食品成分的体内安全性研究进展

张拥军，蒋家新

食品成分的体内安全性研究进展

张拥军，蒋家新*

(中国计量学院生命科学学院，浙江 杭州 310018)

食品是一个非常复杂的有机体，食品进入体内会对机体产生何种影响，不仅与食品本身的化学组成、黏度等因素有关，还与食品在机体内存留的数量、分布位置及其在机体被消除的速率等因素有关。本文对食品中的抗营养因子、营养成分以及有害成分在体内安全性的国内外研究现状进行综述。

食品；抗营养因子；营养成分；有害成分；体内安全性

国内外关于食品安全的研究表明，食品安全是一个不断发展的概念，甚至在同一国家的不同发展阶段，由于食品安全系统的风险程度不同，食品安全的内容和目标也不同。同时，食品安全也是一个综合概念，影响食品安全的因素很多，从表征原因看主要有微生物污染、滥用或不当使用添加剂、非法使用非添加剂物质、环境污染、生产与流通过程不符合食品安全控制要求；从深层次原因看主要有法律体系不健全、监管制度不完善、生产者法律意识淡薄、消费者健康营养知识缺乏、生产和流通过程中生产者、管理者和消费者之间的信息不对称等。由于这些因素无不存在于食品生产、加工、流通、销售、消费等环节，国内外现有关于解决食品安全问题的方法与对策研究主要从食品安全管理体系、政府监管、食品安全控制模式3方面展开。

从目前食品安全关注的热点来看，食品安全研究的重点主要还在食品从“农场到餐桌”的全过程的质量与安全控制，对食品进入体内以后的安全问题主要是针对食品中的有害成分进行动物毒理学实验，而对食品中的抗营养因子、相对无害无毒成分甚至某些营养成分进入体内的安全性评价，以及食品的物理特性对其食用安全性的有害影响还缺少系统的、针对性的研究。本文主要对食品中抗营养因子、营养成分以及有害成分在人体内安全性研究现状进行综述。

1 食品中的抗营养因子在体内的安全性研究现状

抗营养因子指机体吸收所需营养成分或元素的过程中，出现对抗吸收的现象，对抗方式有减少有效成分吸收、降低营养成分质量、排泄过度营养元素、转化营养成分为有害物质、抑制营养成分发挥作用等。食品中的某些成分如皂素、酚类、植酸、草酸、抗真菌蛋白、酶抑制剂等在常规食品中存在时会影响食品中有效成分的吸收利用，但同时这些成分又具有一定的生理活性，可有效地在功能食品、医药及农业上应用。以下主要介绍这些成分在体内的安全性研究进展。

1.1 植酸

植酸(phytanic acid)又称肌酸，化学名为1,2,3,4,5,6-六全亚磷酸氧环己烷。它主要存在于植物的籽、根和茎中，以豆科植物的籽、谷物的麸皮和胚芽中含量最高。植酸具有12个可解离的H质子，其中6个是强酸性，在水溶液中是完全解离的，它可以与大多数金属离子生成配合物，配合物的稳定性与金属离子的性质及体内的酸碱性有密切的关系。植酸同大多数重金属生成微溶性的配合物，特别是当有Ca2+存在时，可促进生成Zn-Ca-植酸混合金属配合物，这种三元配合物在pH3～9的范围内溶解度很小，以沉淀形式析出，其中在pH6时溶解度最小。但小肠吸收必需微量元素主要部位的十二指肠和空肠的上半部其pH值也在6左右，而且植酸在单胃动物中并不为小肠的细菌所降解，在整个小肠内仍然保持完整的结构，然后经大肠排出体外。当摄入植酸盐含量较高的食物时，会出现钙、磷、镁、锌、铁等的缺乏症[1-3]。如1g植酸可络合500mg铁离子[4]，1g植酸可与3～6g钙在肠道pH值条件下形成不溶性的植酸钙盐[5]。同时，植酸除影响食品中微量元素的吸收外，未被配位的植酸还有结合由胰液、胆汁等各种脏器向小肠分泌排出的内源性Zn、Cu等元素。可见植酸不但影响食物源中微量元素的利用度，还阻碍了内源性微量元素的再吸收。

植酸具有很强的螯合能力，有6个带负电的磷酸根基团，能与蛋白质分子进行有效配位，从而降低动物对蛋白质的消化率。同时，当植酸、金属离子及蛋白质形成三元复合物时，不仅溶解度很低，而且消化利用率大为下降。

1.2 草酸

草酸又名乙二酸，广泛存在于植物源食品中。草酸根有很强的配位作用，当草酸与一些碱土金属元素结合时，其溶解性大大降低，因此草酸的存在对必需矿物质元素的生物有效性有很大影响。草酸在体内的有害性体现在两个方面：一是食用草酸含量较多的食品有造成尿道结石的危险；二是使必需矿质元素的生物有效性降低。另外，虽然高草酸尿是尿路结石形成的危险因素，但许多食品含有的草酸量及草酸前体物质的量尚未明确，人们日常饮食中，富含草酸的食物有菠菜、巧克力、花生、茶等。其中，菠菜的摄取过量将引起健康人发生高草酸尿，草酸的吸收也受同时摄入的钙和脂肪的影响。另外，草酸的吸收还与肠道内草酸分解菌有关，作为草酸分解菌的产甲酸草酸杆菌(Oxalobacter formigenes)的存在率与结石的发生频率相关，应用抗生素类物质可使草酸分解菌减少，这也提示其引起高草酸尿的可能性[6]。

1.3 多酚类化合物

多酚类化合物在体内的抗营养性主要表现在两方面：一是与必需金属元素的配位作用[7]，它们对人体必需的过渡金属元素的配位作用表现为以下顺序：Al3+＞Zn2+＞Fe3+＞Mg2+＞Ca2+，多酚与这类过渡金属元素的配位作用必然影响金属元素的生物有效性；二是多酚类对蛋白质及酶的配位沉淀作用，产生对食品利用率的抑制作用，其原因一是多酚类能明显地抑制消化酶[8]，如果胶酶、淀粉酶、脂肪酶、蛋白水解酶、纤维素酶等酶活性，影响多糖类、蛋白质及脂类等成分的吸收；二是消化道中多酚类物质可与一些生物大分子形成复合物，降低了这些复合物的消化吸收[9]。

但同时多酚类又是天然的抗氧化剂[10]，其抗氧化机理：一是多酚类具有转移氢原子的能力，可作为链断裂抗氧化剂；二是多酚类能配位过渡金属离子而抑制自由基的形成。

1.4 消化酶抑制剂

消化酶抑制剂主要有蛋白酶抑制剂(包括金属蛋白酶抑制剂、丝氨酸蛋白酶抑制剂、半胱氨酸蛋白酶抑制剂和天冬氨酸蛋白酶抑制剂)和α-淀粉抑制剂。消化酶抑制剂在体内能抑制人体对营养成分的消化吸收，甚至危及人体的健康，如食用生豆会引起恶心、呕吐等不良症状。但同时消化酶抑制剂在体内又具有一定的生理功能[11]，如在正常生理情况下，蛋白酶/蛋白酶抑制剂比例相对稳定，在异常生理情况下，基因的不稳定增加，导致蛋白酶/蛋白酶抑制剂的平衡被打破，可以诱发血管、感染、神经系统疾病等，同时蛋白酶/蛋白酶抑制剂的失衡还与炎症及致癌作用有关。又如素食者中乳腺癌、结肠癌和前列腺癌的发病率均较低，流行病学调查发现种籽类食品对这些癌症的发生具有防御作用[6]。美国纽约大学的一位学者通过实验发现，大豆中的蛋白酶抑制剂可以抑制皮肤癌、膀肤癌，对乳腺癌的抑制效果可达50%[12]。宾夕法尼亚大学的Kennedy等[13]从大豆提取的BBIC(bowman-birk inhibitor concentrate)，可以防止和转化生成癌细胞，同时降低化学疗法和放射对动物的毒性效果。

目前对消化酶抑制剂的作用机理报道不多，其中对蛋白酶抑制剂与其靶酶的作用机理近年才研究清楚，作用方式主要有以下3种：一是互补型，抑制剂占据靶酶的识别位点与结合部位，并与酶的活性基团形成氢键而封闭靶酶的活性中心，如胰蛋白酶抑制剂；二是相伴型，抑制剂分子不占据靶酶的识别位点，而是与酶分子并列“相伴”，并在与酶的活性基团形成氢键的同时封锁酶与底物的结合部位，如凝血酶抑制剂；三是覆盖型，抑制剂以类似线性分子的形式覆盖到靶酶活性中心附近的区域上，从而阻止酶的活性中心与底物接触，如木瓜蛋白酶抑制剂。

2 食品中的营养成分在体内的安全性研究现状

食品中的各类营养成分在体内发挥着重要的生理作用，人体正常的生长发育与生命维持都离不开这些营养物质，但随着研究的不断深入，有些人体必不可少的重要营养物质在体内代谢后也会产生对机体健康不利的影响，阐述如下。

2.1 碳水化合物和蛋白质体内菌群发酵的安全性

碳水化合物和蛋白质是人体必需的两类重要的营养物质，但经体内细菌在厌氧环境下降解代谢后却产生不同的生理效应，肠道菌群发酵过程的简易图谱如图1所示。

图1 肠道菌群对碳水化合物和蛋白质的发酵过程简图[14]Fig.1 Scheme of the fermentation process of carbohydrates and proteins by colonic microbiota[14]

大肠菌群是一个多样性极高的细菌群落，碳水化合物的发酵是由很多种不同的细菌完成，肠道菌群发酵碳水化合物主要的终产物是短链脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸和丁酸。菌群发酵也产生戊酸和己酸，但产量较其他3种短链脂肪酸少很多。结肠内菌群产生的95%的短链脂肪酸都被肠壁快速吸收并供宿主使用。短链脂肪酸是结肠黏膜上皮细胞的能量来源，尤其丁酸是被优先使用的能源物质，黏膜上皮细胞所需能量的70%来源于丁酸的氧化[15]。同时，菌群发酵产生的丁酸有重要的生理功能，如Siavoshian[16]发现丁酸盐可以抑制结肠上皮细胞的增殖、促进结肠上皮细胞系的分化；Hamer等[17]发现碳水化合物在健康人结肠内发酵产生的丁酸盐具有氧化应激作用；Markus等[18]发现在小肠不能消化的果胶，在结肠被肠道菌发酵产生的丁酸盐具有预防结肠直肠癌的作用；Gibson[19]发现丁酸钠可以抑制结肠癌细胞系LIM1215的增殖。丁酸可以加快细胞周期的停止、并促进转化细胞的凋亡，此外丁酸通过降低了结肠内的pH值，抑制组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase)活性，抑制菌群把初级胆汁酸转化为次级胆汁酸，最终降低结肠癌的患病几率。

虽然菌群发酵氨基酸和蛋白质的主要产物仍旧是短链脂肪酸，但许多其他产物(氨气、酚类和吲哚、胺类、硫化氢)是对宿主有害的。如Lin等[20]给大鼠结肠中灌注35mmol/L的氨气，发现结肠黏膜上皮细胞的正常形态被破坏，细胞发生脱落，细胞中的DNA和碳水化合物发生显著的流失，说明氨气可以改变肠道上皮细胞的形态和代谢、影响D N A合成并缩短细胞的寿命。Kikugawa等[21]在体外发现酚类化合物与亚硝酸盐在微酸性环境下可以反应生成p-叠氮喹啉(p-diazoquinone)，而p-叠氮喹啉对鼠伤寒沙门氏菌TA98和TA100菌株致突变作用，提示肠道菌群产生的酚类化合物和吲哚类物质可以成为辅致癌剂(co-carcinogens)。因此一般认为体内菌群对蛋白质发酵不利于宿主健康。

2.2 胆酸及食品成分体内细菌转化的安全性

胆汁酸(bile acids)首先由肝脏合成并被分泌到小肠中。95%的胆汁酸都在远端回肠部分被重新吸收，剩余的5%的胆汁酸就进入大肠，大肠中细菌产生的酶(如7α-脱羟基酶)对这些胆汁酸进行修饰，如去耦合、去羟基化，成为次级胆酸。Summerton[22]将饲喂致癌剂azoxymethane的大鼠分为两组，一组在直肠中滴注脱氧胆酸(deoxycholic acid，为次级胆汁酸的一种)；另一组在直肠中滴注盐水，作为对照。结果发现直肠滴注脱氧胆酸的大鼠的远端结肠生有更多的肿瘤，所以认为次级胆酸可以促使肿瘤的形成。

食物和药物中的一些疏水性分子在肝脏中被加上羟基而被氧化，并与糖醛酸、硫酸基团或者谷胱甘肽偶合，从而增加了这些分子的水溶性，促使它们通过胆汁排出肝脏，进入肠道。肠道菌群会将食物中一些外源复合物(xenobiotic)进行转化，产生诱导细胞突变或有毒的代谢物[23]。如环己氨基磺酸盐(cyclamate)作为食物糖精本身没有致癌性，但研究发现食用cyclamate后在尿液中会排出致癌物质环己胺(cyclohexylamine)。Drasar等[24]把cyclamate与大鼠或兔子的肝脏、脾脏、肾脏和血细胞共培养，发现这些体细胞都不能代谢cyclamate，说明并不是宿主的体细胞把c y c l a m a t e转化为cyclohexylamine；但当把大鼠、兔子和人的粪便与cyclamate在厌氧条件下共孵育时发现cyclamate被转化为cyclohexylamine，说明肠道细菌可以把原本无害的物质转化为有害物质，危害人体健康。

2.3 膳食纤维在体内的安全性研究现状

几十年来对膳食纤维(dietary fiber，DF)的生理功能研究表明，DF具有许多重要的生物活性[25-26]，如可以预防肥胖症和肠道疾病，预防心血管疾病，降低血压，对糖尿病有治疗作用，有抗乳腺癌的作用，可以改变肠道系统中微生物群落组成，具有抗氧化性和清除自由基，提高人体免疫能力，改善和增进口腔、牙齿的功能等作用。但最近研究发现DF的不适当摄入，不仅会引起身体不适，而且还会影响人体对脂肪、蛋白质、无机盐和某些微量元素的吸收，进而造成骨骸、心脏、血液等脏器功能的损害，降低人体免疫抗病能力等营养不良症[27]。

2.3.1 膳食纤维对脂质代谢的影响

血清中胆固醇主要的分解途径是转化为胆酸，胆固醇和胆酸再由粪便排出体外。大量研究表明，胆固醇和胆酸的排出与DF的代谢有着极为密切的关系，多数研究报道DF有降血脂或体脂的作用[28-29]，这与DF影响脂质代谢而发挥保健作用是分不开的。但同时DF可能通过以下几个途径影响脂肪的吸收而影响人体营养素失衡：1)DF的食物充盈作用能引起膳食脂肪和能量摄入量的减少，尤其是饱和脂肪摄入量的减少；2)高DF膳食的摄入常常伴有粪中脂质排出量的增加，如具有凝胶特性的纤维在肠道内形成凝胶可以分隔、阻留脂质，影响脂质与消化酶及肠黏膜的接触；3)许多DF加速肠道运转，缩短了脂质食物在肠道的滞留期[30]。

2.3.2 膳食纤维对微量元素的作用

由于微量元素对人体的正常生理功能有重要影响，因此其代谢的变化对人体的营养状况有着不可忽略的作用。Luccia等[31]研究发现，给刚断乳的大鼠添加亚麻籽胶能降低它们对Ca的生物利用度，并对骨骼组成产生负面影响。Bozena等[32]发现膳食纤维在体内结合Ca和Mg的能力与pH值有很大关系。Urbano等[33]发现裙带菜类海藻能干扰机体对Ca、Mg、Zn、Fe、Na和K的消化吸收。但有文献报道，膳食纤维对铁、锌水平无明显影响[34]。

2.3.3 膳食纤维对蛋白质的影响

某些DF能降低小肠消化酶的作用，同时DF的物理屏障作用也对蛋白质的消化产生不良的影响[35]。由此可见，DF对蛋白质的代谢有负面的影响，但通过一些加工方法可以使蛋白质的吸收率提高。

2.3.4 膳食纤维引起人体不适

摄入膳食纤维，尤其是摄取那些凝胶性强的可溶性纤维，如瓜儿豆胶等，因为肠道细菌对纤维素的酵解作用产生挥发性脂肪酸、二氧化碳及甲烷等，大量摄入后可能会引起人体腹胀、胀气等不适反应[36]。

3 食品中有害成分在体内的生物转化研究现状

食品中的有害成分根据其来源可分为天然毒物、衍生毒物、污染物和添加毒物4类，其中衍生毒物是食物在储藏和加工烹调过程中产生的，污染物和添加毒物都属于外来的。食品中有害成分引起毒性效应的大小，不仅取决于其固有的毒性，还取决于它们在机体内存留的数量、分布位置及其在机体内消除的速率等，主要涉及生物体对有害物质的吸收、分布、转化、排泄及蓄积等代谢状况。有害物质吸收的主要器官是小肠，其分布主要取决于它们透过细胞膜的能力和它与各种血浆蛋白的结合能力。食品中有害成分被吸收后通常不是简单地平均分布到身体的3个水室中，而是复杂地结合到体内不同贮库内，如脂肪、肝、骨骼。食品中的有害成分进入体内后主要通过图2的途径进行生物转化，其中水溶性有害物质可不经生物转化即迅速排除，脂溶性有害物质需经生物转化后排除。Ⅰ相反应是有害物质经氧化、还原、水解以及其他降解反应成为极性更大的衍生物。Ⅱ相反应是一种或多种具有较高极性的内源物质与Ⅰ相反应代谢产物结合，形成分子质量更大的结合物，由胆汁或尿排出[37]。

膳食对食品中有害物质毒性的影响主要是通过其对有机体代谢活力的影响来实现。从理论上讲，任何一种营养物质的缺乏都可能导致有机体脱毒系统活力的降低，如VE是细胞色素P-450的基本成分——血红素合成的调节因子，VE缺乏可降低某些Ⅰ相反应的活性；VC缺乏可降低细胞色素P-450和NADPH/细胞色素P-450还原酶的活性，从而使肝对许多毒物的代谢活性下降。其他如蛋白质、矿物质等也影响有害物质的生物转化，这可能是营养不良者的肝脏对异源化学物质代谢量降低的原因之一[37]。

图2 异源物质代谢的模式图Fig.2 Metabolism mode of heterogenous substances

4 结 语

随着经济全球化和国际食品贸易的增长，食品安全问题已受到全球关注。保障食品安全已成为保护人类生命健康、提高人类生活质量、促进食品贸易和维护世界和平与发展的基础，食品安全己成为当今世界各国高度重视和优先考虑解决的重大问题。由于食品是一个非常复杂的有机体，食品进入体内会对机体产生何种影响，不仅与食品本身的化学组成、酸碱性等因素有关，还与食品在机体内存留的数量、分布位置及其在机体内消除的速率，以及食品与其他成分(如药物)的相互作用等因素有关。因此，食品安全问题不仅仅是食品本身所含有害物质的毒性效应，更应该关注食品成分在体内是否能引起毒性效应以及毒性效应的大小。从目前的研究看，关于食品的体内安全性方面的研究报道还很少，随着科学水平的不断进步以及人们对食品安全认识的不断加深，食品安全研究的外延应由传统的食品安全的体外研究逐步延伸至食品安全的体内研究。

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Research Progress on in vivo Safety of Food Ingredients

ZHANG Yong-Jun，JIANG Jia-xin*
(College of Life Sciences, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Food safety, especially in vivo situation, is essential for protecting the life and health of human. The function and impact of foods in human body are influenced by not only their chemical composition and relevant viscosity, but also their remaining quantity, location and distribution, and the metabolizing rate. This paper provides an overview to the recent research on in vivo safety of physical properties, antinutritional factors, nutrients, and the harmful components of foods in human body.

food；antinutritional factor；nutrients；harmful components；in vivo safety

TS201.6

A

1002-6630(2011)03-0272-05

2010-06-23

张拥军(1971—)，女，教授，博士，研究方向为农产品深加工与检测。E-mail：yjzhang@vip.163.com

*通信作者：蒋家新(1957—)，男，教授，学士，研究方向为食品安全。E-mail：jjx@cjlu.edu.cn