李 奕，程永強，唐 寧

（中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083）

鈣和鐵是人體必不可少的金屬元素，對機體的正常運作至關重要。這些金屬元素參與體內各種代謝途徑，它們的缺乏會導致嚴重的健康問題，如骨質疏松、高血壓、心血管疾病和貧血[1]。然而，鈣和鐵的膳食攝入量不足是一個常見的問題，同時由于其生物利用度較低進一步阻礙了它們在體內的有效吸收，從而加劇這一問題，誘發(fā)鈣和鐵的營養(yǎng)不良[2]。世界上大多數人口每天攝入低于1000 mg的鈣，在東亞、南亞和東南亞，其居民的平均每日鈣攝入量甚至低于400～500 mg[3]；在中國，推薦的每日鈣攝入量為1200 mg，但全國城鄉(xiāng)居民的日均鈣攝入量僅為391 mg，攝入量與需求量之間存在巨大差距。鐵缺乏作為另一個主要的全球性公共衛(wèi)生問題，影響著超過12億 人，尤其是高危人群，如老人、兒童和孕婦[4-5]。2019年調查顯示，中國東北和華東地區(qū)妊娠期婦女的鐵缺乏率分別高達53.41%和57.37%，對全國兒童的調查顯示，兒童鐵缺乏癥發(fā)病率高達40.3%[6]。此外，鈣和鐵的缺乏常常同時發(fā)生，一種營養(yǎng)物質的攝入會影響另一種營養(yǎng)物質的吸收。例如，大量研究表明補鈣會對鐵的吸收產生負面影響，而鐵對鈣吸收的影響還沒有得到廣泛的研究，但是有研究表明患有遺傳性血色病或/和地中海性貧血疾病人群的鐵過量吸收會影響人體對鈣的吸收[7]。為解決日益嚴重的鈣和鐵營養(yǎng)不良問題，有必要深入了解同時攝入鈣和鐵后直至其吸收的整個過程中所發(fā)生的相互作用及對其最終生物利用度的影響。這將有助于制定更有效的鈣和鐵補充策略，以緩解鈣和鐵缺乏造成的公共健康問題。

1 鈣的性質

1.1 鈣的生理功能

鈣是人體生長發(fā)育所必需的礦物元素，參與調節(jié)許多機體生理功能，充足的鈣攝入對保持人體健康至關重要。在骨骼健康方面，鈣是骨組織的主要組成部分，骨骼的發(fā)育、維護和修復都依賴于鈣。此外，鈣在肌肉和神經功能中起著關鍵作用，鈣參與肌肉收縮和放松的過程以及神經細胞之間的信號傳輸，血液凝固也同樣需要鈣的參與。另外，鈣參與多種激素的分泌，有助于調節(jié)人體血糖水平和鈣含量[8]。人體中99%的鈣以羥基磷灰石的形式儲存在骨骼和牙齒中，1%的鈣以游離形式分布在血漿、間質、細胞內液以及細胞內的線粒體和內質網中[9]。缺鈣會引起骨質疏松癥、高血壓、心血管等疾病，而鈣過量則會激活各種酶，如蛋白激酶、半胱天冬酶、磷脂酶、內切酶等，導致細胞死亡[10]。

1.2 鈣的來源

鈣廣泛存在于許多食物中[11-12]，如表1所示。乳制品，如牛奶、奶酪和酸奶，是優(yōu)秀的鈣源，一杯牛奶大約含有300 mg鈣，且乳制品中的鈣具有較好的生物利用度，然而，我國居民僅約7%的總鈣攝入量來自乳制品。綠葉蔬菜，如菠菜、甘藍和羽衣甘藍也富含鈣，一杯煮熟的菠菜大約含有240 mg的鈣，但蔬菜中存在的草酸鹽和植酸鹽可以與鈣結合生成沉淀，抑制鈣的吸收，使其生物利用度降低。堅果，如杏仁、榛子和巴西堅果也是鈣的良好來源，一盎司的杏仁含有大約75 mg鈣，但是堅果中鈣的生物利用度同樣受到植酸鹽的影響。魚蝦也是常見的鈣源。魚骨的鈣含量非常高，如鮭魚罐頭經加工后魚骨被軟化，使人體更容易吸收其中的鈣[13]。此外，強化食品（包括牛奶、豆?jié){和早餐麥片）通過添加鈣強化劑增加其營養(yǎng)價值，也是鈣的重要來源。然而，強化食品中鈣的生物利用度會因使用的鈣強化劑不同而不同。鈣強化劑包括無機鈣、有機鈣、氨基酸鈣螯合物、肽鈣螯合物[9]。無機鈣鹽主要包括碳酸鈣、氯化鈣以及動物骨粉、貝殼等，此類鈣制劑含鈣量高，但容易在腸道中與植酸等酸根離子形成不溶性沉淀而使其鈣生物利用度降低。有機酸鈣鹽主要為葡萄糖酸鈣、檸檬酸鈣、乳酸鈣等，此類鈣制劑的鈣含量較無機鈣鹽低，但生物利用度顯著提高[14]。氨基酸和鈣形成的螯合物是新一代補鈣劑，但是由于其穩(wěn)定常數不高，不能很好地解決鈣生物利用度低的問題[15]。食物源中的蛋白是制備鈣螯合肽的重要來源，包括牛奶酪蛋白、乳清蛋白、卵黃高磷蛋白、羅非魚骨膠原和鱗片、南極磷蝦、小球藻、豬血漿、牛血清、大豆和小麥胚芽蛋白質等[16]。羧基、羰基和羥基中的氧原子，氨基、亞氨基、酰胺和組氨酸咪唑基中的氮原子參與鈣肽螯合反應。鈣可以結合特定氨基酸，如谷氨酸、天冬氨酸、賴氨酸、精氨酸、組氨酸、蘇氨酸和磷酸化絲氨酸[17]。此外，磷酸化修飾有助于鈣離子與多肽的結合，富含磷酸化絲氨酸的酪蛋白磷酸肽（casein phosphopeptides，CPPs）、磷酸維生素磷酸肽具有較高的鈣結合活性[18]。肽鈣螯合物的生物利用度雖得到一定程度的提高，但在制備螯合物時其低溶解度、不良感官風味和安全性問題也限制了進一步的應用[17]。

表1 常見食物中鈣的含量[11-12]Table 1 Contents of calcium in common foods[11-12]

1.3 鈣的穩(wěn)態(tài)

小腸是人體吸收鈣離子的主要部位，且主要在十二指腸和空腸，鈣通過主動或被動運輸穿過腸道膜輸送到血液中。吸收過程受多種激素的作用調節(jié)，包括甲狀旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）、VD和降鈣素[19]。如圖1所示，PTH由甲狀旁腺產生，作用于腎臟，促進鈣的重吸收，同時也作用于骨骼，刺激鈣的釋放，以應對低血清鈣水平。在腸道中，PTH通過激活VD間接促進鈣的吸收，而VD可增強腸腔內的鈣吸收[20]。VD是一種脂溶性激素，它通過陽光對7-脫氫膽固醇的作用在皮膚中產生，也可以從飲食中獲得。VD經過肝臟和腎臟的羥基化后轉化為活性代謝產物1,25-二羥維生素D3（VD3）。VD3通過增強鈣轉運體和轉運通道的表達促進腸道中的鈣吸收。降鈣素是由甲狀腺對高血清鈣水平作出反應而產生，作用于骨骼，抑制鈣的釋放，減少骨鈣吸收。在腸道中，降鈣素也可能通過抑制鈣轉運體的活性對鈣的吸收產生一定影響[21-22]。

圖1 人體中鈣穩(wěn)態(tài)的調節(jié)機制Fig.1 Regulation mechanism of calcium homeostasis in the human body

保持體內鈣的平衡對機體正常運行非常重要，血清鈣水平主要是通過PTH和VD的作用從而被控制在一定范圍內。血清鈣以3 種形式存在：游離離子形式、蛋白結合形式和離子結合形式。游離鈣離子是血清鈣的生物活性形式，約占血清鈣總濃度的51%。剩下的49%與蛋白質結合，如白蛋白和球蛋白，或與陰離子結合，如磷酸鹽和碳酸鹽。細胞內的鈣水平也受到嚴格的調節(jié)以維持細胞功能，包括通道、腺苷三磷酸（adenosine 5’-triphosphate，ATP）酶和交換器，負責將細胞內的鈣濃度維持在0.1 μmol/L左右。內質網（endoplasmic reticulum，ER）在細胞內鈣平衡中也起著關鍵作用，ER是一個儲存鈣的細胞器，在受到刺激時可以釋放鈣。細胞外液中的總鈣濃度保持在大約2.2～2.6 mmol/L，血清離子鈣的濃度嚴格保持在1.10～1.35 mmol/L的生理范圍內[23]。保持這一濃度對維持機體的正常生理功能至關重要，濃度過低可能引發(fā)低鈣血癥，或低血清鈣水平，導致神經肌肉過度興奮、手足抽搐和癲癇發(fā)作，濃度過高可能引發(fā)高鈣血癥或高血清鈣水平，導致嗜睡、便秘、腎結石，甚至昏迷[24]。

1.4 鈣的轉運和吸收

鈣在小腸中的吸收方式分為跨細胞轉運和細胞旁路轉運[25-26]，如圖2所示，跨細胞轉運涉及將鈣離子穿過腸上皮細胞膜的主動轉運機制，由ATP酶、離子通道和交換劑驅動。細胞旁路轉運指鈣離子通過簡單擴散和溶劑拖動的驅動，穿過相鄰上皮細胞之間的緊密連接結構。此外，鈣的吸收會受到溶解度、生物利用度、鈣攝入量、膳食因子、轉運時間等因素的影響[27-29]，鈣需要以溶解的形式才可以被腸道吸收利用，鈣與小肽結合時可以提高其在腸道中的溶解度，促進鈣的吸收。腸腔中高濃度的鈣會抑制鈣的吸收，這是由于腸上皮細胞能夠通過鈣離子敏感受體（calcium-sensing receptor，CaSR）監(jiān)測頂膜和基底膜側的鈣離子濃度，CaSR激活次級負調節(jié)因子，從而防止鈣過量吸收。其他膳食因子，如葡萄糖、氨基酸可以促進鈣的吸收，而植酸、草酸等因子會與鈣形成沉淀抑制鈣的吸收。

圖2 腸上皮細胞中鈣的吸收和轉運機制Fig.2 Mechanisms of calcium absorption and transport in intestinal epithelial cells

當胞外鈣離子濃度較高時（5～200 mmol/L），鈣離子主要通過細胞旁路途徑進行轉運，包括兩種機制：簡單擴散和溶劑拖動。簡單擴散依賴于電化學梯度的存在，即通過腸腔和血漿間的離子濃度差驅動游離鈣離子在細胞間流動；溶劑拖動是通過鈉離子轉運和營養(yǎng)物質的主動運輸所產生的滲透梯度，驅動游離態(tài)金屬離子在細胞間運動[30]。此外，鈣離子在細胞旁路轉運的運動受緊密連接的調節(jié)。緊密連接是位于腸細胞的上下細胞膜之間的特殊結構，Claudin是緊密連接蛋白的主要家族，分子質量范圍為20～27 kDa，負責調控細胞間通道大小和電荷選擇性[31]。其中Claudin-2、Claudin-12和Claudin-15在調節(jié)鈣離子細胞旁路轉運中起著重要作用。有研究表明，VD3會調控緊密連接的蛋白質生成，如上調Claudin-2和Claudin-12的表達，以促進鈣的細胞旁吸收[32-33]。在該途徑中，鈣離子由膜上層轉運至膜下層，無需跨過細胞膜，且轉運量不可飽和。

血漿鈣濃度較低時（＜5 mmol/L），跨細胞轉運途徑被激活，該轉運過程需要轉運蛋白和ATP參與，依賴VD3調節(jié)，轉運量可達飽和，且需跨過兩層細胞膜[34]。主動運輸有兩個主要途徑：瞬時受體電位（transient receptor potential，TRP）離子通道（亞族V，成員6）（TRPV6）和電壓依賴性L型鈣通道亞型1.3（Cav1.3）鈣離子通道。TRPV6通道屬于TRP超級家族，包含6 種不同的蛋白質，TRPV6是TRPV離子通道中具有高選擇性的鈣離子通道，是小腸中鈣離子吸收的主要離子通道。除了TRPV5/6通道外，Cav1.3也參與鈣攝取，特別是在管腔中存在去極化營養(yǎng)物質時，如葡萄糖、半乳糖和一些氨基酸[35]。鈣離子通過TRPV6鈣離子通道轉運主要包括3 個步驟：首先，TRPV6在極化條件下被激活，將腸腔內的鈣離子轉運至細胞質。胞質中的鈣離子通過3 種方式由頂膜轉運至基底膜[36]：鈣結合蛋白D9k（Calbindin-D9k，CalbD9k）運輸[37]、囊泡轉運[38]和自由擴散。一般認為CalbD9k轉運蛋白是腸鈣轉運的限速蛋白，依賴于VD生成，能夠調節(jié)腸細胞對鈣離子的吸收。當膳食攝入鈣濃度過高時，CalbD9k限制了鈣的內流，從而避免高鈣毒性，TRPV6鈣離子通道被抑制。在低鈣膳食條件下，TRPV6基因表達量升高20～30 倍，CalbD9k基因表達量升高8～10 倍，鈣轉運量提高[8]。最后，根據機體的需求，鈣離子選擇性儲存在細胞內鈣庫或排出進入血液，其中大約80%的鈣離子由VD3依賴的細胞膜鈣泵蛋白（plasma membrane Ca2＋-ATPase 1b，PMCA1b）轉運，該蛋白利用ATP的能量將鈣離子從腸細胞轉運到血液中，其余20%的鈣離子則通過Na＋/Ca2＋交換體系（Na＋/Ca2＋exchanger 1，NCX1）進入血液，NCX1的化學計量是每個運輸周期移動4 個Na＋，1～2 個Ca2＋，平均化學計量為3 Na＋∶Ca2＋，同時通過Na＋/K＋交換器交換K＋和Na＋，化學計量為3 Na＋∶2 K＋，以保持細胞內鈣濃度穩(wěn)態(tài)[39]。

鈣肽螯合物除了通過跨細胞途徑和旁路途徑被腸道吸收外，還通過其他途徑促進鈣的吸收。CPPs是最早被發(fā)現能夠螯合鈣離子并促進鈣吸收的多肽。Ferraretto等[40]研究表明CPPs直接與質膜發(fā)生相互作用增強了分化的腸細胞HT-29中鈣的攝取，但不影響鈣轉運蛋白和鈣離子通道，進而推測CPPs可能將自身嵌入細胞膜形成特有的鈣離子通道促進鈣的吸收。這是由于CPPs是含有酸性中心“Ser(p)-Ser(p)-Ser(p)-Glu-Glu”的25肽，其中絲氨酸是磷酸化的。CPPs特有的環(huán)和β-折疊結構保證了CPPs能夠將其嵌入細胞膜，形成鈣離子通道[41]。進一步研究表明，CPPs能夠與鈣離子形成一種特殊的超分子結構，即CPPs聚合形成復合物將鈣離子包裹，從而促進鈣吸收[42]。最新的研究發(fā)現，在Caco-2細胞中，CPPs能夠通過調節(jié)鈣離子通道促進鈣的吸收[43]。

2 鐵的性質

2.1 鐵的生理功能

鐵是人體所必需的礦物質，主要存在于血紅蛋白、肝臟、脾臟和骨髓中的鐵蛋白和鐵血黃素，肌紅蛋白、一些酶類（如過氧化氫酶、過氧化物酶）和細胞色素中[44]，在人體的各種生理功能中發(fā)揮重要作用。鐵參與機體許多代謝過程，包括氧氣運輸、能量代謝、DNA合成和免疫功能[45-46]。鐵是血紅蛋白的重要組成部分，它與氧氣結合并將其帶到身體的各個部位，細胞呼吸也需要鐵將葡萄糖和其他營養(yǎng)物質轉化為能量。鐵還參與了肌紅蛋白的合成，負責儲存和釋放氧氣以支持肌肉功能。含鐵的酶，如參與調控細胞呼吸的細胞色素氧化酶，在生成細胞的ATP方面發(fā)揮著關鍵作用。鐵還參與了DNA的合成，沒有足夠的鐵，身體就不能產生新的細胞和組織，導致生長和發(fā)育受損[47]。鐵參與調節(jié)機體免疫功能，參與白血球的合成，負責抵御感染和疾病，也是保證各種免疫細胞（如T細胞、B細胞和巨噬細胞）正常運作的重要元素[48]。盡管鐵在各種生理功能中發(fā)揮著重要作用，但過多或過少的鐵都會對健康造成損害。過量的鐵會積聚在各種器官中，如肝臟和心臟，導致器官損傷和疾病。鐵缺乏則會影響幾乎所有生物體的生理功能，導致貧血、生長性能下降和細菌抵抗力降低等[49]。

2.2 鐵的來源

人體不能自行產生鐵，大部分鐵需要通過飲食獲得[11-12]，如表2所示。膳食中的鐵以血紅素鐵和非血紅素鐵（＞85%）的形式存在。血紅素鐵比非血紅素鐵更容易被人體吸收，這是因為血紅素鐵與血紅蛋白和肌紅蛋白結合，使其生物利用度更高。血紅素鐵大量存在于動物性食物中，如紅肉、家禽和魚類。紅肉是血紅素鐵的最佳來源之一，其中牛肉和羊肉中的含量較高。家禽，如火雞，含有大量的血紅素鐵。魚類，特別是油性魚類，如鮭魚和金槍魚，也是血紅素鐵的良好來源[50]。非血紅素鐵則存在于更廣泛的食物中，如豆類、堅果和種子、全谷物和綠葉蔬菜。豆類，如扁豆、鷹嘴豆和蕓豆是非血紅素鐵的極佳來源。堅果和種子，如杏仁和南瓜子，也含有大量的非血紅素鐵。此外，綠葉蔬菜，如菠菜、甘藍和羽衣甘藍，也是非血紅素鐵的良好來源。然而，植物性食物中的非血紅素鐵與單寧、植酸、多酚以螯合態(tài)存在，因此非血紅素鐵的生物利用度比血紅素鐵低[51]。另外，鐵強化劑能夠更好地滿足不同人群的需求，傳統(tǒng)無機鐵強化劑溶解度低、存在不良的感官風味，而且攝入后對腸胃有刺激性，易受其他抑制劑的影響導致其應用具有局限性，有機鐵強化食品如乳酸亞鐵、氨基酸螯合鐵等在一定程度上彌補了無機鐵的缺陷，對感官風味的影響較小，目前研究較多。此外，鐵螯合肽具有良好的穩(wěn)定性和生物利用度[52]。目前的研究已經從多種蛋白質來源的食物中純化和鑒定了不同的鐵螯合肽，例如太平洋鱈魚、鳳尾魚、大麥、鷹嘴豆、雞蛋和酪蛋白[53]。氮原子是亞鐵離子的主要結合位點，如賴氨酸的ε-氨基氮、精氨酸的胍基氮和組氨酸的咪唑氮。此外，鐵與肽的結合位點主要與精氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、半胱氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、組氨酸、賴氨酸、絲氨酸和酪氨酸相關[54]。鐵螯合肽通過3 種方式促進腸道鐵的吸收。肽與鐵結合形成可溶性螯合物，避免鐵沉淀，提高腸道鐵吸收的效率，且鐵螯合肽在pH 6～8時的鐵溶解度超過90%，遠高于鐵鹽的溶解度（5.9%）[55]；鐵螯合肽可以通過腸道肽的吸收途徑，如質子偶聯小肽轉運蛋白1（peptide transporter 1，PEPT1）途徑；鐵螯合肽與腸道鐵吸收途徑發(fā)生相互作用調節(jié)腸細胞的增殖和分化。

表2 常見食物中鐵的含量[11-12]Table 2 Contents of iron in common foods[11-12]

食物中其他營養(yǎng)物質的存在會影響血紅素鐵和非血紅素鐵的吸收。VC是一種能促進鐵吸收的營養(yǎng)物質，柑橘類水果、草莓和甜椒等VC含量高的食物與富含鐵的食物一起食用，可以將鐵還原成更容易吸收的亞鐵形式，以及通過螯合鐵以防止其與抑制劑結合，從而促進鐵的吸收。非血紅素鐵吸收的抑制劑包括全谷物和豆類中的植酸鹽，茶、咖啡和紅葡萄酒中的多酚以及乳制品中的鈣，與鐵形成不溶性復合物抑制非血紅素鐵的吸收。個體差異也會影響身體獲得和利用這種重要礦物質的能力。年齡、性別和健康狀況等因素都會影響鐵的吸收量和身體利用的有效性。例如，懷孕或哺乳期的婦女可能需要消耗更多的鐵，以滿足身體需求[56-57]。

2.3 鐵的穩(wěn)態(tài)

人體對鐵沒有特定的排泄機制，鐵穩(wěn)態(tài)（血清鐵14～35 μmol/L）主要通過控制小腸中膳食鐵的吸收來調節(jié)。人體內，鐵主要以與蛋白質（血蛋白）結合的形式存在，包括血紅素化合物（血紅蛋白或肌紅蛋白）、血紅素酶或非血紅素化合物（黃素鐵酶、轉移酶和鐵蛋白）[58]。人體內約60%的鐵存在于血紅蛋白中，25%儲存在鐵庫中，其余15%與肌肉組織中的肌紅蛋白結合或與參與氧化代謝和其他生理功能的酶結合[59]。

鐵的吸收主要受3 種蛋白質嚴格調節(jié)，包括鐵轉運蛋白、轉鐵蛋白和鐵調素（hepcidin，一種由肝臟產生的肽類激素）。鐵轉運蛋白是體內唯一已知的鐵輸出蛋白，主要位于腸細胞、巨噬細胞和肝細胞的基底外側膜上，負責將鐵從這些細胞輸出到血液中，然后通過轉鐵蛋白將鐵轉運至其他組織[60]。鐵轉運蛋白活性受多種因素調節(jié)，包括hepcidin的濃度。如圖3所示，hepcidin是全身鐵穩(wěn)態(tài)的主要調節(jié)劑，它既調節(jié)腸細胞吸收鐵的量，也調節(jié)巨噬細胞釋放鐵[61-62]。hepcidin的表達同樣受多種因素調節(jié)，包括血液中鐵的濃度、炎癥和紅細胞生成。當全身鐵水平高時，肝臟分泌hepcidin，這種激素通過抑制腸道鐵吸收和肝細胞、肝臟或脾的巨噬細胞釋放鐵來降低血清鐵水平。當全身鐵水平低時，hepcidin的產生受到抑制，導致腸道鐵吸收增加，并從其儲存中釋放鐵，以恢復正常的血清鐵水平[63]。

圖3 人體中鐵穩(wěn)態(tài)的調節(jié)機制Fig.3 Regulation mechanism of iron homeostasis in the human body

2.4 鐵的轉運和吸收

鐵的吸收主要發(fā)生在十二指腸和空腸近端，鐵在進入腸細胞后，可儲存在鐵蛋白中，也可以通過鐵轉運蛋白運出細胞進入血液。血液中的鐵運輸則是由轉鐵蛋白介導，并將鐵運輸到其他組織。轉鐵蛋白飽和度，即血液中轉鐵蛋白結合鐵的百分比，是衡量機體鐵狀態(tài)的一個重要指標。如圖4所示，膳食中的鐵（血紅素鐵和非血紅素鐵）通過兩種不同的機制被腸細胞吸收。影響鐵生物利用度的關鍵因素包括鐵源的種類和濃度、飲食因素、營養(yǎng)物質的相互作用和個人健康狀況[64]。

圖4 腸上皮細胞中鐵的轉運和吸收機制Fig.4 Mechanisms of iron transport and absorption in intestinal epithelial cells

血紅素鐵通過血紅素載體蛋白1（hemophore carrier protein 1，HCP1）[65]或血紅素轉運蛋白[66]進入腸細胞的頂端，然后由細胞質中的血紅素加氧酶（heme oxygenase，HO）裂解，釋放出亞鐵離子[67]，后者可通過基底外側蛋白、轉運蛋白輸出到血液循環(huán)中或以鐵蛋白的形式儲存。

非血紅素鐵分為三價鐵和二價鐵，三價鐵通過小腸絨毛刷狀緣上的十二指腸細胞色素b（duodenal cytochrome b，Dcytb）還原為二價鐵，然后在二價金屬離子轉運蛋白1（divalent metal transporter 1，DMT1）介導下轉運至小腸上皮細胞內[68]。DMT1是一種二價金屬離子的非選擇性轉運體，可以轉運鐵、鋅、銅、錳、鈷和鎘等離子，DMT1的轉運作用受細胞頂膜的Na＋/H＋交換器和基底外側Na＋/K＋-ATP酶的聯合調控，通過提供質子梯度提高DMT1活性并提供酸性環(huán)境促進二價鐵的溶解[69]。根據機體對鐵的需求，被吸收的二價鐵可通過3 種不同的方式利用：被轉移到線粒體產生血紅素分子、被轉移到鐵蛋白并儲存在腸細胞內形成不穩(wěn)定鐵池、被運輸到腸上皮細胞基底外側，由鐵轉運蛋白（ferroportin 1，FPN1）轉運進入血液[70-71]。FPN1由SLC40A1基因編碼，在腸細胞的基底膜表達[72]，亞鐵通過FPN1介導轉運離開腸細胞，并通過亞鐵氧化酶（hephaestin，HEPH）、肝黃素和銅藍蛋白氧化為三價鐵[73]，三價鐵與間質液中的轉鐵蛋白結合通過血液運輸分布全身[74]。

研究發(fā)現與飼喂FeSO4的仔豬相比，飼喂Fe-Gly仔豬的十二指腸和空腸中具有更高的PEPT1mRNA表達水平，說明PepT1途徑是鐵螯合肽的重要吸收途徑[75]。囊泡運輸的途徑也被認為是鐵螯合肽進入細胞的有效途徑[76]。此外，Pérès等[77]證明鐵與β-CPP螯合后可以通過內吞作用被吸收。

3 鈣對鐵吸收的影響

乳制品是膳食鈣的主要來源，水果、蔬菜、谷物和一些補鈣劑也是機體鈣的重要來源。大量研究表明鈣可以抑制腸道中鐵的吸收。鈣的來源、鈣含量、攝入時間等均會對鐵的吸收產生影響[78]。不同來源的鈣對鐵吸收的抑制程度不盡相同，在人群實驗中，將補鈣劑以磷酸鈣、碳酸鈣、草酸鈣、羥基磷灰石、檸檬酸鈣或檸檬酸-蘋果酸鈣混合的形式添加時，都會抑制非血紅素鐵的吸收[79-82]。然而，有研究表明，相較于氯化鈣，檸檬酸鈣對育齡婦女的非血紅素鐵生物利用有抑制作用[63]，而葡萄糖酸鈣、碳酸鈣、硫酸鈣、乳酸鈣或磷酸鈣對非血紅素鐵生物利用度無顯著影響。將鈣補充劑添加到膳食中（牛奶、奶酪、橙汁和咖啡）時，除了在橙汁中添加檸檬酸鈣對非血紅素鐵的吸收沒有顯著影響，其他組別的膳食中非血紅素鐵的吸收均降低[52,55]，這可能因為抗壞血酸是鐵吸收的促進劑。然而，并不是所有的研究都發(fā)現膳食中的鈣會阻礙鐵的吸收。在一項評估鐵強化谷物對鐵的吸收研究中發(fā)現，與水相比，牛奶的存在提高了鐵的吸收，但不顯著[83]。關于以牛奶為補鈣食物基質造成的不同結果，其原因尚不清楚，可能是因為牛奶的添加有助于提高谷物強化中鐵鹽的溶解度[84]。當碳酸鈣、檸檬酸鈣、磷酸鈣和食物同時服用時均會抑制硫酸亞鐵的吸收，且這種抑制作用在高鈣膳食中更明顯。這些結果表明，在膳食中定期服用鈣補充劑可能會導致日常鐵的需求更難以得到滿足[85]。

鈣的攝入量同樣會影響鐵的吸收。研究表明，在165～300 mg劑量之間，鈣會抑制40%～60%非血紅素鐵的吸收，當劑量超過300 mg時，不再有抑制作用[86]。Cook等[85]通過使受試者保持禁食狀態(tài)，分別補充劑量為300 mg鈣和37 mg鐵或600 mg鈣和18 mg鐵，發(fā)現碳酸鈣不抑制硫酸亞鐵的吸收，在補充600 mg鈣和18 mg鐵的劑量組中，檸檬酸鈣和磷酸鈣鐵吸收量分別顯著降低49%和62%；將鈣和鐵添加到膳食中時，補鈣劑抑制了補鐵劑的吸收。此外，有研究人員通過Caco-2細胞模型評估了鈣對Caco-2細胞中非血紅素鐵吸收、流出和凈吸收的影響[87]。相較于對照組的鈣和鐵物質的量比為50∶1，鈣鐵物質的量比在500∶1～1000∶1之間時，鈣增加了非血紅素鐵的吸收，減少了鐵流出，而凈吸收量沒有顯著差異，其認為細胞在較長時間內對高鈣濃度的反應可能不同，這也解釋了研究之間的差異性。

在單餐攝食體系中，鈣會抑制血紅素鐵和非血紅素鐵的吸收，且這種抑制作用呈劑量依賴性，其依賴總鈣的濃度而不是鈣鐵物質的量比。而在多餐和長期飲食模式中評估鈣對鐵吸收的影響更為復雜。在6 個歐洲國家進行的一項對1080 名青春期女孩和524 名年輕婦女的研究中，考慮了年齡、身高和VC攝入量等14 項輔助因素。經過3 d的飲食記錄評估，發(fā)現膳食鈣攝入量與體內鐵狀態(tài)（血清鐵蛋白）之間存在弱負相關[88]。Hallberg等[89]利用放射性標記技術探究攝入鈣補充餐14 d后59Fe的滯留量，結果表明鈣對鐵吸收的影響呈劑量依賴效應，隨著膳食中鈣添加量的增加，鐵的吸收率呈下降趨勢。添加300 mg鈣（氯化鈣）使非血紅素鐵的吸收降低50%。然而，即使是機體處于缺鐵狀態(tài)的婦女，長期補鈣也未對機體鐵的狀態(tài)（血清鐵蛋白含量）產生降低作用[90]。還有一些研究發(fā)現長期補鈣對哺乳期婦女[91]或12～14 歲女性[92]的鐵狀態(tài)也沒有任何影響。鈣對鐵吸收的急性和慢性影響存在差異性的原因可能是腸黏膜細胞對鈣濃度的變化產生了適應性反應，從而導致鐵吸收過程的“正常化”[90]。Caco-2細胞的體外研究支持了這一假設，添加鈣會抑制基底外側膜上的鐵轉運蛋白表達，導致鐵外流減少，細胞鐵滯留增加。但在數小時后，DMT1和運鐵素的表達再次增加，存在反彈現象[93-94]。這些結果表明，鈣的攝入對鐵的吸收沒有長期顯著影響，機體中的血液學指標或鐵含量指標沒有變化[95]。

鈣和鐵攝入的間隔時間會影響鈣對鐵的抑制作用。在早期研究中發(fā)現，如果在補鐵1 h后補鈣，鈣對鐵吸收的影響會消失[96-97]。Gleerup等[96]研究了將鈣攝入與鐵攝入的時間分開以探究同時補鈣是否會影響鐵的吸收，結果表明，當膳食中的鈣與鐵同時攝入時，鐵的吸收有明顯下降。當相同量的鈣分別添加到高鐵飲食和低鐵飲食中時，低鐵飲食中鐵的吸收率比高鐵飲食高45%。保持每日膳食鈣攝入量恒定，Abioye等[86]比較了21 名每餐都有攝入鈣的女性以及午餐和晚餐都沒有攝入鈣的女性的鐵吸收情況，結果表明在午餐和晚餐沒有攝入鈣的群體中，總鐵、非血紅素鐵和血紅素鐵的吸收更多。因此，同時補充鈣和鐵不利于鐵的吸收。對于血紅素鐵的吸收，鈣同樣存在抑制性作用。研究表明鈣和鐵在腸黏膜細胞胞內運輸的最后階段，鈣和鐵之間可能存在某些競爭性抑制，從而干擾了鐵在腸細胞中的運輸，其對血紅素鐵和非血紅素鐵的運輸同樣適用[98]。

鈣對腸道中鐵吸收產生的抑制作用可能是由于鈣的存在降低了DMT1對鐵的親和力。Gunshin等[99]證明鈣并不是DMT1轉運蛋白的底物，而是阻斷了Fe2＋誘發(fā)的電流，并以非競爭性的方式抑制了Fe2＋的攝取。Shawki等[100]通過使用非洲爪蟾卵母細胞構建細胞模型表達人的DMT1，使用放射性示蹤技術和電壓鉗技術測定DMT1活性。該研究表明，當鈣與鐵物質的量比為10∶1時，非血紅素鐵的攝取量降低，DMT1活性降低，說明Ca2＋是DMT1的抑制劑，但不是轉運底物。Thompson等[101]報道了鈣對頂膜DMT1的表達存在負劑量依賴效應，此外，隨著細胞暴露于氯化鈣中劑量的增加（0.16～2.5 mmol/L），鐵蛋白水平降低，非血紅素鐵的吸收減少。Hallberg等[89]也認為鈣會對鐵轉運蛋白活性產生負面影響。高濃度的鈣也有可能改變小腸上部黏液層的流變性能[102]，而且在不同的膳食體系中，鈣和鐵的溶解度以及其他食物基質的共影響效應會進一步影響和干擾鐵的生物利用度。鈣攝入對鐵吸收及其狀態(tài)的影響匯總如表3所示。

表3 鈣攝入對鐵吸收及其狀態(tài)的影響Table 3 Effect of calcium intake on iron absorption and status

綜上，在短期（≤90 d）中攝食，鈣的攝入對鐵狀態(tài)在統(tǒng)計學上具有負面影響，但影響的幅度較低，在人群實驗的角度不具有顯著性影響，較高的鈣攝入量與總體鐵吸收減少和鐵狀態(tài)呈劑量依賴性相關，但長期對血紅蛋白濃度沒有影響。由于基礎研究的顯著異質性和局限性，應通過大量研究明確不同條件下影響的差異性[103]。

4 鐵對鈣吸收的影響

機體同時補充鈣和鐵時，鐵也會對鈣的吸收產生影響，但目前關于這一方面的研究較少，缺乏相對統(tǒng)一的具體結論，現有研究表明鐵可能主要從兩個方面影響鈣的吸收。一方面鐵會影響鈣鹽的溶解度等理化特征。Korchef[104]構建了二氧化碳脫氣系統(tǒng)，通過排出溶液中二氧化碳，采用加速沉淀法模擬亞鐵離子對碳酸鈣析出過程的影響，結果表明，鐵離子可以抑制低過飽和度的碳酸鈣溶液成核結晶，但當碳酸鈣溶液高度過飽和時，鐵離子對碳酸鈣結晶的抑制作用不顯著。鐵離子對碳酸鈣成核和生長的抑制作用主要歸因于鐵離子阻斷了碳酸鈣的生長位點或/和形成氧化鐵膠體，如Fe2O3。此外，由于碳酸亞鐵的溶解度更低，碳酸亞鐵沉淀更易在碳酸鈣表面形成，阻斷了碳酸鈣的生長，而Fe2＋與Ca2＋形成FexCa1-xCO3（0≤x≤1）復合物抑制碳酸鈣的增長[105]。Alsaiari等[106]同時混合Fe2＋、Ca2＋、HC，探究Fe2＋、Ca2＋對其碳酸鹽溶解動力學的影響，結果表明鈣離子可以提高碳酸鐵的溶解度，而亞鐵對碳酸鈣的溶解度影響不大，這可能是由于碳酸亞鐵配合物在鈣的存在下增加了穩(wěn)定性，降低了其析出速率。鐵離子對不同的鈣鹽具有不同的影響效果，鐵離子會導致磷酸鈣[107]、羥基磷灰石[108]的析出，阻止了脫礦和再礦化過程，具有較好的成骨性能。此外，胃腸道中的血紅素鐵（來自肉類、內臟和血液）和自由鐵離子（來自植物性食品、補充劑）均有導致發(fā)生氧化應激和自由基損傷的風險。鈣可能與血紅素鐵或更簡單的鐵配位化合物結合，從而改變它們的氧化還原電勢，Bechtold等[109]探究鈣、鐵、葡萄糖酸根之間的配位關系，通過同時混合Ca2＋、Fe3＋、葡萄糖酸根（DGL－）制備的化合物并非葡萄糖酸鈣（CaDGL）和葡萄糖酸鐵III（FeIIIDGL）單核復合物，而是形成雙核復合物CaFeIIIDGL，由于鈣離子可以改變鐵配合物的電化學性質，非電化學活性離子Ca2＋進入FeIIIDGL復合物后形成配位比為1∶1的雙核復合化合物，引發(fā)FeII/III氧化還原特性的電化學行為發(fā)生明顯變化，導致較低的標準還原電位，表明鈣可以調節(jié)鐵的氧化作用，鈣與FeIIIDGL的結合可以相應地調節(jié)食物消化過程中金屬催化自由基的形成，防止鐵誘導的氧化損傷，最佳組合可能使補鐵更安全。鈣和血紅素鐵是否也有類似的作用還有待研究。肉類中自由基形成量在適度加熱時增加，但在加熱到更高的烹飪溫度時再次減少，這可能反映了血紅素鐵和游離鐵之間的平衡[110]。

另一方面，鐵會影響鈣的吸收途徑，對地中海性貧血小鼠模型的研究表明，鐵的過度吸收會阻礙鈣的吸收。β-地中海貧血是一種以鐵超載為特征的疾病，會降低小鼠十二指腸鈣吸收和VD3水平，其鈣吸收的減少可能歸因于VD3水平低[111-112]。雖然Ca2＋和Fe2＋通過不同的通道/轉運體吸收進入細胞和排出細胞，但這兩種離子可能共用相同的囊泡轉運途徑[113]，鐵的過量吸收可能會占據細胞內的囊泡，或者是Fe2＋和Ca2＋可能會相互競爭進入囊泡，從而抑制鈣的吸收[111]。添加hepcidin治療缺鐵性貧血可增加動物模型的腸道鈣吸收[70]，這表明鐵可以調節(jié)激素和鈣運輸之間的關系。hepcidin在介導腸道鈣吸收中的作用以及腸道鐵與鈣吸收之間的反向關系，表明鐵和其他鐵穩(wěn)態(tài)調節(jié)因子可能是腸道中鈣的跨細胞途徑和旁路途徑的新型調節(jié)因子。但也有學者提出，地中海貧血患者攝入鐵后，腸道中的CalbD9k、PMCA1b、TRPV5和TRPV6蛋白表達降低，Na＋/K＋ATP酶活性降低[114]。在鐵過載的條件下探究鐵對腸道鈣吸收的影響，說明人類和嚙齒動物中涉及鐵超載的疾?。ㄈ缪爻林Y和β-地中海貧血）與骨密度改變和骨質疏松癥有關[115-117]，因此，骨密度的改變和骨質疏松癥可能與鐵不平衡有關。在細胞水平上，有研究者證明在Caco-2細胞中鐵與細胞鈣水平呈負相關，hepcidin治療后細胞內低劑量鐵可以促進Caco-2細胞的鈣攝取[118]，這表明細胞鐵含量可能局部影響腸道鈣吸收。

飲食引起的鐵缺乏會顯著促進缺鐵小鼠十二指腸中鈣的吸收，在跨細胞轉運途徑中，CalbD9k蛋白表達顯著下調，而TRPV6、PMCA1b和NCX1蛋白表達水平不變，表明未促進缺鐵動物十二指腸跨細胞鈣轉運途徑中鈣吸收，旁路轉運途徑中，Claudin-2和Claudin-3的mRNA和蛋白水平表達增加，從而促進鈣的吸收[119]。Olusanya[120]通過研究飲食誘導的缺鐵大鼠對腸道和腎臟鈣穩(wěn)態(tài)機制的影響，發(fā)現缺鐵促進了十二指腸細胞旁路途徑鈣的吸收，這與十二指腸Claudin-2和VD受體（VD receptor，VDR）表達上調有關，而VDRmRNA表達與DMT1mRNA呈正相關，這表明鐵缺乏后VDR對Claudin-2水平的潛在影響可能與DMT1介導的鐵轉運的變化有關。HIF-2α是一種異二聚體轉錄因子，可以促進鐵轉運蛋白的表達，包括DMT1蛋白[121]，在調節(jié)鐵運輸中發(fā)揮重要的細胞作用[122]。此外，HIF-2α的變化也可能參與了Claudin-2介導的十二指腸鈣吸收在鐵缺乏反應中增加的機制，結果表明HIF-2α與Claudin-2和VDRmRNA表達均呈正相關。由于腸道鐵吸收主要發(fā)生在十二指腸，因此，低鐵水平或高DMT1蛋白表達水平均可能與缺鐵時導致的十二指腸鈣吸收增加有關[123]。通過添加去鐵胺降低細胞內鐵含量，誘導VDR蛋白表達上調[124]，而促紅細胞生成素誘導DMT1蛋白表達升高對Caco-2細胞的VDR沒有影響。因此，降低細胞內鐵水平可以通過Claudin-2提高VDR介導的細胞旁路鈣吸收，而鐵缺乏引起的VDR增加可能與缺鐵動物中DMT1或HIF-2α蛋白水平上調有關，可能是高水平DMT1或HIF-2α對十二指腸腸上皮細胞或局部影響的結果。

在正常Caco-2細胞模型中，添加檸檬酸鐵后鈣的吸收上調，但當鐵濃度持續(xù)升高，鈣的吸收呈下降趨勢，隨胞內Ca2＋濃度增高有誘導細胞凋亡的趨勢[125]。研究表明將VD3處理的Caco-2細胞膜暴露于FeCl3中24 h，過量的鐵會抵消VD3誘導的促鈣吸收作用，FeCl3顯著降低了鈣的轉運率[126]。FeCl3的抑制作用迅速，其處理細胞60 min即可阻斷VD3誘導的電阻下降和鈣通量的增加。而在沒有VD3處理的情況下，FeCl3不影響鈣的運輸。此外，盡管抗壞血酸經常被用于促進鈣的溶解和吸收，但它對FeCl3和VD3處理的Caco-2細胞中鈣的運輸沒有影響。

鐵攝入對小腸中鈣轉運途徑的影響匯總如表4所示。

表4 鐵攝入對小腸中鈣轉運途徑的影響Table 4 Effect of iron intake on calcium transport pathways in the intestine

在進行膳食補充或食物強化過程中需要考慮鈣和鐵之間的相互作用對機體吸收率和生物利用度產生的影響[127]。生物利用度是決定鈣和鐵能否被人體吸收的重要因素，明確鈣和鐵的攝入形式，如有機酸鹽中的檸檬酸蘋果酸鈣在生物利用度上優(yōu)于碳酸鈣[80]，多肽如CPPs，可以在一定程度上既保證鈣和鐵的補充劑量也可以提高其吸收率，以及適當的食物載體，防止鈣和鐵與食物中其他因子（如植酸鹽等）發(fā)生抑制性作用。在腸道吸收的相互作用方面，鈣會抑制鐵的吸收，但在正餐中補充低劑量的鈣可以降低對鐵吸收的抑制作用[85]，鐵通常在禁食狀態(tài)下吸收更有效，但存在耐受性問題[98]，將補鈣和補鐵的時間間隔1 h以上有助于改善鈣和鐵之間的相互作用。

5 結語

鈣和鐵都是機體所必需的營養(yǎng)元素，在熱力學角度，鈣和鐵溶解過程中鐵一定程度上可以抑制過飽和鈣鹽結晶的析出，當陰離子不同時，其作用效果不盡相同，而目前的研究主要集中在磷酸根、碳酸根，由于某些陰離子（如乳酸根、葡萄糖酸根）可以誘導鈣鹽的過飽和，可以通過混合不同補鈣劑和補鐵劑探究是否能夠產生過飽和現象及配位結合機制，更好的開發(fā)復合補鈣/鐵劑。在生物學角度，大量研究分別從人群實驗、小鼠模型、分子層面多角度討論了腸道中鈣和鐵吸收過程中的相互作用及機制，但這些研究對于劑量效應并沒有相對統(tǒng)一的規(guī)范，高、中、低劑量及對照模型應在劑量層面進一步解釋相互作用產生的現象及涉及的機制變化?，F在的研究中已證明鈣對鐵吸收的抑制作用是一種短期效應，且這一影響與鈣鐵濃度、食物基質、共攝入時間、攝入時間間隔有關，鈣是DMT1的非競爭性抑制劑，但這一抑制作用會隨著時間的推移而發(fā)生適應性反應，這可以解釋為什么對不同群體的長期補鈣沒有顯示出對鐵狀態(tài)的任何不利影響。而鐵對鈣吸收的影響更為復雜，補充低濃度的鐵會促進鈣的吸收，但鐵濃度較高時又會抑制鈣的吸收；在地中海貧血模型中，鐵的吸收上調時，鈣的吸收被抑制，這可能是鐵誘導的氧化應激和抑制囊泡鈣運輸的結果；輕度飲食性缺鐵可能通過上調Claudin-2mRNA和蛋白的表達從而促進細胞旁路途徑的鈣吸收。腸道鐵與鈣吸收之間的相互關系，表明鐵可能是腸道鈣轉運途徑的新型調節(jié)因子。由于在腸道中鈣和鐵的吸收還涉及到多種激素等因素的影響，與這些調節(jié)因子的相關性仍存在不確定性，對這些復雜過程的交互作用還需進一步探討。可以在飲食上控制腸道中鈣和鐵的含量，因此明確攝食后鈣和鐵的相互作用可以更好地為貧血/鈣缺乏骨質疏松癥患者和高鈣/鐵需求人群（如孕婦和哺乳期母親）提供飲食推薦，為進一步開發(fā)安全有效的鈣/鐵強化產品提供堅實的基礎。