FSHW：评价食品中矿物质营养的方法

Introduction

微量营养素缺乏症（主要是矿物质）影响着世界上50%以上的人口，特别是在中低收入国家。矿物质在人体的新陈代谢和平衡中具有多种功能和潜力，如建立强壮的骨骼、制造不同的激素、传递神经冲动和成为许多酶的结构部分。铁（Fe）缺乏是世界上最普遍的膳食微量营养素不足，其原因是铁摄入不足、铁吸收不良和/或额外的膳食铁需求，如妊娠需要。膳食锌缺乏症影响着全球约17%的人口，这是最常见的微量营养素缺乏症，主要基于以谷类为主的膳食和动物产品的低消费，导致锌的生物利用率低。骨质疏松症是仅次于心血管疾病的全球性健康问题和医学研究重点，这主要与膳食中长期缺钙有关。

许多生理和饮食变量都可能影响矿物质的生物利用率。食物是摄取矿物质的唯一来源，然而，并不是所有食物中的矿物质都能被吸收，从而通过人体细胞用于平时的生理功能。矿物质在通过消化系统的过程中，会与其在食物中的化学环境和其他成分发生强烈的相互作用。

改善矿物质营养的方法有：1）在保持营养物质生物利用度的同时，提高其浓度；2）在保持浓度的同时，提高生物利用度；或3）同时提高矿物质的浓度和生物利用度。虽然矿物质的生物利用度不容易评估和直观表达，但其效果已被多种研究模式和方法所探索。根据其原理、涉及的主要材料和操作手段，将这些矿物质生物利用度评估模型和方法分为三类：化学方法、体外模型和体内试验程序。中国农业大学的Xuan Wang、Jianfen Liang等在本综述论述了每种方法的发展历程，总结了相关模型建立过程中的关键点，比较了三类方法之间的优缺点，最后重点介绍了每种方法的应用。

化学方法

化学方法以HCl可萃取性（HCl-E）作为可用矿物质的指标。迄今为止，它是最早开发、最简单、最经济的研究矿物质营养的方法。模型模拟了人体胃系统和相应的胃环境食物经过。这种方法也被用来研究食品加工过程（如发芽、发酵、浸泡、脱壳和蒸煮）的影响，以及成分（如植酸和多酚）对谷物和豆类矿物营养的影响。该模型用于确定食物矿物质在体内的溶解率，但没有适当考虑消化道中酶的作用和实际利用的矿物质。因此，一些研究者引入胃蛋白酶和胰蛋白酶来模拟消化酶的作用。总的来说，这种模型的准确性和应用是有限的。

体外模型

体外模型是一种快速且相对准确的矿物质可利用性评估模型，是目前食品营养研究中最常用的模型。溶解度、透析性和吸收性是最常用的参数。

透析性

透析性是指经过体外消化程序后，能穿过6～8 kDa分子量截止的半透膜的矿物质比例。与溶解度相比，透析性的性质更稳定，重现性更好。体外溶解度和透析性代表了生物利用的第一阶段，与人体研究有很好的关联性。但是，这两个指标只适用于预测非血红素铁的生物利用度，因为胃肠道条件对血红素铁几乎没有影响。溶解性和透析性不涉及后续的矿物质吸收步骤，而且并非所有的可溶性矿物质都能被认为是生物可利用的，因此它们虽然能提供食物中可利用矿物质的指标，但并不能准确地反映全部的特性条件。

吸收性

吸收性是指某一矿物质可被某些细胞吸收的含量在食物总含量中的比例。吸收性通常通过组织培养模型来确定，组织培养模型用于模拟人体对矿物质的第二阶段生物利用（即吸收）。人结肠腺癌（Caco-2）细胞系是最常用的一种细胞系，用于研究矿物质的运输和吸收。在适当的条件下，Caco-2细胞自发分化成极化的肠细胞样单层。它们表现出许多特征，如刷状缘微绒毛的形成和刷状缘相关酶的存在，类似于小肠细胞。其他细胞，如人结肠腺癌（HT-29）或大鼠小肠（IEC-6）细胞，也被用于这一目的。

体内试验

目前，矿物质生物利用度的体内试验（以人体或动物为基础）主要包括平衡研究、血清和尿液中矿物质浓度测定、组织指标制定、相对基因或蛋白质的表达研究等。体内试验主要为人类营养学家所采用，在食品科学研究中并不普及。

血清和/或尿液中的矿物质增量

摄入24 h后，血清中矿物质浓度的增量被定义为“矿物质生物利用度”。其原理与药代动力学有关：一次性口服药物后，药物被吸收并逐渐进入血液循环，使血清中的浓度增加，矿物质的作用与此类似。

吸收性增量通常只趋向于已有的一小部分，稳态力会主动抑制吸收性上升。对钙的研究表明，血清钙在1 h开始上升，5 h达到高峰，但总体上只比基线增加5%。因此，血清的方法要求剂量水平通常被认为是药理水平而非生理水平，可以获得明显的反应。简单、快速、操作方便是该方法的主要优点。同时价格低廉，适合多次检测，但往往信噪比较低。

组织指标

人体组织也可根据其与矿物质沉积相关的特定位置作为矿物质吸收指标。根据所研究的微量元素，组织中的矿物质、全身质量、骨质量和/或肝脏浓度都可以作为指标。

Summary

本综述提到的所有方法都适用于动物模型和人类模型，当然，两者之间也存在一些差异。将某些结果从动物模型推断到人类，可能会有一定的挑战性或限制性。小鼠模型是最常用的（也是最经济的）模型，与猪等其他动物模型相比，它代表了与人体较大的差异。老鼠从植物性食物中吸收矿物质的效率比人类高得多，可以用来粗略估计某些食物中的生物可利用矿物质。人体模型是最真实的，但由于个体差异和征集志愿者的难度，动物模型被更多地使用。同时，细胞培养和体外消化模型的结合为研究提供了一种选择，基于伦理考虑，在人类和动物身上进行的研究往往具有挑战性。

在矿物质生物利用度的研究中，所选择的技术（体内或体外）往往是由研究者可用的资源预先决定的。没有一种生物利用度方法是所有微量营养素的理想选择，所有的生物利用度方法都有其优势和局限性，如果进行得当和仔细解释，它们都有可能提供有价值的信息。所需的设备、劳动力和动物成本以及可用的资金都在选择方法时发挥着重要作用。鉴于矿物质营养研究的需要（以及进行研究的经济限制），在将获得的信息应用于人体临床试验之前，有必要首先利用体外和动物模型。

Approaches to evaluate nutrition of minerals in food

Xuan Wanga, Yifan Hea, Qian Gaoa, Dong Yanga,b, Jianfen Lianga,b,*

a College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China

b Beijing Key Laboratory of Functional Food from Plant Resources, Beijing 100083, China

*Corresponding author at: China Agricultural University (East Campus), China.

E-mail address: liangjf@cau.edu.cn

Abstract

Numerous techniques have been developed to determine the bioavailability of minerals. Each method has specific detection objects with certain procedures to assure the results. This review focuses on a comprehensive comparison of the applications, advantages, and critical control points of these techniques. The commonly used approaches for assessing mineral bioavailability can be divided into three categories - chemical methods, in vitro models and in vivo tests. Chemical methods are first developed, and mainly simulating the digestion environment to give a rough prediction of mineral bioavailability. In vitro models mainly used different cells to simulate the process and environment of food digestion to assess the availability of minerals. In vivo tests are employing complex models to observe the bioavailability of minerals after complicated digestive process in animal models or human volunteers. This review summarizes the critical points of establishment of these relevant models, compares the advantages and limitations among three categories. Although no single bioavailability method is ideal for all micronutrients, certain methods under proper operation can indeed be employed to minimize the differences between simulated results and reality for effective evaluation of the bioavailability of minerals.

该文章《Approaches to evaluate nutrition of minerals in food》发表于Food Science and Human Wellness 2021年第2期141-148页。点击下方阅读原文即可查看摘要原文。

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翻译：梁安琪；编辑：袁艺；责编：张睿梅

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