畜禽宰后肌肉能量代谢与肉品质研究进展

(湖南农业大学食品科学技术学院,湖南长沙 410128)

畜禽的肌肉转化为食用肉要经过一系列有生理生化变化的熟化过程,而这一过程会伴随着能量代谢。肌酸磷酸在肌肉能量代谢中起着能量贮藏库的作用[1]。能量代谢所需的三磷酸腺嘌呤核苷酸(ATP)可由肌酸磷酸合成。当肌酸磷酸的量消耗到一定程度时,糖酵解开始启动,产生ATP。宰后肌肉的无氧糖酵解作用会一直持续到糖酵解酶失活或肌糖原耗尽。随着糖酵解的进行,乳酸含量逐渐增加,导致pH的下降。

肉质的形成不仅与品种、遗传、饲料、饲养管理等有关,还与宰后成熟过程有关。宰后成熟过程的能量代谢对肉品质的形成有着重要的影响。快速或过度的糖酵解会导致白肌肉(pale soft and exudative meat,PSE)的产生,而糖酵解不足则会产生黑干肉(dry firm and dark meat,DFD)。Scheffler等[2]研究表明宰后肌肉的能量代谢与pH下降程度影响着猪肉品质特性的发展。由此可见,糖酵解过程对肉品的色泽、嫩度、风味、多汁性、持水力、pH等肉质指标具有重要的影响。

因此了解宰后肌肉能量代谢,尤其是糖酵解过程及其对肉质的影响,对肉质调控具有极其重要的意义。本文从宰后能量代谢的基本过程、腺苷酸激活蛋白激酶(AMP-activatedproteinkinase,AMPK)对宰后肌肉能量代谢调节的机理以及对异常肉生成的影响、预防异常肉生成的措施等方面的研究进展进行了探讨,为降低异常肉的产生、提高肉的整体品质及降低肉品损失等提供参考。

1 宰后肌肉能量代谢概述

1.1 宰后肌肉能量代谢的基本途径

直接供给肌肉代谢的能源物质是ATP。对于活体肌肉,ATP的合成途径除了肌酸磷酸(creatine phosphate,CP)补充外,还有糖酵解和有氧氧化途径[1]。宰后畜禽会发生死后僵直,即尸僵。尸僵过程的生化本质是宰后肌肉ATP、CP和糖原等能量代谢底物的逐步耗尽,一方面不断水解ATP释放能量、生成ADP,另一方面利用磷酸原系统(CK/CP system)和糖酵解系统将ADP转化为ATP[3]。

1.2 尸僵

尸僵过程包括尸僵前期、尸僵期和尸僵后期。从屠宰后到出现僵直现象为止,即肌肉的弹性以非常缓慢的速度变化的阶段,称为尸僵前期;随着弹性的迅速消失以至出现僵硬的阶段称为尸僵期;最后形成延伸性非常小的一定状态到停止称为尸僵后期[4]。尸僵前期,ATP和肌酸磷酸含量下降,无氧酵解反应开始活跃;随着ATP含量的不断下降和磷酸肌酸的消失,肌动蛋白与肌动球蛋白相结合并使肌纤维发生延伸,形成尸僵强直状态;随后组织蛋白酶开始释放并活化,部分蛋白质被水解成水溶性肽、氨基酸等,其食用品质逐渐达到最佳状态[3]。

1.3 磷酸原系统

磷酸原系统由肌酸磷酸(CP)与ATP组成。肌酸磷酸是肌肉中能量代谢的贮藏库。当肌纤维收缩时,结合在肌原纤维上的ATP酶将附近的ATP转化为ADP以提供能量;产生的ADP在附着于肌原纤维外膜的肌酸激酶催化下,接受肌酸磷酸的高能磷酸根,重新转变为ATP;肌酸磷酸提供高能磷酸根后转变为肌酸,肌酸向线粒体扩散并进入线粒体的内外膜之间,在肌酸激酶催化下,接受呼吸链产生的ATP的高能磷酸根,重新转变为肌酸磷酸;肌酸磷酸逸出线粒体,返回肌原纤维,在肌原纤维肌酸激酶的催化下,再次转移高能磷酸根给ADP,生成的ATP又用于肌原纤维的收缩;肌酸磷酸的能量往返机制如图1所示[1]。当底物肌酸磷酸消耗到一定程度,糖酵解途径开始启动[5]。最后磷酸原系统供能被糖酵解供能所替代。

图1 肌酸磷酸能量往返机制Fig.1 Creatine phosphate energy transport mechanism

1.4 糖酵解系统

畜禽的肌肉转化为食用肉需要经过一系列生化变化,糖酵解是其中的一个重要过程。肌肉糖酵解是指在无氧条件下,葡萄糖经历一系列反应转变为丙酮酸,产生的丙酮酸由烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NADH)还原为乳酸的过程;催化糖酵解反应的酶有己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶等。宰后糖酵解作用在肌肉宰后变化过程中起到至关重要的作用。糖酵解系统的各组分,如肌糖原,糖酵解酶等,以及糖酵解潜力和糖酵解速率都是影响宰后肉质量变化的主要因素,它们的变化影响极限pH或受极限pH影响,进而影响色泽、嫩度、持水性、多汁性、风味等直接反映肉品质的指标[6]。

2 异常肉的产生与AMPK对宰后肌肉能量代谢的调节

AMPK是调控宰后肌肉糖酵解重要的酶。AMPK对糖酵解的调控作用影响着肉品性状的形成以及PSE肉、DFD肉等异常肉的产生。

2.1 PSE肉的产生

PSE肉的产生是由于快速或过度的糖酵解导致的,宰后初期减缓糖酵解是解决PSE肉问题的关键。PSE肉的肉色苍白、质地松软、几乎软塌、表面渗水。宰后肌肉初期过快或过度的糖酵解会导致乳酸过早的积累以及pH的快速下降;快速糖酵解也会产生大量的热,这会使得胴体温度升高;加之宰后早期在低pH状况下,高温会增加肌肉蛋白质的变性,从而导致肉的颜色苍白以及持水性降低。在上述条件下,肌球蛋白变性和收缩,进而导致肌丝间的间距缩小以至肌细胞失水。PSE肉在烹调后会产生高的滴水损失、低的烹调产率以及坚硬的质地。此外,蛋白质的变性会导致肌肉蛋白质的提取率降低。

过度追求猪肉的瘦肉率而不注重脂肪沉积的影响导致PSE肉的发生率提高[7-8]。对高瘦肉率的筛选会导致快速糖酵解(fast-twitch glycolytic,FG)肌纤维数量的增加以及慢速氧化型(slow-twitch oxidative,SO)肌纤维数量的减少。PSE肉的问题在猪肉和家禽很常见,但几乎不可能发生于牛肉[9]。这是因为相对猪肌肉而言,牛肉FG肌纤维的比例相对较低。但在宰后糖酵解过程中,因散热较慢而处于较高的温度下,牛的腰大肌、臀肌等肌肉则可能变成PSE肉。

2.2 DFD肉的产生

DFD肉是由于糖酵解不足导致的。DFD肉的肉色较深,质地坚硬且外表干燥。糖酵解不足使得最终的肌肉pH较高,在高的pH下,线粒体呼吸消耗氧气,产生脱氧血红蛋白,使肌肉呈现深红色。有研究表明糖酵解潜力100 μmol/g是出现DFD肉的门槛[10]。肌肉糖原的缺乏导致宰后肌肉具有高的pH,转变成的DFD肉[11-12]。影响宰后肌肉糖原含量的因素也会直接影响DFD肉的产生,增加肌肉中糖原含量可以解决产生DFD肉的问题。

2.3 AMPK对宰后肌肉能量代谢的调控机制

2.3.1 AMPK的调节机制 AMP激活的蛋白激酶,又称腺苷酸激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是一种丝氨酸/苏氨酸激酶,它由三个亚基构成:一个起催化作用的亚基(α)、两个起调节作用的亚基(β和γ),其关键功能是调节细胞内的能量平衡。因此,AMPK常被视为细胞内的能量传感器以及重要能量代谢的开关。当ATP耗减时,或者说AMP/ATP增加时,AMPK被激活[13],一旦被激活,AMPK会磷酸化下游底物。AMPK的生物学效应具有多效性,它能够关闭诸如生物合成途径等消耗ATP的过程,启动糖酵解等分解代谢过程产生ATP[14-15]。当心脏缺血或骨骼肌缺氧时,AMPK即被激活。被激活的AMPK通过两条信号通路来增加体内的糖酵解。第一条信号通路:AMPK磷酸化和活化磷酸化酶激酶-磷酸化酶激酶磷酸化和活化糖原磷酸化酶-糖原磷酸化酶可催化糖酵解底物的产生、控制糖酵解[16-17]。第二条信号通路:AMPK磷酸化和活化磷酸钙激酶-2(PFK-2)以调节糖酵解[18],PFK-2能催化2,6-二磷酸果糖的产生。2,6-二磷酸果糖是PFK-1重要的变构激活剂,PFK-1是糖酵解最重要的限速酶。将纯化的AMPK对PFK-2进行体外磷酸化进一步证实AMPK与糖酵解的增加直接相关[18]。

2.3.2 AMPK影响PSE肉生成的机制 对老鼠的试验证明,在老鼠安乐死前对其注射AMPK激活剂会导致其死后肌肉pH的下降速度加快以及更低的终点pH[19],而与对照组相比,抑制AMPK的活性会使死后肌肉有更高的pH和更低的乳酸积累[20]。此外,在小鼠饮食中补充补充α-脂肪酸会抑制死后APMK的活性,并且导致死后糖酵解减弱而使得终点pH升高[21]。所有这些结果清楚表明了AMPK能调节小鼠死后肌肉的糖酵解,这使得通过抑制宰后肌肉中AMPK的活性来减少PSE肉的产生成为可能。但老鼠与猪的基因显然是不同的,老鼠和猪死后肌肉代谢的非遗传条件也有很大的不同。在宰后初期,AMPK被激活并且具有更高的活性,而在宰后半小时内,对于PSE肉发生率高的肌肉,这一现象尤为明显[22]。宰前应激也会增加PSE肉的发生率和宰后早期猪腰肉中AMPK的活性,这一发现与前面的观点相呼应[23]。宰前运输、氟烷基因会使宰后肌肉有较高的IMP含量以及[AMP+IMP]/ATP增大,加大能量的消耗[24],较低的能量水平会激活AMPK,活化的AMPK增强宰后初期肌肉的糖酵解,这会使PSE肉的发生率增加。在动物屠宰前运输后进行宰前休息能恢复动物宰前肌肉的能量状态,能量状态恢复正常能够防止宰后肌肉初期AMPK的快速激活,减小宰前运输对肉品质的负面影响。

2.3.3 AMPK影响DFD肉生成的机制 糖酵解不足会导致DFD肉的产生,而对啮齿类动物的研究表明,AMPK对糖原的积累起到了调节的作用。AMPK是能量代谢的关键调节者,一旦被激活,AMPK能加强从血液中摄入葡萄糖,以此增加肌肉中糖原的含量[25];活化的AMPK也能通过增强糖原分解和糖酵解来促进糖原动员[26]。另外,AMPK会使异型的糖原合成酶(GS)磷酸化而减弱糖原的动员[27]。这导致AMPK被激活后肌肉糖原的净含量增加。汉普郡(Hampshire)猪身上的AMPKγ亚基Arg200突变成Gln很好地证明了AMPK 在糖原累积中的作用,这种位点突变能够增强AMPK的活性、增加肌肉葡萄糖的摄入,从而加强糖原的积累[28]。

3 异常肉的预防

影响宰后肌肉能量代谢的因素有很多,控制这些因素对预防劣质肉的产生、保证肉品品质有着重要的作用。

3.1 PSE肉的预防

3.1.1 宰前休息 在宰前运输时,在环境等因素的刺激下,畜禽容易因过度紧张而产生疲劳,从而导致血液循环加速、体温升高、正常的生理机能受到抑制,进而降低了机体的抵抗力,使得微生物容易侵入血液而加速肉腐败。因此畜禽在运到屠宰场后不宜立即宰杀,需要让其在指定的圈舍内休息一段时间。宰前休息有利于放血和减少应激反应,对提高肉的品质有重要的作用。研究表明,在宰前运输后进行3 h的宰前休息能减少PSE肉的发生,显著提高肉的品质[29]。

3.1.2 补充维生素 动物饮食中补充维生素对防止PSE肉的发生有一定的作用。维生素主要以辅酶和催化剂的形式广泛参与动物体内代谢的多种化学反应,从而保证机体组织器官的细胞结构和功能,以维持动物的健康和各种生产活动[30]。研究表明,给鸡补充维生素可以提高其抗热应激的能力,抑制PSE禽肉的产生,提高肉的功能特性[31]。维生素E可以提高肉的品质,这与它能够抑制磷脂氧化、保证细胞膜的完整性有关。饮食中添加维生素E可以防止肉中脂肪氧化,提高鲜肉色泽的稳定性[32]。另外,宰前补充维生素E可以提高猪肉的持水性、改善猪肉的色泽[33]。

3.1.3 补充镁 镁是家禽的重要的营养元素。大多数家禽养殖应用的配合饲料中已含有足够量的镁,使得其不像现实中那样缺乏。然而,在一些条件下,比如为维持或提高禽肉品质,额外添加镁是可行的[34]。宰前补充镁可以降低宰后糖酵解的速率,提高肉的品质[35]。动物饮食中补充镁也会降低血浆中去甲肾上腺素的浓度[36],减轻宰前应激对肉品质的不利影响[35-37]。因此,宰前补充镁可以减小PSE肉的发生率。另外,饮食中补充镁可以减少宰后早期肌肉中乳酸的积累,在不影响糖原含量的条件下减少PSE肉的产生[38]。但饮食中补充镁对肉的最终pH没有影响[38]。

3.1.4 补充色氨酸 近年来,随着低蛋白质日粮的普及和晶体赖氨酸、蛋氨酸和苏氨酸在配合饲料中的广泛使用,使得色氨酸成为猪饲料中主要的限制性氨基酸。除参与合成体蛋白外,色氨酸及其代谢产物对猪的生长、免疫、应激、采食和肉品质等多个方面有影响,是最复杂的必需氨基酸(AA)之一[39]。当受到应激时,猪体内色氨酸的含量会减少[40]。饮食中添加足够量的色氨酸会增加生长育肥猪大脑血清素的合成[40],减少应激反应和PSE肉的产生[41]。

3.1.5 宰后肉原料的及时处理 宰后胴体处理得及时与否对肉的品质有显著的影响,这与动物宰后的温度有关。延迟宰后处理会增加胴体在高温下的时间,使胴体的糖酵解程度加剧,此外还增加了肌肉变质腐败的可能性。由此可见,过慢的宰后胴体加工速度会严重影响原料肉和肉品的品质。屠宰后胴体处理速度(从放血到胴体进入冷库的时间)对肉品质影响的研究表明,相对于正常的胴体处理速度(45 min),延缓处理(70 min)会增加PSE肉的发生率[42]。因此,在畜禽宰杀后,及时处理胴体肉是生产符合品质要求肉产品的必要措施。

3.1.6 快速冷却 有研究认为,用液氮加速冷却可以在不影响肌肉初始糖原含量的条件下防止PSE肉的产生[43]。实际上,快速冷却能使宰后早期肌肉达到较低的温度状态而延缓糖酵解、防止蛋白质变性,从而减少PSE肉的产生。这种较低的糖酵解速率应该是由于低温使酶的活性降低而与糖原含量无关,因为肌肉最初的糖原含量理论上应该是一样的[43-44]。这表明,在低温条件下,是糖酵解酶而不是肌肉糖原的含量,影响着早期糖酵解的速率。总之,加速冷却之所以可以减少PSE肉发生、提高肉品质是由于低温会降低糖酵解酶的活性和宰后糖酵解的速率,还能减缓蛋白质的降解,从而减少PSE肉的发生[8]。

3.2 DFD肉的预防

相对于糖原含量,酶的活性对于PSE肉生成的影响更为重要,RN-猪是证明此观点最有力的例子。RN-表型是AMPK的γ3亚基突变的结果[45]。RN-猪骨骼肌的糖原含量要比正常的高出70%[46]。与PSE肉不同的是,RN-猪会产生不同于PSE肉的非常低的最终pH的“酸肉”[47]。相当于其他猪,RN-猪在宰后早期肌肉不会发生糖酵解增强的情况[48]。这进一步表明肌肉中的糖原含量不是PSE产生的决定性因素,然而却是影响DFD肉生成至关重要的因素。由于牛肉中糖原储备比猪肉低得多,因此DFD肉在牛肉中较常见。宰前因素如天气、牛的健康状况和驱赶方式,宰后处理如气调包装和乳酸处理等都会影响DFD牛肉的发生率。虽然DFD牛肉不能从根本上消除,但是可以通过宰前因素和宰后处理两方面控制DFD牛肉的发生率,尤其是宰前因素对劣质牛肉的影响必须引起生产者的足够重视[49]。

4 展望

宰后肌肉能量代谢会引起肌肉pH的下降,pH的下降速度和程度对肉品质肉重要的影响。宰后肌肉能量代谢的基本途径包括磷酸原系统和糖酵解,当磷酸原系统的底物肌酸磷酸消耗到一定程度,糖酵解途径开始启动,最后磷酸原系统供能被糖酵解供能所替代。基于现状,今后有关宰后肌肉能量代谢与肉品质关系的研究需要从以下方面进行研究:宰后肌肉pH的变化与肉中蛋白质变性、脂肪氧化等影响肉品质的反应的关系;宰后肌肉能量代谢过程中磷酸原系统与糖酵解能量供应关系及其对pH的影响;筛选出肉质性状密切相关的宰后能量代谢状态的指标,深入研究分析这些指标形成的机理,以实现从宰后肌肉的能量代谢层面精准调控肉的品质。