钙的生物利用度与多肽螯合钙研究进展.pdf
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1、刘 佳 琛,程 永 强,唐 宁.钙 的 生 物 利 用 度 与 多 肽 螯 合 钙 研 究 进 展 J.食 品 工 业 科 技,2023,44(23):354365.doi:10.13386/j.issn1002-0306.2023020067LIUJiachen,CHENGYongqiang,TANGNing.ProgressonBioavailabilityofCalciumandCalcium-PeptideComplexesJ.Scienceand Technology of Food Industry,2023,44(23):354365.(in Chinese with Engli
2、sh abstract).doi:10.13386/j.issn1002-0306.2023020067 专题综述 钙的生物利用度与多肽螯合钙研究进展钙的生物利用度与多肽螯合钙研究进展刘佳琛,程永强,唐宁*(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京100083)摘要:钙是人体内十分重要的营养元素,对维持人体健康起到了至关重要的作用。小肠是钙吸收的主要部位,食物中的钙经胃酸溶解为离子形式后在微碱性的肠道环境内可能会形成沉淀,导致钙的吸收下降和生物利用度降低。而长期钙摄入不足则会导致佝偻病、骨质疏松症等一系列骨代谢疾病。因此,选择能够提供高可溶性和生物利用度的钙的食物或补充剂十分重要。部分有机钙盐
3、如葡萄糖酸钙、柠檬酸钙等可以在肠道中形成过饱和溶液从而增强钙的吸收。此外,多肽螯合钙也被证实有非常好的钙吸收率和生物利用度,可以作为新型的钙补充剂。本文综述了食物基质成分对钙吸收和生物利用度的影响,并对部分有机钙盐和多肽螯合钙的促钙吸收机理进行了总结,旨在为钙的吸收与钙补充剂的研发提供新的思路。关键词:钙,钙盐,多肽螯合钙,生物利用度本文网刊:中图分类号:TS201.3文献标识码:A文章编号:10020306(2023)23035412DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2023020067ProgressonBioavailabilityofCalciumandCalc
4、ium-PeptideComplexesLIUJiachen,CHENGYongqiang,TANGNing*(CollegeofFoodScienceandNutritionalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)Abstract:Calciumisanessentialnutrientforhumanhealthandplaysacrucialroleinvariousphysiologicalprocessessuchasboneformation,musclecontraction,nervetrans
5、mission,andbloodclotting.Calciumabsorptionmainlyoccursinthesmallintestinewherethecalciumenterstheenterocytesthroughactivetransportorpassivediffusion.However,thefreecalciumionsdissolvedingastricacidmayforminsolubleprecipitateswithotherdietarycomponents(suchasphytate,oxalate,fiber)intheslightlyalkalin
6、eintestinalenvironment,leadingtodecreasedcalciumabsorptionandbioavailability.Decreasedcalciumabsorptioncanresultinarangeofbonemetabolicdiseases,suchasricketsandosteoporosis.Therefore,itisimportanttochoosefoodsorsupplementsthatcanprovidehighlysolubleandbioavailableformsofcalcium.Someorganiccalciumsal
7、tssuchascalciumgluconateandcalciumcitratehavebeenshowntoformsupersaturatedsolutionsintheintestinaltract,whichcanenhancecalciumabsorptionbyincreasingtheconcentrationgradientacrosstheintestinalepith-elium.Furthermore,calcium-peptidecomplexesareproventobeveryeffectiveforimprovingcalciumabsorptionwithou
8、tcausinganysideeffects.Calcium-peptidecomplexescanserveasanovelcalciumsupplement.Inthispaper,theeffectsoffoodcomponentsoncalciumabsorptionandbioavailabilityarereviewd,andthemechanismsunderlyingtheenhancementofcalciumabsorptionbysomeorganicsalts(suchascalciumgluconateandcalciumcitrate)andpeptidesares
9、ummarized.Andthepotentialapplicationsofcalcium-peptidecomplexesinhumannutritionarealsodiscussed,aimingtoprovidenewinsightsthatcanaidinthedevelopmentofsafeandeffectivecalciumsupplementsKeywords:calcium;calciumsalts;calcium-peptidecomplexes;bioavailability人体中正常的生理过程会涉及 22 种无机元素,其中钙是含量最丰富的无机元素之一,占人体总重收
10、稿日期:20230208基金项目:国家自然科学基金(32001687)。作者简介:刘佳琛(1993),女,硕士,研究方向:营养与食品安全,E-mail:。*通信作者:唐宁(1989),男,博士,副教授,研究方向:食品化学,E-mail:。第44卷第23期食品工业科技Vol.44No.232023年12月ScienceandTechnologyofFoodIndustryDec.2023的 1.5%2.2%1。钙与人体内许多重要的生物学功能息息相关,如肌肉收缩、神经传导、腺体分泌和骨结构支撑等23。人体中大约 99%的钙储存在骨骼和牙齿中,剩余 1%的钙则存在于细胞内液和细胞外液中4。当身体的钙
11、摄入量不足时,钙就会从骨骼中释放出来,患骨质疏松症等疾病的风险就会增加5。充足的钙摄入可以降低慢性疾病的风险,且因为在预防骨质疏松症、高血压、结肠癌和其他疾病风险方面的作用使得钙赢得了“超级营养物质”的称号67。食物是人体钙摄入的主要来源,且人体中绝大部分的钙(90%左右)都是在小肠当中被吸收。然而并不是所有食物中的钙都能被完全吸收,食物中的钙组分经胃酸消化溶解成离子形式后转运至微碱性的十二指肠8,随着小肠肠段 pH 的不断升高,离子钙发生沉淀,造成钙的生物利用度降低。生物利用度是指食物中的某种营养成分被实际吸收和利用的部分所占的比例9。人体中最常见的钙的可利用形式是离子钙10,钙的生物利用度
12、可以被很多内源性因素如年龄、疾病、激素、生理条件(怀孕、哺乳、绝经等)和肠道微生物等影响,也可以被膳食中其他营养成分(如脂肪、植酸盐)等外源性因素所影响。部分有机钙盐(如葡萄糖酸钙、柠檬酸钙)是比较良好的钙补充剂,其可以在动力学层面(如沉淀速率、钙盐复合物形成和解离速率等)抑制钙离子在碱性肠道环境中产生的沉淀11。此外,多肽和一些氨基酸(如天冬氨酸和谷氨酸)12被视作很好的钙结合配体,而且无论是氨基酸螯合钙还是多肽螯合钙,二者都能在小肠中 pH 不断升高的环境下保持可溶的状态。然而螯合钙的吸收率主要取决于其所结合的配体。与氨基酸相比,肽配合物有着许多优势,比如能量消耗少、运输速度加快、载体不容
13、易饱和等13。从牛奶当中提取出来的酪蛋白磷酸肽(CPPs)已经被证实可以和钙离子结合形成可溶性的稳定复合物从而增强钙的吸收1415。因此,多肽螯合钙可能是改善人体胃肠道钙吸收的合适钙补充剂候选者。本文综述了食物基质成分对钙的生物利用度的影响,并就葡萄糖酸钙、柠檬酸钙等有机钙盐和多肽螯合钙的促钙吸收机制进行了总结,旨在为钙离子的吸收和新一代钙补充剂的研发提供思路。1钙的生理功能钙离子是人体内分布最广泛的矿物质,也是研究最多的、与人体健康息息相关的矿物质元素之一1。人类刚出生时体内的钙含量为 2530g,成年后体内的钙含量可以达到 10001500g16。钙在人体内无法自发合成,生长发育所需要的钙
14、以及日常钙损失的补偿都需要从外源性食物中获得17。99%的钙都以羟基磷灰石的形式存在于骨骼和牙齿中,并通过对骨骼系统提供刚性支持来发挥重要的结构功能18。剩余 1%的钙主要存在于软组织和体液当中(如血液和细胞外液)。在软组织当中,钙主要存在于细胞质中的各个细胞器19;在血液中,钙以三种不同的形式存在:50%以游离阳离子形式存在,40%与血浆蛋白结合,10%溶解后与其他离子(如柠檬酸盐和乳酸)结合形成复合物20。健康受试者的血清钙浓度通常维持在 1.01.2mmol/L 左右,并经由甲状旁腺激素、维生素 D 和降钙素的作用控制,分别调节肠道钙吸收、肾脏钙排泄或重吸收、以及骨骼钙流失与钙沉积等21
15、。除结构功能外,钙还参与很多生理功能,如受精、血液凝固、肌肉收缩、神经冲动传导、激素分泌、细胞死亡、免疫反应、细胞分化和酶活力调节等2224。获得和保留体内所需量的钙对于儿童骨骼的发育、强度和密度以及预防老年人骨质流失和骨质疏松性骨折至关重要。摄入足够的钙也有助于降低不同慢性疾病的风险,如高血压、高胆固醇血症、结肠癌、肾结石和腹部肥胖等2527。当然,仅摄入足量的钙并不一定能满足实现这些生理功能,因为人体摄入的钙需要被吸收之后才能发挥作用。2钙的生物利用度评估一种营养物质的生物利用度首先要评估其生物可及性。生物可及性通常适用于体外矿物质生物利用度研究,指食物基质经胃肠道消化后所能释放出来的矿物
16、质营养组分28,但是并不包括矿物质在肠道内的吸收29。基于此,Cian 等30和 Wang 等31通过体外模拟消化实验中的可溶性组分来确定营养物质的生物可及性。部分钙盐和钙肽复合物可以显著提高钙离子进入肠腔内的生物可及性32,但这并不意味着其一定会提高钙的生物利用度,这是因为一种营养物质的生物利用度除了包含其生物可及性,还包括其正常生理代谢过程中经肠道细胞吸收和利用的部分17,甚至是穿越肠道屏障到达目标组织的部分29。钙的生物利用度受内源性因素和外源性因素两方面的影响。内源性因素主要包括如年龄、疾病3334、激表1影响钙生物利用度的外源性因素Table1Exogenousfactorsaffe
17、ctingcalciumbioavailability营养元素效应机制参考文献脂肪促进钙吸收脂肪可以介导亲脂性营养物质,增加胃肠道对脂溶性维生素D的吸收Maurya等41乳糖高剂量乳糖具有促钙吸收作用增加肠道中的渗透压促进钙离子扩散Cochet等48膳食纤维促进钙吸收酸化肠道环境增加钙的溶解度Coudray等49磷钙磷比1.3:12:1之间具有促钙吸收作用低磷饮食增加钙排泄Kiefer-Hecker等52草酸和植酸抑制钙吸收在肠道中和钙离子形成沉淀Lesjak等55和Lo等56酪蛋白促进钙吸收CPPs抑制肠道中钙沉淀Sun等58和Luo等59第44卷第23期刘佳琛,等:钙的生物利用度与多肽螯合
18、钙研究进展355素35、肠道微生物36、生理条件(怀孕、哺乳、绝经等)37等方面,外源性因素(表 1)主要是指日常膳食营养。正常生理状态下钙的生物利用度主要受外源性因素的影响。常量营养素和微量营养素会在一定程度上改善或紊乱钙的吸收。2.1脂肪维生素 D 是钙吸收过程中必不可少的激素之一3840,而脂肪对脂溶性维生素 D 的生物利用度有一定程度的影响。一般来说,脂类可以促进食物亲脂性成分的吸收,是脂溶性微量营养素传递的关键物质。首先,脂质作为疏水相可以溶解脂溶性营养物质,促使其从食物基质中扩散;然后通过刺激胆汁分泌,产生消化酶催化水解脂质并释放脂肪酸、单甘油酯和磷脂,进一步溶解亲脂性营养物质并产
19、生大量胶束;最后,这些脂质介导亲脂性营养物质,避免了肠上皮细胞中维生素 D 的积累,从而增加胃肠道对维生素 D 的吸收。整个过程取决于脂肪(甘油三酯)的数量和脂肪酸的类型等41。在体外研究中检测了两种高脂肪饮食富含饱和或单不饱和脂肪酸的饮食,以及低脂肪饮食对钙吸收的影响。结果表明富含饱和脂肪酸饮食对钙吸收作用的促进效果最好42。然而,尽管如此,饱和脂肪酸对骨骼健康的影响小于同等比例的单不饱和脂肪酸或脂肪含量正常的饮食。有研究发现添加单不饱和脂肪酸的小鼠 Calbindin-D9k(钙结合蛋白)肠道基因表达水平和小梁状软骨体积厚度显著高于未修饰饮食的小鼠。因此,富含单不饱和脂肪酸的饮食对骨骼健康
20、最有益,并能适度增加肠道钙的吸收43。2.2乳糖乳制品是乳糖和钙的主要膳食来源44。低乳制品饮食是钙缺乏的一个重要因素,其会对骨代谢产生不利影响45。生理浓度下乳糖对牛奶中钙的吸收没有显著影响4647,而高剂量的乳糖(50g/d)在一定程度上会影响钙吸收48。2.3膳食纤维膳食纤维本身(纤维素、半纤维素、木质素和非纤维素多糖)似乎对钙的生物利用度没有直接影响。一些难以消化的膳食纤维已被证明可以通过增强细菌发酵来降低肠道中的 pH,增加钙离子的溶解度49。还可以通过酸化肠道环境,限制有关磷酸盐的形成,从而增加钙吸收,因为钙可以和部分磷酸盐产生沉淀50。膳食纤维摄入对骨骼结构和代谢的影响与性别有关
21、,其原因可能是膳食纤维降低了肠道中-葡萄糖醛酸酶的活性,导致雌激素重吸收的减少,从而降低骨密度51。2.4磷饮食中钙与磷的比例应该保持在 1.3:1 到 2:1之间。低于或高于这一比例会造成人体一系列的疾病,如生长发育迟缓、食欲减退、皮肤屏障或肌肉力量受损,严重情况下甚至可以导致死亡52。低磷饮食即使钙充足,也会导致表观消化率和肾脏磷排泄的下降,以及钙排泄的显著增加52。钙磷比 2:1 是维持骨骼生长发育和骨保护素含量平衡的最佳比例53。2.5植酸和草酸食物中的植酸盐又被称作肌醇六磷酸盐(IP6),是植物中磷和肌醇的一种储存形式54。植酸主要存在于谷物、豆类、坚果和种子中,在胃中酸性 pH 的
22、条件下可以与钙形成可溶性配合物,在微碱性的肠道中发生沉淀55。与植酸类似,草酸作为一种存在于蔬菜中的强有机酸,其可以与钙形成水不溶性盐,造成钙生物利用度的降低56。2.6酪蛋白酪蛋白在消化过程中会产生酪蛋白磷酸肽(CPPs),CPPs 除了具有抗菌、防龋齿、细胞调节和免疫调节特性外,还可以转运钙离子并增加其生物利用度57。Sun 等58和 Luo 等59的研究已经证实,CPPs 可以阻止肠道内钙离子的沉淀,且从 CPPs 混合物中分离出来的单体肽“Ser(p)-Ser(p)-Ser(p)-Glu-Glu”具有最大的钙结合能力,它可以同时结合6 个钙离子。通过核壳细胞外微粒递送的 CPPs-壳聚
23、糖低聚糖-三聚磷酸是钙补充剂中一种很有前途的成分,其可以逐步释放钙离子,增加钙的吸收时间,通过调节钙的可控释放增强其在肠道中的生物利用度60。3钙补充剂通常情况下,人主要通过膳食的方式来摄入和补充体内所需要的钙。如果膳食钙的摄入量不足,钙补充剂可以帮助预防或治疗钙缺乏症61,特别是对于老年人或绝经后的妇女,服用适当的钙补充剂可以预防骨质疏松症51,62。钙补充剂可以以不同形式的钙盐存在,此外,已经有大量的动物和细胞实验证明食物蛋白中的多肽与钙的螯合产物作为钙补充剂的应用潜力1,63。3.1钙盐比较常见的钙盐有碳酸钙、葡萄糖酸钙、柠檬酸钙和乳酸钙。与其他钙盐相比,碳酸钙的钙元素含量最高(40%)
24、,同时也是市场上较为便宜的钙源6465,但是其溶解度较差,生物利用度较低,且长期服用副作用明显,会给人体带来比较严重的负担66。相比于碳酸钙,羟基羧酸钙盐(葡萄糖酸钙、柠檬酸钙等)具有更高的生物利用度。钙主要在小肠当中被吸收。食物当中的钙经胃酸消化溶解成离子形式后转运至碱性环境的小肠当中,容易产生离子钙的沉淀(如钙与食物中的植酸、草酸和磷酸等结合),导致生物利用率降低67。一些天然配体,如部分水解的蛋白质、多肽以及羟基羧酸盐等可以与小肠中已经沉淀的钙复合物发生竞争性结合,增强钙的吸收效果,尽管部分配体可能与钙发生强络合从而降低游离钙的浓度11。Pak 等68发现,相较于柠檬酸钙(二柠檬酸三钙,
25、柠檬酸和钙摩尔356食品工业科技2023 年12月比为 1:1.5)化合物,由氢氧化钙和柠檬酸制备的“柠檬酸钙”混合物(柠檬酸和钙的摩尔比为 1:1.25)具有更高的溶解度以及钙生物利用度,这充分证明了钙在肠道中的“存在形式”对其生物利用度的重要性。在模拟肠道环境的条件下,葡萄糖酸钠在饱和乳酸钙溶液中等温溶解会自发产生十分稳定的葡萄糖酸钙过饱和溶液,钙离子活度不变,浓度增加,这主要是由于羟基羧酸盐配体可以和沉淀物的固体表面发生反应6970。肠道中钙盐的过饱和溶液的形成对增强钙离子吸收的重要性还没有得到足够多的研究。过饱和钙盐溶液中高浓度的钙离子会在肠道中形成较高的渗透压,从而增加钙在小肠中扩散
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