FSHW：評價食品中礦物質營養的方法

Introduction

微量營養素缺乏症（主要是礦物質）影響着世界上50%以上的人口，特別是在中低收入國家。礦物質在人體的新陳代謝和平衡中具有多種功能和潛力，如建立強壯的骨骼、製造不同的激素、傳遞神經衝動和成爲許多酶的結構部分。鐵（Fe）缺乏是世界上最普遍的膳食微量營養素不足，其原因是鐵攝入不足、鐵吸收不良和/或額外的膳食鐵需求，如妊娠需要。膳食鋅缺乏症影響着全球約17%的人口，這是最常見的微量營養素缺乏症，主要基於以穀類爲主的膳食和動物產品的低消費，導致鋅的生物利用率低。骨質疏鬆症是僅次於心血管疾病的全球性健康問題和醫學研究重點，這主要與膳食中長期缺鈣有關。

許多生理和飲食變量都可能影響礦物質的生物利用率。食物是攝取礦物質的唯一來源，然而，並不是所有食物中的礦物質都能被吸收，從而通過人體細胞用於平時的生理功能。礦物質在通過消化系統的過程中，會與其在食物中的化學環境和其他成分發生強烈的相互作用。

改善礦物質營養的方法有：1）在保持營養物質生物利用度的同時，提高其濃度；2）在保持濃度的同時，提高生物利用度；或3）同時提高礦物質的濃度和生物利用度。雖然礦物質的生物利用度不容易評估和直觀表達，但其效果已被多種研究模式和方法所探索。根據其原理、涉及的主要材料和操作手段，將這些礦物質生物利用度評估模型和方法分爲三類：化學方法、體外模型和體內試驗程序。中國農業大學的Xuan Wang、Jianfen Liang等在本綜述論述了每種方法的發展歷程，總結了相關模型建立過程中的關鍵點，比較了三類方法之間的優缺點，最後重點介紹了每種方法的應用。

化學方法

化學方法以HCl可萃取性（HCl-E）作爲可用礦物質的指標。迄今爲止，它是最早開發、最簡單、最經濟的研究礦物質營養的方法。模型模擬了人體胃系統和相應的胃環境食物經過。這種方法也被用來研究食品加工過程（如發芽、發酵、浸泡、脫殼和蒸煮）的影響，以及成分（如植酸和多酚）對穀物和豆類礦物營養的影響。該模型用於確定食物礦物質在體內的溶解率，但沒有適當考慮消化道中酶的作用和實際利用的礦物質。因此，一些研究者引入胃蛋白酶和胰蛋白酶來模擬消化酶的作用。總的來說，這種模型的準確性和應用是有限的。

體外模型

體外模型是一種快速且相對準確的礦物質可利用性評估模型，是目前食品營養研究中最常用的模型。溶解度、透析性和吸收性是最常用的參數。

透析性

透析性是指經過體外消化程序後，能穿過6～8 kDa分子量截止的半透膜的礦物質比例。與溶解度相比，透析性的性質更穩定，重現性更好。體外溶解度和透析性代表了生物利用的第一階段，與人體研究有很好的關聯性。但是，這兩個指標只適用於預測非血紅素鐵的生物利用度，因爲胃腸道條件對血紅素鐵幾乎沒有影響。溶解性和透析性不涉及後續的礦物質吸收步驟，而且並非所有的可溶性礦物質都能被認爲是生物可利用的，因此它們雖然能提供食物中可利用礦物質的指標，但並不能準確地反映全部的特性條件。

吸收性

吸收性是指某一礦物質可被某些細胞吸收的含量在食物總含量中的比例。吸收性通常通過組織培養模型來確定，組織培養模型用於模擬人體對礦物質的第二階段生物利用（即吸收）。人結腸腺癌（Caco-2）細胞系是最常用的一種細胞系，用於研究礦物質的運輸和吸收。在適當的條件下，Caco-2細胞自發分化成極化的腸細胞樣單層。它們表現出許多特徵，如刷狀緣微絨毛的形成和刷狀緣相關酶的存在，類似於小腸細胞。其他細胞，如人結腸腺癌（HT-29）或大鼠小腸（IEC-6）細胞，也被用於這一目的。

體內試驗

目前，礦物質生物利用度的體內試驗（以人體或動物爲基礎）主要包括平衡研究、血清和尿液中礦物質濃度測定、組織指標制定、相對基因或蛋白質的表達研究等。體內試驗主要爲人類營養學家所採用，在食品科學研究中並不普及。

血清和/或尿液中的礦物質增量

攝入24 h後，血清中礦物質濃度的增量被定義爲“礦物質生物利用度”。其原理與藥代動力學有關：一次性口服藥物後，藥物被吸收並逐漸進入血液循環，使血清中的濃度增加，礦物質的作用與此類似。

吸收性增量通常只趨向於已有的一小部分，穩態力會主動抑制吸收性上升。對鈣的研究表明，血清鈣在1 h開始上升，5 h達到高峰，但總體上只比基線增加5%。因此，血清的方法要求劑量水平通常被認爲是藥理水平而非生理水平，可以獲得明顯的反應。簡單、快速、操作方便是該方法的主要優點。同時價格低廉，適合多次檢測，但往往信噪比較低。

組織指標

人體組織也可根據其與礦物質沉積相關的特定位置作爲礦物質吸收指標。根據所研究的微量元素，組織中的礦物質、全身質量、骨質量和/或肝臟濃度都可以作爲指標。

Summary

本綜述提到的所有方法都適用於動物模型和人類模型，當然，兩者之間也存在一些差異。將某些結果從動物模型推斷到人類，可能會有一定的挑戰性或限制性。小鼠模型是最常用的（也是最經濟的）模型，與豬等其他動物模型相比，它代表了與人體較大的差異。老鼠從植物性食物中吸收礦物質的效率比人類高得多，可以用來粗略估計某些食物中的生物可利用礦物質。人體模型是最真實的，但由於個體差異和徵集志願者的難度，動物模型被更多地使用。同時，細胞培養和體外消化模型的結合爲研究提供了一種選擇，基於倫理考慮，在人類和動物身上進行的研究往往具有挑戰性。

在礦物質生物利用度的研究中，所選擇的技術（體內或體外）往往是由研究者可用的資源預先決定的。沒有一種生物利用度方法是所有微量營養素的理想選擇，所有的生物利用度方法都有其優勢和侷限性，如果進行得當和仔細解釋，它們都有可能提供有價值的信息。所需的設備、勞動力和動物成本以及可用的資金都在選擇方法時發揮着重要作用。鑑於礦物質營養研究的需要（以及進行研究的經濟限制），在將獲得的信息應用於人體臨牀試驗之前，有必要首先利用體外和動物模型。

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.

該文章《Approaches to evaluate nutrition of minerals in food》發表於Food Science and Human Wellness 2021年第2期141-148頁。點擊下方閱讀原文即可查看摘要原文。

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翻譯：樑安琪；編輯：袁藝；責編：張睿梅

圖片來源於文章原文及百度圖片

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