肌纤维类型组成对猪肌肉品质与能量代谢的影响研究进展

欧秀琼，李 睿，*，张晓春，钟正泽，李 星，景绍红，郭宗义，2，李兴桂

(1.重庆市畜牧科学院 重庆市肉质评价与加工工程技术研究中心，重庆402460； 2.内江猪研究所，四川 内江 641000； 3.绥江动物卫生监督所，云南 绥江 657700)

由于人们对猪生长速度、饲料转化率和瘦肉率的长时间追求，导致猪肌肉品质变劣现象日益突出，这与人们对肌肉品质要求日益提高相矛盾。提高猪肌肉品质是养殖、食品、加工等行业共同关心的热点。肌肉品质是一个复杂的概念，是指肌肉的感官品质、食用品质，以及肌肉组织学、营养学、卫生学、加工学等特性的综合。影响猪肌肉品质的因素众多，如品种、生理阶段、环境、营养、饲养方式、运动和应激等。肌肉由肌纤维组成，肌纤维特性直接影响肌肉品质，肌纤维类型被认为是影响肌肉品质的关键因素。

哺乳动物肌纤维的形成是一个极其复杂的生物学过程，由胚胎期中胚层干细胞(生肌前体细胞)分化为成肌细胞，成肌细胞再融合形成肌管，肌管转变为肌纤维，肌纤维生长发育至成熟。部分成肌细胞不发生融合，在肌纤维表面形成卫星细胞，这种卫星细胞在动物一生中保持增殖能力，也可看作储备的成肌细胞，能修复受损的肌纤维，在幼年时较多，成年时较少，因此，幼年动物肌纤维受损后修复能力更强。肌纤维数目、大小与类型是肌纤维的基本特性，肌纤维数目与大小决定肌肉产量，肌纤维类型与肌肉品质有密切关系。肌纤维类型组成不同，宰后肌肉转变成肉的生物化学和生理学过程也不同，导致肌肉品质也不同。本文从肌纤维的形态结构、肌纤维类型的划分与转化入手，阐述了肌纤维类型组成对猪肌肉品质形成的影响，并从能量代谢角度探讨了肌纤维类型组成影响猪肌肉品质形成的机理，为通过改变肌纤维类型组成提高肌肉品质提供理论依据。

1 肌纤维的形态结构和肌肉的组织结构

肌纤维(又称肌细胞)是肌肉组织(一般指骨骼肌)的基本结构单位。单根肌纤维横切面呈圆形、椭圆形或多角形，由细胞膜、细胞核、肌浆与肌原纤维组成。肌纤维是多核细胞结构，最多可达几百个细胞核，这是由于肌纤维是在胚胎期由成肌细胞融合而来。肌纤维大小因动物种类、品种、部位等不同而有一定差别，但变动范围一般为：肌纤维长度1～40 mm，直径10～100 μm。每根肌纤维的肌浆内含有许多更细的肌原纤维，约占肌纤维成分的60%～70%，内含参与肌肉收缩的肌球蛋白和肌动蛋白，这2种蛋白质属盐溶性蛋白质，不溶于水。在肌原纤维之间分布有大量水溶性蛋白质、酶、糖原、三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)等。每根肌纤维外面有一层很薄的结蹄组织膜，称为肌内膜(即肌细胞膜)；若干条(30～80)肌纤维组成肉眼可见的肌纤维束，称为初级肌束，肌束周围被肌束膜包裹着；数十条初级肌束组成次级肌束，再由若干次级肌束组成肌肉块，外面由肌外膜包裹着。肌纤维之间、肌束之间和肌肉表面分布有结蹄组织、脂肪组织、血管、淋巴管和神经等。肌内膜、肌束膜和肌外膜周围积聚的脂肪(称为肌内脂肪，intramuscular fat，IMF)使肌肉切面呈现不同程度的大理石花纹，并与肌肉口感、风味等密切相关。肌纤维与结蹄组织、脂肪组织、血管、淋巴管与神经等共同构成肌肉的主体结构。

2 肌纤维类型的划分与转化

2.1 肌纤维类型

关于肌纤维类型的划分，最早根据肉色分为红肌和白肌；之后根据收缩功能分为慢收缩Ⅰ型和快收缩Ⅱ型；再后来人们利用组织化学染色法(如ATP酶染色法、琥珀酸脱氢酶染色法等)，根据代谢类型和酶活性分为慢收缩氧化型、快收缩氧化型、中间型和快收缩酵解型。随着现代分子生物学技术的发展，目前最常用的是基因表达法。由于肌肉中肌球蛋白重链(myosin heavy chain，MyHC)亚型决定肌肉的收缩特性，基因的多态性表达决定肌纤维类型；因此，该基因是肌纤维分类的重要分子标记，获得的分类结果比之前的传统方法更为准确、可靠，但之前的传统分类方法仍是人们认识肌纤维类型的重要基础。迄今，在哺乳动物骨骼肌中共发现8种MyHC异构体，即胚胎型、胎儿型、α-心型、Ⅰ型、2a型、2x型、2b型和眼外型，但成年哺乳动物骨骼肌中仅表达4种MyHC异构体，即Ⅰ型、2a型、2x型和2b型，分别与慢收缩氧化型、快收缩氧化型、中间型和快收缩酵解型肌纤维相对应，其代谢类型从氧化到酵解过渡，收缩速率依次递增。不同类型肌纤维其收缩运动、生理代谢、化学成分与形态特征等均有明显差异。Ⅰ、2a型属偏氧化型肌纤维，2x、2b型属偏酵解型肌纤维。Ⅰ型肌纤维一般肌红蛋白含量较高，糖原含量和ATP酶活力较低，糖酵解潜力(glycolytic potential，GP)低，线粒体和细胞色素含量高，氧化代谢酶系活力高，氧化代谢能力强，肌纤维周围血管化程度较高，肌纤维直径较小，常常与能耗较低、时间较长的基本运动有关，具有较好的抗疲劳性；2b型肌纤维与之相反，一般肌红蛋白含量较低，糖原含量高，ATP酶和糖酵解酶系活力较高，GP高，可通过糖酵解途径在短时间内获得大量能量，线粒体和细胞色素含量低，氧化代谢酶系活力低，氧化代谢能力较弱，肌纤维周围血管化程度较低，肌纤维直径较大，能进行短暂高强度的运动，抗疲劳性较弱；2x型肌纤维特征与2b型接近，其收缩速率略低，氧化代谢程度较高；2a型肌纤维特征介于Ⅰ型和2x型之间。

2.2 肌纤维类型的转化

骨骼肌肌纤维的发育分为产前期和产后期，产前期又分为胚胎期和胎儿期。产前期骨骼肌肌纤维的发育可分为初级肌纤维阶段和次级肌纤维阶段。不同动物肌肉肌纤维的发育轨迹不同，猪在妊娠期第35～55天形成初级肌纤维，第50～90天形成次级肌纤维，妊娠90 d后肌纤维数目不再增加。产后期骨骼肌肌纤维的发育主要是体积增大和类型转化，经过一个成熟的过程，肌肉肌纤维类型组成达到一个相对稳定的分布模式。

猪的初级肌纤维最初表达为胚胎型、胎儿型和Ⅰ型MyHC异构体，这些肌纤维在大部分肌肉中发育成为MyHCⅠ型肌纤维。次级肌纤维也表达为胚胎型和胎儿型MyHC异构体，与初级肌纤维不同的是，它们到妊娠后期才能表达Ⅰ型MyHC异构体，并最终发育成为Ⅰ型肌纤维，其中，还有部分肌纤维短暂表达α-心型MyHC异构体。Ⅰ型和2a型异构体在胎儿期就已表达，而2x和2b型MyHC异构体则要到出生后才开始表达。

猪在出生时，肌肉大多由氧化型肌纤维组成，几乎没有酵解型肌纤维，随着年龄的增长，肌肉中氧化型肌纤维比例总体呈下降趋势，酵解型肌纤维比例总体呈上升趋势。早期生长阶段是肌纤维类型转化的重要阶段，猪0～28日龄各类肌纤维比例变化明显，Ⅰ型肌纤维比例逐渐下降，2b型肌纤维比例急剧上升，60日龄以后各类型肌纤维比例相对稳定，但仍能对肌肉中肌纤维类型转化进行调控。肌纤维类型在整个生长过程中持续相互转化，且其转化是内在因素与外在因素协同调控的结果。内在因素主要为体内信号通路与相关细胞因子，其中，腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)/沉默信息调节因子1(silent information regulator 1，SIRT1)/过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ co-activator 1α，PGC-1α)是调控肌纤维类型转化的重要信号通路。AMPK在维持动物细胞的能量稳态中发挥重要作用，被称为“细胞能量调节器”。多种外在因素可通过提高AMPK的磷酸化程度，激活其下游通路，进而影响基因的表达，促进肌纤维类型的转化。外在因素如营养、饲养方式、环境、运动、应激等均可通过改变体内相关的信号通路调节肌纤维类型的转化。在正常生理状态下，肌纤维由慢型向快型或由快型向慢型转化，由于出生后肌纤维总数量不变，因此，肌纤维类型的转化处于一个动态平衡之中，且遵循Ⅰ↔2a↔2x↔2b的变化规律。

外在因素中，营养因素对肌纤维类型转化的影响较大。李登赴等以高坡猪和杜长太猪为对象进行研究，结果表明，提高育肥后期日粮营养水平，背最长肌2b型肌纤维含量极显著提高。孙相俞以杜长大猪为对象，低能量组为常规日粮，高能量组分别在20～50、50～80、80～120 kg阶段日粮中添加3%、5%、7%的动物油脂，结果表明，高能量组背最长肌2a和2x型肌纤维比例显著高于低能量组，2b型肌纤维比例显著低于低能量组。Li等的研究表明，降低杜长大育肥猪饲粮中蛋白质水平(由16%降至13%)，可增加肌肉中氧化型肌纤维含量。一些添加剂(如共轭亚油酸、一水肌酸等)能促进肌肉中酵解型肌纤维向氧化型肌纤维转化，提高氧化型肌纤维含量。由此可见，日粮营养水平、能量蛋白质水平，以及一些添加剂等均能引起肌纤维类型的转化，但营养因素对肌纤维类型转化的影响会因动物品种、生理阶段、肌肉部位、外界环境等不同而有所差异。此外，饲养方式、环境、运动、应激等因素都会引起肌肉中肌纤维类型的转化。

3 猪肌肉肌纤维类型组成的品种差异性

品种不同，肌纤维类型组成会有明显差异，这也是导致不同品种猪肌肉品质差异的根本原因。猪肌肉肌纤维类型组成具有中等及以上遗传力(遗传力=0.20～0.59)，其中，Ⅰ型和2b型肌纤维比例具有较高遗传力，分别为0.46和0.59。

一般来说，我国地方猪种肉色鲜红、系水力强、IMF含量高，肌肉品质显著优于国外瘦肉型猪种，是因为我国地方猪种肌肉中氧化型肌纤维比例显著高于国外瘦肉型猪种。廖玉雪研究显示，在105～220日龄，成华猪背最长肌Ⅰ、2a型肌纤维含量显著高于长白猪， 2x、2b型肌纤维含量显著低于长白猪。刘莹莹等研究表明，巴马香猪背最长肌Ⅰ型肌纤维含量显著高于长白猪。李忠秋等研究表明，同日龄民猪和大白猪、同体重民猪和大白猪相比，民猪背最长肌Ⅰ、2a和2x型肌纤维含量显著高于大白猪，而2b型肌纤维含量显著低于大白猪。研究结果证实了肌纤维类型组成的品种差异性，揭示了不同品种猪肌肉品质差异的原因，并提示在商品猪生产或猪育种过程中引入一定比例的优良地方猪种血缘，有利于提高肌肉中氧化型肌纤维比例从而提高肌肉品质。

4 肌纤维类型组成对猪肌肉品质形成的影响

由于不同类型肌纤维的收缩运动、生理代谢、化学成分等不同，肌肉中肌纤维类型组成不同导致宰后肌肉品质也不同。当氧化型肌纤维比例高、酵解型肌纤维比例低时，肌肉中糖原和乳酸的含量较低，宰后肌肉pH值下降慢，蛋白质变性程度和滴水损失降低，肌肉品质较好。

猪是肉用经济动物，饲养的最终目的是获得品质优良的猪肉产品。肌纤维类型是影响肌肉品质的关键因素，肌纤维类型组成不同，宰后肌肉颜色、pH值、系水力等肌肉品质性状也不同。氧化型肌纤维中肌红蛋白和血红蛋白含量高，因此，氧化型肌纤维含量高时肌肉颜色鲜红，肉色评分较高。酵解型肌纤维含量高时，肌肉中ATP酶活性和糖原含量高，宰后肌肉pH值下降快，肌肉最终pH值较低，肌肉品质变差，甚至产生苍白、柔软、渗水(pale、soft、exudative，PSE)肉。肌肉的系水力是指肌肉在受到外力作用时能够保持其原有水分的能力，系水力与肌肉的颜色、风味、嫩度等都有着很强的相关性。肌肉pH值是影响系水力的主要因素，猪活着时，pH值为7.2～7.4，此时蛋白质分子带净负电荷，且蛋白质分子间相互排斥，能够吸附大量水分，肌肉的系水力高。屠宰后由于pH值下降，肌肉蛋白质分子间的电荷平衡发生改变，蛋白质带净负电荷的数量减少，吸附水的能力下降，肌肉系水力下降。正常情况下，猪宰后45 min肌肉pH值为6.0～6.5，当pH值下降至接近肌肉蛋白质的等电点(pH 5.0～5.5)时，蛋白质的净电荷几乎为零，肌肉中蛋白质凝结收缩，此时肌肉的系水力最低，导致PSE肉的产生，适口性明显下降。因此，酵解型肌纤维含量高时，宰后肌肉pH值较低，系水力降低，肌肉品质变差。门小明以达到适宜屠宰体重的金华猪、浙江中白猪、杜浙猪和杜长大阉公猪(分别含有100%、12.5%、6.25%、0的金华猪血缘)为对象，测定背最长肌肌纤维类型组成与肌肉品质性状，结果表明，氧化型肌纤维比例与pH值下降率呈显著负相关，与蛋白质溶解度、嫩度、肉色值()、IMF含量均呈显著正相关。但氧化型肌纤维含量过高，则易导致色暗、坚硬、干燥(dark、firm、dry，DFD)肉的发生。此外，由于氧化型肌纤维一般直径较小，因此，氧化型肌纤维含量高时肌纤维密度更大，IMF含量更高，肉质更细嫩；酵解型肌纤维尤其是2b型肌纤维含量高时，肌肉的剪切力增加，嫩度降低。敖秋桅研究表明，Ⅰ型肌纤维含量与IMF含量呈显著正相关，而2b型肌纤维含量则与IMF含量呈显著负相关。

5 肌纤维类型组成差异对猪宰后肌肉能量代谢与品质形成的影响

5.1 活体肌肉的能量代谢

能量代谢(ATP生成与转化)是肌肉的主要生理机能之一。ATP在肌肉能量代谢中具有中心地位，是能量的载体，ATP既是供能物质，又是储能物质。在肌肉收缩运动过程中，消耗的ATP不断由糖、脂肪、蛋白质等能量物质的氧化磷酸化而得到补充，当ATP过剩时，还可以将其高能磷酸基转给肌酸形成磷酸肌酸(creatine phosphate，CP)将能量贮存起来。ATP转化为二磷酸腺苷(adenosine diphosphate，ADP)并释放能量后，CP可将高能磷酸基再转给ADP生成ATP，以补充ATP的消耗。

肌肉收缩运动所需ATP通过有氧代谢和无氧代谢方式提供。有氧代谢即氧化磷酸化，将营养物质氧化分解为二氧化碳、水和ATP。无氧代谢包括磷酸原转化系统(ATP-CP)和糖酵解系统，磷酸原转化系统即CP在肌酸激酶(creatine kinase，CK)催化下将ADP转化为ATP，糖酵解系统是指糖原在无氧或缺氧的情况下生成乳酸和ATP。有氧代谢是肌肉收缩运动和维持姿势获取能量的主要方式，代谢彻底，效率高，只有在剧烈运动、无氧或缺氧等情况下才动用无氧糖酵解过程提供能量，无氧糖酵解效率低且产生酸性物质刺激细胞，肌肉酸痛就是酸性代谢产物乳酸堆积造成的。

在静息状态下，肌纤维中ATP的浓度较高，促进CP的形成，CP的浓度可达ATP浓度的5倍。肌肉开始收缩时，肌纤维储备的ATP迅速减少，最先启动磷酸原转化系统合成ATP，它具有启动快速和供能效率高的特点，因此，肌肉开始收缩时，ATP浓度下降很少，而CP的浓度急剧下降，如果肌肉收缩活动超过几秒至十几秒，则肌纤维必须从其他来源获得ATP。中等水平的肌肉活动时，肌纤维储备的ATP、CP很快用完，所需ATP大部分由有氧代谢方式提供。当肌肉剧烈活动时，一系列因素(如氧供应不足)限制了通过有氧代谢方式提供ATP的能力，无氧糖酵解开始提供ATP，虽然有氧代谢能产生大量的ATP，1 mol葡萄糖经有氧代谢后可净得36 mol或38 mol ATP，但速度较低；而糖酵解产生的ATP虽然数量较少，1 mol葡萄糖经无氧酵解后只净得2 mol ATP，但产生ATP比有氧化谢快；因此，肌肉剧烈活动时糖酵解是迅速获得ATP的重要来源。可见，肌肉收缩运动不一定需氧，会以有氧代谢和无氧代谢方式提供ATP，而肌肉疲劳后恢复时必需有氧，当肌肉完全疲劳不能收缩时，肌纤维中的ATP、CP浓度很低，大部分糖原转变成了乳酸，要恢复到原来的状态必须由营养物质氧化分解提供的能量重新合成ATP、CP，因此，肌肉从停止运动到恢复的过程中要以有氧代谢来提供能量。

5.2 肌纤维类型组成对猪宰后肌肉能量代谢与肌肉品质形成的影响

活体肌肉能量代谢是以有氧代谢和无氧代谢方式提供能量的，而宰后肌肉由于没有了血液循环，熟化过程中只能靠无氧代谢提供能量，即磷酸原转化系统(ATP-CP)和糖酵解系统。过去一直认为，异常快速的糖酵解是宰后肌肉pH值下降和PSE劣质肉形成的直接原因，然而近年研究显示，宰后肌肉pH值下降的机理尚不能简单归结于糖酵解和乳酸积累，还应考虑磷酸原转化系统(ATP-CP)的无氧代谢过程。在宰后肌肉的无氧代谢中，ATP在水解过程中产生H，而CP在转化为ATP的过程中消耗H。门小明等报道了肌肉ATP-CP供能的品种特点及其与肌肉品质的关系，表明中国地方猪种在ATP-CP供能上具有优势，能减缓宰后pH值下降程度，其原理可能是宰后相对较强的磷酸原转化能力可以通过消耗H相对减缓pH值下降。因此，肌纤维类型组成不同，宰后肌肉的磷酸原转化能力和糖酵解能力不同，最终会影响肌肉品质的形成。

反映磷酸原转化能力的指标主要有CK活性和磷酸化合物含量，反映糖酵解能力的指标主要有糖代谢物(糖原、葡萄糖、葡萄糖-6-磷酸、乳酸等)含量和GP。Men等以不同金华猪血缘比例猪为对象研究了肌纤维类型组成与宰后肌肉磷酸原转化能力和糖酵解能力的关系，结果显示，2b型肌纤维比例与葡萄糖-6-磷酸、乳酸含量、GP呈显著正相关，与CK活性和CP转化率呈显著负相关，而Ⅰ、2a、2x型肌纤维比例则表现相反。上述结果揭示，酵解型肌纤维比例增加，则宰后肌肉糖酵解能力增强，磷酸原转化能力表现减弱；其他类型肌纤维比例增加，则磷酸原转化能力表现增强，糖酵解能力减弱。李登赴等研究表明，屠宰后，高坡猪背最长肌2b型肌纤维含量极显著低于杜长太猪，糖原含量极显著高于杜长太猪，说明氧化型肌纤维比例高的高坡猪宰后肌肉糖酵解能力较弱，肌肉中糖原下降速度慢，则pH值下降慢，肌肉品质较好，而酵解型肌纤维比例高的杜长太猪宰后肌肉糖酵解能力强，肌肉中糖原下降速度快，则pH值下降快，肌肉品质较差。郭守立等研究表明，宰后48 h内，与PSE肉相比，相同部位的正常肉糖原和ATP含量更高，PSE肉糖原和ATP含量下降更快，表明具有酵解代谢特征的PSE肉能量代谢更快，糖酵解能力强，pH值下降快，最终导致PSE肉的发生。上述研究证实，肌肉中酵解型肌纤维含量高，宰后肌肉糖酵解能力强，乳酸积累，pH值下降快，进而导致肌肉系水力下降，肉色苍白，食用品质也跟着变差；氧化型肌纤维含量高，则宰后肌肉能量代谢在通过磷酸原转化途径供能上有优势，糖酵解途径供能较弱，相对减缓pH值下降，对肌肉品质有利。

6 总结与展望

综上所述，由于品种、营养、环境等因素不同，猪肌肉中肌纤维类型组成不同，宰后肌肉的磷酸原转化能力和糖酵解能力不同，最终会影响肌肉品质的形成。氧化型肌纤维含量高，则宰后肌肉磷酸原转化能力强，糖酵解能力弱，pH值下降慢，肌肉品质较好；相反，酵解型肌纤维含量高，则宰后肌肉磷酸原转化能力弱，糖酵解能力强，pH值下降快，肌肉品质较差。

目前国内外学者对肌纤维类型组成与肌肉品质形成的关系已有了广泛而深入的研究，但对其机理探讨还需进一步加强。肌纤维类型组成不同，肌肉的能量代谢、蛋白质组和基因表达谱等均不同，是肌纤维类型组成影响猪肌肉品质形成的重要机理。在今后的研究中，还需对肌纤维形成的机制、肌纤维类型转化的关键分子通路、肌纤维类型组成影响肌肉品质形成的机理等方面进行深入研究，最终为通过改变肌纤维类型组成提高肌肉品质提供理论依据。通过改变肌纤维类型组成对肌肉品质进行调控，是源头调控，可望获得更好的成效，是当今及今后肌肉品质调控研究的热点之一。应用遗传选择、杂交、基因工程等遗传调控措施改变肌肉肌纤维类型组成可能在肌肉品质调控中发挥重要作用，同时，通过营养调控改变肌纤维类型组成仍是提高肌肉品质的主要措施之一。