猪肌肉糖原酵解潜力的影响因素及其营养调控研究进展

杨媛媛，李 敬，赵青余，汤超华*，张军民，秦玉昌

（1.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；2.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，农业农村部华北动物遗传资源与营养科学观测实验站，北京 100193）

我国是世界上最大的生猪养殖和猪肉消费国家。国家统计局数据显示，自2013 年以来，由于生猪行业的大力发展与养殖技术的快速提高，我国猪肉产量趋于稳定[1]。随着生活水平的提高，人们更倾向选择肉质好、风味佳的猪肉，生产高质量猪肉产品成为肉类生产行业竞争的核心方向。糖酵解在宰后肌肉向肉转化的过程中发挥着重要作用。糖酵解潜力可反映糖酵解影响肉质的程度，与pH、肉色、嫩度、系水力密切相关，受遗传、环境、营养因素影响。增加日粮中碳水化合物水平可直接提高糖酵解底物含量，使糖酵解潜力上升[2]；添加硫酸镁可以减少糖酵解通量，提高肌肉pH 与系水力[3]；α-硫辛酸可以抑制一磷酸腺苷活化蛋白激酶（Adenosine Monophosphate-activated Protein Kinase，AMPK）活化，下调糖原磷酸化酶活性，减少PSE（Pale,Soft,Exudative）肉产生[4]。此外，日粮中添加肌酸[5-7]、草酸盐[8]、柠檬酸[9]等营养成分可影响糖酵解的底物含量、关键酶活性等，影响糖酵解速率，改善肉品质。本文综述了猪肌肉糖原酵解潜力的影响因素及其营养调控途径，为肉品质调控提供理论依据。

1 肉品质概述

猪肉品质是一个综合性状，主要度量指标有pH、肉色、系水力、嫩度、肌内脂肪、多汁性、风味等。其中肉色变化取决于肌肉中氧合肌红蛋白的生成与氧化[10]；系水力反映猪肉的持水能力，其值越高表明猪肉多汁性越好，肉品质优良，反之则肉品质较差；嫩度指肉易切割的程度，其客观评价指标为剪切力[11]。糖酵解产物乳酸的累积促使肌肉pH 变化，pH 下降速率与程度是反映动物宰后糖原酵解速率的重要指标，并且直接影响肉色、系水力、嫩度。

2 宰后肌肉糖原酵解潜力与肉品质

猪肉品质的形成受到养殖与屠宰加工过程中诸多因素的影响，其中屠宰后的肌肉代谢显著影响鲜肉的品质特征。动物屠宰后由于血液供应与呼吸作用的停止，随着氧气耗竭，细胞能量代谢由有氧呼吸转变为无氧呼吸，糖原酵解是宰后能量代谢的主要途径。糖酵解途径是无氧条件下，糖原经过一系列的酶促反应分解成乳酸并产生能量的过程[12]（图1），该过程可以持续到肌肉中相关酶活性丧失或肌糖原含量不足为止。随着乳酸的不断累积，肌肉的pH 由活体肌肉的7.0 最终降到5.7 左右[13]。肌肉pH 变化的速率和程度直接影响着肉品质的其他性状。因此，调控糖酵解途径，改变乳酸在肌肉中的累积过程，改变肌肉极限pH，可以为优质肉的生产提供基础。

2.1 糖原酵解潜力 肌肉糖原酵解潜力（Glycolysis Potential，GP）是体现活体肌糖原含量或死后肌肉中可转化为乳酸的所有糖类化合物含量高低的指标。其计算公式：GP=2×（糖原浓度+葡萄糖浓度+6-磷酸葡萄糖浓度）+乳酸浓度[14]。因此，糖酵解潜力可以由肌肉中的初始糖原、葡萄糖、6-磷酸葡萄糖和乳酸等综合反映[2]。肌肉初始糖原含量较高，GP 增强，pH 下降速率变缓，极限pH 变低。随着极限pH 下降，肌红蛋白变性，肉色变亮发白。当肌肉pH 接近蛋白等电点时（pH=5.4），蛋白质净电荷数为0，肌肉蛋白对水分的吸引力大大降低，系水力也最低[15]。同时pH 下降引起肌肉收缩，导致肌丝间的距离变小，肌肉储存水分空间减少造成肌肉水分流失[16]。若宰后肌糖原含量不足，pH 偏高，系水力变大，肌细胞水分过多，肌纤维会因紧密排列不发生收缩而变硬，使肌肉的剪切力增加，嫩度下降[17]。

2.2 糖原酵解潜力对肉品质的影响 糖酵解潜力的大小直接决定着pH 变化的程度与速率[18]，影响pH、肉色、嫩度、系水力等肉品质性状，是肉品质的评价指标之一。GP 增大意味着极限pH 下降，通过GP 可以解释猪肉极限pH 30%的变化[19]。GP 值越高，则肉色更加苍白（高L*）、泛黄（高b*），保水能力也更差[20-22]。GP 增大可以降低肉的剪切力，提升肉嫩度[23-24]。Rosenvold 等[25]减少日粮中糖原水平，发现肉pH 升高，导致钙激活蛋白活性下调，钙蛋白酶抑制剂活性上升，肌肉蛋白质降解减少，肉嫩度降低。因此，一定水平的糖酵解潜力对于保证优良的肉质有重要作用。

3 影响宰后肌肉糖酵解潜力的因素

3.1 遗传因素对宰后肌肉糖酵解潜力的影响 糖酵解潜力受基因类型的影响，猪肉质性状的3 个主效基因（氟烷基因、RN-基因、PRKAG3基因）在不同程度上影响糖酵解。氟烷基因会引起猪应激综合征（Porcine Stress Syndrome，PSS），PSS 猪在受到刺激后糖酵解速率大大提升，易产生PSE 肉。此外，氟烷基因的表达使与其连锁的磷酸己糖异构酶（Phosphohexose Isomerase，PHI）含量升高，6-磷酸葡萄糖与6-磷酸果糖之间的转化加强，糖原大量分解，肌肉极限pH 偏低[26]；RN-基因的携带者拥有高于正常猪70%的肌糖原含量和超高的糖酵解潜力，即使在糖酵解发生速率正常的情况下，宰后肌肉的pH 也会低于正常水平[27]。PRKAG3基因密码子的突变会抑制AMPK 激活与糖原酵解过程，是引起RN-效应的根本原因[28]。此外，一些微效基因也起着重要作用，如PHKG1编码糖原磷酸化酶激酶（Phosphorylase Kinase，PHK）的催化亚基，其不同剪切方式与骨骼肌中的糖原含量显著相关[29]。

图1 糖酵解的代谢过程[7]

3.2 宰前管理对宰后肌肉糖酵解潜力的影响 屠宰前，动物要经历装卸、运输、休息、禁食以及致晕等屠宰过程，在此过程中，动物产生应激，体内糖酵解速率加快，糖原过度消耗，造成劣质肉的产生。因此优化宰前管理在一定范围内可以对肉品质产生积极影响。宰前休息可以使由于运输而疲劳紧张的动物得到放松，体内的肌糖原水平得到恢复。Sutherland 等[30]用大量试验样本证明，应激后大概2 h，猪的生理参数才会回到基本水平。宰前禁食可以调控肌肉糖原池，影响糖酵解过程与极限pH[31]。宰前运输会引起畜禽体内的激素分泌和糖酵解相关酶活性的变化，不同的运输时间、季节、密度等均会对糖酵解产生影响。

3.3 营养因素对宰后肌肉糖酵解潜力的影响 动物宰后肌肉的代谢过程与宰前肌肉状态、营养成分含量、宰后处理方式密切相关。通过调控营养水平改变糖酵解潜力，可以改善肉品质。营养因素主要从3 个方面对糖酵解潜力产生影响（图2）：一是利用添加肌酸等延缓宰后肌肉中磷酸原系统的反应，延缓糖酵解的发生和pH 的下降，提高肉质[5-7]；二是通过对日粮中碳水化合物水平的调节对糖酵解底物含量进行调控，减少劣质肉的产生[2]；三是利用α-硫辛酸抑制AMPK 活化[4]、硫酸镁[3]和肌酸减少糖酵解通量、草酸盐减慢丙酮酸激酶反应[8]等营养素对糖酵解关键酶活性的影响来调控糖酵解发生过程。

4 糖原酵解潜力的营养调节

4.1 磷酸原系统 宰后早期肌肉中的ATP 首先来自于磷酸肌酸系统（即磷酸原系统），当70% 的磷酸肌酸池被消耗时，糖酵解才开始启动[5]。磷酸原系统通过肌肉中的肌酸激酶（Creatine Kinase，CK）催化ADP 和磷酸肌酸（Creatine Phosphate，Pcr）生成ATP 和肌酸（Creatine，Cr）来提供能量[13]（图3）。因此，调控磷酸原系统，可以间接影响糖酵解过程。这种调控可以通过提高肌肉中磷酸肌酸的含量与利用率、提高肌酸激酶活性，促进产生更多ATP。

肌酸可以通过提高骨骼肌细胞内的能量储存，延长磷酸原系统反应，延缓宰后肌肉糖酵解发生，降低肌肉中的乳酸含量。短期喂养高剂量肌酸能增强大鼠骨骼肌肌酸的释放和糖原的储存[32]。胍基乙酸是合成肌酸的内源性物质，在育肥猪饲粮中添加胍基乙酸可以显著提高细胞中肌酸含量与肌酸激酶活性，同时显著降低背最长肌和半腱肌中糖酵解的关键性限速酶己糖激酶（Hexokinase，HK）的活性和乳酸含量，延缓了宰后糖酵解发生和pH 下降[6-7]。宰前5 d 饲喂一水肌酸可以减缓死后肌肉pH 的下降速度并且减少肉的蒸煮损失[33]，而宰前10、15 d 饲喂一水肌酸则会使猪肉品质下降[34]。李蛟龙[35]研究发现，一水肌酸与胍基乙酸可以促进肌酸与磷酸肌酸在体内沉积，并激活AMPK 通路，从而提高肌肉中ATP 含量，降低糖酵解酶活性，延缓糖酵解进程。也有其他报道表明，淀粉含量低、脂肪和中性洗涤纤维含量较高的日粮可促进早期死后代谢中的Pcr 降解，通过降低糖酵解酶结合态酶活性降低肌肉糖酵解通量[5]。

图2 不同因素对糖酵解过程的影响途径

图3 磷酸原系统内的酶促反应[8]

磷酸原系统中的CK 能够通过提高宰后肌肉中Pcr的利用率延缓宰后糖酵解[24]。CK 在与底物结合时，其活性位点上的半胱氨酸残基起着重要的作用，但CK 易被氧化[2]。通过清除氧化因子可以提高CK 活性。Jiska等[36]研究表明，在氧化应激的条件下，活性氧（ROS）通过引发甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）中半胱氨酸的巯基修饰来抑制其活性，从而降低糖酵解通量。因此通过在日粮中加入抗氧化剂清除自由基，可以达到提高糖酵解相关酶活性的目的。Zhang 等[37]发现，育肥猪日粮中添加白藜芦醇引起肌纤维特性和抗氧化能力的改善，使糖酵解潜能、乳酸脱氢酶活性下降，并显著提高肌肉pH、肉色a 值和肌球蛋白含量。

4.2 糖酵解底物含量 日粮中的碳水化合物水平直接决定着畜禽屠宰时肌肉中的糖原含量，即糖酵解底物的含量。日粮中碳水化合物水平降低时，育肥猪背最长肌中的糖原水平显著下降，背最长肌、半腱肌的GP 下降、乳酸含量降低[38]。日粮中淀粉水平下降30%时，育肥猪背最长肌的乳酸含量和GP 显著降低，对肉品质有改善作用[2,39]。肌肉中的糖原水平低于53 mmol/kg 时，糖原浓度与极限pH 呈反比关系[40]。肌肉中的糖原含量过高时，动物应激导致糖酵解速率加快，造成pH 下降速度过快，温度升高而产生PSE 肉（极限pH 接近5.0）；糖原含量不足时，由于其快速耗竭，乳酸产量过少，pH 偏高，易产生DFD 肉（一般pH 大于6）。此外，日粮淀粉类型影响糖酵解进行，如直链淀粉含量高的日粮可促进Pcr 降解，抑制糖酵解速率，降低肥育猪的早期死后糖酵解[41]。

4.3 糖酵解相关酶活性

4.3.1 糖原磷酸化酶

4.3.1.1 AMPK 途径 一磷酸腺苷活化蛋白激酶（Adenosine Monophosphate-activated Protein Kinase，AMPK）是生物体内调节代谢的关键分子，可以间接增加糖酵解的通量。在体内研究中显示，AMPK 在缺血心肌和缺氧骨骼肌中被激活[42-43]，AMP/ATP 升高，使AMPK 活化。活化的AMPK 通过2 种途径来影响糖酵解：一是AMPK 能激活磷酸化酶激酶，被激活的磷酸化酶激酶进一步激活糖原磷酸化酶，从而促进糖原分解；二是AMPK 使磷酸果糖激酶-2 磷酸化，催化2，6-二磷酸果糖的形成。该产物是磷酸果糖激酶-1（糖酵解的关键限速酶）的变构激活剂[44]。

α-硫辛酸（α-Lipoic Acid，LA）是一种存在于食品中的强抗氧化剂，它可以通过抑制一磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）在宰后肌肉中的活化来减少糖酵解通量[45]。虽然α-硫辛酸下调AMPK 活性的具体机制尚不清楚，但许多研究证明了两者之间的相关性。例如，α-硫辛酸可以通过抑制AMPK，下调糖原磷酸化酶的活性，使宰后肌肉pH 升高，减少PSE 肉的产生[46]。育肥猪日粮中添加600 mg/kgα-硫辛酸，可以显著减少背膘厚、改善胴体品质、提高背最长肌宰后45 min 的pH，降低肌肉滴水损失[47-48]。总之，α-硫辛酸通过对AMPK 的抑制降低宰后糖酵解的速率，进而提高极限pH，可以达到优化肉品质的效果。

4.3.1.2 PKA 途径 肾上腺素可通过加快糖原分解速度显著增加乳酸的产生[49]。动物在应激状态下，体内释放去肾上腺素和促肾上腺素。肾上腺素能够参与物质代谢调节，在和β-受体结合时激活与其耦联的G 蛋白，促使肌细胞内释放环磷酸腺苷（cyclic Aenosine Monophosphate，cAMP）。cAMP 可以作为第二信使激活APK（cAMP依赖性蛋白激酶），将无活性的糖原磷酸化酶磷酸化激活，从而促进糖原降解。

日粮中添加镁可以降低肾上腺儿茶酚胺的分泌，减少cAMP 的形成，从而减少糖酵解通量[50-51]。镁还可以通过降低机体的应激反应，使肌肉细胞内容物渗出减少，保证肉色不会过浅。猪日粮中添加不同形式的镁元素可以提高肌肉初始pH，降低滴水损失与肌肉表面亮度，显著提高猪肉品质，降低PSE 肉的发生率[3,52]。饲粮乙酸镁可以改善携带氟烷基因杂合子育肥猪肉的肉色和系水力[53]。据报道，镁的添加剂量高于2 600～3 200 mg/kg 时，对猪肉品质无改善作用[54-55]，甚至会通过氧化作用降低猪肉品质[56]。此外，止痢草油也可以通过降低肠道氧化损伤，减少炎性因子产生，从而降低糖皮质激素分泌，减少肌肉以无氧酵解方式供能，减少乳酸的积累，防止pH 快速下降[57]。

4.3.2 磷酸果糖激酶-1（PFK-1） 磷酸果糖激酶-1（Phosphofructokinase-1，PFK-1）是糖酵解中关键的限速酶之一[58]，PFK-1 在糖酵解中催化6-磷酸果糖转化为1，6-二磷酸果糖，并产生ADP，其活性受到多种因素调节。有体外试验证明，其活性随着宰后糖酵解进行活性减弱[59]。柠檬酸是PFK-1 的变构抑制剂，已被证明可以抑制哺乳动物肌肉中的PFK-1[60]；ATP 对PFK-1的作用具有双重性。低浓度ATP 对PFK-1 具有激活作用，高浓度ATP 则相反；ATP 对PFK-1 的抑制效应可被AMP 解除，AMP/ATP 增加会提高PFK-1 活性。然而，AMP 一旦形成，即可通过AMP 脱氨酶催化反应转化为IMP。AMP 脱氨酶的丰度和活性影响PFK-1 活性。许多研究表明，降低AMP 脱氨酶活性可以延缓宰后pH 的下降[61-62]；当pH 下降时，氢离子浓度的升高对PFK-1 也有抑制作用。

柠檬酸作为PFK-1 的变构抑制剂，通过直接结合抑制其活性来减慢糖酵解进程。而乙酸则通过柠檬酸合酶在体内转化为柠檬酸盐，产生与柠檬酸类似的效果。Christian 等[8]用柠檬酸钠作为糖酵解抑制剂对肉嫩度进行改善，发现在僵直前使用400 mmol/L 柠檬酸钠处理可以增加肌肉嫩度。在小鼠死前2 h 饲喂不同浓度的乙酸，发现膳食乙酸能增强肝脏和骨骼肌糖原的含量[63]。在肝脏中，乙酸通过激活糖异生作用、优先利用6-磷酸葡萄糖来增强糖原的生成；在骨骼肌中，乙酸抑制糖酵解导致6-磷酸葡萄糖积累，糖原含量增加。但乙酸添加后造成风味损失限制了其在提高猪肉质量方面的使用。也有报道表明，猪在屠宰前口服柠檬酸钠与醋酸钠均不能有效抑制宰后糖酵解，改变宰后pH 或改善猪肉品质[64]。虽然柠檬酸作为糖酵解酶抑制剂发挥作用，但在畜禽日粮中添加柠檬酸对宰后肌肉品质的作用还有待进一步研究。

4.3.3 丙酮酸激酶（PK） 丙酮酸激酶（Pyruvate Kinase，PK）是糖酵解反应中的主要限速酶之一，它催化磷酸烯醇式丙酮酸将能量转移至ADP，生成丙酮酸和ATP。草酸盐可以抑制丙酮酸激酶反应。这是由于草酸盐与丙酮酸激酶的底物烯醇化物丙酮酸结构相似，发生竞争抑制作用，而减慢丙酮酸激酶反应[9]。将草酸钠作为糖酵解抑制剂添加到宰前饲粮中时，肌肉宰后pH 下降速度减缓，猪肉系水力提高；维生素C 在体内代谢产生草酸盐，起到抑制糖酵解的作用，但其在屠宰前的补充时间还有待研究[65]。有研究报道[66]，维生素C 通过抑制糖皮质激素合成来降低宰前应激反应的严重程度，从而减少肌肉内的葡萄糖和糖原含量。同时维生素C 本身是生物抗氧化剂，可提高猪肉脂肪的氧化稳定性，改善肉色[65]。

5 结 语

糖酵解潜力是影响猪肉品质的重要因素之一，影响肉的极限pH、肉色、嫩度、系水力等肉质性状。碳水化合物可以调控肌糖原含量，肌酸、硫酸镁、草酸盐可以延缓糖酵解进程，日粮营养是调控猪肌肉糖原酵解潜力的重要方式。在畜产品品质消费需求提升的大背景下，猪肉品质的营养调控将是产业界与学术界关注的热点，但对于各类营养素的补充时间、添加剂量以及其中的影响机制还有待深入研究。