生物强化富锌食品研究进展

王朝敏，赵天瑶，薛文通

中国农业大学 食品科学与营养工程学院（北京 100083）

锌是人体必需的微量元素，具有许多重要的生理生化功能。缺锌会导致免疫力下降和食欲减退等，儿童缺锌会导致发育迟缓甚至缺锌性侏儒。目前世界范围内普遍存在锌摄入不足的问题，因此采用一种有效方式补锌显得尤为重要。生物强化是在生物生长发育期间富集微量营养素或提高生物利用性以提高其营养价值的一种强化方法。通过生物强化富锌可使锌由无机锌转化为人体易于吸收的有机锌或生物锌，以此方式培育出的富锌食品稳定安全、价格低廉且锌营养价值高。目前生物强化富锌食品种类主要包括：真菌类如食用菌与酵母菌；植物类如果蔬、谷物、茶叶和芽苗菜等。其中，富锌豆类芽苗菜因其成本低、周期短、种植简单易控、无季节性及可通过萌发降低植酸含量从而提高锌的生物利用性等优势，具有更加重要的应用意义和市场价值。文章对锌的生理功能、缺锌状况、原因和解决方法以及生物强化富锌食品相关研究进展进行综述，表明了生物强化富锌食品尤其是富锌豆类芽苗菜广阔的发展前景，为富锌食品的开发提供理论参考和研究方向。

1 锌的生理功能

锌元素在自然界中广泛分布。Porocelsus于1570年首先发现了自然界中的锌元素；Todd于1934年首次证明锌是高等动物的必需元素。1973年，锌被世界卫生组织（WHO）定义为人体必需微量元素，其在人体中的含量仅次于铁元素位居第二。锌具有许多重要的生理生化功能，能够促进细胞生长分裂，参与多种氨基酸、蛋白质、核酸和维生素的代谢过程。同时锌能够促进儿童骨骼发育、保证免疫器官正常发育和免疫细胞正常分化、维持机体正常味觉与视觉、促进伤口愈合、减少重金属伤害等。锌摄入不足会导致多种疾病和症状，如免疫力下降、内分泌失调、脱发、智力下降、食欲减退等。缺锌还会影响处于生长高峰期的儿童的生长发育，导致缺锌性侏儒[1]。

2 锌缺乏状况及解决方法

2.1 锌缺乏状况及原因

中国营养学会膳食营养素锌的参考摄入量（DRIs）为儿童12～13.5 mg/d，青少年、成人15 mg/d，孕妇、乳母11.5～12.5 mg/d。目前，人体缺锌状况较为普遍。全球约1/3人口处于锌缺乏状态，缺锌已经成为发展中国家疾病发生和死亡的第五大诱因。我国约半数省份的学龄前儿童中，有60%的锌日摄入量为3～6 mg，仅为参考摄入量的一半左右[1-4]。

在植物性食物占膳食结构主导地位的地区，锌缺乏状况尤为明显。植物性食物主要包括主食谷物类、豆类和蔬菜类，是人类获取能量、摄取营养物质的主要来源。植物性食物一方面锌含量低，另一方面含有大量营养抑制因子。而世界大部分地区植物性食物在膳食结构中仍占很大比重，人体很难从中摄取足够的锌[2-3]。

影响植物性食物锌吸收效果的重要因素有植酸、草酸、纤维素和重金属，其中植酸是最主要的因素。锌和植酸在人体内易形成不溶性沉淀，因此难以被人体吸收利用。植酸通过影响植酸/锌摩尔值从而降低锌的生物利用性。抑制锌吸收的临界植酸/锌摩尔值为10～20，低于10时植酸几乎不抑制锌的吸收，高于20时锌的吸收则受到抑制。因此要改善植物性食物的锌营养价值，不仅要提高锌的绝对含量，还要提高锌的生物利用性，即要降低营养抑制因子如植酸等的水平[4]。

2.2 锌缺乏的解决方法

目前，应对锌缺乏状况的主要方法有：1）膳食多样性；2）矿物质补充剂；3）食品强化；4）生物强化[3]。

膳食多样性主要是增加含锌食物的摄入量，如动物性食物尤其是海产品等富含锌元素，是生物有效锌的良好来源。这种方法是解决锌缺乏问题的治本之策，但其受到人们饮食文化、生活习惯和经济水平的影响和限制，要保证人人具有合理的膳食结构是不现实的[2-3]。

现有的锌矿物质补充剂主要有无机锌（硫酸锌）、有机锌（葡萄糖酸锌、柠檬酸锌和氨基酸螯合锌）和生物锌（酵母锌）。食品强化是以食品为载体向其中添加锌矿物质补充剂以提高锌营养价值的一种强化方法。无机锌离子在人体中易与植酸、纤维等物质络合生成不溶物而排出，锌的吸收率低[5]；有机锌中锌离子与氨基酸等小分子稳定结合，人体吸收率高，生物利用率较高[1]。生物锌以锌蛋白和锌多糖为主要形式，谭珏等[6]关于锌补充剂的研究表明，锌吸收率从大到小排序为甘草锌＞葡萄糖酸锌＞氨基酸螯合锌＞硫酸锌；潘丽新等[7]证明人体对锌生物强化制剂的吸收比有机锌制剂效果更好。矿物质补充剂和食品强化这两种方式都是直接食用锌制剂成品，在短期内能够迅速补充机体所需要的锌，适用于孕妇、儿童等对锌需求量大的群体。但食品强化容易改变食品的风味或观感，难以开发；除此之外，锌制剂成本较高，受制于经济原因也很难推广[2-3]。

不同于食品强化，生物强化着重于在农作物生长发育期间富集微量营养素，提高生物利用性以提高其营养价值[1]。生物强化分为农艺强化和基因强化：农艺强化的主要途径是施肥（土壤施肥、叶面喷施或浸泡种子）；基因强化的主要途径是传统育种技术或基因工程。然而，传统育种技术周期长，筛选需求的优良性状困难；基因工程当前受技术限制，要达到改变植物基因从而改善其对锌的利用比较困难，另外在我国大众对转基因食品的接受度有限[2-3]。通过施肥的农艺强化具有见效快、成本低、稳定性高、可操控性高、易于被广泛接受的特点[1,3]。就锌元素而言，施锌增加了植物体外可被其吸收的锌含量，不仅能提高农作物中锌的含量，还能提高其产量。但施锌也存在一些其他问题，如要考虑土壤性质、过量施锌植物无法吸收导致锌肥利用率低以及可能引起的环境问题[2]。生物锌补充剂属于生物强化的一种，通过生物强化富锌可使锌由无机锌转化为人体易于吸收的有机锌或生物锌，稳定安全、价格低廉、锌营养价值高且应用广泛。

3 生物强化富锌食品种类

目前生物强化富锌食品的主要种类是真菌类（食用菌与酵母菌）和植物类。

图1 生物强化富锌食品种类

3.1 富锌食用菌与富锌酵母

在富锌食用菌里，金针菇的耐锌能力较强。研究发现，金针菇菌丝体富锌量在600～1 000 mg/kg浓度梯度内随外施锌浓度的提高而增加，添加800 mg/kg浓度的锌能显著促进其生长，高于该浓度促长作用逐渐消退甚至抑制生长。采用最优锌浓度800 mg/kg处理时，锌源种类的不同对菌丝体生物量基本无影响，但其对醋酸锌的富集能力最强，富锌量达42.43 mg/g，硫酸锌、氯化锌和硝酸锌较弱，这可能是由于醋酸锌的pH更适于菌丝体生长[8]。在金针菇富锌过程中，93%以上的锌以有机态存在，其中又有50%以上结合为锌蛋白，34%与糖及脂类物质结合。富锌金针菇培养过程中加入适量柠檬酸和增稠剂CMC-Na有利于富锌，并提高其生物量[9]。

关于平菇、香菇、羊肚菌、真姬菇、白灵菇等也有相关的富锌研究。平菇子实体菌柄和菌盖中的锌含量随着培养料中锌质量浓度（0～900 mg/kg）的升高而增加，当锌质量浓度为600 mg/kg时菌丝体生长最快，若锌质量浓度进一步增大，菌丝体生长速度会下降，甚至产生抑制现象[10]。通过液态发酵对平菇富锌，ZnSO4的最适添加浓度为400 mg/L，富锌量达到31.01 mg/L。通过优化发酵富集条件其富锌量可达50.23 mg/L。高浓度锌对平菇菌丝的生长有严重抑制作用。平菇菌丝体中富集的锌主要与多糖结合[11]。

低浓度锌促进香菇菌丝体的生长，高浓度抑制其生长。在采用500～600 mg/kg浓度硫酸锌培养香菇时，既能促进其生长，又能提高其锌含量。当硫酸锌添加量为500 mg/kg时，香菇子实体锌含量为172 mg/kg。但香菇对锌的富集能力有限，当外源锌大于最适浓度500 mg/kg后，随着锌浓度的增加，香菇子实体富锌量逐渐减少[12]。

羊肚菌菌丝体具有较强的富锌能力，其适宜锌源是醋酸锌，最适富集锌浓度为600 mg/L，富集锌的有机化程度为37.71%[13]。通过液体深层发酵技术培养，其菌丝体富锌率达18.20%，从中提取的粗多糖中锌含量为0.86 mg/g[14]。真姬菇对锌的最适富集浓度为400 mg/L，通过优化液体培养富锌条件，真姬菇菌丝体富锌率达高达7.98%，有机锌的富集率为4.90%[15]。白灵菇菌丝体的生物量及锌富集率与锌浓度均呈倒U型曲线关系。使用醋酸锌处理，其最适锌富集浓度为150 mg/L，该浓度下白灵菇菌丝体的生物量及锌富集率均达到最大，分别为3.28±0.12 g/L和67.00%±5.02%[16]。采用硫酸锌对白灵菇富锌，其最适锌浓度为325 mg/L，该浓度下菌丝体锌含量可达24.79 mg/kg，高于此浓度后锌对白灵菇菌丝生长产生抑制作用[17]。

以上研究对食用菌菌丝体生物量和锌含量进行测定，锌在适宜浓度下促进食用菌菌丝体生长，增加其生物量，过高浓度促进作用减弱甚至产生抑制。食用菌富锌程度随外加锌浓度增加而提高。综合考虑锌的富集和对食用菌生长的促进作用两个因素得出最适富集锌浓度。另外对食用菌富锌适宜锌源和富锌有机化程度也有一定程度的探究，食用菌对有机锌的吸收富集效果优于无机锌；菌丝体中绝大部分锌以锌蛋白或锌多糖的有机形态存在。

富锌酵母是通过自然筛选或诱变、单倍体分离、原生质体融合技术选育生物量和富锌能力均较高的酵母细胞，在其生长过程中通过外施锌源从而得到含锌量较高的酵母细胞。富锌酵母常应用于锌功能性食品添加剂[1,5]。

3.2 富锌果蔬与富锌茶

酿酒葡萄用EDTA-Zn连续2年滴灌，并在其转色期叶面喷施锌，锌含量增加了42.1%～78.7%。综合酿酒葡萄锌含量和品质分析得出，43.5 kg/hm2滴灌配合1.5 kg/hm2叶面喷施处理方式效果最好[18]。对苹果树根外喷锌能提高果实品质，显著增加其锌含量；施用有机锌肥荷皇锌比螯合态EDTA锌肥菲蓝锌的富锌效果更显著[19]。

对大蒜施锌可分别提高蒜叶、蒜薹和鳞茎的锌质量分数至93.5，71.8和96.4 mg/kg（干重），同时其鳞茎锌的生物有效性得到显著改善[20]。施锌能显著提高蔬菜中总锌和各形态锌含量，增大锌富集系数。土施锌肥时，上海青小白菜最佳锌肥用量为4 mg/kg，最大吸锌水平为12 mg/kg。大田喷施锌肥时，大白菜、胡萝卜和心里美萝卜的最大吸锌水平均为2 700 mg/kg，综合经济和品质因素，上述三种蔬菜最适宜的施锌浓度分别为1 800，450和900 mg/kg。锌在蔬菜中以活性较低的酸溶态锌和残留态锌为主，二者占总锌含量的59.09%～82.10%。施锌能促进其向活性较高的水溶态锌和醇溶态锌转化，以水溶态锌的转化为主[21]。在一定浓度范围内，对果蔬施锌，富锌量与施锌量均呈正比，平衡产量和富锌量得出最适富集锌浓度。

富锌茶叶中的锌主要分布在幼嫩新叶中，其锌含量与土壤锌含量在一定范围内呈正相关。富锌方法不同，最适富集浓度也不同。土施锌肥在14 mg/kg左右最佳，叶面喷施锌肥以500 mg/L左右为宜，其中锌含量可达0.2～0.3 mg/g，此时茶叶中各项品质指标含量高且比例合适，茶叶品质好。施加适量锌肥不仅可以提高茶叶锌含量，使其作为锌功能性食品，还有利于改善茶叶品质，提高茶多酚、咖啡碱和可溶性糖含量，具有抗衰老、杀菌消炎等功效[1,22]。

3.3 富锌谷物

水稻籽粒中的锌含量随施锌水平的增加而提高，但精米中的锌含量提高幅度在高施锌浓度下受到抑制。水稻植株施锌量达到一定浓度后，精米中锌含量提高幅度变小，而稻壳中锌含量随施锌浓度增加一直提高，且施锌达到较高浓度后其提高幅度仍较大。水稻可能存在一种调节籽粒中锌积累程度的机制，使得精米中锌含量能够稳定在一定的水平[4]。施加锌肥能显著提高水稻产量和返青率。土施的增产效果优于叶面喷施，叶面喷施的富锌效果显著优于土施，将土施和叶面喷施两者相结合能更大程度地提高锌在水稻增产和籽粒富锌上的双重效应[1,23]。

小麦施锌肥可以实现籽粒和面粉中锌的富集，与水稻类似，不同施用方式中种肥与喷施配合效果最好，其次是单独进行喷施处理，再次是单独进行种肥处理[24]。小麦喷施硫酸锌能够在不影响小麦籽粒和面粉富锌效果的同时提高小麦全粒及面粉中锌的生物有效性，是小麦籽粒锌强化的一种简捷有效的方法。

3.4 富锌芽苗菜

芽苗菜是利用植物种子（主要包括豆类、谷类、蔬菜或树的种子）或其他营养体经萌发生长形成的可直接食用的嫩芽、芽苗、芽球、幼梢或幼茎等芽苗类蔬菜。芽苗菜生长周期短、操作技术简单易掌握、绿色安全无污染的特点使得富锌芽苗菜相关研究具有广阔的应用前景。

发芽红香糙米在25～250 mg/L硫酸锌浓度浸泡下，其锌含量与未发芽红香糙米相比提高了3.55～12.25倍。此外，25～100 mg/L硫酸锌浸泡处理下的富锌发芽红香糙米即可满足人每日锌摄入量需求。结合发芽率、锌膳食补充量及营养成分积累量，确定发芽红香糙米的最适硫酸锌浸泡浓度为100 mg/L[25]。嫩麦芽在施锌浓度为400 mg/L时产量最高，长势和富锌效果最好，锌含量可达144.7 mg/kg；当施锌浓度大于600 mg/L后，锌含量升高但产量下降[26]。研究发现，采用不同锌浓度营养液培养黄豆、绿豆、马兰头、苋菜、苦荞麦、苜蓿、籽粒苋七种芽苗菜，其锌的积累量在一定范围内随锌浓度增大而增大，其中籽粒苋对锌的富集能力最强，当施锌浓度为0.6 mg/L时其锌积累量比对照高3.08倍[27]。花椰菜、向日葵和豌豆芽苗的富锌效果较好，其中锌含量呈剂量依赖性增加，花椰菜和豌豆芽苗的锌含量分别为对照的25倍和4倍，向日葵芽苗锌含量的增加幅度较小，为对照的1.2倍[28]。

以硫酸锌为锌源培养富锌大豆芽，在0～100 mg/L浓度范围内，其锌含量随着外源锌浓度的增加而增加。采用100 mg/L外源锌浓度浸种，大豆芽可食部分含锌量为194.18 mg/kg（干重），可食部分在外源锌浓度10 mg/L时锌的生物可接受率显著高于对照；但当锌浓度超过30 mg/L后，大豆萌发受到抑制。因此在不影响种子萌发和芽苗生长的前提下，10 mg/L的外源锌浸种更有利于大豆芽对锌的富集[29]。绿豆对4种锌源的积累能力不同，由强到弱依次为葡萄糖酸锌＞硫酸锌＞柠檬酸锌＞Zn-EDTA。绿豆芽中的锌含量随浸种液硫酸锌浓度的升高而增加，最适富集锌浓度为75 mg/L[2]。豌豆苗锌含量随着浸种或喷施锌量的增加而不断提高，当施锌浓度达到60 mg/L时，浸种和喷施处理的豌豆苗锌含量分别为168.56和211.35 mg/kg，分别是对照的357倍和448倍；然而当施锌浓度超过50 mg/L时豌豆苗的生长受到抑制，营养价值下降。故豌豆苗浸种或喷施锌的最适剂量为40～50 mg/L，且喷施效果优于浸种[30]。采用不同锌源处理豇豆芽，在0～300 mg/L浓度范围内葡萄糖酸锌强化的锌含量最高，是对照的13.6倍，效果优于硫酸锌强化的12.7倍[31]。

在生物强化富锌食品中，豆类芽苗菜的富锌具有十分重要的意义。豆类在我国是仅次于谷物的重要粮食作物，资源丰富，消费量大。大多数豆类中的锌含量比谷物高，但豆类含有的大量营养抑制因子降低了锌生物利用率。豆类种子发芽过程中，淀粉酶、蛋白酶和植酸酶的活性会增强，养分从种子中释放，植酸盐降解，植酸含量降低，从而促使豆类中锌的生物利用性提高，整体营养价值也得到提升。豆类在萌发过程中能吸收富集锌，同时适量锌对豆种萌发及豆类芽苗菜的生长有一定促进作用[2-3,31]。无机锌在豆类芽苗菜生长过程中被吸收，经过生物富集转化成有机锌，使其更易被人体吸收利用。虽然有机锌肥的富集效果更好，但无机锌肥成本更低，更具有规模生产的经济意义。除此之外，豆类芽苗菜培育成本低、生长周期短、种植方法简单易控，其作为一种人工栽培蔬菜，没有季节性的限制，在添加锌时也不会造成土壤和环境污染。此外，通过控制锌添加剂量，还可以得到不同锌含量的富锌豆类芽苗菜。

综上，促进植株富锌的外施锌肥方法主要是土施和叶面喷施；锌溶液浸种法主要应用于芽苗菜类的培育。不同施用方式中土施或浸种与叶面喷施配合富锌效果最好，单独处理时叶面喷施的效果优于土施或浸种。锌在一定浓度能够促进作物生长，改善作物营养品质，过高浓度促进作用减弱甚至有抑制作用，但作物富锌程度大多随外加锌浓度增加而提高。作物对有机锌的吸收富集效果优于无机锌。

4 结语

目前，生物强化富锌食品大多停留在理论研究阶段，缺乏与实际生产的结合和应用。随着生活水平的提高，人们对饮食营养结构越来越重视，对补锌的需求也逐渐增强，采用生物强化手段获得的富锌食品，具有稳定安全、价格低廉、锌营养价值高、易于吸收利用的优势，发展前景广阔。而富锌豆类芽苗菜由于其培育成本低、生长周期短、种植方法简单易控、无季节性、无污染及萌发过程中降低了植酸含量，提高了锌的生物利用性等优势，具有更加重要的应用意义和市场价值。