MIT团队用AI筛选食用配体，或改变全球微量营养素补充方式

未来，你喝的咖啡中可能同时添加了碘元素和铁元素，不仅味道和普通咖啡无异，并且价格平易近人。

近期，美国麻省理工学院罗伯特·朗格（Robert Langer）教授和安娜·雅克莱内茨（Ana Jaklenec）教授团队开发了一种铁基 MOF 材料（NuMOF，Nutritional Metal Organic Framework），成功让铁和碘在双强化盐中稳定共存。

据了解，NuMOF 除了可添加到盐中，还可添加到其他食品或饮品中，例如面粉、面包、乳制品、咖啡和茶等。目前，研究团队已经开发强化铁咖啡产品，并计划成立初创公司将产品推向市场。

审稿人对该研究评价称：“这项研究为全球微量营养素缺乏问题，提供了一种可能有效的解决方案。”

近日，相关论文以《亚铁营养金属有机框架作为食品强化剂》（Ferrous Nutritional Metal-Organic Framework as Food Fortificant）为题发表在 Matter[1]，麻省理工学院杨昕博士是第一作者，罗伯特·朗格（Robert Langer）教授和安娜·雅克莱内茨（Ana Jaklenec）教授担任共同通讯作者。

将“明星材料”MOF 引入食品领域

由缺乏铁元素引起的缺铁性贫血是一种常见疾病，其有可能伴有疲劳、运动不耐受和注意力不集中等症状。一般来说，缺碘的人群也同样存在缺铁的情况。目前，全球缺铁和缺碘的人群在 20 亿人以上。

随着过去几十年的发展，加碘盐已在全球范围内取得了广泛的社会影响力。自 1994 年起，中国开始推行加碘盐政策。它为人类健康，特别是发展中国家人民的健康状况带来了显著改善。随着加碘盐的普及，全球范围内的缺碘相关疾病大幅减少。

该研究源于一个设想：能否利用加碘盐成熟的销售渠道和供应链，把铁元素高效、精准地补充到目标人群？也就是说，用“一勺盐”同时为相关人群同时补碘和补铁。

这听上去很简单，但实践起来却充满挑战。需要了解的是，直接在碘盐中添加铁元素的方案并不可行。碘盐中的碘来源于碘酸钾或碘化钾，其易与铁元素（无论是二价铁还是三价铁）发生化学反应，从而被还原成碘单质。而碘单质又很容易升华，这不仅会导致碘挥发和损失，也会破坏铁的稳定性，进而造成这些营养元素流失。

为解决上述问题，研究团队开启了这项工作。他们在文献调研时，从金属有机框架（MOF，Metal Organic Framework）中获得灵感：因在微观尺度下存在巨大的比表面积，MOF 作为吸附气体和吸附水的“明星材料”，已经广泛应用于医药和催化等领域。

受此启发该团队提出，或许 MOF 也可以用来“吸附”碘，于是创新性地将 MOF 引入到食品领域中，通过分子层面的设计实现了铁和碘在双强化盐中稳定共存。

采用吸附策略，搭建 MOF “房子”

设计 MOF 材料，首先需要确认金属离子和有机配体的具体成分。为快速、高效地在海量有机配体中选择合适的配体，研究人员选择了使用机器学习模型。

他们先建立了一个数据库，从文献中找了大量的 MOF 例子，并通过训练模型，让其了解各种金属离子与有机配体之间形成的 MOF 材料的稳定性。然后，研究人员为训练好的模型提供一些可用于食品工业中的有机配体，让其从中预测性能合适、相对稳定的有机配体。最终，基于机器学习精准预测出铁离子的最优配体——食用级添加剂富马酸。

此前，加拿大多伦多大学的化学工程师曾开发过一种包埋策略的双强化盐：将在铁颗粒表面包裹一些聚合物，通过物理隔绝防止碘和铁发生反应。但这种方式的局限性在于，在高温或高湿条件下包埋材料并不能长期及稳定存在。

在本次研究中，研究人员采用了一种完全不同的材料设计策略，他们并未延用传统的碘化钾或碘酸钾（注：这是碘盐中碘的主要来源），而是使用碘单质。实际上，单质碘本身并不稳定，而这种吸附策略的巧妙之处在于：NuMOF 内部存在很多细小的孔道，可以将其结构看作是一座蜂窝形状的“房子”，恰好可以通过牢牢吸附让这些碘分子稳定下来。

研究人员希望合成二价铁基金属有机框架（Fe（II）MOF），但是在其合成过程需要非常严格的氧气控制，这会带来巨大的成本。于是，他们调整思路：先合成 MOF，然后再对 MOF 进行还原，以避免在合成过程中的无氧操作。

受日常饮食中“维生素 C 帮助铁吸收”常识的启发，研究人员将这一思路应用到材料合成中：先用铁和富马酸搭建好 MOF“房子”，再用维生素 C 把三价铁还原成更易被人体吸收的二价铁，可将其理解为“先建房，再装修”

与传统包埋方法本质不同的是，在吸附策略中，铁不再是一种额外的成分，而是作为 MOF 材料结构的一部分。在这座“房子”中，碘和铁就像“房客”一样住进各自的孔道中，这样二者的位置既相邻又避免了直接的接触。

在体外实验中，研究人员将 NuMOF 与常规铁盐进行比较，结果显示前者更容易被细胞吸收。动物实验结果表明，食用 NuMOF 后，铁水平和甲状腺碘含量在几个小时内大幅度上升。相关实验显示，即便这些营养素在沸水中煮 2 个小时稳定性依然不减。

“一些发展中国家的食盐运输条件并非冷链，有时候运输条件高达四五十摄氏度，其储存条件也可能是潮湿的环境。另一方面，NuMOF 添加到食品或食盐中也面临高温烹饪条件。我们的结果证明，NuMOF 在高温和潮湿（40℃ 和 75% 相对湿度）条件下仍能够稳定存在。”杨昕对 DeepTech 表示。

已推出铁强化咖啡产品，并实现百公斤级生产

值得关注的是，NuMOF 具有 pH 响应的特性：其只在低 pH 值条件下才会释放，而在中性 pH 值下（大部分食物是中性的）不会释放。也就是说，它在常温下是稳定状态，但在胃酸环境条件下（pH 约 1 至 3），当其结构被破坏后会迅速分解并释放铁和碘。

并且，它不会对食品或饮品产生视觉和口感方面的影响，因此对于消费市场来说更容易被采用。“最重要的是，它在口腔中不会释放，所以吃起来不会像传统铁补剂那样有铁味。”杨昕表示。

研究团队一直在努力探索这项技术的产业化落地的可能性。据介绍，其已推出强化铁咖啡产品，并与美国和中国的生产铁配料的相关厂家和咖啡品牌持有者合作，在食品级生产车间进行配料生产，探索把 NuMOF 用于盐和主食的可行性。现阶段，他们已经完成了从到几十公斤到百公斤级的生产。目前研究团队正在研发绿色、可放大的合成工艺，计划成立一家初创公司加速技术转化，并正在与包括盖茨基金会在内的机构洽谈合作。

成本对比方面，传统用包埋策略制备的双强化盐，由于不可避免地引入更多聚合物，其价格相较于盐是额外的成本。此外，聚合物还具有一定重量，据了解，用 10g 聚合物只能包埋 4g 铁材料，这对于吨级运输总成本来说也是一笔巨大的支出。

而 NuMOF 具有成本低的优势，以铁强化咖啡产品为例，每包咖啡可满足人们日常铁的需求量的 10% 左右，而添加 NuMOF 的增加成本不超过咖啡生产总成本的 1%。对食品工业来说，不需要大规模改造工艺，只需在生产环节稍作调整。并且，原料低成本也有利于其在发展中国家的应用。

在食品安全性方面，研究人员进行了细胞和动物实验，证明 NuMOF 在合理剂量下无毒且容易被吸收。未来在正式进入市场之前，还需通过美国 GRAS（美国 FDA 评价食品添加剂的安全性指标，Generally Recognized as Safe）认定、欧洲食品安全局（EFSA，European Food Safety Authority）等食品安全方面的审批。

“好在 NuMOF 的铁、富马酸、维生素 C 和碘等成分，本身都属于食品级物质，因此安全性前景乐观。”杨昕说。

杨昕是福建福州人，他分别在西北农林科技大学和新加坡国立大学获得本科和博士学位，之后他来到美国麻省理工学院科赫综合癌症研究所从事博士后研究，其长期专注于食药同源（Food as Medicine），致力于探索如何利用食品来解决营养缺乏和慢性疾病相关性问题。

目前，他已经接受美国堪萨斯州立大学（Kansas State University）粮食科学与产业系的教职 offer，将于 2026 年起担任该校助理教授，并建立独立实验室。杨昕计划在双强化盐方向继续优化，使 MOF 材料在食品工业中得到更广泛的应用，并进一步探索将 NuMOF 添加在锌、钙和维生素 A 等营养素中的可能性。据介绍，未来更大的研究挑战在于如何实现吨级放大生产，以及如何在不同国家的供应链中保持一致性。

参考资料：

1.Yang,X. et al. Ferrous Nutritional Metal-Organic Framework as Food Fortificant. Matter 8, 102372(2025). https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102372

2.https://jamanetwork.com/journals/jama/article-abstract/2832131

排版：刘雅坤