第二十章矿物质及其营养功能 第一节矿物质营养元素的分类及其存在形式 、矿物质营养元素的分类 构成生物体的元素已知有50多种,除去C、H、O、N四种构成水分和有机物质的元素以外,其他元 素统称为矿物质成分。标准人体的化学组成如表20-。其他元素还有锗、钨、硒、溴、汞、硅、氟等也被 发现在各种生物体中。在人和动物体内,矿物质总量不超过体重的4%~5%,但却是人和动物体不可缺少 的成分。 表20-1标准人体的化学组成 元素 人体内含量 元素 人体内含量 65.0 45500 <14×10-4 12600 <1.3×10-4 <0.09 100 7000 3.0 2100 1.5 碳氢氮钙磷硫钾钠氯镁铁锌铷锶铜铝铅锡碘镉锰 砷锑镧铌钛镍硼铬钌 7×10-5 <7×10→ <005 <14×l <0.01 2.5×10 <14×10-5 2×10 8.6×10 0.006 15×10 <8.6×10 15×10 <8.6×10 <0.006 <86×10-5 5.7×10-3 <70×10 <0.005 3.3×10- <4.3×10 1.7×10 <3×10 <0.002 2×10 0.14 <14×10 <0.001 1.4×10 0.1 铊锆钼钴铍金银锂铋钒铀铯镓 <14×10-6 0.001 14×10-4 <1.3×10-6<9×10 1.1×10-4 0.08 <43×10-7<3×10-4 43×10-5 0.03 <14×10-7 4.3×10- 0.03 3×10-8 2×10 4.3×10-3 0.03 <14×10-8 0.02 <3×10-8 <2×10-6 2.3×10 0.016 14×10-1310-10 注:①转引自铃本庄亮:保健科学,1971,(3):155: ②人体内含量以体重x0kg计 从食物与营养的角度,一般把矿物质元素分为必需元素、非必需元素和有毒元素三类 必需元素是指这种元素在一切机体的所有健康组织中都存在,并且含量浓度比较恒定,缺乏时所 发生的组织上和生理上的异常,在补给这种元素后可以恢复正常,或可防止这种异常发生。但这种区分是 有条件的,所有的必需元素在摄取过量后都会有毒。 微量元素在生物体内已经发现的几十种元素中,含量在001%以上者称为大量元素或常量元素,低 于此限者称为微量元素或痕量元素。这些微量元素中有些可能的确是必需的(在一定范围内),有些则可能 333
333 第二十章 矿物质及其营养功能 第一节 矿物质营养元素的分类及其存在形式 一、矿物质营养元素的分类 构成生物体的元素已知有 50 多种，除去 C、H、O、N 四种构成水分和有机物质的元素以外，其他元 素统称为矿物质成分。标准人体的化学组成如表 20-l。其他元素还有锗、钨、硒、溴、汞、硅、氟等也被 发现在各种生物体中。在人和动物体内，矿物质总量不超过体重的 4%～5%，但却是人和动物体不可缺少 的成分。 表 20-1 标准人体的化学组成 人体内含量 人体内含量 元素 (%) (g) 元素 (%) (g) 氧 碳 氢 氮 钙 磷 硫 钾 钠 氯 镁 铁 锌 铷 锶 铜 铝 铅 锡 碘 镉 锰 钡 65.0 18.0 10.0 3.0 1.5 1.0 2.5×10＿1 2×10＿1 1.5×10＿1 1.5×10＿1 5×10＿2 5.7×10＿3 3.3×10＿3 1.7×10＿3 2×10＿4 1.4×10＿4 1.4×10＿4 1.1×10＿4 4.3×10＿5 4.3×10＿5 4.3×10＿5 3×10＿5 2.3×10＿5 45 500 12 600 7 000 2 100 1 050 700 175 140 105 105 35 4 2.3 1.2 0.14 0.1 0.1 0.08 0.03 0.03 0.03 0.02 0.016 砷 锑 镧 铌 钛 镍 硼 铬 钌 铊 锆 钼 钴 铍 金 银 锂 铋 钒 铀 铯 镓 镭 <1.4×10＿4 <1.3×10＿4 <7×10＿5 <7×10＿5 <2.1×10＿5 <1.4×10＿5 <1.4×10＿5 <8.6×10＿6 <8.6×10＿6 <8.6×10＿6 <8.6×10＿6 <7.0×10＿6 <4.3×10＿6 <3×10＿6 <1.4×10＿6 <1.4×10＿6 <1.3×10＿6 <4.3×10＿7 <1.4×10＿7 3×10＿8 <1.4×10＿8 <3×10＿8 1.4×10＿13 <0.1 <0.09 <0.05 <0.05 <0.015 <0.01 <0.01 <0.006 <0.006 <0.006 <0.006 <0.005 <0.003 <0.002 <0.001 <0.001 <9×10＿4 <3×10＿4 <10＿4 2×10＿5 <10＿5 <2×10＿6 10＿10 注：①转引自铃本庄亮：保健の科学，1971，(3)：155； ②人体内含量以体重 70kg 计。 从食物与营养的角度，一般把矿物质元素分为必需元素、非必需元素和有毒元素三类。 必需元素 是指这种元素在一切机体的所有健康组织中都存在，并且含量浓度比较恒定，缺乏时所 发生的组织上和生理上的异常，在补给这种元素后可以恢复正常，或可防止这种异常发生。但这种区分是 有条件的，所有的必需元素在摄取过量后都会有毒。 微量元素 在生物体内已经发现的几十种元素中，含量在 0.01%以上者称为大量元素或常量元素，低 于此限者称为微量元素或痕量元素。这些微量元素中有些可能的确是必需的(在一定范围内)，有些则可能
是通过食物和呼吸偶然地进入体内的,目前已知有14种是人和动物的营养所必需,即Fe、Zn、Cu、I、 Mn、Mo、Co、Se、Cr、Ni、Se、Si、F、V。 二、矿物质的存在形式 矿物质元素除了少量参与有机物的组成(如S、P)外,大多数以无机盐形式存在,尤其是一价元素都成 为可溶性盐,大部分解离成离子的形式。而多价元素则以离子、不溶性盐和胶体溶液形成动态平衡的形式 存在。 金属离子多以螯合物形式存在于食品中。螯合物形成的特点是:配位体至少提供两个配位原子与中心 金属离子形成配位键。配位体与中心金属离子多形成环状结构。在螯合物中常见的配位原子是O、S、N、 P等原子。影响螯合物稳定的因素很多,如配位原子的碱性大小、金属离子电负性以及pH等。一般来说 配位原子的碱性愈大,形成的螯合物愈稳定。但是螯合物的稳定性随着pH值减小而降低。在金属离子中 尤其是过渡金属容易形成螯合物。在食品中常见的环状螯合物有下列几种结构: O=C-0 C-0 草酸螯合物 磷酸螯合物-氨基酸螯合物 聚磷酸螯合物 其中六元环螯合物的例子除ATP、ADP等聚磷酸化合物外,还有叶绿素、血红素、维生素B2和钙酪蛋 白等 三、食品中的矿物质 (-)乳品中的矿物质 乳品中矿物质含量受来源、饲料等因素的影响。牛乳中,以K、Ca、Cl、P、Na和Mg等元素含量高。 乳中钾的含量比钠高3倍,均以可溶状态存在。钙、镁则与酪蛋白、磷酸和柠檬酸结合,一部分呈胶体状 态,一部分呈溶解状态存在。乳品在加工过程中,如热处理和蒸发都能改变盐的平衡而影响蛋白质的稳定 性。当乳加热后,钙和磷从可溶态改变为胶体态;当pH降低至52时,乳中所有的钙和磷又以胶体状态 变为可溶态。 (二)肉类中的矿物质 肉类中矿物质的含量一般为0.8%~1.2%。肉中常量元素以钠、钾和磷的含量较高,微量元素中铁的 含量较多。因此,肉类是饮食中磷和铁的重要来源 肉类中的矿物质一部分以无机盐呈可溶性状态存在,另一部分则与蛋白质结合而呈不溶性状态存在。 在肉类组织中,离子平衡对肉类的持水性起重要作用。 (三)植物产品中的矿物质 植物中矿物元素除极少部分以无机盐形式存在外,大部分都与植物中的有机化合物相结合而存在,或 者本身就是有机物的化学组成。如粮食中含量较高的矿物元素磷,是磷酸糖类、磷脂、核蛋白、辅酶、核 苷酸以及植酸盐等化合物中的一部分。 植酸盐是谷类、豆类中磷存在的主要形式。如小麦麸皮及胚中植酸的磷,分别占其总磷量的85.96% 和4798%‰。在大豆中有70%~80%的磷以植酸形式存在 植酸盐是肌醇磷酸酯的钾钙镁复盐。植酸是肌醇和磷酸所组成的酯类,亦称肌醇酯,结构如右
是通过食物和呼吸偶然地进入体内的，目前已知有 14 种是人和动物的营养所必需，即 Fe、Zn、Cu、I、 Mn、Mo、Co、Se、Cr、Ni、Se、Si、F、V。 二、矿物质的存在形式 矿物质元素除了少量参与有机物的组成(如 S、P)外，大多数以无机盐形式存在，尤其是一价元素都成 为可溶性盐，大部分解离成离子的形式。而多价元素则以离子、不溶性盐和胶体溶液形成动态平衡的形式 存在。 金属离子多以螯合物形式存在于食品中。螯合物形成的特点是：配位体至少提供两个配位原子与中心 金属离子形成配位键。配位体与中心金属离子多形成环状结构。在螯合物中常见的配位原子是 O、S、N、 P 等原子。影响螯合物稳定的因素很多，如配位原子的碱性大小、金属离子电负性以及 pH 等。一般来说， 配位原子的碱性愈大，形成的螯合物愈稳定。但是螯合物的稳定性随着 pH 值减小而降低。在金属离子中 尤其是过渡金属容易形成螯合物。在食品中常见的环状螯合物有下列几种结构： P O O O M M C O C O O O M C O R C N O H H H M O O O O P P P P O O O O O O O O O O 草酸螯合物 磷酸螯合物 聚磷酸螯合物 α-氨基酸螯合物 其中六元环螯合物的例子除ATP、ADP等聚磷酸化合物外，还有叶绿素、血红素、维生素B12和钙酪蛋 白等。 三、食品中的矿物质 (一)乳品中的矿物质 乳品中矿物质含量受来源、饲料等因素的影响。牛乳中，以 K、Ca、C1、P、Na 和 Mg 等元素含量高。 乳中钾的含量比钠高 3 倍，均以可溶状态存在。钙、镁则与酪蛋白、磷酸和柠檬酸结合，一部分呈胶体状 态，一部分呈溶解状态存在。乳品在加工过程中，如热处理和蒸发都能改变盐的平衡而影响蛋白质的稳定 性。当乳加热后，钙和磷从可溶态改变为胶体态；当 pH 降低至 5.2 时，乳中所有的钙和磷又以胶体状态 变为可溶态。 (二)肉类中的矿物质 肉类中矿物质的含量一般为 0.8%～1.2%。肉中常量元素以钠、钾和磷的含量较高，微量元素中铁的 含量较多。因此，肉类是饮食中磷和铁的重要来源。 肉类中的矿物质一部分以无机盐呈可溶性状态存在，另一部分则与蛋白质结合而呈不溶性状态存在。 在肉类组织中，离子平衡对肉类的持水性起重要作用。 (三)植物产品中的矿物质 植物中矿物元素除极少部分以无机盐形式存在外，大部分都与植物中的有机化合物相结合而存在，或 者本身就是有机物的化学组成。如粮食中含量较高的矿物元素磷，是磷酸糖类、磷脂、核蛋白、辅酶、核 苷酸以及植酸盐等化合物中的一部分。 植酸盐是谷类、豆类中磷存在的主要形式。如小麦麸皮及胚中植酸的磷，分别占其总磷量的 85.96% 和 47.98%。在大豆中有 70%～80%的磷以植酸形式存在。 植酸盐是肌醇磷酸酯的钾钙镁复盐。植酸是肌醇和磷酸所组成的酯类，亦称肌醇酯，结构如右。 334
o=P(Ohh (HO2P—O HO)2P一O O-P(Oh) (HOhP=O 植酸 植酸盐中的磷不易被动物充分利用,人体中植酸盐中的磷有60%被排出体外。植酸盐在植酸酶作用下 水解成磷酸和肌醇,在小麦、稻谷及其他谷类的糠麸中均含有丰富的植酸酶。许多微生物也含有较高活性 的植酸酶 矿物质在粮粒中的分布是不均匀的。在壳、皮、糊粉层以及胚部含量较多,而胚乳中含量较少。因此 在粮食加工制品中,精度越高,其灰分含量越少,颜色越白(如面粉)。果蔬中含有多种矿物质,以硫酸盐、 磷酸盐、碳酸盐或与有机物结合的盐类存在。 第二节人体对矿物质的吸收与代谢 、人体对矿物质营养的吸收与平衡 人体营养所需的矿物质成分,一部分来自作为食物的动、植物组织,一部分来自食盐和饮水。 无机盐类与水分一起在肠内被吸收。胃肠道对无机盐的吸收多在小肠内进行,但不同元素的吸收部位 有所不同,一般需在胃内酸性条件下与食糜中的配体形成复合物后才易吸收。金属元素铁、锌、铜等主要 经十二指肠和空肠吸收,但十二指肠对锌的吸收能力更强,锰的吸收部位主要是十二指肠,摄入消化道的 钴主要在空肠吸收。三价铬最易被吸收的部位是空肠,其次是回肠和十二指肠。非金属元素碘在整个胃肠 道均可被吸收,但在胃和小肠吸收迅速,空腹时1~2小时可完全吸收,在胃肠道有内容物时3小时也可 完全吸收。进入消化道的氟主要经胃和小肠吸收。可溶性硒和食物中的硒大部分在十二指肠被迅速吸收 小部分由小肠吸收。肠对盐的吸收没有限制,因为盐的吸收而产生的体内渗透压和离子成分的变化是通过 加速排尿(经肾排盐)和大量饮水来消除的 非金属元素氟、硒、碘等由于机体不存在吸收调节机制,摄入量增加,吸收量也相应增加,其吸收率 可达70%~90%以上。水溶性的氟几乎可全部吸收,食物中的氟约80%被吸收,碘几乎可以被完全吸收, 粪便中排出的碘很少。元素硅虽然经饮食摄入较多(约300mgd),但其吸收率仅1%。金属元素的吸收率也 有较大差别,正常人经口摄入的铜,吸收率可达32%,钼在胃肠道的吸收率约为50%,水溶性钒离子的吸 收率为10%,锰在胃肠道的吸收速度慢、吸收率低,一般不超过进入胃肠道内锰的3%~4%,但患缺铁性 贫血的病人对锰的吸收率可达70%。无机铬的吸收率较低,约为0.4%~3%。CrCl在人体内的吸收率为 0.5%~0.69%,而天然的有机铬配合物较易吸收,吸收率为10%~15%。葡萄糖耐量因子形式的铬,其吸 收率为无机铬的100倍。人对食物中钻的吸收率可达63%以上,其转运过程与铁在十二指肠的转运相似。 般说来,动物性食品的血红蛋白、肌红蛋白经胃酸和蛋白酶消化后而游离出的血红素铁,能直接被肠粘 膜细胞摄取,在细胞内经血红素氧化酶分解成原卟啉和铁而被吸收。食物中最易吸收的铁化合物—一血红 素铁在小肠内的吸收率高达37%,而非血红素铁如来自铁盐、铁蛋白、含铁血黄素及植物性食品中的高铁 化合物等仅为5%左右 进入消化道的液体,在吸收过程中很快变成与血清等渗的液体。水分和盐分由肠液进入血液与淋巴 或由血液与淋巴进入肠液。与水一起经肠吸收后的盐类,一部分贮存于器官、组织内,一部分进入血液的 组分内,剩余的盐类则以不同方式排出体外,一部分通过尿及粪便,一部分通过汗腺经皮肤排出。 、矿物质在生物体内的功能 335
O O O O O O P(OH)2 P(OH)2 P P P P O O O O O O (HO)2 (HO)2 (HO)2 (OH)2 植酸 植酸盐中的磷不易被动物充分利用，人体中植酸盐中的磷有 60%被排出体外。植酸盐在植酸酶作用下 水解成磷酸和肌醇，在小麦、稻谷及其他谷类的糠麸中均含有丰富的植酸酶。许多微生物也含有较高活性 的植酸酶。 矿物质在粮粒中的分布是不均匀的。在壳、皮、糊粉层以及胚部含量较多，而胚乳中含量较少。因此 在粮食加工制品中，精度越高，其灰分含量越少，颜色越白(如面粉)。果蔬中含有多种矿物质，以硫酸盐、 磷酸盐、碳酸盐或与有机物结合的盐类存在。 第二节 人体对矿物质的吸收与代谢 一、人体对矿物质营养的吸收与平衡 人体营养所需的矿物质成分，一部分来自作为食物的动、植物组织，一部分来自食盐和饮水。 无机盐类与水分一起在肠内被吸收。胃肠道对无机盐的吸收多在小肠内进行，但不同元素的吸收部位 有所不同，一般需在胃内酸性条件下与食糜中的配体形成复合物后才易吸收。金属元素铁、锌、铜等主要 经十二指肠和空肠吸收，但十二指肠对锌的吸收能力更强，锰的吸收部位主要是十二指肠，摄入消化道的 钴主要在空肠吸收。三价铬最易被吸收的部位是空肠，其次是回肠和十二指肠。非金属元素碘在整个胃肠 道均可被吸收，但在胃和小肠吸收迅速，空腹时 1～2 小时可完全吸收，在胃肠道有内容物时 3 小时也可 完全吸收。进入消化道的氟主要经胃和小肠吸收。可溶性硒和食物中的硒大部分在十二指肠被迅速吸收， 小部分由小肠吸收。肠对盐的吸收没有限制，因为盐的吸收而产生的体内渗透压和离子成分的变化是通过 加速排尿(经肾排盐)和大量饮水来消除的。 非金属元素氟、硒、碘等由于机体不存在吸收调节机制，摄入量增加，吸收量也相应增加，其吸收率 可达 70%～90%以上。水溶性的氟几乎可全部吸收，食物中的氟约 80%被吸收，碘几乎可以被完全吸收， 粪便中排出的碘很少。元素硅虽然经饮食摄入较多(约 300mg/d)，但其吸收率仅 1%。金属元素的吸收率也 有较大差别，正常人经口摄入的铜，吸收率可达 32%，钼在胃肠道的吸收率约为 50%，水溶性钒离子的吸 收率为 10%，锰在胃肠道的吸收速度慢、吸收率低，一般不超过进入胃肠道内锰的 3%～4%，但患缺铁性 贫血的病人对锰的吸收率可达 70%。无机铬的吸收率较低，约为 0.4%～3%。CrCl3在人体内的吸收率为 0.5%～0.69%，而天然的有机铬配合物较易吸收，吸收率为 10%～15%。葡萄糖耐量因子形式的铬，其吸 收率为无机铬的 100 倍。人对食物中钴的吸收率可达 63%以上，其转运过程与铁在十二指肠的转运相似。 一般说来，动物性食品的血红蛋白、肌红蛋白经胃酸和蛋白酶消化后而游离出的血红素铁，能直接被肠粘 膜细胞摄取，在细胞内经血红素氧化酶分解成原卟啉和铁而被吸收。食物中最易吸收的铁化合物⎯⎯血红 素铁在小肠内的吸收率高达 37%，而非血红素铁如来自铁盐、铁蛋白、含铁血黄素及植物性食品中的高铁 化合物等仅为 5%左右。 进入消化道的液体，在吸收过程中很快变成与血清等渗的液体。水分和盐分由肠液进入血液与淋巴， 或由血液与淋巴进入肠液。与水一起经肠吸收后的盐类，一部分贮存于器官、组织内，一部分进入血液的 组分内，剩余的盐类则以不同方式排出体外，一部分通过尿及粪便，一部分通过汗腺经皮肤排出。 二、矿物质在生物体内的功能 335
矿物质在人体内的生理功能,可归纳如下六个方面: (1)矿物质成分是构成机体组织的重要材料。钙、磷、镁是骨骼和牙齿中最重要的成分,硫、磷是构成 某些蛋白质的材料,磷又是核酸中重要组成元素之一。细胞中普遍含有钾,而体液中普遍含有钠。 (2)酸性、碱性的无机离子适当配合,加上碳酸盐和蛋白质的缓冲作用,维持人体的酸碱平衡。人体内 pH值的恒定由两类缓冲体系共同维持,即有机缓冲体系(蛋白质、氨基酸等两性物质)和无机缓冲体系(碳 酸盐缓冲体系,磷酸盐缓冲体系)。 (3)各种无机离子,特别是保持一定比例K、Na、Ca2、Mg2是维持神经、肌肉兴奋性和细胞膜通透 性的必要条件。 (4)无机盐与蛋白质协同维持组织、细胞的渗透压。体液渗透压的恒定主要以NaCl及少量其他无机盐 来维持。细胞能维持紧张状态,物质出入细胞,都与细胞内外液体的滲透压有关。人体血液与组织液中渗 透压的恒定主要由肾脏来调节,肾脏通过把过剩的无机盐或水分排出体外来恒定渗透压。此外,体液中的 蛋白质也参与渗透压的维持。 (5)维持原生质的生机状态。作为生命基础的原生质蛋白的分散度、水合作用和溶解性等性质,都与组 织细胞中电解质的盐类浓度、种类、比例等有关,维持原生质的生机状态必须有某些无机离子存在 (6)参与体内的生物化学反应。参与反应的形式有两种:即直接参与(如体内的磷酸化作用)和间接参与 (如作为酶的激活剂、抑制剂,酶的重要组成成分,辅酶等)。如过氧化氢酶中含有铁;酚氧化酶中含有铜 唾液淀粉酶的活化需要氯;脱羧酶需要锰等。 成酸食物与成碱食物 成酸食物和成碱食物与食物的酸碱性有本质的不同,食物的酸碱性是以食物本身的pH值大小来衡量 而成酸食物或成碱食物的酸度或碱度不是用pH值来表示,而以每100g食物灼烧后所得到的灰分中和时所 需O.lmol/L氢氧化钠或0. Imol/L的盐酸的毫升数来表示。食物进入消化系统,无论原来为酸性、中性还是 碱性,均不断进行氧化分解,放出热量,供给身体所需的能量。糖类、脂肪及有机酸等分解为CO2和H2O, 蛋白质中的氮生成尿素,均排泄出体外,但剩余的Na,K,Mg2等阳离子多的,则在体内呈碱性;而Po, C及SO等阴离子多的,则在体内呈酸性。因此,正确划分食物酸碱的方法是:凡含有金属元素钾、钠、 钙、镁较多的食物,在体内氧化成带阳离子的碱性氧化物,所以在生理上叫“成碱食物”。大多数水果、 蔬菜、大豆等属于成碱食物。水果中含有各种有机酸,在味觉上呈酸性,但进入体内后彻底氧化成CO2和 H2O排出体外,余下碱性氧化物要酸性物质去中和,所以水果在体外是酸性,在体内则是碱性。相反,凡 含有非金属元素磷、硫、氯较多的食物,它们在体内氧化后生成带阴离子的酸根如PO冫C1,So等,需要 碱性物质去中和,所以在生理上叫“成酸食物”,如肉、鱼、禽、蛋以及粮谷类。也有些食物不影响体内 的酸碱性,例如纯净的糖和脂肪,有些虽含有碱性钙,但也基本上含有等量的酸性磷,进入体内酸碱也是 平衡的。经测定表明,成碱食物碱度大小依次为:海带>黄豆>甘薯>土豆>萝卜>柑桔>番茄>苹果;成酸食 物酸度大小依次为:鸡>猪肉>牛肉>鱼肉>蛋>糙米>大麦>蚕豆>面粉 健康人血浆保持在pH7.35~745之间,保持人体pH值恒定极为重要,低于7.35或高于745时就会发 生中毒,前者叫酸中毒,后者叫碱中毒,酸中毒会危及生命。人体有多种办法使体内多余的酸碱中和,除 了血液中的无机和有机缓冲系统参与恒定pH值外,肾脏的作用特别大。食物代谢产生的酸性物质在肾脏中 与氨结合成铵盐被排出体外;代谢产生的碱性物质与CO2结合成各种碳酸盐从尿中排出。如果饮食中各种 食品搭配不当,容易引起人体生理上酸碱平衡失调。因为人们的主食都属于酸性食品,所以易导致血液偏 酸性。这样不仅会增加钙、镁等碱性元素的消耗,引起人体出现缺钙症,而且使血液的色泽加深,粘度增 大,严重时会引起各种酸中毒。所以在饮食中必须注意酸性食品和碱性食品的适当搭配,尤其应控制酸性 食品的比例。这样就能保持生理上的酸碱平衡,防止酸中毒。同时也有利于食品中各种营养成分的充分利 用,以达到提高食品营养价值的功效。 第三节食物中矿物质成分的生物有效性 考察一种食物的营养质量时,不仅要考虑其中营养素的含量,而且要考虑这些成分被生物体利用的实 际可能性,即生物有效性的问题。在研究食品的营养以及食品制造中矿物质强化工艺时,对生物有效性的 336
矿物质在人体内的生理功能，可归纳如下六个方面： (1)矿物质成分是构成机体组织的重要材料。钙、磷、镁是骨骼和牙齿中最重要的成分，硫、磷是构成 某些蛋白质的材料，磷又是核酸中重要组成元素之一。细胞中普遍含有钾，而体液中普遍含有钠。 (2)酸性、碱性的无机离子适当配合，加上碳酸盐和蛋白质的缓冲作用，维持人体的酸碱平衡。人体内 pH 值的恒定由两类缓冲体系共同维持，即有机缓冲体系(蛋白质、氨基酸等两性物质)和无机缓冲体系(碳 酸盐缓冲体系，磷酸盐缓冲体系)。 (3)各种无机离子，特别是保持一定比例K+ 、Na+ 、Ca2+、Mg2+是维持神经、肌肉兴奋性和细胞膜通透 性的必要条件。 (4)无机盐与蛋白质协同维持组织、细胞的渗透压。体液渗透压的恒定主要以 NaCl 及少量其他无机盐 来维持。细胞能维持紧张状态，物质出入细胞，都与细胞内外液体的渗透压有关。人体血液与组织液中渗 透压的恒定主要由肾脏来调节，肾脏通过把过剩的无机盐或水分排出体外来恒定渗透压。此外，体液中的 蛋白质也参与渗透压的维持。 (5)维持原生质的生机状态。作为生命基础的原生质蛋白的分散度、水合作用和溶解性等性质，都与组 织细胞中电解质的盐类浓度、种类、比例等有关，维持原生质的生机状态必须有某些无机离子存在。 (6)参与体内的生物化学反应。参与反应的形式有两种：即直接参与(如体内的磷酸化作用)和间接参与 (如作为酶的激活剂、抑制剂，酶的重要组成成分，辅酶等)。如过氧化氢酶中含有铁；酚氧化酶中含有铜； 唾液淀粉酶的活化需要氯；脱羧酶需要锰等。 三、成酸食物与成碱食物 成酸食物和成碱食物与食物的酸碱性有本质的不同，食物的酸碱性是以食物本身的pH值大小来衡量， 而成酸食物或成碱食物的酸度或碱度不是用pH值来表示，而以每 100g食物灼烧后所得到的灰分中和时所 需 0.1mol/L氢氧化钠或 0.1mol/L的盐酸的毫升数来表示。食物进入消化系统，无论原来为酸性、中性还是 碱性，均不断进行氧化分解，放出热量，供给身体所需的能量。糖类、脂肪及有机酸等分解为CO2和H2O， 蛋白质中的氮生成尿素，均排泄出体外，但剩余的Na+ ，K+ ，Mg2+等阳离子多的，则在体内呈碱性；而 ， C1 3− PO4 － 及 等阴离子多的，则在体内呈酸性。因此，正确划分食物酸碱的方法是：凡含有金属元素钾、钠、 钙、镁较多的食物，在体内氧化成带阳离子的碱性氧化物，所以在生理上叫“成碱食物”。大多数水果、 蔬菜、大豆等属于成碱食物。水果中含有各种有机酸，在味觉上呈酸性，但进入体内后彻底氧化成CO 2− SO4 2和 H2O排出体外，余下碱性氧化物要酸性物质去中和，所以水果在体外是酸性，在体内则是碱性。相反，凡 含有非金属元素磷、硫、氯较多的食物，它们在体内氧化后生成带阴离子的酸根如 ,C1 3− PO4 － , 等，需要 碱性物质去中和，所以在生理上叫“成酸食物”，如肉、鱼、禽、蛋以及粮谷类。也有些食物不影响体内 的酸碱性，例如纯净的糖和脂肪，有些虽含有碱性钙，但也基本上含有等量的酸性磷，进入体内酸碱也是 平衡的。经测定表明，成碱食物碱度大小依次为：海带>黄豆>甘薯>土豆>萝卜>柑桔>番茄>苹果；成酸食 物酸度大小依次为：鸡>猪肉>牛肉>鱼肉>蛋>糙米>大麦>蚕豆>面粉。 2− SO4 健康人血浆保持在pH7.35～7.45 之间，保持人体pH值恒定极为重要，低于 7.35 或高于 7.45 时就会发 生中毒，前者叫酸中毒，后者叫碱中毒，酸中毒会危及生命。人体有多种办法使体内多余的酸碱中和，除 了血液中的无机和有机缓冲系统参与恒定pH值外，肾脏的作用特别大。食物代谢产生的酸性物质在肾脏中 与氨结合成铵盐被排出体外；代谢产生的碱性物质与CO2结合成各种碳酸盐从尿中排出。如果饮食中各种 食品搭配不当，容易引起人体生理上酸碱平衡失调。因为人们的主食都属于酸性食品，所以易导致血液偏 酸性。这样不仅会增加钙、镁等碱性元素的消耗，引起人体出现缺钙症，而且使血液的色泽加深，粘度增 大，严重时会引起各种酸中毒。所以在饮食中必须注意酸性食品和碱性食品的适当搭配，尤其应控制酸性 食品的比例。这样就能保持生理上的酸碱平衡，防止酸中毒。同时也有利于食品中各种营养成分的充分利 用，以达到提高食品营养价值的功效。 第三节 食物中矿物质成分的生物有效性 考察一种食物的营养质量时，不仅要考虑其中营养素的含量，而且要考虑这些成分被生物体利用的实 际可能性，即生物有效性的问题。在研究食品的营养以及食品制造中矿物质强化工艺时，对生物有效性的 336
考虑是特别重要的。 一、影响生物有效性的因素 (一)食物的可消化性 种食物只有被人体消化后,营养物质才能被吸收利用。相反,如果食物不易消化,即使营养成分丰 富也得不到吸收利用。因此,一般说来,食物营养的生物有效性与食物的可消化性成正比关系。例如动物 肝脏、肉类中的矿物质成分有效性高,人类可充分吸收利用,而麸皮、米糠中虽含有丰富的铁、锌等必需 营养素,但这些物质可消化性很差,因而不能利用,生物有效性很低。即动物性食物中矿物质的生物有效 性优于植物性食物。 (二)胃肠道酸碱度 在胃液的酸性环境下,矿物质从食物成分中解离出来,呈离子状态,如铁、铜、锰、铬等均可形成可 溶性氯化物而利于其吸收。胃液中的胃酸含量对非血红素铁的溶解是很重要的,溶解状态的铁大多在5分 钟内即被吸收。当胃液pH>2.5时,铁的溶解度明显降低,三价铁的吸收更易受胃内pH的影响。胃酸缺 乏的病人服用盐酸产生药剂后,明显改善二价铁的吸收,而三价铁的吸收改善更显著。胃中的酸性环境可 影响食物中铜的释放,并为胃蛋白酶消化提供条件,使铜从天然有机络合物中释放出来。一旦胃内容物排 空进入十二指肠,肠腔内pH上升便影响铜的吸收程度。在小肠内的碱性环境下,矿物质易形成不溶性复 合物而不易被吸收,但若矿物质在胃内与配体(如氨基酸等)形成复合物后进入小肠,其吸收率则不受肠道 碱性环境的影响。同时,胆汁中的胆汁酸也可与金属元素铁结合成可溶性复合物而促进铁的吸收。 (三)人体内环境稳态调节 人体在神经、内分泌系统的协同作用下,具有调节体内环境使之不受外界环境变化的影响而保持相对 稳定的能力,称为机体内环境稳态调节。机体内环境稳态调节的一个典型实例是铁的吸收。体内铁的代谢 非常旺盛,因为体内红细胞的寿命为120天,即每天约有Ⅵ20的红细胞需要更新,衰老红细胞释放的血 红素铁约90%又可被重新利用,供给新生红细胞合成血红蛋白。这部分铁约有数十毫克,而机体每天从胃 肠道吸收补充到血液中的铁仅lmg即能满足生理需要。两者相比,相差数十倍。胃肠道中进入肠粘膜细胞 的铁是否能被及时释放到血液中,则取决于机体对铁的需要程度。 (四)矿物质的物理化学形态 矿物质的化学形态对矿物质的生物有效性影响相当大,甚至有的矿物质只有某一化学形态才具有营养 功能,例如,钴只有以氰基钴胺(维生素B12)供应才有营养功能:又如铁,血色素铁生物有效性比非血色素 铁高。许多矿物质成分在不同的食物中,由于化学形态的差别,生物有效性相差很大。矿物质的物理形态 对其生物有效性也有相当大的影响,在消化道中,矿物质必须是溶解状态才能被吸收,颗粒的大小会影响 可消化性和溶解性,因而影响生物有效性。若用难溶物质来补充营养时,应特别注意颗粒大小。 (五)矿物质与其他营养素的相互作用 矿物质与其他营养素的相互作用对生物有效性的影响应视不同情况而定,有的提高生物有效性,有的 降低生物有效性,相互影响极为复杂。饮食中一种矿物质过量就会干扰对另一种必需矿物质的作用。例如, 两种元素会竞争在蛋白载体上的同一个结合部位而影响吸收,或者一种过剩的矿物质与另一种矿物质化合 后一起排泄掉,造成后者的缺乏。如铁、锰对钴的吸收有抑制作用,因为钴与铁在十二指肠的转运过程相 似而存在吸收竞争,缺铁时人对钴的吸收率比正常人高1倍。锌抑制铜的吸收作用主要是由于锌可诱导肠 粘膜细胞合成金属硫蛋白,后者对铜的亲和力明显高于锌,因此进入细胞的锌更易与之结合,从而减少了 铜的吸收。营养素之间相互作用,提高其生物有效性的情况也不少,如氨基酸促进铁的吸收,维生素A、 C也有利于铁的利用,乳酸促进钙的利用等。 (六)螯合作用 生物系统中有三种螯合物:①传送和贮存金属离子的螯合物,如氨基酸与金属离子螯合物:②新陈代 谢所必需的螯合物,如亚铁血红素-血红蛋白的螯合部分;③降低生物有效性,干扰营养的螯合物,如植酸 金属螯合物。同一种螯合剂,可能干扰和降低一种元素的生物有效性,却可能增加另一种元素的生物有效 性。例如,在低有效锌的食物中添加10opm的EDIA,相当于增加8ppm的锌,但是却干扰了对铁、锰的 利用。金属螯合物的稳定性和溶解度决定了金属元素的生物有效性。 (七)加工方法 337
337 考虑是特别重要的。 一、影响生物有效性的因素 (一)食物的可消化性 一种食物只有被人体消化后，营养物质才能被吸收利用。相反，如果食物不易消化，即使营养成分丰 富也得不到吸收利用。因此，一般说来，食物营养的生物有效性与食物的可消化性成正比关系。例如动物 肝脏、肉类中的矿物质成分有效性高，人类可充分吸收利用，而麸皮、米糠中虽含有丰富的铁、锌等必需 营养素，但这些物质可消化性很差，因而不能利用，生物有效性很低。即动物性食物中矿物质的生物有效 性优于植物性食物。 （二）胃肠道酸碱度 在胃液的酸性环境下，矿物质从食物成分中解离出来，呈离子状态，如铁、铜、锰、铬等均可形成可 溶性氯化物而利于其吸收。胃液中的胃酸含量对非血红素铁的溶解是很重要的，溶解状态的铁大多在 5 分 钟内即被吸收。当胃液 pH＞2.5 时，铁的溶解度明显降低，三价铁的吸收更易受胃内 pH 的影响。胃酸缺 乏的病人服用盐酸产生药剂后，明显改善二价铁的吸收，而三价铁的吸收改善更显著。胃中的酸性环境可 影响食物中铜的释放，并为胃蛋白酶消化提供条件，使铜从天然有机络合物中释放出来。一旦胃内容物排 空进入十二指肠，肠腔内 pH 上升便影响铜的吸收程度。在小肠内的碱性环境下，矿物质易形成不溶性复 合物而不易被吸收，但若矿物质在胃内与配体(如氨基酸等)形成复合物后进入小肠，其吸收率则不受肠道 碱性环境的影响。同时，胆汁中的胆汁酸也可与金属元素铁结合成可溶性复合物而促进铁的吸收。 （三）人体内环境稳态调节 人体在神经、内分泌系统的协同作用下，具有调节体内环境使之不受外界环境变化的影响而保持相对 稳定的能力，称为机体内环境稳态调节。机体内环境稳态调节的一个典型实例是铁的吸收。体内铁的代谢 非常旺盛，因为体内红细胞的寿命为 120 天，即每天约有 1⁄120 的红细胞需要更新，衰老红细胞释放的血 红素铁约 90%又可被重新利用，供给新生红细胞合成血红蛋白。这部分铁约有数十毫克，而机体每天从胃 肠道吸收补充到血液中的铁仅 1mg 即能满足生理需要。两者相比，相差数十倍。胃肠道中进入肠粘膜细胞 的铁是否能被及时释放到血液中，则取决于机体对铁的需要程度。 (四)矿物质的物理化学形态 矿物质的化学形态对矿物质的生物有效性影响相当大，甚至有的矿物质只有某一化学形态才具有营养 功能，例如，钴只有以氰基钴胺(维生素B12)供应才有营养功能；又如铁，血色素铁生物有效性比非血色素 铁高。许多矿物质成分在不同的食物中，由于化学形态的差别，生物有效性相差很大。矿物质的物理形态 对其生物有效性也有相当大的影响，在消化道中，矿物质必须是溶解状态才能被吸收，颗粒的大小会影响 可消化性和溶解性，因而影响生物有效性。若用难溶物质来补充营养时，应特别注意颗粒大小。 (五)矿物质与其他营养素的相互作用 矿物质与其他营养素的相互作用对生物有效性的影响应视不同情况而定，有的提高生物有效性，有的 降低生物有效性，相互影响极为复杂。饮食中一种矿物质过量就会干扰对另一种必需矿物质的作用。例如， 两种元素会竞争在蛋白载体上的同一个结合部位而影响吸收，或者一种过剩的矿物质与另一种矿物质化合 后一起排泄掉，造成后者的缺乏。如铁、锰对钴的吸收有抑制作用，因为钴与铁在十二指肠的转运过程相 似而存在吸收竞争，缺铁时人对钴的吸收率比正常人高 1 倍。锌抑制铜的吸收作用主要是由于锌可诱导肠 粘膜细胞合成金属硫蛋白，后者对铜的亲和力明显高于锌，因此进入细胞的锌更易与之结合，从而减少了 铜的吸收。营养素之间相互作用，提高其生物有效性的情况也不少，如氨基酸促进铁的吸收，维生素 A、 C 也有利于铁的利用，乳酸促进钙的利用等。 (六)螯合作用 生物系统中有三种螯合物：①传送和贮存金属离子的螯合物，如氨基酸与金属离子螯合物；②新陈代 谢所必需的螯合物，如亚铁血红素-血红蛋白的螯合部分；③降低生物有效性，干扰营养的螯合物，如植酸 -金属螯合物。同一种螯合剂，可能干扰和降低一种元素的生物有效性，却可能增加另一种元素的生物有效 性。例如，在低有效锌的食物中添加 100ppm 的 EDTA，相当于增加 8ppm 的锌，但是却干扰了对铁、锰的 利用。金属螯合物的稳定性和溶解度决定了金属元素的生物有效性。 (七)加工方法