中华预防医学杂志    2020年06期 饮水和食物中可溶性硅酸与人体健康的关系    PDF     文章点击量:203    
中华预防医学杂志2020年06期
中华医学会主办。
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舒为群 罗教华 张建江
ShuWeiqun,LuoJiaohua,ZhangJianjiang
饮水和食物中可溶性硅酸与人体健康的关系
The relationship between soluble silicate acid in drinking water and food and human health
中华预防医学杂志, 2020,54(6)
http://dx.doi.org/10.3760/cma.j.cn112150-20200318-00378
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投稿日期: 2020-03-18
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饮水和食物中可溶性硅酸与人体健康的关系
舒为群 罗教华 张建江     
舒为群 陆军军医大学军事预防医学系环境卫生学教研室,重庆 400038
罗教华 陆军军医大学军事预防医学系环境卫生学教研室,重庆 400038
张建江 福建省宁德师范学院医学院毒物化学重点实验室,宁德 352100
摘要: 硅曾经被认为是生物惰性元素,但近年来的研究显示其对人体健康具有重要价值。可溶性硅酸是硅的人体可利用形式,本文综述了饮食中的可溶性硅酸在人体的吸收、分布和代谢特点,以及它们与人体健康关系的研究进展。现有资料显示饮食中可溶性硅酸在预防骨质疏松、维持血管健康、改善老年痴呆和多发性硬化症等方面具有较多支持证据。其独特的对生物大分子的交联能力以及对有毒元素铝的拮抗作用是其发挥作用的关键。人类生命早期对硅具有强烈需求,老年人体内硅水平普遍降低,提示孕妇和老年人群需注意可溶性硅酸的摄取。建议加强饮食可溶性硅酸的基础和应用研究,并逐步完善相关营养卫生标准。
关键词 :硅酸;饮水;膳食;健康
The relationship between soluble silicate acid in drinking water and food and human health
ShuWeiqun,LuoJiaohua,ZhangJianjiang     
Department of Environmental Hygiene, College of Preventive Medicine, Army Medical University (Third Military Medical University),Chongqing 400038, China
Corresponding author: Shu Weiqun, Email: 188005020@qq.com
Abstract:Silicon was once considered a biologically inert element, but recent research has shown its value for human health.Soluble silicic acid is the available form of silicon in human body. This paper reviews the absorption, distribution and metabolic characteristics of dietary soluble silicic acid in human body, as well as its relationship with human health.Available data show that it has lots of supporting evidences that dietary soluble silicic acid can prevent osteoporosis, maintain vascular health, improve the symptoms of Alzheimer's disease and multiple sclerosis.Its unique crosslinking ability and antagonism to toxic aluminum play a crucial role. In the early stage of human life, there is a strong demand for silicon, and the level of silicon in the aged is generally reduced, suggesting that pregnant women and old people should pay attention to the intake of soluble silicic acid. It is suggested to strengthen the basic and applied research on dietary soluble silicic acid,and gradually establish the relevant nutrition and hygiene standards.
Key words :Silicic acid;Drinking;Diet;Health
全文

近年来,饮用矿泉水行业正在不断发展。我国《食品安全国家标准饮用天然矿泉水》(GB8537-2018)将偏硅酸浓度不低于25.0 mg/L的饮用矿泉水界定为偏硅酸型矿泉水。目前我国已经鉴定的偏硅酸水源地有2 000余处,约占我国矿泉水总数的60%以上。除水以外,人类常见食物中也多含有硅。硅曾经被认为是生物惰性元素,但近年来的研究显示,硅可能对人体健康具有重要价值。

一、硅和水中可溶性硅酸  硅是地壳中第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%)。硅与其他元素结合的能力仅次于碳,极少以单质的形式存在自然界,而是以复杂的硅酸盐(最多的是铝硅酸盐)或SiO2的形式,广泛存在于岩石、砂砾和水体中。在水中,SiO2自身的溶解度极低,但在一定条件下可以形成多种水溶性硅酸。这些硅酸常以通式XSiO2·YH2O表示[1],见表1

表1硅及其常见化合物的化学特征
现已确认,能独立存在且具有一定稳定性的硅酸有偏硅酸、二偏硅酸、正硅酸(也叫原硅酸)、焦硅酸,在水中主要是以单体正硅酸或它的聚合体形式存在。水中的正硅酸不超过饱和浓度278 mg/L且溶液pH小于9时,是以单体游离形式存在的,当超过这个饱和浓度时,单体正硅酸将脱掉一个水分子形成聚合体,此时溶液会有乳白色悬浮物出现。其化学反应式如下:
        H4SiO4 (单体)+H4SiO4(单体) ?H3SiO3-O-H3SiO3(聚合体)+H2O
        由于偏硅酸是所有硅酸中最基本的形式,因而常以偏硅酸来表征水中硅酸的浓度[1]。采用浓度换算时,偏硅酸浓度分别是硅、SiO2的2.78和1.38倍;正硅酸浓度分别是硅、SiO2的3.42和1.60倍。
        水体中多天然含有硅酸,普通水体中偏硅酸含量一般不超过10 mg/L,瓶装水中可能会有较高含量[2]。据本课题组收集的188种标注有偏硅酸的瓶装水数据,含量多在25~90 mg/L之间,国外某品牌标注浓度在80~160 mg/L,国内某火山冷泉标注浓度为45.5~150 mg/L。

二、食物中的硅和可溶性硅酸  硅在地壳中广泛存在,食品中也大多含有水平不同的硅,尤其是禾本植物及其种子(即各种谷类)、蔬菜、水果、茶叶以及它们的衍生食物啤酒、红酒、咖啡、茶水等。然而,食物中的硅多以植酸硅、硅酸铝或二氧化硅等形式存在,水溶性低,人体吸收率并不高。只有可溶于水的单体正硅酸才能被人和动物所吸收利用,因而它也被称为“生物活性硅酸”(bioactive silicate)[3]。人体主要通过食用啤酒、谷物、蔬菜和水果等获得食物中的可溶性硅酸。大麦和酵母花等原料经发酵后,其水溶液中偏硅酸可达25~110 mg/L。英国啤酒中硅的平均值为19.2 mg/L(相当于偏硅酸53.4 mg/L);比利时啤酒硅的平均值在20.0~25.2 mg/L之间(相当于偏硅酸55.6~70 mg/L)[4, 5]。谷物、蔬菜和水果等固体食物中的硅大部分不能直接吸收,但通过烹饪或经胃酸的分解,也可有水溶性硅酸的形成而被人体吸收,大量食用燕麦、全麦面包、青豆、香蕉等食物也可摄取足够的硅。老年阶段消化能力减弱,对固体食物中硅的吸收也会明显减少。

三、水溶性硅酸在人体的代谢  正硅酸是结构简单的中性分子,它很容易穿透消化道黏液层,通过不耗能的旁细胞途径或跨细胞小孔途径被黏膜细胞吸收入血,吸收主要发生在小肠近端。血液中的硅酸分子多呈游离状态,并不与血液蛋白结合,这也是它容易被肾脏清除的原因。
        对8名健康志愿者的代谢动力学研究显示,摄入含正硅酸27~55 mg/L的水后,60~84 min后血硅达峰值,24~32 h后尿硅达峰值,尿硅排出率M值为50.3%(范围为21.9%~74.7%)[6]。对8种富硅物质进行人体吸收比较试验显示,硅的吸收率依次为单甲基硅烷三醇和啤酒(64%)、青豆(44%)、正硅酸溶液(43%)、胆碱型正硅酸(17%)、香蕉和三硅酸镁(4%)、硅胶(1%)。血硅峰值时间以单甲基硅烷三醇和青豆最快,仅为0.5 h;正硅酸和啤酒为1.5 h,其余都在2 h或以后。这些研究结果显示正硅酸在人体的吸收率为43%~50%,可以在较短时间内达到血液峰值,也容易被肾脏排出[4]
        一些食物和生理因素会影响硅酸的吸收:高纤维食物(蔬菜和水果)会减少硅酸的吸收;食物中钙、镁等阳离子高时,因为形成不溶性的硅酸钙和硅酸镁,也会减少硅酸的吸收;老年时胃酸分泌减少,大分子植酸硅的分解比例降低,硅的吸收也会减少。甾体激素(如雌激素)和甲状腺激素水平也影响硅酸的吸收。有研究显示,绝经后的女性对硅酸的吸收能力远低于年轻女性[7]

四、硅在人体的分布、生理作用及水平变化  硅主要存在于结缔组织和表皮组织。骨骼系统中的新生骨、软骨和关节,管脉系统中的主动脉和气管,表皮组织(皮肤、头发和指甲)和肌腱都含有较高浓度的硅[3]。据Saadler等[8]报道,硅在人体中以骨和主动脉最高,分别为18和16 μg/g,其次是肌腱12 μg/g,皮肤4 μg/g。
        结缔组织的特点是含有大量的细胞间质。细胞间质由富水的基质(主要成分为黏多糖和糖蛋白)和各种纤维蛋白(包括胶原纤维、弹性纤维、网状纤维)组成。硅具有独特的分子间交联能力,以共价键与基质中的黏多糖结合并将其交联到纤维蛋白上,形成纤维网状结构,造就结缔组织的弹性和强度。黏多糖分子包括透明质酸、硫酸软骨素A、B、C,硫酸角质素、硫酸乙酰肝素等,其中硫酸软骨素A的含硅量尤其丰富[9]。表皮组织中,皮肤真皮层富含结缔组织需要硅的参与,头发和指甲富含角蛋白,而角蛋白也需有硅酸参与才能形成完整结构和功能[10]
        硅有随着年龄增长而明显减少的趋势。未成熟骨中的硅含量是成熟骨的25倍[11]。兔子在12周龄时主动脉和皮肤的硅分别为80和45 μg/g(湿重),而在18~24月龄时分别只有15和9 μg/g(湿重)。胎猪皮肤中硅为95 μg/g,而成年猪皮肤只有10 μg/g(湿重),下降较为显著[3]。针对德国1 325名18~91岁的健康受试者的研究发现,血硅浓度总体上随年龄增长而下降,但在中年都有峰值期出现,60岁以后无论男女都明显降低,可能是因为中年人啤酒消费较多而产生[12]。波兰成年人血硅均值为152.3 μg/L,男女性别没有明显差异,同时也随着年龄的增长而下降[13]。比利时研究发现怀孕可使血硅降低,19~39岁未孕女性血硅浓度为(126±73)μg/L,而同年龄段怀孕女性仅为(38.0±10.3)μg/L,提示胎儿有强烈的硅需求[14]。Marta等[15, 16]的研究发现早产儿的血硅明显高于足月产儿,也明显高于12月龄的足月产婴儿;足月新生儿血硅水平、脐带血和产妇静脉血的硅水平呈现出明显的下降趋势。
        以上数据提示硅在生命早期阶段具有非常重要的作用。老年人体内硅显著减少的现象提示硅的吸收依赖消化功能,某些老年性疾病的发生与体内硅不足可能有关联。

五、可溶性硅酸与人体健康的关系  

(一)硅酸对骨骼健康的促进作用  骨骼是硅含量最高的组织,硅对骨骼健康的影响也最早受到关注。早在40年前就有报道,缺硅的小鸡其腿和喙更白、更薄、更容易折断[17],缺硅的大鼠出现包括眼窝在内的颅骨缺损和牙质不良[18]。迄今为止国际上已经发表了多项食物硅与骨骼关系的研究论文,包括动物实验、人群流行病学研究(横断面观察、干预性研究等)以及体外细胞实验,结论都一致地显示为正向作用[7,19, 20, 21, 22]。在Framingham后代队列人群中,饮食硅摄入量与男性和绝经前女性髋部骨密度(bone mineral density, BMD)呈正相关,而与绝经后女性BMD无相关性[23]。在Aberdeen前瞻性骨质疏松筛查的女性队列人群中,饮食硅摄入量与绝经前女性和正在接受激素替代疗法(hormone replacement therapy, HRT)的绝经后女性的髋部和脊柱BMD呈正相关,但对于绝经后妇女仅限于正在接受HRT的妇女,在过去使用或从未使用过HRT的女性中没有相关性[24]。对绝经后妇女进行富硅矿泉水的干预实验,发现虽然体内硅明显增加,但骨骼健康改善程度没有统计学意义[25]。动物实验也发现硅只有与植物雌激素异黄酮协同才能促进去卵巢大鼠的骨形成效应[26]。以上结果提示,硅的骨骼效应对雌激素水平有很强的依赖性。
        硅对骨的作用机制可概括为以下几个方面:(1)介导胶原纤维-黏多糖网状结构的形成。硅依靠其独特的交联能力将基质中的黏多糖分子交联到胶原纤维上,形成具有弹性和强度的骨骼有机网络,为矿化(钙盐等的沉着)提供基础。(2)增进成骨细胞合成胶原纤维的能力(成骨细胞的主要功能)。因为在成骨细胞合成胶原纤维时,其关键酶之一的脯氨酸羟化酶需要硅、铁及维生素C的参与。(3)硅还能刺激成骨细胞分泌护骨素,这是一种可以抵抗破骨细胞从而抑制骨吸收的蛋白[27]。(4)硅还能改善骨骼的矿化速度和质量:增加新生骨的钙化速度[28];促进机体对铜、钙、镁等骨骼有益元素的吸收;减少机体对骨骼有害元素铝的吸收[7]

(二)硅酸对心血管疾病的预防作用  硬水地区的心血管疾病发生率往往低于软水地区,其原因除了公认的钙镁离子的保护效应以外,硅也是潜在的保护性元素。有学者认为,膳食纤维摄入较多的国家其人群动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)的发生较低,可能与硅的预防作用有部分关系[29]
        硅在主动脉部位的含量远远高于其他组织(除骨以外),但随着年龄增长主动脉含硅量会逐渐降低[12]。研究显示,硅对主动脉的保护也是其交联作用所致,它以高浓度结合在动脉壁尤其是内膜层,通过其交联能力将血管壁的黏多糖和胶原纤维及弹性纤维紧密结合在一起,从而维持动脉的完整结构和弹性,抵抗AS的发生;AS斑块部位硅含量显著减少,也提示缺硅可能是AS的重要发病原因[29]
        将家兔分别给予标准食物、AS食物和硅酸钠+AS食物,发现硅酸钠可以成功遏制AS食物对血总脂、胆固醇、甘油三酯、游离脂肪酸和磷脂水平的提升[30]。使用可溶性珊瑚沙作为天然含硅物质喂食自发性高血压大鼠(spontaneously hypertensive rat, SHR)(剂量相当于硅50 mg/kg,连续8周),大鼠的收缩压显著降低18 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)[31]。另有报道,食物补充富硅螺旋藻(剂量相当于70 kg成年人每天补充40 mg硅,连续3个月),可以明显减少SHR的主动脉损伤,表现为主动脉壁厚度和弹性纤维断裂的逆转,胶原蛋白和弹性蛋白水平升高,细胞外基质降解降低,对血管激动剂的收缩和松弛反应得到改善,而补充普通螺旋藻的SHR没有任何变化[32]
        在另一项研究中,将处于初老期的C57BL/6小鼠分组饮用富硅水(含硅43 mg/L)、贫硅水(含硅5 mg/L)、自来水(含硅10 mg/L)18个月后,主动脉和肾静脉的内皮细胞一氧化氮合成酶(eNOS,负责合成并释放血管扩张因子NO)和1型水通道蛋白(AQP-1,负责将NO分子从内皮细胞转运到血管平滑肌细胞,使其舒缓)都是在富硅水组表达最多,其次是自来水组,最少的是贫硅水组[33]。这提示除了交联作用以外,硅酸还会对血管功能的调控因子发挥作用。

(三)硅酸对老年性痴呆症的预防和辅助治疗  以阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)为主的老年性痴呆症,其发病分子机制包括细胞外β-淀粉样蛋白的沉积、细胞内神经纤维缠结的积累、神经元氧化损伤和炎症级联反应的激活等。在AD和帕金森症患者大脑中发现有铝在神经纤维缠结部位的聚集,提示铝可能是β-淀粉样蛋白寡聚化过程中的重要交联剂[34],铝目前已被认为是AD的主要病因之一[35]
        硅很容易与铝结合形成络合物(铝硅酸盐是自然界最普遍的硅酸盐),因而正硅酸可以阻止铝在胃肠道的吸收[36]。研究发现,饮用富硅的硬水可以显著降低尿铝的浓度,说明铝的吸收减少[37]。对1 925名老年受试者进行的15年的跟踪调查发现,随着时间的推移,每天摄入较多含铝饮水的人,其认知能力下降的幅度更大;而每天增加10 mg的硅摄入与降低AD风险显著相关[38]。在一项干预研究中,志愿者每天饮用1L富硅矿泉水,连续12周,对照组和AD患者组尿铝排出增加,但尿中铁和铜的排泄没有增加,同时20%参与者的认知能力也有提高[39],说明硅对铝具有选择性阻止效应。
        脑组织中脂过氧化物(lipidperoxide, LPO)水平升高是神经退行性疾病发生的主要因素之一。有研究表明,当大鼠同时暴露于铝和硅时,脑内铝的蓄积减少,LPO水平减少[40]。硅在神经母细胞瘤细胞也表现出明确的抗氧化作用[41]。有研究显示饮用啤酒(富含生物利用率良好的硅酸)可以通过调节促炎细胞因子和抗氧化酶的基因表达,降低铝中毒引起的大脑氧化[42]。另外有学者总结了啤酒消费与神经退行性疾病和AD关系的多项研究,认为在人体内(肠道、大脑或其他部位)铝硅存在相互影响,多饮无酒精啤酒从而安全地增加硅的摄入是预防神经退行性疾病(包括痴呆)的有效手段[43]
        Glick和McMillan[44]认为,AD是大脑糖尿病的一种形式,本质上是碳水化合物代谢异常,镁离子和B族维生素的缺失是大脑碳水化合物代谢异常的重要原因;饮用富含硅酸的矿泉水不仅能去除铝,还能使更多的镁进入大脑,因此他们提出在日常饮食中补充镁、叶酸、维生素B6和B12,同时每日饮用富含硅酸的矿泉水,是预防和改善AD的一个营养策略。

(四)硅酸对多发性硬化症的辅助治疗  多发性硬化症(multiple sclerosis,MS)是一种免疫介导的慢性中枢神经系统脱髓鞘性疾病。有研究显示,环境毒物铝作为助氧化剂或免疫佐剂参与其发生过程。Exley等[45]发现,MS患者尿中铁(潜在的炎症和氧化应激物)和铝水平显著高于对照人群,而硅水平显著低于对照人群;继而对15名MS患者进行了富硅矿泉水(含硅酸钙35 mg/L)每天1.5L连续12周的干预实验,发现干预前这些患者尿铝的浓度均值为135.2 nm/mmol crt(肌酐校正),富硅水干预后尿铝浓度均值增加到349.0 nm/mmol crt(肌酐校正)(P<0.001),说明硅可以促进MS患者体内铝的排出,具有辅助治疗价值[46]

(五)硅酸对表皮组织的营养支持  硅是表皮组织的重要组成,有助于维持其强度和光泽。在两项随机分组的干预实验中,志愿者口服20 mg/d胆碱化正硅酸(ch-OSA)20周后,皮肤的形态学表现和力学性能明显强于服用安慰剂的志愿者。头发稀薄的志愿者口服ch-OSA(剂量相当于10 mg/d硅) 9个月,头发的抗折性和直径有明显的增加,而安慰剂组没有明显变化[10]

(六)硅酸的其他健康作用  对自发性糖尿病KKAy小鼠(容易出现高瘦素血症、高胰岛素血症和高脂血症)喂食珊瑚沙来源的生物硅(50 mg/kg,持续8周)后,发现小鼠血糖降低,对胰岛素、脂肪因子瘦素和脂联素的反应都有所增加,糖尿病性肾小球病变有明显改善[47]。Gushcha等[48]观察到偏硅酸矿泉水对实验大鼠的胃炎具有缓解作用,而且自然来源的偏硅酸矿泉水的效果远胜于人工配制的偏硅酸水,因此他认为天然矿泉水中其他天然矿物离子与硅酸可能具有良好的协同效应。该课题组的另一项研究显示富硅矿泉水对慢性肾炎也有恢复效果,肾毒性大鼠在饮用富硅矿泉水后排尿能力和排氯离子的能力明显增加[49]。但上述各种健康效应的观察还比较零散,尚需更多研究予以支持。

六、饮食硅的最低摄入水平、有益水平和安全水平  硅在1973年就被WHO界定为人体必需微量元素,但因为很少有对人类缺硅的研究报道,因而目前国际组织(WHO、欧盟等)还没有提出硅在饮食中最低摄入量的推荐值。
        根据对Framingham 后代队列人群的研究,硅摄入量高于40 mg/d的人群与低于14 mg/d的人群之间髋骨BMD差异高达10%[23],又根据在自发性高血压大鼠上观察到富硅螺旋藻(相当于70 kg成年人补硅40 mg/d)可明显降低血压[32],提示每天硅的摄入量高于40 mg(相当于偏硅酸111.2 mg/d)可能有益于骨骼和心血管健康。
        虽然职业性呼吸道接触含硅石棉可引起人类胸膜间皮瘤,某些含硅生物材料(隆胸材料)可引起过敏,大量服用硅酸镁抗酸剂可能诱发尿路结石,但目前关于饮食摄入硅酸的毒性报道仍较少。美国食品与营养委员会将60 kg成年人SiO2的每天最大容许摄入上限(tolerable upper intake level,TUL)定为700 mg/d(相当于偏硅酸1946 mg/d),可见其安全范围相当宽泛[50]

七、总结和建议  综上所述,虽然硅在人类食物中含量丰富,但只有可溶性的硅酸才能被人体吸收和利用,富含硅酸的矿泉水和无酒精啤酒是其良好来源。目前已经有较多的研究显示饮食中可溶性硅酸具有预防骨质疏松、维持血管健康、改善老年痴呆和多发性硬化症的潜在价值。其独特的生物大分子间的交联能力以及其对有毒元素铝的拮抗能力是其发挥作用的关键。
        现有资料提示,人类生命早期对硅具有强烈的需求,提示孕妇有必要加强富硅食物的摄取;老年人体内硅水平普遍降低,我们推测这种改变可能与某些老年退行性疾病有一定关联。老年人因胃酸分泌减弱,从固体食物中获得可溶性硅酸的能力减弱,建议可多从饮水途径补充水溶性硅酸。
        目前的研究资料多来源于欧洲和美国,亚洲国家尤其中国的研究极少。中西方人群在饮食结构(动植物食品的差别)、饮品习惯(矿泉水、啤酒消费的差别)、遗传背景等方面都存在很大差别,因此亟需开展针对我国人群的研究,以便提出有针对性的饮食硅的营养建议水平和受益人群。

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