線粒體介導高鐵肌紅蛋白還原活性與肉色變化關(guān)聯(lián)性研究進展

郜娜 葛玲 薛洋洋 韓青莉 馬飛

摘? 要：高鐵肌紅蛋白還原活性（metmyoglobin-reducing activity，MRA）是肉色保持鮮紅與穩(wěn)定的主要因素，其影響途徑與作用機制備受業(yè)內(nèi)人員關(guān)注。線粒體是影響高鐵肌紅蛋白還原能力的關(guān)鍵細胞器，與MRA的關(guān)系十分密切，已成為肉色研究的熱點方向。本文重點總結(jié)線粒體介導高鐵肌紅蛋白還原的影響路徑與關(guān)鍵因素，闡述肉色變化與線粒體結(jié)構(gòu)和功能特征的關(guān)聯(lián)性，為后期開展肉色研究提供參考。

關(guān)鍵詞：肉色;高鐵肌紅蛋白;還原;線粒體;影響因素

Progress in Understanding the Relationship between Mitochondria-Mediated Metmyoglobin Reduction and Changes in Meat Color

GAO Na， GE Ling， XUE Yangyang， HAN Qingli， MA Fei*

（School of Food and Biological Engineering， Hefei University of Technology， Hefei? ?230009， China）

Abstract： Metmyoglobin-reducing activity （MRA） is considered as a major factor that influences the brightness and stability of meat color. The underlying pathways and mechanism have attracted much attention from meat researchers. Mitochondria is a key organelle for MRA， and the close relationship between them has become a hot direction of meat research. In this paper， we summarize the key factors affecting mitochondria-mediated metmyoglobin reduction and the underlying pathways and elucidate the relationship between meat color changes and the structure and function of mitochondria， which will provide some useful information for further research of meat color.

Keywords： meat color; metmyoglobin; reduction; mitochondria; factors

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210309-056

中圖分類號：TS251.1? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：

引文格式：

郜娜， 葛玲， 薛洋洋， 等. 線粒體介導高鐵肌紅蛋白還原活性與肉色變化關(guān)聯(lián)性研究進展[J]. 肉類研究， 2021， 35（3）：? . DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210309-056.? ? http：//www.rlyj.net.cn

GAO Na， GE Ling， XUE Yangyang， et al. Progress in understanding the relationship between mitochondria-mediated metmyoglobin reduction and changes in meat color[J]. Meat Research， 2021， 35（3）：? . DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210309-056.? ? http：//www.rlyj.net.cn

色澤是衡量肉類品質(zhì)與新鮮度的第一感官指標，直接影響消費者的購買力與購買決定。長期以來，肉類變色已造成巨大經(jīng)濟損失，僅美國年均損失就高達數(shù)十億美元[1]。如何提升肉色穩(wěn)定性，依然是肉類研究人員面臨的重點與難點問題?，F(xiàn)階段，分析總結(jié)肉色變化機制的研究成果十分必要，可為進一步探究肉色穩(wěn)定性方法提供參考。

線粒體在畜禽宰后仍維持較高活性，顯著影響肌內(nèi)氧分壓、電子鏈傳遞、高鐵肌紅蛋白（metmyoglobin，MetMb）還原酶活性等生理生化功能，是調(diào)控MetMb還原活性（MetMb-reducing activity，MRA）的重要細胞器[2-4]。MRA是肉色保持鮮紅與穩(wěn)定的主要因素[5-7]，已成為肉色研究焦點。本文重點闡述線粒體介導MetMb還原的影響路徑與關(guān)鍵因素，并闡述各要素與肉色變化的關(guān)聯(lián)性。

1? ?MetMb還原與肉色變化的關(guān)聯(lián)性

MetMb是肌紅蛋白的一種存在形式，在特定條件下可轉(zhuǎn)化為脫氧肌紅蛋白和氧合肌紅蛋白，直接影響肉色特征與穩(wěn)定性[8]。肌紅蛋白是一種球狀血紅素蛋白，主要由珠蛋白與血紅素組成[9]。血紅素中的鐵原子狀態(tài)和配體類型決定了肌紅蛋白的存在形式[10-11]，賦予不同的肉色特征。通常情況下，當血紅素中心的鐵原子為二價（Fe2+）形式時，若第6個配位鍵不與配體結(jié)合則為脫氧肌紅蛋白，呈現(xiàn)暗紅肉色[12];若該配位鍵與氧結(jié)合則為氧合肌紅蛋白，呈現(xiàn)出櫻桃紅肉色[12-13]，為消費者喜好色澤。然而，血紅素中心的二價鐵（Fe2+）極不穩(wěn)定，易形成穩(wěn)態(tài)的三價鐵（Fe3+），轉(zhuǎn)變成MetMb，呈現(xiàn)出褐紅肉色[14]，為非喜好色澤。

MetMb在一定條件下可轉(zhuǎn)化為脫氧肌紅蛋白，此能力稱為MRA[2]。在肉類研究中，控制MRA的方式或途徑十分關(guān)鍵，直接影響肉色特征與穩(wěn)定性，且MRA越高，肉色越穩(wěn)定[15]。截至目前，影響MetMb還原的途徑主要有2 種：1）酶促、非酶促和電子鏈傳遞，三者可獨立或選擇性聯(lián)合發(fā)生作用[16-17];2）肌內(nèi)競爭性或非競爭性耗氧[18]，受肌肉種類、貯藏加工條件等影響較為顯著。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體是影響MetMb還原的關(guān)鍵細胞器[8，19]，其作用路徑與調(diào)控機制已逐漸成為肉色研究的重點與難點課題。

2? ?線粒體介導MRA與肉色變化的關(guān)聯(lián)性

線粒體是參與能量代謝的重要細胞器，在畜禽宰后仍具有生化活性，且能維持較長時間，已成為肉色研究的重要切入點[20-21]。研究表明，線粒體不僅影響肌紅蛋白儲氧與氧轉(zhuǎn)運功能[22-23]，還與肌紅蛋白氧化還原狀態(tài)密切相關(guān)，參與MetMb還原，在肉色變化中具有重要作用，其作用路徑主要有耗氧、酶促和電子鏈傳遞3 種[3，24]。

2.1? ?線粒體介導MRA之耗氧路徑

線粒體是肌細胞有氧呼吸的主要場所，可持續(xù)調(diào)節(jié)肌內(nèi)氧分壓，導致MRA呈動態(tài)變化。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體耗氧速率越快，肌內(nèi)氧分壓越低，促進氧合肌紅蛋白轉(zhuǎn)化為脫氧肌紅蛋白，隨即轉(zhuǎn)化為MetMb[17]。若線粒體含量較高，耗氧量增加，導致肌內(nèi)快速形成無氧環(huán)境，進而促進MetMb還原，提高了肉色穩(wěn)定性[25]。盡管線粒體耗氧速率與MRA密切相關(guān)，但它與肌內(nèi)MetMb相對含量并非呈現(xiàn)線性關(guān)系[17，21]，二者之間的互作模型報道較少，可列為肉色機制性研究的重要方向。有研究表明，線粒體與肌紅蛋白存在耗氧競爭關(guān)系，且線粒體耗氧競爭力顯著高于肌紅蛋白，并認為這種競爭關(guān)系是影響櫻桃紅肉色的關(guān)鍵因素[26]。對于牛肉樣品，肌內(nèi)線粒體含量和耗氧率均對肉色穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，其影響程度取決于肌肉類型;一般情況下，肉色不穩(wěn)定型牛肉的線粒體含量和耗氧率相對高于肉色穩(wěn)定型牛肉[3]。Mancini[3]、Raines[27]等認為，隨著貯藏時間的延長，肌內(nèi)儲氧量快速消耗，顯著降低線粒體對MetMb的還原能力，導致肉色穩(wěn)定性降低。

2.2? ?線粒體介導MRA之酶促路徑

MetMb還原酶也被稱為細胞色素b5還原酶或煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）依賴型MetMb還原酶，是還原MetMb的一類酶的總稱。該酶系統(tǒng)由NADH-細胞色素b5還原酶、細胞色素b5和線粒體外膜細胞色素b構(gòu)成[28]，分別存在于線粒體內(nèi)、微粒體內(nèi)和線粒體外膜[29]?？梢姡€粒體具有完整的MetMb還原酶系統(tǒng)，可作為獨立細胞器介導MetMb還原。值得注意的是，Hagler等[30]從牛心中分離出高純度NADH依賴型MetMb還原酶，該酶被白鳳霞等[31]認為是還原MetMb的關(guān)鍵酶，主要利用NADH-細胞色素b5 MetMb還原酶將2 個電子從NADH（輔助因子）傳遞到細胞色素b5（中間體），還原的中間體隨即將電子傳遞至MetMb，引發(fā)MetMb還原。

線粒體介導下的MetMb還原酶對肉色變化的影響十分復雜，作用途徑與機制仍未明晰，目前的研究報道主要分為2 種：1）MetMb還原酶與肉色無直接關(guān)系，依據(jù)是鮮羊肉和牛肉在貯藏期間有較高的MetMb還原酶活性，而色澤卻相對穩(wěn)定[32-33];2）MetMb還原酶是影響肉色穩(wěn)定性的重要因素，依據(jù)是牛肉中MetMb還原酶活性與紅度值（a*）有一定的正相關(guān)性（r=0.322），且與MetMb相對含量呈顯著的負相關(guān)性（r=-0.877）[34]。Ledward[35]認為，MetMb還原酶抑制MetMb相對含量的增加是調(diào)控肉色穩(wěn)定性的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，牛背最長?。ㄈ馍€(wěn)定型）中的MetMb還原酶活力顯著高于牛腰大肌（肉色不穩(wěn)定型），也間接表明MetMb還原酶與肉色穩(wěn)定性之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，且受酶活力影響[36]。由此可知，MetMb還原酶對肉色變化的影響不僅取決于酶活力，還與肌肉部位、貯藏條件、加工方式等因素相關(guān)聯(lián)，因素互作及機制將是未來研究的重點。

2.3? ?線粒體介導的MRA電子鏈傳遞路徑

電子鏈傳遞是線粒體介導MetMb還原的重要途徑，所涉組分主要包括黃素蛋白、鐵硫蛋白、細胞色素和泛醌，并在線粒體膜表面形成NADH-Q還原酶（Ⅰ）、琥珀酸-Q還原酶（Ⅱ）、細胞色素還原酶（Ⅲ）與細胞色素氧化酶（Ⅳ）4 個復合體[37]。

研究發(fā)現(xiàn)，厭氧條件下添加NAD+顯著增加碎牛肉中的NADH含量、顯著降低MetMb含量，當添加電子傳遞復合物Ⅰ抑制劑（魚滕酮）后，MetMb生成受到抑制，致使MetMb相對含量顯著降低，認為厭氧條件下MetMb相對含量的降低是由于NADH將線粒體中的電子轉(zhuǎn)移至氧分子（O2）[38]。線粒體電子對MetMb可產(chǎn)生直接影響的研究也被報道，Tang Jiali等[24]研究發(fā)現(xiàn)，線粒體和琥珀酸同時存在時可導致MetMb相對含量顯著降低，獨立存在時未觀察到MetMb含量變化;添加魚藤酮（復合物Ⅰ抑制劑）提高MetMb的減少量;添加丙二酸（復合物Ⅱ抑制劑）降低MetMb的減少量，且該減少量均因抗霉素A（復合物Ⅲ抑制劑）的添加而消失，并由此認為線粒體電子對MetMb可產(chǎn)生直接作用，且電子作用位點在細胞色素還原酶（復合物Ⅲ）和細胞色素氧化酶（復合物Ⅳ）之間，具體作用途徑為：琥珀酸鹽→復合體Ⅱ→輔酶Q→復合體Ⅲ→細胞色素C→外膜細胞色素b5→MetMb。此外，針對線粒體電子介導MetMb還原機理，Gao Xiaoguang等[15]開展了琥鉑酸鹽與NADH的比較研究，當線粒體與底物、抑制劑共同孵育3 h后，添加8 mol/L琥珀酸酯可使MetMb相對含量降低約69%，添加2 mol/L NADH可導致MetMb相對含量降低約56%，也認為琥珀酸-Q還原酶（復合物Ⅱ）和NADH-Q還原酶（復合物Ⅰ）經(jīng)不同途徑參與了電子鏈傳遞，直接影響MetMb的還原，且琥珀酸酯-MetMb還原系統(tǒng)較NADH-MetMb還原系統(tǒng)更加穩(wěn)定。綜上所述，電子鏈傳遞介導MRA主要歸于2 個途徑：1）厭氧條件下，電子首先傳遞給氧分子（O2），隨后還原MetMb;2）電子經(jīng)細胞色素C傳遞，直接作用于MetMb還原。2 種途徑主要由體外實驗獲取，體內(nèi)傳遞機制尚不明晰。

3? ?影響線粒體介導MRA的加工貯藏因子

通常情況下，造成線粒體結(jié)構(gòu)與功能變化的內(nèi)外因子均可影響線粒體介導MRA，導致肉色變化[24]。影響線粒體結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)外因子主要有肌肉特異性、貯藏條件、活性氧（reactive oxygen species，ROS）、脂質(zhì)氧化等[32]。

3.1? ?肌肉特異性

線粒體含量與退化率差異性是造成肌肉特異性的重要原因之一，二者共同影響肉色特征[27，39-40]。以腰大肌和腰最長肌為例，盡管腰大肌中線粒體含量為腰最長肌的1.2～2.5 倍，但腰最長肌色澤穩(wěn)定性卻顯著高于腰大肌[41]。類似現(xiàn)象在聚氯乙烯包裝樣品中也被發(fā)現(xiàn)，雖然腰大肌在零售展示0～7 d內(nèi)的線粒體耗氧量和MRA均高于腰最長肌，而色澤穩(wěn)定性卻呈相反趨勢[42]。此類現(xiàn)象表明，線粒體含量不是決定肉色穩(wěn)定性的唯一因素。然而，線粒體退化率對肉色穩(wěn)定性的影響卻與線粒體含量無關(guān)，因為腰大肌和腰最長肌在零售展示7 d后的線粒體含量分別降低68%和28%，而腰大肌中的細胞色素C增加量卻明顯高于腰最長肌，表明腰大肌線粒體退化率高于腰最長肌[41]，具體機制有待進一步研究。對牛半膜肌外部和內(nèi)部肌肉而言，肌肉特異性對肉色穩(wěn)定性的影響依然存在，且認為線粒體功能性差異是造成半膜肌內(nèi)部和外部色澤不穩(wěn)定性的主要原因[43]。Nair等[44]研究發(fā)現(xiàn)，牛半膜肌內(nèi)部在零售初期呈現(xiàn)出較低的線粒體耗氧和較高的a*，而在零售展示7 d后則呈現(xiàn)出顯著較高的a*（P<0.05），并呈現(xiàn)出更高的線粒體耗氧和色澤穩(wěn)定性。因此，線粒體含量與退化率是決定肌肉特異性的主要因素，也是考察肉色變化及機制的關(guān)鍵研究指標。

3.2? ?貯藏時間

畜禽宰后線粒體仍維持較高的生理生化活性，其結(jié)構(gòu)會發(fā)生貯藏損傷，耗氧能力明顯降低[45-47]。研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌細胞線粒體在宰后0.5～2.0 h具有完整結(jié)構(gòu)，96 h后可觀察到清晰的內(nèi)、外膜結(jié)構(gòu)，120、144 h后開始出現(xiàn)少量腫脹[48]，直至21 d后完整結(jié)構(gòu)基本消失[24]。研究表明，宰后線粒體的貯藏結(jié)構(gòu)損傷會顯著影響線粒體的耗氧能力[49]，且貯藏時間越長，耗氧能力越低[24]。類似現(xiàn)象也發(fā)生在牛肉的冷鮮貯藏（4 ℃、0～21 d）過程中[50]。Mancini等[20]認為，盡管貯藏受損的線粒體結(jié)構(gòu)對肉色a*有提升作用，但卻減少了線粒體介導的MetMb還原，致使肉色穩(wěn)定性顯著降低?？梢?，調(diào)控線粒體的貯藏損傷、保持線粒體結(jié)構(gòu)的完整性，對提升肉色的貯藏穩(wěn)定性具有現(xiàn)實意義。

3.3? ?脂質(zhì)氧化

脂質(zhì)氧化產(chǎn)生的醛、酮、環(huán)氧化物、自由基等產(chǎn)物對貯藏期肌紅蛋白氧化速率、線粒體活性等有顯著影響，是造成肉色及其穩(wěn)定性變化的重要原因[51-53]。據(jù)現(xiàn)有報道，脂質(zhì)氧化對肌紅蛋白的影響主要有2 種途徑：1）氧化產(chǎn)物直接作用于肌紅蛋白，促進肌紅蛋白氧化成MetMb;2）富含不飽和脂肪酸（約50%）的線粒體膜磷脂雙分子層極易受到自由基攻擊而發(fā)生脂質(zhì)氧化，導致線粒體膜發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷[54]，降低線粒體介導的MRA，進而改變?nèi)馍?。Hutchins等[55]研究發(fā)現(xiàn)，脂質(zhì)氧化對MetMb的還原有抑制作用，并呈現(xiàn)出顯著的負相關(guān)關(guān)系，但作用機理尚不明確。相關(guān)研究表明，脂質(zhì)氧化產(chǎn)物對線粒體介導MRA的影響，主要是通過鈍化線粒體中的NADH-Q還原酶（復合物Ⅰ）、琥珀酸-Q還原酶（復合物Ⅱ）和酮戊二酸脫氫酶，或攻擊線粒體膜分子層，造成電子呼吸鏈功能紊亂[56-58]。

4-羥基壬烯醛（4-hydroxynonenal，HNE）是一種最具代表性的脂質(zhì)氧化產(chǎn)物[55]，不僅顯著影響線粒體的生理功能，還會改變線粒體介導的MRA[59-60]。Chen Cheng等[61]研究發(fā)現(xiàn)，HNE加速牛肉最長肌氧合肌紅蛋白的氧化，導致線粒體膜的通透性顯著增加，進而抑制電子傳遞鏈介導的MRA。在不同pH值條件下，HNE對線粒體結(jié)構(gòu)的影響會產(chǎn)生較大差異：當pH值為7.4時，HNE可促使線粒體發(fā)生腫脹，膜通透性增加;而當pH值為5.6時，HNE作用下的線粒體體積和通透性均呈現(xiàn)降低趨勢[62]。此外，與對照組相比，HNE不僅可以降低MetMb還原酶的活性，還會與乳酸脫氫酶發(fā)生共價結(jié)合，以阻止乳酸脫氫酶再生NADH，降低由NADH引發(fā)的MetMb還原[63]?？偟膩碚f，HNE對線粒體的結(jié)構(gòu)與功能都會產(chǎn)生較大的破壞作用，并在一定程度上降低MetMb還原酶的活性，但具體機制有待探究。

3.4? ?ROS

ROS是一種源于線粒體電子傳遞鏈NADH-Q還原酶（復合物Ⅰ）和細胞色素還原酶（復合物Ⅲ）的高活性分子，能夠從結(jié)構(gòu)上改變線粒體的功能[56]。當線粒體電子鏈局部ROS濃度偏高時，電子傳遞復合物極易受ROS攻擊而造成氧化損傷[64-65]，進而抑制線粒體的電子鏈傳遞，并引發(fā)電子泄漏，加劇ROS生成，造成惡性循環(huán)[37]。Musatov等[66]認為，ROS是電子傳遞復合物的有效抑制劑。若ROS積累至一定濃度時，將會引發(fā)線粒體膜電位發(fā)生改變，這不僅會影響線粒體的氧化通道，還會導致線粒體中的細胞色素C釋放進入細胞質(zhì)，加速各種細胞類型的凋亡[67]。有研究表明，高濃度ROS會促使機體細胞或線粒體組織發(fā)生氧化應激，降低細胞中的內(nèi)源酶（超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶）活性或促進線粒體中細胞色素C的釋放，造成細胞或線粒體結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆損傷，甚至死亡[66]。

4? ?結(jié)? 語

線粒體是還原MetMb的關(guān)鍵細胞器，主要通過耗氧、酶促與電子鏈傳遞3 種路徑調(diào)控MRA，與肉色之間存在極大的關(guān)聯(lián)性，已成為肉色研究的重點與難點課題。肉類加工與貯藏因子（貯藏條件、肌肉特異性、ROS、脂質(zhì)氧化等）可改變線粒體的結(jié)構(gòu)與功能，進而顯著影響線粒體介導的MetMb還原。然而，針對線粒體介導的MetMb還原的機制性研究主要集中在體外模擬，系統(tǒng)性研究仍不完善，有待深入探究?；诘鞍捉M學、代謝組學、光譜原位檢測技術(shù)等新方法，開展線粒體功能特性與肉色變化的關(guān)系研究，將成為未來肉色研究的新熱點。

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