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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

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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

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