(湖南農業(yè)大學食品科學技術學院,湖南長沙 410128)

畜禽的肌肉轉化為食用肉要經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。當肌酸磷酸的量消耗到一定程度時,糖酵解開始啟動,產生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。隨著糖酵解的進行,乳酸含量逐漸增加,導致pH的下降。

肉質的形成不僅與品種、遺傳、飼料、飼養(yǎng)管理等有關,還與宰后成熟過程有關。宰后成熟過程的能量代謝對肉品質的形成有著重要的影響。快速或過度的糖酵解會導致白肌肉(pale soft and exudative meat,PSE)的產生,而糖酵解不足則會產生黑干肉(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特性的發(fā)展。由此可見,糖酵解過程對肉品的色澤、嫩度、風味、多汁性、持水力、pH等肉質指標具有重要的影響。

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的影響,對肉質調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節(jié)的機理以及對異常肉生成的影響、預防異常肉生成的措施等方面的研究進展進行了探討,為降低異常肉的產生、提高肉的整體品質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是ATP。對于活體肌肉,ATP的合成途徑除了肌酸磷酸(creatine phosphate,CP)補充外,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合并使肌纖維發(fā)生延伸,形成尸僵強直狀態(tài);隨后組織蛋白酶開始釋放并活化,部分蛋白質被水解成水溶性肽、氨基酸等,其食用品質逐漸達到最佳狀態(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。當肌纖維收縮時,結合在肌原纖維上的ATP酶將附近的ATP轉化為ADP以提供能量;產生的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,重新轉變?yōu)锳TP;肌酸磷酸提供高能磷酸根后轉變?yōu)榧∷?肌酸向線粒體擴散并進入線粒體的內外膜之間,在肌酸激酶催化下,接受呼吸鏈產生的ATP的高能磷酸根,重新轉變?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制如圖1所示[1]。當?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制Fig.1 Creatine phosphate energy transport mechanism

1.4 糖酵解系統(tǒng)

畜禽的肌肉轉化為食用肉需要經過一系列生化變化,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,葡萄糖經歷一系列反應轉變?yōu)楸?產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,進而影響色澤、嫩度、持水性、多汁性、風味等直接反映肉品質的指標[6]。

2 異常肉的產生與AMPK對宰后肌肉能量代謝的調節(jié)

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

2.1 PSE肉的產生

PSE肉的產生是由于快速或過度的糖酵解導致的,宰后初期減緩糖酵解是解決PSE肉問題的關鍵。PSE肉的肉色蒼白、質地松軟、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致乳酸過早的積累以及pH的快速下降;快速糖酵解也會產生大量的熱,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的變性,從而導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,進而導致肌絲間的間距縮小以至肌細胞失水。PSE肉在烹調后會產生高的滴水損失、低的烹調產率以及堅硬的質地。此外,蛋白質的變性會導致肌肉蛋白質的提取率降低。

過度追求豬肉的瘦肉率而不注重脂肪沉積的影響導致PSE肉的發(fā)生率提高[7-8]。對高瘦肉率的篩選會導致快速糖酵解(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肉的產生

DFD肉是由于糖酵解不足導致的。DFD肉的肉色較深,質地堅硬且外表干燥。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]。肌肉糖原的缺乏導致宰后肌肉具有高的pH,轉變成的DFD肉[11-12]。影響宰后肌肉糖原含量的因素也會直接影響DFD肉的產生,增加肌肉中糖原含量可以解決產生DFD肉的問題。

2.3 AMPK對宰后肌肉能量代謝的調控機制

2.3.1 AMPK的調節(jié)機制 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,它由三個亞基構成:一個起催化作用的亞基(α)、兩個起調節(jié)作用的亞基(β和γ),其關鍵功能是調節(jié)細胞內的能量平衡。因此,AMPK常被視為細胞內的能量傳感器以及重要能量代謝的開關。當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的生物學效應具有多效性,它能夠關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生ATP[14-15]。當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)以調節(jié)糖酵解[18],PFK-2能催化2,6-二磷酸果糖的產生。2,6-二磷酸果糖是PFK-1重要的變構激活劑,PFK-1是糖酵解最重要的限速酶。將純化的AMPK對PFK-2進行體外磷酸化進一步證實AMPK與糖酵解的增加直接相關[18]。

2.3.2 AMPK影響PSE肉生成的機制 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,在小鼠飲食中補充補充α-脂肪酸會抑制死后APMK的活性,并且導致死后糖酵解減弱而使得終點pH升高[21]。所有這些結果清楚表明了AMPK能調節(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,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[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AMPK,活化的AMPK增強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行宰前休息能恢復動物宰前肌肉的能量狀態(tài),能量狀態(tài)恢復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的負面影響。

2.3.3 AMPK影響DFD肉生成的機制 糖酵解不足會導致DFD肉的產生,而對嚙齒類動物的研究表明,AMPK對糖原的積累起到了調節(jié)的作用。AMPK是能量代謝的關鍵調節(jié)者,一旦被激活,AMPK能加強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也能通過增強糖原分解和糖酵解來促進糖原動員[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AMPK的活性、增加肌肉葡萄糖的攝入,從而加強糖原的積累[28]。

3 異常肉的預防

影響宰后肌肉能量代謝的因素有很多,控制這些因素對預防劣質肉的產生、保證肉品品質有著重要的作用。

3.1 PSE肉的預防

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生疲勞,從而導致血液循環(huán)加速、體溫升高、正常的生理機能受到抑制,進而降低了機體的抵抗力,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休息一段時間。宰前休息有利于放血和減少應激反應,對提高肉的品質有重要的作用。研究表明,在宰前運輸后進行3 h的宰前休息能減少PSE肉的發(fā)生,顯著提高肉的品質[29]。

3.1.2 補充維生素 動物飲食中補充維生素對防止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代謝的多種化學反應,從而保證機體組織器官的細胞結構和功能,以維持動物的健康和各種生產活動[30]。研究表明,給雞補充維生素可以提高其抗熱應激的能力,抑制PSE禽肉的產生,提高肉的功能特性[31]。維生素E可以提高肉的品質,這與它能夠抑制磷脂氧化、保證細胞膜的完整性有關。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,額外添加鎂是可行的[34]。宰前補充鎂可以降低宰后糖酵解的速率,提高肉的品質[35]。動物飲食中補充鎂也會降低血漿中去甲腎上腺素的濃度[36],減輕宰前應激對肉品質的不利影響[35-37]。因此,宰前補充鎂可以減小PSE肉的發(fā)生率。另外,飲食中補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肉的產生[38]。但飲食中補充鎂對肉的最終pH沒有影響[38]。

3.1.4 補充色氨酸 近年來,隨著低蛋白質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,色氨酸及其代謝產物對豬的生長、免疫、應激、采食和肉品質等多個方面有影響,是最復雜的必需氨基酸(AA)之一[39]。當受到應激時,豬體內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],減少應激反應和PSE肉的產生[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有顯著的影響,這與動物宰后的溫度有關。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腐敗的可能性。由此可見,過慢的宰后胴體加工速度會嚴重影響原料肉和肉品的品質。屠宰后胴體處理速度(從放血到胴體進入冷庫的時間)對肉品質影響的研究表明,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符合品質要求肉產品的必要措施。

3.1.6 快速冷卻 有研究認為,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肉的產生[43]。實際上,快速冷卻能使宰后早期肌肉達到較低的溫度狀態(tài)而延緩糖酵解、防止蛋白質變性,從而減少PSE肉的產生。這種較低的糖酵解速率應該是由于低溫使酶的活性降低而與糖原含量無關,因為肌肉最初的糖原含量理論上應該是一樣的[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,還能減緩蛋白質的降解,從而減少PSE肉的發(fā)生[8]。

3.2 DFD肉的預防

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-豬會產生不同于PSE肉的非常低的最終pH的“酸肉”[47]。相當于其他豬,RN-豬在宰后早期肌肉不會發(fā)生糖酵解增強的情況[48]。這進一步表明肌肉中的糖原含量不是PSE產生的決定性因素,然而卻是影響DFD肉生成至關重要的因素。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、牛的健康狀況和驅趕方式,宰后處理如氣調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牛肉的影響必須引起生產者的足夠重視[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?；诂F(xiàn)狀,今后有關宰后肌肉能量代謝與肉品質關系的研究需要從以下方面進行研究:宰后肌肉pH的變化與肉中蛋白質變性、脂肪氧化等影響肉品質的反應的關系;宰后肌肉能量代謝過程中磷酸原系統(tǒng)與糖酵解能量供應關系及其對pH的影響;篩選出肉質性狀密切相關的宰后能量代謝狀態(tài)的指標,深入研究分析這些指標形成的機理,以實現(xiàn)從宰后肌肉的能量代謝層面精準調控肉的品質。