畜禽肉中代謝物質對肉品質的影響及相關基因研究進展

張 潤，楊 曼，王立賢，張龍超

(中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京100193)

民以食為天，食以肉為先。肉類是餐桌上必不可少的食物，隨著經濟的發展，消費者對肉類的品質、新鮮度和衛生的要求日益提升，其中肉品質已成為了消費者和育種者共同關注的核心元素。肉品質主要指大理石紋(肌內脂肪含量)、顏色、嫩度和風味等，尤其是風味直接影響食用感受，深受市場和消費者追捧，而風味主要是由肉中的各類代謝物質的含量及復雜的化學反應決定。

1 肉類中與風味相關的代謝物質

肉產品中影響風味的代謝物質主要分為兩大類：一類是親水性代謝物，主要有氨基酸、肽類、核苷酸、輔酶和維生素、糖類、有機酸、生物堿等；另一類是脂質，主要分為脂肪酰類、甘油脂類、甘油磷脂類、鞘脂類、甾醇脂類五大類。這些代謝物質本身并無特殊的香味，但經過一系列反應產生帶香味的揮發性化合物，最終導致肉有獨特的風味，又稱其為風味前體物質。揮發性化合物種類的化學結構變化很大，包括醛類、酮類、烴類、吡嗪類、酸類、酯類、醇類、含氮和含硫化合物以及其他雜環化合物；這些揮發性風味成分一部分取決于脂質氧化產物的不同，另一部分取決于不飽和脂肪酸的含量，不飽和脂肪酸的含量與香味濃度成正比。許多蛋白質的水解和脂肪的分解反應也參與了肉制品風味物質或風味前體物質的形成。據報道，風味與香氣和其他的感官屬性比如嫩度和多汁性等都被認為是影響消費者購買決策的最重要的標準。

常用來測定代謝物的技術有核磁共振(NMR)、氣相色譜與質譜聯用儀(GC-MS)、液相色譜與質譜聯用儀(LC-MS)。核磁共振波譜為代謝物提供了獨特的結構信息，尤其是與色譜聯用時。然而，質譜允許以分子分辨率同時檢測數千個離子，相比之下，核磁共振具有靈敏度和樣品復雜性的限制。色譜分離與質譜聯用能夠簡化質譜并有助于代謝物分配。目前，液相色譜因其能夠同時進行大量分子鑒定和定量，在與質譜聯用的組學研究中處于領先地位。

2 肉類風味形成過程中的化學反應

肉類產品風味的發展過程是非常復雜的，肉類在沒有進行烹飪或者其他處理之前帶有腥味和咸味，烹飪過程中的維生素降解、脂質氧化、脂質氧化產物與美拉德反應產物的相互作用以及美拉德反應過程中加熱導致的熱誘導反應產生了揮發性風味成分，這些揮發性風味成分決定了熟肉的特征香氣和風味。

2.1 美拉德反應

美拉德反應是游離氨基酸、肽或蛋白質的胺基與還原糖或羰基組分的羰基反應性基團之間的非酶促褐變。發生美拉德反應需要特定的條件：溫度須達到20～25 ℃，隨著溫度的升高反應速度也隨之加快，通常在約140～165 ℃下快速進行；含水量也是反應的重要條件，含水量在10%～15%時易發生，完全干燥的食品很難發生。其過程主要分為3個階段：初級階段，中期階段和最后階段。初級階段指氨基酸的氨基與糖的羰基反應初步生成糖亞胺，繼而生成葡糖胺，若參與反應的是醛糖，會發生阿瑪多利重排反應最終生成氨基脫氧酮糖；若是酮糖，發生上述反應則會發生Heys重排最終生成的物質為氨基脫氧醛糖。中期階段的反應比較復雜分為3種類型：脫水脫氨反應、糖裂解反應和斯特雷克反應，其中脫水脫氨反應指糖亞胺和其他的葡糖胺重排產物通過脫水、脫氨、環化等生成糠醛，在pH不同時，葡糖胺重排產物會發生不同位置的烯醇化，生成羰基甲呋喃醛與還原酮類；糖裂解反應指在前邊反應中產生的糖亞胺和還原酮等通過逆羥醛縮合、氧化裂解、脫水反應裂解為甘油醛、丙酮醇等分子量小的揮發性產物，在美拉德反應系統中，D-木糖、L-半胱氨酸和硫胺素是產生肉味含硫氣味的重要前體；斯特雷克反應指α-氨基酸在α-二羰基化合物的作用下發生轉氨反應轉化成酮類物質，而氨基連接在α-二羰基化合物上生成α-氨基酮。斯特雷克反應過程中生成的醛類、酮類是重要的風味物質，也可作為中間產物發生反應最后生成吡嗪、吡啶、芳香環類化合物。最后階段指前兩個階段生成的化合物與其他組分的相互作用，這些中間產物形成了許多重要的風味化合物，L-阿拉伯糖與蘇氨酸反應產生薄荷酮，其具有青草香味。

2.2 脂質氧化反應

脂質氧化主要有兩種途徑：一種是不飽和脂肪酸中的雙鍵氧化生成過氧化物，然后發生降解形成酮、醛、烴、醇、羧酸等有香味的物質；一種是醇類和酸類發生脫水縮合生成酯類。主要包括3個時期：引發期、增殖期和終止期。引發期發生時，脂肪酸失去一個活性氫原子形成烷自由基；在增殖期時，烷自由基和氧分子發生反應生成過氧化物自由基，然后過氧化物自由基又從另一脂肪酸分子中奪取一個氫形成氫過氧化物，氫過氧化物是自動氧化的主要產物；在終止期，兩個自由基相互結合或一個自由基和一個質子供體之間反應形成穩定的分子。肉中的脂質氧化取決于天然抗氧化劑、氧化劑的含量和脂肪酸的多不飽和度。肉含有引發劑、催化劑和中間體的組合。鐵可能是通過產生羥基自由基引發脂質過氧化的主要催化劑。有研究報告稱，生肉氣味和熟肉風味與生肉中由于脂質氧化而存在的脂質衍生化合物密切相關。熱處理可以通過產生自由基和鈍化固有的抗氧化防御系統來加速脂質氧化的發展。脂質氧化是肉味形成的必要因素，少量的脂肪酸氧化可以顯著改變肉味，并經分析證實6種脂肪酸(9c-C18:1油酸、9t-C18:1反油酸、10c-C17:1十七碳烯酸、9c、12c-C18:2亞油酸、C18:0硬脂酸和9c-C16:1棕櫚油酸)可能是豬肉風味前體代謝物。脂質氧化還會導致腐臭氣味、異味、變色、營養價值損失和儲存貨架期縮短，并產生可能對人類健康構成風險的化合物。熟肉香味是美拉德反應形成的香味化合物和多不飽和脂肪酸氧化裂解所產生的不良氣味化合物之間的一種微妙的平衡。Wei等提出，將一定程度的脂肪氧化應用于美拉德反應體系，通過脂肪的熱氧化和降解產生肉的特征風味。

3 肉中代謝物質對肉品質的影響

3.1 脂溶性代謝物質

在加熱過程中，不飽和脂肪酸降解并產生許多風味化合物。此外，脂肪酸可以與美拉德反應生成物反應，形成氣味閾值較低的風味化合物，對風味的影響較大。Mottram等在正常肉和不含甘油三酯的脫脂肉之間的比較中發現，肉的風味沒有區別，而正常肉和不含甘油三酯和磷脂的脫脂肉之間的比較顯示出顯著的差異，因此認為主要是磷脂產生了風味化合物；Tikk等認為，出現這種情況的原因可能是因為磷脂通常比甘油三酯更不飽和，并且磷脂中含有脂肪酸。磷脂的脂解會影響蒸煮過程中揮發性化合物的形成。風味不僅與磷脂含量有關，還與其不飽和程度有關，總不飽和脂肪酸含量越高，食用品質越好。Zhao等也發現，多不飽和脂肪酸與多不飽和脂肪酸比例的增加與揮發性化合物的特性有關，這種特性產生了理想的烤肉風味。然而在生肉的冷凍儲存過程中，飽和脂肪酸(SFA)和單不飽和脂肪酸(MUFA)具有很高的穩定性，但是多不飽和脂肪酸(PUFA)不穩定。

據報道，雞脂肪中的主要脂肪酸為油酸、棕櫚酸和亞油酸，不飽和脂肪酸的含量高于其他動物脂肪。Zhang等發現，亞油酸氧化產生的2-戊基-呋喃可歸因于脂肪和肉類香氣，其形成通常與熱量有關。先前的研究表明，源自脂質的化合物是物種特有風味的主要成分。伊比利亞豬肉中C18:1的高含量導致美拉德反應產生更高的氣味活性芳香化合物，這與烘烤風味和更高的整體風味喜好有關。Ali等發現大理石花紋較明顯的伊貝瑞科豬肉的ω-6/ω-3比值明顯低于其他豬，而游離氨基酸、牛磺酸和油酸的含量明顯較高。小有機酸對肉質風味也有影響，其中乳酸鹽最為豐富，在豬肉中，例如在漢普郡品種中，乳酸鹽濃度的增加會增加肉的酸味。脂肪酸組成的變化為肉類風味的變化提供了基礎。

3.2 揮發性芳香代謝物質

揮發性風味成分本質上是有機化合物(吡嗪類、醛類、酸類、酮類、烴類、酯類、醇類、含氮和含硫化合物)，并且它們的分子量較低，這些化合物的揮發性因其化學結構的不同而不同。醛類的感知閾值較低，所以即使在痕量時也會呈現出特殊的香氣。Ba等對黑豬燉肉湯中的風味物質進行了分析，發現的強效芳香化合物有2-甲基-3-呋喃硫醇、γ-十內酯、2-糠硫醇等。Rasinska等也報道了己醛、壬醛、辛醛、庚醛、戊醛、2-己烯醛和苯甲醛等大多數醛是由脂類氧化產生的。在煮熟的樣品中醛是主要揮發性化合物，而在原料牛排中主要是酯，這表明脂質氧化產生的化合物對熟肉的味道產生了很大的影響。苯甲醛被認為是羊肉臊子特有的整體香氣，是由苯丙氨酸的斯特雷克降解產生的，有報道暗示苯甲醛在加工過程中產生杏仁和焦糖風味。Li等發現，己醛、辛醛、壬醛、2-戊基呋喃和(E,E)-2，4-癸二烯醛是中國黃羽肉雞雞湯產生香味的主要原因。Pu等又進一步在雞湯的香味物質中確定了(E,E)-2，4-癸二烯醛是表現最高的香味稀釋因子。醛類尤其是正己醛是驢頸肉中的主要揮發性風味物質，且驢頸肉中的醛類比其他動物中的醛類含量更高，因其含有較高的不飽和脂肪酸而顯著影響肉的風味。甲基丁醛是一種經過充分研究的風味化合物，這種醛已被發現可以由細菌發酵產生，是提高臘肉風味的關鍵因素。

3.3 水溶性代謝物質

促成熟肉基本味道(甜、咸、苦和酸)的代謝物是鮮肉的非揮發性成分(糖、肽、氨基酸、無機鹽和有機酸)和風味增強劑，肌苷5′-單磷酸、鳥苷5′-單磷酸和味精產生“鮮味”，大多數產生肉味的代謝物在自然界中是水溶性的。據報道，食物中的氨基酸，包括胱氨酸和半胱氨酸，對形成肉樣風味至關重要。絲氨酸、蘇氨酸等β-羥基氨基酸能生成吡嗪，是一種重要的肉味化合物。已經發現幾種氨基酸如谷氨酸、天冬氨酸、組氨酸、精氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和賴氨酸與西班牙塞拉諾火腿在長期干燥過程中生成的煙熏味和豬肉味有關。谷氨酸和天冬氨酸是兩種重要的游離氨基酸，據報道，其可以提升炒牛肉的鮮味。除了氨基酸外，還有許多肽的片段，屬于味覺相關成分。1～5 ku肽(稱為美拉德肽)和3～10 ku 肽分別與美拉德反應產物的風味增強特性和烤牛肉的味道強度密切相關。在這方面，不同物種的肽的特定大小的味道相關特征似乎具有不同的特征。例如，發現1～10 ku和0.5～1 ku級分顯著抑制牛肉和豬肉的酸味，并在煮熟的豬里脊肉中發現了酸抑制肽，其共有序列為“Ala-Pro-Pro-Pro-Ala-Glu-Val-His-Glu-Val”。

肉類中還存在不同的碳水化合物，部分是糖原的分解產物，部分來自能量代謝的其他步驟。核糖已被證明是雞肉中的一種關鍵風味前體代謝物。這些還原糖不僅有助于產生令人愉悅的甜味，還能與肉中的氨基酸反應生成揮發性芳香化合物。Flores等報道稱次黃嘌呤與熟豬肉中的甜味之間存在正相關；鳥苷、尿苷和肌苷核苷酸與咸味呈正相關。戊糖與半胱氨酸的結合使用是形成非常有效的含硫肉類風味化合物的原因。5′-核糖核苷酸以各種形式存在于肉中，對肉的風味有很大貢獻，它能提高肉的鮮味，使肉口感飽滿，已被廣泛用作增強烹飪產品、小吃、湯、醬和調味品風味的成分。核糖和半胱氨酸等前體對肉類香氣很重要，因此被用于生產加工香精。硫胺素(維生素B)是一種必需的維生素，是重要的營養物質，硫胺素在生產2-甲基-3-呋喃硫醇方面比半胱氨酸、核糖更有效，對于其他硫醇和巰基酮也有類似的途徑，它們有助于肉類的香氣。

4 肉類代謝物質遺傳調控

4.1 影響肉類代謝物質的品種和性別因素

肉品質是受遺傳因素調控的，不同品種其脂肪組織和肌肉中的脂肪酸組成和脂肪含量不同。Zhang等通過選擇西方瘦肉型豬品種杜洛克和中國肥豬品種陸川作為模型，并使用背最長肌進行脂質組學檢測和轉錄組學測序，發現陸川豬的肌內脂肪含量明顯高于杜洛克豬，與杜洛克豬相比，陸川豬與風味相關的甘油三酯和甘油二酯較高，與脂質合成相關的基因和1在陸川豬中顯著上調。Mi等采用液相色譜-串聯質譜和多元統計方法對生豬肉進行脂質組學分析，發現100個變量，包括61個甘油脂、17個甘油磷脂、4個甾醇類脂、2個鞘脂、3個聚酮化合物、7個脂肪酰基和6個異戊二烯類脂，具有很高的區分藏、吉、三門峽豬肉的潛力，有助于更好地理解調查豬肉的營養價值，并可擴展到更大的樣本量，用于脂質標志物驗證。王泳杰等發現，西雜牛的產肉性能和肉中礦物質含量要高于犏牛和宣漢黃牛，犏牛肉的氨基酸組成和評分以及風味物質含量要優于西雜牛和宣漢黃牛。有研究發現，灘羊和湖羊的肌內脂肪和飽和脂肪酸積累量均高于杜泊羊，但灘羊的亞油酸、α-亞麻酸和總多不飽和脂肪酸的比例低于杜泊羊。杜泊羊中氨基酸含量顯著高于灘羊和湖羊。此外，(E)-2-己烯醛僅在灘羊中發現，而(E)-2-壬烯醛和(E,E)-2,4-壬烯醛僅在杜泊羊中發現。不同物種間的差異更大，在熱加工雞肉中，醛和雜環化合物是主要的風味化合物，而在熱加工羊肉中，醛、羧酸、硫化合物和吡嗪在羊肉的整體風味特征中起著關鍵作用。

同一物種不同性別的動物其體內的代謝物質也不同。Wang等將候選基因的表達模式與杜洛克×朱山商品雜交豬背最長肌的肌內脂肪含量和脂肪酸組成聯系起來。發現母豬的IMF含量高于公豬。公豬的總飽和脂肪酸(SFA)高于母豬，而總單不飽和脂肪酸(MUFA)和多不飽和脂肪酸(PUFA)低于母豬。有報道發現公羊的肉品質和營養價值比母羊高，然而母羊的口感比公羊好，可能是由于公羊肉中的2,3-辛二酮、癸酸、反油酸、二十碳二烯酸含量顯著高于母羊，而母羊肉中的3-羥基-2-丁酮、苯甲醛、棕櫚酸、油酸含量顯著高于公羊。Xiong等通過基因序列分析和非靶向代謝組學分析，探討了公牦牛和母牦牛脂肪沉積的特點以及性別對牦牛脂肪沉積的調控，發現甘油三酯和類固醇合成通過1、、6、2、、、1、1、、24和基因的表達調節而增加。與陳康等通過試驗發現母兔肉中的代謝風味物質與公兔相比差異顯著，在母兔中發現了醚類、酸類、酯類和酚類，而公兔中未發現。

4.2 調控肉類代謝物質的候選基因

Wang等發現，、4R、和的表達與IMF含量相關；、、、、與MUFA呈正相關，與SFA呈負相關；與PUFA呈負相關；和4R與C18:3和C20:0均呈顯著正相關。Qin等發現，牦牛的單不飽和脂肪酸(MUFA)和多不飽和脂肪酸(PUFA)水平顯著高于肉牛，在牦牛中的表達顯著高于肉牛。牦牛中，脂肪酸結合蛋白Ⅲ和的表達水平與MUFA呈負相關，脂肪酸結合蛋白Ⅳ和的表達水平與PUFA呈正相關；在肉牛中，則相反，這些基因可能參與了牦牛肌內脂肪酸代謝的調控，可作為改良牦牛肉品質的候選標記。Ros-Freixedes等報道，基因是脂肪酸組成的候選基因，負責從硬脂酸合成油酸(C18:1)，該位點影響硬脂酸對油酸的去飽和指數(C18:1/C18:0)、C18:1以及飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸(MUFA)的含量。也有研究發現其位于豬SSC14上的一個區域，該區域在杜洛克純種群體中檢測到脂肪的C14:0、C18:0、C18:1的所有顯著QTL都位于基因附近。基因編碼細胞生物合成單不飽和脂肪酸的關鍵酶。在最初對中國荷斯坦奶牛進行的全基因組關聯研究(GWAS)中，19個單核苷酸多態性位于基因下的26號染色體上的1.8 Mb區域(20.3～22.1 Mb)，與C14:1或C14指數高度顯著相關。

Crespo-Piazuelo等在蘇氏染色體的背膘中發現了9個重要的關聯區域：SSC1、SSC2、SSC4、SSC6、SSC8、SSC10、SSC12和SSC16，共提出了52個候選基因來解釋背膘和肌肉脂肪酸組成性狀的變異，還對GWAS的結果進行了重新分析，包括5個候選基因(6、7、2、和)上的單核苷酸多態性。Viterbo等通過試驗表明，共有25、29和16個單核苷酸多態性(SNPs)分別與硬脂酸(18:0)、油酸(18:1)和飽和脂肪酸(SFA)顯著相關，基因組范圍內的顯著變異位于豬14號染色體(SSC14)的同一區域，跨度從120～124 Mb，頂端SNP ALGA008191位于基因附近5 kb處。該基因直接參與硬脂酸去飽和為油酸。顯著單核苷酸多態性的一般關系顯示高度連鎖不平衡，因此全基因組信號歸因于基因。不同肉牛品種的肌內脂肪(IMF)含量和脂肪酸(FA)組成差異顯著，對口感和營養價值起到重要作用。與中國西門塔爾牛相比，云嶺牛背最長肌的單不飽和脂肪酸(MUFA)含量和比例較低，飽和脂肪酸(SFA)、多不飽和脂肪酸(PUFA)和短鏈脂肪酸(SC-FA)比例較高，為了進一步確定導致這些表型差異的候選基因和途徑，使用RNA-seq測量了兩個品種的背最長肌肌肉的轉錄組，共鑒定出1 347個差異表達基因，受到差異調節的主要代謝途徑是脂肪分解和糖代謝。云嶺牛脂肪分解基因表達較高(9A1、5、、2、2)，糖代謝相關基因表達較低(1、、1、、)。

5 展 望

味道和香味的發展可歸因于肉組織中存在的成千上萬種風味分子和代謝物。風味前體代謝物是改善畜禽肉質的重要研究方向，了解其物質間的反應機理與代謝物的調控機制是更好地從根源上解決肉質問題的關鍵。根據以往的研究，影響香氣的物質主要是集中在醛、含硫含氮化合物等，前體物質主要集中在脂肪酸和氨基酸，肉的化學成分復雜，它的味道通常與單一化合物無關，而是與多種分子成分有關，特別是碳水化合物、氨基酸、羰基化合物和脂質，這些物質共同影響著肉的風味，也共同構成不同種類肉獨特的風味。進一步挖掘風味前體代謝物對肉品質的調控機理及其調控基因，對于進一步開展畜禽肉品質育種及提高肉類產品風味具有重要意義。