血紅素鐵
【背景及概述】
鐵分是組成紅細胞的主要成分，在人體內起著輸送氧氣的作用，是人體必需營養元素之一，而鐵缺乏又是全球特別是發展中國家最主要的營養問題之一，機體缺鐵能引起營養性小紅細胞性貧血（缺鐵性貧血），并影響機體的免疫力；對兒童還能影響其智力發育，引起行為改變，如注意力分散、易煩躁、表情淡漠等。據統計，我國營養性貧血患者中有95.65%為缺鐵性貧血，7歲以下小兒缺鐵性貧血患病率約20%～70%。雖然鐵在食品中廣泛存在，但由于它在食品中存在的形態下利于機體對它的吸收利用，所以人們易患缺鐵癥，特別是輕度鐵缺乏較見，多見于兒童、妊娠婦女、哺乳婦女和慢性病患者。因此，在食品中強化鐵來防治鐵缺乏很有必要。傳統的補鐵劑如硫酸亞鐵、葡萄糖酸亞鐵、富馬酸亞鐵等都是無機鐵或植物鐵，雖然補鐵效果較好，但由于它們在體內的利用率低（吸收率一般為5%～8%）、副作用大（容易出現惡心、胃脹、消化器官障礙、腹瀉、便秘等癥狀），而且有特殊的金屬鐵銹味，難以長期食用。
血紅素鐵是高等動物的血液、肌肉中的紅色素，由卟啉和一分子鐵構成，是一種生物態鐵，可能直接被腸粘膜細胞吸收，不會產生任何消化道刺激癥狀，生物利用率高（吸收率達15%～25%），由于血紅素鐵在腸道中的吸收率遠較非血紅素鐵高，所以近年來，血紅素鐵在食品、醫藥方面的應用研究進展較快，在日本、美國等國家早已廣泛地用作食品營養強化劑。
【結構】血紅素鐵是由原卟啉（protoporphyrin）與1個二價鐵原子構成的稱為卟啉鐵的化合物。由4個吡咯環通過四甲叉橋構成的多雜環化合物稱為卟吩，卟吩的衍生物稱為卟啉，所以血紅素鐵又稱為原卟啉鐵(Ferric protoporphyrin)。化學名：1,3,5,8-四甲基- 2, 4-二乙烯基卟吩- 6, 7-二丙酸鐵，分子式：C34H30FeN4O4，相對分子質量為614.48，結構式如下:
【理化性質】[1] [2]
血液蛋白質中最主要的組分是血紅蛋白，約占蛋白質總量的2/3，其相對分子質量為68 000，由4條多肽鏈構成球狀結構稱A-鏈和B-鏈，每條多肽鏈在其非極性氨基酸殘基富集的疏水區內含有1個血紅素,血紅蛋白中血紅素和多肽鏈之間以非共價鍵結合，血紅素由卟啉環和二價鐵構成。因此，當血紅素鐵與珠蛋白分離后即自動氧化成三價鐵，所以純亞鐵血紅素極難分離得到，一般都是羥高鐵血紅素或氯高鐵血紅素。血紅素鐵能溶于氫氧化鈉溶液、熱醇或氨，微溶于熱吡啶，不溶于水、稀酸、醚、氯仿等，在200℃分解而無熔點。血紅素鐵為紅紫色長片狀晶體，其顏色隨所用純化溶劑不同差別很大，可能是黑綠色固體粉末或棕色粉末。血紅素鐵在干燥的固體狀態下較穩定，但在光照或有氧化劑存在下則極不穩定，很快被氧化。
【提取】
1. 酸性丙酮提取法：使用酸性丙酮分離提取血紅素鐵的方法。
原理：血液中的血紅蛋白是由4分子亞鐵血紅素和1分子珠蛋白結合而成的。在pH> 3時，亞鐵血紅素與珠蛋白結合最疏松。根據此化學性質，提取時先從血液中分離出血液,然后加水將血球液溶解，調節pH至3.0左右，加入適量丙酮，可使蛋白質凝固，亞鐵血紅素則溶于丙酮液中。再加入醋酸鈉，鞣酸，稀堿或直接蒸餾，即可使血紅素鐵沉淀析出。
工藝：紅細胞加適量水，進行機械攪拌細胞破碎30 min后，加入紅細胞5倍體積的3%的酸性丙酮溶液，用1 mol/L的鹽酸調溶液的pH至2～3，抽提10 min，離心收集上清液，加入1 mol/L的氫氧化鈉，待進一步提取，提取方法有以下4種：
1）醋酸鈉法：加濾液量1%的醋酸鈉攪拌均勻，靜止，抽濾，取沉淀，用蒸餾水，無水乙醇，乙醚依次沖洗2次，除去雜質，干燥，回收丙酮；
2）蒸餾法：水浴回收丙酮，濾液濃縮后即產生沉淀，抽濾，干燥得到血紅素鐵成品；
3）稀堿抽提法：將酸性丙酮和血球混合液抽濾，濾液用酸性丙酮洗至淺灰色，合并濾液，用1mol/LNaOH溶液調pH至中性，析出沉淀，離心，取沉淀，用0.1 mol/L NaOH溶液溶解后離心，,取上清液，用1 mol/LHCl調pH至酸性，析出大量沉淀，離心，水洗沉淀3次至中性，干燥，得到血紅素鐵；
4）鞣酸鹽析法：向提取液中加入5%的鞣酸，攪勻靜置過夜，氯化血紅素呈針狀晶體析出，,離心收集沉淀，用蒸餾水洗滌3次，干燥后獲得氯化血紅素。
2. 冰醋酸提取法：最早在實驗室用冰醋酸、氯化鈉和血共熱得到血紅素鐵結晶,此后Nippe氏在原有反應的基礎上，在冰醋酸中加入少量NaCl、KCl、KBr、KI和血共熱得到血紅素鐵結晶，用此法制備少量血紅素鐵結晶速度更快，該法目前在工業上和實驗室大量制備血紅素鐵時仍被使用。
3. 羧甲基纖維素(CMC)提取法：1983年芬蘭科學家介紹了用CMC提取血紅素的方法。CMC是一種無毒無害的高分子陽離子型纖維素醚，可吸附血紅素，與血紅蛋白分離，提出的血紅素鐵不需洗脫，性質穩定，可以久存。CMC-血紅素鐵可為我國小兒鐵強化食品提供很有發展前途的新型理想鐵源。
4. 酸堿純化提取法：以粗品血紅素鐵為原料，經稀堿、稀酸處理，通過正交試驗分析，確定了最佳純化條件，其產品純度大于96%，回收率大于80%。原理：利用血紅素鐵易溶于弱堿性溶液，珠蛋白則不溶于其中的特性，將血紅素鐵與珠蛋白分開，再利用血紅素鐵不溶于水和醋酸的特性，將堿性溶液酸化，血紅素鐵重新析出，再將析出的血紅素鐵過濾、干燥、獲得純品。
5. 酶提取法：蛋白酶水解法不僅將蛋白質與血紅素鐵分開，還可以提高血紅蛋白的消化吸收利用率，以利于分別利用，是一種較好的利用途徑。且酶提取法沒有用到有機溶劑，被認為是一種最環保的提取血紅素鐵的方法。原理：血紅蛋白是相對分子質量約65 000的球狀蛋白質，鐵含量約為0.3%，血紅蛋白經蛋白酶處理，除去不需要的肽鏈，保留維持血紅素鐵穩定的肽鏈，分離后得到血紅素鐵的復合體。工藝：以動物血液作原料,在新鮮血液中添加抗凝劑，然后離心分離得到紅細胞，將紅細胞用大約3倍量水稀釋，調pH至8.5，用酶進行水解，得到的上清液為珠蛋白，固體殘渣為血紅素鐵。
【功能】
1.抗貧血作用
血紅素鐵有良好的促進骨髓造血和治療動物溶血性和失血性貧血的作用，是人類迄今所知的最為理想的抗貧血藥物。利用血紅素鐵強化餅干對貧血女大學生進行鐵營養強化研究，發現適量增加貧血女大學生的血紅素鐵攝入量（6.0mg/d）可明顯地改善機體的鐵營養狀況，有效地防治鐵鐵性貧血。試驗組補鐵后血液紅細胞數上升，表明機體造血功能正在恢復。從試驗組貧血恢復程度來看，其Hb水平1個月即明顯提高，試驗至2個月時Hb水平進一步增至11.56g/dL，同時PCV也顯著增加。試驗結束時對照組Hb雖略有上升，但明顯低于試驗組。試驗結果表明了人對血紅素鐵的良好生物利用效率，這與試驗相互印證。用大鼠血紅蛋白恢復試驗研究血紅素鐵的抗貧血作用及生物利用效率，結果表明血紅素鐵具有良好的抗貧血作用。血紅素鐵的吸收率較高，明顯優于FeSO4等無機鐵，動物蛋白質降解產物能促進它的吸收。
2. 生物功能
血紅素鐵保持鐵的多種生理功能：
1）在體內參與氧的運送、交換和組織呼吸過程；
2）與紅細胞形成和成熟有關,在骨髓造血組織中進行幼紅細胞內，與卟啉結合形成正鐵血紅素，后者再與珠蛋白合成血紅蛋白；
3）鐵作為含鐵酶類的成分，起著重要作用，如鐵為過氧化氫酶的組成成分，對清除體內的過氧化氫，增進健康起著重要作用；
4）鐵還參與體內其它重要功能，如催化促進β-胡蘿卜素轉化為維生素A、促進體內抗體的產生、藥物在肝中的解毒及脂類在血液中的轉運等。
【應用】
1. 生化試劑方面
血紅素鐵是分析化學和生化研究的重要試劑,分析化學上用來鑒定銅。
2. 醫藥保健方面
血紅素鐵是制備抗癌特效藥—血卟啉衍生物的主要原料，與EDTA（乙二胺四乙酸）配合還可用于治療鉛中毒，血紅素鐵也是制備肝臟機能改善劑原卟啉二鈉鹽和激光血卟啉診治癌癥藥物的原料。在制藥行業中，血紅素鐵是制備膽紅素的前體，而膽紅素是配制人工牛黃的重要原料，由于天然牛黃的來源有限，血紅素鐵作為人工牛黃的間接來源有較大的市場需求。血紅素鐵在臨床上作為補鐵劑，可治療由缺鐵引起的貧血癥。目前臨床上用的非血紅素補鐵劑，主要從植物中提取，以氫氧化鐵絡合物形式存在。這種鐵絡合物在人體中吸收率低，并含有對人體有害的成分。而血紅素補鐵劑在腸腔內可被腸黏膜細胞直接吸收，吸收率為25%～30%，且對腸道、胃壁不會造成損傷，并有較高的熱安全性，吸收率是無機鐵的3倍，且療效顯著,副作用少，具有生物利用度高、無體內鐵蓄積中毒及胃腸刺激等不良反應等優點。因此，血紅素補鐵劑將取代目前常用的補鐵劑，成為深受歡迎的一代產品。
3. 食品行業方面
血紅素鐵可代替肉制品中的發色劑亞硝酸鹽及人工合成色素。日本市場上最常見的血紅素鐵強化食品有低熱量糖果和低熱量餅干兩種。前者每粒糖果中含0.7mg鐵分，后者每塊餅干中含0.5mg鐵分。有經的婦女每天食用2～3粒，就可滿足所缺的鐵質。在100g面條中添加100～200mg血紅素鐵，以及在100g漢堡包中添加400mg血紅素鐵,均會不影響產品的口味。此外，血紅素鐵還可用在方便湯料、果凍、海帶制品、奶制品及飲料中。除了作營養強化劑外，,血紅素鐵還可加入火腿、灌腸等食品中作發色劑。血紅素可使肉制品產生種誘人的鮮艷紅色，增加肉制品的外觀美感，因此在食品行業,血紅素可代替發色劑亞硝酸鹽及人工合成色素。
【參考資料】
[1] 孫茜勝, 敖長金. 重要營養素-血紅素鐵[J]. 飼料研究, 2006, 2006(6): 17-19.
[2] 劉婭, 顏海燕, 韓新年. 天然補鐵劑—血紅素鐵的研究概述[J]. 海峽藥學, 2005, 17(4): 114-117.
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[5] 衛樂紅, 時亞文, 陳石良, 等. 血紅素鐵的制備及應用研究進展[J]. 食品與藥品, 2013, 15(5): 357-360.