CN110786442A - 一种降低食物中镉生物有效性和毒性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种降低食物中镉生物有效性和毒性的方法，该方法包括在食物中添加有膳食成分，所述膳食成分为二氧化钛。本发明还涉及二氧化钛在降低食物镉生物有效性和毒性中的应用，以及一种降低镉生物有效性和毒性的食物。利用二氧化钛用于降低食物中镉生物有效性和毒性的方法不但能补充机体所需的矿质元素无副作用，并能有效降低污染食物中镉生物有效性，在保障农产品的安全食用和健康风险评价中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于重金属污染去除领域，具体涉及一种降低食物中镉生物有效性和毒性的方法。
背景技术
农田土壤重金属污染是危害民众健康的一个重要因素。农田重金属污染导致农产品重金属超标问题非常突出，特别是一些稻米品种具有吸收重金属特性。其中镉(Cd)的污染又是其中一个最为严重的事实存在，特别是镉米问题已成为我国社会公众最为关注的热点。镉可在生物体内富集，严重危害人体健康。长期摄入被镉严重污染的稻米、蔬菜、水果、水等，会出现镉慢性中毒的症状，镉被人体吸收后会造成结缔组织损伤、生殖系统功能障碍、肝损伤、肾损伤，具有致畸和致癌等危害，甚至影响生长和智力发育。当前植物修复与重金属钝化等主流技术均无突破性进展，普遍存在治理成本高、周期长、影响农业生产以及效果不理想等问题，预期在未来相当长时期内，镉米食用安全问题难于解决。由此，研发降低食物中镉的人体生物有效性和毒性的技术策略是降低人体对膳食中镉的吸收，预防人体镉中毒的重要保障。
人体实际吸收稻米中的镉的水平受诸多因素影响，其中同步进入人体胃肠的其它膳食成分起直接作用。食材搭配或是食物成分的变化是调控人体对镉吸收的一个有效途径，也是应对镉米问题极具前景的技术策略。
当前，为了应对稻米等农产品中镉超标及危害健康的问题，国家重点在源头进行治理，投入大量资金进行污染农田的修复。然而，当前植物修复技术与重金属钝化技术等主流技术均无突破性进展，普遍存在治理成本高、周期长、影响农业生产以及效果不理想等问题，预期在未来相当长时期内，镉米食用安全问题难于解决。而针对食物中镉毒性的控制技术目前尚未见报道。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种有效降低食物中镉生物有效性和毒性的方法，该方法能有效降低镉生物有效性和毒性，且无副作用。
实现上述目的的技术方案如下。
一种降低食物中镉生物有效性和毒性的方法，包括在食物中添加有膳食成分，所述膳食成分为二氧化钛。
在其中一些实施例中，所述二氧化钛在食物中的添加量为0.4-1.2g/kg 食物。
在其中一些实施例中，所述二氧化钛在食物中的添加量为0.4g/kg食物。
在其中一些实施例中，所述二氧化钛在食物中的添加量为1.2g/kg食物。
在其中一些实施例中，所述食物为煮熟的大米。
本发明的另一个目的是提供一种二氧化钛的新应用。
二氧化钛在降低食物镉生物有效性和毒性中的应用。
本发明的另一个目的是提供一种镉生物有效性和毒性降低的食物。
实现上述目的的技术方案如下。
一种镉生物有效性和毒性降低的食物，其添加有膳食成分，所述膳食成分为二氧化钛。
在其中一些实施例中，所述二氧化钛在食物中的添加量为0.4-1.2g/kg食物。
本发明的发明人发现了能有效降低食物中镉生物有效性和毒性的二氧化钛，其可添加于食品中作为膳食因子，从而得到有效降低食物中镉生物有效性和毒性的方法。
在体内活体动物实验中，添加0.4-1.2g/kg的二氧化钛到镉超标食物(煮熟的大米)后，小鼠喂养了混合食物10天后肾脏中Cd生物有效性下降幅度超过30％，显著高于肝脏中Cd生物有效性的下降率(14-17％)。
由此可见，利用本发明所述降低食物中镉生物有效性和毒性的方法不但能补充机体所需的矿质元素无副作用，并能有效降低污染食物中Cd生物有效性，在保障农产品的安全食用和健康风险评价中具有良好的应用前景。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。
下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，例如Sambrook等人，分子克隆：实验室手册(New York:Cold Spring Harbor Laboratory Press,1989)中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件。实施例中所用到的各种常用化学试剂，均为市售产品。
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不用于限制本发明。本发明所使用的术语“和/ 或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明所述的食物主要是指以大米为主要原料开发出来的食品，如大米煮熟的米饭、米粉丝、米糕点、米粉条(如沙河粉)、米酒等等，本发明在其中一些实施例中，以煮熟的大米进行了相关实验。
本发明的一些实施例中，提供了二氧化钛在降低食物中镉生物有效性和毒性中的应用。
二氧化钛表面原子周围缺少相邻的原子，具有不饱和度，易与其他原子结合而稳定下来，对一些金属离子具有很强的吸附能力。在肠道共同消化过程中，二氧化钛对镉产生吸附作用，从而减少了Cd在小鼠肝肾等器官中的积累量。
本发明创造性地将二氧化钛作为膳食因子添加到食品中，用于减低食物中镉生物有效性和毒性，其还具有以下优点：1、二氧化钛等作为食品的着色剂被广泛应用在果酱、可可制品、糖果、固体饮料、果冻、膨化食品等，在适当的添加剂量内对人体无任何副作用。2、能发挥二氧化钛对污染食物中镉离子的竞争或吸附等作用，有效降低食物中镉的生物有效性，减少其在动物体内的累积并降低毒害风险。3.与其他诸如螯合剂疗法治疗Cd中毒相比，应用膳食成分的方法具有成本低、易获得、低毒性、效果好的特点。
体外模拟胃肠消化法或活体动物实验都是广泛应用于评价食物中污染物的生物有效性和安全性的常用方法。体外模拟方法的分析时间短、实验费用低廉、结果重现性好、易于复杂实验的简单化设计,并适合大批量样品的快速测定。本发明将体外模拟胃肠消化法和活体动物实验结合在一起，通过添加二氧化钛这种膳食成分，实现二氧化钛用于降低食物中镉生物有效性和毒性的研究。体外模拟了食物中镉在人体内的迁移转化过程和可吸收程度后，分析膳食成分对模拟胃肠液中镉生物可利用度的影响再通过活体动物实验的验证、分析和评价，形成一种有效降低食物中镉人体生物有效性的技术方法。
以下通过具体实施例，对本发明做进一步的阐述，但不用于限制本发明的保护范围。
实施例1：
应用体外模拟胃肠消化法PBET法对标准溶液(1mg/L)中Cd的溶解度和稻米中Cd的生物可给性进行测定。对添加膳食成分和不添加膳食成分的标准溶液以及稻米均进行体外模拟胃肠消化实验(表1)，以测定其对Cd溶解度和生物可给性的影响。
表1用于体外消化实验中Cd标准溶液和熟米中的膳食成分添加量(mg/30mL 模拟消化胃液)
注：1.HPMC：羟丙基甲基纤维素。
先用标准溶液进行预实验，在没有其他成分的影响下，能够对选定膳食成分进行筛选，很快地确定有效降低Cd生物可给性的膳食成分。
本发明采用的体外模拟胃肠消化法是UnifiedBARGE Method(UBM)。UBM 法一共包括口腔、胃和肠三个模拟阶段，每个阶段的模拟消化液的成分如表2 所示。在口腔消化阶段，9mL口腔消化液被加入到装有0.6g稻米样品的100mL 离心管中，然后快速摇晃10s。在口腔阶段的基础上，加入13.5mL模拟胃液，进入胃消化模拟阶段。用1mol/L的NaOH或37％HCl调节pH到1.2±0.05。在37℃，150rpm条件下摇晃1h并控制pH保持在1.2±0.05。最后，样品放入离心机(Sigma 4-88)，4000rpm/min离心10min，取上清液2mL，过0.45μm 滤膜，使用ICP-MS测定Cd含量。将离心过后的溶液引入肠消化阶段，加入36 mL模拟肠液，用1mol/L的NaOH或37％HCl调节pH到6.3±0.05。在37℃， 150rpm条件下摇晃4h，并控制pH保持在6.3±0.05。同上，将样品放入离心机(Sigma 4-88)，4000rpm min-1离心10min，取上清液2mL，过0.45μm滤膜，使用ICP-MS测定Cd含量。
所用的试剂均购自Sigma公司。
表2 UBM体外实验的试剂组成和相关参数
两种大米均煮熟后，再按表1显示的添加量加入膳食成分，充分混匀，制成颗粒状，冷冻干燥后备用。两种米的实验结果与标准溶液有相似趋势。无水 CaCl2的添加使高Cd米中Cd的生物可给性下降了15％-32％，而对于低Cd米中Cd的生物可给性下降率为24％-32％；此降低效果明显低于标准溶液中CaCl2的效果(94％)，这很可能与大米中其他成分的存在有关。TiO2高低两种剂量均使两种米中Cd的生物可给性下降50％以上。这很可能是TiO2与大米中蛋白结合态的镉相结合形成沉淀，从而使大米中的Cd活性下降。对于高Cd米实验组，无水CaCl2、TiO2以及茶多酚，高低两个不同添加量之间具有p<0.01的显著差异性；而对于低Cd米，TiO2和HPMC高低两个不同添加量之间同样具有p<0.01 的显著差异性。
表3膳食成分的添加对高/低Cd米以及标准溶液中Cd生物可给性的降低效果
注：高Cd米(Cd：1.4mg/kg)，低Cd米(Cd：0.4mg/kg)。不同字母表示同一添加量中不同添加剂之间的比较。
在胃阶段中，各种外源物质对于Cd的溶解度没有显著性影响；在肠阶段中，无水CaCl2和TiO2的存在，使Cd的溶解度分别下降了94％和44％-73％，是效果最为显著的2种膳食成分，而原花青素、儿茶素、茶多酚和大蒜精使Cd的溶解度分别下降了14-16％、11-13％、15-19％和10-14％。这些实验组与未添加外源物质的对照组相比达到了p<0.001的差异显著水平。TiO2和大蒜精的高低两个添加量之间存在p<0.01的差异显著性。
实施例2
通过实施例1，选取钝化效果最好的无水氯化钙、二氧化钛和原花青素进行进一步的活体动物试验。本实施例中的选取污染食物同实施例1，即低Cd稻米和高Cd稻米，其镉含量分别为0.4和1.4mg/kg。两种大米均煮熟后，再按表4显示的添加量加入膳食成分，充分混匀，制成颗粒状，冷冻干燥后备用。
表4混合食物中3种膳食成分的添加量(g/kg大米)
将Balb/C雌性小鼠(约6周龄)置于饲养笼中(温度为22±2℃，12/12h昼夜循环，自由饮水)，给予小鼠专用饲料。适应性喂养7天后，所有小鼠以每笼 3只随机分配到代谢笼中，所有处理重复3次。禁食过夜后，称量小鼠体重，并喂饲表4中准备的混合食物10天并自由饮水。以未经任何处理的稻米喂养小鼠作为对照组，每天准确记录供应和剩余的食物重量。通过多次喂饲把Cd污染大米暴露给小鼠，10天后将小鼠禁食过夜，称重后人道处死，采集肝脏、肾脏和腿骨样本。所有的样本立即置于-80℃冰箱中储存，采集完毕后，用冷冻干燥机对上述样品冷冻干燥至恒重，置于4℃下储存备用。
准确称取0.2g处理后的稻米和小鼠组织样品于消解管中，每管加入5mL 浓硝酸(Sigma公司)，静置过夜，按照GB 5009.268-2016的升温程序用微波消解仪(Anton Paar，Multiwave PRO)进行酸消解，用超纯水(18.2 MΩcm)定容至25mL，混匀备用，通过石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS，analytikJena novAA800，Germany)测定小鼠组织和稻米消解液中Cd的浓度。
表5膳食成分添加下小鼠不同器官中的Cd的含量(μg/kg，DW，Mean±SD， n＝3)
在未添加膳食成分的对照组中，低Cd稻米在肾脏和肝脏中Cd的积累浓度分别为387μg/kg和0.13μg/kg；高Cd稻米中肾脏和肝脏中Cd的积累浓度分别为1.2μg/kg和0.61μg/kg。对于低Cd稻米组，CaCl2的添加对肾脏中Cd积累的抑制效应最好，高低两种添加量下肾脏中的Cd积累浓度分别为0.23μg/kg和0.16 μg/kg。低添加量作用下，TiO2没有使肾和肝中Cd积累量下降，但在高添加量作用下，TiO2比原花青素更明显降低了高和低Cd米组的肾脏中Cd积累浓度(表 5)。
表6膳食成分添加后小鼠肝和肾脏中Cd的相对生物有效性(％)(Mean±SD， n＝3)
注：与对照组相比较，*表示p<0.05,**表示p<0.01.
未添加膳食成分的低Cd米和高Cd米中，基于肝脏和肾脏的Cd相对生物有 效性处于55±2.6％和62±2.8％之间。从表6可知，除低添加量作用于高Cd米组 的肾脏外，二氧化钛显著降低了大米中镉的相对生物有效性。高添加量对基于 肾和肝的两种米的Cd相对生物有效性降低效果略优于低添加量，分别为38.3％ 和47.3％(低Cd米组)以及44.7％和40％(高Cd米组)。对于同一添加量，低 Cd米组肾脏的下降效应比肝脏更强一些，而高Cd米组反之。
表7膳食成分添加后小鼠肝和肾脏中Cd的相对生物有效性的下降率(％， Mean±SD，n＝3)
注：表中不同字母表示同一添加量中不同添加剂之间的比较
由表7可知，CaCl2、TiO2和原花青素对基于肾和肝的Cd相对生物有效性的下降率分别达到3.6-57.9％。氯化钙被公认与镉具有很强的拮抗作用，在大量 Ca存在的情况下由于离子间的竞争作用，跨膜的镉减少，从而降低镉在机体内的吸收和积累。本研究中，尽管TiO2对大米中镉的生物有效性的下降效果稍弱于CaCl2，但其下降幅度分别达到16.1-32.2％(低Cd米组)和13.6-38.5％(高 Cd米组)。TiO2对低Cd米组的肾脏中Cd相对生物有效性的抑制效应强于肝脏，而在高Cd米组中对肝脏的效应较强。高添加量的二氧化钛处理下，基于肾脏和肝脏中Cd相对生物有效性的下降效果比原花青素的处理更为显著，最高的下降率达到38.5％，很大程度上减少了污染大米中超量的镉对机体的毒性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种降低食物中镉生物有效性和毒性的方法，其特征在于，包括在食物中添加有膳食成分，所述膳食成分为二氧化钛。
2.根据权利要求1所述的降低食物中镉生物有效性和毒性的方法，其特征在于，所述二氧化钛在食物中的添加量为0.4-1.2g/kg食物。
3.根据权利要求2所述的降低食物中镉生物有效性和毒性的方法，其特征在于，所述二氧化钛在食物中的添加量为0.4g/kg食物。
4.根据权利要求2所述的降低食物中镉生物有效性和毒性的方法，其特征在于，所述二氧化钛在食物中的添加量为1.2g/kg食物。
5.根据权利要求1-4任一所述的降低食物中镉生物有效性和毒性的方法，其特征在于，所述食物为镉超标的煮熟的大米。
6.二氧化钛在降低食物的镉生物有效性和毒性中的应用。
7.一种镉生物有效性和毒性降低的食物，其特征在于，镉超标的食物中添加有膳食成分，所述膳食成分为二氧化钛。
8.根据权利要求7所述的镉生物有效性和毒性降低的食物，其特征在于，所述二氧化钛在食物中的添加量为0.4-1.2g/kg食物。
9.根据权利要求8所述的镉生物有效性和毒性降低的食物，其特征在于，所述二氧化钛在食物中的添加量为0.4g/kg食物或1.2g/kg食物。
10.根据权利要求7-9任一项所述的镉生物有效性和毒性降低的食物，其特征在于，所述食物为煮熟的大米。
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