矿物质(英语:Mineral),又称为无机盐膳食矿物质,是生物体维持正常生理功能和生化代谢等生命活动所必需的化学元素[1][2][3],但通常不包括四大构成生物体的基础元素(约占人体体重的96%)。矿物质约占人体体重的4.4%,可依生物体所需求的量分为常量元素(需求量较大)和微量元素(需求较小)。人体内主要的矿物质包括[2],其他具有特定生化功能的矿物质还有等。[4]

矿物质和维生素必需脂肪酸以及必需氨基酸同为生物体必须的营养素。[5]由于矿物质是元素,不能由生物体以生物化学方式合成[6],因此须从环境中摄取。植物主要从土壤中获取矿物质。[6]人类饮食中的大部分矿物质来自食用动植物及饮用水。[6]大多数矿物质在陆地上相当普遍,钠和碘等也大量存在于海洋中。

适当摄取一定程度的膳食矿物质对维持身体健康是必须的,否则可能导致各种矿物质缺乏症。然而摄取过量亦可能引致许多病症,其中部分归因于身体内不同矿物质的竞争性。例如过量的摄取锌会抑制人体对铜和铁的吸收。[7]

有媒体报导称,物体接触矿物质含量过高的井水后,会在物体表面形成薄膜,经长时间暴晒,薄膜会变成坚硬的外壳,即“石化”。[8]

生物圈

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并非每种化学元素在生物圈中都能发挥生物作用,只有在大多数生物(尤其是哺乳动物)体内具有生物功能的元素才会被视为膳食矿物质。大多数已受认定的膳食矿物质都是原子量相对较低的元素。

元素周期表中的矿物质[9]
H   He
Li Be   B C N O F Ne
Na Mg   Al Si P S Cl Ar
K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
 
  * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
  ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
图例:
  被美国日本认定为微量元素,但未获欧盟认可[10][11][12]
  可能在人体中具有不可或缺的潜在生理功能,但尚无决定性证据支持或其确切作用尚不明确的元素
  有限的间接证据显示其对哺乳动物身体有微量益处或生理功能的元素
  没有证据表明其在哺乳动物中具有生理功能,但对某些低等生物来说不可或缺的元素
(由于轻镧系元素间的化学性质相似性极高,在需要这些元素的生物体中它们彼此间可以相互替代而发挥相同的生理功能)[13]

功用

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人体

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除了CHON外,已知至少有16种化学元素在人体中具有明确生理功能[1][14],是人体必需的膳食矿物质。

常量元素

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对于人类,维持生理所需的常量元素(每日营养素建议摄取量,RDA > 200 mg/每日)包括:

矿物质 生理功能[15][16] 膳食来源[16] 缺乏及过量病症
人体细胞内主要的阳离子,可调节细胞内外的渗透压、水分及酸碱平衡,维持肌肉收缩和神经传导,参与细胞内糖类蛋白质的代谢等 甘薯番茄胡萝卜马铃薯豆类谷类牛奶乳制品瘦肉海鲜香蕉柳橙[17][18] 低血钾 / 高钾血症
人体细胞外液主要的阴离子,可调节细胞内外的渗透压、水分及酸碱平衡,形成中的盐酸,少数酶的辅因子 食盐自来水 低氯血症英语Hypochloremia / 高氯血症英语Hyperchloremia
人体细胞外液主要的阳离子[19],可调节细胞内外的渗透压、水分及酸碱平衡[20],维持肌肉收缩和神经传导等 食盐调味料酱油味精等)、加工肉类火腿香肠午餐肉等)、海菜英语Edible seaweed牛奶菠菜 低血钠症 / 高钠血症
调节肌肉收缩、神经传导和血液凝固,构建骨骼牙齿羟基磷灰石),维持胶原蛋白之正常功能,参与血细胞的合成等 牛奶乳制品鸡蛋沙丁鱼、深绿色蔬菜坚果芝麻豆腐[21] 低钙血症 / 高血钙
构成细胞膜磷脂质),组成核苷酸(构成核酸ATP负责化学分子的磷酸化以传递能量等),构建骨骼牙齿羟基磷灰石),维持血液酸碱平衡 红肉牛奶乳制品家禽谷物豆类[22][23] 低磷血症英语hypophosphatemia / 高磷血症英语hyperphosphatemia
催化ATP之合成及磷酸化,300多种展现活性所必需的辅因子,构建骨骼磷酸镁碳酸镁),协助肌肉收缩及神经传导等 深绿色蔬菜肉类豆类全谷类英语Whole grain坚果花生酱酪梨[24] 低血镁症 / 高镁血症英语hypermagnesemia
构成多种氨基酸辅因子维生素,形成构建蛋白质双硫键硫酸根参与肝脏解毒反应及维持血液酸碱平衡 肉类家禽豆类坚果洋葱十字花科蔬菜 --

微量元素

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最重要的微量元素(RDA < 200 mg/每日)包括:

矿物质 生理功能[15][16] 膳食来源[16] 缺乏及过量病症
组成血红素肌红蛋白(负责二氧化碳之运输),组成多种细胞色素 肉类海鲜坚果豆类谷类、深绿色蔬菜黑巧克力[25] 铁缺乏症 / 血色沉着病
200多种展现活性所必需的辅因子,调节细胞的分裂、生长及凋亡,维持免疫系统运作正常,促进性器官的成熟及维持其功能运行,促进伤口愈合及骨骼发育等 红肉家禽海鲜牡蛎等、牛奶乳制品谷物坚果[26] 锌缺乏 / 锌中毒
超氧化物歧化酶等诸多酵素之成分或辅因子,维持糖类脂肪之正常代谢,促进骨骼的发育及生长等 谷物豆类坚果菠菜叶菜类茶叶咖啡、动物内脏[27] 锰缺乏英语Manganese deficiency (medicine) / 锰中毒英语manganism
各种铜蛋白英语Copper protein以及细胞色素c氧化酶酵素之成分或辅因子 肝脏内脏肉类牡蛎海鲜坚果豆类啤酒[27] 铜缺乏英语copper deficiency / 铜中毒英语copper toxicity
合成甲状腺激素之必要成分,可调节人体新陈代谢、促进生长发育 海藻海带紫菜等)、贝类海鲜乳制品加碘盐[28] 碘缺乏病甲状腺肿) / 碘中毒甲状腺功能亢进症[29]
黄嘌呤氧化酶醛氧化酶英语Aldehyde oxidase亚硫酸盐氧化酶英语Sulfite oxidase酵素辅因子[30] 全谷类英语Whole grain豆类坚果[27] 钼缺乏英语molybdenum deficiency / 钼中毒[31]
各种硒蛋白(如谷胱甘肽过氧化物酶硫氧还蛋白还原酶酵素)之成分或辅因子 海鲜、动物内脏瘦肉坚果谷物乳制品[32] 硒缺乏英语selenium deficiency / 硒中毒
维生素B12的关键成分 肉类肝脏海鲜贝类蟹肉[33] 钴缺乏英语Cobalt#Cobalt_deficiency / 钴中毒英语cobalt poisoning
葡萄糖耐受因子(GTF)的组成部分(可促进胰岛素作用,调节糖类脂质代谢),但目前其在体内的作用机制尚不明确,因此铬对人体的重要性尚存疑义[34][35] 肝脏酿酒酵母葡萄汁胡椒青花菜全谷类英语Whole grain制品等[36] 铬缺乏英语chromium deficiency / 铬中毒英语chromium toxicity

其他矿物质

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除了上述元素被普遍认可为人体必需的膳食矿物质外,很多其他元素也被建议列入人类必须的营养素,但这些元素的确切生理功能或对于人体之必要性大多缺乏决定性证据支持。[4]以下矿物质的认可与否根据不同的标准而有所差异。

元素 潜在生理功能 过量病症
氟不被认为是人体必需的化学元素,因为其在维持人体生命及生长发育过程中并不具有不可或缺的生理作用。尽管提高氟的摄取量能够强化珐琅质、降低龋齿率,维持骨质稳定、提高骨质密度。[16]氟化物对牙齿的主要益处在于其将牙齿表面的羟基磷灰石转化为更耐酸的氟磷灰石,从而对细菌代谢产生的酸性物质具有更强的抵抗力。[37][38] 氟化物中毒英语Fluoride poisoning氟骨症
缺乏症:氟缺乏英语Fluorine deficiency龋齿骨质疏松症
为合成IV型胶原蛋白英语Type IV collagen所必需的辅因子,可能对基底膜结构和组织发育有重要作用。[39] 溴中毒英语bromism
对部分植物细菌古菌真菌具有重要生理功能,是多种的必要成分,例如脲酶氢化酶[40],因此镍是人体肠道菌丛中部分菌种(如某些双歧杆菌)之必要营养素。[41]在人体中,镍可能是参与水解氧化还原基因表达的某些金属酶之结构成分或辅因子。缺镍会阻碍山羊绵羊的生长,并降低大鼠体内的循环甲状腺激素浓度。[42] 镍中毒
植物来说属于必需营养素,能够维持细胞壁结构的完整及稳定性,参与细胞分裂,协助糖类的运输等。[43][44][45]硼在动物体内是否具有确切的生理功能仍尚属未知[46][47],目前有实验发现补充硼可减少人体排尿时的流失量,以及提升17β-雌二醇睾固酮维生素D在血中之浓度。[48][49] 无急毒性(硼酸之LD50为每公斤体重2.5克)
长期暴露在高剂量硼中的慢性影响尚未研究透彻
对海生放射虫等辐骨虫纲非常重要,是其骨骼的主要成分(硫酸锶)。[50]锶在人体中会取代少量的[51],适量的锶能促进骨骼对钙的吸收,辅助骨骼生长,且能提高骨骼密度。[52] 某些类型的佝偻病[52]
硅藻放射虫硅质海绵英语Siliceous sponge等生物使用二氧化硅建构其细胞壁或骨骼[53]硅为一些植物(如水稻)之生长所需,能提高细胞壁结构的强度及完整性。在某些植物中,硅还能促进挥发性物质和植物激素的合成,在植物防御机制中起着重要作用。[54][55][56]有些证据表明,硅对人体指甲头发皮肤心血管骨骼的健康十分重要[57],为合成弹性蛋白胶原蛋白所需[58],亦可增加骨质密度[59],因此被认为是人体必需的营养素。[60] --
是部分海藻以及固氮菌体内某些的关键成分[61][62],也是被囊动物体内钒细胞英语Vanadocyte(一种特殊血细胞)的主要成分。[63][64]目前尚未证实钒是人类必需的营养素,有研究发现缺乏钒会导致大鼠生长减慢。[65] 钒中毒英语Vanadium#Safety
根据血浆中的锂浓度、生物活性英语Biological activity流行病学观察,有迹象显示锂是人体必需的营养素,但目前尚无决定性证据。[66][67] 锂中毒
被认为是鸟类必需的微量元素,参与其体内甲硫氨酸代谢物的合成。[68]但其在哺乳动物体内是否具有重要生理作用则尚不清楚。[69][70][71]一些研究表明砷为大鼠仓鼠山羊等动物所必需。[72] 砷中毒
其他 其他被认为可能是人体必需营养素的元素包括等。[40][73][74]另外,和轻镧系元素等)在某些低等生物中具有特定的生理功能,但这些元素在哺乳动物体内目前尚无已知的生理作用。[75] 各种金属中毒症状

除了上述元素外,人类的日常饮食中也含有其他各种各样的元素,这些元素可能在人体中不发挥作用,但也几乎完全无害(例如等);也可能会干扰身体系统的正常运行,具有相当的毒性(例如等)。

参见

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参考

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