热应激对牛肉品质影响的研究进展

左兆云，王维乐，纪丽丽，宋华民，刘建胜，王晓环，曹冬伸，刘敬盛*

(1.山东畜牧兽医职业学院，山东 潍坊 261061；2.德州市陵城区农业农村局，山东 德州 253500)

由于全球气候变暖，热应激反应在畜禽饲养中越来越常见。热应激会影响动物的营养代谢状况，降低动物体重、饲料效率、采食量和胴体质量。肉牛因其代谢速度快、瘤胃发酵、排汗障碍、皮肤保温等特性，更易发生热应激反应。热应激对牛肉品质的影响已经成为当前肉牛产业高质量发展所面临的一项重要挑战。近些年，随着蛋白质组学技术在肉类中的应用，在肌肉中检测到了许多与应激相关的小分子热应激蛋白(small heat shock proteins，sHSPs)，用蛋白质组学揭示牛肉品质的质量属性成为研究的新方向。目前，国内外关于热应激对反刍动物生产的影响主要集中在奶牛上，对肉牛肉品质方面的报道相对较少。因此，本文针对近年来热应激对牛肉品质的影响以及sHSPs影响牛肉品质的机制进行简要综述，旨在为夏季热应激状态下牛肉品质的调控提供参考。

1 热应激对牛肉品质的影响

1.1 肉色

肉色影响消费者对牛肉的认知和购买情况，也是决定牛肉行业盈利能力的关键因素。肉色主要取决于肌肉组织中肌红蛋白和血红蛋白的含量及氧化还原状态。肌红蛋白是肌肉显色的主要成分，有3种存在形式：鲜红色的氧合型肌红蛋白、紫红色的还原型肌红蛋白及褐色的高铁肌红蛋白，因此可使肌肉呈现不同的颜色。牛肉肉色受到动物的品种、性别、日粮、饲养管理以及宰后处理等因素的影响。近年来研究表明，热应激也是影响牛肉肉色的重要因素。据Kadim等报道，热季节牛肉的肉色变暗，其亮度(L)、红度(a)和黄度(b)均低于冷季节屠宰的牛肉。黄涛等研究发现，在夏季高温高湿条件下，锦江黄牛的肉色L和a降低，容易发白变暗，肉品质变差。其原因可能是紫红色的还原型肌红蛋白占据优势，致使肉呈现比较暗的外观。

1.2 pH

活牛肌肉的pH一般为中性，屠宰后肌肉组织中氧气和营养物质断供，有氧酵解转变为无氧酵解，使乳酸蓄积，从而导致pH下降。当肌肉pH降到5.4左右时不再继续下降，此时的最低pH即为极限pH(ultimate pH, pHu)。通常来说，牛肉pHu一般为5.4～5.6，与屠宰时肌肉的糖原水平呈负相关，并且会影响肉色。据报道，热季节牛肉的pHu(平均6.24)显著高于冷季节的。而且，屠宰前的长期热应激会使宰后肌肉内糖酵解速率过慢，导致pH维持在较高的水平(pH>6.5)，从而使肌肉色泽变暗，肉质表面干硬，形成黑切(dark firm dry，DFD)肉。而屠宰前短期的热应激会大量消耗糖原，使pH快速下降，降低肌肉中钙蛋白酶的活性，同时影响了肌肉的系水力，导致肌肉变软有血水渗出，肌肉色泽发白形成白肌(pale soft exudative，PSE)肉。

1.3 系水力

在屠宰、储藏、加工、运输过程中，肌肉的水分容易流失，同时肌肉可以通过自身的物理形态和化学结构对水分有一定束缚的能力即为系水力。这是肉类生产中最重要的指标之一，与肉制品的诸多感官特征(如多汁、质地和味道等)密切相关。因此，系水力高低会影响消费者的购买行为，对肉食品产业造成较大的经济影响。研究表明，热应激会加速肌肉糖原分解，增加乳酸浓度，导致热胴体pH迅速下降，最终产生较低系水力的PSE肉。与之相反的，Mato等研究发现，屠宰前的热应激引起了磷蛋白组的显著改变，肌肉糖原储备和乳酸产量降低，导致牛肉具有较高的pH，最终产生较高系水力的DFD肉。这说明糖原酵解、pH改变以及蛋白质降解，都会影响肌肉对水分的束缚力或改变肌肉空间结构，并最终影响系水力。

1.4 嫩度

肉的嫩度反映了肉的质地，一般采用沃布剪切力法进行客观评价。在一定的范围内，剪切力与嫩度呈负相关。在组织学上，肌纤维特性、肌原纤维蛋白特性以及肌肉结缔组织特性是影响肌肉嫩度的3大因素。随着屠宰后肌肉pH降低，溶酶体膜变得越来越不稳定，导致组织蛋白酶释放到肌浆中，并获得水解的肌原纤维蛋白，紧接着由于肌动蛋白和肌球蛋白降解，导致肉嫩化的作用被大大降低。另外宰后肉类的pHu也是影响嫩度的一个重要指标，一般来说，中等pHu(5.8≤pH≤6.19)的肉类比低pHu(pH≤5.79)和高pHu(pH≥6.2)的肉类更加坚硬。据报道，热季节牛肉的沃布剪切力值显著低于冷季节牛肉，而pHu(6.24)则高于冷季节牛肉。因此，热应激会影响牛肉嫩度，其原因可能是热应激导致肉类的pH发生了变化。

1.5 风味

肉的风味包括肉的滋味和香味两方面，分别由肉中水溶性风味前体物质和挥发性香味物质构成。它们的质和量不断发生变化，最终共同影响肉的风味。目前，有关热应激对牛肉风味物质影响的研究主要集中在肌内脂肪(intramuscular fat，IMF)和肌苷酸(inosine monophosphate acid，IMP)这两种风味物质上。IMF中所含的一些脂溶性成分及其降解物(如醛、醇和酮类)均可提高牛肉的风味，而IMP是存在于肌肉中的腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)代谢的中间产物，是鲜味物质和产生肉香味的物质。Hughes等研究发现，长期高温导致牛肉胸肌中IMF含量明显升高，而IMP含量下降，从而影响屠宰后肉质的评分。

2 sHSPs影响牛肉品质的机制

目前国内外报道，对肉质影响最为密切的热应激蛋白家族是sHSPs。热应激蛋白(heat shock proteins, HSPs)是原核细胞和真核细胞在受到热、病原体、理化等有害因素刺激后发生热应激反应产生的一类由热应激基因所编码的高度保守的应激蛋白。HSPs按其单体分子大小可分为5类，其中4类的分子质量分别为60 kDa、70 kDa、90 kDa和100 kDa，分别称为HSP60、HSP70、HSP90和HSP100，sHSPs是热应激蛋白家族的第5类。已知哺乳动物中发现了11种sHSPs，从12～43 kDa都有分布，是HSP家族中分子量最小的。和其他家族的热应激蛋白相比，该类蛋白不需要ATP即可发挥作用。

2.1 sHSPs的结构

sHSPs单体由几个不同的结构域组成，所有家族成员的C末端都有一个共有的结构区域——α-晶体结构域。此结构域由80～100个氨基酸残基组成，还包含有9个β折叠片层，因和αβ-晶体蛋白有很高的同源性，也被称为αβ-晶体蛋白区域。在N末端存在一个保守的WDPF结构域，主要由长短可变的氨基酸残基序列构成。正是由于WDPF和α-晶体结构域的位点长度差异，造成了sHSPs分子量的变化。当发生应激反应时，sHSPs会聚合或解离，可形成不同相对分子量的低聚体复合物，以此发挥相应的生物功能。

2.2 sHSPs作为肉类质量属性的生物标志物

某些肉类质量属性是由蛋白质介导的，因此，在肉类科学中应用蛋白质组学可用来预测肉类质量的生物标志物。sHSPs作为分子伴侣参与一些与肉质相关的功能，如蛋白质的重组和折叠、调控肌动蛋白的聚合、调节平滑肌的收缩等。其中，HSP20、HSP27、αβ-晶体蛋白与肉类质量有关。Bernard等研究表明，牛肉质量属性(包括嫩度、色泽、多汁性)与HSP27、αβ-晶体蛋白的浓度呈负相关。热应激时sHSPs的上调，可能是通过改变蛋白质折叠、微管聚合和聚集，减弱了肌纤维的降解并阻止凋亡细胞的死亡过程，从而影响肉类的嫩度。另外，Balan等研究发现，HSP20和HSP27的降解与肌原纤维蛋白和肌钙蛋白的降解高度相关。这一结果证实sHSPs与肉嫩度发育之间存在联系，表明sHSPs的降解程度可作为肌原纤维蛋白降解程度的指标，从而判断肉的嫩化程度。

2.3 sHSPs对牛肉嫩度的影响

一般来说，肉的嫩度差则韧性高，反之亦然。研究早期的蛋白质组学发现，在硬肉和嫩肉之间的sHSPs表达是可变的。目前关于肌肉中sHSPs的表达与肉嫩度的关系存在两种相互矛盾的观点。Carra等用蛋白质组学分析显示，HSP27的表达与牛肉韧性之间存在正相关关系。其原因可能是由于sHSPs作为分子伴侣能够维持蛋白质的功能完整性，而当HSP27和αβ-结晶蛋白的表达下调时，有利于肌动蛋白和肌球蛋白的水解从而提高肉的嫩度。Cramer等研究表明，HSP27的抗凋亡功能可能通过延迟肌肉细胞凋亡的发生和阻止半胱天冬酶-3的激活，在一定程度上有助于宰后肉的韧性。与之相反，Morzel等报道HSP27的表达与牛肉韧性呈显著负相关。与此同时，Guillemin等研究发现公牛的胸长肌中HSP27和HSP20表达水平要比半腱肌高。虽然在这些研究中没有剪切力的测量，但研究发现胸长肌的肉要比半腱肌更嫩。这在一定程度上支持了HSP27的表达与牛肉韧性呈负相关的观点。据报道，肉类在熟化过程中会发生蛋白质聚集，既能改变骨骼肌纤维蛋白的化学和物理识别位点又能降低其蛋白降解的敏感性。高浓度的sHSPs在胸长肌中被检出，以防止蛋白质聚集的形成，并促进肌肉纤维蛋白的水解，从而提高肉的嫩度。

2.4 sHSPs对牛肉肉色的影响

除了牛肉嫩度外，sHSPs的表达量与肉色也有相关性。Kim等研究表明，牛肉的HSP27和αβ-晶体蛋白浓度高，其对应的肉色是黑色的。与之相类似，αβ-晶体蛋白和HSP27的表达与肌肉L值呈显著负相关。已有报道，pH对肉类颜色有影响，牛肉的L值与pH呈显著负相关。这被认为是在较高pH的肉类中线粒体活动的增强，使得肌红蛋白保持在深色的还原肌红蛋白状态，而不是更吸引人的樱桃红氧合肌红蛋白状态。而且，屠宰前长期应激导致宰后牛肉pH升高，并诱导sHSPs的上调，从而使肉的色泽较暗。因此，可以推测深色肉类中较高水平的sHSPs与其在应激动物体内的上调是密切相关的。

3 展 望

本文主要就热应激对牛肉品质的影响进行了分析，并探讨了sHSPs影响牛肉肉质的机制，以期为今后更为广泛的环境因数与牛肉品质方面的研究提供相关思路。然而目前全球化的气温变暖是大趋势，国内科学家对品种改良优先追求的是高产性状而不是耐热性和气候适应，那么热应激对动物健康和生产性能的损害会继续存在，并在妊娠期间由后代获得。因此在保证高产性状和一定繁殖能力前提下，缓解动物热应激的品种遗传改良可以作为一条有效路径。另外热应激影响牛肉品质具体机制的研究较少，以后还需要进一步加强。