食品中植酸及其降解產物的研究進展

陳佳悅，范 蓓，劉貴巧，李春梅,，王鳳忠,

（1.中國農業科學院農產品加工研究所，農業農村部農產品加工綜合性重點實驗室，北京 100193；2.河北工程大學生命科學與食品工程學院，河北 邯鄲 056038）

植酸亦稱肌醇1,2,3,4,5,6-六磷酸（myo-inositol 1,2,3,4,5,6-hexakis dihydrogen phosphate，InsP6），是一種包含6 個磷酸基團的環狀化合物，其結構式如圖1所示。植酸廣泛存在于植物中，是磷酸鹽的主要存在形式，占總磷的60%～90%，對維持植物正常生理活動發揮重要作用。然而，植酸中因含有帶高密度負電荷的磷酸基，具有極強的螯合能力，在生物體內可以與蛋白質和礦質元素螯合形成穩定、難以降解的復合物，使蛋白質和礦質元素的生物利用率降低[1]，而大部分磷和礦物質被排出體外也會造成土壤污染和水體富營養化等環境問題[2-3]。因此，植酸通常被認為是抗營養因子。目前，美國、英國、芬蘭、意大利、瑞典等發達國家均已制定了植酸每日推薦攝入量，其中美國和英國推薦攝入量較高，為631～746 mg/d，瑞士推薦攝入量最低，為180 mg/d[4]，而我國仍缺乏對食品中植酸含量的系統調研，其對人體的健康風險未知。

圖1 植酸結構式Fig.1 Structure of phytic acid

隨著研究的深入，人們發現植酸也有許多有益作用，如抗氧化、抗癌和抗糖尿病等生物活性[4-5]。另有研究表明，在植物種子發育或食品加工過程中，植酸可降解成低級植酸鹽（InsP5、InsP4、InsP3等）（圖2）[6]，不僅降低了植酸鹽原有的抗營養作用，且大多數降解產物在細胞信號轉導和機體代謝調節中起著非常重要的作用，有些還具有抗癌、降血壓等功效[7]。鑒于此，精確測定食品中植酸及其降解產物低級磷酸肌醇的含量，對正確評價其風險尤為重要。因此，本文對植酸及其降解產物的性質、抗營養作用、生物活性以及在食品中的含量水平進行綜述，并對其分析測定方法進行探討，以期為我國開展該領域的相關研究提供參考。

圖2 植酸在植物體內的降解過程[6]Fig.2 Degradation pathway of phytic acid in plants[6]

1 植酸及其降解產物的性質

植酸為淡黃色或褐色糖漿狀液體，具有極強的水溶性，lgP為-8.47，也可溶于甘油和體積分數95%乙醇溶液，微溶于無水乙醇和甲醇，難溶于無水乙醚、苯和氯仿等有機溶劑。植酸對光穩定，但受熱易分解，且隨著植酸濃度降低，其熱穩定性會隨之降低。植酸結構中有12 個可解離的質子或活性位點（圖1），其中6 個是強酸性位點，解離常數pKa值為1.5～2.0，兩個是弱酸性位點，pKa值為6.0左右，4 個是很弱的酸性位點，pKa值為9.0～11.0[8]。

植酸在內源植酸酶的作用下，磷酸基團按順序去磷酸化會產生多種水溶性低級磷酸肌醇，包括InsP5、InsP4、InsP3、InsP2、InsP1（圖2）[6]。表1列出了植酸及其降解產物的理化性質，隨著磷酸基團數量的減少，降解產物的lgP增大，極性降低。

表1 植酸及其降解產物的理化性質Table 1 Physicochemical properties of phytic acid and its degradation products

2 植酸及其降解產物的生理作用

2.1 抗營養作用

植酸分子結構中的6 個磷酸基團具有極強的電負性和螯合能力，能與二價或三價金屬離子如Zn2＋、Cu2＋、Fe2＋、Fe3＋、Ca2＋、Mg2＋、Mn2＋等發生結合反應形成植酸鹽，這些植酸鹽在酸性pH值下可溶，但在生理pH值下難溶，而人類消化道缺乏植酸降解酶，因此植酸難以被胃腸道消化吸收，從而使得這些被結合的金屬離子生物利用率大幅降低[5,9-11]。據報道，在缺乏植酸的情況下，人體可以從食物中多吸收20%的鋅和60%的鎂[5]。一項研究表明，在含有2、25 mg和250 mg植酸的小麥卷中，鋅的吸收率分別被抑制了18%、64%和82%[12]。植酸主要抑制人體對鐵、鋅、鈣和鎂元素的吸收[13-15]，這對于長期以谷物和豆類作為主食的發展中國家尤為明顯，礦物質吸收的減少，特別是鋅和鐵吸收的減少，會導致貧血、早產、嬰兒大腦發育遲緩、免疫和認知功能下降等[5]。

通常采用植酸與礦質元素的物質的量比評估食品中礦質元素的生物利用率，研究表明，有利于鐵、鋅和鈣元素吸收的植酸與礦質元素物質的量比參考值分別為n（植酸）∶n（鐵）＜1、n（植酸）∶n（鋅）＜15、n（植酸）∶n（鈣）＜0.24[16]。當食品中植酸與礦質元素的物質的量比低于參考值時，認為植酸的含量對礦質元素生物利用率沒有影響，反之則表明對其吸收有不利影響。Nissar等[4]建議每100 g食物植酸攝入量應低于25 mg，以減少微量營養素的損失。表2列出了不同國家植酸的每日推薦最高限制攝入量。

表2 不同國家植酸的每日推薦最高限制攝入量[4]Table 2 Recommended maximum daily intake of phytic acid in different countries[4]

由于植酸在自然界中以離子形式存在，因此還可與一些帶電的蛋白質結合形成復合物，環境的pH值會顯著影響植酸與蛋白質的結合能力，當pH值低于蛋白質等電點時，蛋白質具有正電荷，可以直接通過靜電結合與植酸形成二元復合物，使蛋白質的結構改變，從而影響一些酶的活性、蛋白質溶解性和消化率[17-18]。體外研究表明，蛋白質來源、溶解性、膳食中Ca2＋和Mg2＋水平等多種因素會影響植酸與蛋白質的結合程度[19-20]。此外，植酸可螯合蛋白酶活性中心的金屬離子，抑制胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和胃蛋白酶等多種蛋白酶的活性，使其降解蛋白質的效率降低[17,21]。植酸還可通過氫鍵直接或通過蛋白質間接與淀粉鏈結合生成植酸-蛋白-淀粉復合體，從而降低淀粉的溶解性和可消化性[22]。

與植酸相比，目前關于植酸降解產物的研究相對較少。有研究表明InsP5與植酸有相近的螯合能力，一般被視為抗營養因子，而隨著磷酸基團數量的減少，其螯合能力大為降低[2]。在相同條件下，InsP6的蛋白聚合力是InsP5的（4.6±0.1）倍[23]；雖然低級磷酸肌醇InsP1～4對蛋白聚合力影響較小，但磷酸化程度低至InsP3的植酸降解產物仍可抑制胃蛋白酶活性[23]，且可螯合Fe3＋使其利用率降低[23-24]。L?nnerdal等[25]的研究表明，InsP6和InsP5對乳鼠鋅吸收有較強抑制作用。目前，植酸酶已廣泛應用于食品和動物飼料中，以提高礦質元素和蛋白質的利用率[26-28]。

2.2 生物活性

植酸除對人體有抗營養作用外，還具有多種生物活性作用。抗氧化是植酸最顯著的特征，植酸肌醇環各位上的磷酸基團與Fe3＋形成的植酸-Fe3＋螯合物穩定性高，可以有效抑制Fe3＋誘導的羥自由基產生，從而抑制脂質過氧化[29]。但植酸僅在體外表現出高抗氧化活性，而對生物體內抗氧化能力沒有提升作用。Rimbach等[30]的研究表明小鼠體內大量的植酸會降低鐵的生物利用率，卻對體內抗氧化能力的提高作用較小。植酸還具有廣譜的抗癌作用，可有效防治結腸癌、乳腺癌、前列腺癌、肝癌、皮膚癌等[4-5,17]。相關研究表明，植酸還能降低細胞生長速度，促進癌細胞向正常表型分化[31]。此外，植酸可通過絡合鐵離子以減輕鐵誘導的低密度脂蛋白膽固醇氧化，降低血漿中總膽固醇含量，從而預防冠心病的發生[4-5]。近期研究還表明植酸可通過調節炎癥反應和腸道菌群結構維持血乳屏障的完整性[32]。

植酸降解產物InsP2～5在細胞信號轉導和機體代謝調節中也具有重要作用，其中InsP5可特異性地抑制磷酸肌醇3-激酶信號傳輸通路，使體外培養的癌細胞對抗癌藥物的作用更加敏感，引起癌細胞凋亡[33]。InsP4對T淋巴細胞的正常分化具有重要作用，且在中性粒細胞中，InsP4通過阻斷InsP3介導的pH結構域蛋白質質膜轉位從而實現對InsP3信號轉導途徑的反向調控[34]。InsP3是作為Ca2＋信號轉導途徑中的第二信使，InsP3/Ca2＋信號轉導途徑可調控多種細胞代謝過程[7,35]。此外，InsP3還具有降血壓、消炎、抗氧化等功效[7,36]。

3 植酸及其降解產物的含量分布

植酸廣泛存在于谷物、豆類、油籽和堅果等食品中。已有研究發現小麥和水稻等單子葉植物中約90%的植酸分布于糊粉層或麩皮層中，約10%存在于胚芽中；而玉米與其他谷物不同，88%植酸存在于胚芽中，而胚乳中含量僅占3.2%；在大豆等雙子葉植物中，約99%的植酸分布于整個子葉中[37]。食品中植酸的含量如表3所示，谷類及其制品中含麩皮的谷類植酸含量較高，其中米糠的植酸質量分數最高達8.7%，麥麩中最高達3.9%；豆類中大豆的植酸含量最高，為（1 709.40±4.67）mg/100 g，其制品大豆濃縮蛋白的植酸質量分數較高，為1.12%～2.34%；油料類中芝麻的植酸質量分數最高，為1.44%～5.36%，烤熟后其質量分數亦較高，為3.93%～5.72%；與上述3 類食品相比，堅果類的植酸質量分數相對最高，最高值范圍為4.47%～9.42%，其中杏仁的植酸質量分數最高，為0.35%～9.42%。

表3 食品中植酸含量水平Table 3 Contents of phytic acid in foods

近年來，隨著研究的深入，為了更加準確評估植酸對營養吸收的抑制程度，研究人員開始關注食品中植酸及其降解產物的精確含量。Sun Mingjing等[49]對美國農場大豆和玉米中的植酸及其降解產物含量進行測定，結果顯示大豆和玉米樣品中均檢出InsP4～6，且以InsP6為主要存在形式；大豆樣品中InsP6含量為8.64～12.26 μmol/g，InsP5含量為3.01～3.70 μmol/g，InsP4含量為0.69～0.99 μmol/g；與大豆相比，玉米中植酸及其降解產物的含量相對較低，InsP6含量為5.95～7.82 μmol/g，InsP5含量為2.35～2.91 μmol/g，InsP4含量為0.37～0.58 μmol/g。Burgos等[16]通過測定阿根廷尾穗莧谷物中植酸及其降解產物含量發現，總植酸含量為3 051.3 mg/100 g，其中InsP6和InsP5占總植酸含量的90%以上，InsP4和InsP3分別占總植酸含量的8.4%和1.0%；熱加工過程導致InsP6含量顯著降低，降幅達19%～27%，但伴隨著InsP5含量顯著升高，這可能是由于谷物在加工過程中內源植酸酶未完全水解InsP6。Frontela等[50]也發現谷物粉中InsP5含量在烘烤后升高43%～368%。表4匯總了目前已報道食品中植酸降解產物的含量。

表4 食品中植酸的降解產物含量Table 4 Contents of phytic acid degradation products in foods

4 食品中植酸及其降解產物檢測的分析方法

4.1 前處理方法

食品中植酸及其降解產物的常用前處理方法主要包括酸浸提法、超聲提取法、微波提取法、固相萃取法等。

4.1.1 酸浸提法

酸浸提法是提取植酸及其降解產物較為常用的方法，鹽酸是主要的提取劑，通常采用0.5 mol/L或0.66 mol/L鹽酸常溫提取2～4 h，最長提取時間為24 h。Liu Xiaodan等[59]比較了鹽酸、甲酸、三氟乙酸和乙酸對生物組織及堅果等中植酸及其降解產物的提取效果，發現3.2 mol/L乙酸對InsP1～6具有最好的提取效果，回收率為64.1%～119.6%。Yu Saisai等[61]建立了一種更環保的小麥制品中植酸的提取方法，即采用超純水和強酸性陽離子交換樹脂提取2 h，與傳統鹽酸提取法相比，該方法提取率更高，回收率為85.8%～105.0%，這主要是由于鹽酸提取劑中金屬離子的存在阻礙了植酸的甲酯衍生化，而強酸性陽離子交換樹脂的添加可有效去除金屬離子。此外，對于脂肪含量較高的食品，脂肪會影響植酸的提取效率，通常需在提取前進行脫脂處理，使其質量分數降低至5%以下[62]。

4.1.2 超聲提取法

與傳統酸浸提法相比，超聲提取法利用超聲波所產生的熱效應、空化效應和機械振動等作用，極大地縮短了提取時間，提取效率更高。Simonet等[56]以2 mol/L鹽酸為提取劑，利用超聲波提取豆類和堅果中植酸及其降解產物，發現5 min內即可成功提取InsP1、InsP2和InsP3，20 min內可完全提取InsP6；當提取時間超過45 min時，可能由于InsP6發生水解，其回收率降低，而低級磷酸肌醇InsP5、InsP4、InsP3和InsP2的回收率則有所升高，因此，最終選用20 min作為超聲時間，InsP1～6的回收率可達94.4%～107.7%。

4.1.3 微波提取法

微波提取法也是目前測定食品中植酸常用的提取方法之一。Liu Tong等[63]考察了微波提取劑濃度、提取時間和溫度對核桃中植酸的提取效率，發現0.66 mol/L鹽酸和0.52 mol/L硫酸對植酸的提取效率無顯著影響；采用0.66 mol/L鹽酸作為提取劑時，當微波提取溫度從100 ℃升高至125 ℃，或提取時間從10 min延長至20 min，植酸的提取率無顯著差異，但當溫度升高至150 ℃時，InsP6發生水解，其提取率降低；與傳統鹽酸提取相比，當采用0.66 mol/L鹽酸和0.52 mol/L硫酸混合溶劑（1∶1，V/V）作為提取劑時，植酸的提取率較高，最優微波條件為提取溫度100 ℃、提取時間10 min、液料比20∶1；該方法與傳統的酸浸提法（提取時間3 h）相比顯著縮短了提取時間，提高了提取效率。

4.1.4 固相萃取法

固相萃取法已經廣泛應用于食品樣品中植酸及其降解產物的凈化，硅膠陰離子交換劑SAX、陰離子交換樹脂AG1-X8和AG1-X4是目前常用的固相萃取填料。Burbano等[54]比較了AG1-X8和SAX柱對豆類中InsP3～6的提取效果，結果發現兩種固相萃取柱的回收率接近，但SAX柱的變異系數更小，且SAX柱的優勢在于預處理時間更短，可重復性和再現性更強。由于酸提取液的酸度通常較高，大多數InsPn不能保留在離子交換柱上，因此，一般在進行固相萃取凈化前采用蒸發[54,64-65]或稀釋[40,66-67]降低酸度。然而，Chen Qingchuan[47]研究發現蒸發處理后，食品中InsP5和InsP6的回收率較低，這可能是干燥后的提取物未完全從玻璃容器壁中溶解所致[68]，因此，最終選擇將提取液稀釋10 倍以降低酸度，然后采用SAX固相萃取柱凈化，以2 mol/L鹽酸進行洗脫，結果顯示InsP5和InsP6的回收率為89.6%～104.8%。

部分食品中植酸及其降解產物的前處理方法匯總如表5所示。

表5 食品中植酸及其降解產物檢測的前處理方法Table 5 Sample pretreatment for analysis of phytic acid and its degradation products in foods

4.2 儀器分析方法

4.2.1 分光光度法

植酸具有較強的螯合性，可以與其他一些化合物競爭螯合離子。研究人員利用植酸與磺基水楊酸競爭螯合Fe3＋的特點測定植酸含量，其原理是磺基水楊酸與Fe3＋反應生成紫紅色絡合物，在500 nm波長處吸光度最高，當植酸存在時能競爭螯合其中的Fe3＋，發生褪色反應，吸光度下降量與植酸的濃度成反比。我國現行有效的GB 5009.153—2016《食品安全國家標準 食品中植酸的測定》[71]就是根據這個原理而制定的，方法檢出限為0.006 g/kg，定量限為0.02 g/kg。該方法最大的優點是不需要昂貴的儀器，操作簡單，但該方法中Fe3＋同樣可與植酸降解產物低級磷酸肌醇發生反應，容易使所測植酸含量結果偏高。

4.2.2 離子色譜法

離子色譜法是利用待測物在離子交換樹脂柱與流動相間的反復交換，使樣品中各離子分離，該方法能夠通過陰離子交換色譜柱結合梯度洗脫將植酸及其降解產物有效分離，具有靈敏度高、重現性好、簡便快速等特點。Chen Qingchuan等[47]采用CarboPac PA-100色譜柱（250 mm×4 mm，10 μm）經鹽酸梯度洗脫測定了豆類、堅果中的InsP5和InsP6的含量，方法檢出限為1.5～3.4 μmol/L，該方法將植酸及其降解產物低級磷酸肌醇有效分離，消除了低級磷酸肌醇的干擾，定量結果更準確。陸智輝等[73]利用離子色譜法測定了棉仁樣品中的植酸含量，選用AG11-HC陰離子交換色譜柱（4 mm×250 mm）并對分析條件進行優化，結果表明，在洗脫液30.0 mmol/L KOH溶液、流速1.0 mL/min、柱溫30 ℃、進樣量20 μL的色譜條件下，樣品中植酸峰與雜質峰得到完全分離，方法檢出限為0.059 μg/mL，定量限為0.196 μg/mL。

4.2.3 高效液相色譜法

高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，HPLC）是目前使用較為廣泛的植酸及其降解產物定量檢測方法，該方法選擇性和靈敏度更高。C18柱是最常用的色譜分離柱，但由于植酸為離子型化合物，極性較大，在反相鍵合相色譜柱上的保留時間相對較短，難以與液相色譜柱死時間進行區分，因此，通常采用在流動相中添加離子對試劑以增加溶質與非極性固定相的作用，改善分離效果。目前，已報道用于植酸及其降解產物分析的離子對試劑包括四丁基氫氧化銨溶液、正戊胺、乙酸二己基銨。Zhang Shaojun等[53]比較了3 種離子對試劑（乙酸二丁基銨、乙酸二戊基銨和乙酸二己基銨）對InsP1～6在C18柱上分離效果，結果顯示乙酸二己基銨可快速有效分離InsP1～6。此外，衍生化處理也有助于植酸在C18柱的保留，但步驟比較繁瑣。通常采用三甲基硅烷基重氮甲烷對植酸磷酸根甲酯化，以提高磷酸根的疏水性和穩定性，降低其酸性和金屬螯合能力[61,74]。

由于植酸及其降解產物沒有發色和熒光基團，因此無法直接利用紫外或熒光檢測器測定植酸及其降解產物，需經過一定的預處理過程或與一些特定的檢測器聯用。Dost等[75]利用植酸對硫氰酸鐵有色絡合物的置換反應，采用十八烷基硅烷鍵合硅膠填料（octadecylsilyl，ODS）色譜柱分離并檢測硫氰酸鐵濃度的降低量，建立了利用高效液相色譜-紫外檢測法（high performance liquid chromatography-ultraviolet，HPLC-UV）測定小麥及其制品中植酸含量的方法，方法檢出限為0.5 μg/mL。蒸發光散射檢測器（evaporative light-scattering detector，ELSD）和示差折光檢測器（refractive index detector，RID）不依賴于物質的官能團或光學特性，是一種通用型質量檢測器，可用于食品中植酸含量的測定，但HPLCRID方法對流動相要求比較高，無法進行梯度洗脫，從而使待測組分與干擾成分分離困難，故靈敏度相對較低。

4.2.4 液相色譜-串聯質譜法

近年來，液相色譜-串聯質譜方法（liquid chromatograph tandem mass spectrometer，LC-MS/MS）在食品中植酸及其降解產物的檢測中得到廣泛應用（表6）。與上述HPLC方法相比，其具有靈敏度更高、選擇性更好等特點。Yu Saisai等[61]建立了小麥中植酸的LC-MS/MS結合柱前衍生分析方法，樣品經超純水和強酸性陽離子交換樹脂攪拌提取2 h，三甲基硅烷基重氮甲烷衍生，C18色譜柱分離，以大氣壓化學電離（atmospheric pressure chemical ionization，APCI）正離子、多反應監測（multiple reaction monitoring，MRM）模式進行植酸的定性分析，方法檢出限為0.07 ng/mL，定量限為0.25 ng/mL。Liu Xiaodan等[59]采用非衍生化LC-MS/MS對堅果、燕麥中InsP1～6進行測定，選用陰離子色譜柱分離，流動相為200 mmol/L碳酸銨（pH 9.0）-5%甲醇水溶液，質譜采用電噴霧離子源（electron spray ionization，ESI）負離子-選擇性反應監測模式（selective reaction monitoring，SRM），方法檢出限為0.25 pmol。Zhang Shaojun等[53]采用非衍生化LC-MS/MS對大豆、玉米、水稻、擬南芥籽粒等中InsP1～6進行測定，選用C18反向色譜柱分離，以5%乙腈水溶液（含5 mmol/L乙酸二己基銨，pH 7.0）-乙腈為流動相，質譜條件為ESI負離子-MRM模式，方法檢出限為0.3～3.0 pmol，定量限為0.3～30.0 pmol。

表6 食品中植酸及其降解產物的HPLC法和LC-MS/MS法Table 6 High performance liquid chromatography and liquid chromatography-tandem mass spectrometry methods for the determination of phytic acid and its degradation products in foods

5 結語

基于植酸的抗營養作用以及在食品中的濃度水平，美國、英國、芬蘭等發達國家均已制定了植酸每日推薦攝入量，而我國卻缺乏相應的推薦膳食攝入量規定。與國外相比，我國在植酸方面的研究工作還不全面，應該加快開展食品中植酸推薦攝入量的制定。此外，目前仍缺乏專門針對植酸及其降解產物低級磷酸肌醇的分析方法。雖然我國目前也制定了食品中植酸檢測方法的國家標準，但僅限于植酸的測定，且缺乏區分植酸及其降解產物的特異性方法，所測植酸含量為包含降解產物在內的總植酸含量，容易使結果偏高。因此，應盡快開展相關的基礎研究，準確評估我國食品中植酸及其降解產物的存在狀態、含量水平及對營養吸收的抑制程度，制定符合我國國情的膳食推薦攝入量和檢測方法。