环境食品学：概念、内涵及其研究方法

李斌

华中农业大学食品科学技术学院/环境食品学教育部重点实验室，武汉430070

1 环境食品学概述

人和食物不仅与历史不能分离，而且与环境息息相关。几千年来，食物的进程和发展，主宰了人口的增长、城市的文明和发展、移民和新居民点的设立，极大影响到经济、社会和政治理论，这就是食物的多域性。对于食品科学工作者而言，根据当今的系统运筹学和空间观点，食品的地域性和时域性（geographical and time domain）成为了现代环境食品科学研究和关注的重点。

世界卫生组织在健康饮食建议中强调个体饮食模式受到地理和环境因素（包括气候变化）的影响。膳食因素与人体健康及常见疾病的关系一直是人类健康科学、特别是营养学研究的主要内容［1］。然而，现代科学对环境与食品耦合（协同）之于健康的关系及其机制研究涉及甚少。实际上，人们进食必然处于某一环境之下（如气候条件、环境地理因素），那么人体的吸收、代谢都必须与之协调和统一。对于它们的内在关系、发展规律及诸多相关的科学问题，迄今仍然是需要探索和揭示的自然奥秘。

在强调系统和辩证观的我国传统科学文化中，有关食品以及人们生活环境的耦合（或协同）对人体健康的影响已有较多总结和记载，不仅在民间延续了大量的并且被一再检验有效的涉及环境的饮食俗语、谚语等；而且一些经典文献还进行了系统概括和凝炼，如忽思慧早在《饮膳正要》中就记载：“春气温，宜食麦，以凉之。夏气热，宜食菽，以寒之。秋气燥，宜食麻，以润其燥。冬气寒，宜食黍，以热性制其寒”。其肯定了在不同气候条件下应季进食不同的食品，更易获得健康；在《黄帝内经》的《灵枢·刺节真邪》中，更是直接提出“与天地相应，与四时相副，人参天地”，认为有利于健康的饮食需要和进食的时间、空间密切相关，即“天人相应”的健康观［2］。我国地域辽阔，不同地域有不同的饮食习惯和特色，这些都为环境食品学研究奠定了良好的物质基础和传统的理论基础。但由于方法学的限制，以及西方现代科学对该问题缺乏认识，无论是民间流传还是典籍记载，所有这些有关环境耦合食品之于健康的作用规律，至今仍停留在经验性描述和中医观点上，尚缺乏更多对自然规律的总结和现代科学的证实与阐述。食品和环境的耦合对健康影响的宏观规律和微观机制的现代研究仍基本处于空白。

关于食品营养学、环境健康学、食品环境学的定义早已清晰，结合相关学科的界定，可以将“环境食品学”大致界定为：基于东方人天人相应的健康观以及体质的特殊性，采取现代科学手段研究处于特定环境下进食之于健康的关系及机制的系统科学，是食品科学、环境科学、生物化学与分子生物学、食品性味论、预防医学、相关组学（如基因组学和蛋白组学）、食品信息学的新兴交叉学科，是具有中国特色的学科。中国地大物博，传统食品种类繁多，而且中国自古以来就有食疗的习惯和文化。在科学发展和社会进步的今天，传统食品的健康作用与其起源及环境和人类健康的耦联关系，尚有许多需要探索、论证和解决的问题。环境食品学的基础性研究将指导相关的现代食品科学的应用研究和食品工业发展，提高中国传统食品在西方乃至世界的地位和作用，如环境地理食品的开发与物流，应季食品的开发与物流，食品科学和饮食文化的向外输出，新的特色餐饮企业和相关培训咨询机构的出现等，为社会经济发展起到积极促进作用。

2 环境因素与传统饮食习惯

传统的饮食习惯起源于农耕初期阶段，是气候随季节变化的结果，受到气温、湿度、土壤质量以及与水源的距离（尤其是海岸线）的综合影响。高粱（非洲）、水稻（中国）、玉米（中/南美洲）和小麦（中/近东地区）是传统饮食中典型谷物类植物的代表，也是世界各地的主食。这些谷物类植物的种植受到环境影响，如稻田在热带低地环境中占主导地位，流行于南亚和东南亚，而玉米生长于热带地区或温带地区，在南非、东非以及中美洲很常见。与植物类食品类似，动物类食品及其制品在传统饮食的占比也由其地理位置所决定，如鱼类和海鲜只能成为沿海地区或淡水附近地区的特色。

地中海饮食（Mediterranean diet）源于1940-1950 年环地中海地区及国家（希腊、意大利南部及西班牙）的传统饮食型态，具有以植物性食物（蔬菜水果、五谷杂粮、豆类和橄榄油）和鱼类为主的饮食风格，这种饮食的饱和脂肪含量低（≤能量的7%～8%），且总脂肪含量占能量的25%～35%［3］。地中海饮食是一种公认的健康饮食模式，具有广泛的健康益处［4］。1987年的1项七国研究中发现，地中海地区或国家的人群遵循着以橄榄油为主要脂肪来源的饮食规律，其死亡率、心血管疾病发病率相较于其他国家都有所降低［5］。1995 年1 项关于“地中海饮食评分”的研究共量化了八大主要饮食成分：单不饱和脂肪与饱和脂肪的比率，酒精，豆类，谷类，面包和土豆，水果，蔬菜，肉类和奶制品［6］。在这项横跨希腊3个乡村的小型研究中，分数每增加1 分，总死亡率就会降低17%。只有在整体饮食模式中才能观察到该显著效果；即单独考虑时，单个饮食元素之间没有关联性。至此之后，数百项观察性研究皆证实了一点，即除希腊以外，包括澳大利亚、瑞典、丹麦、西班牙和美国等其他国家的人们采用地中海饮食皆会产生有益效果［7］。相关的随机对照试验也证实了特级初榨橄榄油和葡萄酒的独特作用，部分原因在于这些食品的多酚含量较高［8］。

“蓝色地带”（Blue Zones），即世界上5 个长寿的地区，分别位于希腊的伊卡利亚岛、意大利的撒丁岛、日本的冲绳岛、哥斯达黎加的尼科亚半岛和美国的加利福尼亚州洛马琳达市［9］。如表1 所示，“蓝色地带”饮食组成皆以优质未加工的碳水化合物、植物性蛋白质以及有益心脏健康的多不饱和脂肪、单不饱和脂肪为基础［9-10］。部分生物标志性的证据表明，冲绳百岁老人的氧化应激较低，这可能与冲绳饮食中抗氧化性物质含量高有关，该研究结果证实了自由基衰老理论。研究数据还表明，生命早期时，10%～15%的能量限制可能与长寿有关，且此时大量摄入红薯、鱼、海菜和姜黄等食物同样起到抗衰老作用［11，14］。除此之外，还有许多未知的因素如基因-环境之间的相互作用影响着人类的寿命。

随着食品加工和运输水平的提高，人们的饮食习惯逐渐不再受季节或传统的限制。以精加工食品，高糖、高钠和高热量的饮料，高肉制品和奶制品摄入量以及快餐文化为特征的西方饮食模式日益流行［15］。因此，传统的饮食习惯随着全球化进程和西化饮食文化入侵日益淡化。

3 地理环境因素与人体健康

有关中国地理环境与健康的研究始于20世纪60年代，当时由于大骨节病和地方性克山病的流行严重威胁着有关地区人民的健康。我国地学工作者和医学工作者通过40多年来大量的野外考察和试验分析，编辑出版《中华人民共和国地方病与环境图集》［16］。随着近几年关注健康问题的地理学工作者的增多，我国地理环境与健康的发展逐步进入新的阶段。主要地方病的分布规律及其与地理环境因素密切相关。克山病和大骨节病主要分布在我国东北到西南的温带森林和森林草原地带内；我国存在土壤低硒带与大、克两病的分布相吻合［17-18］。饮水碘含量与地甲病的分布密切相关［19］，而地理生态系氟则与地氟病的类型（饮水型、温泉型、岩矿型、燃煤型等）有关。此外，饮水中过量砷暴露则是发生导致人群地方性砷中毒的主要危险因素之一［20-21］。

4 地理环境因素与人类微生物群

数百万年来，人类与微生物共同形成了一个“超有机体”，形成一种和谐的共生关系。人类微生物群，主要指在人体内的共生细菌和其他微生物群落，受包括个体的遗传背景、生理状态、环境因素（如地理位置、生活条件和饮食习惯）和药物（抗生素）等多重因素影响［22-24］。人体内含有数以兆计的微生物，被称为人类的第二基因组。人类肠道，尤其是结肠中，大约生活90%～95%的微生物，肠道菌群的代谢活动会影响全身的系统和器官。肠道微生物能够提供人类基因组中所缺的消化酶。人类基因组编码有限的酶，只有17 种酶参与可消化碳水化合物（如淀粉、蔗糖和乳糖）的降解，而肠道微生物基因组可编码大量的酶［25］。不同的微生物具有将复杂分子分解为不同简单分子的能力，这种分解或降解过程由一系列碳水化合物活性酶（CAZymes）控制。Wastyk等［26］曾假设人类肠道微生物群作为丰富的CAZymes库，可以根据饮食变化重新配置其自身的CAZyme 功能布局。1 项为期17 周的人体随机研究表明，尽管微生物群落多样性稳定，但高纤维饮食增加了微生物组编码CAZyme 的相对丰度［26］。此外，与传统饮食的农村居民相比，膳食纤维摄入量减少的西方城市居民面临着肠道微生物群中CAZyme 库丰度减少的问题［27］。肠道微生物群构成了一个特殊的相互依赖的群落，其中某种微生物的代谢废物通过基质和代谢物交叉喂养又成为其他微生物的营养基质。肠道微生物的的交叉喂养行为形成大量不同的底物和代谢物，以维持微生物多样性，从而保持肠道的菌落稳定［28-29］。

人类消化道细菌受到饮食习惯如不同地域饮食文化的影响。1 项发表于《自然》的研究表明，有1 种能够消化海藻的细菌（Bacteroides plebeius）存在于日本人而非美国人的肠道内［30］。研究人员将13 个日本人与18个北美人的微生物基因组进行了对比后发现，13 个日本人中有5 人带有这种肠道细菌酶，而18个北美人中均没有［30］。由此推断，当日本人开始吃诸如鱼、虾和贝类等海洋食物时，来自海洋的细菌也会与肠道细菌遗传基因片段发生交换。研究表明，坦桑尼亚的哈扎族狩猎采集者和博洛尼亚的意大利人的肠道微生物群有显著的差异［31］。哈扎人的饮食随着雨季和旱季以及食物的可获得性而波动，与西方饮食的消费者相比，他们吃的食物种类更多样，肠道细菌也发生了相应的变化。相比之下，意大利人的微生物组稳定且缺乏季节性变化。与世界上其他群体（例如生活在美洲城市或亚马逊雨林村庄的人）的进一步比较也得出了类似的结果：与西方饮食模式的人相比，季节性饮食者的肠道菌群更多样化，波动也更大，而且许多肠道微生物是那些只在传统社会中出现的罕见微生物［32］。一般来说，有2 类食物会影响肠道微生物群。一类是益生菌，它是饮食中摄入的活的微生物，比如酸奶中常见的嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌；另一类是益生元，包括一些可被肠道细菌发酵的纤维和抗性淀粉，它们并不是活的微生物，但可以喂养有益（“好”）微生物［33］。益生菌和益生元都能增加肠道中有益细菌的比例，并产生积极的健康效应。当肠道菌群失衡时（可能是因为健康状况发生改变），它们的功用尤其重要［34-35］。越来越多的营养研究显示出益生菌和益生元对多种肠道疾病（如炎症性肠病和肠易激综合征）的重要作用，它们与免疫系统也有关，可能影响过敏性和自身免疫性疾病［36］。还有一些研究表明，微生物组与慢性疾病，如肥胖、Ⅱ型糖尿病以及一系列神经或精神疾病似乎也有关联［37-38］。

口腔菌群是人体内种类第二丰富的微生物群落，容纳着700 多种细菌，这些细菌分布在牙齿的硬表面和口腔黏膜的软组织中［23］。据报道，生活在不同地理和气候地区（阿拉斯加、德国和非洲）的人群在其唾液微生物组中表现出差异，这表明口腔微生物组的差异受到环境和气候条件的影响［39］。初步研究表明，苦味受体TAS2R38 的遗传变异反映在北欧地区（芬兰）和南欧地区（西班牙）受试者口腔黏膜的微生物组成中，并且多因素分析显示不同国家人群的微生物组成存在显著差异，且与味觉基因型有关［40］。

5 环境地理因素耦合下的食物性味与人体健康

尽管西方营养学、膳食学研究已经比较深入，但基于分析还原论的思维逻辑而获得的研究结果，实际上一直以来受到越来越多的质疑，对处于特定环境条件下的以混合膳食进食的个体而言，指导作用实际上仍很不充分［41］。在科学发展和社会进步的今天，传统食品的健康作用与其起源及环境和人类健康的耦联关系，尚有许多需要探索、论证和解决。国人自身的体质和饮食习惯亦有自身的特点，比如在寒热体征上较之西方人群表现得更明显。因此，基于环境基础上的膳食营养研究和我国传统营养学基础上的现代研究对国人膳食指导具有更强的针对性，利于促进国人健康。

5.1 寒热证的现代指标

“上火”是国人所熟知的一种非健康状态，某些食品是“上火”的，有些食品对一部分人“上火”，另一部分人不“上火”，还有一些食品在某地区食用是不上火的，但在另外地区可能是“上火”的，这是一个存在十分广泛的环境协同食品之于健康的问题，属于界定的环境食品学研究必须面对的问题。“上火”是一个口语化的词汇，与人们对身体、心理在某种状态下的体验相关。“上火”与中医学中“火热证”有共同之处，与现代研究的“过敏”关系密切［42-44］。

目前，上火的寒热证现代指标通常是从植物神经系统功能状态探讨的。热证患者会出现呼吸增快、心率增加、唾液量减少、口腔温度升高、尿内儿茶酚胺类物质含量升高的症状，说明交感神经-肾上腺系统机能活动增强［45］。郭宇光等［46］用放射免疫法测定15例虚热证患者、17 例虚寒证和19 名健康的人尿液中PGE2、PGF2α排出量变化发现PGE、PGF与寒热辨证密切相关。关正威等［47］参考了中医证的研究，以前列腺素2PGF1α（血液内PGF1α的代谢产物）为指标研究胆石症、胃癌、乳腺癌等，认为胆石症病人的尿内PGF1α 在128 mg 以上者为热证，以下者为寒证。

5.2 寒热（性味）及作用机制

寒热性与药物、机体间热能反应关系方面的研究大致有2 种观点。一种观点认为决定中药的寒热性是由产生热能的差别对机体自身热能反应状态的影响决定的［48］；另一种观点则从生物热动力学角度出发，认为药物所含物理内能与中药寒热性密切相关，即药物在体内运行过程中，寒性药能够为机体吸收并带走热能，热性药能够为机体释放热能［49］。分子药性假说认为食品或中药中并非所有化合物分子均是有效成分，而具有一定骨架的化合物或不同骨架分子组成的分子群往往表现出特定的治疗作用［50-51］。由上述对中药寒热性的物质基础进行探索的研究可以表明，在中药物质基础的探索上还有相当的困难，必须从多侧面、多途径对物质基础及其作用机制进行综合分析和研究，方能获得明确的结果。

大多数的寒热研究集中在中医药方面，对食物性味的现代研究较少，但相关的方法是完全可以借鉴的。曾荣今等［52］对炒制花生“上火”的研究集中在其中结合水的含量对“上火”影响，表明人们摄入炒制花生时，其营养成分分子可以与口腔里的水分子形成氢键并释放能量。由此推断食物“上火”的原因可能与食物结合水的缺乏密切相关。但同样也有另一些研究者提出反对，因为该研究并未对花生炒制过程中产生的300 余种风味成分及蛋白质等的其他变化进行研究，单从水的角度探讨显然不能确定上火的机制，仅为可能机制之一。

对牛乳和食用蛋白粉的上火物质基础及其作用机制的研究，虽然曾得到较多研究者的关注，然而，采用实验方法进行研究的较少。任国谱等［53］对牛乳中各种营养素和非营养素和上火的关系进行了一些分析和推测，但缺乏实验的支持。Ⅼin等［54］发现喂食采用油炸后的食用油的老鼠可以增加巨噬细胞产生PGE2 的数量。Miwa 等［55］则发现上火和清火物质与老鼠巨噬细胞产生PGE2 的数量密切相关。Huang 等［56］也发现凉性的菊花、苦瓜和莲子可降低巨噬细胞RAW264.7产生PGE2的数量，而热性的荔枝、龙眼、龙眼干增加巨噬细胞RAW264.7 产生PGE2的数量。此外，杨瑞丽等［57］研究发现荔枝果肉乙酸乙酯提取物能够诱导巨噬细胞J774 分泌促炎递质PGE2 和NO，从而引起炎症性“上火”反应。这表明巨噬细胞产生PGE2 的数量可以在一定程度上用来表征部分食源性物质的热性和寒性。

5.3 环境地理与食品性味

有关食品性味与环境关系的研究较少，但中药材方面已经有较多研究。曾有研究者利用四格表卡方检验法和相关分析法对青藏高原中药材的性味与环境地理因素的相关性进行分析，表明药用植物中化学成分可能受到环境影响，地理因素及海拔与中药性味之间呈现出某些相关性［58］。鉴于过往对食源性“寒热”研究的现状，必须采用多种手段和方法，部分借鉴中药寒热性的本质以及其物质基础的研究方法和思路，在分子、细胞和动物整体等多层次的全面研究，方能对其物质基础及其作用机制给出明确的答案。在建立生物量热分析、“寒热”体细胞筛查法及动物模型的基础上，应对不同食物品种、不同贮藏阶段、不同环境的特性进行多角度评价以确定可能目标物；采用现代分离科学及结构分析手段对可能目标物进行分离鉴定，探讨其作用机制和控制措施。

6 环境食品学的现代研究方法

6.1 营养基因组学与环境食品学研究结合方面

不同环境地理因素的人，在进食同一种食物，可能对健康产生不同的影响，一方面可能与环境地理因素和气候有关，但另一方面，则可能与基因的多态性有关。营养基因组学的重要应用领域是保健食品的开发应用和确定营养素需要量。利用功能性基因组学技术对食物中活性组分进行筛选以预防疾病的研究项目在不同的国家启动。由于食物中生物活性物质对机体的影响往往较药物微弱，传统的生化指标往往不能反映出这种微弱的变化。实际上，这对于环境地理食品或者应季食品的机理阐述具有极大的借鉴意义。此外，基因组技术将有助于发现大批分子水平上可特异地反映营养素水平的指标，从而推动营养素所需量的制定工作。此外，未来基于个体基因组差异定制化营养将逐渐为人们所认识和接受。这对于环境地理因素或应季食品研究意义重大，对制定具有中国特点的膳食指导方案也提供了最坚实的理论基础。

6.2 蛋白质组学与环境食品学研究结合方面

作为后基因组时代的一门新兴学科，蛋白质组学是由基因组学在逻辑上发展而来。与基因组的稳定性相比，蛋白质组则具有可变多样的特点，即对于同一机体的各种细胞，相比于稳定的基因组，蛋白质组则是不相同的。差异蛋白质学研究的理论假设认为当某一细胞或组织在发生某种变化（正常或异常）时，其蛋白质组会发生相应的、有规律的改变，如进一步证明蛋白质组与该病理变化紧密相关，差异蛋白则被认为是这种变化的一类标志性蛋白。同样，对于某一食品在不同环境地理因素、不同季节、不同个体食用时，其血清蛋白质组学可能有所变化，因此，它对区域食品或应季食品的可能影响、功能成分靶标寻找、细胞调控分子鉴别等均有极大的实际意义。

食物的性味，如上火，与过敏具有某种联系，这方面的蛋白质组学研究刚起步。Crameri［59］在2005年分析了蛋白组学应用于过敏研究的前景，通过体液或组织的蛋白研究，可以加快过敏研究进程。Selgrade 等［60］认为通过血清筛选过敏蛋白，结合计算机技术，可以从结构上分析预测过敏原。Suzuki 等［61］通过蛋白质组学研究鸡蛋过敏血清IgE 抗体结合蛋白是否存在于蛋清中，发现15 个双向凝胶电泳点可以结合到血清IgE 抗体，其中1 个确定为卵转铁蛋白，分析给出了与IgE 抗体结合的蛋清蛋白质全谱图，为准确诊断及脱敏治疗提供了重要理论依据。过敏的蛋白组学揭示，过敏与血清蛋白的调控密切相关，通过某些蛋白的调控，可以对过敏人群进行治疗和过敏原预测。由此推测，上火相关的调控蛋白可通过血清蛋白谱筛选，这为研究“性味”这一传统食疗养生理论带来新思路和技术手段。

6.3 代谢组学与环境食品学研究结合方面

自古以来，中国就有药食同源的理论。代谢组学在与毒理基因组学、蛋白质组学相结合时可从基因型到表型方面完整地评价食疗组方的功效和毒性，其“整体模式”或“指纹”具有单一靶标，具有更好的一致性和预见性。刘树民等［62］以2，4-二硝基苯酚诱导的热病证候模型为切入点，发现小鼠体内小分子代谢产物的恢复相较于宏观体征具有明显滞后性。刘卫红等［63］进行痰瘀证候代谢组学研究，认为中医痰瘀证候的生物学本质可应用代谢组学分析寻找痰瘀演变过程标志性代谢产物来阐释，相关的方法完全适用于食物的研究。对机体中不同来源的生物样品（尿样、血样、组织样等）进行代谢组学分析的整合代谢组学及基因组、转录组和蛋白质组等组学综合策略，有可能揭示食物证候实质和食疗作用机制，加快食疗现代化进程，从而促进环境食品学这一具有中国特色的学科发展。

7 展 望

健康是人类的共同追求，同样也是全社会的共同责任，不仅涉及到个人、家庭的幸福，也影响到社会的稳定发展。基于此，国内外广泛研究的诸多学科，如营养学、食品科学、环境健康学、食品环境学等不断涌现出新的研究成果，同时营养基因组学、蛋白质组学、营养代谢组学、生物信息学、地理信息学等新兴、边缘学科的发展也日新月异。但这些根植于西方现代科学基础上的传统学科及新兴、边缘学科往往忽视了进食环境和食品的耦合与健康的内在关联。

环境食品学的研究聚焦于环境耦合食品之于健康的基础性科学问题，从更加长远的方向来看，这些基础性研究一旦产生重要的研究成果，必将指导相关的应用研究和产业化开发，利于提高中国食品在西方乃至世界的地位和影响，为社会经济发展起到积极促进作用。