第1章 概 论
第一节 基本概念
一、什么是微量元素
所谓微量元素，在环境地球化学中，指仅占地球组成部分的0. 01%的60余种元素，它们的含量一般在1×10-8%～1× 10-88%。在医学领域从人体结构来看，占人体总重量万分之一以下者即为微量元素。人体化学组成如表1-1。
表1-1 “标准人体”的化学组成（重量，%）
二、什么是必需微量元素和毒性微量元素
从营养化学、毒理学和环境污染等研究角度出发，将微量元素分成必需微量元素或营养微量元素和毒性微量元素。
必需微量元素是指能维持人体正常功能或结构所必需的微量元素，每日只需摄入0.01g以下，即能满足人体生理功能的需要。它们摄入的过量、不足或缺乏都会不同程度地引起人体生理的异常或发生疾病。目前人体研究较多的生物体必需微量元素有铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn）、硒（Se）、碘（I）、鈷（Co）、钼（Mo）、铬（Cr）、镍（Ni）、钒（V）、锡（Sn）、锶（Sr）、氟（F）、硼（B）、硅（Si）、铷（Rb）；也有人将砷（As）列入必需微量元素之列。随着分析仪器的灵敏度和精密度的不断提高以及药理、生理、生化等科学实验方法的不断进步、人们对于微量元素的认识也在逐步深入。许多元素，如铬、镍、锶、砷、硼等毒性均很大，但能够测出它们在生物体内的正常生理浓度和作用机制，并发现它们是生命活动必不可少的微量元素。必需微量元素在人体中需要量虽然很少，但在生理功能方面却起着极为重要的作用。酶在生物体内是许多化学反应必不可少的催化剂，而许多微量元素却是酶的组成部分或激活剂。例如锌与200多种酶的活性或结构有关。可想而知，微量元素在生命活动过程中所发挥的作用是多么重要。常见必需微量元素生理效应、食物来源和每日需要量见表1-2。
表1-2 常见必需微量元素生理效应、食物来源和日常需要量
（续 表）
（续 表）
毒性微量元素是指在较低浓度就能使人产生毒性反应，如铍（Be）、镉（Cd）、汞（Hg）、锑（Sb）、铊（Tl）、锆（Zr）等均有较强的毒性。而有些必需的微量元素如铜、锰、钴、钒、硒、钼、铬、砷等在含量过高或形态（如价态）不同时，也会对人体产生毒害。因此，毒性微量元素与必需微量元素之间没有截然的界线。随着科学技术的进步，不断对各种元素特性加以认识，许多毒性较强的微量元素已经或将被列为人体必需的微量元素，为提高人体健康水平，防病、治病发挥其应有的作用。
三、什么是宏量元素
宏量元素与微量元素一样，在不同学科其含义略有不同。在环境地球化学领域，指占地球组成部分的99. 99%的36种元素，其中包括硅、铜、锌、镁、锰、氟、铷、铬、锶、钒、锂等，它们在整个地球的含量在40%～0. 001 5%。在人体中，宏量元素则指占人体总重量的万分之一以上的元素，如钙、磷、钠、钾等。由此可以看出，描述地球所组成的宏量元素，在人体中却属微量元素。
第二节 微量元素与补给
微量元素种类较多，各自的作用特点均不相同。正是由于其复杂性，才使得它们应用越来越广泛，同时也为研究工作带来一定的难度。由于几乎所有的微量元素都具有严格的用量范围和适应证，因此，对它们的应用要作定性、定量，这是科技高度发达的今天，对包括微量元素在内的一切学科的必然要求。
由于测试手段的现代化，人类对微量元素的发现、认识和应用的速度也在加快。19世纪以前人们只认识铁和碘两种微量元素为人体所必需。1928- 1959年发现了铜、锰、锌、钴、钼、硒和铬等为人体所必需。1970- 1975年把锡、钒、氟、铷、硅、镍、砷等列为必需微量元素。也有人把锶、硼列为必需微量元素之列。像硒、砷、锶剧毒之品也被认为是必需微量元素，是经过现代科学手段，弄清其作用机制和有效浓度后才下这样的结论。以辨证的观点看，没有任何一种药物不具不良反应。其实，有不良反应的药物并不都是坏药，有时恰恰就是利用某种药物的不良反应来治疗疾病，这方面的例子不胜枚举，这就是科学的、发展的、辨证的认识事物的方法。只有用这种观点对待无机元素，才能发展和壮大必需微量元素的队伍，使之为人类的保健事业多做贡献。另一方面，对微量元素的有益作用也应有一个正确的认识。例如即使是毒性很低的锌制剂，当过量服用时也产生顽固性贫血，慢性冠心病等一系列中毒症状。微量元素中的大多数都是重金属，大量进入机体后，给代谢和排泄带来困难，尤其是当肝、肾功能不全时更应谨慎。
微量元素的基本功能主要是参与构成机体的组成部分，影响酶或激素的活性，因此，需要有足够代谢所需要的量与之相适应。怎样确定是否需要补充微量元素呢？对此，Kirchgener等提出五项标准：
1.缺乏 有典型的临床症状。
2.偏低 无明显的临床症状，但生化指标已有所反映。
3.理想 良好的代谢功能，增进健康和功能正常化。
4.微毒性 无明显的临床症状，但生化变化已显示摄入过量。
5.毒性 有典型的临床症状。
当进入体内的微量元素超过一定范围时，机体能够通过调节吸收、转运和排泄来维持微量元素的稳定浓度，以达到保证细胞和亚细胞结构功能需要量和生理耐受程度。当进入体内的微量元素超过机体生理的最大耐受量时，则会出现中毒症状。相反如果进入体内的微量元素达不到最低生理浓度时，则达不到治疗目的。对于每种微量元素都有各自的最佳生理浓度范围（表1-3）。
由于人们所处的地理环境和从事的职业及性别、年龄等不同，对各种微量元素的需求量也是不同的。因此，在判断机体是否需要补充或补充多少量时，就要考虑上述各种因素。
微量元素的补给，最好是在医师的指导下进行。现在我们国家许多医院已开展了微量元素保健电脑咨询和检查，尤其是孕妇、儿童、老年人和患有慢性疾病的人，需要进行定期咨询或检查。目前，微量元素制剂逐渐增多，为医疗保健提供了条件，但在没有医师指导下，不宜乱用，否则可能会引起不良后果，如锌制剂（硫酸锌糖浆、葡萄糖酸锌等），如果补充不当，可能会引起体内铁、锌等微量元素的代谢比例失调加剧，而导致贫血、胃肠炎、呕吐等症状。补充微量元素的另一个途径是食疗，因为食物或果蔬中的微量元素以生物态形式存在，各元素有较好的比例关系。因此，除经检查证实严重缺乏某种微量元素时，需给予及时补充外，一般应以食补为宜。
第三节 微量元素与营养学
微量元素营养学研究，即将微量元素引入了保健领域。由于人类食物的化学组分，特别是涉及微量元素的浓度问题，是一个非常复杂的领域。因此，给这方面的研究带来一定的难度，尤其是我国，这方面的理论和应用研究仅是初步的。目前，研究食品中各种微量元素的化学形式，生物化学性质及它们之间的相互关系。更重要的是如何在此基础上根据不同的地理环境化学特点、人群特点向食物中添加生物利用度高、符合人的生理特点、各元素间不良作用少、毒性低、配比合理的微量元素。在这些方面的工作，各国都在加紧进行研究。
一般说来，人对微量元素每天需要的摄入量甚微。一般在几十微克至几十毫微克。因此，只要饮食搭配合理化、多样化、天然化，食物中的微量元素含量已能满足正常需要。也就是说，通常人体并不需要另外补充微量元素。然而，这只是理论的推测，在实际生活中有许多特殊因素制约或影响着微量元素的摄入。大的因素如地球环境化学因素、人的种族因素、生活习俗等；小的因素如个体吸收差异，年龄，性别差异等。这些大、小因素无不影响着微量元素的正常摄取。例如老年人、孕妇、婴幼儿，由于生理条件所限，很容易造成体内微量元素的失衡。着眼于以上诸多因素，微量元素的营养补充是非常必要的。
一、地球环境化学因素对饮食微量元素的影响
由于地理、气候条件的不同，使食物中微量元素种类及含量具有明显的区域特点。如我国东北、西南的土壤缺硒地区，粮食含硒量远低于其他地区。因此，患克山病者增多，成为克山病高发区。如克山病高发区黑龙江尚志县农业主副食品中计算硒摄入量为11. 38μg，而低发区北京地区居民硒摄入量为115μg。又如我国内陆和深山区居民很少吃到海盐和海产品，易缺碘，患大脖子病（甲状腺肿大）者多。有关专家考察了百岁老人聚居的长寿地区的饮食微量元素谱，发现长寿地区大米和小麦以富硒、铁为特征。如果按长寿地区来衡量微量元素谱生产食品，对于提高健康水平和延年益寿可能会有帮助。
二、食品加工精制影响微量元素含量
社会进步、使得食品的加工越来越精细，如面粉的加工分标准粉和精粉等多种。从面粉得率上看标准粉（约85%）高于精粉（约75%）；而从营养价值上看，面粉越精制，其营养成分损失越严重。有关文献报道，统计精粉中各种微量元素占全麦中原含量分别为：铬占13%、锰占9%、铁占19%、钴占30%、铜占10%～30%、锌占17%、钼占50%、镁占17%。由此可见，面粉在精制过程中，各种营养要素如维生素类、微量元素类造成大部分流失。人们所“爱”吃的精粉除能给人或动物提供热量外，其他营养要素已微乎其微。精白糖与红糖相比也有类似的情形。如白糖中微量元素仅占红糖的比例分别为：铬8%、钴13%、铜40%、锌30%。精盐等也造成大量微量元素丢失。从营养学角度来看，食品的加工宜粗不宜细、宜简不宜繁。鉴于人们的生活习惯，要食用加工的食品，为了保持其原有的营养价值，最好补充流失的部分。如面粉在加工过程中可以人为的加入一些人体必需的微量元素。
三、饮食搭配不同影响微量元素吸收
影响微量元素吸收的因素很多。许多研究者认为，饮食中的纤维是使微量元素吸收障碍的原因之一。纤维主要来源于植物性食物如面粉、蔬菜、水果等，包括纤维素、半纤维素、果胶、树胶、黏液质、藻聚肽及木质素等。今天人们把纤维看作一种必需的营养素，每日推荐摄入量至少30g。在发达的工业化国家出现的所谓“西文病”（Western diseases）如心脏病、癌症、脑血管病、糖尿病、动脉硬化、肝硬化等，就是因为过量食用脂肪，特别是含有胆固醇的饱和脂肪、糖、盐和酒（乙醇），而纤维素却不足。目前提倡多食用纤维素、矿物盐、维生素等。而在发展中国家由于饮食中含有大量的纤维素，影响了铜、锌、铁等微量元素的吸收，导致了大量儿童及成年人的贫血等其他多种疾病。纤维素影响微量元素的吸收，主要是通过阳离子交换作用，减少食物的肠道停留时间，增加微量元素的内源性分泌作用来实现的。
食物中的其他成分也可影响微量元素的吸收。研究表明，柠檬酸使微量元素溶解的顺序为铁＞铜＞锌＞镁＞钙。组织中的胺较易与锌、铁、镁、铜结合。维生素C可溶解50%的镁、30%的铁。乳糖可与50%的镁结合。有纤维高植物酸饮食时，动物蛋白有利于提高锌的生物利用度，这是因为大量地供应蛋白质或肽类，可以和矿物质形成复合物，而免于与纤维结合。这就是通常所说明“内因子”效应。研究表明膳食中添加鱼类则可使蔬菜中的铁吸收量增加2～3倍。
四、年龄及微量元素状态影响微量元素吸收利用
肠黏膜对铁、锌及其他微量元素的吸收是受非常灵敏的内环境稳定机制控制的，它取决于机体对这些微量元素的需要量。由于生长发育、怀孕、哺乳或生病引起微量元素耗竭或增加需要量时，机体将克服饮食中纤维等因素对微量元素吸收抑制作用，提高对微量元素的生物利用度。老年人由于胃肠功能衰退，对微量元素的摄入受到一定的限制。因此，在配给微量元素时不应忽视这一重要因素。而对于年轻人，也应考虑到他们胃肠功能好，吸收效率高，尤其对毒性稍大的微量元素更应控制供给量。
微量元素状态，是影响其吸收利用的另一重要因素。目前，补充微量元素制剂有三种形式：无机态型、有机态型和生物态型。下面就微量元素的最佳供应方式叙述如下：由于我国微量元素营养研究及产品供应起步晚，有的微量元素还没有提供营养补充方式，如铬、铜等。即使能提供营养补充的微量元素，大多采取无机盐形式，如碘化钾、硫酸亚铁、硫酸锌、亚硫酸钠、硫酸锰等。如毒性较大（与其相应的有机物相比），副作用较大，有时吸收利用率低，如亚硒酸钠、人的每日摄入量超过500μg，即会出现不良反应。碘化钾是普遍使用的食盐添加剂，供内地、山区居民作碘的营养补充，但碘化钾中的碘离子在储存和运输过程中容易被氧化成游离碘，它易与体内生物分子起化学作用而产生毒害。又如无机锗有致命的肾毒性，而有机锗却极少有此种副作用。
当前在发达国家，已尽量不用简单的无机盐形式作为微量元素的营养补充，以避免上述不足。目前补充微量元素的方式有如下特点。
1.利用天然产品，如用海藻（海带等）干粉作为碘的营养补充。
2.利用大豆蛋白或其他天然蛋白质水解得到的氨基酸作为螯合剂，如锌、锰、铜、铁等均可制成氨基酸螯合形式的产品。
3.制成有机酸盐，如葡萄糖酸锌、葡萄糖酸铜、延胡索酸铁、抗坏血酸锰、天冬氨酸铬等。
4.制成复方片剂，依据营养平衡的原理和微量元素在体内起作用的机制，常把几种微量元素以及维生素混合在一起，制成复方片剂或胶囊。
5.利用酵母做载体，如硒酵母、铬酵母等。
从微量元素的体内过程来看，三种态型的元素吸收差异并不大。有关文献报道，在对缺铁对象实验中发现，生理剂量的铁盐制剂，吸收率可达30%，血红素铁一般为35%。硫酸锌与甘草酸锌在家兔体内生物利用度基本相同。但是，无机态微量元素口服吸收时以离子型存在于胃肠道，易致局部浓度过高，引起胃肠道不适，产生腹泻、便秘、恶心或出血等症状。无机态微量元素吸收后经蛋白转运入血液中，尽管血液测定含量较高，实际利用率却很低，如非血红蛋铁可利用率低于10%。应用核素技术研究发现正常活动的老年人和青年人对铁的吸收无明显差异，但老年人红细胞摄取铁的量比青年人低1/3。锌的摄入情况与铁相似。无机态微量元素在血液中浓度高，可导致体内负荷过重，产生积蓄中毒，如高于0. 5～1mg/L的饮水氟标准，可出现斑釉齿、氟骨症等不良症状。浓缩鱼蛋白中的氟生物利用度对人来说为88%，而与之相似浓度的氟化钠，生物利用度为94%。食用较高含锌的牡蛎120g（含锌108mg），食后3h，测得血浆中锌浓度达21. 7μmol/L，而正常人血浆中锌浓度为12. 2～18. 4μmol/L。食用60g牡蛎（含锌54mg）和25mg硫酸锌，测得血浆锌浓度分别为10. 7μmol/L和12. 2.μmol/L。由此可见，牡蛎中的锌在人体内吸收约为50%。无机锌盐过多可导致肌肉共济失调，胃肠道症状、贫血、嗜睡等症状。而生物态微量元素都不会出现上述副作用，而且吸收时不受食物中其他因素的影响。所以，就三态微量元素对人体的益处而言，顺序为生物态＞有机态＞无机态。
所谓微量元素营养物生物利用度是指人体吸收的总量和利用量之比。营养物的利用度最大，并不是通过摄入过量的营养物就可以达到的，而主要取决于微量元素营养物在胃和小肠中溶解度的大小。
近年来含微量元素的剂型开发顺序为无机态型→有机态型→生物态型。如铁制剂顺序为硫酸亚铁、磷酸亚铁→枸橼酸铁、草酸铁、葡萄糖酸亚铁→铁肝粉、高铁酵母粉、血红素铁；碘制剂为复方碘溶液→碘化豆油→强化碘鸡蛋；硒制剂为亚硒酸盐，含硒氨基酸→硒酵母；锌制剂顺序为硫酸锌→甘草酸锌，葡萄糖酸锌，氨基酸锌→白蛋白锌、强化锌鸡蛋。日本河野浩行等用混合海藻的饲料喂养产卵鸡，鸡蛋中含碘量从32. 5μg增加到652μg，碘含量提高20倍。食用此蛋用于治疗甲状腺肿大，过敏性鼻炎、支气管哮喘效果甚佳。血红素铁是人体最好的利用态，古时人们就知道“以血补血”。用血肠及血豆腐类治疗缺血性贫血效果优于其他人造补血药。每日补充4～5mg血红素铁即可提高血红蛋白含量。
我国目前在发展微量元素载体酵母方面有所进展。已有含不同元素的酵母产品问世。微量元素载体酵母是通过选择合适的酵母品种进行培养，向培养基中加入较多的某种微量元素，使酵母细胞内富含该种微量元素。常见的品种有硒酵母、铬酵母等。硒酵母的含硒量可高达1 000～2 000ppm，而一般的酵母细胞含硒量＜1ppm。
硒和铬的无机盐形式，亚硒酸根
和铬离子
，尤其是铬酸根
均有不同程度的毒性。做成硒酵母和铬酵母 后，突出的变化是毒性大为降低，并且改善了人体的吸收和利用。如无机形式的铬药片仅有0. 5%的铬能进入人体组织内，而铬酵母中的铬，效力可提高100倍。人每日摄入含1 000μg硒的硒酵母，持续1个月，无任何不良反应。动物实验表明，硒酵母和亚硒酸钠对谷胱甘肽过氧化物酶的提高，具有同等效力，而对红细胞和肝脏含硒水平的提高，硒酵母比亚硒酸钠强。有关文献报道认为在缓解氧化汞中毒症状方面，硒酵母和亚硒酸钠有同等效果，而对延滞汞在肾脏中的沉积，硒酵母比亚硒酸钠效果更好。
微量元素酵母既有微量元素营养的生物效应，又大大降低了微量元素无机盐所具有的不良反应，改善了人体的吸收和利用，这是微量元素载体酵母第一个突出特点。第二个特点是酵母本身就具有丰富的营养。干酵母粉中的蛋白质可高达40%～50%。这些酵母蛋白质具有极好的氨基酸组成配比，人体必需氨基酸含量也较高，有利于人的营养利用。从某种意义上说，酵母比牛、羊、鸡、鱼等有更好的蛋白质来源（表1-4）。第三个特点是酵母有极好的B族维生素来源，目前尚找不到另一种含B族维生素如此丰富、全面的食品，见表1-5。第四个特点是酵母细胞含有a-淀粉酶、蛋白酶、半纤维素酶、磷酸酶类等，有助消化作用。正因为如此，许多发达国家以酵母作为强化食品的营养添加剂。据不完全统计，国内现有生产酵母的工厂或车间约40多个，共计年产酵母1. 6万吨以上，主要是药用酵母和发面酵母。由此看来，开发微量元素载体酵母新品种大有潜力，同时也可填补我国微量元素营养补充剂的空白。
表1-4 酵母的营养成分
（摘自Makers of KAL，lnC.商品目录）
表1-5 酵母中所含的维生素和矿物质
五、微量元素间的相互作用
食物中微量元素间的相互作用可影响到它们的吸收、生物利用度、代谢及毒性。
上述牡蛎中锌的利用率只有50%，未能利用的那部分锌，可能由于其溶解度低或是与食物中其他微量元素特别是铁的相互作用所致，因为牡蛎中的锌、铁都高。硒和汞相互作用的结果是硒防护汞对人体的毒性。美国威斯康辛大学研究人员认为锌、铜、铁相互作用很复杂，与食物中3种元素的组成形式及含量有关；也与食物的总成分，如蛋白质、纤维有关。摄取过量的铁并不影响食物中有机锌的吸收，但可降低对无机锌（如硫酸锌）的吸收。而过量的铁可降低锌的滞留，影响锌的利用。摄取过量的锌会影响铁的代谢和抑制组织中的铁含量，可使肝脏中的铁代谢受损而发生贫血。铁、锌之间的相互作用，可能部分的涉及到铜的代谢。据证实，连续摄入过量的锌使血清中铜的量减少30%，所以在补充微量元素时不能顾此失彼。当大量补锌时，不要忘记了它对铁、铜的影响。其他微量元素也有类似的情形。
六、饮食微量元素的需要量
在过去的20余年中，世界各国的公共卫生专家一直致力于确定本国人民理想的饮食营养水平。有关国际组织如世界卫生组织（WHO）、粮农组织（FAO）也都尽了很大努力，从事该项工作。由各种专家会议确定的准则及推荐量，既涉及到饮食中的能量（主要成分如蛋白质、糖类、脂肪等），也重视了微量营养成分如维生素和微量元素等（表1-6）。
表1-6 必需1和毒性2元素每日摄入建议量
（续 表）
注：本表数据为成年人值。对于婴儿、儿童、青年以及孕妇、授乳者不同必需微量元素摄入量另作推荐
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