低氧脅迫對魚肉品質影響機制的研究進展

趙曼曼，熊光權，石 柳，孫衛青，喬 宇，吳文錦，丁安子，李 新，汪 蘭

（1.湖北省農業科學院農產品加工與核農技術研究所，湖北 武漢 430064；2.長江大學生命科學學院，湖北 荊州 434025）

水中溶氧量是魚類生存的基礎，不同魚類對氧氣的需求量有所不同，適量的溶氧有助于魚類的生長發育，但當水中溶解氧（dissolved oxygen，DO）質量濃度低于2 mg/L時，魚類處于低氧環境[1]。低氧脅迫致使魚類發生一系列復雜的理化反應，如提高血紅蛋白載氧能力、增加紅細胞數量、改變代謝方式以及降低代謝率等，低氧脅迫也會導致魚類行為、能量代謝和肌肉品質發生改變[2-3]。

當水中溶氧充足時，魚類可將體內糖、脂、氨基酸氧化釋放的能量通過呼吸鏈合成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），為機體提供大量能量[4-5]。當水中溶氧量低時，魚類主要通過厭氧糖酵解產生能量和乳酸，而這種異常的能量代謝致使魚類生長緩慢、死亡率增加[6-7]。低氧使魚體內活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平急劇增加，過多的ROS會誘導脂質過氧化，脂質過氧化過程中產生的小分子醛、酮則會顯著降低魚肉風味，ROS還會誘導蛋白質氧化，并通過降解必需氨基酸、降低蛋白質消化率，影響魚肉營養價值[8-10]。

本文綜述低氧脅迫對魚類生長發育、氧化應激、能量代謝以及肌肉品質的影響，深入闡明低氧脅迫通過氧化應激、能量代謝對魚類肌肉品質的影響機制，以期為優質原料魚肉生產提供理論指導。

1 低氧脅迫下魚類生長發育和氧化應激變化

1.1 低氧脅迫對魚類生長發育的影響

魚類生長發育受內在因素和外在因素的共同影響。內在因素主要指調控肌肉生長發育的基因，如生肌調節基因（myogenic regulatory factors，MRFs）在魚體胚胎發育及孵化前促使肌原細胞分化、形成肌肉組織，在魚體胚胎發育后期，使肌纖維體積增大，分化為不同類型肌纖維或肌肉組織[11]。外部因素主要指水生環境，如Gamperl等[12]研究水體溫度和溶氧對大西洋鮭魚的影響，發現溫度為12 ℃、中度缺氧時會降低鮭魚的生長速率。

水生環境與陸地環境有很大不同，水生環境極易受到自然和人為因素的破壞，溫度升降、污水排放、放養密度增加等[13]均會使水中的溶氧量處于不斷變化的狀態。通常對魚類生長發育來說，水中溶氧量保持在4 mg/L以上，魚類能正常生長，而溶氧量低于2 mg/L時，魚類出現生長發育遲緩現象[14]。例如當水體溶氧量為1.5 mg/L時，大西洋鯡魚的生長速率降低了31%～89%[15]。即使是耐低氧的魚類，處在溶氧量不斷變化的水環境中，也會產生應激反應。應激反應是一個耗能過程，魚類為了存活會抑制體內生長發育相關的代謝機制。Hou Zhishuai等[16]研究發現處在低氧環境虹鱒魚的生長激素-胰島素樣生長因子（growth hormone-insulin-like growth factor，GHIGF）軸受到抑制，生長激素可以激活位于肝臟、肌肉和骨骼上的受體，進而觸發胰島素樣生長因子系統，胰島素樣生長因子可充當中樞系統調節內分泌過程，并激活細胞內信號傳導通路，抑制骨骼發育和肌肉細胞的生長、增殖和分化。低氧還會激活腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）的轉錄，新合成的TNF蛋白從肝細胞分泌并激活位于骨細胞膜上的受體，造成破骨細胞代謝紊亂，骨基質降解、鈣動態異常，肌肉生長受到抑制。Wang等[17]研究發現低氧脅迫可通過干擾能量代謝機制如魚類由有氧代謝轉變為無氧糖酵解，而能量代謝紊亂使魚類食欲不振、生長遲緩。綜上所述，低氧環境中的魚類，通過影響肌肉生長發育基因的表達以及抑制相關代謝機制，致使生長發育遲緩、體型偏小。

1.2 低氧脅迫對魚類氧化應激的影響

脂質過氧化的中間產物自由基損害細胞膜結構、氧化含巰基的氨基酸，致使生物體細胞損傷、蛋白質合成降低[18]。脂質過氧化終產物（如丙二醛（malondialdehyde，MDA））常用來反映魚類氧化應激的程度[19]。Wang Man等[20]研究發現低氧組（（1.14±0.04）mg/L）黃顙魚肝臟中MDA含量顯著高于對照組（（6.72±0.17）mg/L）組，這表明MDA含量越高，氧化應激程度越高。蛋白質氧化主要是活性氧直接攻擊蛋白質或脂質過氧化間接誘導引起蛋白質結構的變化，魚體內蛋白質氧化后活性巰基降低、羰基含量增加、蛋白質合成量降低。氧化應激不僅降低魚體內蛋白質合成還會增強某些蛋白質的表達。Dawood等[21]研究發現低氧條件下，羅非魚體內免疫球蛋白、熱休克蛋白（heat-shock proteins，HSPs）表達量增加，用以緩解體內氧化損傷。

一般來講，自身抗氧化體系以及外源添加劑均可緩解魚類氧化損傷。體內抗氧化體系主要由抗氧化酶（如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶）和非酶類抗氧化劑（維生素、谷胱甘肽）組成[22]。超氧化物歧化酶是降解活性氧自由基的第一道防線，可將超氧陰離子自由基轉化為過氧化氫并在過氧化氫酶的作用下生成水和氧氣；谷胱甘肽過氧化物酶可清除胞內過氧化氫和有機過氧化物，以緩解氧化應激反應；抗氧化酶的活性可以用來表征魚類氧化應激狀態[23-25]。Nam等[26]研究紅鯛時發現，短期缺氧紅鯛體內超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性顯著升高，這表明體內抗氧化酶有助于緩解氧化應激帶來的損害。外源添加劑主要通過改變魚類日糧組分來緩解氧化損傷。Abarike等[27]向日糧中添加中草藥（黃芪、當歸和胡楊），緩解了羅非魚的低氧損傷。Li Huatao等[28]向日糧中添加含有蛋白質和多糖的桑葉提取物，減輕了魚消化器官和呼吸器官中由缺氧和復氧引起的氧化損傷。由此可知，低氧脅迫致使魚類產生氧化應激反應，損害體內脂質、蛋白質組成，而體內抗氧化體系以及外源添加劑可緩解氧化損傷，并伴隨著抗氧化酶活力的增加以及免疫相關蛋白表達量的上調。

2 低氧脅迫對魚體能量物質代謝的影響

2.1 糖代謝

短期或輕度低氧脅迫，糖類是最有效的能量供應物，主要以糖酵解、糖原分解以及糖異生方式產能。魚類在應對低氧脅迫時，首先激活體內低氧誘導因子（hypoxia inducible factor，HIF）信號通路，其中HIF-1α、脯氨酸羥化酶（prolyl hydroxylase domain enzyme，PHD）、腫瘤抑制蛋白（von Hippel-Lindau tumor suppressor protein，pVHL）是HIF信號通路的關鍵信號分子。低氧條件下，PHD蛋白活性受到抑制，HIF-1α在細胞體內終止降解并聚集，隨后與細胞核內的HIF-1β形成具有轉錄功能的異源二聚體[29]，誘導下游低氧調控基因如葡萄糖轉運子（glucose transporters，GLUTs）以及與糖酵解相關的酶類如己糖激酶（hexokinase，HK）、乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）和丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）[30]。低氧脅迫還會激活腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine 5’-monophosphate (AMP)-activated protein kinase，AMPK）信號通路（圖1）[31]，通過AMPK信號通路感知肌肉細胞能量變化，增加葡萄糖攝取、糖酵解、糖異生作用。糖酵解過程中產生大量乳酸，可通過單羧酸轉運蛋白（monocarboxylate transporter，MCT）途徑轉運到血液中，避免肌肉酸中毒。研究表明，AMPK在調控動物能量代謝和激活HIF-1轉錄活性方面具有十分重要的作用[32-33]。

圖1 大口黑鱸肌肉中糖代謝及乳酸轉運[31]Fig. 1 Glucose metabolism and lactic acid transport in the muscle of largemouth bass[31]

低氧脅迫會使魚類代謝方式從有氧代謝轉變為無氧糖酵解，即葡萄糖在無氧條件下分解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下生成乳酸并產生少量能量[34-35]。低氧脅迫會增強魚類糖原分解和抑制糖原合成，以滿足機體基本能量需求，并保持血糖水平穩定。短期低氧脅迫會導致糖原和血糖含量降低[36]，長期低氧脅迫使魚類消耗大量能量，糖異生作用增加、體內葡萄糖含量升高[37]。研究發現，低氧脅迫大黃魚6、24、48、96 h后，與糖酵解有關的酶如HK、磷酸果糖激酶（phosphofructokinase，PFK）以及與糖異生相關的酶如磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）、葡萄糖-6-磷酸酶（glucose-6-phosphatase，G-6-Pase）等均顯著上調[38]。

2.2 脂代謝

魚類在長期或急性缺氧的情況下，脂質代謝便會成為主要的能量代謝方式，且以脂質的分解代謝為主。研究發現大口黑鱸在低氧應激8 h后，甘油三酯（triglyceride，TG）、游離脂肪酸（nonesterified fatty acid，NEFA）含量顯著增加，參與脂解的酶類如脂肪酶（lipase，LPS）和脂蛋白脂肪酶（lipoprotein lipase，LPL）活性先升高后降低[39]。這可能由于魚類低氧脅迫時，TG在LPS和LPL作用下進一步分解為NEFA，NEFA含量的增加抑制TG的分解[40]。

低氧脅迫通過激活過氧化物酶體增殖劑激活受體（peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs）信號途徑。PPARs包括PPARA、PPAR β/δ、PPARγ，其中PPARA可參與調節脂質代謝和維持葡萄糖穩態。如圖2[41]所示，一方面，急性低氧增加大口黑鱸肝臟中脂肪分解代謝相關酶類活性（LPS和LPL），同時顯著提高脂肪動員和脂肪酸轉運有關基因的表達水平，包括PPARA、溶質載體家族成員27成員6（solute carrier family member 27 member 6，SLC27A6）。LPS和LPL在肝臟中將TG分解為NEFA，PPARA及SLC27A6將NEFA釋放到血液中，繼而被機體其他組織氧化供能。另一方面，急性低氧脅迫會顯著降低肉堿棕櫚酰轉移酶1（carnitine palmitoyltransferase 1，CPT-1）的活性，CPT-1酶是脂肪酸β-氧化的關鍵速率限制酶，說明低氧脅迫會抑制脂肪酸的β-氧化[42]。

圖2 急性缺氧對大口黑鱸肝臟脂質代謝相關酶和基因的影響[41]Fig. 2 Effect of acute hypoxia on enzymes and genes associated with lipid metabolism in liver of largemouth bass[41]

2.3 蛋白質代謝

魚類在嚴重缺氧時，無法通過氧化磷酸化產能，為了維持體內能量平衡，可以通過轉氨基（如谷氨酸、精氨酸和脯氨酸）作用將一些特定氨基酸轉化為丙氨酸并生成ATP，還可以通過抑制非必須基因的翻譯以及蛋白質的加工以節約能耗[43]。Tian Changxu等[44]研究發現，多鱗鱚經過4 h缺氧處理后，tRNA連接酶、核糖體蛋白（ribosomal protein，Rp）的表達量降低。tRNA連接酶是調節翻譯過程的關鍵酶，核糖體蛋白是核糖體的主要成分，調控細胞內蛋白質的合成，同時蛋白質在內質網中的加工和輸出也受到抑制，這表明低氧會抑制基因的翻譯和蛋白質合成、加工的過程[45]。

低氧脅迫對魚類蛋白質代謝具有一定影響。魚類應對低氧環境時，會促進蛋白質的分解，且減少蛋白質的合成。在胃腸道消化酶的作用下，蛋白質被分解成游離氨基酸及小分子肽（二肽、三肽）。游離氨基酸在轉氨酶的作用下進行轉氨基和脫氨基反應，產生的代謝物如丙酮酸可進一步參與糖代謝過程。Moraes等[46]發現低氧脅迫刀鱭3 h后，體內游離氨基酸水平顯著降低。Genin等[47]發現作為蛋白質分子伴侶的HSPs，在缺氧時基因表達高度上調。董云偉等[48]研究發現熱休克蛋白不僅可以降解魚體內變性蛋白質、防止細胞自溶，還可用來評估水產養殖中魚類的健康狀況。

各土地利用現狀圖按照第二次土地利用調查分類標準分為二級地類，分別為：耕地、園地、林地、草地、林地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、城鎮村及工礦用地、其他用地。在以往的研究基礎上，同時估計研究區面積及景觀破碎程度，基于相關軟件平臺將土地利用矢量數據輸出為100m×100m的柵格數據，作為生境質量的評價單元。

3 低氧脅迫對魚肉品質的影響

魚肉品質主要包括食用品質、加工品質以及營養品質等。低氧脅迫使魚類糖、脂質、蛋白質等物質能量代謝發生顯著變化，物質能量代謝轉變過程中產生的中間物質及代謝產物，如相關酶類和蛋白以及乳酸等，會致使魚肉色澤、嫩度、持水性下降并產生不良風味。有關低氧脅迫過程中魚肉品質與糖、脂質、蛋白質物質代謝關系如表1所示。

表1 低氧脅迫下魚肉品質和糖、脂質、蛋白質物質代謝關系Table 1 Relationship between fish meat quality and glucose, lipid and protein metabolism under hypoxia stress

3.1 低氧對魚肉食用品質的影響

3.1.1 色澤

色澤是影響消費者購買欲的直接因素，也是判斷肉質是否劣變的重要標準。肌肉的色澤主要與血紅素蛋白中肌紅蛋白的形態和含量有關。魚類在缺氧時，會加速脂質分解并促進脂質過氧化，而脂質過氧化的初級和次級產物對肌紅蛋白的存在形式有顯著影響[54-55]。鐵存在于血紅蛋白和肌紅蛋白的血紅素中，而轉鐵蛋白有助于維持細胞內鐵的穩態。Chen Boxiang等[49]研究發現，低氧條件（0.5 mg/mL）會增加團頭魴肌紅蛋白表達量。魚肉中紅肌和白肌的比例是影響肉色的另一因素，急性和慢性低氧均會影響紅肌和白肌的代謝及占比，這在虹鱒中已經得到驗證[56]。目前，最常用的肉色測定方法是用色彩色差儀測定L*、a*、b*值，其中L*值表征亮度，a*值表征紅度，b*值表征黃度。Lefèvre等[57]對虹鱒屠宰前進行短期低氧處理，發現魚肉亮度和黃度顯著降低。

3.1.2 嫩度

肉的嫩度是評價魚肉食用品質的另一重要指標。低氧脅迫對魚肉嫩度的影響與缺氧程度相關：輕度低氧脅迫時，魚體內活性氧增加有助于蛋白質降解，從而提高魚肉嫩度；重度低氧脅迫時，蛋白質分子內或分子間發生交聯聚合，抑制蛋白質的降解，降低魚肉嫩度。Ciaramella等[50]研究發現，輕度低氧脅迫下，斑點叉尾鮰的α-肌動蛋白3以及肌球蛋白α-1表達量下降，證明輕度低氧脅迫可使結構性蛋白降解，提高魚肉嫩度；重度低氧脅迫下，與能量代謝有關的AMP脫氨酶表達量升高，而AMP脫氨酶可與肌原纖維蛋白結合，抑制肌原纖維蛋白的降解，降低魚肉嫩度。

3.1.3 風味

肉的風味可作為評判肉是否新鮮的標準，通常包括氣味和滋味。氣味主要是由小分子的醛、醇、酮、酯等揮發性物質組成，低氧脅迫促使蛋白質氧化以及脂質過氧化，蛋白質氧化過程中產生的酮類以及脂質過氧化過程中產生的醛、酮對魚的氣味有顯著不良影響。滋味主要由游離氨基酸、核苷酸、有機酸等非揮發性物質構成，低氧脅迫會促使魚類糖代謝發生轉變，無氧糖酵解能力增強產生大量乳酸，而氨基酸與乳酸等有機酸結合會在肉中產生酸味使肉質發生劣變[58]。

3.2 低氧對魚肉加工品質的影響

肉類加工品質主要包括硬度、pH、系水力等。低氧脅迫一方面顯著增加氨基酸分解，抑制肌肉膠原蛋白合成，膠原蛋白合成降低可能會改善魚肉硬度。另一方面，肌細胞生成素（myogenin，MyoG）表達量顯著增加，而MyoG的表達量與肌肉硬度呈正相關[51]。總之，低氧脅迫使魚肉硬度增加，這可能因為低氧條件下MyoG對魚肉硬度的影響更大。

pH值下降主要是糖酵解過程中魚肉乳酸的積累所致，Pédron等[52]研究發現葡萄牙利馬河口中的比目魚在低氧條件下會增強肌肉中糖酵解能力（如乳酸脫氫酶的活性），抑制有氧呼吸過程（如檸檬酸合成酶、細胞色素氧化酶）。pH值下降會促使細胞膜離子通道發生改變，細胞內汁液流失、肌紅蛋白和肌原纖維蛋白含量降低，魚肉的持水性、色澤、剪切力發生顯著劣變，這在虹鱒中已經得到驗證[59]。

持水性是評估肉質的重要指標，通常用蒸煮損失、滴水損失表征。魚肉的系水力受自身因素以及外部環境的影響。內在因素如細胞體積的變化、蛋白質氧化以及pH值下降均會影響魚肉的持水性。Wulff等[53]發現低氧條件下，虹鱒肌肉中參與細胞骨架調節的微管蛋白a鏈、肌球蛋白結合蛋白h以及參與細胞體積調節的膜突蛋白的基因上調，且有學者發現缺氧會導致細胞腫脹，進而造成水分流失[60]。蛋白質氧化會抑制鈣激活中性蛋白酶（Calpains）活性，降低肌肉持水力[61]。pH值下降主要由于肌肉中乳酸的積累，Bjrnevik等[62]研究發現低氧脅迫下鱈魚持水力顯著下降。外部環境的影響包括日糧影響等，Wu Pei等[63]研究發現魚類日糧中缺乏組氨酸時，魚肉剪切力、pH值降低，而蒸煮損失增加。綜上可知，低氧環境中魚體內糖代謝以及蛋白質結構的變化，使魚肉硬度增加、pH值降低以及持水性下降，影響肉的多汁性、嫩度和色澤，降低魚類加工品質。

3.3 低氧對魚肉營養品質的影響

營養品質一般包括粗蛋白、粗脂肪、維生素、礦物質等。魚類長期處于低氧環境，脂代謝發生改變，抑制脂肪合成同時促進脂肪分解，脂肪分解產物TG可以經過一系列轉化途徑參與糖酵解過程為機體供能，脂肪分解使體內粗脂肪含量降低。Abdel-Tawwab等[64]將羅非魚在低氧（0.5～1.0 mg/L）養殖12 周，與常氧組相比（6.0～6.5 mg/L），魚體內總脂肪含量下降，這表明低氧可能影響魚體內營養物質的沉積，進而對魚肉品質產生影響。但也有學者發現低密度養殖的黃花魚在低氧處理后其肝臟代謝產物如葡萄糖、糖原、甘油三酯等與未經低氧處理組相比并無顯著差異[65]。低氧脅迫還會促使脂質過氧化，而脂質過氧化產物如丙二醛、4-羥基壬烯酸與生物分子結合改變細胞膜的流動性和通透性，損傷細胞結構和功能，導致營養物質流失。魚類在急性缺氧時，谷氨酸可通過轉氨基作用，產生少量能量，魚體內蛋白質表達降低。Bosworth等[66]研究斑馬魚的蛋白質組學，發現急性缺氧會使蛋白質的豐度降低，這表明低氧可能會影響蛋白質的整體表達，魚體內蛋白質含量降低。低氧脅迫還會導致蛋白質氧化，必需氨基酸降解，魚體內蛋白質含量降低。綜上可知，低氧環境魚體內脂肪以及蛋白質含量下降均會影響魚肉營養品質。

4 結 語

魚類在養殖、運輸等過程中不可避免遭受低氧脅迫，低氧脅迫調控魚類生長激素-胰島素樣生長因子并抑制能量代謝機制，供自身生長發育。魚類在低氧環境中產生氧化應激反應、能量代謝異常，氧化應激使魚體內脂質過氧化、蛋白質氧化，降低魚肉食用、加工、營養品質，而糖、脂、蛋白質代謝異常，進一步促進肉質劣變。目前，國內外學者對魚類應激方面做了大量研究，但都集中在應激對魚類存活率、生理生化、緩解方法的變化機制，未來研究應致力于將內在機制變化與魚肉品質相結合，全面建立低氧脅迫對魚肉品質影響的內在調控網絡，保證魚肉品質，提高水產經濟。