王全杰,張 燕
(1.陜西科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,陜西西安710021;2.國(guó)家制革技術(shù)研究推廣中心,山東煙臺(tái)264005;3.煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)生物理工學(xué)院,山東煙臺(tái)264005)
微量元素富集的研究進(jìn)展
王全杰1,2,3,張 燕1,*
(1.陜西科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,陜西西安710021;2.國(guó)家制革技術(shù)研究推廣中心,山東煙臺(tái)264005;3.煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)生物理工學(xué)院,山東煙臺(tái)264005)
闡述了幾種微量元素的生理功能及它們的功能性應(yīng)用進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了富集微量元素的主要方法和國(guó)內(nèi)外研究情況,同時(shí)從遺傳學(xué)角度對(duì)礦物質(zhì)元素的富集進(jìn)行了展望,提出了應(yīng)從多學(xué)科、多領(lǐng)域、多角度對(duì)人體營(yíng)養(yǎng)與健康進(jìn)行研究的建議。
微量元素,功能,富集,應(yīng)用
礦物質(zhì)元素與人體健康有著密切的關(guān)系,一直是許多營(yíng)養(yǎng)學(xué)家和科學(xué)家非常感興趣的課題,特別是其中的微量元素,雖然在人體內(nèi)含量不多,卻對(duì)人的生命起著至關(guān)重要的作用,更是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。部分微量元素必須由食物攝入,而攝入過量、不足、不平衡或缺乏都會(huì)不同程度地引起人體生理的異常或?qū)е录膊〉陌l(fā)生,基于對(duì)天然食用動(dòng)植物原料中微量元素的分布及其生理作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)和研究,一些具有特殊保健功能的復(fù)合食品得以開發(fā),如谷物制品、強(qiáng)化大米、飲料、蛋制品、奶制品、調(diào)味品,涉及到嬰幼兒的食品、孕婦或乳母食品、老年食品及有關(guān)慢性疾病的各種保健食品等[1-2]。借助食品添加劑、保健品或者藥物來快速補(bǔ)充人體缺乏的微量元素是一個(gè)捷徑,但存在投資大、費(fèi)用高、覆蓋面小、效果差等弊病,國(guó)內(nèi)外學(xué)者更傾向于將主食作為一種最優(yōu)的、安全的微量元素補(bǔ)充途徑[3-4]。水稻作為世界上主要的糧食作物,供養(yǎng)著全球1/2以上的人口,而我國(guó)約有2/3的人口以大米為主食。水稻是我國(guó)人民所需熱能、蛋白質(zhì)、多種維生素和微量元素的主要來源,在膳食組成方面占據(jù)重要地位,小麥也是我國(guó)主要的糧食作物之一,人類需要蛋白質(zhì)的20%以上由小麥提供[5]。因此,利用生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)富含各種微量元素的農(nóng)作物,供給人們作為食糧,將是高效、低耗、行之有效地解決當(dāng)前微量元素營(yíng)養(yǎng)匱乏問題的有效途徑。
微量元素是指人體需要量在100mg/d以下的礦物質(zhì)元素,也稱為痕量元素。1995年聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organization,簡(jiǎn)稱FAO)、世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,簡(jiǎn)稱WHO)等國(guó)際組織的專家委員會(huì)按生物學(xué)作用將其分為三類[2]:
a.人體必需的微量元素共十種:包括銅、鈷、鉻、鐵、氟、碘、錳、鉬、硒和鋅;
b.人體可能的必需微量元素共四種:即硅、鎳、硼、礬;
c.具有潛在毒性,但在低劑量時(shí)可能具有人體必需功能的元素為鉛、鎘、汞、砷、鋁、錫和鋰。
必需微量元素是人體中的主要功能元素,雖然其總含量?jī)H占人體質(zhì)量的0.05%左右,但在不同人體部位的狀態(tài)與人體健康關(guān)系密切[6]。以下介紹幾種人體必需的微量元素鉻、硒、鋅、鐵等對(duì)人體的功能及目前研究的概況。
在自然界中,鉻主要是以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)形態(tài)存在,三價(jià)鉻是人體必需的生命微量元素,但六價(jià)鉻化合物具有致癌性。鉻是“葡萄糖耐量因子”(glucose tolerance factor,簡(jiǎn)稱GTF)的主要構(gòu)成成分,是胰島素的一種“協(xié)同激素”(Cohormone),協(xié)助或增強(qiáng)胰島素在體內(nèi)外的作用。因此,鉻是參與糖代謝的關(guān)鍵物質(zhì),對(duì)糖尿病具有特殊的防治作用[7-9]。研究發(fā)現(xiàn),鉻還對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化、心血管疾病具有抑制作用,同時(shí)還有抗癌作用[10]。
中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)1988年提出的成人鉻安全和適宜攝入量與美國(guó)1980及1989年建議的成人鉻安全和適宜攝入量相同,均為50~200μg/d,結(jié)合我國(guó)情況,又提出中國(guó)居民膳食鉻的每日適宜攝入量(Adequate Intake,簡(jiǎn)稱 AI),成人為 50μg/d,兒童按體重折算相應(yīng)降低,其可耐受最高攝入量(Tolerable Upper Intake Level,簡(jiǎn)稱 UL),成人為 500μg/d[2]。鉻的來源很廣,但含量甚微,主要食物來源是谷類、肉類和魚貝類,且谷類加工后其含量會(huì)大幅下降。因此,近年來大力研究富集鉻的谷物,有利于滿足人體對(duì)微量鉻的吸取。
硒是生物體多種酶和蛋白質(zhì)的重要組成部分,也為人體必需的微量元素,具有很強(qiáng)的生物活性,參與多種生理生化反應(yīng),如在抗氧化、抗癌防癌方面有顯著效果。2003年9月美國(guó)食品藥品管理局(Food and Drug Administration,簡(jiǎn)稱FDA)批準(zhǔn)了一項(xiàng)重大決議,即認(rèn)為硒為抑癌劑,并允許硒營(yíng)養(yǎng)品標(biāo)識(shí)硒的抑癌性質(zhì)[11-12]。1988年中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)將硒列為每日膳食營(yíng)養(yǎng)素之一,推薦成人每日膳食硒供給量50μg[2]。全國(guó)70% 以上地域?yàn)榈臀?、貧硒地區(qū)。而大米的硒含量甚微,加工富硒大米可將大米中的硒含量提高數(shù)倍[12],可以解決我國(guó)地域缺硒問題。
鋅被醫(yī)學(xué)界、營(yíng)養(yǎng)界譽(yù)為人體的“生命之花”,對(duì)人體有著重要的生理功能和營(yíng)養(yǎng)作用[13]。成人體內(nèi)含鋅量為1.5~2.5g,是含量?jī)H次于鐵的微量元素,具有廣泛的生理功能[14],缺鋅會(huì)導(dǎo)致多種疾?。?5]。關(guān)于鋅的每日需要量,中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)提出中國(guó)居民膳食鋅平均需要量(Estimated Average Requirement,簡(jiǎn)稱EAR),成年男性11.23mg/d,成年女性8.26mg/d,推薦攝入量(Recommended Nutrient Intakes,簡(jiǎn)稱 RNI),成年男性15.5mg/d,成年女性11.5mg/d。
雖然鋅元素普遍存在于動(dòng)植物中,但含量差別很大。在許多植物性食品中,因與植酸結(jié)合不易吸收,而谷類碾磨后,可食部分含鋅量會(huì)明顯減少,導(dǎo)致以谷物為主食的國(guó)家缺鋅現(xiàn)象明顯。因此,加工富鋅大米是在主食中補(bǔ)充鋅元素的有效途徑之一。
鐵是人體內(nèi)含量最多的必需微量元素,成人體內(nèi)含鐵量為3~4g,主要存在于血紅蛋白中,若體內(nèi)缺鐵,攜氧能力被阻斷,則造成缺鐵性貧血。中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)提出的中國(guó)居民膳食鐵適宜攝入量(AI),成年男性15mg/d,成年女性20mg/d,50歲以后則均為15mg/d,而其可耐受最高攝入量(UL)對(duì)青少年和成人均為50mg/d[2]。食物中含鐵量不高,植物性食品中的鐵與鋅相似,很難吸收。加工強(qiáng)化食品,強(qiáng)化鐵元素也是補(bǔ)充鐵元素的常用途徑。
近年來,富鍺功能性食品的開發(fā)也呈良好發(fā)展的態(tài)勢(shì)。鍺,特別是有機(jī)鍺,如Ge-(32),具有廣譜的藥理活性,對(duì)目前困擾人類健康長(zhǎng)壽的幾大頑敵-心血管病、癌病、艾滋病以及老年性癡呆癥有顯著功效。各種天然食物中均不同程度地含有鍺,但含量普遍較低。成人每天的鍺攝入量為0.4~3.50mg[13],而食物中的鍺含量難以滿足要求。
其他微量元素如銅、錳、氟、碘等也是人體所必需的,也在生命過程中起著非常重要的作用。銅主要具有造血功能,能合成酶和血紅蛋白,增強(qiáng)防御,缺銅則易造成貧血、心血管損傷、冠心病、白癜風(fēng)等;氟是生物的鈣化作用所必需的物質(zhì),適量氟有利于鈣和磷的利用及其在骨骼中沉積,增加骨骼的硬度,對(duì)骨骼疏松等起抑制作用,缺氟容易引起齲齒;錳是組酶,激活劑的構(gòu)成組分,能增強(qiáng)蛋白質(zhì)代謝,合成維生素,有防癌功效;缺碘不僅會(huì)引起甲狀腺腫,而且還會(huì)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙[15]。
通過生物轉(zhuǎn)化富集微量元素的研究頗多,其中主要有微生物合成轉(zhuǎn)化法、動(dòng)物轉(zhuǎn)化法和植物天然合成轉(zhuǎn)化法等[16]。
微生物合成轉(zhuǎn)化最為常用的是酵母轉(zhuǎn)化法,它是將含有一種或幾種微量元素的溶液加入到培養(yǎng)基中,從而得到高富含微量元素的酵母,已研究得到的有富鉻、富硒、富鍺、富鋅、富鐵等多種類型酵母,已經(jīng)公開了多個(gè)關(guān)于富鉻酵母生產(chǎn)的專利[17-19],工藝簡(jiǎn)單實(shí)用,可用于多種保健食品,是良好的補(bǔ)鉻劑。田曉華等[20]對(duì)富鉻酵母降低高血脂的作用進(jìn)行了研究,結(jié)果表明高脂血癥患者服用富鉻酵母后降脂效果顯著。Suhajda A.[21]研究表明,在合適的條件下,酵母菌(Saccharomyces Cerevisiae)能夠富積大量的微量元素硒,并將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)的硒化合物,在常規(guī)的酵母培養(yǎng)基中加入水溶性的硒鹽如亞硒酸鈉,結(jié)果一定數(shù)量的硒被酵母所吸收。另外還有富硒螺旋藻[22]、食用菌[23]等。劉鑫、陳春濤等[24]采用固體培養(yǎng)和液體深層發(fā)酵技術(shù),對(duì)灰樹花的耐鉻和富鉻特性進(jìn)行了研究,用生物富集方法將不易吸收的無機(jī)鉻轉(zhuǎn)化成有機(jī)鉻的研究對(duì)于預(yù)防與治療糖尿病具有很好的應(yīng)用前景。
動(dòng)物轉(zhuǎn)化法是將一定元素的鹽類化合物加入到動(dòng)物的飼料中,從而使無機(jī)態(tài)微量元素轉(zhuǎn)化成有機(jī)態(tài)微量元素。耿德銓等[25]研制出鈣、鐵、鋅多元素營(yíng)養(yǎng)雞蛋,臨床表明雞蛋是補(bǔ)充微量元素的良好載體。田冬香、路桂玲等[26]發(fā)明了一種生產(chǎn)低膽固醇、富鉻蛋的飼料,利用該發(fā)明飼喂的雞所生產(chǎn)的富鉻蛋對(duì)治療糖尿病的作用主要表現(xiàn)為:改善血糖的不穩(wěn)定,可通過補(bǔ)充鉻營(yíng)養(yǎng)以糾正糖耐量的減退,改善機(jī)體糖耐量,預(yù)防成年型糖尿病及其并發(fā)癥。王瑛、張為勝等[27]發(fā)明了一種生產(chǎn)富釩富鉻雞蛋的方法,即在蛋雞基礎(chǔ)日糧中添加釩化合物作為釩的來源,添加鉻化合物作為鉻的來源生產(chǎn)富釩富鉻雞蛋。
植物轉(zhuǎn)化法是將富含微量元素的培養(yǎng)液或者肥料施加到植物生長(zhǎng)過程中,從而達(dá)到富集作用,像高鍺高硒麥芽、富鉻白菜、富鉻茶葉、富硒豆芽等都是此類產(chǎn)品。丁志剛等[28]以不同劑量的富鉻發(fā)芽糙米喂養(yǎng)小鼠進(jìn)行研究,表明其對(duì)小鼠有降血糖作用。李潔等[29]也就富鉻茶葉對(duì)血糖的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行了研究,通過對(duì)照動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及人體試食實(shí)驗(yàn),說明富鉻茶葉對(duì)臨床有一定改善功效。
王盛良、黃杰等[30]采用三氯化鉻為鉻源培養(yǎng)了富鉻綠豆芽,得到鉻含量為普通綠豆芽的100倍的富鉻綠豆芽。徐昆亭、盧順德等[31]研制出了一種安全、有效、功能全面的富鉻水稻培育營(yíng)養(yǎng)液和使用該營(yíng)養(yǎng)液培育的富鉻稻米,該發(fā)明可以應(yīng)用于水稻的培育,也可用于其它谷物。鄭軍武、鄭冬等[32]發(fā)明了一種富鉻專用葉面肥,該發(fā)明微量元素品種全且含量高,氮、磷、鉀、鉻等主要元素含量高,作物施用后鉻含量提高幅度大,對(duì)于促進(jìn)作物生長(zhǎng)和提高抗逆性起到了良好效果。劉興彥、董春等[33]研制了一種富含有機(jī)硒、鋅和鉻的營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化大米及其生產(chǎn)方法,該生產(chǎn)方法是在水稻灌漿期分別在不同地塊噴施各種微量元素溶液,收獲后對(duì)米粒進(jìn)行混配。另外,程永安等[34]富鉻南瓜的生產(chǎn)方法和夏作理等[35]的富鉻決明子芽的培育也是利用植物轉(zhuǎn)化富集微量元素的典型應(yīng)用發(fā)明。
國(guó)外對(duì)此也有一定的研究[36],土耳其在其重缺鋅的安納多利亞中部地區(qū),施的肥料已有十年以上,含鋅復(fù)混肥量達(dá)到30萬t以上,從而提高了小麥籽粒中的含鋅量。
生產(chǎn)研制富含各種微量元素和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的肥料,施用到農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中,是給食物補(bǔ)充微量元素的有效途徑。不過由于成本和應(yīng)用等相關(guān)問題,現(xiàn)代的化肥工業(yè)仍然是以氮磷鉀等常量元素補(bǔ)充為主,專門的微量元素化肥由于成本較高,產(chǎn)量較少,不能保證植物的供應(yīng),因此尋找價(jià)廉實(shí)惠的微量元素肥料應(yīng)予以關(guān)注。
隨著工業(yè)的發(fā)展,工業(yè)廢棄物大幅增加,其中含有大量的重金屬元素,如印染、皮革、鉻礦冶煉等行業(yè)排放的固廢中含有大量的鉻,既是一種嚴(yán)重的污染,又是一種資源的浪費(fèi)。據(jù)報(bào)道,我國(guó)每年產(chǎn)生140多萬t的皮革邊角廢棄物[37],是豐富的鉻資源,而且可以提供豐富的氨基酸等其他資源。其實(shí)在二十世紀(jì)八十年代就有利用制革固體廢料生產(chǎn)有機(jī)肥的研究[38]。日本、韓國(guó)、歐洲共同體國(guó)家,以及臺(tái)灣等地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都積極采用此類產(chǎn)品作為有機(jī)肥料。
王昌命等[39]研究了制革污泥對(duì)杉木木材結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境的影響,結(jié)果認(rèn)為,制革污泥能促進(jìn)杉木的生長(zhǎng),也能促進(jìn)具有較強(qiáng)吸收Cr能力的鳳尾蕨的生長(zhǎng),由此可以認(rèn)為制革污泥可作為杉木的一種肥料。俞從正等[40]曾對(duì)陜西省長(zhǎng)安縣長(zhǎng)期直接以含鉻污泥為肥料的農(nóng)田及其作物進(jìn)行過跟蹤調(diào)查,結(jié)果顯示,含鉻污泥施入農(nóng)田會(huì)引起土地中鉻量增加,施含鉻污泥次數(shù)越多的土壤含鉻量越高,施肥時(shí)間離現(xiàn)在越近的土壤含鉻量越高。國(guó)外對(duì)制革污泥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)方面的研究從19世紀(jì)70年代末開始,意大利Sacro Cuore大學(xué)農(nóng)業(yè)化學(xué)系Sandro Silva教授對(duì)制革污泥在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面研究較多,他通過對(duì)玉米、小麥和水稻的實(shí)驗(yàn)認(rèn)為:含鉻污泥作為農(nóng)田肥料使用,可使小麥、玉米和稻米分別增產(chǎn)42%、7.8%和18%;植物在成長(zhǎng)中吸收鉻而且不會(huì)造成食物污染;微量鉻的存在對(duì)人體代謝有促進(jìn)作用。因此,研究皮革固體廢棄物的資源利用,將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)微量元素富集上,具有一定的前景。將各種工業(yè)廢料進(jìn)行回收應(yīng)用于農(nóng)業(yè)是一條既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的途徑,但是由于人們對(duì)微量元素肥料的認(rèn)識(shí)不足,并沒有得到廣泛重視,微量元素缺乏現(xiàn)象越來越嚴(yán)重[41],因此需要采取措施使其進(jìn)一步發(fā)展和推廣。
除以上生物轉(zhuǎn)化的方法之外,研究培育高富集作物品種也有一定發(fā)展。最直接的方法是研究自然界中存在的超積累植物,這一類植物一般是從生態(tài)環(huán)保的角度,改良被重金屬污染的土壤或者水體[42-43],目前世界上發(fā)現(xiàn)了 400 多種超積累植物,英國(guó)的 Baker等[44]經(jīng)過田間實(shí)驗(yàn)表明,超富集植物Thlaspi carulescens富集Zn是非超富集植物蘿卜的150倍,富集Cd則相應(yīng)的為10倍。在津巴布韋發(fā)現(xiàn)的Dicoma niccolifera Wild和Suterafodina Wild是鉻超積累植物,其鉻的含量分別為1500、2400mg/kg,均高于鉻的參考值1000mg/kg[45]。在國(guó)內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)的超積累植物有砷超積累植物-蜈蚣草(Pteris vittata L.)[46]、鋅 超 積 累 植 物 - 東 南 景 天 (Sedum alfredii H)[47]、另一種砷超積累植物-大葉井口邊草(Pteris cretica L.)[48]、錳 超 積 累 植 物 - 商 陸 (Phytolacca acinosa Roxb)[49]、鎘的超積累植物-寶山堇菜(Viola baoshanensis)[50]和龍葵(Solanum nigrum L.)[51],張學(xué)洪、羅亞平等[52]在前人的基礎(chǔ)上,在廣西發(fā)現(xiàn)了濕生鉻超積累植物-李氏禾(Leersia hexandra Swartz),對(duì)鉻有很強(qiáng)的富集能力。研究這些植物的超富集機(jī)制,利用它們的超富集特征應(yīng)用于農(nóng)業(yè)微量元素的富集具有一定的利用價(jià)值。
另外,從遺傳學(xué)角度出發(fā),國(guó)際水稻研究所于1994年開始對(duì)籽粒富集微量元素水稻進(jìn)行種質(zhì)篩選,泰國(guó)、日本等其它國(guó)家也積極進(jìn)行培育篩選,我國(guó)也于90年代開展富集微量元素黑米的研究,選育了眾多高微量元素的黑米品種,而且已建立水稻核心種質(zhì),大大方便了當(dāng)前籽粒富集微量元素水稻種質(zhì)的鑒定和篩選。但是,現(xiàn)今微量元素高的種質(zhì)多為富鐵水稻,關(guān)于富集其它微量元素水稻的研究還比較少。而且,水稻籽粒微量元素含量除受遺傳因素的控制之外,還受氣候、土壤和灌溉水等環(huán)境因素的影響。因此,要綜合考慮各種因素,探索富集微量元素的多種途徑[53]。河北省農(nóng)科院糧油作物研究所把常規(guī)育種、單倍體育種、慢照射、遠(yuǎn)緣雜交幼胚拯救等方法有機(jī)結(jié)合起來,對(duì)輻射方法進(jìn)行改進(jìn),培育出高產(chǎn)、適應(yīng)范圍較廣的、富含有機(jī)鉻、適合糖尿病患者食用的、性狀遺傳穩(wěn)定的黑小麥新種質(zhì)[54],其三價(jià)有機(jī)鉻含量是普通小麥的4倍,對(duì)降低糖尿病人的血糖具有顯著功效。
微量元素科學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)最前沿和最活躍的領(lǐng)域,多學(xué)科、多專業(yè)的協(xié)作研究使微量元素學(xué)取得了很大發(fā)展。從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、資源化、可持續(xù)發(fā)展的角度對(duì)微量活性元素的富集進(jìn)行研究,既對(duì)微量元素學(xué)科本身有顯著的促進(jìn)作用,又能夠與其它學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行多方面交叉研究,為人體營(yíng)養(yǎng)與健康水平的提高做出更大的貢獻(xiàn)。
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Advances in trace elements enrichment
WANG Quan-jie1,2,3,ZHANG Yan1,*
(1.College of Resource and Environment,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China;2.State Leather Technology Research Development Center,Yantai 264005,China;3.Chemistry and Biology College,Yantai 264005,China)
The physiological functions of trace elements and the progress of functionality application were reviewed.The main methods of trace elements enrichment and research progress home and abroad were introduced,and the trace elements enrichment was also genetically discussed.That human nutrition and health should be researched from multidisciplinary,multi-field and multi-angle that was proposed.
trace elements;functions;enrichment;application
TS201.1
A
1002-0306(2011)06-0452-05
2010-05-18 *通訊聯(lián)系人
王全杰(1950-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事清潔化制革生產(chǎn)工藝、皮革化學(xué)品及化工材料的開發(fā)。
煙臺(tái)市科技攻關(guān)項(xiàng)目(2009GGA002009128);陜西科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目。