豬肉鮮味物質及其形成機理研究進展

秦凱鵬,門小明,徐子偉,*

(1.中國計量大學 生命科學學院,浙江 杭州 310018; 2.浙江省農業科學院 畜牧獸醫研究所,浙江 杭州 310021)

1 食品鮮味及其感知過程

鮮味(umami)最初由日本學者Ikeda于1908年提出,當時被報道僅具有風味增強作用[1],直到2014年才被認定為基本味覺特征[2]。研究發現,鮮味物質主要通過與口腔味覺受體細胞(TRCs)結合,刺激神經傳導至大腦皮層產生味覺感知。目前已經鑒定到6種與鮮味感知相關的特異性G蛋白偶聯受體(GPCR)[3-6],其中T1R1/T1R3鮮味異二聚體被證實在識別鮮味感知中起主要作用[7]。如圖1所示,當鮮味物質進入口腔后,通過配體-受體特異性結合激活TRCs上的T1R1/T1R3鮮味異二聚體,導致G蛋白亞基發生解離,后者與磷脂酶C-β2(PLC-β2)結合促使磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)裂解產生肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3),從而刺激內質網將Ca2+釋放、細胞膜去極化和三磷酸腺苷(ATP)釋放[8-9]。ATP作為神經遞質刺激傳入神經纖維,經面神經和迷走神經等傳送到孤束核(NST),進一步到達下丘腦的腹側,連接到大腦味覺皮層(GC)和島葉皮層(IC)等區域,最終形成鮮味感知[10-12]。

PLC-β2,磷脂酶C-β2;PIP2,磷脂酰肌醇4,5-二磷酸;DAG,三酰甘油;IP3,肌醇-1,4,5-三磷酸;GC,大腦味覺皮層;IC,大腦島葉皮層;TRPM5,瞬時受體電位陽離子通道亞家族成員5;ATP,三磷酸腺苷。PLC-β2, Phospholipase C-β2; PIP2, Phosphatidylinositol 4, 5-diphosphate; DAG, Triacylglycerol; IP3, Inositol-1,4, 5-triphosphate; GC, Cerebral gustatory cortex; IC, Insular cortex of brain; TRPM5, Transient receptor potential cation channel subfamily M member 5; ATP, Adenosine triphosphate.圖1 鮮味感知機制Fig.1 Umami perception mechanism

與眾多食物一樣,豬肉不僅可以提供豐富的蛋白質營養,還能為消費者帶來豐富的味覺體驗。其中鮮味是豬肉最明顯的味覺特征,也被稱為肉味或類肉味。通過提升鮮味特征,能夠改善豬肉的綜合口感與風味品質[13]。認識鮮味感知過程是人們認識豬肉鮮味特征,進行風味品質評價的重要基礎。

2 決定豬肉鮮味特征的物質基礎

2.1 游離氨基酸在豬肉鮮味形成中的作用

在可食用新鮮豬肉中,游離氨基酸含量通常在600 mg·kg-1以上[14-15],主要來自活體肌肉蛋白質代謝和宰后肌肉成熟分解過程。這些游離氨基酸通過與味蕾細胞受體結合,可以激活味覺感知傳導過程,從而表現呈味活性。有研究發現,不同種類游離氨基酸因側鏈基團差異而表現出不同呈味活性特征[16]。對豬肉鮮味形成而言,游離氨基酸的作用可以歸納為以下3種。

首先是谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp)的直接呈味作用。在分子結構上,兩者均是具有酸性側鏈的L型氨基酸,從而表現酸味和鮮味的組合酸鮮味感,是豬肉中最典型的鮮味氨基酸[17]。如圖2所示,Glu與Asp具有相同的特征骨架-O-(C)n-O-,相對容易形成自身環狀[18],這是其他編碼氨基酸都不具備的。有報道指出,Glu中親水性基團—COOH與—NH3在弱酸性條件(6

1～5是核糖碳原子位置編號;Glu,谷氨酸;Asp,天冬氨酸;Ala,丙氨酸;Gly,甘氨酸;AMP,腺苷酸;IMP,肌苷酸;GMP,鳥苷酸。1-5 are the position number of the ribocarbon atom; Glu, Glutamate; Asp, Aspartate; Ala, Alanine; Gly, glycine; AMP, Adenosine monophosphate; IMP, Inosine monophosphate; GMP, Guanylic acid.圖2 豬肉主要滋味物質化學結構式Fig.2 Chemical structure of main flavor substances of pork

其次是甘氨酸(Gly)和丙氨酸(Ala)等甜味氨基酸的增鮮作用。Gly和Ala是典型的甜味氨基酸,但也具有相對較小的鮮味活性[22]。也有研究表明,豬肉滋味鮮美程度與Glu、Gly含量呈正相關,并且中國本土豬種的Glu和Gly含量高于雜交豬種[23]。在分子結構上,具有短側鏈的蘇氨酸(Thr)、絲氨酸(Ser)、Ala和Gly同時具有甜味和鮮味組合后的甜鮮味感[24]。但如圖2所示,Ala和Gly并不能在分子內形成容易被鮮味受體結合的類似Glu的五元環結構,這可能是Ala和Gly雖具有鮮味活性,但遠小于甜味活性的原因之一。此外,鮮味和甜味同樣都給人以愉悅滿足感,少量甜味對鮮味釋放可能具有積極作用[25]。

最后是賴氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)等苦味氨基酸的提鮮作用。在分子結構上,具有長、大側鏈或堿性側鏈的纈氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ile)、苯丙氨酸(Phe)、酪氨酸(Tyr)、色氨酸(Trp)、組氨酸(His)、Lys和Arg等通常具有苦味特征[24]。有研究指出,含量低于閾值濃度的苦味氨基酸具有增強其他氨基酸呈味特征的作用[26],可能由于苦味氨基酸作用主要取決于側鏈基團的疏水作用,與甜味和鮮味氨基酸的親水作用形成反差對比,導致后者作用得到進一步加強。

2.2 核苷酸在豬肉鮮味形成中的作用

核苷酸廣泛存在于肉類、食用菌和海鮮類等鮮味特征明顯的食品中,目前已發現30余種具有呈味作用的核苷酸類及其衍生物[27-28]。對不同品種豬肉進行研究發現,肌苷酸(IMP)是引起豬肉鮮味最重要的呈味核苷酸,其含量能達到1 500 mg·kg-1以上,與Glu、Asp同為豬肉主體鮮味物質[29-31]。對單一滋味物質而言,刺激味蕾產生味覺特征的最小生理濃度稱之為閾值,閾值越低表示該物質呈味活性越強[32]。鳥苷酸(GMP)與腺苷酸(AMP)的閾值分別為125、250 mg·kg—1[30],因此豬肉中GMP與AMP的增鮮作用也不容忽視[31]。綜合分析,IMP、AMP和GMP含量可能與中國地方豬的滋味鮮美特征有密切關系,如萊蕪豬呈味核苷酸含量高于長白豬、大約克豬[33];青海八眉豬呈味核苷酸含量高于甘肅黑豬和甘肅長白豬[34];東北民豬鮮味核苷酸含量也顯著高于杜長大豬[31]。顯然,IMP、AMP和GMP這3種核苷酸在豬肉鮮味形成中均發揮了重要作用。

鮮味核苷酸是一類由核糖或脫氧核糖、嘌呤堿基和磷酸基團組成的化合物,磷酸基團取代核糖或脫氧核糖上羥基的碳原子位置不同影響著化合物的呈味特征[29]。如圖2所示,3種鮮味核苷酸的核糖結構中1號碳原子羥基均被嘌呤堿基取代,當5號碳原子羥基被磷酸基團取代,即形成5′-核苷酸時具有鮮味,而磷酸基團位于2號和3號碳原子時則不具有鮮味。此外,核苷酸嘌呤環6號碳原子上的親水基團對鮮味活性有正向積極作用,如IMP和GMP的羰基、AMP的氨基等[35]。了解這些結構特征可以為我們進一步研究揭示豬肉鮮味物質提供參考依據。

2.3 呈味肽在豬肉鮮味形成中的作用

肽類呈味作用與自身攜帶的氨基酸殘基及其疏水性有關,通常鮮味肽會含有Asp、Glu或親水性氨基酸殘基,但也有研究表明,Asp與Glu殘基會抑制多肽的呈鮮效果或增鮮效果[39-40]。Yu等[41]利用分子模擬手段研究T1R1/T1R3鮮味受體與不同結構的鮮味六肽分子的結合特征,發現鮮味肽產生鮮味的主體部分是其酸性和堿性部分,同時具備正電基團、負電基團與疏水基團,并且連接到對應的感受器上才能產生鮮味。隨著相關技術的成熟,鮮味肽將是豬肉鮮味研究的一個重要方向。

2.4 不同滋味物質的互作效應

不同物質間協同作用是豬肉鮮味產生的重要機制。席斌等[34]發現青海八眉豬、甘肅長白豬與甘肅黑豬的鮮味物質含量差異不大,但八眉豬口感風味表現相對更佳,推測可能是鮮味氨基酸與鮮味核苷酸之間協同作用的原因。其實,早在1971年Yamaguchi等[42]提出的味精當量(EUC)公式:EUC=∑aibi+1 218∑aibi∑ajbj,已經充分體現了鮮味氨基酸和核苷酸之間的協同效應。布麗君等[43]通過分析發現,Glu與Asp之間,氨基酸與核苷酸之間協同作用顯著,換算成谷氨酸鈉的呈味強度顯著高于各鮮味物質呈味強度之和。還有研究發現,GMP是一種比味精更強的增味劑,與谷氨酸鈉等量混合時鮮味增加30倍,而與IMP等量混合則增加8倍[44-45];AMP含量在50～100 mg·mL-1時也表現較強的鮮味增強效果[46]。

氨基酸之間的互作效應主要體現為豬肉中的部分氨基酸具增強Glu、Asp鮮味效果的作用,如前文所提到的Lys、Arg等。除此之外,從熟制豬肉中鑒定出的ED、EE、DES等富含谷氨酸的寡肽能在一定程度掩蓋苦味[47];將呈鮮味的二肽KG與具有其他味道的4種多肽混合后,呈現出類似牛肉風味強化肽(BMP)的強烈鮮味[48];具有鮮味的EV、AED、SPE、EEN和0.2% IMP混合后鮮味提升顯著[49]。研究證明,鮮味寡肽與谷氨酸鈉具有協同作用,如鮮味肽FSGLDGSK,當其濃度為2‰時即可提高谷氨酸鈉溶液的鮮味[50]。顯然,不同物質間的協同效應是鮮味強烈的重要支撐,在考察豬肉鮮味時,應建立綜合評價方法來全面分析鮮味物質含量。

3 影響豬肉鮮味物質生成途徑

3.1 蛋白質營養代謝與宰后降解

蛋白質是構成動物肌肉組織的最主要成分之一。如圖3所示,活體肌肉蛋白質代謝狀態與宰后肌肉蛋白質降解程度共同決定著肉品游離氨基酸含量組成。對活體肌肉而言,游離態氨基酸和小肽分子主要來自3個方面:1)無論必需氨基酸,還是非必需氨基酸或者小肽分子都可通過消化吸收攝入;2)機體組織蛋白質合成與分解代謝的動態平衡決定著游離氨基酸含量;3)具有鮮味作用的Glu、Asp、Ala和Gly不僅可以通過外源吸收,還可以通過肝轉化生成[51-52]。

圖3 蛋白質營養代謝與宰后降解Fig.3 Nutrition metabolism and postmortem degradation of proteins

由于氨基酸吸收和利用受攝入氨基酸比例的影響,過多攝入某種氨基酸往往在吸收和轉化環節發生改變,并不會直接導致其含量增加[53]。這也是通過添加氨基酸調控豬肉鮮味物質含量,通常并不會收到穩定理想效果的重要原因。有研究發現,一些非必需功能性氨基酸(精氨酸、亮氨酸等)可能通過其他途徑(調控骨骼肌肌纖維組成比例)影響豬肉風味品質[54-55]。提高日糧蛋白質利用率、改變腸道微生物菌群等也可以提高肌肉組織的鮮味氨基酸含量[56]。

活體動物的蛋白質消化吸收和營養代謝過程等為宰后肉品游離氨基酸含量組成提供了物質基礎。當動物被屠宰后,肌肉蛋白質合成代謝被迫中斷,進入單向水解階段。隨著宰后肌肉ATP消耗和pH下降,蛋白酶系統被激活,進而開始分解肌原纖維蛋白,最終完成肌肉成熟嫩化過程,并伴隨游離氨基酸、小肽等風味物質形成與釋放[57]。宰后肌肉“僵直-解僵-成熟”過程成為影響豬肉中鮮味物質含量的最直接環節。

3.2 活體肌肉能量代謝與肌纖維類型

在活體肌肉中,一些能量代謝中間產物直接參與風味物質代謝過程,甚至本身就是重要的風味物質或其前體物。如圖4所示:葡萄糖無氧酵解中間產物3-磷酸甘油酸、丙酮酸,三羧酸循環中的草酰乙酸均是鮮味氨基酸生成的重要前體物;3-磷酸甘油酸是Gly合成前體物;丙酮酸則會通過2個途徑分別合成Ala與Glu;草酰乙酸則是Asp合成前體物[58]。因此,增強機體能量有氧代謝途徑,對鮮味氨基酸的積累可能具有正向調控作用。

圖4 糖酵解與三羧酸循環途徑Fig.4 Glycolysis and tricarboxylic acid cycle pathways

不同類型肌纖維及其代謝特征對豬肉品質有重要影響。一致認為,Ⅰ型也被稱為慢速氧化型肌纖維,具有較高肌紅蛋白含量、較低ATP酶活力與糖酵解潛力,以糖脂有氧氧化代謝為特征,肌纖維直徑表現細膩;Ⅱb型又被稱為快速酵解型,與Ⅰ型肌纖維恰恰相反,表現出較高的ATP酶活力與糖酵解潛力,以無氧酵解為代謝特征,肌纖維直徑相對粗大;Ⅱa與Ⅱx型介于Ⅰ型與Ⅱb型之間,但Ⅱa型氧化代謝能力高于Ⅱx型[59]。由此可見,通過提高豬肉氧化代謝特征的肌纖維類型比例,不僅可以改善豬肉色澤、pH、系水力和嫩度等表觀性狀,還能富集糖脂氧化代謝產物,關聯氨基酸等滋味物質生成,從而提高豬肉綜合風味品質。目前關于肌纖維類型與風味物質代謝關系的機理研究較少。

3.3 宰后肌肉ATP生成轉化與核苷酸降解

宰后肌肉需要經歷尸僵前期、尸僵期和尸僵后期3個階段,才能成熟為真正意義上的肉品。如圖5所示,在尸僵前期,宰后肌肉最初啟動磷酸原轉化(ATP-CP)途徑滿足ATP需要,當70%的磷酸肌酸被消耗后啟動糖無氧酵解過程[60]。兩個過程對比發現,糖無氧酵解過程中丙酮酸向乳酸轉化,導致宰后肌肉pH值急劇下降、系水力降低,水溶性滋味物質流失增加[61],而ATP-CP途徑則表現相反。當ATP消耗殆盡,宰后肌肉達到最大程度僵直狀態,此后進入僵直后期成熟階段。在成熟過程中,不僅組織蛋白水解生成游離氨基酸,而且ATP降解生成鮮味物質IMP,從而使肉品風味得到改善[50]。

圖5 屠宰后IMP生成途徑Fig.5 Post-slaughter pathway of IMP generation

如圖5所示,ATP在酶作用下被依次分解成二磷酸腺苷(ADP)和AMP,AMP在脫氨酶作用下分解生成IMP。當IMP生成速度大于降解速度時,豬肉IMP含量不斷增加,通常在宰后24 h含量達到最高[62]。隨著ATP消耗殆盡或IMP合成代謝相關酶失活,IMP將不再增加并開始降低,但IMP也會繼續降解成具有苦味的肌苷(HxR)和次黃嘌呤(Hx)[25]。與IMP相比,HxR和Hx在一定程度會緩沖豬肉鮮味。因此在生產實踐中,通過抑制IMP降解酶活性可有效降低宰后肉品IMP降解速率,為肉品保鮮起到積極作用[63]。

4 影響豬肉鮮味物質生成的分子機制探討

無論鮮味氨基酸還是鮮味核苷酸的生成途徑,都是以能量代謝過程為樞紐。目前普遍接受的調控能量代謝的信號通路有:1)AMPK/SIRT1信號通路。高含量NAD+可以輔助激活SIRT1,從而增加AMPK活性,AMPK通過激活丙酮酸激酶來調節糖酵解[64]。丙酮酸作為Glu與Ala合成的重要前體物,其含量變化可能會影響鮮味氨基酸生成。2)PI3K/Akt信號通路。激活后的磷脂酰肌醇三磷酸酶(PI3K)通過級聯反應激活絲氨酸/蘇氨酸激酶(AKT)?；罨腁KT可以調節GSK3β進而增強糖原合酶活性促進糖原生成;還可以通過磷酸化叉頭框蛋白O1(FOXO1),致使其失活以抑制糖異生基因表達,從而降低非糖物質向葡萄糖轉化的速率,抑制機體能量代謝[65]。

有研究發現,UCP基因的表達可以增強氧化磷酸化速率而ATP產量不變,UCP基因在骨骼肌中的高表達會導致能量消耗增多,但IMP合成前體物含量不變,進而影響IMP的積累[66]。AMPD1也可在骨骼肌中高水平表達,其產物腺苷單磷酸脫氨酶是IMP合成途徑中的關鍵限速酶;雞AMPD1基因與肌苷酸含量存在強相關性[67]。無論是對能量代謝的源頭還是對中間產物的調控,都會影響鮮味物質合成的重要前體物含量,直接影響鮮味物質的積累。

此外,國內外研究發現了一系列在肌纖維類型轉化中發揮調控作用的細胞信號通路與因子,如CaN、AMPK、Wnt、PGC1α、MEF2、FOXO1和MRFs等可能對豬肉風味物質形成具有調控作用[68]。上述研究報道為優質風味豬育種與分子營養調控奠定了基礎,值得后續深入探索研究。

5 小結與展望

在了解豬肉鮮味感知過程基礎上,通過綜述豬肉鮮味特征形成物質基礎的國內外研究進展,闡明了鮮味氨基酸、鮮味核苷酸與鮮味肽是豬肉鮮味呈現的重要物質基礎,其中鮮味肽的作用越來越受到研究關注,不同鮮味物質間通過協同效應可以進一步增強鮮味活性。肌肉氨基酸代謝、能量代謝和肌纖維類型構成等是決定豬肉鮮味物質生成的重要因素,相關控制基因與分子通路還需要深入研究探索,以期為豬肉風味品質改良調控提供新思路和科學依據。