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文档简介

维生素和矿物质欢迎参加《维生素和矿物质》课程。这门课程将全面介绍人体必需的各种维生素和矿物质,包括它们的化学结构、生理功能、食物来源、缺乏症状以及在食品加工和贮藏过程中的变化。通过本课程的学习,您将了解这些微量营养素对人体健康的重要性。维生素和矿物质虽然在膳食中占比很小,但它们在维持人体正常生理功能方面扮演着不可替代的角色。本课程将带您深入了解这些"微小而重要"的营养素。课程目标理解基础知识掌握维生素和矿物质的基本概念、分类方法和生化特性,建立完整的知识框架了解生理功能详细了解各种维生素和矿物质在人体内的生理功能及其代谢过程识别食物来源能够识别各种维生素和矿物质的主要食物来源,掌握合理膳食搭配的方法认识健康影响理解维生素和矿物质缺乏或过量对人体健康的影响,以及在食品加工和贮藏过程中的变化规律维生素概述什么是维生素?维生素是一类在人体内不能合成或合成量不足,必须从食物中获取的有机化合物。它们以微量形式存在,但对维持人体正常生理功能至关重要。维生素不能提供能量,但参与调节能量代谢和其他重要的生化反应,是辅酶或前体物质。维生素的历史1912年,波兰生化学家卡西米尔·冯克首次提出"维生素"概念,描述可预防脚气病的物质。之后科学家陆续发现了多种维生素,并阐明了它们的化学结构和生理功能。维生素的研究历史揭示了营养学与多种疾病之间的密切关系,推动了现代营养学和医学的发展。维生素的分类水溶性维生素溶于水,不易在体内储存,需要定期摄入脂溶性维生素溶于脂肪,可在体内储存,随脂肪吸收化学结构差异结构决定溶解性,影响吸收和代谢方式功能互补不同类别的维生素发挥互补作用,共同维持健康维生素根据溶解性主要分为水溶性和脂溶性两大类。水溶性维生素包括维生素C和B族维生素,这类维生素易溶于水,多余的部分会通过尿液排出体外。脂溶性维生素包括维生素A、D、E和K,它们需要与脂肪一起吸收,并可在肝脏和脂肪组织中储存较长时间。脂溶性维生素简介共同特点溶于脂肪,不溶于水需要胆汁盐和膳食脂肪协助吸收可在体内储存,主要在肝脏和脂肪组织过量摄入可能导致毒性反应主要种类维生素A:视觉、生长和免疫功能维生素D:钙磷代谢和骨骼健康维生素E:抗氧化保护维生素K:血液凝固代谢特点吸收率受多种因素影响肝脏在代谢中起关键作用大多数通过胆汁排泄摄入量应适中,避免过量维生素A:结构和功能化学结构维生素A是一组包括视黄醇(动物源性维生素A)和类胡萝卜素(植物性前体)的化合物。它们具有特征性的环己烯环和异戊二烯侧链结构。β-胡萝卜素是最常见的前体,在体内可转化为视黄醇,转化效率约为12:1。生理功能视觉:形成视紫红质,参与暗适应细胞分化:维持上皮组织正常分化生长发育:促进骨骼生长和细胞增殖免疫功能:增强免疫系统对抗感染生殖功能:维持正常生殖能力维生素A的食物来源和缺乏症动物性食物来源动物肝脏是维生素A含量最丰富的食物,此外鱼肝油、蛋黄、全脂乳制品也含有较多的视黄醇形式的维生素A。这些食物中的维生素A直接以活性形式存在,吸收利用率高。植物性食物来源深绿色和橙黄色蔬果如胡萝卜、南瓜、红薯、菠菜、芒果等富含β-胡萝卜素等类胡萝卜素,在体内可转化为维生素A。植物来源的维生素A前体需要在体内转化,利用率较低。缺乏症状维生素A缺乏可导致夜盲症(暗适应能力下降)、眼部干燥(干眼病)、皮肤角化过度(毛囊角化症)、生长发育迟缓、免疫力下降。严重缺乏可导致角膜软化和失明,特别是在发展中国家儿童中较为常见。维生素D:结构和功能皮肤合成皮肤中的7-脱氢胆固醇在紫外线照射下转化为维生素D3前体肝脏羟化维生素D在肝脏中经25-羟化酶作用转化为25-羟维生素D肾脏活化25-羟维生素D在肾脏中进一步羟化为1,25-二羟维生素D(活性形式)生理作用促进小肠钙磷吸收,维持血钙水平,促进骨骼矿化,参与细胞分化和免疫调节维生素D的食物来源和缺乏症食物来源天然食物中维生素D含量较少。主要来源包括:脂肪鱼类:鲑鱼、沙丁鱼、鲭鱼鱼肝油:含量最丰富的食物来源蛋黄:含少量维生素D强化食品:牛奶、植物奶、橙汁、谷物阳光是最重要的来源,皮肤在阳光照射下可合成维生素D。缺乏症状维生素D缺乏的主要表现:儿童:佝偻病(骨骼软化、弯曲、生长迟缓)成人:骨质软化症(骨痛、肌肉无力)老年人:骨质疏松加剧,易发生骨折其他:免疫功能下降,易感染高危人群包括室内工作者、日晒少的北方居民、肤色深的人、素食者和老年人。维生素E:结构和功能抗氧化作用维生素E是人体最重要的脂溶性抗氧化剂,可保护细胞膜免受自由基的氧化损伤。作为链断裂抗氧化剂,它能够中断脂质过氧化反应链,防止不饱和脂肪酸被氧化。细胞膜稳定维持细胞膜的完整性和流动性,稳定细胞膜结构。参与细胞膜上电子传递系统的调节,影响细胞呼吸和能量代谢过程。基因表达调控参与调节特定基因的表达,影响细胞信号传导和增殖分化过程。维生素E及其代谢产物可通过多种信号通路调节转录因子活性。维生素E的食物来源和缺乏症维生素E主要存在于植物油(小麦胚芽油、葵花籽油、橄榄油)、坚果(杏仁、榛子)、种子(葵花籽、南瓜籽)、绿叶蔬菜和鳄梨中。由于其广泛存在于多种食物中,纯粹的维生素E缺乏症在健康人群中非常罕见,通常仅见于脂肪吸收不良患者。维生素E缺乏症状包括神经肌肉功能障碍、溶血性贫血、免疫功能下降和氧化应激增加。早产儿因体内储备低而易发生缺乏,表现为溶血性贫血。维生素K:结构和功能凝血功能维生素K最重要的生理功能是参与血液凝固因子的合成,包括凝血因子II、VII、IX和X。它通过催化这些蛋白质中谷氨酸残基的γ-羧基化反应,使其能够与钙离子结合并发挥凝血作用。骨骼健康参与骨骼蛋白质如骨钙素的γ-羧基化,影响骨矿物质的形成和调节。维生素K充足与骨密度增加和骨折风险降低相关。心血管健康通过调节基质Gla蛋白的活性,抑制血管钙化,维持血管弹性。研究表明维生素K摄入与心血管疾病风险可能存在负相关。细胞信号传导参与细胞增殖、凋亡和氧化应激反应的调节。研究显示维生素K在细胞分化和信号通路中发挥多种作用。维生素K的食物来源和缺乏症维生素K形式维生素K主要有两种天然形式:植物来源的维生素K1(叶绿醌)和细菌合成的维生素K2(甲萘醌)。此外还有合成形式维生素K3(甲萘醌)用于医疗目的。维生素K2在人体内的生理活性高于K1,对骨骼和心血管健康的影响也更显著。食物来源维生素K1:深绿色叶菜(羽衣甘蓝、菠菜、绿色生菜)、西兰花、抱子甘蓝、植物油维生素K2:发酵食品(纳豆、奶酪、酸菜)、动物内脏、蛋黄肠道细菌也能合成一部分维生素K2缺乏症状维生素K缺乏最明显的症状是出血倾向增加,包括牙龈出血、皮下出血点、鼻出血和消化道出血。新生儿因肠道菌群未建立和胎盘传递有限,容易发生维生素K缺乏性出血病,可通过出生后注射维生素K预防。长期使用广谱抗生素、脂肪吸收不良和肝脏疾病患者是成人中的高危人群。水溶性维生素简介溶解特性溶于水不溶于脂肪,烹饪过程中易流失,体内不易储存,多余部分通过尿液排出代谢特点多数作为辅酶参与代谢过程,需要定期补充,过量摄入毒性较低主要种类维生素C和B族维生素(B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9、B12)生理功能参与能量代谢、神经传导、红细胞生成、DNA合成、抗氧化防护等多种生理过程维生素C:结构和功能抗氧化保护清除自由基,保护细胞免受氧化损伤胶原蛋白合成促进羟脯氨酸形成,维持结缔组织完整性免疫功能增强促进白细胞活性,增强抗感染能力促进铁吸收将Fe³⁺还原为Fe²⁺,提高非血红素铁吸收率维生素C(抗坏血酸)是一种六碳化合物,含有烯二醇结构,这赋予了它强大的抗氧化和还原能力。人类和少数几种动物(如豚鼠)缺乏L-古洛糖内酯氧化酶,无法自身合成维生素C,必须从食物中获取。维生素C在体内还参与多种羟化反应,包括胆固醇转化为胆汁酸和神经递质合成过程。维生素C的食物来源和缺乏症维生素C主要存在于新鲜水果和蔬菜中。柑橘类水果(橙子、柚子、柠檬)、猕猴桃、草莓、红辣椒、西兰花、番石榴和木瓜都是极佳的维生素C来源。然而,维生素C极易受热、光、氧气和金属离子的影响而被破坏,因此长时间烹饪或储存会导致其含量显著下降。维生素C缺乏会导致坏血病,表现为牙龈出血、皮下出血、伤口愈合缓慢、关节疼痛和疲劳。严重缺乏还可能导致毛细血管脆性增加、肌肉萎缩和贫血。现代社会中严重的坏血病已经罕见,但亚临床缺乏仍然存在于某些人群中,特别是吸烟者、酗酒者和饮食单一人群。B族维生素概述维生素别名主要功能主要食物来源维生素B1硫胺素糖代谢、神经功能全谷物、豆类、瘦肉维生素B2核黄素能量产生、抗氧化奶制品、肉类、绿叶蔬菜维生素B3烟酸能量代谢、DNA修复肉类、鱼类、花生维生素B5泛酸辅酶A合成广泛存在于食物中维生素B6吡哆醇氨基酸代谢、造血鱼、家禽、土豆维生素B7生物素碳水化合物代谢蛋黄、坚果、豆类维生素B9叶酸DNA合成、细胞分裂绿叶蔬菜、豆类、肝脏维生素B12钴胺素神经功能、造血动物性食品维生素B1:结构和功能碳水化合物代谢维生素B1以焦磷酸硫胺素(TPP)形式作为糖代谢关键酶的辅酶,包括丙酮酸脱氢酶复合体和α-酮戊二酸脱氢酶复合体,参与葡萄糖氧化和能量生成。神经系统功能参与神经递质的合成,维持神经细胞的正常功能,对神经系统发育和功能至关重要。维生素B1缺乏与多种神经系统疾病相关,包括干性和湿性脚气病。心血管健康维持心肌细胞能量代谢,对心脏功能有重要影响。严重缺乏可导致湿性脚气病,表现为心脏扩大、心力衰竭和外周水肿。维生素B1的食物来源和缺乏症主要食物来源全谷物和强化谷物:糙米、燕麦、全麦面包豆类:豌豆、黑豆、扁豆坚果和种子:葵花籽、松子瘦肉:特别是猪肉鱼类:金枪鱼、鲑鱼等烹饪过程中维生素B1较易流失,精细加工的谷物中含量大幅降低。缺乏症及高危人群维生素B1缺乏可导致脚气病,主要表现为:干性脚气病:周围神经炎、肌肉萎缩、感觉异常湿性脚气病:心脏扩大、心力衰竭、水肿威尼克-科萨科夫综合征:记忆丧失、意识混乱高危人群包括:酗酒者、饮食单一者(如精白米为主食)、长期呕吐或腹泻患者、长期使用利尿剂者、透析患者和孕妇。维生素B2:结构和功能能量产生维生素B2以黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和黄素单核苷酸(FMN)形式作为辅酶,参与三羧酸循环、电子传递链和脂肪酸氧化等能量产生过程中的氧化还原反应。抗氧化作用作为谷胱甘肽还原酶辅酶,帮助维持细胞内谷胱甘肽水平,保护细胞免受氧化损伤。维生素B2还参与其他抗氧化酶系统如超氧化物歧化酶的辅助过程。其他维生素代谢参与维生素B6和叶酸活化过程,将这些维生素转化为生物活性形式。维生素B2缺乏可能导致其他B族维生素的功能性缺乏。维生素B2的食物来源和缺乏症食物来源奶制品:牛奶、酸奶、奶酪肉类:肝脏、肾脏等内脏蛋类:全蛋特别是蛋白绿叶蔬菜:菠菜、羽衣甘蓝全谷物:强化谷物和面粉蘑菇类:各种食用菌稳定性和吸收对热稳定,烹饪损失较少对光敏感,需避光保存碱性环境下易被破坏空腹时吸收率最高吸收部位在小肠上部缺乏症状口角炎:嘴角开裂疼痛舌炎:舌头肿胀、发红角膜血管化:眼部不适皮炎:油脂分泌部位皮肤发红、脱屑贫血:伴随其他B族维生素缺乏光敏感:增加对光的敏感性维生素B3(烟酸):结构和功能1DNA修复与合成作为NAD和NADP的组成部分,参与多种DNA修复酶的活性调节能量代谢参与糖、脂肪和蛋白质代谢的氧化还原反应3血脂调节高剂量时可降低血液中的低密度脂蛋白胆固醇和甘油三酯水平维生素B3存在两种主要形式:烟酸(nicotinicacid)和烟酰胺(nicotinamide)。两者在体内都可转化为辅酶形式:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)。这些辅酶在体内参与300多种酶促反应,是能量代谢和细胞修复的关键组成部分。人体可以通过色氨酸代谢途径合成一定量的烟酸,但这种转化效率较低(约60:1),因此仍需从食物中获取足够的维生素B3。维生素B3的食物来源和缺乏症动物性食物来源肉类(特别是禽肉如鸡肉、火鸡)、鱼类(金枪鱼、三文鱼)和动物内脏是维生素B3的丰富来源。这些食物中的烟酸生物利用度高,直接以活性形式存在,容易被人体吸收利用。植物性食物来源花生、蘑菇、全谷物(特别是强化谷物)也含有一定量的维生素B3。豆类含有色氨酸,可在体内转化为烟酸。咖啡和茶也是一些人群烟酸摄入的重要来源。缺乏症状严重缺乏导致糙皮病(pellagra),特征是"3D"症状:皮炎(dermatitis),腹泻(diarrhea)和痴呆(dementia),严重时可致死(death),形成"4D"。皮炎通常出现在暴露于阳光的部位,呈对称性分布。维生素B5(泛酸):结构和功能辅酶A合成泛酸是辅酶A(CoA)的关键组成部分,为"万能辅酶"脂肪代谢参与脂肪酸合成和分解,影响胆固醇和甾体激素生成糖代谢通过辅酶A参与糖酵解和三羧酸循环能量产生蛋白质修饰参与蛋白质乙酰化修饰,影响基因表达调控维生素B5的食物来源和缺乏症100%食物普遍性几乎所有食物中都含有泛酸,名称源自希腊语"pantothen"(到处都是)5x含量差异动物性食品中含量通常是植物性食品的5倍50%加工损失食品精细加工和冷冻过程中可损失约一半泛酸维生素B5最丰富的食物来源包括动物内脏(肝、肾)、蛋黄、蘑菇、鳄梨、全谷物、豆类和坚果。由于其广泛存在于天然食物中,纯粹由饮食导致的泛酸缺乏症在健康人群中极为罕见。泛酸缺乏主要在严重营养不良或使用拮抗剂的实验条件下观察到,症状包括疲劳、抑郁、上呼吸道感染、肠胃不适、肢体麻木和肌肉痉挛。泛酸也被用作膳食补充剂,据称对缓解关节炎症状、促进伤口愈合和减轻压力有益,但这些效果需要更多研究验证。维生素B6:结构和功能4氨基酸代谢维生素B6作为磷酸吡哆醛(PLP)形式参与氨基酸转氨基作用、脱羧和代谢神经递质合成参与多种神经递质如血清素、多巴胺、γ-氨基丁酸(GABA)的合成血红素合成作为δ-氨基酮戊酸合成酶的辅酶,参与血红素合成的首要步骤免疫功能调节免疫细胞发育和活性,维持免疫系统正常功能维生素B6的食物来源和缺乏症食物来源维生素B6广泛存在于多种食物中,主要来源包括:动物性食品:鱼类(金枪鱼、三文鱼)、禽肉(鸡肉、火鸡)、猪肉、牛肝植物性食品:香蕉、鳄梨、土豆、红薯、胡萝卜坚果和种子:核桃、榛子、葵花籽豆类:鹰嘴豆、扁豆全谷物:糙米、燕麦维生素B6对热、酸和碱较稳定,但对光和氧化剂敏感。缺乏症状维生素B6缺乏可导致多种症状:皮肤病变:脂溢性皮炎、口角炎神经系统症状:周围神经炎、抑郁、混乱贫血:小细胞性贫血免疫功能下降:抗体产生减少惊厥:特别是婴幼儿高危人群包括酗酒者、肾脏疾病患者、自身免疫性疾病患者和长期使用维生素B6拮抗剂药物(如异烟肼)的人群。值得注意的是,长期大剂量补充维生素B6(通常>100mg/天)可能导致感觉神经病变,表现为手脚麻木和疼痛。维生素B7(生物素):结构和功能羧化酶辅酶生物素作为四种关键羧化酶的辅酶,包括丙酰辅酶A羧化酶、乙酰辅酶A羧化酶、3-甲基巴豆酰辅酶A羧化酶和丙酮酸羧化酶。这些酶催化二氧化碳的固定,对糖异生、脂肪酸合成和氨基酸代谢至关重要。基因表达调控生物素通过影响组蛋白的生物素化修饰,参与调控基因表达。生物素还可能通过影响转录因子活性,调节胰岛素和糖异生相关基因的表达,影响血糖稳态。皮肤和毛发健康生物素对维持健康的皮肤、头发和指甲至关重要,缺乏时会导致这些组织的结构异常。虽然生物素被广泛用作促进头发和指甲生长的补充剂,但其对健康人群这方面的益处尚缺乏充分科学证据。维生素B7的食物来源和缺乏症食物来源生物素存在于多种食物中,含量最丰富的包括蛋黄、肝脏、坚果(尤其是杏仁)、花生、全谷物、香蕉和鳄梨。大多数食物中的生物素以蛋白质结合形式存在,需要在消化过程中被释放才能被吸收。肠道细菌也能合成部分生物素,对人体生物素状态有所贡献。抗生物素因子生鸡蛋中含有一种蛋白质叫做卵白素(avidin),它能强烈结合生物素并阻止其被吸收。因此长期大量食用生鸡蛋白可能导致生物素缺乏。烹饪会使卵白素失活,因此熟鸡蛋不会产生这种问题。某些药物如抗惊厥药物和抗生素可能干扰生物素的吸收或利用。缺乏症状生物素缺乏相对罕见,主要见于长期食用生鸡蛋白、长期肠外营养或特定遗传疾病患者。缺乏症状包括皮炎(特别是面部周围脂溢性皮炎)、脱发、指甲脆弱、贫血、抑郁、肌肉疼痛和感觉异常。婴儿可能表现为发育迟缓、肌肉张力低下和免疫功能受损。维生素B9(叶酸):结构和功能胎儿发育预防神经管缺陷2DNA合成与修复核苷酸合成和甲基化反应造血功能促进红细胞生成和成熟心血管健康降低同型半胱氨酸水平维生素B9(叶酸或叶酸盐)是一种由蝶啶、对氨基苯甲酸和谷氨酸组成的水溶性维生素。在体内,叶酸以四氢叶酸(THF)形式作为单碳单位的载体,参与称为"单碳代谢"的生化过程。这一过程对DNA合成、修复和甲基化至关重要,影响基因表达和稳定性。叶酸与维生素B12协同作用,参与甲硫氨酸循环,维持正常的同型半胱氨酸水平,对心血管健康有重要影响。维生素B9的食物来源和缺乏症叶酸名称源自拉丁语"folium"(叶子),因其在绿叶蔬菜中丰富存在。最佳食物来源包括深绿色叶菜(菠菜、羽衣甘蓝)、芦笋、西兰花、柑橘类水果、豆类、全谷物和肝脏。许多国家实施谷物强化计划,添加合成叶酸到面粉和谷物产品中,以降低神经管缺陷发生率。叶酸缺乏主要表现为巨幼红细胞性贫血,特征是大而不成熟的红细胞,伴随疲劳、虚弱、头晕和呼吸困难。孕早期叶酸缺乏会增加胎儿神经管缺陷风险,如脊柱裂和无脑儿。慢性缺乏还与认知功能下降、情绪障碍和心血管疾病风险增加相关。高危人群包括孕妇、酗酒者、吸烟者、老年人和肠道吸收障碍患者。维生素B12:结构和功能1DNA合成作为甲基转移反应的辅酶,参与DNA合成和细胞分裂神经系统健康维持神经髓鞘完整性,对神经信号传导和认知功能至关重要造血功能与叶酸协同作用,促进红细胞成熟和分化4同型半胱氨酸代谢参与将同型半胱氨酸转化为甲硫氨酸,降低心血管疾病风险维生素B12的食物来源和缺乏症食物来源肉类:牛肉、羊肉、猪肉海鲜:贝类、鱼类特别是沙丁鱼蛋类:全蛋特别是蛋黄奶制品:牛奶、酸奶、奶酪强化食品:植物奶、早餐谷物发酵豆制品:部分味增、酱油维生素B12几乎不存在于非强化植物性食品中。吸收过程胃内酸性环境释放B12胃壁细胞分泌内因子B12与内因子结合形成复合物复合物在回肠末端特异性吸收转铁蛋白运输至肝脏储存肝脏储存量可维持3-5年缺乏症状恶性贫血:大细胞性贫血神经系统症状:麻木、刺痛平衡问题和协调障碍认知障碍:记忆力下降、抑郁疲劳和体重下降舌炎和消化不良素食者、严格素食者、老年人和胃肠手术患者是高风险人群。维生素在食品加工中的变化热处理影响烹饪、消毒、巴氏杀菌等热处理过程可导致维生素破坏。水溶性维生素如维生素C和B族维生素特别容易受热破坏,高温长时间处理损失更严重。维生素C在烹饪过程中损失可高达50-80%。水溶性维生素流失水煮、焯水、浸泡等过程会导致水溶性维生素溶出到烹饪水中。蔬菜水煮可导致B族维生素和维生素C大量流失,如果弃去烹饪水,这些维生素将完全丢失。蒸煮和微波烹饪比水煮保留更多水溶性维生素。氧化破坏切割、打碎、搅拌等加工方式增加食物与氧气接触面积,加速维生素氧化分解。维生素C、A、E和某些B族维生素对氧化特别敏感。光照影响紫外线和可见光会破坏某些维生素,尤其是核黄素(B2)、维生素A和维生素D。牛奶在透明瓶中暴露于光线下会快速损失核黄素,这也是牛奶通常使用不透明包装的原因之一。维生素在食品贮藏中的变化温度因素温度是影响维生素稳定性的关键因素。贮藏温度每升高10°C,维生素分解速率可能增加2-5倍。长期室温储存会导致多种维生素显著损失,尤其是维生素C和某些B族维生素。冷藏可显著减缓维生素降解速率,但不能完全阻止。冷冻虽然可进一步减缓破坏速度,但冻结和解冻过程中细胞破裂也会加速某些维生素的损失。时间影响贮藏时间越长,维生素损失越多。新鲜水果蔬菜在采摘后维生素含量会逐渐降低,尤其是维生素C。刚采摘的绿叶蔬菜:最高维生素含量冷藏1周:可能损失10-15%维生素C冷藏2周:可能损失20-30%维生素C室温存放3天:可能损失30-50%维生素C包装和气调包装材料和方式可显著影响维生素保留。真空包装:减少氧气接触,保护氧敏感维生素气调包装:低氧高二氧化碳环境延缓氧化防光包装:保护光敏感维生素如B2和维生素A抗氧化剂添加:如维生素C可保护其他维生素水活度控制和pH调节也会影响维生素稳定性,不同维生素在不同pH下稳定性各异。矿物质概述基本定义矿物质是存在于地壳中的无机元素,通过土壤和水进入植物,再通过食物链进入动物和人体。与维生素不同,矿物质不能被生物体合成,必须从外界环境获取。矿物质在体内以离子形式存在,参与多种生理功能。生理功能矿物质在人体中发挥多种重要功能,包括构成骨骼和牙齿(钙、磷)、维持体液电解质平衡(钠、钾)、参与酶的活性(锌、铜)、氧气运输(铁)、神经传导(钙、镁)和激素合成(碘、硒)等。不同矿物质间常存在相互作用,体内平衡至关重要。吸收和代谢矿物质的吸收受多种因素影响,包括饮食中的促进剂和抑制剂、肠道健康状况、年龄和生理需求。不同矿物质有不同的吸收机制和吸收部位。与维生素相比,矿物质更稳定,不易在食品加工和贮藏过程中被破坏,但可能因溶出而流失。矿物质的分类微量元素每日需要量小于100毫克常量元素每日需要量大于100毫克必需矿物质人体无法合成,必须从食物中获取矿物质根据人体需要量主要分为常量元素和微量元素两大类。常量元素包括钙、磷、钾、钠、氯、镁和硫,这些元素在体内含量较高,每日需求量通常大于100毫克。它们主要参与骨骼构成、维持电解质平衡和调节细胞功能。微量元素包括铁、锌、铜、锰、碘、硒、钼、铬、钴等,虽然每日需求量很少(低于100毫克),但对维持人体健康至关重要。微量元素主要作为酶系统的组成部分或辅助因子,参与多种代谢过程。某些元素如砷、镍、硅、硼等被称为超微量元素,其必需性和生理功能尚在研究中。常量元素和微量元素分类元素每日需要量主要功能常量元素钙(Ca)1000-1200mg骨骼、肌肉收缩、神经传导磷(P)700mg骨骼、能量代谢、DNA构成钾(K)3500-4700mg体液平衡、神经传导、肌肉功能钠(Na)1500mg体液平衡、神经传导、肌肉收缩氯(Cl)2300mg胃酸形成、体液平衡镁(Mg)310-420mg能量产生、蛋白质合成、骨骼硫(S)未确定蛋白质结构、解毒微量元素铁(Fe)8-18mg氧气运输、能量代谢锌(Zn)8-11mg免疫功能、蛋白质合成、DNA合成铜(Cu)900μg造血、神经功能、结缔组织形成碘(I)150μg甲状腺激素合成硒(Se)55μg抗氧化、免疫功能锰(Mn)1.8-2.3mg抗氧化、骨骼发育、代谢钙:功能和代谢结构功能钙是人体含量最丰富的矿物质,99%存在于骨骼和牙齿中,形成羟基磷灰石晶体,提供结构支撑和硬度肌肉收缩钙离子是肌肉收缩的关键触发因子,通过与肌钙蛋白结合使肌动蛋白与肌球蛋白结合位点暴露,引发肌肉收缩神经传导钙离子参与神经冲动传导和神经递质释放,维持正常的神经系统功能血液凝固参与凝血级联反应,是多种凝血因子活化的必要条件钙的食物来源和缺乏症乳制品来源乳制品是最佳的钙来源,包括牛奶、酸奶、奶酪等。这些食物中的钙生物利用度高,每100克提供约120-200毫克钙。低脂和脱脂乳制品含钙量与全脂产品相当。发酵乳制品如酸奶和某些奶酪可能更易于消化,特别是对乳糖不耐受人群。植物性来源绿叶蔬菜中钙含量丰富,特别是低草酸含量的如小白菜、芥菜、羽衣甘蓝、西兰花。豆腐(用钙盐制作)、杏仁、芝麻和强化食品(植物奶、果汁、谷物)也是良好的钙来源。然而,植物性食物中的钙吸收率通常低于乳制品,部分原因是植酸和草酸的存在。缺乏症状钙摄入不足初期可能无明显症状,因为人体会动员骨骼中的钙维持血钙水平。长期缺乏导致骨质流失,增加骨质疏松和骨折风险。儿童缺钙可导致佝偻病,成人可导致骨软化症。严重缺钙可能引起手足抽搐、肌肉痉挛、心律不齐和神经过敏。血钙水平的剧烈下降可能导致低钙血症危象,表现为口周麻木、抽搐甚至惊厥。磷:功能和代谢骨骼构成与钙结合形成骨矿物质能量代谢ATP、ADP中的关键元素核酸构成DNA和RNA磷酸骨架的组成3细胞膜结构磷脂双分子层的组成部分磷是人体含量第二丰富的矿物质,约85%存在于骨骼和牙齿中,其余分布在软组织和体液中。磷的代谢与钙密切相关,共同受到维生素D、甲状旁腺激素和降钙素的调控。肾脏是调节磷排泄的主要器官,通过调整尿磷排出量维持血磷水平。磷在体内以磷酸盐形式存在,参与几乎所有代谢过程。它是高能磷酸键的组成部分,这些键在ATP等能量货币分子中储存和释放能量。此外,磷还参与酸碱平衡调节、酶活性调控和信号传导过程,是维持生命活动的基础元素。磷的食物来源和缺乏症动物性食物来源高蛋白食物通常富含磷,包括各种肉类(牛肉、猪肉、禽肉)、鱼类、蛋类和奶制品。这些食物中的磷主要以有机磷形式存在,吸收率高达60-70%。动物内脏如肝脏磷含量特别丰富。植物性食物来源全谷物、豆类、坚果和种子也含有丰富的磷,但主要以植酸盐形式存在,人体吸收率较低(约40-50%)。发酵和发芽过程可降低植酸含量,提高磷的生物利用度。加工食品中的磷许多加工食品和饮料(特别是可乐饮料)含有添加的磷酸盐,用作保湿剂、乳化剂、酸化剂或稳定剂。这些无机磷几乎100%被吸收,可能导致总磷摄入量超标,特别是经常食用加工食品的人群。缺乏症状由于磷在食物中广泛存在,单纯的饮食性磷缺乏非常罕见。临床上的低磷血症主要见于严重营养不良、长期酗酒、某些药物使用(如抗酸剂)或疾病(如糖尿病酮症酸中毒)。症状包括肌肉无力、骨痛、食欲不振、呼吸困难、心功能失调和神经系统症状如感觉异常和精神混乱。严重低磷血症可能危及生命。钾:功能和代谢心脏功能钾对维持正常心脏节律至关重要。它参与心肌细胞的电活动,影响心脏的收缩力和心率。血钾水平的异常波动可能导致心律失常,严重时危及生命。多项研究表明,充足的钾摄入与降低心血管疾病风险相关。肌肉功能钾对肌肉功能至关重要,参与肌肉收缩和放松的过程。它通过维持肌细胞膜的电位差来调节肌肉活动。钾缺乏可导致肌肉无力、疲劳和痉挛,严重时可能出现横纹肌溶解。神经传导钾与钠一起维持神经细胞膜两侧的电位差,是神经冲动传导的基础。它参与动作电位的产生和传播,影响神经系统的正常功能。钾水平异常可导致感觉异常、反射变化和意识障碍。钾的食物来源和缺乏症钾广泛存在于各种食物中,特别是新鲜水果、蔬菜和豆类。香蕉(约360毫克/个)常被视为钾的代表食物,但实际上鳄梨(约975毫克/个)、红薯(约440毫克/个)、菠菜(约840毫克/杯)和白豆(约1000毫克/杯)含钾量更高。肉类、鱼类和坚果也提供可观的钾。食物加工会导致钾大量流失,因此加工食品和精制谷物的钾含量显著低于其天然形式。烹饪过程中,水煮会导致部分钾流失到烹饪水中。尽管钾摄入不足在人群中相对常见,但临床上明显的低钾血症主要由非饮食因素导致,如腹泻、呕吐、利尿剂使用、某些肾脏疾病和醛固酮过多。低钾血症症状包括肌肉无力、心律失常、抽筋、便秘和血压升高。严重时可能导致横纹肌溶解、肾功能衰竭和致命性心律失常。钠:功能和代谢体液平衡钠是细胞外液的主要阳离子,影响体液分布和血容量神经传导参与神经冲动传导,影响神经肌肉功能物质转运通过钠泵(Na⁺/K⁺-ATPase)促进多种物质的主动转运酸碱平衡参与维持体液pH值,通过肾脏调节氢离子排泄钠的食物来源和过量摄入的危害主要食物来源天然食物中钠含量通常很低,现代饮食中钠主要来源于:食盐(氯化钠):烹饪和餐桌用盐加工食品:面包、加工肉制品、罐头食品调味品:酱油、腌料、肉汁、调味料方便食品:速食面、冷冻披萨、快餐腌制食品:咸菜、咸鱼、腌肉零食:薯片、咸饼干、坚果加工食品贡献了大多数人钠摄入的70-80%。过量摄入的危害过量摄入钠与多种健康问题相关:高血压:钠摄入过多是高血压的主要风险因素心血管疾病:增加中风、心脏病发作风险肾脏疾病:增加肾结石和慢性肾脏病风险骨质流失:高钠饮食可能增加尿钙排泄,影响骨健康胃癌:与高盐饮食和腌制食品相关水肿:体内钠潴留可导致体液潴留世界卫生组织建议成人每日钠摄入量不超过2000毫克(相当于5克食盐),而许多国家的实际摄入量是建议量的2-3倍。镁:功能和代谢酶催化作用镁是300多种酶系统的辅助因子,参与蛋白质合成、肌肉和神经功能、血糖控制和血压调节。它在体内几乎所有生化反应中发挥作用,包括ATP活化、核酸合成和能量代谢。骨骼健康约60%的体内镁存在于骨骼中,作为骨矿物质的组成部分。镁参与骨矿物质的形成和骨架稳定,影响钙的吸收和代谢。充足的镁摄入与更高的骨密度和更低的骨折风险相关。心血管功能镁调节心肌收缩,维持正常心律。它具有天然的钙通道阻断作用,有助于血管平滑肌放松和扩张,对维持健康血压至关重要。研究表明,镁摄入充足与降低心血管疾病风险相关。神经系统稳定镁调节神经元兴奋性,是NMDA受体(谷氨酸受体)的天然拮抗剂。它维持神经系统的稳定,参与神经传递和神经肌肉连接功能。镁缺乏与焦虑、抑郁、失眠和偏头痛等多种神经症状相关。镁的食物来源和缺乏症植物性食物来源绿叶蔬菜:菠菜、羽衣甘蓝、小白菜坚果和种子:南瓜籽、杏仁、腰果、黑芝麻豆类:黑豆、豆腐、毛豆全谷物:全麦面包、糙米、藜麦、燕麦其他:黑巧克力(>70%可可)、鳄梨动物性和其他来源海产品:某些鱼类如青花鱼乳制品:少量存在于牛奶和酸奶水源:硬水含有更多的镁镁强化食品:部分谷物和饮料精细加工会显著降低食物中的镁含量,如白面粉比全麦粉镁含量低约80%。缺乏症状早期症状:食欲不振、恶心、疲劳中度缺乏:肌肉痉挛、麻木、刺痛严重缺乏:抽搐、人格改变、心律失常慢性缺乏:骨质疏松、高血压、代谢综合征高危人群包括老年人、酗酒者、消化道疾病患者、糖尿病患者和使用某些药物(如利尿剂、质子泵抑制剂)的人群。铁:功能和代谢氧气运输铁是血红蛋白的核心成分,负责将氧气从肺部运输到全身组织肌肉氧储存铁作为肌红蛋白的组成部分,储存氧气供肌肉细胞使用能量产生铁参与电子传递链细胞色素酶的组成,是细胞呼吸和ATP生成的关键DNA合成铁是核糖核苷酸还原酶的辅因子,参与DNA合成和细胞分裂铁的食物来源和缺乏症血红素铁来源血红素铁存在于动物性食品中,吸收率高(15-35%),受饮食因素影响小:红肉:牛肉、羊肉、猪肉内脏:肝脏(最丰富来源)、肾脏禽肉:鸡肉、火鸡(尤其是深色肉)海产品:贝类(蛤蜊、牡蛎)、鱼类非血红素铁来源非血红素铁存在于植物性食品中,吸收率较低(2-10%),受多种饮食因素影响:豆类:扁豆、鹰嘴豆、豆腐全谷物:强化谷物、藜麦、小米绿叶蔬菜:菠菜、甜菜叶坚果和种子:南瓜籽、芝麻干果:杏干、葡萄干维生素C可显著提高非血红素铁的吸收率,而茶、咖啡、钙和植酸会抑制吸收。缺铁性贫血铁缺乏是全球最常见的营养缺乏症,可表现为:疲劳、乏力、注意力不集中面色苍白、头晕、心悸头痛、呼吸急促(尤其是活动时)易感染、伤口愈合缓慢特殊渴望(异食癖)如吃冰、土壤儿童认知发育迟缓高危人群包括育龄妇女(尤其是月经量大者)、孕妇、婴幼儿、青少年、素食者和慢性失血患者。锌:功能和代谢免疫功能锌对先天性和适应性免疫系统都至关重要。它调节T细胞发育和功能,影响自然杀伤细胞活性,参与细胞因子的产生和信号传导。锌缺乏会导致免疫功能下降,增加感染风险和炎症反应异常。蛋白质合成与DNA修复锌是300多种酶和2000多种转录因子的组成部分或辅助因子。它参与DNA合成、转录和修复过程,影响基因表达调控。锌指蛋白直接与DNA结合,调控基因活性,对细胞分化和增殖至关重要。抗氧化防御锌是超氧化物歧化酶的组成部分,直接参与清除自由基。它还可诱导金属硫蛋白的合成,保护细胞免受氧化损伤和重金属毒性。锌通过抑制脂质过氧化和稳定细胞膜结构发挥抗氧化作用。生长发育与生殖健康锌对细胞分裂、生长和组织修复必不可少,对儿童生长发育尤为重要。它参与性激素合成和代谢,影响精子生成和卵子发育。男性前列腺分泌液中锌含量极高,对维持精子活力有重要作用。锌的食物来源和缺乏症动物性食物来源牡蛎是锌含量最丰富的食物,每100克提供高达90毫克锌。其他优质动物性锌来源包括红肉(牛肉、羊肉)、禽肉、猪肉、蟹肉和各种海产品。动物内脏如肝脏也含有丰富的锌。这些食物中的锌生物利用度高,吸收率可达30%。奶酪和其他乳制品也提供一定量的锌。植物性食物来源植物性食物中锌含量较高的包括各种坚果(尤其是腰果)、种子(南瓜籽、芝麻)、豆类(鹰嘴豆、扁豆)和全谷物。然而,这些食物中的植酸会与锌结合形成不溶性复合物,降低吸收率(10-15%)。发酵、发芽和浸泡可降低植酸含量,提高锌的生物利用度,这也是传统食品加工方法的智慧所在。缺乏症状与高危人群轻度至中度锌缺乏表现为味觉和嗅觉下降、食欲不振、伤口愈合缓慢、皮肤问题(如痤疮、湿疹)、免疫功能下降(频繁感染)和轻度认知障碍。严重缺乏可导致生长迟缓、性发育延迟、腹泻、脱发和特征性皮肤病变(腹股沟和四肢末端)。高危人群包括素食者、孕妇和哺乳期妇女、老年人、酗酒者、吸收不良综合征患者和某些慢性疾病(如炎症性肠病、糖尿病)患者。碘:功能和代谢1甲状腺功能碘是甲状腺激素合成的必需元素,甲状腺摄取血液中的碘离子并将其纳入甲状腺球蛋白2激素合成碘参与甲状腺素(T4)和三碘甲状腺原氨酸(T3)的合成,这些激素对全身代谢调控至关重要胎儿和婴儿脑发育甲状腺激素对胎儿和婴儿期脑发育至关重要,碘缺乏可导致不可逆的智力障碍4代谢率调节甲状腺激素调控基础代谢率、体温调节、能量产生和蛋白质合成碘的食物来源和缺乏症碘盐碘化食盐是大多数国家居民碘摄入的主要来源。通过向食盐中添加碘酸钾或碘化钾,每千克盐含20-40毫克碘。碘盐计划是全球减少碘缺乏的最成功公共卫生干预措施之一。然而,盐中的碘在储存过程中可能流失,特别是在高温、高湿度条件下或暴露于空气中。天然食物来源海产品是天然碘的最佳来源,特别是海带、紫菜等海藻类(含量极高,每克干海带可含1-2毫克碘)。其他海产品如鱼类、贝类和虾蟹类也含有较多碘。陆地食物中的碘含量取决于土壤碘含量,因此地区差异很大。乳制品和蛋类也是较好的碘来源,部分原因是畜牧业使用含碘消毒剂。缺乏症状碘缺乏疾病包括一系列疾病,从甲状腺肿(甲状腺增大)到地方性克汀病(严重智力和生长障碍)。孕期碘缺乏可导致流产、死产、先天畸形和胎儿脑发育不全。儿童碘缺乏表现为生长迟缓、智力发育障碍和学习能力下降。成人碘缺乏可导致甲状腺功能低下,表现为疲劳、体重增加、怕冷、皮肤干燥和记忆力下降。硒:功能和代谢抗氧化防御硒是谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和硫氧还蛋白还原酶等重要抗氧化酶的必需组成部分。这些酶清除自由基和过氧化物,保护细胞免受氧化损伤。硒在体内与维生素E协同作用,共同维持抗氧化网络的完整性。免疫功能调节硒对先天性和适应性免疫系统的正常功能都至关重要。它增强T细胞增殖和自然杀伤细胞活性,影响细胞因子产生和抗体反应。硒缺乏与免疫功能下降和某些病毒(如流感病毒)毒力增强相关。甲状腺代谢硒是碘甲状腺脱碘酶的组成部分,这些酶催化甲状腺素(T4)转化为活性更强的三碘甲状腺原氨酸(T3)。硒还保护甲状腺免受过氧化氢和自由基的损伤,这些物质在甲状腺激素合成过程中产生。硒缺乏可能加剧碘缺乏的影响。DNA合成与修复硒参与DNA合成和修复过程,维持基因组稳定性。硒蛋白P和其他硒蛋白可能通过影响DNA损伤修复和细胞周期调控,在癌症预防中发挥作用。流行病学研究表明,适当的硒状态与某些癌症风险降低相关,但过量补充可能产生相反效果。硒的食物来源和缺乏症食物来源与土壤变异食物中的硒含量高度依赖于土壤中的硒含量,因此地区差异显著。例如,北美和日本土壤硒含量相对较高,而中国、新西兰和部分欧洲地区土壤硒含量较低。巴西坚果是已知含硒最丰富的食物,一颗巴西坚果(约5克)可提供9

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