基于食品大分子結(jié)構(gòu)組裝的載鐵復(fù)合物研究進(jìn)展

徐 凱，姚曉琳,,，劉華兵，姚曉雪，陳曉雨，劉 寧，李 娜

（1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，陜西 西安 710021；3.陜西科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

鐵元素在人體中含量約為0.004%，是人體進(jìn)行生命活動必需的微量元素之一。作為氧和能量代謝所必需的許多蛋白質(zhì)和酶的輔助因子，其在人體代謝過程中發(fā)揮著不可或缺的作用[1]。鐵穩(wěn)態(tài)的破壞與各種人類疾病相關(guān)：由鐵元素獲得或分布缺陷導(dǎo)致的鐵缺乏會引起貧血[2]；由過量的鐵吸收或使用不良引起的鐵過量會導(dǎo)致異常組織鐵沉積，從而引起氧化損傷等[3]。人體利用不同機(jī)制來調(diào)節(jié)生理代謝系統(tǒng)和細(xì)胞水平的鐵穩(wěn)態(tài)，主要利用鐵調(diào)素和鐵調(diào)節(jié)蛋白[4]共同確保機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)平衡。目前鐵元素被認(rèn)為是人類普遍缺乏的營養(yǎng)素之一，經(jīng)世界衛(wèi)生組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全球約1/4人群中均有不同程度的鐵缺乏，缺鐵性貧血是影響全球人口健康的重要問題。據(jù)2019年中國居民營養(yǎng)與健康現(xiàn)狀的調(diào)查分析報告數(shù)據(jù)顯示[5]，鈣、鐵、鋅等微量營養(yǎng)素缺乏癥是我國居民普遍存在的問題，我國城鄉(xiāng)居民貧血的平均患病率約為15.2%，而患貧血癥的人群主要為2 歲以內(nèi)嬰幼兒、60 歲以上老人及育齡婦女，其貧血患病率分別為24.2%、21.5%和20.6%。因此，我國在《國民營養(yǎng)計劃（2017—2030年）》[6]中提出“計劃在2030年之前在降低人群貧血率方面取得明顯進(jìn)步和改善”。

飲食中鐵攝入不足和食物中鐵元素的低利用率是導(dǎo)致鐵缺乏的主要原因，通過鐵補(bǔ)充劑或食品強(qiáng)化的方法增加鐵攝入量是解決該問題的有效方法。當(dāng)前食品工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的食品鐵強(qiáng)化劑為傳統(tǒng)鐵強(qiáng)化劑，但傳統(tǒng)強(qiáng)化劑因溶解性差、異味、促氧化等問題使鐵強(qiáng)化食品易發(fā)生品質(zhì)劣變，且消費者適應(yīng)性低。近年來不斷發(fā)展的大分子螯合鐵和鐵包載微粒有吸收利用度好、副作用少、性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)勢，且其中的大分子物質(zhì)還具有抗氧化、抑菌、免疫調(diào)節(jié)等生物活性[7-9]，受到了廣大科研工作者的青睞，目前研究工作主要集中在載鐵體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。采用食品加工的物理手段調(diào)控食品大分子與鐵離子間的相互作用來定向構(gòu)建鐵復(fù)合物結(jié)構(gòu)，改善鐵離子的感官特性和生物效價，是目前鐵強(qiáng)化劑的研究熱點和發(fā)展趨勢。深入理解鐵復(fù)合物結(jié)構(gòu)與其功能性之間的構(gòu)效關(guān)系對發(fā)展新型復(fù)合鐵強(qiáng)化食品配料技術(shù)具有重要的科學(xué)意義。本文從食品中鐵強(qiáng)化特性、鐵元素的吸收特性、鐵強(qiáng)化劑的發(fā)展歷程等方面進(jìn)行綜述，將重點歸納基于食品大分子結(jié)構(gòu)化組裝構(gòu)建鐵強(qiáng)化劑的原理和優(yōu)勢，對發(fā)展新型復(fù)合鐵強(qiáng)化食品配料技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 食品中鐵強(qiáng)化特性

食品強(qiáng)化是將微量元素加入食物載體以增加營養(yǎng)素在食物中的含量，其生產(chǎn)周期短、成本低、易被大眾接受。由于鐵的可耐受最高攝入量和推薦攝入量較接近，屬于易補(bǔ)充過量的元素[10]。同時，鐵也是食品配方中最難以強(qiáng)化的礦物質(zhì)，其主要的技術(shù)障礙是鐵強(qiáng)化劑與食物載體二者的合理選擇與復(fù)合方式，故在選擇鐵強(qiáng)化食物載體及強(qiáng)化量控制方面都應(yīng)較為慎重。

食物中的無機(jī)鐵鹽被機(jī)體攝入后，在強(qiáng)酸性胃液中被水解成鐵離子，隨食糜一起進(jìn)入十二指腸和小腸待吸收。腸壁細(xì)胞對帶正電荷的鐵離子有一定排斥作用，導(dǎo)致部分鐵離子不僅無法被吸收，還會對腸道產(chǎn)生刺激，引起機(jī)體腸道體系紊亂。不同金屬離子間的拮抗作用也會限制體內(nèi)鐵離子利用率和沉積效率，導(dǎo)致其生物利用度下降。此外，無機(jī)鐵鹽因其帶有結(jié)晶水及其他固有特性，易氧化褐變，作為食品鐵強(qiáng)化劑極不穩(wěn)定。含結(jié)晶水的無機(jī)鐵鹽對食物中維生素有很大的破壞作用，易使維生素氧化降解，因此需要超量添加維生素，從而提高了成本。傳統(tǒng)食品鐵強(qiáng)化劑，如硫酸亞鐵、乙二胺四乙酸鈉鐵等水溶性無機(jī)鐵鹽，易引起食品感官劣變及胃腸道不適，消費者適應(yīng)性差，且在鐵代謝吸收過程中轉(zhuǎn)化效率變化范圍較大，影響其生物利用度[11]。對于焦磷酸鐵和富馬酸亞鐵等難溶性鐵鹽，其性質(zhì)較穩(wěn)定，是目前在食品配方中廣泛應(yīng)用的鐵強(qiáng)化劑，但在液態(tài)食物中不溶或聚集的特性導(dǎo)致其生物利用度很低。

鐵復(fù)合物中的鐵元素以結(jié)合態(tài)存在，較無機(jī)鐵鹽的化學(xué)穩(wěn)定性高，在消化道中大大降低了與金屬離子（Ca2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+、Mn2+等）之間的拮抗作用[12-13]，同時也減少了與植酸、草酸等結(jié)合生成沉淀的機(jī)會，有利于鐵元素吸收，且對消化道無不良刺激。鐵復(fù)合物能減少對食物中易降解成分的破壞，延緩油脂氧化酸敗的發(fā)生[14]，是目前鐵強(qiáng)化劑的研究熱點和發(fā)展趨勢，鐵復(fù)合物將成為一種新型的復(fù)合鐵強(qiáng)化食品配料。

2 鐵元素的吸收特性

2.1 鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制

鐵元素在生命活動中是必不可少的，但其易得失電子的能力會促進(jìn)高活性氧的產(chǎn)生，損傷組成生物體的基本生物大分子（如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等）。鐵穩(wěn)態(tài)是由復(fù)雜的鐵吸收過程來維持，包括十二指腸的鐵吸收、巨噬細(xì)胞參與的鐵循環(huán)、肝臟中的鐵儲存等[15-16]。激素Hepcidin可通過抑制鐵吸收和體細(xì)胞中的鐵活性對機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[17]。Hepcidin通過與卟啉鐵結(jié)合并誘導(dǎo)其降解，從而抑制靶細(xì)胞（肝細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和腸細(xì)胞）中鐵的釋放。圖1主要描繪了鐵元素在十二指腸上皮細(xì)胞的吸收機(jī)制，可溶的Fe2+直接通過二價金屬轉(zhuǎn)運蛋白-1（divalent metal transporter-1，DMT-1）轉(zhuǎn)運到腸細(xì)胞；而Fe3+首先與黏蛋白結(jié)合，隨后與β3-整合素和鐵蛋白相互作用，穿過管腔膜并被內(nèi)化后與黃素單加氧酶（flavin monooxygenase，F(xiàn)lavin-Mo）和β2-微球蛋白（β2-microglobulin，β2-m）結(jié)合形成鐵蛋白復(fù)合物，其中Fe3+被還原為Fe2+，最終可以通過DMT-1輸出到胞漿中。

2.2 鐵吸收機(jī)制

攝入人體的鐵離子以兩種形式存在：非血紅素鐵和血紅素鐵。非血紅素鐵可來源于蠶豆、菠菜等動植物食品，而血紅素鐵僅由豬肝、牛肉等動物類食品提供。鐵元素吸收主要發(fā)生在十二指腸，但不同存在形式的鐵其吸收機(jī)制也不同。

2.2.1 非血紅素鐵的吸收機(jī)制

圖2 非血紅素鐵的吸收途徑Fig.2 Absorption pathway of non-heme iron

非血紅素鐵復(fù)合物被人體攝入后，由于胃蛋白酶和消化酶作用，其在胃液中被水解為鐵離子，以離子形式進(jìn)入腸道并在十二指腸部位被吸收（圖2）。非血紅素鐵在腸道的吸收機(jī)制為：先利用抗壞血酸、氨基酸或Cybrd1等還原物質(zhì)促進(jìn)鐵離子還原成Fe2+，F(xiàn)e2+由DMT-1轉(zhuǎn)運攝取進(jìn)入微絨毛膜上皮細(xì)胞。根據(jù)機(jī)體對鐵元素的需求，可將鐵分為直接吸收鐵與儲備鐵兩種形式：直接吸收鐵是指Fe2+在基底膜處的膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白輔助蛋白和銅藍(lán)蛋白作用下形成Fe3+[19]，以膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白為載體由上皮細(xì)胞釋放進(jìn)入血液循環(huán)并轉(zhuǎn)運；儲備鐵是指進(jìn)入細(xì)胞的Fe2+與蛋白結(jié)合，形成穩(wěn)定鐵蛋白儲存在機(jī)體內(nèi)。

2.2.2 血紅素鐵的吸收機(jī)制

血紅素鐵的吸收幾乎不受飲食因素的影響，且大部分是以鐵復(fù)合物完整分子形式被吸收。其原因是在十二指腸上皮細(xì)胞的刷狀邊緣處存在HCP-1，其比血紅素對葉酸的親和力更高。一旦進(jìn)入消化系統(tǒng)，血紅素鐵即被血氧合酶在細(xì)胞內(nèi)釋放，遵循與非血紅素鐵相同的吸收途徑。研究表明，血紅素鐵將通過卟啉輸出蛋白導(dǎo)出到血漿中，以血凝素形式捕獲和遞送，這種涉及血紅素復(fù)合物CD91受體的機(jī)制可能是次要途徑[20]。

圖3 血紅素鐵的吸收途徑Fig.3 Absorption pathway of heme iron

3 傳統(tǒng)鐵強(qiáng)化劑

我國許可使用的鐵強(qiáng)化劑有十幾種，通常為非血紅素鐵強(qiáng)化劑，常用的鐵強(qiáng)化劑及其特性見表1。鐵強(qiáng)化劑的相對生物利用度通常以硫酸亞鐵為基準(zhǔn)，不僅與鐵強(qiáng)化劑中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)，與溶解性也有密切關(guān)系。一般來說，水溶性鐵強(qiáng)化劑的相對生物利用度最高，但對食物基質(zhì)的影響也較大，胃腸刺激性較明顯。稀酸可溶性鐵強(qiáng)化劑不溶于水而溶于稀酸，不易引起食品色澤和口味改變，但其在胃酸中的溶解度不穩(wěn)定，導(dǎo)致其吸收率波動范圍大。

表1 常用的鐵強(qiáng)化劑及其特性Table 1 Characteristics of traditional iron fortifiers

3.1 第一代鐵強(qiáng)化劑

第一代鐵強(qiáng)化劑是以硫酸亞鐵、焦磷酸鐵為代表的無機(jī)鐵鹽類。該類鐵強(qiáng)化劑鐵相對含量高，價格低，但性質(zhì)極不穩(wěn)定，易使食品基質(zhì)中的脂質(zhì)、維生素等敏感成分氧化降解，造成食品變質(zhì)、變色等不良影響；具有濃重鐵腥味，胃腸刺激強(qiáng)烈；生物利用度低，穩(wěn)定性差，在鐵代謝吸收過程中轉(zhuǎn)化效率變化范圍較大。硫酸亞鐵的生物利用度常被作為鐵強(qiáng)化劑的參考基準(zhǔn)，但其氧化程度取決于環(huán)境條件，易造成人體胃腸不適。此外，其高氧化還原反應(yīng)活性可能會對其他食品成分造成不良影響，如與植酸鹽、草酸多酚和四氫呋喃等化合物形成不溶性復(fù)合物，轉(zhuǎn)化為血紅蛋白的效率可從33%變化到80%[30]。

3.2 第二代鐵強(qiáng)化劑

第二代鐵強(qiáng)化劑即小分子有機(jī)酸鹽類，包括乳酸亞鐵、檸檬酸亞鐵、富馬酸亞鐵、琥珀酸亞鐵等。與第一代鐵強(qiáng)化劑相比，此類鐵強(qiáng)化劑可避免鐵離子在胃中瞬間濃度過大，對胃腸的剌激作用降低，且其與食品基質(zhì)不易發(fā)生反應(yīng)。但亞鐵鹽性質(zhì)不穩(wěn)定，存在鐵腥味和易使食品變色等問題，生產(chǎn)與貯存難度大[31]。并且有證據(jù)表明第一代和第二代鐵強(qiáng)化劑在體內(nèi)可產(chǎn)生大量游離亞鐵離子，易通過Fenton反應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)源性羥自由基，可能導(dǎo)致由細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化而造成細(xì)胞膜損傷[32]。目前研究表明，富馬酸亞鐵和琥珀酸亞鐵對谷物產(chǎn)品的儲存影響較小，被推薦用來強(qiáng)化嬰幼兒谷物類食品，但富馬酸亞鐵作為鐵補(bǔ)充劑直接被嬰幼兒攝入時，其吸收率僅為硫酸亞鐵的30%左右，原因可能是富馬酸亞鐵水溶性差且易溶于稀酸，而嬰幼兒胃酸分泌不足，會導(dǎo)致富馬酸亞鐵溶出緩慢。

4 基于大分子結(jié)構(gòu)組裝的新型鐵復(fù)合物

以大分子螯合鐵為代表的鐵復(fù)合物是一類有發(fā)展前景的新型鐵強(qiáng)化劑，其研究和應(yīng)用均取得了一定成果。氨基酸鐵、多肽鐵、多糖鐵、蛋白鐵等是目前鐵復(fù)合物存在的主要形式，主要由從天然動植物、微生物中提取的具有生物活性的氨基酸、多肽、多糖、蛋白等經(jīng)進(jìn)一步分離純化后與鐵離子經(jīng)化學(xué)反應(yīng)絡(luò)合而成，即所謂第三代鐵強(qiáng)化劑。研究表明，氨基酸或肽鏈中的氨基酸單元通過氨基、羰基以共價鍵與鐵離子形成穩(wěn)定的環(huán)狀氨基酸螯合鐵或多肽鐵[33]。多糖表面的羥基、羰基等給電子基團(tuán)作為配基與鐵核絡(luò)合形成穩(wěn)定的多糖鐵配合物[34]。鐵復(fù)合物中的鐵以結(jié)合態(tài)存在，在消化道中減弱了各類礦物質(zhì)離子之間的拮抗作用，同時也降低了與植酸、草酸、纖維素等結(jié)合的幾率，減少了胃腸刺激。同時，鐵復(fù)合物較無機(jī)鐵鹽的化學(xué)穩(wěn)定性高，可減少其對食品基質(zhì)中營養(yǎng)素的破壞和由此引發(fā)的品質(zhì)劣變。鐵復(fù)合物與無機(jī)鐵鹽的根本差異在于無機(jī)鹽中的鐵離子與酸根離子之間僅通過離子鍵連接，而鐵復(fù)合物則是鐵離子與給電子體的多糖或蛋白間形成配位鍵，同時與給電子體的羧基構(gòu)成離子鍵，從而形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)[35]。鐵復(fù)合物分子趨向電中性，具有適中的穩(wěn)定常數(shù)，且由于其特殊結(jié)構(gòu)能夠有效保護(hù)其在胃腸道中穩(wěn)定，阻止了植酸、磷酸根等與鐵離子的結(jié)合，防止了其在消化道中出現(xiàn)不溶性沉淀吸附。在體內(nèi)，鐵復(fù)合物可直接在小腸內(nèi)吸收，避免了通過離子吸收通道運轉(zhuǎn)時與其他礦物元素的競爭拮抗。此外，鐵復(fù)合物減輕了鐵離子參與的氧化還原反應(yīng)，降低了對食品中維生素、脂質(zhì)等敏感成分的破壞，從而減少了營養(yǎng)物質(zhì)的損失。

4.1 氨基酸鐵

近年來，人們普遍關(guān)注用于制備鐵補(bǔ)充劑的氨基酸如甘氨酸、蘇氨酸等，可提高鐵的生物利用度。氨基酸與可溶性亞鐵鹽按一定物質(zhì)的量比例反應(yīng)所制備的氨基酸-鐵螯合物被稱為氨基酸鐵，具有由氨基酸的氨基和羧基與亞鐵離子形成的五元或六元“環(huán)狀結(jié)構(gòu)”。甘氨酸是最簡單的非必需氨基酸，可與多種金屬離子（Mn2+、Co2+、Zn2+等）形成螯合環(huán)。該復(fù)合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有良好生物利用度，如鐵或鋅離子的甘氨酸螯合物。甘氨酸螯合亞鐵離子的化學(xué)過程見圖4，甘氨酸的羧基和氨基與亞鐵離子結(jié)合可形成穩(wěn)定螯合物。碰撞理論表明，溫度的升高可顯著加速分子熱運動并增加活化分子數(shù)量，從而提高化學(xué)反應(yīng)速率。目前，有機(jī)鐵螯合物常通過長時熱反應(yīng)獲得，需精確控制反應(yīng)條件（濃度、溫度、pH值、反應(yīng)時間等）將反應(yīng)底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。研究表明，采用脈沖電場可促進(jìn)螯合反應(yīng)發(fā)生：一方面，脈沖電場可通過電離水分子產(chǎn)生氫離子和羥基，與氨基酸相互作用來增加氨基酸分子中氨基和羧基的電負(fù)性，從而促進(jìn)氨基酸與亞鐵離子結(jié)合的能力；另一方面，脈沖電場可促進(jìn)萃取和脫水過程中的化合物擴(kuò)散，增加氨基酸分子與亞鐵離子間的碰撞幾率，加速螯合反應(yīng)[36]。

圖4 甘氨酸與Fe2＋的螯合過程[36]Fig.4 Chelation process of glycine and Fe2+[36]

4.2 多肽鐵

多肽鐵螯合物是一種以蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物多肽為原料，與鐵離子絡(luò)合形成的具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物，它是由鐵離子按一定物質(zhì)的量比例通過共價鍵與肽類結(jié)合而成。多肽的結(jié)構(gòu)特征，包括分子質(zhì)量、氨基酸組成和排列方式等是決定其鐵螯合活性的主要因素。鐵螯合肽來源于各種蛋白質(zhì)，其分子質(zhì)量分布在300～1 500 Da之間，該分子質(zhì)量范圍內(nèi)的肽通常對鐵離子具有較高親和力。研究表明，肽序列中的精氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、組氨酸、甲硫氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸等的活性基團(tuán)在鐵螯合肽中起重要作用，其共同點在于精氨酸殘基的羧基端參與了絡(luò)合作用[37]。如今，關(guān)于提高鐵螯合肽的生物利用度的方法研究越來越受重視，通過研究多肽對鐵吸收和轉(zhuǎn)運的分子機(jī)制來分析影響鐵螯合肽的生物利用度。隨著與鐵具有高親和力的多肽不斷被發(fā)現(xiàn)，鐵螯合物的構(gòu)效關(guān)系獲得了較多關(guān)注。鐵螯合肽的結(jié)構(gòu)特征對螯合活性和結(jié)合方式有重要影響，包括肽鏈上結(jié)合位點的位置、立體化學(xué)結(jié)構(gòu)、動態(tài)過程等。鐵螯合肽的來源及構(gòu)效關(guān)系見表2。

表2 不同鐵螯合肽來源及構(gòu)效關(guān)系Table 2 Sources and structure-activity relationship of different iron-chelating peptides

4.3 多糖鐵

目前多糖鐵復(fù)合物的研究大多集中在三價鐵離子絡(luò)合物，多糖鐵復(fù)合物的結(jié)構(gòu)決定了鐵離子包載形式，而鐵離子在體系中的存在形式對其感官性、穩(wěn)定性和生物利用度影響顯著。以天然多糖配體制備的多糖鐵復(fù)合物（如茶多糖鐵、當(dāng)歸多糖鐵、木耳多糖鐵等）具有高水溶性、對胃腸黏膜刺激小、吸收率與硫酸亞鐵相當(dāng)、在十二指腸被吸收且呈穩(wěn)定的可溶狀態(tài)等優(yōu)點。多糖鐵被體內(nèi)還原性物質(zhì)如VC等還原成亞鐵離子被吸收利用，臨床療效顯著，不良反應(yīng)少[44-46]。多糖可通過離子交換、吸附和螯合作用與鐵離子結(jié)合。Fe3+在多糖重復(fù)的聚合單元中具有很高結(jié)合率，并誘導(dǎo)多糖主鏈發(fā)生卷曲。在水相中鐵氧化顆粒可在海藻酸鈉鏈表面成核生長。海藻酸鹽的分子骨架受構(gòu)象限制，會導(dǎo)致鐵圍繞分子鏈成核聚集。Sreeram等認(rèn)為是Fe3+連接在海藻酸鈉結(jié)合位點上，在海藻酸鈉骨架上形成空間分離的鐵離子中心，而不是FeOOH沉淀覆蓋在骨架上[47]。Nesterova等采用無定型水合氧化鐵和聚乙烯醇、聚丙烯酸、海藻酸鈉等高分子合成了具有超順磁性的三價鐵復(fù)合物，顯著影響了三價鐵的穩(wěn)定性及其水解產(chǎn)物形式[48]。多糖鐵復(fù)合物被廣泛報道是以三價鐵離子通過氧橋和羥基橋聚合形成的β-FeOOH聚合鐵核為結(jié)構(gòu)中心，多糖末端羧基通過共價鍵包圍環(huán)繞在鐵核表面形成的復(fù)合物[47]。多糖配體可保持β-FeOOH聚合鐵核表面的親水性，從而防止其產(chǎn)生聚集和沉淀[49]。多糖與Fe3+形成復(fù)合物的結(jié)構(gòu)存在如下假設(shè)：Fe3+通過糖基結(jié)合位點沿著多糖聚合物骨架形成空間分離的Fe3+中心（位點結(jié)合模型）[50-52]；FeOOH沉淀和多糖之間的非特異性相互作用被認(rèn)為是形成高水溶性鐵氫氧化物的主要原因（膠體模型）[53-54]。上述兩種結(jié)合機(jī)制中，多糖供體作為鐵離子成核作用位點，通過氫氧化物架橋作用與鐵離子結(jié)合并原位組裝形成形態(tài)各異的納米結(jié)構(gòu)，其形狀與尺寸取決于多糖種類和性質(zhì)[55]。多糖鐵復(fù)合物呈現(xiàn)出與高生物效價的天然鐵貯存蛋白相似的結(jié)構(gòu)特性，由此可理解多糖鐵復(fù)合物呈現(xiàn)出的良好補(bǔ)鐵效果[56]。

4.4 蛋白鐵

Bolisetty等研究表明，酸性條件下帶正電的β-乳球蛋白與帶負(fù)電的Fe3O4磁性納米?？尚纬伸o電復(fù)合物，在不同pH值下熱誘導(dǎo)形成不同形貌聚集體，如纖維狀（pH 3.0）、球狀（pH 4.5），該蛋白鐵復(fù)合物在磁場作用下呈現(xiàn)出有序排列和溶膠-凝膠間的可逆轉(zhuǎn)變[57]（圖5）。β-乳球蛋白在pH 2.0、90 ℃作用5 h后生成的β-乳球蛋白纖維與Fe3+發(fā)生靜電結(jié)合，F(xiàn)e3+在蛋白纖維上聚集并原位還原形成亞鐵離子納米顆粒（圖6），呈現(xiàn)出良好的水分散性。在模擬胃腸液消化中可快速釋放鐵離子，在Caco-2腸上皮細(xì)胞和動物實驗中顯示出具有與硫酸亞鐵相近的血紅蛋白轉(zhuǎn)化量，呈現(xiàn)高生物利用度和生物安全性，且對食品感官影響較小[58]。

圖5 β-乳球蛋白與Fe3O4在不同pH值和熱力誘導(dǎo)下形成的蛋白鐵復(fù)合物[57]Fig.5 Protein-iron complex formed by β-lactoglobulin and Fe3O4 under different pH and thermal induction[57]

圖6 β-乳球蛋白與FeCl3形成纖維狀蛋白鐵復(fù)合物示意圖[58]Fig.6 Fibrin-iron complex formed between β-lactoglobulin and FeCl[58]3

5 鐵包載微粒

盡管鐵復(fù)合物在防治缺鐵癥時更高效、更利于人體吸收，但也有學(xué)者認(rèn)為其與無機(jī)鐵鹽相比并未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。主要原因在于鐵螯合物制備工藝的復(fù)雜性導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)良莠不齊、螯合態(tài)在胃腸道環(huán)境中易解離成無機(jī)離子、貯存期易與食品組分發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定等。以氨基酸螯合鐵為例，Mayumi Mimura等研究發(fā)現(xiàn)在治療胃切除病人缺鐵性貧血時，甘氨酸螯合鐵并不比硫酸亞鐵產(chǎn)生更好的治療效果[59]。Fox等研究認(rèn)為胃部強(qiáng)酸性環(huán)境使得甘氨酸螯合鐵在胃腸道中全部或部分解離為無機(jī)態(tài)，導(dǎo)致鐵的生物利用度未得到提高[60]。氨基酸螯合鐵僅在螯合態(tài)才能發(fā)揮效果，螯合率越高，生物學(xué)效價也越高；而在胃液等強(qiáng)酸環(huán)境下，氨基酸螯合鐵會被解離成無機(jī)鐵鹽，降低了吸收率和生物利用度。因此，不少學(xué)者采用物理手段將無機(jī)鐵鹽進(jìn)行包埋，構(gòu)建如脂質(zhì)體、固體脂質(zhì)微粒、凝膠微粒等鐵包載體系，以降低鐵離子與外界的接觸機(jī)率和減輕胃腸道刺激，提高鐵離子的生物利用度[61-63]。研究表明，鐵包載體系被證實具有很好的代謝動力學(xué)和組織分布特性。鐵包載微粒的結(jié)構(gòu)決定了鐵離子的存在形式，鐵離子存在形式對其感官特性、穩(wěn)定性和生物利用度有顯著影響，同樣是提高鐵強(qiáng)化劑穩(wěn)定性和生物利用度的重要途徑。

5.1 脂質(zhì)體

脂質(zhì)體是由一層或多層包裹著水核心的磷脂雙層組成的球形顆粒（尺寸為20 nm～2 μm）。脂質(zhì)體固有的親脂性可以促進(jìn)顆粒在小腸細(xì)胞的雙分子脂質(zhì)膜上轉(zhuǎn)運，其還具有生物黏附特性，易黏附在胃腸道上從而增加細(xì)胞攝取的可能性。一些研究表明，脂類化合物能提高腸道藥物的生物利用度，通過減少外排轉(zhuǎn)運蛋白，如位于根尖腸黏膜上的p-糖蛋白[64]，從而改變胃腸道屏障功能的通透性。脂質(zhì)體在體內(nèi)容易被吸收和降解，提高其吸收效率可以改善被封裝的保健食品化合物的生物利用度、穩(wěn)定性、持續(xù)釋放能力和細(xì)胞抗氧化活性。Xia Shuqin等發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)體可有效包埋硫酸亞鐵，其鐵元素的生物利用度與硫酸亞鐵接近，但脂質(zhì)體外層磷脂膜可將鐵與胃腸道中的其他成分隔離，降低了亞鐵離子的反應(yīng)活性[65]。Yuan Li等發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)體對檸檬酸鐵和血紅素鐵的包封率分別為35%和36%，通過膜融合或膜擴(kuò)散很容易進(jìn)入體內(nèi)，血清鐵水平明顯提高，對治療貧血導(dǎo)致的炎癥效果較好[66]。Fathy等成功制備了含有VE和氧化鐵磁性納米顆粒的脂質(zhì)體，其在治療缺鐵性貧血方面比氧化鐵磁性納米顆粒和FeSO4更高效，可使血紅素含量、紅細(xì)胞值和白細(xì)胞值升至正常水平[67]。由此可知，脂質(zhì)體作為載體包封可明顯提高鐵的生物利用度，增強(qiáng)生物相容性，降低對重要器官（肝、脾、腎）的毒性[67]。Wang Shan等采用膜法超聲制備了具有良好緩釋性能的檸檬酸鐵脂質(zhì)體（ferric citrate liposome，F(xiàn)AC-Lip），F(xiàn)AC-Lip雖然能有效地增加小鼠體內(nèi)的鐵含量，顯著減輕貧血癥狀，但FAC-Lip是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，在貯存過程中易聚集[68]。同時，磷脂中含有的不飽和鍵易水解和氧化，導(dǎo)致藥物泄漏和降解，嚴(yán)重限制了其在藥品和食品中的應(yīng)用。FAC-Lip在模擬胃腸液中的釋放機(jī)制符合兩相動力學(xué)模型，屬于非菲克擴(kuò)散，表明FAC-Lip的體外釋放主要受藥物擴(kuò)散機(jī)制影響；而FAC釋放機(jī)制屬菲克擴(kuò)散，表明用脂質(zhì)體包裹FAC后，藥物釋放機(jī)制發(fā)生顯著變化[68]。

5.2 固體脂質(zhì)微粒

固體脂質(zhì)微粒由脂質(zhì)化合物（三酰甘油、脂肪酸、類固醇、蠟和油）和表面活性劑組成，按其組成方式可大致分為3 種類型：1）固體脂質(zhì)顆粒I型。其為齊次矩陣模型，活性藥物成分（active pharmaceutical ingredient，API）呈分子狀分散在脂質(zhì)核中或以非晶態(tài)團(tuán)簇的形式存在，該模型是由脂質(zhì)和其熔點之上的API通過冷高壓均質(zhì)技術(shù)形成，具有可控釋放特性。2）固體脂質(zhì)顆粒II型。其為API富集殼型，在均質(zhì)納米乳冷卻過程中脂質(zhì)相先析出，API在剩余熔融脂質(zhì)中的濃度穩(wěn)步增加。當(dāng)API在剩余熔融脂質(zhì)中達(dá)到飽和溶解度時，形成無API脂核，含有API的脂質(zhì)外殼將在含有少量API脂核的周圍凝固。該模型不適用于API的緩釋，可用于突釋。3）固體脂質(zhì)顆粒III型。其為API強(qiáng)化核心模型，該模型是在API濃度接近或達(dá)到飽和的熔融脂質(zhì)中形成。在納米乳液冷卻過程中，API溶解度會降低。當(dāng)溶液中的API呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)時，就會被幾乎不含API的脂質(zhì)外殼覆蓋，API因被固定在脂質(zhì)核心中，故可用于實現(xiàn)API的緩釋。采用固體脂質(zhì)顆粒包載硫酸亞鐵，保留了傳統(tǒng)脂質(zhì)體的高吸收率和生物相容性，但固體脂質(zhì)顆粒比脂質(zhì)體穩(wěn)定性更好，既可有效防止亞鐵離子直接暴露于胃腸道，保護(hù)亞鐵離子與其他食品組分相互作用，又呈現(xiàn)出一定的胃腸緩釋特性，以此降低鐵添加量，最大限度地減少傳統(tǒng)食品鐵強(qiáng)化劑的副作用，作為鐵元素遞送體系具有很好的代謝動力學(xué)和組織分布特性[69]。Vasta等制備了硬脂酸/殼聚糖/鐵固體脂質(zhì)顆粒，采用Caco-2細(xì)胞內(nèi)鐵蛋白形成速率評價鐵離子的生物吸收率，發(fā)現(xiàn)Caco-2細(xì)胞內(nèi)鐵蛋白生成量比硫酸亞鐵高24.9%，且在十二指腸上皮細(xì)胞頂端表面包覆有凈負(fù)電荷的多糖蛋白復(fù)合物層[70]，這是由于殼聚糖中氨基基團(tuán)帶正電，通過靜電作用黏附在細(xì)胞表面而使吸收率增加[71]。

5.3 凝膠微粒

凝膠微粒的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其既具有軟固體的剛性，又具有對小分子/離子的滲透性，可用于微量營養(yǎng)素或功效成分的緩釋。Xia Shuqin等采用離子凝膠法制備了包載硫酸亞鐵的海藻酸鈣納米微球，有效提高了硫酸亞鐵的生物利用度及感官穩(wěn)定性[72]。Yao Xiaoxue等研究發(fā)現(xiàn)沙蒿多糖與鐵離子間存在特異性結(jié)合，可形成網(wǎng)絡(luò)狀凝膠，其凝膠結(jié)構(gòu)的形成可能是由于沙蒿多糖與Fe3+通過配位鍵絡(luò)合。鐵離子與沙蒿多糖中富含糖醛酸基團(tuán)的大分子組分——60P中的羧基和羥基發(fā)生交聯(lián)，可能發(fā)生兩種結(jié)合方式（橋聯(lián)和單齒結(jié)合）（圖7A），其結(jié)合化學(xué)計量比例約為2.5[73]。沙蒿多糖-Fe3+復(fù)合水凝膠作為一種新型鐵強(qiáng)化劑將在食品工業(yè)中有巨大的應(yīng)用潛力[73]。Shu Meng等發(fā)現(xiàn)λ-卡拉膠分子中的3 個硫酸根可與Fe3+發(fā)生特異性結(jié)合而形成弱凝膠，由此制備了λ-卡拉膠-Fe3+新型納米凝膠微球，采用玉米醇溶蛋白表面疏水化修飾可有效提高凝膠微球的物理穩(wěn)定性，降低其在模擬胃腸液中的釋放率[74]。這主要是由于致密而疏水的玉米醇溶蛋白表面可有效延緩λ-卡拉膠-Fe3+凝膠微球在強(qiáng)酸性胃液中的解離，緩解鐵離子的胃腸刺激。此外，殼聚糖通過與Fe3+結(jié)合形成鐵殼聚糖配合物，載鐵率高，對脂質(zhì)氧化程度小，且對食品感官無不良影響（圖7B）[74]。

圖7 沙蒿多糖-Fe3＋復(fù)合水凝膠形成模型（A）和鐵殼聚糖配合物結(jié)構(gòu)（B）示意圖Fig.7 Formation model of Artemisia sphaerocephala Krasch polysaccharide-Fe3+ composite hydrogel (A) and structural formula of iron-chitosan complex (B)

6 結(jié) 語

基于食品大分子結(jié)構(gòu)化組裝構(gòu)建載鐵膠體微結(jié)構(gòu)，在改善鐵離子異味、不穩(wěn)定、胃腸刺激、吸收率低等方面均呈現(xiàn)較大潛力，將作為傳統(tǒng)鐵強(qiáng)化劑的替代品。本文立足于傳統(tǒng)食品鐵強(qiáng)化劑在食品配方應(yīng)用中存在的難題，對近年來在鐵強(qiáng)化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究進(jìn)行了綜述，闡明了不同鐵復(fù)合物的構(gòu)建機(jī)制，聚焦鐵復(fù)合物結(jié)構(gòu)對其感官穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性及生物利用度的影響。大分子螯合鐵和鐵包載微粒是目前鐵強(qiáng)化劑的重要發(fā)展方向，旨在構(gòu)建感官穩(wěn)定性好、生物利用度高的載鐵復(fù)合物。大分子螯合鐵可掩蔽鐵腥味，但其仍可能導(dǎo)致食物品質(zhì)劣變。鐵包載微粒雖可減少鐵離子與食物基質(zhì)的相互作用，生物利用度高、穩(wěn)定性好，但其生產(chǎn)工藝復(fù)雜且成本較高。因此，在進(jìn)行鐵強(qiáng)化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需深入了解食品基質(zhì)特點、食品加工方法等因素，并結(jié)合載鐵復(fù)合物在體內(nèi)的消化動力學(xué)特性，為構(gòu)建新型載鐵復(fù)合物提供理論依據(jù)。