牦牛皮胶（YLG）的品质表征及其在小鼠负重游泳模型中的抗疲劳活性研究

《Foods》：Quality Characterization and Anti-Fatigue Properties of Yak (Bos grunniens) Leather Gel in a Mouse Endurance Swimming Model

　　

： 作为牦牛（Bos grunniens）加工过程中的主要副产物，牦牛皮长期未得到充分利用。本研究开发了一种新型功能食品——牦牛皮胶（Yak Leather Gel, YLG），并以阿胶（Colla Corii Asini, CCA）为参照，系统评价了其品质、风味特征及抗疲劳活性。YLG的铁和脯氨酸含量显著高于CCA，提示其具有独特的营养潜力。在风味分析方面，研究人员基于气味活度值（odor activity values, OAVs）评估了挥发性化合物。在YLG中共鉴定出9种关键香气贡献化合物。YLG在保持典型烘烤香韵的同时，呈现出以吡嗪类化合物为主要来源的特征性坚果香和烟熏香气，这使其区别于CCA。重要的是，在动物模型中，YLG补充显示出比CCA更强的抗疲劳效果。在小鼠中，YLG显著延长了力竭游泳时间，提高了肝糖原、葡萄糖、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase, GSH-Px）和ATP的水平，并降低了血液中的丙二醛（malondialdehyde, MDA）和乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase, LDH）。这些生化变化表明能量代谢增强和氧化应激减轻。此外，YLG还增加了与运动相关的有益肠道菌群的相对丰度。这些研究结果表明，与CCA相比，YLG表现出有前景的抗疲劳活性，这可能与其改善能量代谢、增强抗氧化能力以及有益调节肠道菌群有关。该研究支持将牦牛皮作为高品质功能食品原料进行增值利用，为进一步的产品开发提供了理论基础。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

牦牛（Bos grunniens）是青藏高原及其周边山区特有的物种，以其高海拔栖息地、无污染环境和季节性变化而闻名。目前，牦牛肉和牦牛奶的加工技术已较为成熟，而作为牦牛相关产品副产物的牦牛皮，则主要被用于皮革工业，在其他领域的利用仍然不足。动物皮肤约占动物活体重量的4%–12%，被认为是极具价值的副产品之一。新鲜牦牛皮去除水分后，按干重计含有粗蛋白89.74%、脂肪5.27%以及灰分和其他成分5.99%，其中胶原蛋白占粗蛋白的85%，是牦牛皮的主要营养成分。将牦牛皮转化为高价值功能成分，是提高牦牛产业经济效益、减少资源浪费的有效策略。

牦牛皮胶（YLG），中文名为“牦犀胶”，由新鲜牦牛皮制备而成。在该过程中，酸和碱通过破坏分子间离子交联和氢键来降解胶原纤维分子，使胶原分子完全释放，随后加热以断裂氢键，同时保留胶原的核心三螺旋构象，经纯化后得到明胶产品。YLG由18种氨基酸和两种微量元素组成。阿胶（CCA）是一种传统中药材，主要通过煎煮和浓缩浸泡过的驴皮提取的明胶制成，其化学成分主要包括氨基酸、微量元素、多糖和其他生物活性化合物。尽管阿胶的滋补功效早已得到公认，但其供应受限于驴资源稀缺和生产成本高昂。然而，YLG能否在运动表现和肠道微生物组成方面达到甚至超越CCA的效果，此前尚不清楚。

疲劳是由体力消耗、精神超负荷或休息不足等因素引起的多方面的生理和心理状态。疲劳的发病机制尚未完全阐明，但普遍接受三种主要机制假说：能量耗竭（ATP、糖原和脂质储备的消耗）、疲劳诱导代谢物积累（乳酸、丙酮酸和血清尿素氮）以及活性氧（ROS）介导的氧化应激。目前，天然生物活性化合物的抗疲劳作用及其机制日益受到科学关注。然而，对YLG和CCA在营养、风味和抗疲劳特性方面的系统比较仍然缺乏。研究人员因此假设，YLG补充可能通过改善能量代谢、增强抗氧化防御、维持骨骼肌完整性和改变肠道菌群组成来发挥抗疲劳作用。本研究旨在系统评估YLG与CCA相比的营养特性、风味特征和抗疲劳效果，并探讨其潜在机制。

二、主要关键技术方法

本研究采用多种分析技术。品质分析依据中国国家标准测定粗蛋白、水分、矿物质元素、水不容物和灰分含量，并使用色度仪测定颜色坐标。采用扫描电子显微镜（SEM）在15.0 kV电压下观察样品微观结构。氨基酸组成通过高效液相色谱（HPLC）测定。挥发性风味物质采用固相微萃取（SPME）结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术分析。动物实验使用30只雌性ICR小鼠，随机分为对照组、YLG组和CCA组，剂量为1.2 g/kg BW/d，连续灌胃4周。通过负重游泳实验评估运动耐力，采用商业试剂盒测定疲劳相关生化参数，通过苏木精-伊红（H&E）染色观察肝脏和骨骼肌组织形态，并利用16S rDNA高通量测序分析粪便肠道菌群组成。

三、研究结果

3.1 营养成分分析

YLG的蛋白质含量（88.19%）高于CCA，这是衡量明胶品质和营养价值的重要指标。YLG与CCA在颜色上存在显著差异，这可能与原料来源不同有关。两种样品的灰分和水不容物含量均较低，符合品质要求。在矿物质元素方面，YLG的铁含量（36.16 mg/100 g）较高，而CCA的镁（776.64 mg/100 g）、钾（1446.68 mg/100 g）和钙（375.49 mg/100 g）含量高于YLG。扫描电镜观察显示，YLG表面存在空隙，结构疏松。

3.2 氨基酸组成

在分析的18种氨基酸中，甘氨酸在YLG和CCA中含量最高。脯氨酸和羟脯氨酸是胶原蛋白的主要成分，是评估胶质物质品质的重要指标，对胶原蛋白的稳定性起关键作用。CCA和YLG的羟脯氨酸含量分别为11.85 mg/100 g和11.55 mg/100 g。此外，丙氨酸和脯氨酸含量相对较高。谷氨酸和天冬氨酸等酸性氨基酸已被证明在抗氧化活性中发挥重要作用，这可能部分解释了动物实验中观察到的抗氧化效果。

3.3 GC-MS风味分析

通过SPME-GC-MS分析，在YLG和CCA中分别检测到87和89种挥发性化合物，主要包括醛类、醇类、酮类、酯类、醚类、有机酸、酚类和含氮化合物。在所有挥发性风味化合物中，含氮化合物在两种样品中含量最高。含氮化合物中吡嗪类为主要亚类，YLG中主要包含2,3-二甲基吡嗪、三甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪和2,6-二乙基吡嗪。基于OAV值和文献数据，这四种化合物被认为协同贡献了YLG独特的烘烤、坚果和烟熏香气。YLG中含有9种OAV超过100的化合物，包括2,3-辛二酮、苯乙醇、对甲酚、乙酰吡嗪、戊醛、3,5-二乙基-2-甲基吡嗪、壬醛、己醛和3-甲基丁醛。其中3,5-二乙基-2-甲基吡嗪、乙酰吡嗪和3-甲基丁醛主要与烘烤、坚果和爆米花香气相关；对甲酚贡献烟熏和酚类特征；戊醛、己醛和壬醛赋予果香、青香和脂肪香；2,3-辛二酮和苯乙醇提供黄油、果香和花香气息。主成分分析（PCA）结果显示两种样品在香气化合物方面存在显著差异。与CCA以2,5-二甲基吡嗪为主的香气特征相比，YLG多样化的烷基吡嗪谱反映了其独特的加工条件和氨基酸组成，支持了其烘烤、坚果和烟熏香气的独特性。

3.4 抗疲劳能力

在实验期间，各组小鼠体重稳定增长，组间无显著差异，饮食和身体状况未见异常，器官指数也无显著差异，表明YLG和CCA补充对小鼠正常生长无不良影响。负重游泳试验结果显示，与对照组相比，YLG组和CCA组小鼠的力竭游泳时间分别增加了64%（p < 0.05）和11%，表明两种处理均能增强小鼠的运动耐力，其中YLG的效果更为显著。

3.5 能量物质与组织学观察

运动后，干预组的葡萄糖含量显著高于对照组，分别增加了19.30%和12.96%。处理组力竭运动后的肝糖原含量显著高于对照组。肌糖原水平虽有升高但未达显著差异，这可能归因于急性疲劳诱导的快速肌糖原耗竭，短暂休息时间不足以使该指标恢复正常。H&E染色显示，各组肝细胞排列、结构和大小无明显差异，表明未发生明显的急性肝损伤。在骨骼肌方面，YLG和CCA组的肌肉损伤较对照组明显减轻，染色更清晰均匀，细胞核明显，其中YLG组肌细胞排列更紧密，表明YLG对骨骼肌恢复的贡献更有效。

3.6 氧化应激与运动性肌肉损伤

运动后，YLG组的SOD和GSH-Px水平显著升高。T-AOC含量虽高于对照组但差异不显著。YLG和CCA干预后MDA浓度显著降低，分别减少了33.51%和47.94%，表明两者能有效抑制小鼠脂质过氧化。综合来看，YLG补充能有效提高SOD和GSH-Px活性，降低MDA水平，通过维持氧化与抗氧化系统的平衡来保护细胞免受氧化应激损伤。在肌肉损伤标志物方面，YLG和CCA组的LDH和CK水平均显著降低，表明两者可能减少运动引起的肌肉膜损伤。

3.7 ATP酶活性与疲劳相关代谢物

YLG组的Ca²⁺-Mg²⁺-ATPase活性显著高于对照组，CCA组呈上升趋势但差异不显著。所有干预组的Na⁺-K⁺-ATPase活性均显著高于对照组。YLG和CCA显著降低了BUN和LD水平，表明疲劳相关代谢物积累减少。LD水平在YLG和CCA组分别降低了3.64%和6.45%，其中CCA组降低显著。BUN水平分别降低了12.21%和12.28%，均达显著水平，表明两种干预有效恢复了疲劳相关生物标志物至正常水平。

3.8 肠道菌群

16S rRNA分析显示，α多样性指数和β多样性分析均无显著差异，表明处理未引起肠道微生物群落的整体改变。但在分类学水平上，特定细菌类群的相对丰度发生了显著变化。CCA和YLG补充增加了厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteriota）和蓝菌门（Cyanobacteria）的相对丰度，同时降低了拟杆菌门（Bacteroidota）、疣微菌门（Verrucomicrobiota）和脱铁杆菌门（Deferribacterota）的丰度。在属水平上，补充增加了乳杆菌属（Lactobacillus）和不动杆菌属（Acinetobacter）的丰度，同时降低了气球菌属（Aerococcus）和阿克曼菌属（Akkermansia）的丰度。乳杆菌是耐力运动员肠道中的优势菌群，作为益生菌在增强蛋白质利用、提高支链氨基酸水平、支持肌肉能量平衡和延缓疲劳发生方面发挥关键作用。在YLG组中，库尔特氏菌属（Kurthia）和拟杆菌属（Bacteroides）上调，而理研菌科RC9肠道群和另枝菌属（Alistipes）下调。拟杆菌与肌肉质量和功能相关，而另枝菌属与焦虑、慢性疲劳综合征、抑郁和高血压相关。

四、讨论与结论

本研究证明，来源于牦牛副产物的YLG与传统CCA相比具有独特的营养特性，包括更高的蛋白质含量。YLG呈现出以吡嗪类相关的坚果香和烟熏香为特征的独特风味，明显区别于CCA。体内抗疲劳实验表明，YLG补充改善了运动耐力，增强了抗氧化能力，减轻了运动诱导的骨骼肌损伤，这反映在与能量代谢相关的生化参数改善上。此外，YLG调节了与疲劳缓解相关的特定肠道细菌类群的丰度，提示肠道菌群与观察到的抗疲劳效应之间存在潜在联系。研究结果支持了研究人员的假设，即YLG比CCA具有更强的抗疲劳效果，这体现在YLG组力竭游泳时间显著延长和生化标志物改善上。总体而言，YLG的抗疲劳作用伴随着能量代谢相关参数、抗氧化防御、肌肉损伤标志物和特定肠道细菌类群的变化。这些效应背后的分子机制仍有待确定。本研究支持将牦牛皮副产物作为开发抗疲劳功能食品的优质天然原料进行高价值利用。