动物源富铁功能食品开发研究进展

郭 鎏，刘 栓，印遇龙，万 丹

（中国科学院亚热带农业生态研究所中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室畜禽养殖污染控制与资源化技术国家工程实验室，动物营养代谢过程与生理调控实验室，长沙 410125）

0 引言

世界卫生组织（WHO）和联合国儿童基金会（UNICEF）等国际组织联合发布的《2018年世界食品安全和营养报告》和《2019年世界儿童状况：儿童、食物与营养》指出，全球仍有超过1/2的人口正面临着微量营养素摄取不足，即“隐性饥饿”。微量营养素摄入不足导致的婴幼儿发育障碍和成年人免疫下降、肥胖和贫血等问题日趋严重[1]，学龄前儿童、孕龄女性的贫血比例更是高达1/3。提高农副产品中微量营养素的含量和利用效率，尤其是铁的含量和生物有效性，对解决“隐性饥饿”这一人类营养与健康问题具有重大的科学和实践意义。

铁被誉为“生命元素”，约占动物体重的0.01%，是解决人群“贫血”问题的关键营养素。铁的缺乏通常导致机体的氧气运输和造血过程受阻、金属酶的合成与功能异常、能量代谢障碍、机体免疫功能下降[2-3]。中国营养学会推荐的中国居民铁的摄入量为15～25 mg/天。人体铁缺乏与膳食中铁含量及生物有效性的高低密切相关。因此，通过在食品中添加铁增加食品中铁含量是解决人体铁缺乏问题的一种途径，现在国内外研究学者从许多方面探讨植物食品增加铁含量的途径和方法，并取得较大的进展和功效，但动物食品增加铁含量的途径和方法鲜有研究。家养动物是无机/植物源铁源的消费者，也是人类有机铁源的供给者。研究动物对日粮中铁的利用效率对提高动物源铁供给能力和指导人类膳食铁营养具有双重意义。因此，本研究通过综述铁在畜禽体内的形态、代谢和分布特征，对比主要铁源的生物利用效率，并探讨富铁动物性食品的开发及其应用的可行性。

1 畜禽产品中铁的形态与含量

常见农牧产品的铁营养水平见表1，不同来源农牧产品中铁含量差异较大，动物内脏含有非常丰富的铁。畜禽产品中铁大多以血红素铁的形式存在，约70%～90%的铁存在于血液和肌肉中，是富铁膳食的理想选择。鸡蛋中铁以卵铁蛋白复合物形式存在，主要存在于蛋黄中[4]。蛋白铁是畜禽产品中铁的又一重要的形式，畜禽产品约10%～30%的铁是以铁蛋白形式存在，具有较高的生物利用率[5]。铁富集鸡蛋可能比普通鸡蛋铁含量高出10%～20%，是良好的高效补铁食品。例如奶中的乳铁蛋白、血清/蛋清中的转铁蛋白、肝脏/蛋黄中的储铁蛋白等。这一类蛋白除了具有较高的生物有效性，还具有免疫调节的功能。与动物来源相比，不同来源产品中铁含量也存在较大差异，禾谷类作物含有较高含量的铁。但因植酸等因素的影响[6]，植物源铁的利用率很低[7]。仅大豆来源铁因其部分以铁蛋白形式存在，利用率相对较高[8]。相比之下，动物性食品是人类补充铁元素更好的选择。

表1 常见农牧产品中铁营养水平

2 铁的吸收与代谢

2.1 血红素铁的吸收

血红素铁主要通过血红素载体蛋白1（HCP-1）吸收，当血红素进入细胞后会被血红素加氧酶（HO-1/2）降解成铁，一氧化碳和胆绿素[9]。铁结合形成铁蛋白，并通过铁转运蛋白（FPN）转运至肠细胞基底膜外侧。

2.2 非血红素铁吸收

机体铁吸收主要位于十二指肠。对于非血红素铁，当机体铁缺乏时，肠道上皮细胞铁（Fe2+和Fe3+）吸收增加。肠细胞顶叶刷状缘中存在的十二指肠细胞色素酶（DcytB）可将铁 Fe3+还原成 Fe2+。Fe2+经二价金属离子转运蛋白（DMT1）通过肠上皮细胞膜，转运到肠上皮细胞中。进入肠上皮细胞的Fe2+氧化成Fe3+并与铁蛋白结合，在肠上皮细胞内进行转运或暂时储存。胞内铁还原成Fe2+后，经肠上皮细胞基底外侧膜FPN转运，通过细胞基底膜进入肠黏膜固有层。FPN是动物细胞中唯一的铁跨膜外运蛋白，使胞内铁外排[10-11]。

2.3 铁的代谢

通过肠细胞基底膜的Fe2+进入血液循环后，被膜铁转运蛋白辅助蛋白（HEPH）或其同系铜蓝蛋白（CP）等氧化为Fe3+[12-14]，然后装载到转铁蛋白（Tf）上并通过血液运输。运输到骨髓、肝脏及全身组织，用于血红蛋白、肌红蛋白和含铁酶类合成，其中大部分血铁参与骨髓的造血作用，而一小部分则转运至肝脏。肝脏是人体重要的储铁器官，铁主要以铁蛋白的形式储存在肝细胞中。过量的铁被网状内皮系统的枯否细胞吞噬，以含铁血黄素的形式沉积[15-16]。

血液中的铁结合到细胞表面转铁蛋白受体（TfR），形成Tf-Fe/TfR复合物，通过凹陷和内吞进入细胞，随后复合物的构象被酸化的内体改变[17]，Tf释放出铁[18]。在核内体中铁被前列腺六跨膜上皮抗原（STEAP3）还原为 Fe2+[19]，并通过 DMT1 转运至细胞质中并结合到蛋白上储存。细胞中过量的铁储存在铁蛋白中，铁蛋白巨大的空腔可以储存数千个铁原子[20]。核内体中不含铁转铁蛋白（apo-Tf）和TfR复合体被循环到细胞表面。分类神经毒素-3（SNX3）是磷酸肌醇结合蛋白家族的蛋白之一，是内吞中Tf/TfR回收所必需的，并通过Tf回收和结合增强了铁的吸收[21]。

2.4 铁稳态的调节

机体的铁稳态（Iron hemostasis）系统是调控体内红细胞铁再利用、肠道铁吸收、转运和肝脏铁代谢的复杂网络系统。当机体铁过量时，铁调素（HAMP）基因表达增强，使肝脏合成分泌的HAMP增多，肝脏分泌HAMP经血液循环到达肠组织，在肠上皮组织中，HAMP与FPN结合，促进JAK依赖性的磷酸化和FPN降解，减少肠上皮胞内铁向血液循环的铁输出，降低机体对外源铁的利用。同时也可减少巨噬细胞内的铁向血液输出，从而维持铁稳态见图1。由此可见，机体铁吸收和代谢是相对复杂的过程，可能通过某些途径提高畜禽产品中的铁富集，促进人类营养与健康。

图1 肠上皮细胞对非血红素铁的吸收与转运调节

3 畜禽产品铁营养水平的影响因素

3.1 畜禽品种及饲养方式

不同畜禽品种铁富集能力差异较大，血红素铁所占比例也不同[22]。研究表明，鸡肉、火鸡肉、牛肉、小牛肉、羊肉、马肉、鸵鸟肉、兔肉和猪肉中血红素铁含量不同。“红肉”中的血红素铁含量更高，约占72%～87%，鸡肉、兔肉和猪肉中的血红素铁含量较低，约占56%～62%[23]。同品种动物不同身体部位的肉中铁含量和类型也不相同，内脏总铁量较肌肉高，如肝脏，肾脏等。动物全血中富含血红素铁，但有研究表明，牛肉中血红素铁比例高于内脏[24]。同品种动物中，总铁含量与动物性别，年龄以及应激状态等生理状态均有关系[25]，随着日龄增加，牛肉中总铁含量随之增加，并且牛肉颜色呈现出更深的红色[26]，此外兔肉中血红素铁的含量还与品种、季节、胎次等因素有关[27]。因此，可以通过改良畜禽品种和改善畜禽饲养方式提高畜禽产品的铁富集效率从而获得含铁量更丰富的畜禽产品。

3.2日粮因素

畜禽产品铁富集受日粮铁的铁源类型和添加水平的影响。畜禽日粮中常见的铁源可分为无机铁和有机铁两类[28]。无机铁（无机铁盐），通常是指硫酸亚铁、氯化亚铁、氧化铁、碳酸铁等，饲料添加剂中以硫酸亚铁最为常见。有机铁，通常包括有机铁盐（乳酸亚铁、柠檬酸亚铁、富马酸亚铁）、氨基酸络/螯合铁、蛋白铁、酵母铁等。有机铁能通过增强亚铁离子稳定性避免Fe2+的氧化，同时避免Fe2+与食物中的植酸等抗营养因子结合，增强铁源的利用效率。

氨基酸络/螯合铁、蛋白铁、酵母铁还可能经其他转运载体进入体内，增强铁源的吸收效率[29]。蛋鸡日粮中添加甘氨酸螯合铁（Fe-Gly）可增加蛋鸡血清，肝，肾，脾和卵巢中的铁浓度[30]。日粮有机铁和无机铁添加均可增加肉鸡育产蛋量和蛋清蛋黄铁含量[31]。饲喂含Fe-Gly日粮，可使乳猪心脏、肝脏、肾脏、脾脏组织中的铁浓度升高并增加铁蛋白和组织铁沉积[32]。还有研究表明，日粮中添加有机铁、血粉或植物雌激素能增加蛋黄总铁含量[33-34]。维生素C的添加能提高日粮中亚铁离子浓度，促进铁吸收[35]。日粮中添加莫能菌素和泰乐菌素也可以促进铁元素吸收[36]。其他营养素，如低聚果糖、低聚半乳糖、乳酸菌、双歧杆菌等对铁的吸收和代谢有一定的促进作用[37]。

畜禽日粮铁摄取不足还会影响肉、蛋、奶品品质。畜禽产品中血红素铁含量下降和挥发性脂肪酸成分减少，影响产品的血红素铁丰度、肉色和风味[38-40]。奶牛日粮中添加有机铁能提高奶牛产奶量和奶中蛋白质含量，提升牛奶品质。此外，矿物元素之间存在复杂的相互作用。DMT1可同时转运Mn2+、Co2+和Zn2+[41]。铜蓝蛋白（CP）参与铁的吸收代谢，缺铜时铁转运和代谢受阻[42]。日粮中缺铜时，会引起肝脏中铁富集，且血浆中铁浓度降低，最终导致贫血症的发生[43]。蛋鸡日粮中同时补充锌、铜、铁元素时，蛋黄铁富集效率比单独补充铁元素更高[44]。铁的吸收代谢也存在日间节律性[45]，采用“动态补饲”，在遵循铁代谢的规律的同时，使锰、锌、铁的在一天中不同时间摄入，有利于提高产品中铁富集效率。

3.3 健康状态

畜禽的健康状态对铁富集亦存在影响。畜禽长时间处于应激或炎症状态下，机体铁调素表达水平升高，铁吸收代谢受阻，引发炎症性贫血[46]。此外，肠道炎症也会影响到铁的吸收。肠道微生物也可影响铁吸收代谢，而抗生素的使用可能影响肠道菌群结构而影响铁的吸收代谢。共生生物（Bacteroides thetaiotaomicron VPI-5482和Faecalibacterium prausnitzii A2-165）和有益菌（Streptococcus thermophilus LMD-9）的定植有利于对肠腔中铁的吸收[47]。一些肠道微生物通过其代谢产物，如乳酸也能影响肠道对铁的吸收及机体铁稳态[48]。相比而言，健康动物可具有更强的铁吸收代谢能力，有利于铁的富集。

3.4 产品加工方式

畜禽产品加工方式也有利于提高食品中铁含量，奶制品中添加各种形式的含铁添加剂或抗氧化剂实现铁强化是最常见的富铁食品加工方式。铁强化牛奶对于婴儿和儿童的铁补充起到重要作用[49]。通过铁强化处理提高牛奶中铁的浓度和吸收利用率，包括向牛奶中加入抗坏血酸（AA），硫酸亚铁和Fe-Gly。其次，乳酸酸化或发酵能保持铁离子稳定性来提高牛奶中铁的生物利用率[50]。再次，利用硫酸亚铁制备微囊化乳清蛋白螯合铁，可使酸奶生物有效铁含量增加，并不影响酸奶的营养价值或感官特性[51]。

4 结语

血红素铁是目前已知的生物有效性最高的铁源。通过定向育种和营养调控手段，有可能增加铁元素在肉、蛋、奶和内脏等畜禽食品中富集，提高畜禽产品中的血红素铁的比例，改善人群铁营养状态。依此理论开发功能性富铁动物性食品，有利于特定人群铁缺乏的防控。与此同时，开发动物源食品中血红素铁的检测方法和相关检测标准也有利于为动物源富铁功能性食品开发和产品质量控制提供技术支撑。