中国是畜牧业大国,肉羊产业是我国畜牧产业中的优势产业。羊肉具有高蛋白质、低脂肪、低胆固醇等营养特性。近年来,随着对羊肉需求量的增加,我国养羊业飞速发展,对农业经济的发展发挥重要作用。国家统计局数据显示,2023年,全国羊出栏33 864万只,相较去年增加240万只,增长0.7%;羊肉产量531万t,增加7万t,增长1.3%,无论是年存栏量、出栏量,还是羊肉产量,均居世界首位。但羊肉的消费量始终低于其他畜禽肉制品,其主要原因是羊肉具有特殊风味——膻味,降低了部分消费者的购买欲。现今,肉羊养殖业普遍从放牧转为舍饲或半舍饲模式,养殖效益虽然显著提升,但同时也出现了羊肉风味品质下降和膻味加重等问题。因此,深入研究羊肉风味物质的形成机制及其影响因素,进而对特定风味前体物质进行靶向调控,将对羊肉产品质量提升和行业发展产生深远影响。
1 羊肉风味物质种类
羊肉风味包括香味、滋味及膻味。生肉几乎没有风味,只有轻微的血腥和金属味[1-2],经过烹煮后的熟肉才具有风味。挥发性风味物质(volatile flavor compounds,VOCs)和滋味呈味物质分别决定熟肉的香味和滋味,熟肉香味对于鉴别不同家畜肉产品的贡献程度较大,但人们几乎不能从熟肉滋味中辨别动物种类[3],因此,在既往研究中通常将羊肉风味物质认为是VOCs。熟肉中的VOCs是肉中风味前体物质在烹煮过程中所产生的风味物质[4-5]。羊肉中VOCs需要经过多种反应才能形成,复杂多样的风味前体物质是产生VOCs的基础条件,羊肉中主要的风味前体物质见表1。VOCs对羊肉风味的贡献程度并非都相等,只有少数特征VOCs在羊肉风味中起到关键作用。
表1 羊肉中主要的风味前体物质Table 1 Major flavor precursors in mutton |
| 种类 Species | 风味前体物质 Flavor precursors | 参考文献 References |
|---|---|---|
| 游离氨基酸及其盐类 Free amino acids and their salts | 天冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸、 酪氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、精氨酸、含硫氨 氨基酸、谷氨酸钠盐、天冬氨酸钠盐等 | [5-6] |
| 还原糖 Reducing sugars | 葡萄糖、核糖、果糖、6-磷酸 葡萄糖、6-磷酸核糖、甘露糖等 | [5-6] |
| 脂质 Lipids | 亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、 甘油三酯、油酸、磷脂等 | [5-6] |
| 核苷酸及肽类 Nucleotides and peptides | 谷胱甘肽、肌肽、肌苷、肌苷酸、肌酐、 次黄嘌呤、鸟苷酸等 | [5] |
| 维生素Vitamins | 硫胺素 | [5] |
1.1 决定羊肉香味的VOCs
决定羊肉香味的VOCs主要包括醛类、醇类、酸类、酮类、酯类、烷烃、含硫化合物及杂环化合物等[7],这些风味物质来源于脂质降解、美拉德反应以及两者间的联合反应。研究者常用气味活性值(odour activity value,OAV)(即浓度/气味阈值的比值)来确定羊肉中不同VOCs的贡献程度,OAV≥1的风味化合物被认为是决定羊肉风味的特征VOCs[7-8]。Liu等[9]研究发现,烤羊肉中OAV≥1的特征VOCs共有15种,其中己醛的OAV最高,其次是辛醛、1-辛烯-3-醇和庚醛,来源于脂质氧化的己醛是烤羊肉中最主要的香味物质,说明己醛对羊肉风味的形成具有积极影响。但也有研究指出,己醛浓度过高可能致使羊肉出现“异味”[10]。Qi等[11]研究发现,百里香炖羊肉中的特征VOCs(OAV≥1)主要是壬醛、辛醛、己醛、(E)-2-辛烯醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛、3-甲基丁醛、(E)-2-癸烯醛、(E)-2-壬烯醛和(E)-2-十一烯醛)、甲硫醇、1-辛烯-3-醇和二甲基三硫醚。综上可知,醛类和醇类化合物对羊肉香味起到决定性作用。
1.2 决定羊肉膻味的VOCs
膻味是羊肉特有的风味,膻味高会影响羊肉的口感。王振东[12]利用主成分分析法对羊肉中11种与膻味最相关的游离脂肪酸进行分析,建立了羊肉膻味强度评价模型,即F(膻味值)=0.564 98F1+0.169 11F2+0.147 72F3,该模型评价结果与感官评价具有极显著相关性,F值越低说明羊肉膻味越小。羊肉膻味相关风味物质的形成与羊机体脂肪代谢息息相关,并受到品种、日龄、性别和饲养管理等因素影响[4]。研究表明,8~10个碳的支链脂肪酸和4-烷基支链脂肪酸影响羊肉膻味,尤其是4-甲基辛酸(4-methyloctanoic acids,MOA)、4-乙基辛酸(4-ethyloctanoic acids,EOA)对羊肉膻味起关键作用,4-甲基壬酸(4-methylnonanoic acids,MNA)的变化较大,对羊肉膻味起次要作用[13⇓⇓-16],但在脂肪酸的相互组合下会产生一种整体气味,因此辛酸、2-甲基辛酸、辛酸的3种异构体、6-甲基辛酸、壬酸、4,6-二甲基辛酸、壬烯酸的2种异构体和8-甲基壬酸可能是羊肉膻味和气味的贡献者[13]。据报道,MOA和EOA的OAV范围分别为4.7~26.5和3.1~28.3,而MNA的OAV最低(0~0.1)[16]。
放牧羊羊肉中膻味的主要贡献者是3-甲基吲哚(粪便臭素)和4-甲基苯酚(对甲酚)[16-17]。它们均是在瘤胃微生物作用下氨基酸转氨和脱羧的代谢产物,且共同具有粪便气味,能够沉积到羊脂肪组织中,增加羊肉中的膻味[18]。羊肉膻味与硬脂酸含量呈正相关[19],基于羊在12月龄时才开始形成其独特的风味[20]。张利平等[20]研究了100日龄、1岁和5岁的肉羊皮下脂肪和背最长肌的脂肪酸含量变化,最终证实了引起羊肉膻味的重要物质是短链脂肪酸和硬脂酸。而羊机体内中蛋白质可经胰蛋白酶消化降解为氨基酸等羰基化合物,羰基化合物的含量高低与羊肉膻味高低成正比[21]。羊肉中含硫挥发物的含量很低,但大部分是具有臭味的硫化氢,包括苯硫酚、烷基硫化物和含硫杂环化合物等,对肉品质的影响显著[22]。有研究指出谷胱甘肽可以水解释放出半胱氨酸,通过谷胱甘肽葡萄糖反应体系,油脂中羰基化合物的脂质降解产物会与葡萄糖中的半胱氨酸反应,经过Strecker降解半胱氨酸来减少硫化氢的释放,从而减少含硫风味物质[23]。除此之外,许多VOCs(吡啶、内酯、萜类等)之间共同作用促使羊肉表现出膻味。
2 羊肉风味物质的形成机制
2.1 脂质氧化
羊肉在烹煮时,脂质的热降解反应可生成上百种挥发性化合物。而羊肉的脂类物质主要分为皮下脂肪和肌内脂肪,主要成分是甘油三酯(TG)和磷脂。饲粮中的大部分脂类在瘤胃微生物脂肪酶的作用下发生水解,从而释放出大量不饱和脂肪酸,其氧化产物可影响羊肉的风味[24]。脂质氧化反应机理主要分为2个部分:一是不饱和脂肪酸的双键在加热中自动氧化生成氧化物,最后分解为风味阈值较低的酮、醛、酸等挥发性羰基化合物;二是羟基脂肪酸经过水解生成羟基酸,继而加热脱水、环化生成具有肉香味的内酯化合物[25]。当然也不是所有的脂类氧化产物都能产生香味,支链不饱和脂肪酸可产生羊肉特殊的膻味。脂质热降解还可以通过与美拉德反应相互作用,从而影响羊肉风味。脂质热降解的反应机理如图1所示。
2.2 美拉德反应
美拉德反应,也称为非酶褐变反应,是羊肉在烹煮过程中产生风味物质最主要的途径之一。在烹煮时,还原糖(如核糖和葡萄糖)和游离氨基化合物(如氨基酸、蛋白质、多肽和胺类)受热反应,从而形成大量的美拉德反应产物。图2为美拉德反应的机理,美拉德反应主要包括3个阶段:第1阶段(糖胺缩合,Amadori重排),还原糖和游离氨基酸缩合,如果体系中存在醛糖,则可以形成N-糖基化合物(N-糖胺、N-果糖胺),然后发生重排生成Amadori重排产物(N-取代的1-氨基-2-脱氧-2-酮糖),如果体系中存在酮糖,则会形成Heyns重排产物[26]。在此阶段无风味形成,其中糖胺缩合是可逆反应,Amadori重排不可逆。第2阶段(糖分解和脱水,Strecker降解),稳定的Amadori或Heyns重排产物可以根据pH的不同,通过2种烯醇化途径进行反应,糖类被降解并伴随着氨基化合物的释放,形成Strecker醛等[27]。第3阶段(醛醇缩合,醛胺缩合和形成杂环氮化合物),氨基化合物再次参与脱水、分解、环化和聚合等反应,形成一系列芳香化合物,包括酮、醛、醇、呋喃及其衍生物,如吡咯、吡啶、吡嗪、噻吩和硫化物等[28]。这些芳香化合物构成了美拉德反应产生的肉香味,此阶段与羊肉风味的形成密切相关。
2.3 硫胺素降解
2.4 瘤胃微生物作用
瘤胃微生物作为反刍动物对饲粮脂质代谢转化的主要媒介,主要通过脂肪酸的从头合成、脂类分解和微生物氢化完成羊肉风味物质的沉积[31-32]。羊在吸收饲粮脂肪过程中风味物质产生途径:一是脂类消化并分泌脂肪水解酶的同时产生大量挥发性脂肪酸,瘤胃微生物利用挥发性脂肪酸从头合成脂肪酸,其中部分发生氢化反应形成影响羊肉膻味沉积的关键支链脂肪酸(branched-chain fatty acids,BCFAs)。Zhao等[33]通过饲喂脂质补充剂,发现绵羊瘤胃内氢化菌群数量受油脂影响从而调控肌内脂肪酸组成。二是经瘤胃微生物发酵的饲粮可以生成奇数碳原子脂肪酸,也可以利用支链氨基酸及支链羧酸为BCFAs的合成提供碳架[34-35],生成的BCFAs经小肠吸收从而影响羊肉风味。研究表明,在羔羊饲粮中添加沙葱粉降低了羊肉中BCFAs的沉积,其主要原因是瘤胃微生物的相对丰度被改变,部分纤维分解菌属和产甲烷菌属可以作为BCFAs的微生物标志物[36]。
3 羊肉风味物质形成的影响因素及调控机制
3.1 饲粮营养
肉羊从饲粮中摄取的营养物质种类决定了其体内沉积的风味物质,饲粮中的蛋白质水平、能量水平、牧草类型等均会不同程度影响羊肉风味。研究表明,当完全饲喂青贮饲料时,羊肉会产生不良特殊气味,这可能是由吲哚或脂质氧化所引起的[37]。以谷物为基础饲粮时,由于谷物使瘤胃内发酵模式转变为丙酸发酵[37],而丙酸作为主要的生糖物质影响机体代谢和风味前体物质,进而对羊肉风味产生影响。Frank等[38]研究表明,消费者更倾向于采食低能量甘蓝和紫叶苜蓿肉羊所产羊肉所呈现的风味。新鲜紫叶苜蓿中含有丰富的粗蛋白质,Devincenzi等[39]研究发现,放牧羊采食新鲜紫叶苜蓿增加了羊肉脂肪中粪臭素的浓度,致使羊膻味加重。
在肉羊饲粮中添加不同草本植物及其提取物对羊肉中的风味氨基酸、挥发性风味成分形成具有一定的影响。刘彩凤等[40]研究发现,添加10%百里香的饲粮改变了滩羊肉风味,可能是通过提高滩羊肌肉中具有芳香气味的萜烯类和芳香烃类化合物含量的缘由。Wang等[41]研究表明,在小尾寒羊饲粮中添加燕麦草后能显著增加羊肉中功能性代谢物和鲜味、甜味氨基酸的含量,且燕麦草可能是通过调控胆汁酸代谢途径增强脂质代谢,从而减少脂肪在羊肉中沉积来改善羊肉风味的。在肉羊饲粮中添加沙葱粉,显著降低了羊肉中醛类、酯类、烷烃类、酯类和酸类物质的含量,并显著提高了醇类、酮类物质的含量,特征VOCs不饱和醛的含量增多,其机制可能是沙葱粉影响脂质代谢,进而改善了羊肉脂肪酸组成和风味物质的种类[42]。饲喂添加3%复合中草药添加剂(黄芪、当归、甘草、山楂、陈皮等)肉羊,其羊肉中EOA和MNA的含量显著降低,减轻了羊肉膻味[43]。
3.2 羊肉风味前体物质和关键酶
决定羊肉风味的主要风味前体物质可以分为两大类:水溶性和脂溶性风味前体物质。水溶性风味前体物质包括游离氨基酸、还原糖、肌酸、硫胺素、核苷酸和肽类等,其加热所产生的香味在畜种间几乎不存在特异性,而脂溶性风味前体物质通过降解形成的多种挥发性物质决定了不同畜种肌肉风味的差异[6,8]。水溶性风味前体物质也是重要的滋味呈味物质。例如,一些还原糖、游离氨基酸和有机酸产生甜味,而苯丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸等氨基酸与有机酸结合产生酸味;肌酸在加热过程中可转化为肌酐,产生苦味,次黄嘌呤在阉割后会增加,并具有苦味特征[44];谷氨酸和天冬氨酸的无机钠盐是产生咸味的主要成分,赖氨酸与精氨酸具有增加咸味的作用[45];核苷酸与鲜味氨基酸是决定羊肉鲜味的重要物质,如肌苷酸可以显著增强肉的鲜味,谷氨酸具有形成肉鲜味和缓冲酸、碱等不良味道的特殊功效,对肉品的味道有重要影响[4-5,46]。羊肉主要的呈味水溶性风味前体物质见表2。
表2 羊肉主要的呈味水溶性风味前体物质Table 2 Major taste-presenting water-soluble flavor precursors in mutton[44⇓⇓⇓-48] |
| 风味 Flavors | 水溶性风味前体物质 Water-soluble flavor precursors |
|---|---|
| 甜味Sweetness | 还原糖:葡萄糖、果糖、核糖 游离氨基酸:丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸和赖氨酸等 有机盐类:丙酸钙镁盐 |
| 酸味Acidity | 氨基酸:天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、苯丙氨酸、酪氨酸、丙氨酸 有机酸类:琥珀酸、乳酸、乙酸、丙酸、焦谷氨酸、短链脂肪酸(C4~10) |
| 咸味Saltiness | 盐类:氯化钾、氯化钠、钠盐谷氨酸钠 氨基酸:赖氨酸、精氨酸 |
| 苦味Bitterness | 矿物质:氯、磷、钠、钾、镁、钙 核苷酸:次黄嘌呤、肌苷 氨基酸:组氨酸、精氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、酪氨酸、色氨酸 肽类:舒水肽 |
| 鲜味Umami | 肽类:肌肽和其他多肽 氨基酸:天冬氨酸、谷氨酸 核苷酸:5'-单磷酸腺苷、5'-单磷酸肌苷、5'-单磷酸鸟苷、肌苷酸 有机酸:丙酸、短链脂肪酸 |
| 综合风味Comprehensive flavor | 含硫氨基酸:半胱氨酸、胱氨酸、蛋氨酸 |
在脂肪酸合成过程中,乙酸是影响羊肉风味的主要前体物质。在脂肪细胞内,乙酸经酶作用合成乙酰辅酶A(CoA),通过乙酰CoA羧化酶(ACC)催化生成丙二酸单酰CoA,再由还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)生成酶提供还原氢,脂肪酸合成酶(FAS)催化形成长链脂肪酸。脂蛋白脂酶(LPL)被细胞利用水解,所产生的脂肪酸和细胞从头合成的脂肪酸酯化形成TG,而激素敏感酯酶(HSL)则催化TG水解为甘油和脂肪酸。整个过程中,脂肪酸合成的限速酶是ACC,脂肪酸合成的关键酶是FAS和NADPH生成酶,脂肪转运的关键酶是LPL,脂肪分解的关键酶是HSL[17]。
3.3 关键候选基因及调控因子
关于羊肉风味形成的候选基因和调控通路相关报道较少,研究进展缓慢。Gunawan等[49]对羊肝脏组织进行转录组测序分析,研究发现连接黏附分子样蛋白(JAML)、谷胱甘肽硫转移酶M1(GSTM1)、UDP葡糖醛酸基转移酶家族2多肽B18(UGT2B18)、细胞色素P4502A6(CYP2A6)和磺基转移酶1C1(SULT1C1)基因表达水平存在显著差异,因此推测这些基因参与并调控羊肉膻味合成路径。Zhao等[50]研究分析了沙葱影响羊肉风味相关BCFAs合成的候选基因,发现细胞色素P4502B6(CYP2B6)、酰基辅酶A硫酯酶12(ACOT12)、硫酯酶超家族成员4(THEM4)、酰基辅酶A合成酶家族成员2(ACSF2)、脂蛋白1(LPIN1)和腺苷酸环化酶4(ADCY4)被鉴定为可能参与羊肝脏BCFAs合成调控的候选基因。Abuzahra等[51]分析了硒蛋白W1(SEPW1)和JAML基因型与羔羊气味和风味的相关性,首次证实了SEPW1的多态性可能有助于羊肉中MNA含量的减少,从而影响羊肉风味。羊肉脂肪酸组成是影响风味的主要性状之一,Xin等[52]研究钙蛋白酶抑制蛋白(CAST)基因及突变表达水平对绵羊背最长肌脂肪酸组成的影响,并进行了关联性分析,结果表明CAST及其4个突变位点均与脂肪酸组成显著相关,且有望成为影响苏尼特羊肉脂肪酸组成及风味的标志性候选基因。
4 小结与展望
针对现今羊肉风味品质下降的问题,本文对羊肉风味物质种类、风味物质的生成路径及其调控机理进行了系统的总结。膻味是导致消费者难以接受食用羊奶、羊肉的主要原因。目前有关羊肉风味尤其是膻味相关代谢合成通路研究较少,仅在脂质代谢和饲粮结构调整方面取得一些进展。因此,筛选决定羊肉风味相关主效基因,阐明羊肉风味形成的调控机制,从分子营养的角度解析羊肉风味物质形成的物质基础、代谢合成通路、基因调控网络,是当前羊肉品质领域的研究方向和重点。