我国硒（Se）、锌（Zn）和钙（Ca）生物营养强化研究进展＊

■ 尹雪斌 牛珊珊 赵其国 宋佳平 陈清清 王张民

1.中国科学技术大学地球和空间科学学院 合肥 230026

2.中国科学技术大学苏州高等研究院功能农业重点实验室 苏州 215123

3.山西农业大学山西功能农业研究院 太古 030801

4.南京恒宝田功能农业产业研究院 南京 211800

5.宜春学院生命科学与资源环境学院 宜春 336000

0 引言

“隐性饥饿”是指机体由于营养不平衡或者缺乏某种维生素及人体必需的矿物质，同时又存在其他营养成分过度摄入，从而产生隐蔽性营养需求的饥饿症状，也被称为“第二种饥饿”[1,2]。农业生产过于注重产量，大量使用氮、磷、钾化肥，而忽视对作物尤其是对人体有益矿物质的定量补充，使“隐性饥饿”问题更加显著。由于缺乏与之相关的检测等，“隐性饥饿”现象较容易被忽视，但长期缺乏矿物质则会对人体健康造成不良影响。不但如此，土壤矿物质流失及其生物有效性降低更会造成农产品中矿物质的严重流失。鉴于土壤和农产品中矿物质的流失，“隐性饥饿”问题已成为影响全民健康的主要障碍之一。

人体中含有的各种元素，除了碳、氢、氧、氮等主要以有机物的形式存在以外，其余的60多种元素如钙、镁、钾、钠、硒、锌统称为矿物质。矿物质是人体必需的7 大营养素之一，是构成人体组织和维持正常生理功能不可缺少的成分。人体无法自身产生、合成矿物质，只能通过土壤—农产品—人体链条传递获得所需矿物质。我国土壤矿物质资源分布不均，在缺乏地区种植的农作物等食品中富含的矿物质相应缺乏，人体通过饮食摄入矿物质的含量达不到标准范围。为提高人体中矿物质的含量，需采取一些技术手段使矿物质在人体中发挥最大作用。生物营养强化技术可使作物、蔬菜等食品中的硒、锌、钙等矿物质定量含有，是解决“隐性饥饿”的有效途径。针对这一状况，中国科学院院士赵其国于2008年在《中国至2050年农业科技发展路线图》中提出功能农业概念[3]，旨在通过生物营养强化或基因工程等技术，生产出具有健康改善功能的农产品[4]，补充人体所需营养等。传统农业技术创新主要围绕作物产量、作物健康等方面，而功能农业技术创新则面向人体健康需求、营养元素定量控制、毒害控制、养分高效吸收转化模型等。生物营养强化技术对作物中微量元素的定量控制提出了更高要求，是未来农业的重要发展方向[5]。

1 生物营养强化发展成因分析

1.1 我国Se、Zn、Ca资源分布情况

我国硒、锌、钙等营养元素的资源分布不均。硒在自然界中存在广泛但分布不均，据世界卫生组织报道我国是全球40多个缺硒国家之一。据《中华人民共和国地方疾病与环境因素图集》显示，我国从东北至西南呈现一个条状缺硒地质带，平均含硒量低于0.125mg/kg，包括黑龙江、辽宁、吉林、陕西、甘肃、四川、云南、西藏等22个省、市、自治区[6]。1982年，中科院地理所环境与地方病组首次报道，我国有72%地区属缺硒或低硒地区，2/3的人口存在不同程度的硒摄入不足，其中30%为严重缺硒地区，这些地区大部分食物硒含量低于0.02 mg/kg[7]，这些严重缺硒的地区也正是克山病、大骨节病等地方病的高发区域，由此揭示了硒与人体健康密切相关。我国土壤平均锌含量为100 mg/kg，高于世界土壤平均含锌量。不同类型的土壤含锌量差异较大，变化幅度在3～790 mg/kg 之间[8]。即使是同一类型的土壤，也可能由于成土母质的巨大差异，导致土壤所具有的锌含量存在巨大差异。总体上我国土壤锌含量呈现出南高北低现象，南方的酸性土壤平均锌含量约163 mg/kg，北方的石灰性土壤平均锌含量约78 mg/kg。钙质土在我国松辽平原、内蒙东部、新疆准葛尔盆地北部和西北零星地区都有分布，其主要分布于甘肃、青海、内蒙古、新疆等地区。我国缺钙土壤主要分布在南方酸性红壤和交换率低的砂质土壤。华北、西北及东北西部和东南滨海地区的盐渍土，其pH 多在9 以上，土壤中以钠居多，交换性钙低，有的仅为1 mg/100g 土，易引起作物缺钙。

1.2 我国人体Se、Zn、Ca的缺乏情况

硒是人体必需的微量元素之一，具有抗氧化、抗衰老、增强人体免疫力等作用，硒缺乏导致免疫力下降，易患克山病、大骨节病等[9]。硒生物营养强化是功能农业的重要研究方向之一。中国卫生与健康委员会推荐成人日硒摄入量为60～400 μg/d，而中国72%地区的居民仍处于硒摄入量不足的状态。比如克山病地区人群的硒每日摄入量甚至仅为7～11 μg/d，距最低推荐日摄入量60 μg 相差甚远。锌元素是所有生物生长发育所必需的微量元素，参与几乎所有的人体代谢活动，其在细胞分裂、细胞生长、运输、蛋白质合成、DNA 和RNA 合成、DNA 复制等过程中起着至关重要的作用[10,11]，锌缺乏导致生长发育不良、伤口愈合速度慢、味觉减弱[12]。全球约有17%的人口处于锌缺乏状态[13]，我国成人平均锌摄入量由12.3 mg/d 减少到11.5 mg/d，低于中国营养学会所推荐的12.5 mg/d[14]。农艺措施的锌生物营养强化方法具有不需要改变人群膳食结构的特点[15]，是锌生物营养强化主要运用的方法。钙是人体内最重要的元素之一，参与各种生命活动过程，有“人体生命元素”之称。钙作为骨骼的主要成分，其摄入量标准为800～1200 mg/d。《中国居民营养与健康状况监测报告（2010-2013）》[16]指出，钙的平均摄入量为412.8mg，仅达到推荐摄入量的52%。我国居民普遍缺钙，因此在作物生长过程中进行钙生物营养强化，是解决“隐性饥饿”问题的重要途径。我国居民人均硒、锌、钙摄入量普遍达不到正常范围，而这些营养元素的生理需要量与中毒剂量范围狭窄，因此需要发展功能农业，采用相关技术使人体内营养元素含量处于正常范围，保障人体安全，改善“隐性饥饿”问题。

1.3 政策引领及发展时机

生物营养强化技术是功能农业重点研究方向之一。功能农业作为农业供给侧结构性改革的重要路径，是我国农业农村改革的一大亮点。研究发展功能农业，对于深化农业供给侧结构性改革，助力“质量兴农”与“乡村振兴”战略，重点解决人们矿物质缺乏带来的“隐性饥饿”问题，服务“健康中国”战略都具有十分重大的意义。此外通过大力推进功能农业理念方法、技术规范与产业合作，沿“一带一路”倡议走向世界，功能农业也是实现我国农业换道超车，不断夯实国际领先优势，奠定行业领导地位的技术支撑与有力保障。2017年中央“一号文件”第三部分壮大新产业新业态，第15 条明确提出：“加强现代生物和营养强化技术研究，挖掘开发具有保健功能的食品”，这是功能农业有关表述首次被写入中央“一号文件”。2019年6月17日，国务院下发国发〔2019〕12号文件《关于促进乡村产业振兴的指导意见》中提出：“推进农业与文化、旅游、教育、康养等产业融合，发展创意农业、功能农业”。在功能农业政策引领以及发展时机的双重必要条件下，发展生物营养强化技术以改善微量元素缺乏状态从而解决“隐性饥饿”问题势在必行。由此，南京国家现代农业产业科技创新中心设立了功能农业技术与产品开发项目；中国富硒产业研究院设立了富硒土壤及高含硒岩石分类标准研究项目；广西壮族自治区科技厅设立了广西壮族自治区富硒技术标准与示范重大专项项目；山西省农业厅设立了山西省主要功能作物产业技术研究与示范项目；山西省科技厅设立了山西功能农业共性关键技术研究与示范项目。本文是以上项目的部分研究成果，阐述了生物营养强化技术的发展成因及创新进展，并对未来发展方向进行了展望。

2 实现矿物质营养强化的技术方法

2.1 矿物质形态分析方法

植物对矿物质的吸收具有选择性，大体可以分为植物可利用的和植物不可利用的两类。矿物质被植物吸收后，会转化为多种形态存在，自由离子是植物在吸收矿物质过程中最易被吸收的形态[3]。生物体对矿物质的不同形态的吸收有很大差异。矿物质经人体或动物吸收后，有的形成小分子状态存在，例如：硒就会转化为硒代蛋氨酸、硒代半胱氨酸、甲基-硒代半胱氨酸等；有的矿物质转化为大分子形态，如含硒的多肽、多糖[3]。锌、镁、铁在不同的功能蛋白中作为活性中心，协助蛋白发挥活性功能。矿物质形态分析方法能够实现土壤、农产品、食品和动物体中的从宏量到微量到超痕量元素定量检测，从小分子到大分子形态分析技术，尤其是硒代氨基酸形态分析技术。可利用酶解法结合液相色谱-紫外消解-原子荧光光谱法、高效液相色谱与原子荧光连续使用等方法，分析研究载体中矿物质的形态及含量。

2.2 土壤矿物质生物可利用性评价方法

生物可给性指食物经过消化系统消化后产生可溶解性的营养物质，是生物有效性评价的基础，也是应用最广泛的生物有效性评价参数[17]。土壤矿物质的生物可利用性一直处于动态变化中。以硒为例，硒形态变化如硒甲基化的过程会使硒挥发进入大气，或是转变成可溶态进入水体；微生物矿化过程会使有效硒转换成单质硒，降低硒的生物有效性。这些过程都会影响土壤生物有效硒的动态变化。影响土壤矿物质生物有效性的因素包括土壤pH、Eh、有机质等。人工模拟胃肠法，通过设定合适的条件，包括温度、反应时间、机械搅拌、pH、消化酶等，模拟食物在人体胃肠中消化过程的各种反应，反应结束后测定食物中有效成分在胃肠模拟液中释放出的量，这部分释放到消化液中的营养物质的量与初始加入的总量的比值即为该营养物质的生物可给性。运用人工胃肠模拟实验分析农产品中矿物质的生物可给性，并可对土壤环境质量和农产品安全作出评估。

3 生物营养强化技术研究进展

3.1 六大生物强化策略

生物营养强化是解决“隐性饥饿”问题经济而有效的途径。所谓生物营养强化就是通过育种或栽培手段，提高农产品中能被人体吸收利用的营养元素含量。生物营养强化不同于普通营养强化，因为生物营养强化聚焦在动植物生长过程中富集营养成分，而不是在食品加工过程中人为添加营养成分。

生物营养强化技术的提出者美国农业部首席科学家Gary Bãnuelos 教授和中科大苏州研究院功能农业重点实验室尹雪斌博士，以农作物硒强化为例，共同总结了生物营养强化六大策略：

（1）天然富硒区种植作物；

（2）土壤施用富硒岩石；

（3）土壤施用有机植物硒；

（4）土壤施用硒肥或纳米硒；

（5）作物叶面喷施硒溶液；

（6）作物种子浸泡硒溶液。

3.2 硒生物营养强化研究进展

硒生物营养强化方法包括：生物育种方法，即通过传统的杂交育种法结合基因工程，进行富硒农作物品种选育并进行推广种植，优点是利用作物自身吸收能力实现富硒强化，成本低，不易受外界环境干扰，缺点是育种时间长且强化效率低，硒含量提高不超过30%；喷施硒肥法，即在作物生育期，直接向叶面喷施含硒肥料，利用叶面气孔吸收转化为无机硒，优点是效率高、能大面积快速实现硒强化，缺点是易用受刮风下雨等天气影响，且存在无机硒残留问题，标准化水平及安全性较低；土施硒肥法，即在作物种植土壤内施加硒肥，提高土壤硒含量，进而提高作物硒含量。优点是标准化水平和安全性高，是应用最为广泛的农作物硒强化手段。

3.2.1 农作物硒生物营养强化

Radawiec 等[18]研究了土壤及叶面施用Na2SeO4对小麦籽粒硒含量的影响，结果表明土壤和叶面施硒均显著提高了小麦籽粒硒含量，且叶面施硒的最佳时机为茎伸长期，采用根施和叶面喷施相结合的方式可获得最佳的小麦硒强化效果。Lidon等[19]以Na2SeO3和Na2SeO4为硒肥进行叶面喷施，研究了水稻硒生物营养强化，结果表明相较于Na2SeO4，Na2SeO3更能促进硒在水稻籽粒中的积累，且水稻中硒的积累会对脂肪酸、糖类和蛋白质的积累造成直接影响。已有研究表明，小麦是所有常见作物（小麦、水稻、玉米、大麦、燕麦等）中最有效的硒富集作物[20]。

3.2.2 富硒降镉

镉毒害将对植物造成严重的威胁，镉含量升高会诱导植物体内产生过量的溶解氧（ROS）[21]，ROS 会损害光和器官，从而对植物光合作用造成毒害作用[22]。研究表明外源无机硒能显著缓解植物镉毒害[23]。硒可减少重金属胁迫的不利影响，适宜浓度的硒可以减轻镉毒害从而促进植物生长[24]。在镉污染土壤中施加外源硒可降低土壤中镉的有效性，缓解水稻镉毒害；对土壤中的镉起到钝化作用；抑制水稻根系镉的向上运输并降低籽粒镉的积累；显著提高收获期水稻的光合速率从而提高水稻的地上部生物量和稻谷产量[25]。

3.3 锌生物营养强化研究进展

3.3.1 小麦籽粒锌生物营养强化

小麦籽粒中锌的有效性是人类锌摄入的重要途径[26]。植酸极大程度上会影响小麦籽粒中的锌含量，是由于其分子中的磷酸基与锌的紧密结合将降低锌的溶出率；而磷酸基的数目又影响肌醇磷酸酯与锌的结合能力，磷酸基数目的减少伴随着这种结合能力的减弱[26]。王张民等[26]研究表明，拔节期土壤施锌可提高小麦籽粒中锌的生物有效性，具体表现为随着锌肥用量的提高，小麦籽粒中的锌含量显著上升而植酸含量呈现小幅下降趋势。Wang 等[27]通过田间试验研究了施锌对小麦锌积累和植酸（PA）含量的影响，结果表明当土壤锌肥施用量为300 kg/ha ZnSO4·7H2O 时，小麦的锌生物营养强化效果最显著。另外，当小麦籽粒中的锌含量增加到60 mg/kg 以上时，植酸浓度及PA/Zn 摩尔比显著降低。因此，农作物产品中锌的生物有效性可用植酸与锌的摩尔比进行评价[28,29]。

3.3.2 水稻锌生物营养强化

水稻是我国最重要的粮食作物之一，全国大约有2/3 的居民以大米作为主食[30]，对水稻进行锌的生物营养强化，可显著改善“隐性饥饿”问题。水稻是锌的敏感作物，其生理特征和营养品质很大程度上受到土壤有效锌水平的影响[31,32]。赵丽等[30]通过土壤追施锌肥研究了水稻植株锌累积的情况，研究结果表明，土壤追施锌肥可显著增加水稻植株锌的积累，且在一定程度上提高水稻籽粒中锌的含量和积累量；同时研究表明，灌浆期是通过土壤追肥达到水稻籽粒富锌的关键时期。

3.3.3 大蒜锌生物营养强化

蒜是百合科葱属植物[33]，其全株可食且营养美味，富含微量营养素且对锌有很好的耐受性[34,35]。以蒜为载体进行锌的生物营养强化，可为富锌产品的产业化提供科学依据。潘斐等[36]研究表明，蒜的锌生物营养强化可以提高其锌含量，且不同组织锌含量增长有差异，施锌后各组织锌赋存形态也会发生改变，同时体外胃肠模拟实验表明可提高鳞茎的锌营养品质。

3.4 钙生物营养强化研究进展

Imperio 等[37]研究了不同叶类蔬菜的钙生物营养强化，发现钙生物强化不影响草酸含量，菊苣中钙的生物有效性最高，该研究利用体外消化法评价钙的生物可给性并取得了良好的效果。叶类蔬菜是钙元素的重要饮食来源，也是钙生物营养强化的重要对象之一。

4 结语与展望

矿物质含量缺乏导致的“隐性饥饿”问题，越来越引起人们的关注。通过生物营养强化技术，可使动植物、蔬菜、水果等人体主要食品中的矿物质定量含有。硒、锌、钙的生物营养强化已取得一定程度的进展，使农作物、蔬菜等食品中定量富含硒、锌、钙，在不改善人体膳食结构的基础上，可满足人体对矿物质的需求。建设“功能农业科技园”，完善功能农业标准化体系、发展功能产品个性化设计、运用智慧化技术调控及监测、促进技术融合集成运用，推动功能农业快速发展。加强生物营养强化技术发展，生产及推广功能产品，如富硒稻米等，有助于改善“隐性饥饿”问题，提高人体健康水平，符合我国健康老龄化战略。

4.1 标准化

功能农业属于我国牵头推动的原始创新领域，在其标准化方面我国也应率先布局，包括功能农业标准体系、认证与监管体系、法律法规体系等方面，保障功能农业有序发展。硒、锌、钙等营养元素的生物营养强化是功能农业发展的一个重要方向，也应建立相应的标准体系，推动矿物质生物营养强化产品的产业持续稳步发展。我国市场上富硒、锌、钙等营养元素的功能产品名目繁多，而这些营养元素又具有两面性的特点，因此为了使功能成分含量标准化，需要逐步制定功能农业标准体系和认证体系。此外，还需要建立产地环境标准、种植生产技术规程、检测标准、产品标准等，确保硒、锌、钙等生物营养强化产品满足人类需求，符合健康标准，有助于改善“隐性饥饿”。

4.2 个性化

中国居民的膳食营养结构不平衡是影响国民健康的重要因素，随着经济的发展，越来越多的人开始关注食品营养、身体健康，注重个性化食品的开发。戴小枫团队[38]提出食品3D 打印技术与食品营养学科结合，某些食品原料由于味道比较特殊，不被食用者接收，可通过食品3D 打印的手段，将各种不同的原料进行配置，调整食品风味，同时利用3D 打印成型的方式丰富食品的外观和色泽，增强食欲。对于硒、锌、钙等营养元素缺乏的人群，可以通过食品3D 打印，针对性的制定特殊膳食食品或食谱，实现精准营养食品的个性化定制。也可针对不同人群，例如婴幼儿、老年人、糖尿病人等特定人群，开发特殊的富有营养元素的食品。开发不同人群或个性化营养需求食品，将实现对团体人群或个性化精准营养的配餐供应，为营养健康食品产业带来新革命。

4.3 智慧化

硒、锌、钙等营养元素生物强化的产品开发过程中，需对产品生产的一系列流程进行智慧化掌控，以确保其营养元素含量、产品质量、经济效益和环境效益等满足人类要求。功能产品生产过程中进行精准调控，如根际精准给肥、缓控释肥等技术；收储过程进行精准收割、精准储存管理等技术。建立人工胃肠模拟系统，研究功能营养成分在人体内的吸收转化情况，探寻食品中功能成分与人体健康效应之间的关系。将物联网、大数据、云计算、远程监控、全程可追溯等智慧化技术应用于生产开发的全过程，通过智慧化方式生产更加便捷、精准、优质的功能产品。

4.4 技术集成化

技术集成是将产业全链条涉及的技术、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理。硒、锌、钙等生物强化过程紧紧围绕“岩石—土壤—肥料—作物（动物）—食品—人体”这一科学创新链条，其研究和产业链条从岩石、土壤、肥料，到植物、动物，并延伸到产品的加工，以及后续的有效性、安全性等方面，因此需将矿物质形态技术、土壤技术、精准农业技术、分子生物技术、环境效应评估技术、栽培技术、功能农业技术、产品加工技术、快速检测技术、智慧化技术、大数据分析技术、人工智能（AI）技术等多种技术集成使用，促进功能农业产业发展。

4.5 建设“功能农业科技园”

提高营养元素含量，改善“隐性饥饿”问题，需要以完整的标准体系、独特的个性设计、先进的智慧掌控、庞大的技术集成4大方面为抓手，促进功能农业产业发展。建议建设“功能农业科技园”，集体系建设、科技研发、产品生产、产品销售和运营服务为一体的高新技术园区。针对功能农业发展需求，建立标准系统、土壤管理系统、矿物质形态检测系统、精准调控系统、精准化管理与服务系统、管理技术统一的数据库和统一的技术支撑的综合信息服务管理平台等，集成各技术、要素，开展融合发展，更好的促进功能农业产业发展。