大豆異黃酮對骨骼肌發(fā)育的影響及其對動物肉品質的調控作用

許銘洙，張 勇*，嚴鴻林，張宏福，劉靜波,

（1.西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽 621010；2.中國農業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193）

大豆異黃酮（Soybean Isoflavones）是一類從大豆等豆科植物中分離提取出來的含有15 個碳的多酚結構混合物。由于大豆異黃酮是植物生長過程中形成的次生代謝產物，且與雌激素有相似的結構，因此又被稱為植物雌激素，主要分布在大豆種子（0.5～0.7 mg/g）的子葉和胚軸中，在大豆、三葉草和苜蓿中含量較高[1]。大豆異黃酮中具有活性的成分為染料木素（Genistein）、大豆苷元（Daidzein）和黃豆黃素（Glycitein）。大量研究表明，大豆異黃酮具有改善動物生長性能和繁殖性能、增強機體抗氧化和免疫調節(jié)能力等功效[2-5]。近來有研究發(fā)現，大豆異黃酮可參與肌肉發(fā)育的一系列過程，如骨骼肌能量和蛋白質代謝、成肌分化以及肌纖維類型轉化等[6-10]。因此，本文就大豆異黃酮對骨骼肌發(fā)育的影響及其對動物肌肉品質調控的研究進展進行綜述，以期為大豆異黃酮在動物生產中的應用提供參考。

1 大豆異黃酮在動物體內的代謝及其生物轉化

到目前為止，共發(fā)現15 種大豆異黃酮異構體，主要分為游離型苷元和結合型糖苷2 類。其中游離型苷元占比2%～5%，主要包括染料木素、大豆苷元和黃豆黃素；而結合型糖苷占比95%～98%，主要由3 種游離型苷元通過β-糖苷鍵與葡萄糖連接，以異黃酮葡萄糖苷的形式存在于大豆中，分別以染料木苷、大豆苷和黃豆黃苷等9 種形式存在[11]。糖苷形式的大豆異黃酮被哺乳動物攝入體內后，不能被小腸壁直接吸收，只有少量糖苷形式的大豆異黃酮在小腸被水解為游離型的苷元，被小腸吸收[12]。其中，未被吸收的大豆黃酮苷元中，5%～20%在腸道微生物作用下被開環(huán)形成O-脫甲基安哥拉紫檀素（O-DMA），約70%被微生物還原成雙氫大豆黃酮苷元（DHD），最后形成穩(wěn)定的雌馬酚被胃腸道吸收[13]。與大豆異黃酮苷元相比，雌馬酚與雌激素受體的結合能力更強。大量研究表明，與大豆異黃酮相比，大豆異黃酮的代謝產物具有更高更廣的生物學活性。

目前已知可水解大豆異黃酮糖苷的酶主要有α-葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶和β-葡萄糖苷酶，而研究較多的是β-葡萄糖苷酶[14]。β-葡萄糖苷酶可水解結合于末端非還原性的β-D-葡萄糖苷鍵，同時釋放出β-葡萄糖和相應的配基（圖1）。β-葡萄糖苷酶的來源主要包括植物來源和微生物來源。植物來源的β-葡萄糖苷酶主要存在于豆科植物的根系、子葉或杏仁中，其水解效率較低[15]；而微生物來源的β-葡萄糖苷酶的活性遠高于植物來源，主要集中在酵母、曲霉、木霉以及細菌類[16-17]，其中曲霉被廣泛認為是產β-葡萄糖苷酶的優(yōu)良菌種，尤以黑曲霉的效率最高[18]。此外，研究還發(fā)現雙歧桿菌和乳酸桿菌具有產β-葡萄糖苷酶的能力，在豆奶發(fā)酵的過程中可將大豆黃酮轉化為活性苷元[19]。

圖1 β-葡萄糖苷酶水解大豆異黃酮糖苷

2 大豆異黃酮對肌肉發(fā)育的影響及機理

2.1 大豆異黃酮與肌肉能量和蛋白質代謝 骨骼肌是參與機體運動的重要組織和能量代謝的重要場所，含有豐富的線粒體和能量代謝相關的酶系，因此維持能量代謝的穩(wěn)態(tài)對骨骼肌的正常發(fā)育至關重要。大豆異黃酮可影響骨骼肌細胞中葡萄糖的轉運和攝取。如Cederroth 等[20]研究報道，大豆苷元可通過增加葡萄糖轉運載體4（GLUT4）表達和葡萄糖攝取來提高骨骼肌中胰島素的敏感性。同時Jang 等[21]研究發(fā)現，黑豆提取物可增加肌管中GLUT4 的異位表達、葡萄糖的轉運，并恢復對胰島素介導的Akt 磷酸化的抑制。在II 型糖尿病小鼠模型中，大豆苷元可通過促進GLUT4 的表達從而促進L6 成肌細胞葡萄糖攝取并提高葡萄糖的穩(wěn)態(tài)[7]。此外，大豆異黃酮可進一步被腸道微生物代謝為許多具有活性的分子，如雌馬酚和去氧甲基安哥拉紫檀素[22]，而大豆苷元被動物攝取后可在腸道微生物的作用下轉化為雌馬酚[23]。研究發(fā)現，在缺乏胰島素的情況下，雌馬酚可促進L6 肌管葡萄糖的攝取、AMPK 的磷酸化以及GLUT4 易位表達，并且可降低禁食葡萄糖水平和肝臟葡萄糖代謝相關基因的表達[24]。此外，大豆苷元和染料木素處理增加了PGC-1α 的表達，進而促進線粒體的生物合成，同時還提高了ATP 合成酶β 和ND6 的表達以及ATP 含量[25]。而在C2C12 細胞系上的研究顯示，大豆苷元可通過SIRT1 相關信號通路來調控轉錄網絡（TFAM、PGC-1α、NRF 等），進而促進線粒體的生物合成[26]。

蛋白質是肌肉主要的功能和結構物質，因此蛋白質合成和降解的平衡對維持骨骼肌的生長和發(fā)育至關重要。肌肉蛋白的合成會受到生長激素、胰島素以及雌激素等許多激素的調控。大豆異黃酮與哺乳動物的雌激素在結構上相似，兩者在功能上也具有相似性。Rehfeldt等[27]研究了不同濃度的染料木素和大豆苷元對豬肌管蛋白質代謝的影響，發(fā)現100 μmol/L 的染料木素和大豆苷元會導致細胞的損失，進而降低蛋白質總量，通過[3H]-苯丙氨酸結合的測定方法發(fā)現100 μmol/L 染料木素會降低活細胞蛋白質的合成速率；而在其他濃度下，染料木素（0.1 μmol/L）、大豆苷元（10、100 μmol/L）和17β-雌二醇（0.1、1 nmol/L）可降低蛋白質的降解。此外，當蛋白質的分解速率大于合成速率時，肌肉表現出萎縮癥狀。在C2C12 細胞中，大豆苷元可顯著抑制肌肉特異性環(huán)指蛋白1（MuRF1）啟動子的活性，并可通過激活SIRT1 來預防TNF-α 誘導的肌肉萎縮[28]。Akt/mTOR 信號通路在肌肉肥大中發(fā)揮重要作用，主要通過調節(jié)蛋白合成，進而促進肌肉的生長[29]。在成肌細胞分化的后期，大豆苷元處理可激活Akt/mTOR 信號來誘導肌管的形成和肥大，同時還會抑制地塞米松誘導的肌管萎縮[6]。此外，泛素化修飾是調控真核生物體內蛋白質表達的重要方式。在雌性小鼠上的研究發(fā)現，日糧添加大豆苷元可通過雌激素受體ERβ 來降低雌激素誘導的USP19 mRNA 的表達，同時還會增加比目魚肌的肌肉量[30]。

2.2 大豆異黃酮與肌細胞的增殖與分化 肌纖維的發(fā)育和形成主要經歷4 個階段：①起源于中胚層的間充質干細胞定型并分化為生肌譜系（Myogenic Lineage）；②生肌譜系發(fā)育為肌細胞（Myoblast）和成熟的肌細胞（Myocyte）；③肌細胞進一步增殖到一定數目后退出細胞周期，融合形成肌管（Myobute）；④最終形成成熟的具有多核特征的肌纖維（Myofiber）[31]。骨骼肌的生長發(fā)育受到一系列營養(yǎng)因素的影響。

大豆異黃酮可發(fā)揮與雌激素相似的生物學功能，雌激素受體β 被激活后可刺激骨骼肌的生長和再生[32]。研究發(fā)現，異黃酮類雌激素，尤其是染料木素可抑制蛋白酪氨酸激酶的活性，從而阻礙細胞G2/M 期來抑制細胞周期進程，進而抑制細胞的生長[33]。Mau 等[8]研究發(fā)現，17β-雌二醇（1 nmol/L 和1 μmol/L）、雌素酮（1 μmol/L）、大豆苷元（1 μmol/L 和100 μmol/L）和染料木素（100 μmol/L）處理可降低豬肌衛(wèi)星細胞DNA 的合成和DNA 數量，且染料木素和大豆苷元（100 μmol/L）可降低蛋白質的合成、導致G2/M 期停滯以及細胞的凋亡，從而導致DNA 總量下降。此外，較高濃度的染料木素可通過影響拓撲異構酶II 的活性來誘導細胞凋亡和DNA 損傷，進而影響細胞增殖[34]。而Lee 等[6]在小鼠肌肉細胞系上研究發(fā)現，大豆苷元可通過激活Akt/p38來促進成肌分化和肌管的形成。Gan 等[35]以C2C12 細胞系為模型研究了染料木素對成肌細胞增殖和分化的影響，結果顯示，在0～2 μmol/L 濃度范圍內，染料木素以劑量依賴的方式促進成肌細胞的增殖，并在2 μmol/L 濃度下達到最大效應；當染料木素濃度超過20 μmol/L 時可顯著抑制成肌細胞增殖；而在10 μmol/L 濃度下，染料木素可促進成肌細胞的分化，超過此濃度時則表現出抑制效應；而對其作用機制進一步研究發(fā)現，染料木素可下調miR-222 的表達，從而增加其靶基因（MyoG、MyoD 和ERα）的表達，進而促進成肌細胞的分化。而作為大豆異黃酮的類似物，雌激素也可通過調控非編碼RNA 的表達來影響骨骼肌發(fā)育。研究發(fā)現，雌激素處理顯著影響虹鱒骨骼肌成肌分化相關microRNA 的表達，如顯著上調了miR-133 和miR-206 的表達，同時顯著下調了miR-145 和miR-499 的表達[36]。

2.3 大豆異黃酮與肌纖維類型轉化 肌纖維占肌肉總體積的75%～90%，是骨骼肌的基本單位。根據肌球蛋白重鏈（MyHC）的多態(tài)性，肌纖維可分為主要包括4 種類型：I 型（慢速氧化型）、IIa 型（快速氧化型）、IIx 型（中間型）以及IIb 型（快速酵解型）。營養(yǎng)是肌纖維生長發(fā)育過程中的物質基礎，不同類型的肌纖維在代謝特點和營養(yǎng)需求上存在差異，因此不同的營養(yǎng)狀態(tài)可能會導致肌纖維的類型發(fā)生改變。Rehfeldt 等[37]報道，在妊娠后期母豬日糧中添加1 mg/kg 大豆苷元可顯著降低仔豬背最長肌中肌肉的比重，提高半腱肌中快肌的比例，并影響半腱肌的酸堿度。在C2C12 成肌細胞分化過程中，大豆苷元、染料木素及其混合物可促進快肌纖維的形成[38]。而在卵巢切除的雌性大鼠上，染料木素可通過雌激素受體ERβ 信號途徑來提高比目魚肌中慢肌纖維的比例，同時也顯著提高腓腸肌中快肌纖維的比例[39]。此外，Guo 等[40]以骨骼肌衛(wèi)星細胞為模型，研究了雌激素對骨骼肌纖維類型的影響，結果顯示雌激素可通過雌激素受體α（ERα）促進MyHC-I 蛋白的表達，同時也降低MyHC-IIb 蛋白的表達。而在家禽上的研究表明，添加大豆異黃酮對后代仔雞腿肌的快慢肌纖維比例、纖維密度以及快慢肌纖維的橫截面積均無顯著影響[41]。

3 大豆異黃酮對動物肌肉品質的調控作用

肌肉品質包括肌肉的顏色、嫩度、蒸煮損失、滴水損失、pH 以及風味等關鍵指標，其主要依賴于肌纖維的組織特征、代謝特點以及理化特性。其中，氧化型纖維（MyHC-I、MyHC-IIa）肌紅蛋白、磷脂含量較高，糖原含量和ATPase 活性較低，肌纖維直徑較細，厭氧酶含量低，有氧代謝能力強；而酵解型肌纖維（MyHCIIb）則恰好相反；MyHC-IIx 的特性則介于氧化型肌纖維和酵解型肌纖維之間。因此，氧化型肌纖維比例高時，肌肉的肉色、pH、大理石紋評分和肌內脂肪含量較高，肌肉的保水性能較高，肌肉細嫩，肉品質好。肌肉品質受動物品種、營養(yǎng)與飼養(yǎng)、養(yǎng)殖環(huán)境及管理等多方面因素的影響，通過調整日糧的營養(yǎng)組成、飼喂水平或使用特定的飼料原料、添加劑可以在短期內改善肌肉品質。

大量研究發(fā)現，日糧添加大豆異黃酮可在一定程度上調控肌肉的品質。在肉雞上的研究顯示，與對照組相比較，日糧添加5 mg/kg 染料木素可提高胸肌的系水力和肌肉的抗氧化能力[41]；Jiang 等[42]研究，與對照組（不添加大豆異黃酮）相比，日糧添加40 mg/kg 大豆異黃酮顯著降低了脂質的過氧化程度并提高了肌肉pH 和抗氧化能力，從而改善了肌肉品質。此外，大豆異黃酮及其代謝產物對家禽肌肉品質的影響與動物的性別有關。倪迎冬等[43]研究發(fā)現，日糧添加大豆黃酮顯著降低了雌仔雞肌肉比重和肌肉的蒸煮損失率，同時顯著降低了雄仔雞肌肉的滴水損失率，并顯著增加了胸肌的黃度。在育肥豬上的研究發(fā)現，添加適宜水平（200～400 mg/kg）的大豆異黃酮降低了肌肉的紅度、黃度和滴水損失[44]；而添加高劑量的大豆黃酮（600 mg/kg）對豬肉品質無顯著影響，但提高了肌肉的抗氧化能力[45]。表明大豆異黃酮對肉品質的調控作用存在劑量依賴效應。而Wei 等[46]在孵化期的雞胚中注射雌馬酚對成年肉雞肌肉品質的影響研究顯示，注射100 μg 的雌馬酚可顯著降低雄性肉雞肌肉的滴水損失，同時還顯著降低雌性肉雞肌肉的紅度、黃度、蒸煮損失以及滴水損失。

肌內脂肪是評定肉品質的一個重要指標，它與肌肉的嫩度、多汁性、風味等直接相關。在中國本土小型豬日糧添加大豆異黃酮（10.2%大豆苷元、6.34%染料木素和0.03%雌馬酚）可顯著提高脂肪組織、背最長肌和肝臟組織中脂肪合成基因的表達，同時還促進脂肪的沉積[47]。此外，大豆苷元可被瘤胃微生物代謝為雌馬酚。Ohtomo 等[48]研究發(fā)現，雌馬酚可抑制機體脂肪的形成，但不會影響肌內脂肪的沉積。在肉牛上的研究發(fā)現，日糧中添加500 mg/kg 大豆苷元不影響胴體重和屠宰率，但會降低胴體的脂肪率和背膘厚度；同時顯著提高肌肉品質，如提高了肌肉pH24h、紅度、肌內脂肪含量和大理石紋評分[49]。而體外的研究發(fā)現，大豆苷元和雌馬酚均可促進脂肪細胞的分化、脂滴的形成以及脂質的沉積[50]。以上結果表明，大豆異黃酮對動物肌肉品質的影響還存在很大差異，其原因可能與動物的種類、日糧組成以及添加水平有關。

4 結 論

綜上所述，大豆異黃酮可調控骨骼肌的能量和蛋白代謝、成肌細胞的增殖和分化以及肌纖維的類型轉化，并可影響動物的肌肉品質。而大豆異黃酮調控肌肉發(fā)育的具體機制還不清楚，適用的動物種類以及最適添加劑量的研究還不深入，有待進一步研究。