基于食品大分子结构组装的载铁复合物研究进展

铁元素在人体中含量约为0.004%，是人体进行生命活动必需的微量元素之一。作为氧和能量代谢所必需的许多蛋白质和酶的辅助因子，其在人体代谢过程中发挥着不可或缺的作用。铁稳态的破坏与各种人类疾病相关：由铁元素获得或分布缺陷导致的铁缺乏会引起贫血；由过量的铁吸收或使用不良引起的铁过量会导致异常组织铁沉积，从而引起氧化损伤等。人体利用不同机制来调节生理代谢系统和细胞水平的铁稳态，主要利用铁调素和铁调节蛋白共同确保机体铁稳态平衡。

饮食中铁摄入不足和食物中铁元素的低利用率是导致铁缺乏的主要原因，通过铁补充剂或食品强化的方法增加铁摄入量是解决该问题的有效方法。当前食品工业中应用最为广泛的食品铁强化剂为传统铁强化剂，但传统强化剂因溶解性差、异味、促氧化等问题使铁强化食品易发生品质劣变，且消费者适应性低。湖北工业大学生物工程与食品学院的徐 凯、姚晓琳*等人从食品中铁强化特性、铁元素的吸收特性、铁强化剂的发展历程等方面进行综述，将重点归纳基于食品大分子结构化组装构建铁强化剂的原理和优势，对发展新型复合铁强化食品配料技术具有重要的指导意义。

1、食品中铁强化特性

食物中的无机铁盐被机体摄入后，在强酸性胃液中被水解成铁离子，随食糜一起进入十二指肠和小肠待吸收。肠壁细胞对带正电荷的铁离子有一定排斥作用，导致部分铁离子不仅无法被吸收，还会对肠道产生刺激，引起机体肠道体系紊乱。不同金属离子间的拮抗作用也会限制体内铁离子利用率和沉积效率，导致其生物利用度下降。此外，无机铁盐因其带有结晶水及其他固有特性，易氧化褐变，作为食品铁强化剂极不稳定。含结晶水的无机铁盐对食物中维生素有很大的破坏作用，易使维生素氧化降解，因此需要超量添加维生素，从而提高了成本。传统食品铁强化剂，如硫酸亚铁、乙二胺四乙酸钠铁等水溶性无机铁盐，易引起食品感官劣变及胃肠道不适，消费者适应性差，且在铁代谢吸收过程中转化效率变化范围较大，影响其生物利用度。对于焦磷酸铁和富马酸亚铁等难溶性铁盐，其性质较稳定，是目前在食品配方中广泛应用的铁强化剂，但在液态食物中不溶或聚集的特性导致其生物利用度很低。

2、铁元素的吸收特性

铁稳态调节机制

铁元素在生命活动中是必不可少的，但其易得失电子的能力会促进高活性氧的产生，损伤组成生物体的基本生物大分子（如蛋白质、脂质等）。铁稳态是由复杂的铁吸收过程来维持，包括十二指肠的铁吸收、巨噬细胞参与的铁循环、肝脏中的铁储存等。激素Hepcidin可通过抑制铁吸收和体细胞中的铁活性对机体铁稳态发挥调节作用。Hepcidin通过与卟啉铁结合并诱导其降解，从而抑制靶细胞（肝细胞、巨噬细胞和肠细胞）中铁的释放。图1主要描绘了铁元素在十二指肠上皮细胞的吸收机制，可溶的Fe2+直接通过二价金属转运蛋白-1（DMT-1）转运到肠细胞；而Fe3+首先与黏蛋白结合，随后与β3-整合素和铁蛋白相互作用，穿过管腔膜并被内化后与黄素单加氧酶（Flavin-Mo）和β2-微球蛋白（β2-m）结合形成铁蛋白复合物，其中Fe3+被还原为Fe2+，最终可以通过DMT-1输出到胞浆中。

铁吸收机制

非血红素铁的吸收机制

非血红素铁复合物被人体摄入后，由于胃蛋白酶和消化酶作用，其在胃液中被水解为铁离子，以离子形式进入肠道并在十二指肠部位被吸收（图2）。非血红素铁在肠道的吸收机制为：先利用抗坏血酸、氨基酸或Cybrd1等还原物质促进铁离子还原成Fe2+，Fe2+由DMT-1转运摄取进入微绒毛膜上皮细胞。根据机体对铁元素的需求，可将铁分为直接吸收铁与储备铁两种形式：直接吸收铁是指Fe2+在基底膜处的膜铁转运蛋白辅助蛋白和铜蓝蛋白作用下形成Fe3+，以膜铁转运蛋白为载体由上皮细胞释放进入血液循环并转运；储备铁是指进入细胞的Fe2+与蛋白结合，形成稳定铁蛋白储存在机体内。

血红素铁的吸收机制

血红素铁的吸收几乎不受饮食因素的影响，且大部分是以铁复合物完整分子形式被吸收。其原因是在十二指肠上皮细胞的刷状边缘处存在HCP-1，其比血红素对叶酸的亲和力更高。一旦进入消化系统，血红素铁即被血氧合酶在细胞内释放，遵循与非血红素铁相同的吸收途径。研究表明，血红素铁将通过卟啉输出蛋白导出到血浆中，以血凝素形式捕获和递送，这种涉及血红素复合物CD91受体的机制可能是次要途径。

3、传统铁强化剂

第一代铁强化剂

第一代铁强化剂是以硫酸亚铁、焦磷酸铁为代表的无机铁盐类。该类铁强化剂铁相对含量高，价格低，但性质极不稳定，易使食品基质中的脂质、维生素等敏感成分氧化降解，造成食品变质、变色等不良影响；具有浓重铁腥味，胃肠刺激强烈；生物利用度低，稳定性差，在铁代谢吸收过程中转化效率变化范围较大。硫酸亚铁的生物利用度常被作为铁强化剂的参考基准，但其氧化程度取决于环境条件，易造成人体胃肠不适。

第二代铁强化剂

第二代铁强化剂即小分子有机酸盐类，包括乳酸亚铁、柠檬酸亚铁、富马酸亚铁、琥珀酸亚铁等。与第一代铁强化剂相比，此类铁强化剂可避免铁离子在胃中瞬间浓度过大，对胃肠的剌激作用降低，且其与食品基质不易发生反应。但亚铁盐性质不稳定，存在铁腥味和易使食品变色等问题，生产与贮存难度大。并且有证据表明第一代和第二代铁强化剂在体内可产生大量游离亚铁离子，易通过Fenton反应产生内源性羟自由基，可能导致由细胞膜脂质过氧化而造成细胞膜损伤。

4、基于大分子结构组装的新型铁复合物

氨基酸铁

近年来，人们普遍关注用于制备铁补充剂的氨基酸如甘氨酸、苏氨酸等，可提高铁的生物利用度。氨基酸与可溶性亚铁盐按一定物质的量比例反应所制备的氨基酸-铁螯合物被称为氨基酸铁，具有由氨基酸的氨基和羧基与亚铁离子形成的五元或六元“环状结构”。甘氨酸是最简单的非必需氨基酸，可与多种金属离子（Mn 2+ 、Co 2+ 、Zn 2+ 等）形成螯合环。该复合物结构稳定且具有良好生物利用度，如铁或锌离子的甘氨酸螯合物。

多肽铁

多肽铁螯合物是一种以蛋白质水解产物多肽为原料，与铁离子络合形成的具有环状结构的有机化合物，它是由铁离子按一定物质的量比例通过共价键与肽类结合而成。多肽的结构特征，包括分子质量、氨基酸组成和排列方式等是决定其铁螯合活性的主要因素。铁螯合肽来源于各种蛋白质，其分子质量分布在300～1 500 Da之间，该分子质量范围内的肽通常对铁离子具有较高亲和力。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、组氨酸、甲硫氨酸、丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸等的活性基团在铁螯合肽中起重要作用，其共同点在于精氨酸残基的羧基端参与了络合作用。

多糖铁

目前多糖铁复合物的研究大多集中在三价铁离子络合物，多糖铁复合物的结构决定了铁离子包载形式，而铁离子在体系中的存在形式对其感官性、稳定性和生物利用度影响显著。以天然多糖配体制备的多糖铁复合物（如茶多糖铁、当归多糖铁、木耳多糖铁等）具有高水溶性、对胃肠黏膜刺激小、吸收率与硫酸亚铁相当、在十二指肠被吸收且呈稳定的可溶状态等优点。多糖铁被体内还原性物质如VC等还原成亚铁离子被吸收利用，临床疗效显著，不良反应少。

蛋白铁

Bolisetty等研究表明，酸性条件下带正电的β-乳球蛋白与带负电的Fe 3 O 4 磁性纳米粒可形成静电复合物，在不同pH值下热诱导形成不同形貌聚集体，如纤维状（pH 3.0）、球状（pH 4.5），该蛋白铁复合物在磁场作用下呈现出有序排列和溶胶-凝胶间的可逆转变（图5）。β-乳球蛋白在pH 2.0、90 ℃作用5 h后生成的β-乳球蛋白纤维与Fe 3+ 发生静电结合，Fe 3+ 在蛋白纤维上聚集并原位还原形成亚铁离子纳米颗粒（图6），呈现出良好的水分散性。在模拟胃肠液消化中可快速释放铁离子，在Caco-2肠上皮细胞和动物实验中显示出具有与硫酸亚铁相近的血红蛋白转化量，呈现高生物利用度和生物安全性，且对食品感官影响较小。

5、铁包载微粒

脂质体

脂质体是由一层或多层包裹着水核心的磷脂双层组成的球形颗粒（尺寸为20 nm～2 μm）。脂质体固有的亲脂性可以促进颗粒在小肠细胞的双分子脂质膜上转运，其还具有生物黏附特性，易黏附在胃肠道上从而增加细胞摄取的可能性。一些研究表明，脂类化合物能提高肠道药物的生物利用度，通过减少外排转运蛋白，如位于根尖肠黏膜上的p-糖蛋白，从而改变胃肠道屏障功能的通透性。脂质体在体内容易被吸收和降解，提高其吸收效率可以改善被封装的保健食品化合物的生物利用度、稳定性、持续释放能力和细胞抗氧化活性。

固体脂质微粒

固体脂质微粒由脂质化合物（三酰甘油、脂肪酸、类固醇、蜡和油）和表面活性剂组成，按其组成方式可大致分为3 种类型：1）固体脂质颗粒I型。其为齐次矩阵模型，活性药物成分（API）呈分子状分散在脂质核中或以非晶态团簇的形式存在，该模型是由脂质和其熔点之上的API通过冷高压均质技术形成，具有可控释放特性。2）固体脂质颗粒II型。其为API富集壳型，在均质纳米乳冷却过程中脂质相先析出，API在剩余熔融脂质中的浓度稳步增加。当API在剩余熔融脂质中达到饱和溶解度时，形成无API脂核，含有API的脂质外壳将在含有少量API脂核的周围凝固。该模型不适用于API的缓释，可用于突释。3）固体脂质颗粒III型。其为API强化核心模型，该模型是在API浓度接近或达到饱和的熔融脂质中形成。在纳米乳液冷却过程中，API溶解度会降低。当溶液中的API呈现过饱和状态时，就会被几乎不含API的脂质外壳覆盖，API因被固定在脂质核心中，故可用于实现API的缓释。

凝胶微粒

凝胶微粒的网络结构使其既具有软固体的刚性，又具有对小分子/离子的渗透性，可用于微量营养素或功效成分的缓释。Xia Shuqin等采用离子凝胶法制备了包载硫酸亚铁的海藻酸钙纳米微球，有效提高了硫酸亚铁的生物利用度及感官稳定性。Yao Xiaoxue等研究发现沙蒿多糖与铁离子间存在特异性结合，可形成网络状凝胶，其凝胶结构的形成可能是由于沙蒿多糖与Fe 3+ 通过配位键络合。

结 语

基于食品大分子结构化组装构建载铁胶体微结构，在改善铁离子异味、不稳定、胃肠刺激、吸收率低等方面均呈现较大潜力，将作为传统铁强化剂的替代品。本文立足于传统食品铁强化剂在食品配方应用中存在的难题，对近年来在铁强化剂结构设计方面的研究进行了综述，阐明了不同铁复合物的构建机制，聚焦铁复合物结构对其感官稳定性、氧化稳定性及生物利用度的影响。大分子螯合铁和铁包载微粒是目前铁强化剂的重要发展方向，旨在构建感官稳定性好、生物利用度高的载铁复合物。大分子螯合铁可掩蔽铁腥味，但其仍可能导致食物品质劣变。铁包载微粒虽可减少铁离子与食物基质的相互作用，生物利用度高、稳定性好，但其生产工艺复杂且成本较高。因此，在进行铁强化剂结构设计时，需深入了解食品基质特点、食品加工方法等因素，并结合载铁复合物在体内的消化动力学特性，为构建新型载铁复合物提供理论依据。

本文《基于食品大分子结构组装的载铁复合物研究进展》来源于《食品科学》2021年42卷7期283-291页，作者：徐凯，姚晓琳，刘华兵，姚晓雪，陈晓雨，刘宁，李娜。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200331-450。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

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修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

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