矿物质的营养价值解析

一般认为，如果一种元素从生命体的日常食物或其他摄入途径中去除后会“导致一定的和可重复的生理功能损害”，那么，这种元素对生命是必需的。

人类对各种必需矿物质的需求从每天几微克到1g不等。如果在某一时期内摄入某种必需矿物质的量偏低，就会出现缺乏症状，相反，过量的摄入会产生毒性。对于大多数矿物质而言，安全和适宜摄入量（AI）的范围是比较宽的，因此只要能采用多样化的膳食结构，上述缺乏或中毒都不会发生。

生物体的自我平衡机制可以对必需营养素吸收量的高低进行调节。动态平衡是指生物体将组织中的营养素水平保持在一定狭窄范围内的过程。在高级生物体中，动态平衡是一系列非常复杂的过程，包括营养素的吸收、排泄、代谢和贮存的调节。图8-1是生物体内的动态平衡机制。动态平衡的存在使营养素的安全和适宜摄入量范围大许多。无动态平衡机制（虚线）时，营养素的安全和适宜摄入量范围会非常狭窄，营养素的摄入必须严格控制，否则容易摄入不足或中毒。当营养水平长时间过低或过高时，都会导致这种动态平衡受到破坏。矿物质营养长时间摄入不足的情况并不罕见，特别是在贫困人群中，原因是他们的食物种类非常有限。

图8-1 生物体内的动态平衡机制

矿物质是体内数百种酶反应的必需物质，是调节代谢的关键角色，保持骨骼和牙齿强度及硬度的必需因素。矿物质能够加强血液中氧和二氧化碳的交换，也是细胞黏附和减数分裂所必需的物质。矿物质也可致毒，已有很多由于矿物质过多摄入而导致严重受伤甚至死亡的案例。表8-1所示为一些重要矿物质的营养和毒性作用。

表8-1 矿物质的营养与毒性

1997年，美国国家科学院药品研究院食品与营养品委员会膳食参考摄入量科学评估标准委员会提出了新的给健康人群制订的（美国和加拿大）适当膳食营养摄入量的方法。新的推荐摄入量被称作“膳食营养素参考摄入量”（DRIs），取代1941年发表的膳食营养供给量（RDAs）。DRIs的基本概念是为了保证人体合理摄入营养素而设定的每日平均膳食营养素摄入量的一组参考值。随着营养学研究的发展，DRIs内容逐渐增加。在中国营养学会于2000年制订的第一版《中国居民膳食营养素参考摄入量》中包括四个参数：平均需要量、推荐摄入量、适宜摄入量、可耐受最高摄入量。在2013年修订版中增加了三个参数：宏量营养素可接受范围、预防非传染性慢性病的建议摄入量和某些膳食成分的特定建议值。2017年中国营养学会等单位对《中国居民膳食营养素参考摄入量》进行了重新修订。在2017年修订版中，DRIs的定义是：DRIs是评价膳食营养素供给量能否满足人体需要、是否存在过量摄入风险以及有利于预防某些慢性非传染性疾病的一组参考值，包括：平均需要量、推荐摄入量、适宜摄入量、可耐受最高摄入量以及建议摄入量、宏量营养素可接受范围。与2013修订版相比，DRIs的定义中未提及“某些膳食成分的特定建议值”。

1.平均需要量（estimated average requirement，EAR）

EAR是指某一特定性别、年龄及生理状况群体中个体对某营养素需要量的平均值。按照EAR水平摄入营养素，根据某些指标判断可以满足某一特定性别、年龄及生理状况群体中50%个体需要量的水平，但不能满足另外50%个体对该营养素的需要。EAR是制订推荐摄入量（RNI）的基础，由于某些营养素的研究尚缺乏足够的人体需要量资料，因此并非所有营养素都能制定出其EAR。

2.推荐摄入量（recommended nutrient intake，RNI）

RNI是指可以满足某一特定性别、年龄及生理状况群体中绝大多数个体（97%～98%）需要量的某种营养素摄入水平。长期摄入RNI水平可以满足机体对该营养素的需要，维持组织中有适当的储备以保障机体健康。RNI相当于传统意义上的RDA。RNI的主要用途是作为个体每日摄入该营养素的目标值。RNI是根据某一特定人群中体重在正常范围内的个体需要量而设定的。

3.适宜摄入量（adequate intake，AI）

当某种营养素的个体需要量研究资料不足而不能计算出EAR，从而无法推算RNI时，可通过设定AI来提出这种营养素的摄入量目标。AI是通过观察或实验获得的健康群体对于某种营养素的摄入量。

4.可耐受最高摄入量（tolerable upper intake level，UL）

UL是营养素或食物成分的每日摄入量的安全上限，是一个健康人群中几乎所有个体都不会产生毒副作用的最高摄人水平。摄入量高于该值会有中毒的危险。

营养素缺乏风险和超过DRIs（包括EAR、RDA、AI和UL）推荐营养素摄入的风险见图8-2。随着摄入量的增加，营养素缺乏率降低并接近0，而在超过安全摄入量之后，产生毒性的几率随着摄入量的增加而增加。

目前已经为人体必需的25种矿物质中的9种（Ca、P、Mg、Fe、Zn、Cu、Cr、Mn和I）制定了DRIs。表8-2所示为美国食品与营养品委员会2003年制定的矿物质营养素膳食参考摄入量。表8-3所示为中国营养学会制定的《中国居民膳食营养素参考摄入量》2017修订版中规定的中国居民膳食矿物质的推荐摄入量或适宜摄入量。

表8-2 膳食营养素参考摄入量（DRIs）中规定的必需矿物质营养素^①单位：mg/d

注：①RDA以黑体字表示，AI为普通字体。在每个元素下列出的第一个数值不是RDA就是AI。例如，钙只列有AI，磷只列有RDA；镁有些为AI，有些为RDA；铁只列有RDA，而氟只列有AI。斜杠（/）后的数值是UL。在大部分情况下，UL是指所有来源的摄入量（食物，水，补充剂）；而对镁来说，UL是指从补充剂中的摄入量，而不包括从水和食物中的摄入量。

②N.D.=由于缺乏足够的数据进行评估，食品与营养委员会没有进行确定。

资料来源：Food and Nutrition Board，Institute of Medicine（2003）.Dietary Reference Intake Table.

表8-3 中国居民膳食矿物质的推荐摄入量（RNI）或适宜摄入量（AI）

注：*AI值。其他均为RNI。

资料来源：《中国居民膳食营养素参考摄入量》2017修订版。

图8-2 营养素缺乏风险和超过DRIs推荐营养素摄入的风险

生物利用率定义为代谢过程中可被利用的营养素量与摄入的营养素量的比值。对于矿物质营养素，生物利用率主要根据从肠道到血液的吸收效率来确定。然而，在一些情况下吸收的营养素也会以不能利用的形式存在。例如，铁与一些螯合物紧密结合，即使被吸收也不能释放到细胞合成铁蛋白，未被利用的铁螯合物从尿液中排出。

矿物质生物利用率的变化范围很大，一些形式的铁的生物利用率低于1%，而钠及钾的生物利用率达到90%。影响营养素生物利用率的因素非常复杂而且各不相同。食物中影响矿物质营养素最终生物利用率的主要因素如下。

1.食品的可消化性

食物只有被人体消化后，营养物质才能被吸收利用。一般来说，食物营养的生物有效性与食物的可消化性成正比关系。例如动物肝脏、肉类中的矿物质成分有效性高，人类可以充分吸收利用，而麸皮、米糠中虽含有丰富的铁、锌等必需营养素，但这些物质可消化性很差，因此生物有效性很低。一般来说，动物性食物中矿物质的生物有效性优于植物性食物。(www.xing528.com)

2.矿物质的化学与物理形态

矿物质的化学形态对矿物质的生物有效性影响相当大，甚至有的矿物质只有某一化学形态才具有营养功能，例如，钴只有以氰基钴胺（维生素B₁₂）的形式存在时才有营养功能；又如亚铁血红素中的铁可直接吸收，其他形式的铁必须溶解后才能进入全身循环，因此血色素铁的生物有效性比非血色素铁高。

矿物质在小肠内含物中的溶解度是影响矿物质吸收利用的一个最重要因素。不溶解复合物不能扩散至消化道内胚层黏膜的刷状缘表面，从而不能被吸收。许多激活和抑制因子通过对矿物质溶解度的影响起作用。矿物质以高度不溶解的形式存在则很难被吸收。如果形成的螯合物是高度稳定的，即使是可溶性螯合物也可能很难被吸收。颗粒的大小也会影响可消化性和溶解性，因而影响生物有效性。若用难溶物质来补充营养时，应特别注意颗粒大小。

3.食品配位体

配位体与金属离子形成的可溶性螯合物可以提高其从食物中的被吸收率。例如，EDTA能增强Fe的吸收；不易被消化的高相对分子质量配位体会降低其吸收率。例如，膳食纤维、一些蛋白质等会降低矿物质的吸收率；配位体与矿物质形成不溶性螯合物会降低矿物质吸收率。例如，草酸盐会抑制Ca的吸收，植酸会抑制Ca、Fe、Zn的吸收等。

4.食品成分的氧化还原活性

还原剂（如抗坏血酸）会增强铁的吸收，但对其他矿物质的吸收无影响；氧化剂会抑制铁的吸收。

5.矿物质与其他营养素的相互作用

膳食中一种矿物质过量就会干扰人体对另一种必需矿物质的吸收利用。例如，两种元素会竞争在蛋白质载体上的同一个结合部位而影响吸收，或者一种过剩的矿物质与另一种矿物质化合后一起排泄掉，造成后者的缺乏。如钙抑制铁的吸收，铁抑制锌的吸收，铅抑制铁的吸收等。营养素之间相互作用，使其生物有效性得以提升，如铁与氨基酸成盐、钙与乳酸成乳酸钙，都使这些矿物质成为可溶态，有利于吸收。

6.消费者的生理状态

机体的自我调节作用对矿物质的生物利用率有较大影响。矿物质摄入不足时会促进吸收，摄入量充分时会减少吸收。Fe、Zn、Ca的吸收都遵循这种机制；吸收功能障碍症（如节段性回肠炎、乳糜泻）会影响矿物质的吸收；胃酸分泌少会使人体对铁和钙的吸收能力下降；年龄也会影响矿物质吸收，随着年龄增大，吸收率降低；妇女怀孕期间铁的吸收量会增加。

7.加工方法

加工方法也能改变矿物质营养的生物有效性。磨碎的细度可提高难溶矿物质的生物有效性；添加到液体食物中的难溶性铁化合物、钙化合物，经加工并延长贮存期就可变为具有较高生物有效性的形式；发酵后的面团，植酸含量减少了15%～20%，锌、铁的生物利用率可显著提高，其中锌的溶解度增加2～3倍，可利用率增加30%～50%。

8.生物利用增强剂

（1）有机酸 有些有机酸能够提高矿物质的生物利用率。研究最多的有机酸是抗坏血酸、柠檬酸和乳酸。膳食成分、矿物质以及有机酸和矿物质的相对浓度决定其功效的大小。据推测，这些有机酸是通过与矿物质形成可溶性螯合物来提高矿物质的生物利用率。这些螯合物阻止了矿物质沉淀和/或与其他会抑制吸收的配位体结合。

抗坏血酸是铁的有效吸收增强剂。抗坏血酸除了具有螯合能力外，还是一个强还原剂，可将Fe³⁺还原成更易溶解及更具有生物活性的Fe²⁺。但抗坏血酸对其他矿物质的吸收增效作用不明显，可能是因为其他矿物质不易被它还原。

（2）肉类 畜肉类，禽肉类以及鱼肉可以提高在同一餐膳食中的非血红素铁和血红素铁的吸收率。肉类对铁有还原作用，因此在消化过程中有可能将Fe³⁺转化成Fe²⁺。此外，肉品的消化物，包含有氨基酸和多肽，会与铁形成在小肠内含物中更易溶解的螯合物。

9.生物利用抑制剂

（1）植酸 植酸及各种植酸盐是矿物质生物利用的最重要的抑制因子。植酸，即肌醇-1，2，3，4，5，6-己糖磷酸，含有六个被肌醇酯化的磷酸基团，也称六磷酸肌醇（IP6）。这些磷酸基团在生理pH时极容易电离，是有效的阳离子螯合剂，特别是对二价和三价矿物质，如Ca²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Zn²⁺、Mg²⁺，具有很强的螯合作用，使这些矿物质的生物利用率降低。其中肌醇六磷酸作为一种抗营养剂被人们所熟知。

植酸盐在食品中的浓度从谷物和豆类植物中的1%～3%到根菜作物、块茎和蔬菜中的1%之间变化。大部分植物中含有内源植酸酶，它会在加工过程中被激活从而水解植酸。植酸水解产生游离肌醇、肌醇磷酸盐、无机磷以及金属阳离子混合产物。可见在加工食品中含有六磷酸肌醇和它的多种水解产物（IP3、IP4、IP5）的混合物。一些食品中六磷酸肌醇和它的水解产物的含量见表8-4。六磷酸肌醇在谷粒麸皮层的含量丰富，而在胚乳部分含量很低。对豆类种子来说，其六磷酸肌醇分配更平均些，而且它的磷酸肌醇含量水平比大部分其他种子都要高。植酸对矿物质吸收的抑制作用则由于其酶促水解而减弱，但是现在有证据表明IP5，IP4，IP3以及IP6也会抑制铁的吸收。

表8-4 一些食品中六磷酸肌醇和它的三个水解产物的含量单位：μmol/g食物

注：—表示未测定；Tr表示痕量。

有些人认为减少植酸的摄入对矿物质的营养作用的发挥有好处，但这样做被证明是不明智的，因为动物试验表明，植酸能够预防一些癌症。但是，具体机制还不很清楚，可能与它的铁和铜螯合物的抗氧化活性有关。

（2）多酚化合物 研究结果表明，多酚化合物含量丰富的食物会降低一日三餐食品中铁的生物利用率。茶的单宁酸含量高，是一种强抑制剂。其他多酚含量高会抑制铁吸收的食品有咖啡、芸豆、葡萄干和高粱等。

矿物质的营养利用过程：一开始食物在口腔咀嚼时，唾液中的淀粉酶即开始了淀粉的消化过程，此时矿物质的变化非常有限。接下来，食物被吞咽进入胃中，食物的pH逐渐被胃酸降低至2左右。在此阶段，矿物质发生很大的变化，螯合物的稳定性由于pH变化、蛋白质变性和水解反应的发生而发生变化。矿物质可能释放到溶液中，也可能同其他配位体作用而形成新的络合物。另外，过渡元素（如铁）在pH降低时还发生价态变化。铁的氧化还原变化与pH有密切的联系。在中性pH时，即使有过量的像抗坏血酸那样的还原剂存在，高价铁也不会被还原。可是，当pH降低时，抗坏血酸会迅速将Fe³⁺还原成Fe²⁺。由于大多数配位体对Fe²⁺比对Fe³⁺的亲和力低，这个还原作用使得食物中的铁从螯合物中释放出来。在下一个消化阶段，已在胃中被部分消化的食物进入小肠。在小肠中，含有碳酸氢钠和消化酶的胰液将食物的pH提高，蛋白质和淀粉的消化继续进行。另外，酯酶开始消化甘油三酯。随着消化的进行，原有配位体的形式发生改变并有更多新的配位体形成，这些都将影响配位体与金属离子的亲和力。在小肠中，矿物质进一步发生变化，产生可溶和不可溶的高相对分子质量及低相对分子质量络合物的混合物。可溶性络合物扩散到小肠黏膜的刷状缘表面，在那里它们会被黏液血细胞吸收或在细胞间通过。吸收过程可以由膜载体或离子通道推动，可能是一个主动的、需要能量的过程，也可能是一个会达到饱和的、通过生理学过程调节的过程。尽管人们知道在胃肠道中矿物质会发生变化，但对具体变化知之甚少。

矿物质的吸收过程和影响矿物质吸收的因素非常复杂。一些矿物质的结合态形式的生物利用率低，然而另一些矿物质的结合态形式的生物利用率较高，而未结合态通常具有较高的生物利用率。按在食物中的存在形式（游离于溶液中的金属离子或以复合物、或螯合物形式存在）分组的必需矿物质、生物利用率和人群中的缺乏情况见图8-3。

钙、铬、铁和锌在食物中以结合态形式存在，它们的生物利用率与食品或膳食的组成密切相关。这些矿物质的缺乏是由低生物利用率和低摄入量引起的。食物和水中的碘大部分以离子和未结合形式存在，生物利用率高。缺碘主要是摄入不足造成的。硒在食物中以硒代甲硫氨酸的形式存在，能被高效利用，因此它的缺乏也是由于摄入量不足造成的。维生素B₁₂的缺乏只会发生在严格的素食者或者一些患有吸收障碍综合征的人群中，前者是因为膳食中维生素含量低。

图8-3 食品中的必需矿物质、生物利用率和人群中的缺乏情况