蛋白质氧化和翻译后修饰对肉品质的 影响及机制研究进展

黄琳琳，张一敏，朱立贤，梁荣蓉，罗 欣，成海建，毛衍伟,*

（1.山东农业大学食品科学与工程学院，山东 泰安 271018；2.国家肉牛牦牛产业技术体系济南站，山东 济南 250000）

随着我国人民生活水平的日益提高，消费者对肉的品质提出了更高的要求。肉的品质指标主要包括嫩度、持水性、肉色等。其中嫩度是最重要的品质指标，是影响消费满意度和再次购买意愿的最主要因素[1]。持水性不仅影响肉的嫩度、多汁性和风味等其他品质指标，还会直接影响肉品加工企业的经济效益。肉色是消费者对肉新鲜程度的直接评价标准，是决定消费者购买与否的重要指标[2]。

动物屠宰放血后肌肉细胞不会立即死亡，而是存活数个小时。在这段时间内，肌肉细胞从有氧代谢 转变为无氧酵解，产生ATP以暂时维持体内平衡和细胞 功能[3]。但无氧酵解合成ATP的能力有限，很难维持肌肉细胞的正常代谢水平。因此，肌肉细胞开始发生应激反应，并产生蛋白质氧化、翻译后修饰等变化。这些变化又进一步影响并导致糖酵解、死后僵直、细胞凋亡和蛋白水解等变化，最终影响并决定了肉的品质。上述动物屠宰后的变化过程都是由蛋白质介导的，其中蛋白质氧化和蛋白质翻译后修饰是影响并决定肉品质的关键因素。本文系统总结了动物屠宰后氧化应激对蛋白质氧化的影响以及蛋白质翻译后修饰的变化，并分析蛋白质氧化和蛋白质翻译后修饰对肉的嫩度、持水性、色泽和营养价值等品质形成的影响及其作用机制，以期为肉类科学的研究提供方向，并为生产者进一步提高肉的品质提供理论参考。

1 氧化应激过程中蛋白质氧化对肉品质的影响

动物受到体内外异常的、不良胁迫因子刺激时，可引起非特异性、生理性紧张状态，并由此引起各种机能和代谢的改变，以提高机体的适应能力，维持内环境的相对稳定，这一反应称为应激[4]。氧化应激是动物最常见的应激反应，热应激、宰前应激以及病原微生物等都可以引发动物产生氧化应激。Yang Peige等[5]研究发现，热应激可以引起抗氧化酶系统发生改变，使猪的抗氧化能力降低。Liu Huawei等[6]研究认为运输导致的氧化应激能提高羊肉的pH值，降低血清中超氧化物歧化酶活性和总抗氧化能力，增加肌肉中丙二醛的含量，从而影响羊肉的品质和货架期。

应激可引起机体产生一系列变化，这些变化将调整机体的内环境以对抗、适应应激源。适度的应激可以提高机体的防御能力，但会增加器官功能的负荷或导致自身防御系统的失衡。因此，动物处于过度强烈或时间过长的应激状态时，会超过机体自我平衡能力，造成机体适应能力的破坏或适应潜能的耗尽[7]，导致一些损伤或疾病的产生，最终影响肉的品质。

1.1 活性氧与氧化应激

活性氧（reactive oxygen species，ROS）是细胞中广泛分布的具有生理活性的代谢产物，主要来源于线粒体，由分子氧形成。ROS是含氧的且具有高度化学活性的几类大分子的总称，主要包括超氧阴离子自由基（O2-·）、羟自由基（·OH）、过氧化氢（H2O2）[8]以及烷氧自由基、烷过氧自由基等，其中O2-·最为普遍[9]。

ROS具有很强的氧化能力，在正常浓度范围内，它们在细胞中起信号分子的作用，广泛参与细胞增殖、分化和凋亡信号传递等生理生化过程，维持细胞内ROS的正常水平对生命健康至关重要[10]。正常情况下，活体 动物体内的ROS处于动态平衡状态，抗氧化防御系统调节体内ROS的产生和代谢。抗氧化防御系统分为酶防御系统（包括过氧化物酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽还原酶等）和非酶防御系统（包括维生素、谷胱甘肽、胡萝卜素和其他抗氧化物质）[11]，可以防止机体氧化损伤。

氧化应激是指机体面临不良刺激时，体内产生大量ROS和活性氮自由基，当机体不能通过自身抗氧化防御系统及时清除这些自由基时，就会导致氧化和抗氧化系统失衡，造成机体损伤的过程[9]。研究表明，过量的氧化应激不仅会导致动物体质量降低的比率与死亡率增加，还会使肉的品质下降。动物屠宰后，由于肌细胞缺血缺氧，营养物质供应中断，动物体内维持自身抗氧化防御系统的能力大大降低，导致ROS不断积累。过量的ROS会引起细胞的凋亡、坏死和自噬[12]，导致不饱和脂肪酸、蛋白质氧化以及DNA损伤[13]等，进而影响肉的嫩度等品质。

1.2 蛋白质氧化

当机体发生过度的氧化应激时，细胞内ROS超过正常生理代谢所需含量时，ROS会通过抑制转录使蛋白质合成受阻、破坏蛋白质结构等途径，使蛋白质降解或功能丧失[14]。蛋白质氧化是指ROS或氧化应激的副产物作用于蛋白质，引起蛋白质的结构变化，包括蛋白质肽链骨架的断裂、蛋白分子内和分子间发生交联或聚合、氨基酸侧链的修饰等。

1.2.1 蛋白质氧化的机理

蛋白质氧化可分为ROS或活性氮直接诱导的氧化反应、糖或脂类的氧化产物间接诱导的氧化反应。蛋白质氧化过程和脂质氧化过程类似，主要包括链起始、链传递和链终止3 个阶段[15]。蛋白质氧化的链式反应机制如下：ROS引发蛋白质分子脱除一个氢原子，产生一个碳中心自由基（C·），在氧的作用下，C·转化为过氧化物自由基（COO·），COO·可以与Fe2+或与亲水的超氧自由基反应，或使另一个蛋白质分子脱氢，生成烷基过氧化物（COOH），再进一步与过氧化自由基（HO2·）或Fe2+反应生成烷氧自由基（CO·）及其羟基衍生物（COH），从而引发蛋白质氧化链式反应。但在无氧条件下，两个C·可以相互反应生成碳碳交联衍生物[16]。

1.2.2 蛋白质氧化对肉品质的影响

动物屠宰后，维持自身抗氧化防御系统的能力大大降低，ROS不断在体内积累，肌肉内氧化应激水平增加，从而导致蛋白质氧化，影响蛋白质的各项性能，包括蛋白质交联、溶解度等变化，进而引起肉的嫩度、持水性、色泽等品质的变化。蛋白质氧化对肉品质的影响机制见图1。

图 1 蛋白质氧化对肉品质的影响机制[16-25]Fig. 1 Influence mechanisms of protein oxidation on meat quality[16-25]

1.2.2.1 蛋白质氧化对嫩度的影响

如图1所示，氧化应激引起的蛋白质氧化对嫩度的影响包括相反的两个方面：第一，ROS可以直接攻击骨架蛋白，导致蛋白质肽链骨架断裂，形成蛋白质碎片[17]，加速蛋白质降解，这有利于提高肉的嫩度；第二，蛋白质氧化可以导致蛋白水解酶的活性减弱，蛋白质分子内或分子间发生交联聚合，从而影响骨架蛋白的降解，使肉的嫩度降低。上述两方面影响中，第二方面影响起主要作用，因此蛋白质氧化总体上会导致肉的嫩度降低。钙激活中性蛋白酶（calpains）的活性位点包含半胱氨酸残基，其中含有的巯基是对氧化最敏感的氨基酸残基之一，因此Calpains容易因蛋白质氧化失去活性。有研究指出肌间线蛋白的降解可以提高肌肉的嫩度和持水性[18]。Calpains降解肌间线蛋白等骨架蛋白可使肌纤维组织结构弱化，提高肉的嫩度，而氧化应激对Calpains活性的破坏会对肉嫩度产生不利影响。

崔艳军[9]研究发现，热应激引发了氧化应激，Calpains被氧化失去水解活性，抑制了肌纤维蛋白的降解，从而使肉的嫩度降低。Chen Lin等[19]报道，与真空包装相比，高氧气调包装的猪背长肌中羰基含量增加，蛋白质表面疏水性增强，溶解度降低；蛋白质氧化抑制了μ-Calpain的活性，从而抑制了猪肉中肌钙蛋白-T和肌间线蛋白等骨架蛋白的降解。Moczkowska等[20]研究发现，高浓度氧促使肌球蛋白氧化后二硫键交联增加，抑制肌间线蛋白的降解，从而降低肉的嫩度。此外，硫醇氧化、肌球蛋白重链上的分子间产生二硫键交联，导致蛋白质的聚合，也会使肉的嫩度降低[21]。

同时，氧化应激会诱导HSPs的合成，HSPs的主要作用是抑制宰后成熟过程中蛋白质的降解，维持肌原纤维蛋白的结构稳定性[26]。因此，氧化应激诱导HSPs合成可能会导致肉的嫩度降低。丁振江[22]研究发现，氧化可以上调HSP27表达量，HSP27与μ-Calpain和细胞凋亡酶-3结合，能降低μ-Calpain的活性，延缓肌原纤维蛋白的降解，不利于成熟过程中嫩度的改善。

1.2.2.2 蛋白质氧化对持水性的影响

细胞骨架蛋白的降解会导致肌细胞肿胀，使肌肉保留从肌原纤维中排出的水分，从而使肉在成熟过程中持水性增加[23]。如图1所示，蛋白质氧化会抑制Calpains活性，从而抑制骨架蛋白的降解。未降解的肌间线蛋白有助于将肌原纤维蛋白的收缩转移至整个细胞，并促使水分从肌原纤维中流出，降低了肌肉持水力。μ-Calpain的自溶与肌间线蛋白的降解成为预测宰后肌肉持水性的有效标志[27]。

李婉竹等[28]研究发现，多次冻融循环促进了牦牛肉蛋白质氧化，同时解冻损失率、蒸煮损失率等持水性相关指标显著升高，蛋白质氧化程度与持水性呈显著负相关关系。Wang Juan等[24]研究发现，当Calpains活性较低、对肌间线蛋白的降解能力下降时，猪肉的持水性降低。Delles等[29]在研究高氧气调包装对猪肉品质的影响时发现，高氧体系会引起蛋白质氧化，肌球蛋白通过二硫键交联聚集使蛋白质与水分结合的能力减弱，导致了持水能力的降低。

1.2.2.3 蛋白质氧化对色泽的影响

宰后彻底放血后，肌肉的颜色有80%～90%是由肌红蛋白决定的，主要取决于脱氧肌红蛋白、氧合肌红蛋白和高铁肌红蛋白的含量和比例[30]。在低氧条件下，脱氧肌红蛋白和氧合肌红蛋白都容易被氧化为褐色的高铁肌红蛋白，而高铁肌红蛋白还原酶可以持续地将高铁肌红蛋白还原，保持肉颜色的稳定性[31]。高氧气调包装含有高浓度氧（70%～80%），使肉表面的肌红蛋白氧合为鲜红的氧合肌红蛋白，有利于改善肉色，在鲜肉的包装中被广泛应用。李侠等[25]研究发现，高氧气调包装的猪肉在贮藏初期，由于氧气浓度较高，肌红蛋白与氧气结合生成氧合肌红蛋白，但随着贮藏时间的延长，氧合肌红蛋白被进一步氧化成高铁肌红蛋白，肉色发生劣变。

1.2.2.4 蛋白质氧化对营养价值的影响

如图1所示，蛋白质氧化主要通过以下几种途径对肉中蛋白质的营养价值产生影响：一方面，蛋白质氧化会产生羰基化、亚硝基化、羟基化等氨基酸侧链修饰，造成必需氨基酸的损失；另一方面，蛋白质之间的交联聚合反应会使蛋白质对消化酶的敏感性降低，造成蛋白质消化率下降；最后，高水平的氧化还会导致蛋白质变性沉淀，蛋白质的溶解度及生物利用度降低，使肉类蛋白质的营养价值降低。此外，蛋白质片段化还会造成α-酰胺化，产生二酰胺，使肉的食用安全性降低，甚至会增加人体细胞毒性和致突变性，危害人体健康[16]。de la Pomélie等[32]研究发现，蛋白质氧化过程中，对氧化敏感的氨基酸受到氧化修饰，使氨基酸的生物利用度降低， 且引起蛋白质聚集，导致消化率下降，从而降低了肉的营养价值。但轻度水平的氧化可使蛋白质更易被相应的蛋白酶消化[33]。Estévez等[15]研究发现，蛋白质氧化造成的羰基化会导致赖氨酸、苏氨酸和精氨酸等必需氨基酸的不可逆修饰，从而造成必需氨基酸的损失。

2 蛋白质翻译后修饰对肉品质的影响

蛋白质翻译后修饰是一个复杂的过程，目前在真核生物中发现了20 种以上的修饰类型，常见的有磷酸化、乙酰化、亚硝基化、甲基化、羟基化等[34]。蛋白质翻译后修饰主要通过在特定的氨基酸侧链上添加新的基团，如磷酸根、乙酰基、甲基、烷基等功能基团[35]，从而改变蛋白质的结构和功能，赋予蛋白质新的性质。大量研究表明，蛋白质翻译后修饰可以通过影响宰后能量代谢、肌肉收缩、应激反应及细胞凋亡等途径影响肉的品质。蛋白质翻译后修饰对肉品质的影响机制见图2。

图 2 蛋白质翻译后修饰对肉品质的影响机制[3,36-45]Fig. 2 Influence mechanisms of protein post-translational modification on meat quality[3,36-45]

2.1 蛋白质磷酸化

蛋白质磷酸化指在蛋白激酶催化下将ATP或鸟嘌呤核苷三磷酸（guanosine triphosphate，GTP）上的磷酸基团转移到蛋白质氨基酸残基上的过程[46]。如图2所示，蛋白质磷酸化在调节宰后肌肉的生理生化过程（如糖酵解、肌肉收缩、细胞凋亡等）中起重要作用，进而影响肉的嫩度、持水性、肉色稳定性等品质。

Li Zheng等[47]指出磷酸化可以通过阻碍蛋白酶与蛋白质底物的相互作用以及影响蛋白质的稳定性来调控蛋白质降解。D’Alessandro等[48]则认为，蛋白质磷酸化可能通过调节糖酵解、细胞骨架蛋白的降解，以及HSPs的保护功能影响肉的品质。研究发现，肌球蛋白轻链2的磷酸化修饰负向调控肌动球蛋白解离和肌动球蛋白ATP酶活性，最终导致肉的嫩度下降[36]。Du Manting等[37]报道了蛋白质磷酸化通过抑制Calpains的自我分解和激活来负向调节其活性。同时，Li Zheng等[38]研究表明，肌球蛋白 重链、肌动蛋白、肌钙蛋白-T和肌间线蛋白等肌原纤维蛋白的磷酸化，会延迟μ-Calpain的降解作用，肌原纤维蛋白的磷酸化程度与嫩度呈负相关关系。

肌浆蛋白磷酸化通过改变糖酵解酶的活性和稳定性来调节动物屠宰后肌肉内的糖酵解，从而影响pH值下降速率。而宰后早期pH值下降速率和肉的最终pH值是影响肉的持水性[49]和肉色[50]的关键因素。Huang Honggang等[39]在研究猪肉肌浆蛋白质磷酸化时发现，蛋白质整体磷酸化水平与pH值下降速率相关，大部分磷酸化的蛋白质为糖代谢相关的酶，包括糖代谢的限速酶，如糖原磷酸化酶、丙酮酸激酶和磷酸果糖激酶等，其余为参与应激反应、磷酸肌酸代谢等反应的蛋白。Müller等[40]也发现糖原磷酸化酶在磷酸化酶激酶的作用下发生磷酸化修饰，转化为有活性的形式，促进了糖酵解的进行，从而有利于肉的嫩化。Li Meng等[41]研究发现，宰后肌肉pH值下降的速率和程度与蛋白质磷酸化有关，且肉色稳定性与肌浆蛋白的磷酸化程度成反比，蛋白磷酸化可能通过调节糖酵解和肌红蛋白的氧化还原稳定性影响肉色的形成和稳定性。

蛋白质磷酸化作为生物体内最普遍且最重要的一种蛋白质翻译后修饰方式，通过影响Calpains的活性和肌纤维蛋白的降解来影响嫩度，通过调节糖酵解酶和肌红蛋白氧化还原稳定性来影响pH值下降速率以及持水性、肉色等品质指标。

2.2 蛋白质赖氨酸乙酰化

蛋白质赖氨酸乙酰化是一种普遍的蛋白质翻译后修饰，是乙酰基供体（如乙酰辅酶A）通过酶学或非酶学的方式将乙酰基团共价结合到赖氨酸残基上的过程，其包括组蛋白和非组蛋白乙酰化修饰[51]，可对糖代谢、细胞信号转导、细胞应激和凋亡、蛋白质水解等进行调控。

肌肉蛋白质的动态乙酰化/去乙酰化与宰后肌肉中关键的生物化学变化密切相关。研究证实大多数参与中间代谢的酶，包括参与糖酵解、糖原代谢、糖异生、三羧酸循环、脂肪酸氧化的酶都是乙酰化的[52]。赖氨酸乙酰化可能通过调节糖酵解进程影响宰后肌肉的pH值，在极端情况下可能导致异质肉的产生，最终改变肌肉的持水性能。如图2所示，赖氨酸乙酰化可以通过调节细胞应激和细胞凋亡、肌肉收缩和僵直、蛋白水解等反应来参与肌肉向可食肉的转化，调节肉嫩度等品质的形成。

Li Zhongwen等[53]研究发现，宰前应激能显著提高小鼠死后背最长肌的糖酵解和总乙酰化蛋白水平，宰前注射组蛋白乙酰化酶抑制剂和组蛋白去乙酰化酶抑制剂可以调节宰后小鼠肌肉内蛋白质乙酰化水平、糖酵解水平和pH值的下降，证明了蛋白质乙酰化在动物死后糖酵解中起重要的调节作用，影响宰后肌肉的pH值，最终影响宰后早期肌肉的持水力。Zhou Bing等[42]研究表明，应激可以导致肌肉中乙酰化水平提高，这些乙酰化蛋白参与糖酵解、三羧酸循环、肌肉收缩、钙信号传导和细胞凋亡等过程，对肉的品质的形成起关键作用。Jiang Shengwang等[3]研究发现，宰后初期蛋白质的乙酰化水平发生了显著变化，与葡萄糖代谢和肌肉收缩相关的蛋白质是两个含蛋白数量最多的乙酰蛋白簇，其中肌球蛋白重链乙酰化程度最高；其同时发现参与细胞凋亡、钙信号和肌苷酸合成的乙酰蛋白质网络，表明赖氨酸乙酰化在调节宰后肌肉的能量代谢和尸僵、成熟过程中发挥重要作用。此外，一些HSPs和凋亡蛋白在宰后前4 h乙酰化的增强表明乙酰化在应激反应和细胞凋亡中起作用。

2.3 蛋白质巯基亚硝基化

一氧化氮（NO）在骨骼肌中作为一种信号分子，参与调节肌肉的收缩与舒张、钙稳态和葡萄糖摄取的稳定性[54]。血浆中的硝酸盐和亚硝酸盐是NO的潜在来源，在缺氧和酸中毒的情况下，可能会促进一氧化氮合成酶（nitric oxide synthase，NOS）的表达并增强其活性，补充产生NO，有助于保护细胞免受不利环境的影响[55]。哺乳动物体内的精氨酸酶病理性的升高会导致NO缺乏，使动物的蛋白质巯基亚硝基化水平降低，产生一些病理现象[56]。然而，动物体内NO含量过高会产生细胞毒性，引起细胞凋亡。

NO通过与蛋白质半胱氨酸的巯基共价结合形 成S-亚硝基半胱氨酸残基，是其发挥生物学作用的重要途径[57]。可通过调控NO含量和NOS活性，进而调控蛋白质巯基亚硝基化的修饰作用。蛋白质巯基亚硝基化可以通过调节其他蛋白质翻译后修饰，包括磷酸化、乙酰化、泛素化和基于胞嘧啶的氧化还原修饰，扩大其在细胞信号转导中的功能[58]。蛋白质巯基亚硝基化作为一种翻译后修饰，参与调节蛋白质活性、定位、稳定性及其相互作用（图2），推测其可能通过调节糖酵解、蛋白水解、细胞凋亡等生化途径参与宰后肌肉的变化。

刘瑞等[43]研究发现，参与宰后糖酵解的11 个酶均可被蛋白质巯基亚硝基化修饰，其中磷酸甘油醛脱氢酶和磷酸果糖激酶产生亚硝基化修饰后活性受到抑制。因此，蛋白质巯基亚硝基化修饰可通过调控宰后能量代谢影响宰后肉的品质。Cottrell等[44]研究表明，在饲料中添加NOS抑制剂会使肌原纤维小片化指数降低，进而导致肉的嫩度降低，表明NOS通过影响肌原纤维蛋白水解进而影响肉的嫩度，解释了蛋白质巯基亚硝基化影响肉嫩度的机理。Liu Rui等[45]研究发现，动物屠宰后，肌肉中出现蛋白质巯基亚硝基化并积累，被修饰的蛋白主要是细胞凋亡功能相关的酶，包括磷酸甘油醛脱氢酶、磷酸果糖激酶等。此外，巯基亚硝基化的磷酸甘油醛脱氢酶会诱导细胞凋亡[59]，影响肉成熟的开始时间。因此， 亚硝基化巯基可能作为肌肉细胞凋亡的调节因子，在动物宰后成熟过程中影响肉的品质。

3 结 语

蛋白质氧化通过调节Calpains活性、使蛋白质交联聚合等途径抑制肌原纤维降解，影响肉的嫩度、持水性等品质指标；改变肌红蛋白氧化状态，使肉色泽改善或劣变；对氨基酸侧链进行修饰，造成必需氨基酸损失，降低蛋白质对消化酶的敏感性，使消化率下降，蛋白质高度氧化还会产生变性沉淀，降低生物利用度，进而影响蛋白质的营养价值。蛋白质氧化虽可以使肽链断裂，加速蛋白质降解，使肌红蛋白转化为鲜红色的氧合肌红蛋白，在一定程度上对肉的嫩度和色泽有改善作用，但总体来说蛋白质氧化的弊大于利。因此，在肉的生产和加工过程中，应尽量减少蛋白质氧化对肉品质造成的负面影响。

蛋白质翻译后修饰主要通过调节宰后能量代谢、肌肉收缩、应激反应、细胞凋亡等途径对肉的品质产生影响。一种蛋白质很有可能同时发生几种不同的翻译后修饰，因此肉品质的形成通常是几种不同的蛋白质翻译后修饰共同作用的结果。然而，关于蛋白质翻译后修饰对肉品质影响的共同作用的研究还较少，需要进一步深入探讨。

本文综述了动物屠宰后蛋白质氧化和翻译后修饰对肉品质影响的作用机制，丰富了宰后肉品质形成的理论，为肉类科学的研究提供了新的思路，为开发高品质、高食用安全性的肉与肉制品生产技术提供理论依据。