肌联蛋白

肉类成熟嫩化过程中的蛋白酶系及其作用

李永鹏;余群力

【摘要】阐述了几种与肉类成熟嫩化有关的主要蛋白酶系即钙蛋白酶系、组织蛋

白酶系、蛋白酶体、丝氨酸肽酶系,细胞凋亡酶系,及其参与成熟嫩化的实验证据,并

提出在该研究领域中引入多种酶系复合研究模型的建议.

【期刊名称】《肉类研究》

【年(卷),期】2010(000)005

【总页数】5页(P8-12)

【关键词】蛋白酶;肉类嫩化;成熟;肌原纤维蛋白

【作者】李永鹏;余群力

【作者单位】甘肃农业大学,食品科学与工程学院,甘肃,兰州,730070;甘肃农业大学,

食品科学与工程学院,甘肃,兰州,730070

【正文语种】中文

【中图分类】TS251.1

嫩度是肉产品最重要的食用品质，这也是消费者最在意的感官指标之一。我国的肉

类产品在国际市场上缺乏竞争力，其较差的嫩度也是主要原因之一。早在1907年，

Lehmen就发现鲜肉在冷藏条件下贮藏时嫩度明显提高了，这一现象被认为是成

本最低的嫩度改善工艺。这一过程就是成熟。目前的成熟机理还不完善。研究者们

普遍认为肌纤维中骨架蛋白的水解是嫩化发生的决定性因素[1]。因此能够参与宰

后蛋白水解的因素，都能影响肉品的最终嫩度。蛋白酶系就是该领域的主要研究对

象。

1与肉类成熟嫩化有关的蛋白酶系

与嫩化过程有关的蛋白酶，是与肌纤维骨架蛋白降解有关的。Hopkins等人(2002)

指出肌肉结构变化与相关肌原纤维蛋白变性的程度决定了肉的最终嫩度。这包括主

要肌原纤维蛋白的裂解，如肌动蛋白和肌球蛋白，而一些特定的肌原纤维蛋白、肌

原纤维细胞骨架蛋白、肋状体蛋白也会发生分解，如肌联蛋白、肌间线蛋白、粘着

斑蛋白等[2]。而并不是所有蛋白酶都可以水解肌原纤维蛋白，它必须符合一定的

条件。Koohmaraie(1988)给出了判断某种蛋白酶是否参与了宰后蛋白水解和肌肉

嫩化过程的公认标准：1）这种蛋白酶必须在骨骼肌细胞内被表达，也就是说对于

肌肉而言这种酶必须是内源性的；2）在体外的肌原纤维降解模拟实验中，这种酶

必须可以模拟出肌肉自然成熟过程中肌原纤维蛋白的降解模式，即两者都是相同的

几种肌原纤维蛋白发生降解，同样的肌原纤维蛋白产生相同的碎片模式；3）该酶

在肌肉组织中必须有接近肌原纤维的途径，即有和底物接触的可能性[3]。根据这

一标准，可以列出蛋白酶系的候选名单。这包括依钙蛋白酶系、组织蛋白酶系、蛋

白酶体、丝氨酸肽酶系、细胞凋亡酶系等。

2依钙蛋白酶系（calpain）与肉类成熟嫩化

依钙蛋白酶系是目前最被研究者们所认可的酶系。这是一个由细胞内源性的半胱氨

酸蛋白酶组成的大家族。迄今为止已经有14个成员被鉴定出来。在骨骼肌细胞中，

依钙蛋白酶系有3种同工酶被表达，它们是μ型、m型、p94（或calpain3)。依

钙蛋白酶也就是钙激活蛋白酶，这是指他们需要一定浓度的钙离子来激活，其中μ

型酶需要的钙离子浓度是微克级的，m型则是毫克级。依钙蛋白酶抑制蛋白

（calpastatin）是这类酶的特异性内源抑制剂，有大量的实验证据表明该抑制剂

与最终嫩度的相关性甚至高过了酶活力。

很多研究者只认同这一种酶系的作用，甚至完全忽略其他酶系，这样的研究者被调

侃为“依钙蛋白酶人”(calpaino-men)。因为，近20年来已有大量实验证据证明

依钙蛋白酶与成熟关系密切。首先，依钙蛋白酶在宰后肌肉的生理环境中具有可观

的活力。PilarCena(1991）等人就发现在与宰后肌肉相近的pH条件下(pH5.5-

6.5)，μ型和m型依钙蛋白酶仍然保有其最大活力（最大活力出现在pH为7.5时）

的40%以上[4]。其次，研究者们还发现了依钙蛋白酶的表达量和嫩化程度有直接

联系，Koohmaraie等（1991）发现嫩化的程度与calpastatin：calpain表达量

之比存在着负相关性，成熟过程中物种之间的嫩化程度差异是牛＜羊＜猪，而其

calpastatin：calpain表达量之比差异则是牛＞羊＞猪[5]。第三，在肌原纤维蛋

白体外模拟降解实验中，依钙蛋白酶“孵化”所得到的降解模式与天然模式最为接

近，这是最为符合Koohmaraie第二条判断标准的，因此被认为是具有决定性意

义的实验证据。Huff-Lonergan等（1996）发现体外模拟实验与天然肌肉中具有

相似的肌原纤维蛋白降解模式，其中伴肌动蛋白、肌联蛋白、肌钙蛋白T以及肌

间线蛋白等肌原纤维骨架蛋白均有降解[6]。黄明等（2004）发现黄牛肉中μ型依

钙蛋白酶在体外实验中对肌间线蛋白和肌钙蛋白T有明显的降解作用，这与肌肉

天然成熟时的情况相似[7]。另外，还有来自相关研究领域的佐证。在对双肌臀基

因型羊的专门研究中，Delgado等人（2001）证明，双肌臀羊的嫩度和成熟嫩化

程度直接与依钙蛋白酶抑制蛋白的表达量有关，这种羊冈下肌的抑制蛋白表达量与

正常羊差不多，因此这块肌肉的嫩度和成熟嫩化程度与正常羊没有明显区别[8]。

在美国肉品商业成熟的相关研究中意外发现，肉品成熟开始时依钙蛋白酶抑制蛋白

水平越高，成熟结束后出现硬肉产品的概率越大。

尽管多数实验证据都是支持依钙蛋白酶系的，但仍有一些研究指出了依钙蛋白酶系

理论的缺陷。Boehm等（1998）发现宰后肌肉中的钙离子浓度不足以激活m型

依钙蛋白酶[9]。μ型依钙蛋白酶很不稳定，大约在宰后的3-4天就几乎没有活力

了，而宰后蛋白水解和肉的成熟嫩化是会持续到宰后8天甚至2周以后的。

Geesink等人（2005）的实验证据直接证明p94与宰后蛋白水解无关[10]。这些

缺陷暗示着除了依钙蛋白酶系这支主力酶系以外，应该还存在着别的替补酶系。

3组织蛋白酶系（cathepsin）与肉类成熟嫩化

组织蛋白酶是指位于溶酶体内、大部分在酸性pH值下具有活力的蛋白酶，是多种

酶的混合体。该酶系有三大家族，半胱氨酸家族包括组织蛋白酶B、H、L、X、S、

K等，天冬氨酸家族包括组织蛋白酶D和E，丝氨酸家族包括组织蛋白酶G。目前

已知的即在肌肉中被表达又与肉类嫩化有关的组织蛋白酶包括6种半胱氨酸家族

成员（即B、L、H、S、F、K）和1种天冬氨酸家族成员（即组织蛋白酶D）。

半胱氨酸家族成员与木瓜蛋白酶是同源的，它们有着相似的氨基酸序列和折叠方式；

半胱氨酸家族成员仍有免疫学上的区别，可以用特定抗体来标记。

相关研究证明组织蛋白酶和成熟有一定关系。首先，组织蛋白酶在细胞中含量很高，

总浓度甚至可以超过1mM，因而具有极高的蛋白水解潜力。其次，部分实验证据

显示组织蛋白酶活力与嫩度有关。O’Halloran等（1997）发现牛肉中组织蛋白

酶B、L宰后8小时的活力与嫩度呈现出正相关性[11]。第三，对肌原纤维降解碎

片的分析表明该酶系参与了宰后蛋白水解。Mikami等（1987）发现在兔肉、牛

肉和鸡肉成熟过程中，组织蛋白酶L所水解肌原纤维蛋白的数量最大，这包括肌

钙蛋白T、I、C、伴肌动蛋白、肌联蛋白、原肌球蛋白，而它们都是在成熟后期发

生降解的，这弥补了依钙蛋白酶系的不足之处[12]。

多数研究者并不认为组织蛋白酶系对成熟有贡献。这主要是基于以下两个原因：1）

组织蛋白酶解释不了不同肉样（不同物种、品种、部位等）之间的嫩度差异；2）

组织蛋白酶抑制剂不能抑制宰后蛋白水解。另外，肌动蛋白和肌球蛋白都对组织蛋

白酶高度敏感。如果组织蛋白酶酶确实参与了成熟嫩化，两种肌原纤维蛋白必然会

有强烈降解。而事实上，肉类成熟并没有引起这两种结构性蛋白的大量降解。

组织蛋白酶位于溶酶体内，缺乏与肌原纤维接触的途径。因此，很久以来，肉品科

学家忽略了这种酶的作用。后来组织化学的相关研究证实，随着成熟的进行，肉品

的pH会下降，肌质网上离子泵会失效，因此溶酶体会逐渐裂解。Zeece等人

（1992）发现宰后14天溶酶体完全解体。但组织蛋白酶“破壳而出”通常是在

宰后2周之后，有时更长，这已远远超出一般概念上7-8天的商业成熟期。不过

对于肉品深加工而言，如火腿、熏肉、鱼靡等产品的生产，组织蛋白酶的蛋白水解

作用就是很重要的了，也是这些产品相关研究的重点。

值得一提的是，组织蛋白酶系中半胱氨酸家族的内源性抑制剂cystatin对宰后蛋

白水解及嫩化是有重要影响的。这是因为该抑制剂可以抑制依钙蛋白酶

(EC3.4.22.17)，有文献称它可以成为肉类经过成熟后的最终嫩度的预测因子。

Zamora等人(2005)在研究牛肉嫩度预测模型时发现，cystatin成熟初始时的抑制

活力与最终嫩度有一定的相关性，只是在构建预测的回归方程时被排除在外（P＜

0.05）[13]。

依钙蛋白酶系有缺陷，组织蛋白酶又不是主要因素。因此，有研究者建议，探讨依

钙蛋白酶系和组织蛋白酶系的协同作用，也可以尝试引入新的酶系。

4蛋白酶体（proteasome）与肉类成熟嫩化

蛋白酶体，即多酶复合体，它可以降解胞液及细胞核中的蛋白质，从而调节细胞的

基础代谢。蛋白酶体于机体内普遍存在，尤其是在骨骼肌中含量丰富。蛋白酶体

（26S）包括一个19S的调控亚基和20S的复合催化结构，这个20S结构就是真

正的多酶复合体（MCP），也是整个蛋白酶体的催化中心。

在初步的研究中，没有发现蛋白酶体参与宰后成熟的有力证据。一些研究表明蛋白

酶体可能对肉类嫩化有贡献。首先，在成熟过程中，蛋白酶体有能力参与肌原纤维

的降解。Lamare等（2002）研究了牛肉中蛋白酶体的蛋白水解活力在宰后成熟

过程中的变化，发现即使是在宰后7天，蛋白酶体仍具有一定的活力[14]。

Robert等人（1999）发现蛋白酶体具有水解牛肉肌原纤维蛋白的能力[15]。其次，

有实验证据表明蛋白酶体可以改变肌肉的微观结构和部分肌原纤维蛋白的降解程度。

Dutaud等人(2006)发现蛋白酶体会引起肌原纤维的微观结构变化，如Z盘延伸到

明带(I带)中等[16]。Houbak等人(2008)还发现当蛋白酶体被抑制后，肌钙蛋白T

与伴肌动蛋白等肌原纤维蛋白的降解程度不如抑制之前高，这些蛋白在自然成熟过

程中都是会大量水解的[17]。

肉品成熟嫩化研究领域的专家Koohmaraie（2006）曾经特别指出蛋白酶体在体

外成熟模拟实验中得出的肌原纤维蛋白降解模式与天然状态不同[18]，因此还不能

将其列为宰后蛋白水解的主要因素。此外，蛋白酶体水解蛋白质是必须通过泛素来

标记底物蛋白的，这也是必须依赖ATP的。不过有研究证实，当体内ATP耗竭时，

蛋白酶体会分裂成19S和20S的两个亚基，这样的话，即使没有ATP和泛素也能

水解蛋白质。

从目前的实验证据来看，蛋白酶体对宰后蛋白水解的贡献不能被轻易排除。法国农

科院肌肉生化研究小组负责人特别指出：蛋白酶体应该是该领域中下一个

引起广大研究者注意的目标[19]。

5丝氨酸肽酶系（Serinepeptida）与肉类成熟嫩化

丝氨酸肽酶是哺乳动物体内规模最为庞大的蛋白水解酶系。其中，最所为人们熟悉

的就是消化酶如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶，和凝血酶，如凝血酵素、血浆酶。这种

酶在肌肉组织中仅存在于肥大细胞内，横纹肌细胞中则没有，看上去与肌肉的成熟

嫩化没有关系。

肉品成熟嫩化领域中，关于这种酶的直接报道很少。但Alarcon-Rojo等（1995）

在牛肉中注射了一种丝氨酸肽酶抑制剂PMSF以后，发现牛肉的硬度上升了，间

接说明丝氨酸肽酶参与了成熟过程[20]。

尽管还不清楚丝氨酸肽酶是否直接参与了宰后蛋白水解和成熟嫩化，但很多学者已

经认可了丝氨酸肽酶的内源性抑制剂rpin对肉类成熟的重要影响。Zamora等

(2005)在研究牛肉最终嫩度预测模型时发现，牛肉成熟初始阶段rpin的抑制活

力对最终嫩度有很好的预测性，是其所确立的六个预测因素中相关系数最高的

(R2=0.4)[13]。rpin与嫩度之间的高度相关性也已被其他学者所证实。只是研

究者还不能解释这类酶的作用机理。

6细胞凋亡酶系（caspa）与肉类成熟嫩化

细胞凋亡酶，也就是半胱天冬酶，简称胱冬酶，这是一个半胱氨酸天冬氨酸特异性

蛋白酶家族，迄今为止该家族已有14成员被鉴定出来。这类酶的特点是能够参与

细胞凋亡途径，细胞凋亡途径是指细胞在受到重大损伤后，机体自动放弃对受损细

胞的修复，进行有组织的解体。这类酶根据其在细胞凋亡途径中的作用，可被进一

步分为启动型（如胱冬酶8、9、10、12）和效应型（例如胱冬酶3、6、7）。

近年来，随着肉类成熟研究领域的发展，一些以前未被重视的酶系成了新的研究目

标[21]。在这种背景下，有研究者提出细胞凋亡酶对成熟嫩化有贡献。这主要是因

为以下推测和实验证据。有报道称在局部贫血或低氧的状况下细胞凋亡酶会被激活，

同时启动细胞凋亡途径。现代屠宰的放血工艺会使肉中的肌细胞处于局部贫血状态；

而动物宰后，细胞新陈代谢尚未完全停止，会使肌细胞处于低氧状态。这样细胞凋

亡酶就会被激活，细胞凋亡途径会被启动，于是细胞凋亡酶也就具备了参与宰后蛋

白水解的理论可能性。有一些实验证据显示，细胞凋亡酶宰后早期的活力变化与肉

的剪切力呈负相关性。然而另有研究发现细胞凋亡酶引起的蛋白水解却发生在成熟

后期[22]。这些相关研究采用的是相似的研究方法，但研究结果却没有那么好的一

致性。

来自转基因领域的实验证据表明，转基因合成的细胞凋亡酶可以在体外水解肌原纤

维，其所获得的降解模式与天然肌肉相似，尽管它们只有3条蛋白条带一致，但

也足以说明细胞凋亡酶对成熟有作用[22]。但是Kemp等的研究（2009）发现，

当依钙蛋白酶被抑制后，细胞凋亡酶无法改变蛋白水解程度大幅下降的状况，这说

明依钙蛋白酶还是压倒一切的主导因素[23]。

7结论与建议

上述内源性蛋白酶：钙蛋白酶系、组织蛋白酶系、蛋白酶体、丝氨酸肽酶系、细胞

凋亡酶系都有参与肉类宰后成熟嫩化的可能，其中依钙蛋白酶系已被证明是影响宰

后蛋白水解主要因素，其专一性抑制剂也是很好的最终嫩度预测因子。但依钙蛋白

酶在成熟后期活力下降很大，似乎不能为后期蛋白水解提供动力；此外，其活性受

钙离子浓度调控，因而会受到钙离子浓度分布不均的限制。组织蛋白酶可作为很好

的补充，为成熟后期的蛋白水解提供动力，而且不受钙离子浓度的限制，其抑制剂

cystatin也可被引入成熟最终嫩度的预测模型之中。按照相似的研究方法，蛋白酶

体、丝氨酸肽酶、细胞凋亡酶等新的影响因素可逐步被引入到成熟机理之中。这样

在该领域中就可以建立基于多种酶系的复合研究模型，从而将研究重点由单一酶系

作用逐渐过渡到多酶系协同作用上来。正如Zamora等人（2005）所研究的牛肉

嫩度预测模型，他们得到了最终嫩度与多个初始因素之间的回归方程：

其中：T6为牛肉成熟第六天的硬度

SPI为成熟初始时丝氨酸肽酶抑制剂水平

Rμ为μ型成熟初始阶段依钙蛋白酶活力下降速率

RpH为pH初始下降速率

EpH为pH初始下降程度

Eo为僵硬开始时渗透压升高程度

LDH为成熟初始乳酸脱氢酶活力[13]

这里的预测因素不但引入了不同的蛋白酶系，还引入了其他理化因素。单一酶系模

型在解释成熟机理和预测最终嫩度等方面存在缺陷，因此建立这种多酶系复合模型

是很必要的。

随着肉类成熟机理的逐渐完善，准确预测排酸肉（经过成熟嫩化的肉）的最终嫩度

也就成为了可能。目前在国内市场上排酸肉逐渐被消费者所认可，随着中国肉类工

业的现代化，这类经过成熟工艺的肉制品将是未来中国肉类市场的主导产品。因而

建立一套以成熟后最终嫩度为标准的预测分级系统就非常必要了。目前法国、西班

牙、美国等国均开始了对于嫩度预测分级系统的研究。因而，关于肉类成熟机理和

嫩度预测的研究，将是未来中国肉类工业最重要的研究方向之一。

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