血红素铁
【背景及概述】
铁分是组成红细胞的主要成分，在人体内起着输送氧气的作用，是人体必需营养元素之一，而铁缺乏又是全球特别是发展中国家最主要的营养问题之一，机体缺铁能引起营养性小红细胞性贫血（缺铁性贫血），并影响机体的免疫力；对儿童还能影响其智力发育，引起行为改变，如注意力分散、易烦躁、表情淡漠等。据统计，我国营养性贫血患者中有95.65%为缺铁性贫血，7岁以下小儿缺铁性贫血患病率约20%～70%。虽然铁在食品中广泛存在，但由于它在食品中存在的形态下利于机体对它的吸收利用，所以人们易患缺铁症，特别是轻度铁缺乏较见，多见于儿童、妊娠妇女、哺乳妇女和慢性病患者。因此，在食品中强化铁来防治铁缺乏很有必要。传统的补铁剂如硫酸亚铁、葡萄糖酸亚铁、富马酸亚铁等都是无机铁或植物铁，虽然补铁效果较好，但由于它们在体内的利用率低（吸收率一般为5%～8%）、副作用大（容易出现恶心、胃胀、消化器官障碍、腹泻、便秘等症状），而且有特殊的金属铁锈味，难以长期食用。
血红素铁是高等动物的血液、肌肉中的红色素，由卟啉和一分子铁构成，是一种生物态铁，可能直接被肠粘膜细胞吸收，不会产生任何消化道刺激症状，生物利用率高（吸收率达15%～25%），由于血红素铁在肠道中的吸收率远较非血红素铁高，所以近年来，血红素铁在食品、医药方面的应用研究进展较快，在日本、美国等国家早已广泛地用作食品营养强化剂。
【结构】血红素铁是由原卟啉（protoporphyrin）与1个二价铁原子构成的称为卟啉铁的化合物。由4个吡咯环通过四甲叉桥构成的多杂环化合物称为卟吩，卟吩的衍生物称为卟啉，所以血红素铁又称为原卟啉铁(Ferric protoporphyrin)。化学名：1,3,5,8-四甲基- 2, 4-二乙烯基卟吩- 6, 7-二丙酸铁，分子式：C34H30FeN4O4，相对分子质量为614.48，结构式如下:
【理化性质】[1] [2]
血液蛋白质中最主要的组分是血红蛋白，约占蛋白质总量的2/3，其相对分子质量为68 000，由4条多肽链构成球状结构称A-链和B-链，每条多肽链在其非极性氨基酸残基富集的疏水区内含有1个血红素,血红蛋白中血红素和多肽链之间以非共价键结合，血红素由卟啉环和二价铁构成。因此，当血红素铁与珠蛋白分离后即自动氧化成三价铁，所以纯亚铁血红素极难分离得到，一般都是羟高铁血红素或氯高铁血红素。血红素铁能溶于氢氧化钠溶液、热醇或氨，微溶于热吡啶，不溶于水、稀酸、醚、氯仿等，在200℃分解而无熔点。血红素铁为红紫色长片状晶体，其颜色随所用纯化溶剂不同差别很大，可能是黑绿色固体粉末或棕色粉末。血红素铁在干燥的固体状态下较稳定，但在光照或有氧化剂存在下则极不稳定，很快被氧化。
【提取】
1. 酸性丙酮提取法：使用酸性丙酮分离提取血红素铁的方法。
原理：血液中的血红蛋白是由4分子亚铁血红素和1分子珠蛋白结合而成的。在pH> 3时，亚铁血红素与珠蛋白结合最疏松。根据此化学性质，提取时先从血液中分离出血液,然后加水将血球液溶解，调节pH至3.0左右，加入适量丙酮，可使蛋白质凝固，亚铁血红素则溶于丙酮液中。再加入醋酸钠，鞣酸，稀碱或直接蒸馏，即可使血红素铁沉淀析出。
工艺：红细胞加适量水，进行机械搅拌细胞破碎30 min后，加入红细胞5倍体积的3%的酸性丙酮溶液，用1 mol/L的盐酸调溶液的pH至2～3，抽提10 min，离心收集上清液，加入1 mol/L的氢氧化钠，待进一步提取，提取方法有以下4种：
1）醋酸钠法：加滤液量1%的醋酸钠搅拌均匀，静止，抽滤，取沉淀，用蒸馏水，无水乙醇，乙醚依次冲洗2次，除去杂质，干燥，回收丙酮；
2）蒸馏法：水浴回收丙酮，滤液浓缩后即产生沉淀，抽滤，干燥得到血红素铁成品；
3）稀碱抽提法：将酸性丙酮和血球混合液抽滤，滤液用酸性丙酮洗至浅灰色，合并滤液，用1mol/LNaOH溶液调pH至中性，析出沉淀，离心，取沉淀，用0.1 mol/L NaOH溶液溶解后离心，,取上清液，用1 mol/LHCl调pH至酸性，析出大量沉淀，离心，水洗沉淀3次至中性，干燥，得到血红素铁；
4）鞣酸盐析法：向提取液中加入5%的鞣酸，搅匀静置过夜，氯化血红素呈针状晶体析出，,离心收集沉淀，用蒸馏水洗涤3次，干燥后获得氯化血红素。
2. 冰醋酸提取法：最早在实验室用冰醋酸、氯化钠和血共热得到血红素铁结晶,此后Nippe氏在原有反应的基础上，在冰醋酸中加入少量NaCl、KCl、KBr、KI和血共热得到血红素铁结晶，用此法制备少量血红素铁结晶速度更快，该法目前在工业上和实验室大量制备血红素铁时仍被使用。
3. 羧甲基纤维素(CMC)提取法：1983年芬兰科学家介绍了用CMC提取血红素的方法。CMC是一种无毒无害的高分子阳离子型纤维素醚，可吸附血红素，与血红蛋白分离，提出的血红素铁不需洗脱，性质稳定，可以久存。CMC-血红素铁可为我国小儿铁强化食品提供很有发展前途的新型理想铁源。
4. 酸碱纯化提取法：以粗品血红素铁为原料，经稀碱、稀酸处理，通过正交试验分析，确定了最佳纯化条件，其产品纯度大于96%，回收率大于80%。原理：利用血红素铁易溶于弱碱性溶液，珠蛋白则不溶于其中的特性，将血红素铁与珠蛋白分开，再利用血红素铁不溶于水和醋酸的特性，将碱性溶液酸化，血红素铁重新析出，再将析出的血红素铁过滤、干燥、获得纯品。
5. 酶提取法：蛋白酶水解法不仅将蛋白质与血红素铁分开，还可以提高血红蛋白的消化吸收利用率，以利于分别利用，是一种较好的利用途径。且酶提取法没有用到有机溶剂，被认为是一种最环保的提取血红素铁的方法。原理：血红蛋白是相对分子质量约65 000的球状蛋白质，铁含量约为0.3%，血红蛋白经蛋白酶处理，除去不需要的肽链，保留维持血红素铁稳定的肽链，分离后得到血红素铁的复合体。工艺：以动物血液作原料,在新鲜血液中添加抗凝剂，然后离心分离得到红细胞，将红细胞用大约3倍量水稀释，调pH至8.5，用酶进行水解，得到的上清液为珠蛋白，固体残渣为血红素铁。
【功能】
1.抗贫血作用
血红素铁有良好的促进骨髓造血和治疗动物溶血性和失血性贫血的作用，是人类迄今所知的最为理想的抗贫血药物。利用血红素铁强化饼干对贫血女大学生进行铁营养强化研究，发现适量增加贫血女大学生的血红素铁摄入量（6.0mg/d）可明显地改善机体的铁营养状况，有效地防治铁铁性贫血。试验组补铁后血液红细胞数上升，表明机体造血功能正在恢复。从试验组贫血恢复程度来看，其Hb水平1个月即明显提高，试验至2个月时Hb水平进一步增至11.56g/dL，同时PCV也显著增加。试验结束时对照组Hb虽略有上升，但明显低于试验组。试验结果表明了人对血红素铁的良好生物利用效率，这与试验相互印证。用大鼠血红蛋白恢复试验研究血红素铁的抗贫血作用及生物利用效率，结果表明血红素铁具有良好的抗贫血作用。血红素铁的吸收率较高，明显优于FeSO4等无机铁，动物蛋白质降解产物能促进它的吸收。
2. 生物功能
血红素铁保持铁的多种生理功能：
1）在体内参与氧的运送、交换和组织呼吸过程；
2）与红细胞形成和成熟有关,在骨髓造血组织中进行幼红细胞内，与卟啉结合形成正铁血红素，后者再与珠蛋白合成血红蛋白；
3）铁作为含铁酶类的成分，起着重要作用，如铁为过氧化氢酶的组成成分，对清除体内的过氧化氢，增进健康起着重要作用；
4）铁还参与体内其它重要功能，如催化促进β-胡萝卜素转化为维生素A、促进体内抗体的产生、药物在肝中的解毒及脂类在血液中的转运等。
【应用】
1. 生化试剂方面
血红素铁是分析化学和生化研究的重要试剂,分析化学上用来鉴定铜。
2. 医药保健方面
血红素铁是制备抗癌特效药—血卟啉衍生物的主要原料，与EDTA（乙二胺四乙酸）配合还可用于治疗铅中毒，血红素铁也是制备肝脏机能改善剂原卟啉二钠盐和激光血卟啉诊治癌症药物的原料。在制药行业中，血红素铁是制备胆红素的前体，而胆红素是配制人工牛黄的重要原料，由于天然牛黄的来源有限，血红素铁作为人工牛黄的间接来源有较大的市场需求。血红素铁在临床上作为补铁剂，可治疗由缺铁引起的贫血症。目前临床上用的非血红素补铁剂，主要从植物中提取，以氢氧化铁络合物形式存在。这种铁络合物在人体中吸收率低，并含有对人体有害的成分。而血红素补铁剂在肠腔内可被肠黏膜细胞直接吸收，吸收率为25%～30%，且对肠道、胃壁不会造成损伤，并有较高的热安全性，吸收率是无机铁的3倍，且疗效显著,副作用少，具有生物利用度高、无体内铁蓄积中毒及胃肠刺激等不良反应等优点。因此，血红素补铁剂将取代目前常用的补铁剂，成为深受欢迎的一代产品。
3. 食品行业方面
血红素铁可代替肉制品中的发色剂亚硝酸盐及人工合成色素。日本市场上最常见的血红素铁强化食品有低热量糖果和低热量饼干两种。前者每粒糖果中含0.7mg铁分，后者每块饼干中含0.5mg铁分。有经的妇女每天食用2～3粒，就可满足所缺的铁质。在100g面条中添加100～200mg血红素铁，以及在100g汉堡包中添加400mg血红素铁,均会不影响产品的口味。此外，血红素铁还可用在方便汤料、果冻、海带制品、奶制品及饮料中。除了作营养强化剂外，,血红素铁还可加入火腿、灌肠等食品中作发色剂。血红素可使肉制品产生种诱人的鲜艳红色，增加肉制品的外观美感，因此在食品行业,血红素可代替发色剂亚硝酸盐及人工合成色素。
【参考资料】
[1] 孙茜胜, 敖长金. 重要营养素-血红素铁[J]. 飼料研究, 2006, 2006(6): 17-19.
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