微量元素富集的研究进展

王全杰，张 燕

(1.陕西科技大学资源与环境学院，陕西西安710021;2.国家制革技术研究推广中心，山东烟台264005;3.烟台大学化学生物理工学院，山东烟台264005)

微量元素富集的研究进展

王全杰1，2，3，张 燕1，*

(1.陕西科技大学资源与环境学院，陕西西安710021;2.国家制革技术研究推广中心，山东烟台264005;3.烟台大学化学生物理工学院，山东烟台264005)

阐述了几种微量元素的生理功能及它们的功能性应用进展，重点介绍了富集微量元素的主要方法和国内外研究情况，同时从遗传学角度对矿物质元素的富集进行了展望，提出了应从多学科、多领域、多角度对人体营养与健康进行研究的建议。

微量元素，功能，富集，应用

矿物质元素与人体健康有着密切的关系，一直是许多营养学家和科学家非常感兴趣的课题，特别是其中的微量元素，虽然在人体内含量不多，却对人的生命起着至关重要的作用，更是国内外学者关注的热点。部分微量元素必须由食物摄入，而摄入过量、不足、不平衡或缺乏都会不同程度地引起人体生理的异常或导致疾病的发生，基于对天然食用动植物原料中微量元素的分布及其生理作用机制的认识和研究，一些具有特殊保健功能的复合食品得以开发，如谷物制品、强化大米、饮料、蛋制品、奶制品、调味品，涉及到婴幼儿的食品、孕妇或乳母食品、老年食品及有关慢性疾病的各种保健食品等［1－2］。借助食品添加剂、保健品或者药物来快速补充人体缺乏的微量元素是一个捷径，但存在投资大、费用高、覆盖面小、效果差等弊病，国内外学者更倾向于将主食作为一种最优的、安全的微量元素补充途径［3－4］。水稻作为世界上主要的粮食作物，供养着全球1/2以上的人口，而我国约有2/3的人口以大米为主食。水稻是我国人民所需热能、蛋白质、多种维生素和微量元素的主要来源，在膳食组成方面占据重要地位，小麦也是我国主要的粮食作物之一，人类需要蛋白质的20%以上由小麦提供［5］。因此，利用生物转化生产富含各种微量元素的农作物，供给人们作为食粮，将是高效、低耗、行之有效地解决当前微量元素营养匮乏问题的有效途径。

1 微量元素

微量元素是指人体需要量在100mg/d以下的矿物质元素，也称为痕量元素。1995年联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization，简称FAO)、世界卫生组织(World Health Organization，简称WHO)等国际组织的专家委员会按生物学作用将其分为三类［2］:

a.人体必需的微量元素共十种:包括铜、钴、铬、铁、氟、碘、锰、钼、硒和锌;

b.人体可能的必需微量元素共四种:即硅、镍、硼、矾;

c.具有潜在毒性，但在低剂量时可能具有人体必需功能的元素为铅、镉、汞、砷、铝、锡和锂。

必需微量元素是人体中的主要功能元素，虽然其总含量仅占人体质量的0.05%左右，但在不同人体部位的状态与人体健康关系密切［6］。以下介绍几种人体必需的微量元素铬、硒、锌、铁等对人体的功能及目前研究的概况。

1.1 铬

在自然界中，铬主要是以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)形态存在，三价铬是人体必需的生命微量元素，但六价铬化合物具有致癌性。铬是“葡萄糖耐量因子”(glucose tolerance factor，简称GTF)的主要构成成分，是胰岛素的一种“协同激素”(Cohormone)，协助或增强胰岛素在体内外的作用。因此，铬是参与糖代谢的关键物质，对糖尿病具有特殊的防治作用［7－9］。研究发现，铬还对动脉粥样硬化、心血管疾病具有抑制作用，同时还有抗癌作用［10］。

中国营养学会1988年提出的成人铬安全和适宜摄入量与美国1980及1989年建议的成人铬安全和适宜摄入量相同，均为50～200μg/d，结合我国情况，又提出中国居民膳食铬的每日适宜摄入量(Adequate Intake，简称 AI)，成人为 50μg/d，儿童按体重折算相应降低，其可耐受最高摄入量(Tolerable Upper Intake Level，简称 UL)，成人为 500μg/d［2］。铬的来源很广，但含量甚微，主要食物来源是谷类、肉类和鱼贝类，且谷类加工后其含量会大幅下降。因此，近年来大力研究富集铬的谷物，有利于满足人体对微量铬的吸取。

1.2 硒

硒是生物体多种酶和蛋白质的重要组成部分，也为人体必需的微量元素，具有很强的生物活性，参与多种生理生化反应，如在抗氧化、抗癌防癌方面有显著效果。2003年9月美国食品药品管理局(Food and Drug Administration，简称FDA)批准了一项重大决议，即认为硒为抑癌剂，并允许硒营养品标识硒的抑癌性质［11－12］。1988年中国营养学会将硒列为每日膳食营养素之一，推荐成人每日膳食硒供给量50μg［2］。全国70% 以上地域为低硒、贫硒地区。而大米的硒含量甚微，加工富硒大米可将大米中的硒含量提高数倍［12］，可以解决我国地域缺硒问题。

1.3 锌

锌被医学界、营养界誉为人体的“生命之花”，对人体有着重要的生理功能和营养作用［13］。成人体内含锌量为1.5～2.5g，是含量仅次于铁的微量元素，具有广泛的生理功能［14］，缺锌会导致多种疾病［15］。关于锌的每日需要量，中国营养学会提出中国居民膳食锌平均需要量(Estimated Average Requirement，简称EAR)，成年男性11.23mg/d，成年女性8.26mg/d，推荐摄入量(Recommended Nutrient Intakes，简称 RNI)，成年男性15.5mg/d，成年女性11.5mg/d。

虽然锌元素普遍存在于动植物中，但含量差别很大。在许多植物性食品中，因与植酸结合不易吸收，而谷类碾磨后，可食部分含锌量会明显减少，导致以谷物为主食的国家缺锌现象明显。因此，加工富锌大米是在主食中补充锌元素的有效途径之一。

1.4 铁

铁是人体内含量最多的必需微量元素，成人体内含铁量为3～4g，主要存在于血红蛋白中，若体内缺铁，携氧能力被阻断，则造成缺铁性贫血。中国营养学会提出的中国居民膳食铁适宜摄入量(AI)，成年男性15mg/d，成年女性20mg/d，50岁以后则均为15mg/d，而其可耐受最高摄入量(UL)对青少年和成人均为50mg/d［2］。食物中含铁量不高，植物性食品中的铁与锌相似，很难吸收。加工强化食品，强化铁元素也是补充铁元素的常用途径。

1.5 锗

近年来，富锗功能性食品的开发也呈良好发展的态势。锗，特别是有机锗，如Ge－(32)，具有广谱的药理活性，对目前困扰人类健康长寿的几大顽敌－心血管病、癌病、艾滋病以及老年性痴呆症有显著功效。各种天然食物中均不同程度地含有锗，但含量普遍较低。成人每天的锗摄入量为0.4～3.50mg［13］，而食物中的锗含量难以满足要求。

其他微量元素如铜、锰、氟、碘等也是人体所必需的，也在生命过程中起着非常重要的作用。铜主要具有造血功能，能合成酶和血红蛋白，增强防御，缺铜则易造成贫血、心血管损伤、冠心病、白癜风等;氟是生物的钙化作用所必需的物质，适量氟有利于钙和磷的利用及其在骨骼中沉积，增加骨骼的硬度，对骨骼疏松等起抑制作用，缺氟容易引起龋齿;锰是组酶，激活剂的构成组分，能增强蛋白质代谢，合成维生素，有防癌功效;缺碘不仅会引起甲状腺肿，而且还会导致不可逆转的运动系统和神经系统发育障碍［15］。

2 微量活性元素的生物富集研究进展

通过生物转化富集微量元素的研究颇多，其中主要有微生物合成转化法、动物转化法和植物天然合成转化法等［16］。

2.1 微生物合成转化法

微生物合成转化最为常用的是酵母转化法，它是将含有一种或几种微量元素的溶液加入到培养基中，从而得到高富含微量元素的酵母，已研究得到的有富铬、富硒、富锗、富锌、富铁等多种类型酵母，已经公开了多个关于富铬酵母生产的专利［17－19］，工艺简单实用，可用于多种保健食品，是良好的补铬剂。田晓华等［20］对富铬酵母降低高血脂的作用进行了研究，结果表明高脂血症患者服用富铬酵母后降脂效果显著。Suhajda A.［21］研究表明，在合适的条件下，酵母菌(Saccharomyces Cerevisiae)能够富积大量的微量元素硒，并将其转化为有机态的硒化合物，在常规的酵母培养基中加入水溶性的硒盐如亚硒酸钠，结果一定数量的硒被酵母所吸收。另外还有富硒螺旋藻［22］、食用菌［23］等。刘鑫、陈春涛等［24］采用固体培养和液体深层发酵技术，对灰树花的耐铬和富铬特性进行了研究，用生物富集方法将不易吸收的无机铬转化成有机铬的研究对于预防与治疗糖尿病具有很好的应用前景。

2.2 动物转化法

动物转化法是将一定元素的盐类化合物加入到动物的饲料中，从而使无机态微量元素转化成有机态微量元素。耿德铨等［25］研制出钙、铁、锌多元素营养鸡蛋，临床表明鸡蛋是补充微量元素的良好载体。田冬香、路桂玲等［26］发明了一种生产低胆固醇、富铬蛋的饲料，利用该发明饲喂的鸡所生产的富铬蛋对治疗糖尿病的作用主要表现为:改善血糖的不稳定，可通过补充铬营养以纠正糖耐量的减退，改善机体糖耐量，预防成年型糖尿病及其并发症。王瑛、张为胜等［27］发明了一种生产富钒富铬鸡蛋的方法，即在蛋鸡基础日粮中添加钒化合物作为钒的来源，添加铬化合物作为铬的来源生产富钒富铬鸡蛋。

2.3 植物转化法

植物转化法是将富含微量元素的培养液或者肥料施加到植物生长过程中，从而达到富集作用，像高锗高硒麦芽、富铬白菜、富铬茶叶、富硒豆芽等都是此类产品。丁志刚等［28］以不同剂量的富铬发芽糙米喂养小鼠进行研究，表明其对小鼠有降血糖作用。李洁等［29］也就富铬茶叶对血糖的调节作用进行了研究，通过对照动物实验及人体试食实验，说明富铬茶叶对临床有一定改善功效。

王盛良、黄杰等［30］采用三氯化铬为铬源培养了富铬绿豆芽，得到铬含量为普通绿豆芽的100倍的富铬绿豆芽。徐昆亭、卢顺德等［31］研制出了一种安全、有效、功能全面的富铬水稻培育营养液和使用该营养液培育的富铬稻米，该发明可以应用于水稻的培育，也可用于其它谷物。郑军武、郑冬等［32］发明了一种富铬专用叶面肥，该发明微量元素品种全且含量高，氮、磷、钾、铬等主要元素含量高，作物施用后铬含量提高幅度大，对于促进作物生长和提高抗逆性起到了良好效果。刘兴彦、董春等［33］研制了一种富含有机硒、锌和铬的营养强化大米及其生产方法，该生产方法是在水稻灌浆期分别在不同地块喷施各种微量元素溶液，收获后对米粒进行混配。另外，程永安等［34］富铬南瓜的生产方法和夏作理等［35］的富铬决明子芽的培育也是利用植物转化富集微量元素的典型应用发明。

国外对此也有一定的研究［36］，土耳其在其重缺锌的安纳多利亚中部地区，施的肥料已有十年以上，含锌复混肥量达到30万t以上，从而提高了小麦籽粒中的含锌量。

生产研制富含各种微量元素和营养物质的肥料，施用到农作物生长过程中，是给食物补充微量元素的有效途径。不过由于成本和应用等相关问题，现代的化肥工业仍然是以氮磷钾等常量元素补充为主，专门的微量元素化肥由于成本较高，产量较少，不能保证植物的供应，因此寻找价廉实惠的微量元素肥料应予以关注。

随着工业的发展，工业废弃物大幅增加，其中含有大量的重金属元素，如印染、皮革、铬矿冶炼等行业排放的固废中含有大量的铬，既是一种严重的污染，又是一种资源的浪费。据报道，我国每年产生140多万t的皮革边角废弃物［37］，是丰富的铬资源，而且可以提供丰富的氨基酸等其他资源。其实在二十世纪八十年代就有利用制革固体废料生产有机肥的研究［38］。日本、韩国、欧洲共同体国家，以及台湾等地区的农业生产都积极采用此类产品作为有机肥料。

王昌命等［39］研究了制革污泥对杉木木材结构及周围环境的影响，结果认为，制革污泥能促进杉木的生长，也能促进具有较强吸收Cr能力的凤尾蕨的生长，由此可以认为制革污泥可作为杉木的一种肥料。俞从正等［40］曾对陕西省长安县长期直接以含铬污泥为肥料的农田及其作物进行过跟踪调查，结果显示，含铬污泥施入农田会引起土地中铬量增加，施含铬污泥次数越多的土壤含铬量越高，施肥时间离现在越近的土壤含铬量越高。国外对制革污泥应用于农业方面的研究从19世纪70年代末开始，意大利Sacro Cuore大学农业化学系Sandro Silva教授对制革污泥在农业应用方面研究较多，他通过对玉米、小麦和水稻的实验认为:含铬污泥作为农田肥料使用，可使小麦、玉米和稻米分别增产42%、7.8%和18%;植物在成长中吸收铬而且不会造成食物污染;微量铬的存在对人体代谢有促进作用。因此，研究皮革固体废弃物的资源利用，将其应用于农业微量元素富集上，具有一定的前景。将各种工业废料进行回收应用于农业是一条既经济又环保的途径，但是由于人们对微量元素肥料的认识不足，并没有得到广泛重视，微量元素缺乏现象越来越严重［41］，因此需要采取措施使其进一步发展和推广。

2.4 其他方法

除以上生物转化的方法之外，研究培育高富集作物品种也有一定发展。最直接的方法是研究自然界中存在的超积累植物，这一类植物一般是从生态环保的角度，改良被重金属污染的土壤或者水体［42－43］，目前世界上发现了 400 多种超积累植物，英国的 Baker等［44］经过田间实验表明，超富集植物Thlaspi carulescens富集Zn是非超富集植物萝卜的150倍，富集Cd则相应的为10倍。在津巴布韦发现的Dicoma niccolifera Wild和Suterafodina Wild是铬超积累植物，其铬的含量分别为1500、2400mg/kg，均高于铬的参考值1000mg/kg［45］。在国内研究发现的超积累植物有砷超积累植物－蜈蚣草(Pteris vittata L.)［46］、锌 超 积 累 植 物 － 东 南 景 天 (Sedum alfredii H)［47］、另一种砷超积累植物－大叶井口边草(Pteris cretica L.)［48］、锰 超 积 累 植 物 － 商 陆 (Phytolacca acinosa Roxb)［49］、镉的超积累植物－宝山堇菜(Viola baoshanensis)［50］和龙葵(Solanum nigrum L.)［51］，张学洪、罗亚平等［52］在前人的基础上，在广西发现了湿生铬超积累植物－李氏禾(Leersia hexandra Swartz)，对铬有很强的富集能力。研究这些植物的超富集机制，利用它们的超富集特征应用于农业微量元素的富集具有一定的利用价值。

另外，从遗传学角度出发，国际水稻研究所于1994年开始对籽粒富集微量元素水稻进行种质筛选，泰国、日本等其它国家也积极进行培育筛选，我国也于90年代开展富集微量元素黑米的研究，选育了众多高微量元素的黑米品种，而且已建立水稻核心种质，大大方便了当前籽粒富集微量元素水稻种质的鉴定和筛选。但是，现今微量元素高的种质多为富铁水稻，关于富集其它微量元素水稻的研究还比较少。而且，水稻籽粒微量元素含量除受遗传因素的控制之外，还受气候、土壤和灌溉水等环境因素的影响。因此，要综合考虑各种因素，探索富集微量元素的多种途径［53］。河北省农科院粮油作物研究所把常规育种、单倍体育种、慢照射、远缘杂交幼胚拯救等方法有机结合起来，对辐射方法进行改进，培育出高产、适应范围较广的、富含有机铬、适合糖尿病患者食用的、性状遗传稳定的黑小麦新种质［54］，其三价有机铬含量是普通小麦的4倍，对降低糖尿病人的血糖具有显著功效。

3 结语

微量元素科学是现代生命科学和现代医学最前沿和最活跃的领域，多学科、多专业的协作研究使微量元素学取得了很大发展。从经济、环保、资源化、可持续发展的角度对微量活性元素的富集进行研究，既对微量元素学科本身有显著的促进作用，又能够与其它学科领域进行多方面交叉研究，为人体营养与健康水平的提高做出更大的贡献。

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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 *通讯联系人

王全杰(1950－)，男，教授，博士生导师，主要从事清洁化制革生产工艺、皮革化学品及化工材料的开发。

烟台市科技攻关项目(2009GGA002009128);陕西科技大学研究生创新基金资助项目。