畜禽宰后肌肉能量代謝與肉品質(zhì)研究進(jìn)展

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南長沙 410128)

畜禽的肌肉轉(zhuǎn)化為食用肉要經(jīng)過一系列有生理生化變化的熟化過程,而這一過程會伴隨著能量代謝。肌酸磷酸在肌肉能量代謝中起著能量貯藏庫的作用[1]。能量代謝所需的三磷酸腺嘌呤核苷酸(ATP)可由肌酸磷酸合成。當(dāng)肌酸磷酸的量消耗到一定程度時,糖酵解開始啟動,產(chǎn)生ATP。宰后肌肉的無氧糖酵解作用會一直持續(xù)到糖酵解酶失活或肌糖原耗盡。隨著糖酵解的進(jìn)行,乳酸含量逐漸增加,導(dǎo)致pH的下降。

肉質(zhì)的形成不僅與品種、遺傳、飼料、飼養(yǎng)管理等有關(guān),還與宰后成熟過程有關(guān)。宰后成熟過程的能量代謝對肉品質(zhì)的形成有著重要的影響?？焖倩蜻^度的糖酵解會導(dǎo)致白肌肉(pale soft and exudative meat,PSE)的產(chǎn)生,而糖酵解不足則會產(chǎn)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謝與pH下降程度影響著豬肉品質(zhì)特性的發(fā)展。由此可見,糖酵解過程對肉品的色澤、嫩度、風(fēng)味、多汁性、持水力、pH等肉質(zhì)指標(biāo)具有重要的影響。

因此了解宰后肌肉能量代謝,尤其是糖酵解過程及其對肉質(zhì)的影響,對肉質(zhì)調(diào)控具有極其重要的意義。本文從宰后能量代謝的基本過程、腺苷酸激活蛋白激酶(AMP-activatedproteinkinase,AMPK)對宰后肌肉能量代謝調(diào)節(jié)的機(jī)理以及對異常肉生成的影響、預(yù)防異常肉生成的措施等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了探討,為降低異常肉的產(chǎn)生、提高肉的整體品質(zhì)及降低肉品損失等提供參考。

1 宰后肌肉能量代謝概述

1.1 宰后肌肉能量代謝的基本途徑

直接供給肌肉代謝的能源物質(zhì)是ATP。對于活體肌肉,ATP的合成途徑除了肌酸磷酸(creatine phosphate,CP)補(bǔ)充外,還有糖酵解和有氧氧化途徑[1]。宰后畜禽會發(fā)生死后僵直,即尸僵。尸僵過程的生化本質(zhì)是宰后肌肉ATP、CP和糖原等能量代謝底物的逐步耗盡,一方面不斷水解ATP釋放能量、生成ADP,另一方面利用磷酸原系統(tǒng)(CK/CP system)和糖酵解系統(tǒng)將ADP轉(zhuǎn)化為ATP[3]。

1.2 尸僵

尸僵過程包括尸僵前期、尸僵期和尸僵后期。從屠宰后到出現(xiàn)僵直現(xiàn)象為止,即肌肉的彈性以非常緩慢的速度變化的階段,稱為尸僵前期;隨著彈性的迅速消失以至出現(xiàn)僵硬的階段稱為尸僵期;最后形成延伸性非常小的一定狀態(tài)到停止稱為尸僵后期[4]。尸僵前期,ATP和肌酸磷酸含量下降,無氧酵解反應(yīng)開始活躍;隨著ATP含量的不斷下降和磷酸肌酸的消失,肌動蛋白與肌動球蛋白相結(jié)合并使肌纖維發(fā)生延伸,形成尸僵強(qiáng)直狀態(tài);隨后組織蛋白酶開始釋放并活化,部分蛋白質(zhì)被水解成水溶性肽、氨基酸等,其食用品質(zhì)逐漸達(dá)到最佳狀態(tài)[3]。

1.3 磷酸原系統(tǒng)

磷酸原系統(tǒng)由肌酸磷酸(CP)與ATP組成。肌酸磷酸是肌肉中能量代謝的貯藏庫。當(dāng)肌纖維收縮時,結(jié)合在肌原纖維上的ATP酶將附近的ATP轉(zhuǎn)化為ADP以提供能量;產(chǎn)生的ADP在附著于肌原纖維外膜的肌酸激酶催化下,接受肌酸磷酸的高能磷酸根,重新轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP;肌酸磷酸提供高能磷酸根后轉(zhuǎn)變?yōu)榧∷?肌酸向線粒體擴(kuò)散并進(jìn)入線粒體的內(nèi)外膜之間,在肌酸激酶催化下,接受呼吸鏈產(chǎn)生的ATP的高能磷酸根,重新轉(zhuǎn)變?yōu)榧∷崃姿?肌酸磷酸逸出線粒體,返回肌原纖維,在肌原纖維肌酸激酶的催化下,再次轉(zhuǎn)移高能磷酸根給ADP,生成的ATP又用于肌原纖維的收縮;肌酸磷酸的能量往返機(jī)制如圖1所示[1]。當(dāng)?shù)孜锛∷崃姿嵯牡揭欢ǔ潭?糖酵解途徑開始啟動[5]。最后磷酸原系統(tǒng)供能被糖酵解供能所替代。

圖1 肌酸磷酸能量往返機(jī)制Fig.1 Creatine phosphate energy transport mechanism

1.4 糖酵解系統(tǒng)

畜禽的肌肉轉(zhuǎn)化為食用肉需要經(jīng)過一系列生化變化,糖酵解是其中的一個重要過程。肌肉糖酵解是指在無氧條件下,葡萄糖經(jīng)歷一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸?產(chǎn)生的丙酮酸由煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NADH)還原為乳酸的過程;催化糖酵解反應(yīng)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變化過程中起到至關(guān)重要的作用。糖酵解系統(tǒng)的各組分,如肌糖原,糖酵解酶等,以及糖酵解潛力和糖酵解速率都是影響宰后肉質(zhì)量變化的主要因素,它們的變化影響極限pH或受極限pH影響,進(jìn)而影響色澤、嫩度、持水性、多汁性、風(fēng)味等直接反映肉品質(zhì)的指標(biāo)[6]。

2 異常肉的產(chǎn)生與AMPK對宰后肌肉能量代謝的調(diào)節(jié)

AMPK是調(diào)控宰后肌肉糖酵解重要的酶。AMPK對糖酵解的調(diào)控作用影響著肉品性狀的形成以及PSE肉、DFD肉等異常肉的產(chǎn)生。

2.1 PSE肉的產(chǎn)生

PSE肉的產(chǎn)生是由于快速或過度的糖酵解導(dǎo)致的,宰后初期減緩糖酵解是解決PSE肉問題的關(guān)鍵。PSE肉的肉色蒼白、質(zhì)地松軟、幾乎軟塌、表面滲水。宰后肌肉初期過快或過度的糖酵解會導(dǎo)致乳酸過早的積累以及pH的快速下降;快速糖酵解也會產(chǎn)生大量的熱,這會使得胴體溫度升高;加之宰后早期在低pH狀況下,高溫會增加肌肉蛋白質(zhì)的變性,從而導(dǎo)致肉的顏色蒼白以及持水性降低。在上述條件下,肌球蛋白變性和收縮,進(jìn)而導(dǎo)致肌絲間的間距縮小以至肌細(xì)胞失水。PSE肉在烹調(diào)后會產(chǎn)生高的滴水損失、低的烹調(diào)產(chǎn)率以及堅硬的質(zhì)地。此外,蛋白質(zhì)的變性會導(dǎo)致肌肉蛋白質(zhì)的提取率降低。

過度追求豬肉的瘦肉率而不注重脂肪沉積的影響導(dǎo)致PSE肉的發(fā)生率提高[7-8]。對高瘦肉率的篩選會導(dǎo)致快速糖酵解(fast-twitch glycolytic,FG)肌纖維數(shù)量的增加以及慢速氧化型(slow-twitch oxidative,SO)肌纖維數(shù)量的減少。PSE肉的問題在豬肉和家禽很常見,但幾乎不可能發(fā)生于牛肉[9]。這是因為相對豬肌肉而言,牛肉FG肌纖維的比例相對較低。但在宰后糖酵解過程中,因散熱較慢而處于較高的溫度下,牛的腰大肌、臀肌等肌肉則可能變成PSE肉。

2.2 DFD肉的產(chǎn)生

DFD肉是由于糖酵解不足導(dǎo)致的。DFD肉的肉色較深,質(zhì)地堅硬且外表干燥。糖酵解不足使得最終的肌肉pH較高,在高的pH下,線粒體呼吸消耗氧氣,產(chǎn)生脫氧血紅蛋白,使肌肉呈現(xiàn)深紅色。有研究表明糖酵解潛力100 μmol/g是出現(xiàn)DFD肉的門檻[10]。肌肉糖原的缺乏導(dǎo)致宰后肌肉具有高的pH,轉(zhuǎn)變成的DFD肉[11-12]。影響宰后肌肉糖原含量的因素也會直接影響DFD肉的產(chǎn)生,增加肌肉中糖原含量可以解決產(chǎn)生DFD肉的問題。

2.3 AMPK對宰后肌肉能量代謝的調(diào)控機(jī)制

2.3.1 AMPK的調(diào)節(jié)機(jī)制 AMP激活的蛋白激酶,又稱腺苷酸激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶,它由三個亞基構(gòu)成:一個起催化作用的亞基(α)、兩個起調(diào)節(jié)作用的亞基(β和γ),其關(guān)鍵功能是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的能量平衡。因此,AMPK常被視為細(xì)胞內(nèi)的能量傳感器以及重要能量代謝的開關(guān)。當(dāng)ATP耗減時,或者說AMP/ATP增加時,AMPK被激活[13],一旦被激活,AMPK會磷酸化下游底物。AMPK的生物學(xué)效應(yīng)具有多效性,它能夠關(guān)閉諸如生物合成途徑等消耗ATP的過程,啟動糖酵解等分解代謝過程產(chǎn)生ATP[14-15]。當(dāng)心臟缺血或骨骼肌缺氧時,AMPK即被激活。被激活的AMPK通過兩條信號通路來增加體內(nèi)的糖酵解。第一條信號通路: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產(chǎn)生、控制糖酵解[16-17]。第二條信號通路:AMPK磷酸化和活化磷酸鈣激酶-2(PFK-2)以調(diào)節(jié)糖酵解[18],PFK-2能催化2,6-二磷酸果糖的產(chǎn)生。2,6-二磷酸果糖是PFK-1重要的變構(gòu)激活劑,PFK-1是糖酵解最重要的限速酶。將純化的AMPK對PFK-2進(jìn)行體外磷酸化進(jìn)一步證實AMPK與糖酵解的增加直接相關(guān)[18]。

2.3.2 AMPK影響PSE肉生成的機(jī)制 對老鼠的試驗證明,在老鼠安樂死前對其注射AMPK激活劑會導(dǎo)致其死后肌肉pH的下降速度加快以及更低的終點pH[19],而與對照組相比,抑制AMPK的活性會使死后肌肉有更高的pH和更低的乳酸積累[20]。此外,在小鼠飲食中補(bǔ)充補(bǔ)充α-脂肪酸會抑制死后APMK的活性,并且導(dǎo)致死后糖酵解減弱而使得終點pH升高[21]。所有這些結(jié)果清楚表明了AMPK能調(diào)節(jié)小鼠死后肌肉的糖酵解,這使得通過抑制宰后肌肉中AMPK的活性來減少PSE肉的產(chǎn)生成為可能。但老鼠與豬的基因顯然是不同的,老鼠和豬死后肌肉代謝的非遺傳條件也有很大的不同。在宰后初期,AMPK被激活并且具有更高的活性,而在宰后半小時內(nèi),對于PSE肉發(fā)生率高的肌肉,這一現(xiàn)象尤為明顯[22]。宰前應(yīng)激也會增加PSE肉的發(fā)生率和宰后早期豬腰肉中AMPK的活性,這一發(fā)現(xiàn)與前面的觀點相呼應(yīng)[23]。宰前運輸、氟烷基因會使宰后肌肉有較高的IMP含量以及[AMP+IMP]/ATP增大,加大能量的消耗[24],較低的能量水平會激活A(yù)MPK,活化的AMPK增強(qiáng)宰后初期肌肉的糖酵解,這會使PSE肉的發(fā)生率增加。在動物屠宰前運輸后進(jìn)行宰前休息能恢復(fù)動物宰前肌肉的能量狀態(tài),能量狀態(tài)恢復(fù)正常能夠防止宰后肌肉初期AMPK的快速激活,減小宰前運輸對肉品質(zhì)的負(fù)面影響。

2.3.3 AMPK影響DFD肉生成的機(jī)制 糖酵解不足會導(dǎo)致DFD肉的產(chǎn)生,而對嚙齒類動物的研究表明,AMPK對糖原的積累起到了調(diào)節(jié)的作用。AMPK是能量代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)者,一旦被激活,AMPK能加強(qiáng)從血液中攝入葡萄糖,以此增加肌肉中糖原的含量[25];活化的AMPK也能通過增強(qiáng)糖原分解和糖酵解來促進(jìn)糖原動員[26]。另外,AMPK會使異型的糖原合成酶(GS)磷酸化而減弱糖原的動員[27]。這導(dǎo)致AMPK被激活后肌肉糖原的凈含量增加。漢普郡(Hampshire)豬身上的AMPKγ亞基Arg200突變成Gln很好地證明了AMPK 在糖原累積中的作用,這種位點突變能夠增強(qiáng)AMPK的活性、增加肌肉葡萄糖的攝入,從而加強(qiáng)糖原的積累[28]。

3 異常肉的預(yù)防

影響宰后肌肉能量代謝的因素有很多,控制這些因素對預(yù)防劣質(zhì)肉的產(chǎn)生、保證肉品品質(zhì)有著重要的作用。

3.1 PSE肉的預(yù)防

3.1.1 宰前休息 在宰前運輸時,在環(huán)境等因素的刺激下,畜禽容易因過度緊張而產(chǎn)生疲勞,從而導(dǎo)致血液循環(huán)加速、體溫升高、正常的生理機(jī)能受到抑制,進(jìn)而降低了機(jī)體的抵抗力,使得微生物容易侵入血液而加速肉腐敗。因此畜禽在運到屠宰場后不宜立即宰殺,需要讓其在指定的圈舍內(nèi)休息一段時間。宰前休息有利于放血和減少應(yīng)激反應(yīng),對提高肉的品質(zhì)有重要的作用。研究表明,在宰前運輸后進(jìn)行3 h的宰前休息能減少PSE肉的發(fā)生,顯著提高肉的品質(zhì)[29]。

3.1.2 補(bǔ)充維生素 動物飲食中補(bǔ)充維生素對防止PSE肉的發(fā)生有一定的作用。維生素主要以輔酶和催化劑的形式廣泛參與動物體內(nèi)代謝的多種化學(xué)反應(yīng),從而保證機(jī)體組織器官的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能,以維持動物的健康和各種生產(chǎn)活動[30]。研究表明,給雞補(bǔ)充維生素可以提高其抗熱應(yīng)激的能力,抑制PSE禽肉的產(chǎn)生,提高肉的功能特性[31]。維生素E可以提高肉的品質(zhì),這與它能夠抑制磷脂氧化、保證細(xì)胞膜的完整性有關(guān)。飲食中添加維生素E可以防止肉中脂肪氧化,提高鮮肉色澤的穩(wěn)定性[32]。另外,宰前補(bǔ)充維生素E可以提高豬肉的持水性、改善豬肉的色澤[33]。

3.1.3 補(bǔ)充鎂 鎂是家禽的重要的營養(yǎng)元素。大多數(shù)家禽養(yǎng)殖應(yīng)用的配合飼料中已含有足夠量的鎂,使得其不像現(xiàn)實中那樣缺乏。然而,在一些條件下,比如為維持或提高禽肉品質(zhì),額外添加鎂是可行的[34]。宰前補(bǔ)充鎂可以降低宰后糖酵解的速率,提高肉的品質(zhì)[35]。動物飲食中補(bǔ)充鎂也會降低血漿中去甲腎上腺素的濃度[36],減輕宰前應(yīng)激對肉品質(zhì)的不利影響[35-37]。因此,宰前補(bǔ)充鎂可以減小PSE肉的發(fā)生率。另外,飲食中補(bǔ)充鎂可以減少宰后早期肌肉中乳酸的積累,在不影響糖原含量的條件下減少PSE肉的產(chǎn)生[38]。但飲食中補(bǔ)充鎂對肉的最終pH沒有影響[38]。

3.1.4 補(bǔ)充色氨酸 近年來,隨著低蛋白質(zhì)日糧的普及和晶體賴氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸在配合飼料中的廣泛使用,使得色氨酸成為豬飼料中主要的限制性氨基酸。除參與合成體蛋白外,色氨酸及其代謝產(chǎn)物對豬的生長、免疫、應(yīng)激、采食和肉品質(zhì)等多個方面有影響,是最復(fù)雜的必需氨基酸(AA)之一[39]。當(dāng)受到應(yīng)激時,豬體內(nèi)色氨酸的含量會減少[40]。飲食中添加足夠量的色氨酸會增加生長育肥豬大腦血清素的合成[40],減少應(yīng)激反應(yīng)和PSE肉的產(chǎn)生[41]。

3.1.5 宰后肉原料的及時處理 宰后胴體處理得及時與否對肉的品質(zhì)有顯著的影響,這與動物宰后的溫度有關(guān)。延遲宰后處理會增加胴體在高溫下的時間,使胴體的糖酵解程度加劇,此外還增加了肌肉變質(zhì)腐敗的可能性。由此可見,過慢的宰后胴體加工速度會嚴(yán)重影響原料肉和肉品的品質(zhì)。屠宰后胴體處理速度(從放血到胴體進(jìn)入冷庫的時間)對肉品質(zhì)影響的研究表明,相對于正常的胴體處理速度(45 min),延緩處理(70 min)會增加PSE肉的發(fā)生率[42]。因此,在畜禽宰殺后,及時處理胴體肉是生產(chǎn)符合品質(zhì)要求肉產(chǎn)品的必要措施。

3.1.6 快速冷卻 有研究認(rèn)為,用液氮加速冷卻可以在不影響肌肉初始糖原含量的條件下防止PSE肉的產(chǎn)生[43]。實際上,快速冷卻能使宰后早期肌肉達(dá)到較低的溫度狀態(tài)而延緩糖酵解、防止蛋白質(zhì)變性,從而減少PSE肉的產(chǎn)生。這種較低的糖酵解速率應(yīng)該是由于低溫使酶的活性降低而與糖原含量無關(guān),因為肌肉最初的糖原含量理論上應(yīng)該是一樣的[43-44]。這表明,在低溫條件下,是糖酵解酶而不是肌肉糖原的含量,影響著早期糖酵解的速率。總之,加速冷卻之所以可以減少PSE肉發(fā)生、提高肉品質(zhì)是由于低溫會降低糖酵解酶的活性和宰后糖酵解的速率,還能減緩蛋白質(zhì)的降解,從而減少PSE肉的發(fā)生[8]。

3.2 DFD肉的預(yù)防

相對于糖原含量,酶的活性對于PSE肉生成的影響更為重要,RN-豬是證明此觀點最有力的例子。RN-表型是AMPK的γ3亞基突變的結(jié)果[45]。RN-豬骨骼肌的糖原含量要比正常的高出70%[46]。與PSE肉不同的是,RN-豬會產(chǎn)生不同于PSE肉的非常低的最終pH的“酸肉”[47]。相當(dāng)于其他豬,RN-豬在宰后早期肌肉不會發(fā)生糖酵解增強(qiáng)的情況[48]。這進(jìn)一步表明肌肉中的糖原含量不是PSE產(chǎn)生的決定性因素,然而卻是影響DFD肉生成至關(guān)重要的因素。由于牛肉中糖原儲備比豬肉低得多,因此DFD肉在牛肉中較常見。宰前因素如天氣、牛的健康狀況和驅(qū)趕方式,宰后處理如氣調(diào)包裝和乳酸處理等都會影響DFD牛肉的發(fā)生率。雖然DFD牛肉不能從根本上消除,但是可以通過宰前因素和宰后處理兩方面控制DFD牛肉的發(fā)生率,尤其是宰前因素對劣質(zhì)牛肉的影響必須引起生產(chǎn)者的足夠重視[49]。

4 展望

宰后肌肉能量代謝會引起肌肉pH的下降,pH的下降速度和程度對肉品質(zhì)肉重要的影響。宰后肌肉能量代謝的基本途徑包括磷酸原系統(tǒng)和糖酵解,當(dāng)磷酸原系統(tǒng)的底物肌酸磷酸消耗到一定程度,糖酵解途徑開始啟動,最后磷酸原系統(tǒng)供能被糖酵解供能所替代。基于現(xiàn)狀,今后有關(guān)宰后肌肉能量代謝與肉品質(zhì)關(guān)系的研究需要從以下方面進(jìn)行研究:宰后肌肉pH的變化與肉中蛋白質(zhì)變性、脂肪氧化等影響肉品質(zhì)的反應(yīng)的關(guān)系;宰后肌肉能量代謝過程中磷酸原系統(tǒng)與糖酵解能量供應(yīng)關(guān)系及其對pH的影響;篩選出肉質(zhì)性狀密切相關(guān)的宰后能量代謝狀態(tài)的指標(biāo),深入研究分析這些指標(biāo)形成的機(jī)理,以實現(xiàn)從宰后肌肉的能量代謝層面精準(zhǔn)調(diào)控肉的品質(zhì)。