生物強化富鋅食品研究進展

王朝敏，趙天瑤，薛文通

中國農業大學 食品科學與營養工程學院（北京 100083）

鋅是人體必需的微量元素，具有許多重要的生理生化功能。缺鋅會導致免疫力下降和食欲減退等，兒童缺鋅會導致發育遲緩甚至缺鋅性侏儒。目前世界范圍內普遍存在鋅攝入不足的問題，因此采用一種有效方式補鋅顯得尤為重要。生物強化是在生物生長發育期間富集微量營養素或提高生物利用性以提高其營養價值的一種強化方法。通過生物強化富鋅可使鋅由無機鋅轉化為人體易于吸收的有機鋅或生物鋅，以此方式培育出的富鋅食品穩定安全、價格低廉且鋅營養價值高。目前生物強化富鋅食品種類主要包括：真菌類如食用菌與酵母菌；植物類如果蔬、谷物、茶葉和芽苗菜等。其中，富鋅豆類芽苗菜因其成本低、周期短、種植簡單易控、無季節性及可通過萌發降低植酸含量從而提高鋅的生物利用性等優勢，具有更加重要的應用意義和市場價值。文章對鋅的生理功能、缺鋅狀況、原因和解決方法以及生物強化富鋅食品相關研究進展進行綜述，表明了生物強化富鋅食品尤其是富鋅豆類芽苗菜廣闊的發展前景，為富鋅食品的開發提供理論參考和研究方向。

1 鋅的生理功能

鋅元素在自然界中廣泛分布。Porocelsus于1570年首先發現了自然界中的鋅元素；Todd于1934年首次證明鋅是高等動物的必需元素。1973年，鋅被世界衛生組織（WHO）定義為人體必需微量元素，其在人體中的含量僅次于鐵元素位居第二。鋅具有許多重要的生理生化功能，能夠促進細胞生長分裂，參與多種氨基酸、蛋白質、核酸和維生素的代謝過程。同時鋅能夠促進兒童骨骼發育、保證免疫器官正常發育和免疫細胞正常分化、維持機體正常味覺與視覺、促進傷口愈合、減少重金屬傷害等。鋅攝入不足會導致多種疾病和癥狀，如免疫力下降、內分泌失調、脫發、智力下降、食欲減退等。缺鋅還會影響處于生長高峰期的兒童的生長發育，導致缺鋅性侏儒[1]。

2 鋅缺乏狀況及解決方法

2.1 鋅缺乏狀況及原因

中國營養學會膳食營養素鋅的參考攝入量（DRIs）為兒童12～13.5 mg/d，青少年、成人15 mg/d，孕婦、乳母11.5～12.5 mg/d。目前，人體缺鋅狀況較為普遍。全球約1/3人口處于鋅缺乏狀態，缺鋅已經成為發展中國家疾病發生和死亡的第五大誘因。我國約半數省份的學齡前兒童中，有60%的鋅日攝入量為3～6 mg，僅為參考攝入量的一半左右[1-4]。

在植物性食物占膳食結構主導地位的地區，鋅缺乏狀況尤為明顯。植物性食物主要包括主食谷物類、豆類和蔬菜類，是人類獲取能量、攝取營養物質的主要來源。植物性食物一方面鋅含量低，另一方面含有大量營養抑制因子。而世界大部分地區植物性食物在膳食結構中仍占很大比重，人體很難從中攝取足夠的鋅[2-3]。

影響植物性食物鋅吸收效果的重要因素有植酸、草酸、纖維素和重金屬，其中植酸是最主要的因素。鋅和植酸在人體內易形成不溶性沉淀，因此難以被人體吸收利用。植酸通過影響植酸/鋅摩爾值從而降低鋅的生物利用性。抑制鋅吸收的臨界植酸/鋅摩爾值為10～20，低于10時植酸幾乎不抑制鋅的吸收，高于20時鋅的吸收則受到抑制。因此要改善植物性食物的鋅營養價值，不僅要提高鋅的絕對含量，還要提高鋅的生物利用性，即要降低營養抑制因子如植酸等的水平[4]。

2.2 鋅缺乏的解決方法

目前，應對鋅缺乏狀況的主要方法有：1）膳食多樣性；2）礦物質補充劑；3）食品強化；4）生物強化[3]。

膳食多樣性主要是增加含鋅食物的攝入量，如動物性食物尤其是海產品等富含鋅元素，是生物有效鋅的良好來源。這種方法是解決鋅缺乏問題的治本之策，但其受到人們飲食文化、生活習慣和經濟水平的影響和限制，要保證人人具有合理的膳食結構是不現實的[2-3]。

現有的鋅礦物質補充劑主要有無機鋅（硫酸鋅）、有機鋅（葡萄糖酸鋅、檸檬酸鋅和氨基酸螯合鋅）和生物鋅（酵母鋅）。食品強化是以食品為載體向其中添加鋅礦物質補充劑以提高鋅營養價值的一種強化方法。無機鋅離子在人體中易與植酸、纖維等物質絡合生成不溶物而排出，鋅的吸收率低[5]；有機鋅中鋅離子與氨基酸等小分子穩定結合，人體吸收率高，生物利用率較高[1]。生物鋅以鋅蛋白和鋅多糖為主要形式，譚玨等[6]關于鋅補充劑的研究表明，鋅吸收率從大到小排序為甘草鋅＞葡萄糖酸鋅＞氨基酸螯合鋅＞硫酸鋅；潘麗新等[7]證明人體對鋅生物強化制劑的吸收比有機鋅制劑效果更好。礦物質補充劑和食品強化這兩種方式都是直接食用鋅制劑成品，在短期內能夠迅速補充機體所需要的鋅，適用于孕婦、兒童等對鋅需求量大的群體。但食品強化容易改變食品的風味或觀感，難以開發；除此之外，鋅制劑成本較高，受制于經濟原因也很難推廣[2-3]。

不同于食品強化，生物強化著重于在農作物生長發育期間富集微量營養素，提高生物利用性以提高其營養價值[1]。生物強化分為農藝強化和基因強化：農藝強化的主要途徑是施肥（土壤施肥、葉面噴施或浸泡種子）；基因強化的主要途徑是傳統育種技術或基因工程。然而，傳統育種技術周期長，篩選需求的優良性狀困難；基因工程當前受技術限制，要達到改變植物基因從而改善其對鋅的利用比較困難，另外在我國大眾對轉基因食品的接受度有限[2-3]。通過施肥的農藝強化具有見效快、成本低、穩定性高、可操控性高、易于被廣泛接受的特點[1,3]。就鋅元素而言，施鋅增加了植物體外可被其吸收的鋅含量，不僅能提高農作物中鋅的含量，還能提高其產量。但施鋅也存在一些其他問題，如要考慮土壤性質、過量施鋅植物無法吸收導致鋅肥利用率低以及可能引起的環境問題[2]。生物鋅補充劑屬于生物強化的一種，通過生物強化富鋅可使鋅由無機鋅轉化為人體易于吸收的有機鋅或生物鋅，穩定安全、價格低廉、鋅營養價值高且應用廣泛。

3 生物強化富鋅食品種類

目前生物強化富鋅食品的主要種類是真菌類（食用菌與酵母菌）和植物類。

圖1 生物強化富鋅食品種類

3.1 富鋅食用菌與富鋅酵母

在富鋅食用菌里，金針菇的耐鋅能力較強。研究發現，金針菇菌絲體富鋅量在600～1 000 mg/kg濃度梯度內隨外施鋅濃度的提高而增加，添加800 mg/kg濃度的鋅能顯著促進其生長，高于該濃度促長作用逐漸消退甚至抑制生長。采用最優鋅濃度800 mg/kg處理時，鋅源種類的不同對菌絲體生物量基本無影響，但其對醋酸鋅的富集能力最強，富鋅量達42.43 mg/g，硫酸鋅、氯化鋅和硝酸鋅較弱，這可能是由于醋酸鋅的pH更適于菌絲體生長[8]。在金針菇富鋅過程中，93%以上的鋅以有機態存在，其中又有50%以上結合為鋅蛋白，34%與糖及脂類物質結合。富鋅金針菇培養過程中加入適量檸檬酸和增稠劑CMC-Na有利于富鋅，并提高其生物量[9]。

關于平菇、香菇、羊肚菌、真姬菇、白靈菇等也有相關的富鋅研究。平菇子實體菌柄和菌蓋中的鋅含量隨著培養料中鋅質量濃度（0～900 mg/kg）的升高而增加，當鋅質量濃度為600 mg/kg時菌絲體生長最快，若鋅質量濃度進一步增大，菌絲體生長速度會下降，甚至產生抑制現象[10]。通過液態發酵對平菇富鋅，ZnSO4的最適添加濃度為400 mg/L，富鋅量達到31.01 mg/L。通過優化發酵富集條件其富鋅量可達50.23 mg/L。高濃度鋅對平菇菌絲的生長有嚴重抑制作用。平菇菌絲體中富集的鋅主要與多糖結合[11]。

低濃度鋅促進香菇菌絲體的生長，高濃度抑制其生長。在采用500～600 mg/kg濃度硫酸鋅培養香菇時，既能促進其生長，又能提高其鋅含量。當硫酸鋅添加量為500 mg/kg時，香菇子實體鋅含量為172 mg/kg。但香菇對鋅的富集能力有限，當外源鋅大于最適濃度500 mg/kg后，隨著鋅濃度的增加，香菇子實體富鋅量逐漸減少[12]。

羊肚菌菌絲體具有較強的富鋅能力，其適宜鋅源是醋酸鋅，最適富集鋅濃度為600 mg/L，富集鋅的有機化程度為37.71%[13]。通過液體深層發酵技術培養，其菌絲體富鋅率達18.20%，從中提取的粗多糖中鋅含量為0.86 mg/g[14]。真姬菇對鋅的最適富集濃度為400 mg/L，通過優化液體培養富鋅條件，真姬菇菌絲體富鋅率達高達7.98%，有機鋅的富集率為4.90%[15]。白靈菇菌絲體的生物量及鋅富集率與鋅濃度均呈倒U型曲線關系。使用醋酸鋅處理，其最適鋅富集濃度為150 mg/L，該濃度下白靈菇菌絲體的生物量及鋅富集率均達到最大，分別為3.28±0.12 g/L和67.00%±5.02%[16]。采用硫酸鋅對白靈菇富鋅，其最適鋅濃度為325 mg/L，該濃度下菌絲體鋅含量可達24.79 mg/kg，高于此濃度后鋅對白靈菇菌絲生長產生抑制作用[17]。

以上研究對食用菌菌絲體生物量和鋅含量進行測定，鋅在適宜濃度下促進食用菌菌絲體生長，增加其生物量，過高濃度促進作用減弱甚至產生抑制。食用菌富鋅程度隨外加鋅濃度增加而提高。綜合考慮鋅的富集和對食用菌生長的促進作用兩個因素得出最適富集鋅濃度。另外對食用菌富鋅適宜鋅源和富鋅有機化程度也有一定程度的探究，食用菌對有機鋅的吸收富集效果優于無機鋅；菌絲體中絕大部分鋅以鋅蛋白或鋅多糖的有機形態存在。

富鋅酵母是通過自然篩選或誘變、單倍體分離、原生質體融合技術選育生物量和富鋅能力均較高的酵母細胞，在其生長過程中通過外施鋅源從而得到含鋅量較高的酵母細胞。富鋅酵母常應用于鋅功能性食品添加劑[1,5]。

3.2 富鋅果蔬與富鋅茶

釀酒葡萄用EDTA-Zn連續2年滴灌，并在其轉色期葉面噴施鋅，鋅含量增加了42.1%～78.7%。綜合釀酒葡萄鋅含量和品質分析得出，43.5 kg/hm2滴灌配合1.5 kg/hm2葉面噴施處理方式效果最好[18]。對蘋果樹根外噴鋅能提高果實品質，顯著增加其鋅含量；施用有機鋅肥荷皇鋅比螯合態EDTA鋅肥菲藍鋅的富鋅效果更顯著[19]。

對大蒜施鋅可分別提高蒜葉、蒜薹和鱗莖的鋅質量分數至93.5，71.8和96.4 mg/kg（干重），同時其鱗莖鋅的生物有效性得到顯著改善[20]。施鋅能顯著提高蔬菜中總鋅和各形態鋅含量，增大鋅富集系數。土施鋅肥時，上海青小白菜最佳鋅肥用量為4 mg/kg，最大吸鋅水平為12 mg/kg。大田噴施鋅肥時，大白菜、胡蘿卜和心里美蘿卜的最大吸鋅水平均為2 700 mg/kg，綜合經濟和品質因素，上述三種蔬菜最適宜的施鋅濃度分別為1 800，450和900 mg/kg。鋅在蔬菜中以活性較低的酸溶態鋅和殘留態鋅為主，二者占總鋅含量的59.09%～82.10%。施鋅能促進其向活性較高的水溶態鋅和醇溶態鋅轉化，以水溶態鋅的轉化為主[21]。在一定濃度范圍內，對果蔬施鋅，富鋅量與施鋅量均呈正比，平衡產量和富鋅量得出最適富集鋅濃度。

富鋅茶葉中的鋅主要分布在幼嫩新葉中，其鋅含量與土壤鋅含量在一定范圍內呈正相關。富鋅方法不同，最適富集濃度也不同。土施鋅肥在14 mg/kg左右最佳，葉面噴施鋅肥以500 mg/L左右為宜，其中鋅含量可達0.2～0.3 mg/g，此時茶葉中各項品質指標含量高且比例合適，茶葉品質好。施加適量鋅肥不僅可以提高茶葉鋅含量，使其作為鋅功能性食品，還有利于改善茶葉品質，提高茶多酚、咖啡堿和可溶性糖含量，具有抗衰老、殺菌消炎等功效[1,22]。

3.3 富鋅谷物

水稻籽粒中的鋅含量隨施鋅水平的增加而提高，但精米中的鋅含量提高幅度在高施鋅濃度下受到抑制。水稻植株施鋅量達到一定濃度后，精米中鋅含量提高幅度變小，而稻殼中鋅含量隨施鋅濃度增加一直提高，且施鋅達到較高濃度后其提高幅度仍較大。水稻可能存在一種調節籽粒中鋅積累程度的機制，使得精米中鋅含量能夠穩定在一定的水平[4]。施加鋅肥能顯著提高水稻產量和返青率。土施的增產效果優于葉面噴施，葉面噴施的富鋅效果顯著優于土施，將土施和葉面噴施兩者相結合能更大程度地提高鋅在水稻增產和籽粒富鋅上的雙重效應[1,23]。

小麥施鋅肥可以實現籽粒和面粉中鋅的富集，與水稻類似，不同施用方式中種肥與噴施配合效果最好，其次是單獨進行噴施處理，再次是單獨進行種肥處理[24]。小麥噴施硫酸鋅能夠在不影響小麥籽粒和面粉富鋅效果的同時提高小麥全粒及面粉中鋅的生物有效性，是小麥籽粒鋅強化的一種簡捷有效的方法。

3.4 富鋅芽苗菜

芽苗菜是利用植物種子（主要包括豆類、谷類、蔬菜或樹的種子）或其他營養體經萌發生長形成的可直接食用的嫩芽、芽苗、芽球、幼梢或幼莖等芽苗類蔬菜。芽苗菜生長周期短、操作技術簡單易掌握、綠色安全無污染的特點使得富鋅芽苗菜相關研究具有廣闊的應用前景。

發芽紅香糙米在25～250 mg/L硫酸鋅濃度浸泡下，其鋅含量與未發芽紅香糙米相比提高了3.55～12.25倍。此外，25～100 mg/L硫酸鋅浸泡處理下的富鋅發芽紅香糙米即可滿足人每日鋅攝入量需求。結合發芽率、鋅膳食補充量及營養成分積累量，確定發芽紅香糙米的最適硫酸鋅浸泡濃度為100 mg/L[25]。嫩麥芽在施鋅濃度為400 mg/L時產量最高，長勢和富鋅效果最好，鋅含量可達144.7 mg/kg；當施鋅濃度大于600 mg/L后，鋅含量升高但產量下降[26]。研究發現，采用不同鋅濃度營養液培養黃豆、綠豆、馬蘭頭、莧菜、苦蕎麥、苜蓿、籽粒莧七種芽苗菜，其鋅的積累量在一定范圍內隨鋅濃度增大而增大，其中籽粒莧對鋅的富集能力最強，當施鋅濃度為0.6 mg/L時其鋅積累量比對照高3.08倍[27]。花椰菜、向日葵和豌豆芽苗的富鋅效果較好，其中鋅含量呈劑量依賴性增加，花椰菜和豌豆芽苗的鋅含量分別為對照的25倍和4倍，向日葵芽苗鋅含量的增加幅度較小，為對照的1.2倍[28]。

以硫酸鋅為鋅源培養富鋅大豆芽，在0～100 mg/L濃度范圍內，其鋅含量隨著外源鋅濃度的增加而增加。采用100 mg/L外源鋅濃度浸種，大豆芽可食部分含鋅量為194.18 mg/kg（干重），可食部分在外源鋅濃度10 mg/L時鋅的生物可接受率顯著高于對照；但當鋅濃度超過30 mg/L后，大豆萌發受到抑制。因此在不影響種子萌發和芽苗生長的前提下，10 mg/L的外源鋅浸種更有利于大豆芽對鋅的富集[29]。綠豆對4種鋅源的積累能力不同，由強到弱依次為葡萄糖酸鋅＞硫酸鋅＞檸檬酸鋅＞Zn-EDTA。綠豆芽中的鋅含量隨浸種液硫酸鋅濃度的升高而增加，最適富集鋅濃度為75 mg/L[2]。豌豆苗鋅含量隨著浸種或噴施鋅量的增加而不斷提高，當施鋅濃度達到60 mg/L時，浸種和噴施處理的豌豆苗鋅含量分別為168.56和211.35 mg/kg，分別是對照的357倍和448倍；然而當施鋅濃度超過50 mg/L時豌豆苗的生長受到抑制，營養價值下降。故豌豆苗浸種或噴施鋅的最適劑量為40～50 mg/L，且噴施效果優于浸種[30]。采用不同鋅源處理豇豆芽，在0～300 mg/L濃度范圍內葡萄糖酸鋅強化的鋅含量最高，是對照的13.6倍，效果優于硫酸鋅強化的12.7倍[31]。

在生物強化富鋅食品中，豆類芽苗菜的富鋅具有十分重要的意義。豆類在我國是僅次于谷物的重要糧食作物，資源豐富，消費量大。大多數豆類中的鋅含量比谷物高，但豆類含有的大量營養抑制因子降低了鋅生物利用率。豆類種子發芽過程中，淀粉酶、蛋白酶和植酸酶的活性會增強，養分從種子中釋放，植酸鹽降解，植酸含量降低，從而促使豆類中鋅的生物利用性提高，整體營養價值也得到提升。豆類在萌發過程中能吸收富集鋅，同時適量鋅對豆種萌發及豆類芽苗菜的生長有一定促進作用[2-3,31]。無機鋅在豆類芽苗菜生長過程中被吸收，經過生物富集轉化成有機鋅，使其更易被人體吸收利用。雖然有機鋅肥的富集效果更好，但無機鋅肥成本更低，更具有規模生產的經濟意義。除此之外，豆類芽苗菜培育成本低、生長周期短、種植方法簡單易控，其作為一種人工栽培蔬菜，沒有季節性的限制，在添加鋅時也不會造成土壤和環境污染。此外，通過控制鋅添加劑量，還可以得到不同鋅含量的富鋅豆類芽苗菜。

綜上，促進植株富鋅的外施鋅肥方法主要是土施和葉面噴施；鋅溶液浸種法主要應用于芽苗菜類的培育。不同施用方式中土施或浸種與葉面噴施配合富鋅效果最好，單獨處理時葉面噴施的效果優于土施或浸種。鋅在一定濃度能夠促進作物生長，改善作物營養品質，過高濃度促進作用減弱甚至有抑制作用，但作物富鋅程度大多隨外加鋅濃度增加而提高。作物對有機鋅的吸收富集效果優于無機鋅。

4 結語

目前，生物強化富鋅食品大多停留在理論研究階段，缺乏與實際生產的結合和應用。隨著生活水平的提高，人們對飲食營養結構越來越重視，對補鋅的需求也逐漸增強，采用生物強化手段獲得的富鋅食品，具有穩定安全、價格低廉、鋅營養價值高、易于吸收利用的優勢，發展前景廣闊。而富鋅豆類芽苗菜由于其培育成本低、生長周期短、種植方法簡單易控、無季節性、無污染及萌發過程中降低了植酸含量，提高了鋅的生物利用性等優勢，具有更加重要的應用意義和市場價值。