《食品科学》：中国农业科学院王凤忠研究员、李春梅副研究员等：食品中植酸及其降解产物的进展

　　植酸亦称肌醇1,2,3,4,5,6-六磷酸（InsP6），是一种包含6个磷酸基团的环状化合物。植酸广泛存在于植物中，是磷酸盐的主要存在形式，占总磷的60%～90%，对维持植物正常生理活动发挥及其重要的作用。然而，植酸中因含有带高密度负电荷的磷酸基，具有极强的螯合能力，在生物体内可以与蛋白质和矿质元素螯合形成稳定、难以降解的复合物，使蛋白质和矿质元素的生物利用率降低，而大部分磷和矿物质被排出体外也会造成土壤污染和水体富营养化等环境问题。

　　随着研究的深入，人们发现植酸也有许多有益作用。精确测定食品中植酸及其降解产物低级磷酸肌醇的含量，对正确评价其风险特别的重要。因此， 中国农业科学院农产品加工研究所的陈佳悦、李春梅*、王凤忠*等人 对植酸及其降解产物的性质、抗营养作用、生物活性以及在食品中的含量水平进行综述，并对其分析测定办法来进行探讨，以期为我国开展该领域的相关研究提供参考。

　　植酸为淡黄色或褐色糖浆状液体，具有极强的水溶性，lg P为-8.47，也可溶于甘油和体积分数95%乙醇溶液，微溶于无水乙醇和甲醇，难溶于无水、苯和氯仿等有机溶剂。植酸对光稳定，但受热易分解，且随着植酸浓度降低，其耐热性会随之降低。植酸结构中有12 个可解离的质子或活性位点，其中6个是强酸性位点，解离常数pKa值为1.5～2.0，两个是弱酸性位点，pKa值为6.0左右，4个是很弱的酸性位点，pKa值为9.0～11.0。

　　植酸在内源植酸酶的作用下，磷酸基团按顺序去磷酸化会产生多种水溶性低级磷酸肌醇，包括InsP5、InsP4、InsP3、InsP2、InsP1。表1列出了植酸及其降解产物的理化性质，随着磷酸基团数量的减少，降解产物的lg P增大，极性降低。

　　植酸分子结构中的6个磷酸基团具有极强的电负性和螯合能力，能与二价或三价金属离子如Zn 2＋ 、Cu 2＋ 、Fe 2＋ 、Fe 3＋ 、Ca 2＋ 、Mg 2＋ 、Mn 2＋ 等发生结合反应形成植酸盐，这些植酸盐在酸性pH值下可溶，但在生理pH值下难溶，而人类消化道缺乏植酸降解酶，因此植酸难以被胃肠道消化吸收。据报道，在缺乏植酸的情况下，人体可以从食物中多吸收20%的锌和60%的镁。一项研究表明，在含有2、25 mg和250 mg植酸的小麦卷中，锌的吸收率分别被抑制了18%、64%和82%。植酸主要抑制人体对铁、锌、钙和镁元素的吸收，这对于长期以谷物和豆类作为主食的发展中国家尤为明显，矿物质吸收的减少，特别是锌和铁吸收的减少，会导致贫血、早产、婴儿大脑发育迟缓、免疫和认知功能下降等。

　　通常采用植酸与矿质元素的物质的量比评估食品中矿质元素的生物利用率，研究表明，有利于铁、锌和钙元素吸收的植酸与矿质元素物质的量比参考值分别为n（植酸）∶n（铁）＜1、n（植酸）∶n（锌）＜15、n（植酸）∶n（钙）＜0.24。当食品中植酸与矿质元素的物质的量比低于参考值时，认为植酸的含量对矿质元素生物利用率没影响，反之则表明对其吸收有不利影响。 表2列出了不同国家植酸的每日 推荐最高限制摄入量。

　　由于植酸在自然界中以离子形式存在，因此还可与一些带电的蛋白质结合形成复合物，环境的pH值会明显影响植酸与蛋白质的结合能力，当pH值低于蛋白质等电点时，蛋白质具有正电荷，可以直接通过静电结合与植酸形成二元复合物，使蛋白质的结构改变，进而影响一些酶的活性、蛋白质溶解性和消化率。体外研究表明，蛋白质来源、溶解性、膳食中Ca 2＋ 和Mg 2＋ 水平等多种因素会影响植酸与蛋白质的结合程度。此外，植酸可螯合蛋白酶活性中心的金属离子，抑制胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和胃蛋白酶等多种蛋白酶的活性，使其降解蛋白质的效率降低。植酸还可通过氢键直接或通过蛋白质间接与淀粉链结合生成植酸-蛋白-淀粉复合体，以此来降低淀粉的溶解性和可消化性。

　　与植酸相比，目前关于植酸降解产物的研究相对较少。有研究表明InsP5与植酸有相近的螯合能力，一般被视为抗营养因子，而随着磷酸基团数量的减少，其螯合能力大为降低。在相同条件下，InsP6的蛋白聚合力是InsP5的（4.6±0.1）倍；虽然低级磷酸肌醇InsP1～4对蛋白聚合力影响较小，但磷酸化程度低至InsP3的植酸降解产物仍可抑制胃蛋白酶活性，且可螯合Fe 3＋ 使其利用率降低。

　　植酸除对人体有抗营养作用外，还具有多种生物活性作用。抗氧化是植酸最显著的特征，植酸肌醇环各位上的磷酸基团与Fe 3＋ 形成的植酸-Fe 3＋ 螯合物稳定性高，可以有效抑制Fe 3＋ 诱导的羟自由基产生，从而抑制脂质过氧化。但植酸仅在体外表现出高抗氧化活性，而对生物体内抗氧化能力没有提升作用。植酸还具有广谱的抗癌作用，可有效防治结肠癌、乳腺癌、前列腺癌、肝癌、皮肤癌等。相关研究表明，植酸还能降低细胞生长速度，促进癌细胞向正常表型分化。此外，植酸可通过络合铁离子以减轻铁诱导的低密度脂蛋白胆固醇氧化，降低血浆中总胆固醇含量，从而预防冠心病的发 生。近期研究还表明植酸可通过调节炎症反应和肠道菌群结构维持血乳屏障的完整性。

　　酸降解产物InsP2～5在细胞信号转导和机体代谢调节中也具备极其重大作用，其中InsP5可特异性地抑制磷酸肌醇3-激酶信号传输通路，使体外培养的癌细胞对抗癌药物的作用更加敏感，引起癌细胞凋亡。InsP4对T淋巴细胞的正常分化具有及其重要的作用，且在中性粒细胞中，InsP4通过阻断InsP3介导的pH结构域蛋白质质膜转位以此来实现对InsP3信号转导途径的反向调控。InsP3是作为Ca 2＋ 信号转导途径中的第二信使，InsP3/Ca 2＋ 信号转导途径可调控多种细胞代谢过 程。此外，InsP3还具有降血压、消炎、抗氧化等功效 。

　　植酸广泛存在于谷物、豆类、油籽和坚果等食品中。已有研究发现小麦和水稻等单子叶植物中约90%的植酸分布于糊粉层或麸皮层中，约10%存在于胚芽中；而玉米与其他谷物不同，88%植酸存在于胚芽中，而胚乳中含量仅占3.2%；在大豆等双子叶植物中，约99%的植酸分布于整个子叶中。食品中植酸的含量如表3所示，谷类及其制品中含麸皮的谷类植酸含量较高，其中米糠的植酸质量分数最高达8.7%，麦麸中最高达3.9%；豆类中大豆的植酸含量最高，为（1 709.40±4.67）mg/100 g，其制品大豆浓缩蛋白的植酸质量分数较高，为1.12%～2.34%；油料类中芝麻的植酸质量分数最高，为1.44%～5.36%，烤熟后其质量分数亦较高，为3.93%～5.72%；与上述3类食品相比，坚果类的植酸质量分数相对最高，最高值范围为4.47%～9.42%，其中杏仁的植酸质量分数最高，为0.35%～9.42%。

　　近年来，随着研究的深入，为了更加准确评估植酸对营养吸收的抑制程度，研究人员开始关注食品中植酸及其降解产物的精确含量。表4汇总了目前已报道食品中植酸降解产物的含量。

　　食品中植酸及其降解产物的常用前处理方法最重要的包含酸浸提法、超声提取法、微波提取法、固相萃取法等。

　　酸浸提法是提取植酸及其降解产物较为常用的方法，盐酸是主要的提取剂，一般会用0.5 mol/L或0.66 mol/L盐酸常温提取2～4 h，最长提取时间为24 h。Liu Xiaodan等比较了盐酸、甲酸、三氟乙酸和乙酸对生物组织及坚果等中植酸及其降解产物的提取效果，发现3.2 mol/L乙酸对InsP1～6具有最好的提取效果，回收率为64.1%～119.6%。此外，对于脂肪含量较高的食品，脂肪会影响植酸的提取效率，通常需在提取前进行脱脂处理，使其质量分数降低至5%以下。

　　与传统酸浸提法相比，超声提取法利用超声波所产生的热效应、空化效应和机械振动等作用，极大地缩短了提取时间，提取效率更加高。Simonet等以2 mol/L盐酸为提取剂，利用超声波提取豆类和坚果中植酸及其降解产物，发现5 min内即可成功提取InsP1、InsP2和InsP3，20 min内可完全提取InsP6；当提取时间超过45 min时，可能由于InsP6发生水解，其回收率降低，而低级磷酸肌醇InsP5、InsP4、InsP3和InsP2的回收率则有所升高，因此，最终选用20 min作为超声时间，InsP1～6的回收率可达94.4%～107.7%。

　　微波提取法也是目前测定食品中植酸常用的提取方法之一。Liu Tong等考察了微波提取剂浓度、提取时间和温度对核桃中植酸的提取效率，发现0.66 mol/L盐酸和0.52 mol/L硫酸对植酸的提取效率无显著影响；采用0.66 mol/L盐酸作为提取剂时，当微波提取温度从100 ℃升高至125 ℃，或提取时间从10 min延长至20 min，植酸的提取率无显著差异，但当温度上升至150 ℃时，InsP6发生水解，其提取率降低；与传统盐酸提取相比，当采用0.66 mol/L盐酸和0.52 mol/L硫酸混合溶剂（1∶1，V/V）作为提取剂时，植酸的提取率较高，最优微波条件为提取温度100 ℃、提取时间10 min、液料比20∶1；该方法与传统的酸浸提法（提取时间3 h）相比显著缩短了提取时间，提高了提取效率。

　　固相萃取法已经大范围的应用于食品样品中植酸及其降解产物的净化，硅胶阴离子交换剂SAX、阴离子交换树脂AG1-X8和AG1-X4是目前常用的固相萃取填料。Burbano等比较了AG1-X8和SAX柱对豆类中InsP3～6的提取效果，结果发现两种固相萃取柱的回收率接近，但SAX柱的变异系数更小，且SAX柱的优点是预处理时间更短，可重复性和再现性更强。由于酸提取液的酸度通常较高，大多数InsPn不能保留在离子交换柱上，因此，一般在进行固相萃取净化前采用蒸发或稀释降低酸度。

　　植酸具有较强的螯合性，可以与其他一些化合物竞争螯合离子。研究人员利用植酸与磺基水杨酸竞争螯合Fe 3＋ 的特点测定植酸含量，其原理是磺基水杨酸与Fe 3＋ 反应生成紫红色络合物，在500 nm波长处吸光度最高，当植酸存在时能竞争螯合其中的Fe 3＋ ，发生褪色反应，吸光度下降量与植酸的浓度成反比。我国现行有效的GB 5009.153—2016《食品安全国家标准 食品中植酸的测定》就是根据这个原理而制定的，方法检出限为0.006 g/kg，定量限为0.02 g/kg。该方法最大的优点是不需要昂贵的仪器，简单易操作，但该方法中Fe 3＋ 同样可与植酸降解产物低级磷酸肌醇发生反应，容易使所测植酸含量结果偏高。

　　离子色谱法是利用待测物在离子交换树脂柱与流动相间的反复交换，使样品中各离子分离，该方法可以通过阴离子交换色谱柱结合梯度洗脱将植酸及其降解产物有效分离，具有灵敏度较高、重现性好、简便快速等特点。Chen Qingchuan等采用CarboPac PA-100色谱柱（250 mm×4 mm，10 μm）经盐酸梯度洗脱测定了豆类、坚果中的InsP5和InsP6的含量，方法检出限为1.5～3.4 μmol/L，该方法将植酸及其降解产物低级磷酸肌醇有效分离，消除了低级磷酸肌醇的干扰，定量结果更准确。

　　高效液相色谱法（HPLC）是目前使用比较广泛的植酸及其降解产物定量检测的新方法，该方法选择性和灵敏度更高。C 18 柱是最常用的色谱分离柱，但由于植酸为离子型化合物，极性较大，在反相键合相色谱柱上的保留时间相对较短，难以与液相色谱柱死时间进行区分，因此，一般会用在流动相中添加离子对试剂以增加溶质与非极性固定相的作用，改善分离效果。目前，已报道用于植酸及其降解产物分析的离子对试剂包括四丁基氢氧化铵溶液、正戊胺、乙酸二己基铵。一般会用三甲基硅烷基重氮甲烷对植酸磷酸根甲酯化，以提高磷酸根的疏水性和稳定能力，降低其酸性和金属螯合能力。

　　由于植酸及其降解产物没有发色和荧光基团，因此无法直接利用紫外或荧光检测器测定植酸及其降解产物，需经过一定的预处理过程或与一些特定的检测器联用。Dost等利用植酸对硫氰酸铁有色络合物的置换反应，采用十八烷基硅烷键合硅胶填料（ODS）色谱柱分离并检测硫氰酸铁浓度的降低量，建立了利用高效液相色谱-紫外检测法（HPLC-UV）测定小麦及其制品中植酸含量的方法，方法检出限为0.5 μg/mL。蒸发光散射检测器（ELSD）和示差折光检测器（RID）不依赖于物质的官能团或光学特性，是一种通用型质量检测器，可用于食品中植酸含量的测定，但HPLCRID方法对流动相要求比较高，没有办法进行梯度洗脱，从而使待测组分与干扰成分分离困难，故灵敏度相对较低。

　　近年来，液相色谱-串联质谱方法（LC-MS/MS）在食品中植酸及其降解产物的检测中得到普遍应用（表6）。与上述HPLC方法相比，其具有灵敏度更高、选择性更好等特点。Yu Saisai等建立了小麦中植酸的LC-MS/MS结合柱前衍生分析方法，样品经超纯水和强酸性阳离子交换树脂搅拌提取2 h，三甲基硅烷基重氮甲烷衍生，C 18 色谱柱分离，以大气压化学电离（APCI）正离子、多反应监测（MRM）模式进行植酸的定性分析，方法检出限为0.07 ng/mL，定量限为0.25 ng/mL。

　　基于植酸的抗营养作用以及在食品中的浓度水平，美国、英国、芬兰等发达国家均已制定了植酸每日推荐摄入量，而我国却缺乏相应的推荐膳食摄入量规定。与国外相比，我国在植酸方面的研究工作还不全面，应该加快开展食品中植酸推荐摄入量的制定。此外，目前仍缺乏专对于植酸及其降解产物低级磷酸肌醇的分析方法。虽然我国目前也制定了食品中植酸检测的新方法的国家标准，但仅限于植酸的测定，且缺乏区分植酸及其降解产物的特异性方法，所测植酸含量为包含降解产物在内的总植酸含量，容易使结果偏高。因此，应尽快开展相关的基础研究，准确评估我国食品中植酸及其降解产物的存在状态、含量水平及对营养吸收的抑制程度，制定符合我国国情的膳食推荐摄入量和检测方法。

　　本文《食品中植酸及其降解产物的研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷19期299-307页. 作者：陈佳悦，范蓓，刘贵巧，李春梅，王凤忠. DOI:10.7506/spkx1102-012. 点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

　　实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

　　为进一步促进未来食品科学的发展，全面践行“大食物观”的指导思想，持续提升食品科学技术创新和战略安全。由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，北京工商大学食品与健康学院、北京联合大学生物化学工程学院、河北农业大学食品科技学院、西华大学食品与生物工程学院、大连民族大学生命科学学院、齐齐哈尔大学食品与生物工程学院、河北科技大学食品与生物学院共同主办，北京盈盛恒泰科技有限责任公司、古井集团等企业赞助的“第一届大食物观·未来食品科学技术创新国际研讨会”即将于 2024年5月16-17日 在 中国北京 召开。