郭 鎏，劉 栓，印遇龍，萬 丹

（中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室畜禽養(yǎng)殖污染控制與資源化技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，動(dòng)物營養(yǎng)代謝過程與生理調(diào)控實(shí)驗(yàn)室，長沙 410125）

0 引言

世界衛(wèi)生組織（WHO）和聯(lián)合國兒童基金會(huì)（UNICEF）等國際組織聯(lián)合發(fā)布的《2018年世界食品安全和營養(yǎng)報(bào)告》和《2019年世界兒童狀況：兒童、食物與營養(yǎng)》指出，全球仍有超過1/2的人口正面臨著微量營養(yǎng)素?cái)z取不足，即“隱性饑餓”。微量營養(yǎng)素?cái)z入不足導(dǎo)致的嬰幼兒發(fā)育障礙和成年人免疫下降、肥胖和貧血等問題日趨嚴(yán)重[1]，學(xué)齡前兒童、孕齡女性的貧血比例更是高達(dá)1/3。提高農(nóng)副產(chǎn)品中微量營養(yǎng)素的含量和利用效率，尤其是鐵的含量和生物有效性，對(duì)解決“隱性饑餓”這一人類營養(yǎng)與健康問題具有重大的科學(xué)和實(shí)踐意義。

鐵被譽(yù)為“生命元素”，約占動(dòng)物體重的0.01%，是解決人群“貧血”問題的關(guān)鍵營養(yǎng)素。鐵的缺乏通常導(dǎo)致機(jī)體的氧氣運(yùn)輸和造血過程受阻、金屬酶的合成與功能異常、能量代謝障礙、機(jī)體免疫功能下降[2-3]。中國營養(yǎng)學(xué)會(huì)推薦的中國居民鐵的攝入量為15～25 mg/天。人體鐵缺乏與膳食中鐵含量及生物有效性的高低密切相關(guān)。因此，通過在食品中添加鐵增加食品中鐵含量是解決人體鐵缺乏問題的一種途徑，現(xiàn)在國內(nèi)外研究學(xué)者從許多方面探討植物食品增加鐵含量的途徑和方法，并取得較大的進(jìn)展和功效，但動(dòng)物食品增加鐵含量的途徑和方法鮮有研究。家養(yǎng)動(dòng)物是無機(jī)/植物源鐵源的消費(fèi)者，也是人類有機(jī)鐵源的供給者。研究動(dòng)物對(duì)日糧中鐵的利用效率對(duì)提高動(dòng)物源鐵供給能力和指導(dǎo)人類膳食鐵營養(yǎng)具有雙重意義。因此，本研究通過綜述鐵在畜禽體內(nèi)的形態(tài)、代謝和分布特征，對(duì)比主要鐵源的生物利用效率，并探討富鐵動(dòng)物性食品的開發(fā)及其應(yīng)用的可行性。

1 畜禽產(chǎn)品中鐵的形態(tài)與含量

常見農(nóng)牧產(chǎn)品的鐵營養(yǎng)水平見表1，不同來源農(nóng)牧產(chǎn)品中鐵含量差異較大，動(dòng)物內(nèi)臟含有非常豐富的鐵。畜禽產(chǎn)品中鐵大多以血紅素鐵的形式存在，約70%～90%的鐵存在于血液和肌肉中，是富鐵膳食的理想選擇。雞蛋中鐵以卵鐵蛋白復(fù)合物形式存在，主要存在于蛋黃中[4]。蛋白鐵是畜禽產(chǎn)品中鐵的又一重要的形式，畜禽產(chǎn)品約10%～30%的鐵是以鐵蛋白形式存在，具有較高的生物利用率[5]。鐵富集雞蛋可能比普通雞蛋鐵含量高出10%～20%，是良好的高效補(bǔ)鐵食品。例如奶中的乳鐵蛋白、血清/蛋清中的轉(zhuǎn)鐵蛋白、肝臟/蛋黃中的儲(chǔ)鐵蛋白等。這一類蛋白除了具有較高的生物有效性，還具有免疫調(diào)節(jié)的功能。與動(dòng)物來源相比，不同來源產(chǎn)品中鐵含量也存在較大差異，禾谷類作物含有較高含量的鐵。但因植酸等因素的影響[6]，植物源鐵的利用率很低[7]。僅大豆來源鐵因其部分以鐵蛋白形式存在，利用率相對(duì)較高[8]。相比之下，動(dòng)物性食品是人類補(bǔ)充鐵元素更好的選擇。

表1 常見農(nóng)牧產(chǎn)品中鐵營養(yǎng)水平

2 鐵的吸收與代謝

2.1 血紅素鐵的吸收

血紅素鐵主要通過血紅素載體蛋白1（HCP-1）吸收，當(dāng)血紅素進(jìn)入細(xì)胞后會(huì)被血紅素加氧酶（HO-1/2）降解成鐵，一氧化碳和膽綠素[9]。鐵結(jié)合形成鐵蛋白，并通過鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（FPN）轉(zhuǎn)運(yùn)至腸細(xì)胞基底膜外側(cè)。

2.2 非血紅素鐵吸收

機(jī)體鐵吸收主要位于十二指腸。對(duì)于非血紅素鐵，當(dāng)機(jī)體鐵缺乏時(shí)，腸道上皮細(xì)胞鐵（Fe2+和Fe3+）吸收增加。腸細(xì)胞頂葉刷狀緣中存在的十二指腸細(xì)胞色素酶（DcytB）可將鐵 Fe3+還原成 Fe2+。Fe2+經(jīng)二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（DMT1）通過腸上皮細(xì)胞膜，轉(zhuǎn)運(yùn)到腸上皮細(xì)胞中。進(jìn)入腸上皮細(xì)胞的Fe2+氧化成Fe3+并與鐵蛋白結(jié)合，在腸上皮細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)或暫時(shí)儲(chǔ)存。胞內(nèi)鐵還原成Fe2+后，經(jīng)腸上皮細(xì)胞基底外側(cè)膜FPN轉(zhuǎn)運(yùn)，通過細(xì)胞基底膜進(jìn)入腸黏膜固有層。FPN是動(dòng)物細(xì)胞中唯一的鐵跨膜外運(yùn)蛋白，使胞內(nèi)鐵外排[10-11]。

2.3 鐵的代謝

通過腸細(xì)胞基底膜的Fe2+進(jìn)入血液循環(huán)后，被膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白輔助蛋白（HEPH）或其同系銅藍(lán)蛋白（CP）等氧化為Fe3+[12-14]，然后裝載到轉(zhuǎn)鐵蛋白（Tf）上并通過血液運(yùn)輸。運(yùn)輸?shù)焦撬?、肝臟及全身組織，用于血紅蛋白、肌紅蛋白和含鐵酶類合成，其中大部分血鐵參與骨髓的造血作用，而一小部分則轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟。肝臟是人體重要的儲(chǔ)鐵器官，鐵主要以鐵蛋白的形式儲(chǔ)存在肝細(xì)胞中。過量的鐵被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的枯否細(xì)胞吞噬，以含鐵血黃素的形式沉積[15-16]。

血液中的鐵結(jié)合到細(xì)胞表面轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（TfR），形成Tf-Fe/TfR復(fù)合物，通過凹陷和內(nèi)吞進(jìn)入細(xì)胞，隨后復(fù)合物的構(gòu)象被酸化的內(nèi)體改變[17]，Tf釋放出鐵[18]。在核內(nèi)體中鐵被前列腺六跨膜上皮抗原（STEAP3）還原為 Fe2+[19]，并通過 DMT1 轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中并結(jié)合到蛋白上儲(chǔ)存。細(xì)胞中過量的鐵儲(chǔ)存在鐵蛋白中，鐵蛋白巨大的空腔可以儲(chǔ)存數(shù)千個(gè)鐵原子[20]。核內(nèi)體中不含鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白（apo-Tf）和TfR復(fù)合體被循環(huán)到細(xì)胞表面。分類神經(jīng)毒素-3（SNX3）是磷酸肌醇結(jié)合蛋白家族的蛋白之一，是內(nèi)吞中Tf/TfR回收所必需的，并通過Tf回收和結(jié)合增強(qiáng)了鐵的吸收[21]。

2.4 鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)

機(jī)體的鐵穩(wěn)態(tài)（Iron hemostasis）系統(tǒng)是調(diào)控體內(nèi)紅細(xì)胞鐵再利用、腸道鐵吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和肝臟鐵代謝的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)體鐵過量時(shí)，鐵調(diào)素（HAMP）基因表達(dá)增強(qiáng)，使肝臟合成分泌的HAMP增多，肝臟分泌HAMP經(jīng)血液循環(huán)到達(dá)腸組織，在腸上皮組織中，HAMP與FPN結(jié)合，促進(jìn)JAK依賴性的磷酸化和FPN降解，減少腸上皮胞內(nèi)鐵向血液循環(huán)的鐵輸出，降低機(jī)體對(duì)外源鐵的利用。同時(shí)也可減少巨噬細(xì)胞內(nèi)的鐵向血液輸出，從而維持鐵穩(wěn)態(tài)見圖1。由此可見，機(jī)體鐵吸收和代謝是相對(duì)復(fù)雜的過程，可能通過某些途徑提高畜禽產(chǎn)品中的鐵富集，促進(jìn)人類營養(yǎng)與健康。

圖1 腸上皮細(xì)胞對(duì)非血紅素鐵的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)

3 畜禽產(chǎn)品鐵營養(yǎng)水平的影響因素

3.1 畜禽品種及飼養(yǎng)方式

不同畜禽品種鐵富集能力差異較大，血紅素鐵所占比例也不同[22]。研究表明，雞肉、火雞肉、牛肉、小牛肉、羊肉、馬肉、鴕鳥肉、兔肉和豬肉中血紅素鐵含量不同。“紅肉”中的血紅素鐵含量更高，約占72%～87%，雞肉、兔肉和豬肉中的血紅素鐵含量較低，約占56%～62%[23]。同品種動(dòng)物不同身體部位的肉中鐵含量和類型也不相同，內(nèi)臟總鐵量較肌肉高，如肝臟，腎臟等。動(dòng)物全血中富含血紅素鐵，但有研究表明，牛肉中血紅素鐵比例高于內(nèi)臟[24]。同品種動(dòng)物中，總鐵含量與動(dòng)物性別，年齡以及應(yīng)激狀態(tài)等生理狀態(tài)均有關(guān)系[25]，隨著日齡增加，牛肉中總鐵含量隨之增加，并且牛肉顏色呈現(xiàn)出更深的紅色[26]，此外兔肉中血紅素鐵的含量還與品種、季節(jié)、胎次等因素有關(guān)[27]。因此，可以通過改良畜禽品種和改善畜禽飼養(yǎng)方式提高畜禽產(chǎn)品的鐵富集效率從而獲得含鐵量更豐富的畜禽產(chǎn)品。

3.2日糧因素

畜禽產(chǎn)品鐵富集受日糧鐵的鐵源類型和添加水平的影響。畜禽日糧中常見的鐵源可分為無機(jī)鐵和有機(jī)鐵兩類[28]。無機(jī)鐵（無機(jī)鐵鹽），通常是指硫酸亞鐵、氯化亞鐵、氧化鐵、碳酸鐵等，飼料添加劑中以硫酸亞鐵最為常見。有機(jī)鐵，通常包括有機(jī)鐵鹽（乳酸亞鐵、檸檬酸亞鐵、富馬酸亞鐵）、氨基酸絡(luò)/螯合鐵、蛋白鐵、酵母鐵等。有機(jī)鐵能通過增強(qiáng)亞鐵離子穩(wěn)定性避免Fe2+的氧化，同時(shí)避免Fe2+與食物中的植酸等抗?fàn)I養(yǎng)因子結(jié)合，增強(qiáng)鐵源的利用效率。

氨基酸絡(luò)/螯合鐵、蛋白鐵、酵母鐵還可能經(jīng)其他轉(zhuǎn)運(yùn)載體進(jìn)入體內(nèi)，增強(qiáng)鐵源的吸收效率[29]。蛋雞日糧中添加甘氨酸螯合鐵（Fe-Gly）可增加蛋雞血清，肝，腎，脾和卵巢中的鐵濃度[30]。日糧有機(jī)鐵和無機(jī)鐵添加均可增加肉雞育產(chǎn)蛋量和蛋清蛋黃鐵含量[31]。飼喂含F(xiàn)e-Gly日糧，可使乳豬心臟、肝臟、腎臟、脾臟組織中的鐵濃度升高并增加鐵蛋白和組織鐵沉積[32]。還有研究表明，日糧中添加有機(jī)鐵、血粉或植物雌激素能增加蛋黃總鐵含量[33-34]。維生素C的添加能提高日糧中亞鐵離子濃度，促進(jìn)鐵吸收[35]。日糧中添加莫能菌素和泰樂菌素也可以促進(jìn)鐵元素吸收[36]。其他營養(yǎng)素，如低聚果糖、低聚半乳糖、乳酸菌、雙歧桿菌等對(duì)鐵的吸收和代謝有一定的促進(jìn)作用[37]。

畜禽日糧鐵攝取不足還會(huì)影響肉、蛋、奶品品質(zhì)。畜禽產(chǎn)品中血紅素鐵含量下降和揮發(fā)性脂肪酸成分減少，影響產(chǎn)品的血紅素鐵豐度、肉色和風(fēng)味[38-40]。奶牛日糧中添加有機(jī)鐵能提高奶牛產(chǎn)奶量和奶中蛋白質(zhì)含量，提升牛奶品質(zhì)。此外，礦物元素之間存在復(fù)雜的相互作用。DMT1可同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)Mn2+、Co2+和Zn2+[41]。銅藍(lán)蛋白（CP）參與鐵的吸收代謝，缺銅時(shí)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝受阻[42]。日糧中缺銅時(shí)，會(huì)引起肝臟中鐵富集，且血漿中鐵濃度降低，最終導(dǎo)致貧血癥的發(fā)生[43]。蛋雞日糧中同時(shí)補(bǔ)充鋅、銅、鐵元素時(shí)，蛋黃鐵富集效率比單獨(dú)補(bǔ)充鐵元素更高[44]。鐵的吸收代謝也存在日間節(jié)律性[45]，采用“動(dòng)態(tài)補(bǔ)飼”，在遵循鐵代謝的規(guī)律的同時(shí)，使錳、鋅、鐵的在一天中不同時(shí)間攝入，有利于提高產(chǎn)品中鐵富集效率。

3.3 健康狀態(tài)

畜禽的健康狀態(tài)對(duì)鐵富集亦存在影響。畜禽長時(shí)間處于應(yīng)激或炎癥狀態(tài)下，機(jī)體鐵調(diào)素表達(dá)水平升高，鐵吸收代謝受阻，引發(fā)炎癥性貧血[46]。此外，腸道炎癥也會(huì)影響到鐵的吸收。腸道微生物也可影響鐵吸收代謝，而抗生素的使用可能影響腸道菌群結(jié)構(gòu)而影響鐵的吸收代謝。共生生物（Bacteroides thetaiotaomicron VPI-5482和Faecalibacterium prausnitzii A2-165）和有益菌（Streptococcus thermophilus LMD-9）的定植有利于對(duì)腸腔中鐵的吸收[47]。一些腸道微生物通過其代謝產(chǎn)物，如乳酸也能影響腸道對(duì)鐵的吸收及機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)[48]。相比而言，健康動(dòng)物可具有更強(qiáng)的鐵吸收代謝能力，有利于鐵的富集。

3.4 產(chǎn)品加工方式

畜禽產(chǎn)品加工方式也有利于提高食品中鐵含量，奶制品中添加各種形式的含鐵添加劑或抗氧化劑實(shí)現(xiàn)鐵強(qiáng)化是最常見的富鐵食品加工方式。鐵強(qiáng)化牛奶對(duì)于嬰兒和兒童的鐵補(bǔ)充起到重要作用[49]。通過鐵強(qiáng)化處理提高牛奶中鐵的濃度和吸收利用率，包括向牛奶中加入抗壞血酸（AA），硫酸亞鐵和Fe-Gly。其次，乳酸酸化或發(fā)酵能保持鐵離子穩(wěn)定性來提高牛奶中鐵的生物利用率[50]。再次，利用硫酸亞鐵制備微囊化乳清蛋白螯合鐵，可使酸奶生物有效鐵含量增加，并不影響酸奶的營養(yǎng)價(jià)值或感官特性[51]。

4 結(jié)語

血紅素鐵是目前已知的生物有效性最高的鐵源。通過定向育種和營養(yǎng)調(diào)控手段，有可能增加鐵元素在肉、蛋、奶和內(nèi)臟等畜禽食品中富集，提高畜禽產(chǎn)品中的血紅素鐵的比例，改善人群鐵營養(yǎng)狀態(tài)。依此理論開發(fā)功能性富鐵動(dòng)物性食品，有利于特定人群鐵缺乏的防控。與此同時(shí)，開發(fā)動(dòng)物源食品中血紅素鐵的檢測方法和相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)也有利于為動(dòng)物源富鐵功能性食品開發(fā)和產(chǎn)品質(zhì)量控制提供技術(shù)支撐。