营养组成、饲喂水平或使用特定的饲料原料、添加剂可以在短期内改善肌肉品质。

大量研究发现，日粮添加大豆异黄酮可在一定程度上调控肌肉的品质。在肉鸡上的研究显示，与对照组相比较，日粮添加5 mg/kg 染料木素可提高胸肌的系水力和肌肉的抗氧化能力[41]；Jiang 等[42]研究，与对照组（不添加大豆异黄酮）相比，日粮添加40 mg/kg 大豆异黄酮显著降低了脂质的过氧化程度并提高了肌肉pH 和抗氧化能力，从而改善了肌肉品质。此外，大豆异黄酮及其代谢产物对家禽肌肉品质的影响与动物的性别有关。倪迎冬等[43]研究发现，日粮添加大豆黄酮显著降低了雌仔鸡肌肉比重和肌肉的蒸煮损失率，同时显著降低了雄仔鸡肌肉的滴水损失率，并显著增加了胸肌的黄度。在育肥猪上的研究发现，添加适宜水平（200～400 mg/kg）的大豆异黄酮降低了肌肉的红度、黄度和滴水损失[44]；而添加高剂量的大豆黄酮（600 mg/kg）对猪肉品质无显著影响，但提高了肌肉的抗氧化能力[45]。表明大豆异黄酮对肉品质的调控作用存在剂量依赖效应。而Wei 等[46]在孵化期的鸡胚中注射雌马酚对成年肉鸡肌肉品质的影响研究显示，注射100 μg 的雌马酚可显著降低雄性肉鸡肌肉的滴水损失，同时还显著降低雌性肉鸡肌肉的红度、黄度、蒸煮损失以及滴水损失。

肌内脂肪是评定肉品质的一个重要指标，它与肌肉的嫩度、多汁性、风味等直接相关。在中国本土小型猪日粮添加大豆异黄酮（10.2%大豆苷元、6.34%染料木素和0.03%雌马酚）可显著提高脂肪组织、背最长肌和肝脏组织中脂肪合成基因的表达，同时还促进脂肪的沉积[47]。此外，大豆苷元可被瘤胃微生物代谢为雌马酚。Ohtomo 等[48]研究发现，雌马酚可抑制机体脂肪的形成，但不会影响肌内脂肪的沉积。在肉牛上的研究发现，日粮中添加500 mg/kg 大豆苷元不影响胴体重和屠宰率，但会降低胴体的脂肪率和背膘厚度；同时显著提高肌肉品质，如提高了肌肉pH24h、红度、肌内脂肪含量和大理石纹评分[49]。而体外的研究发现，大豆苷元和雌马酚均可促进脂肪细胞的分化、脂滴的形成以及脂质的沉积[50]。以上结果表明，大豆异黄酮对动物肌肉品质的影响还存在很大差异，其原因可能与动物的种类、日粮组成以及添加水平有关。

4 结 论

综上所述，大豆异黄酮可调控骨骼肌的能量和蛋白代谢、成肌细胞的增殖和分化以及肌纤维的类型转化，并可影响动物的肌肉品质。而大豆异黄酮调控肌肉发育的具体机制还不清楚，适用的动物种类以及最适添加剂量的研究还不深入，有待进一步研究。