镁的生理功能、安全性及应用研究进展

一、镁的概况

1.镁在自然界的存在。镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，其含量在地壳所有元素中位列第八。镁在自然界中主要以化合态的形式存在，包括光卤石KCl·MgCl2·H2O、菱镁矿MgCO3、白云石CaMg（CO3）2等。我国镁资源的储量位居世界第一，价格低廉（约1.8万元/吨），对于国民经济发展起到了重要的支撑作用。

2.镁的理化性质。镁单质为银白色，有良好的导热性和导电性，其相对密度为1.74，在所有实用金属中质量最轻，仅为铝合金材料重量的2/3、钢铁重量的1/4。镁的结晶结构为密排六方晶格，赋予了镁不易变形的特性，在相同条件下，1磅镁的坚固程度等于2.1磅钢。在锻造过程中，镁合金的切削阻力小，只有铝合金的1/3，因此在加工时所需的切削时间短，加工成本更低。镁的另一突出优势是比热与熔化潜热小，熔融所需热量较小，具有良好的散热性能。

不同状态下的镁，其化学性质不同。固体镁在常温、干燥空气中一般比较稳定，不易燃烧，但在熔融状态时容易与CO2、N2、O2等燃烧。在300℃时，镁与大气中的氮气发生反应，并在镁表面形成褐色氮化镁（Mg2N3）。镁还能和大气中的其他物质如碳酸气、亚硫酸气、水分发生反应，产生氧化物、硫化物、氢氧化物等皮膜。镁具有较强的还原性，可以与沸水发生强烈的还原反应，释放出大量的氢气并产生耀眼的白光。镁还能与大多数酸类物质发生激烈反应，同时产生氢气。

3.镁的主要用途。镁是当代重要的工程材料之一，主要用于制造轻金属合金、科学仪器、汽车和航空航天设备。全球50%以上产量的镁被用作铝合金的添加剂，如果不加少量的镁，就不可能生产出壁薄、整体性好的铝合金容器。镁合金中镁占90%以上，且可以回收再利用，被称为“绿色工程材料”。在冶金工业中，金属镁常用做还原剂和脱氧剂。镁粉在空气中燃烧能发出耀眼的白光，因此广泛用于烟花和照明弹中。在海洋装备领域，可以利用镁合金的易腐蚀性牺牲阳极保护阴极，制备海上重要仪器回收装置或定时触发装置等。在石油开发领域，利用镁合金可降解、腐蚀速率可控和高强韧性的优势，可以制备镁合金可溶压裂球和可溶桥塞。在医药领域，镁可作为新型骨植入材料和血管支架材料。在动物饲养中，镁可广泛用于动物的饲料添加剂中。在人类膳食营养体系中，镁也是一种重要的食品添加剂和营养补充剂。

二、人体及食物中的镁

1.镁在人体的分布及存在形式。镁元素是人体新陈代谢及骨组织中的必需元素，在细胞内的含量仅次于钾。正常人体含有21-28g镁，其中50%-60%的镁以磷酸盐和碳酸盐的形式存在于骨骼和牙齿中，38%存在于肌肉和非肌肉软组织中，只有1%在细胞外液中和2%在血浆和血清中。血清中的镁有三种存在形式：Mg约占血清总镁量的55%；与重碳酸、磷酸、柠檬酸等形成的镁盐约占15%；蛋白结合镁约占30%。正常人全血中镁的浓度为1.12-2.06×10mol/L，细胞外液中镁离子水平由肾脏和小肠维持在0.7-1.05×10mol/L。如果人体血清中镁含量低于7.5×10-4mol/L会患低镁血症，高于1.0×10-3mol/L会患高镁血症。

2.植物性食品中的镁。人体从植物性食品中摄入的镁主要来自绿色蔬菜、全谷物、豆类和坚果等，比如紫菜、菠菜、胡萝卜、绿豆、青豆，以及小麦、大麦和燕麦等全谷物。小麦含镁十分丰富，但被加工成精面粉后，镁几乎全部损失。豆类食品含镁丰富，可达1000-2000mg/kg。水果中也含有丰富的镁元素，比如一个中等大小的香蕉能够提供32mg镁。常见的绿叶蔬菜含镁100-800mg/kg，是重要的镁来源。紫菜的含镁量最高（4600mg/kg），被喻为“镁元素的宝库”。

镁元素是植物叶片中叶绿素的重要组成部分（图1），会影响植物的光合作用。植株叶片的含镁量一般认为在0.20%（干基）以上，若低于0.20%，植物体就可能存在缺乏镁元素的风险，叶绿体的结构会受到破坏，导致类囊体数目降低。在光照下，高浓度的镁离子和适宜的pH能够催化特定酶的活性，增加对二氧化碳的捕捉亲和力与周转率，使光合效率大大提高。除此之外，植物生化反应中的许多酶都需要镁激活，关系到脂肪、蛋白质等物质的代谢与能量的转化，如磷酸化过程中几乎所有的酶都需要镁活化。在细胞质中，镁离子充当一些生物酶与其所催化的底物之间的桥梁，能更高效地促进生物化学代谢活动。镁还能稳定蛋白质合成所必需的核糖体构型，缺镁可导致核蛋白体解离，因此缺镁时，植物体蛋白质合成受阻，蛋白质氮和非蛋白质氮的比率下降。

3.动物性食品中的镁。动物性食品中的镁含量相差较大，鸡蛋黄含镁400mg/kg，鱼类含镁400-500mg/kg，海参含镁约1500mg/kg，猪肉含镁量仅为20mg/kg。综合来看，动物体内大约有0.05%的镁，其中70%左右以磷酸盐或碳酸盐的形式分布在骨骼和牙齿中，29%贮存于软组织细胞中，约1%存在于细胞外液中。此外，动物的蹄甲部位也含有少量的镁。母乳中含镁十分丰富，牛乳中含镁则要少得多，且消毒过的牛乳中含镁量更少（110mg/kg）。

镁是动物的必需矿物质元素之一，作为重要的阳离子几乎参与动物机体内所有重要的生化活动，尤其在反刍动物生长发育、生理机能、瘤胃发酵、物质代谢等方面发挥着重要作用。骨骼中的镁不仅具有结构功能，还有重要的储备作用，动物动用骨骼镁的能力随着生长而下降，因此在动物生长过程中，如果不能及时从日粮中补充镁，则会造成生理机能失调。原农业部制定的《允许使用的饲料添加剂品种目录》规定的43种饲料级矿物质中，有4种关于镁的物质：七水硫酸镁、一水硫酸镁、氧化镁、氯化镁。其他一些国家还将硫酸镁、氧化镁、碳酸镁、磷酸镁、柠檬酸镁、乳酸镁、醋酸镁等列入饲料添加剂中，也有将白云石、菱镁矿磨碎后用作镁的补充物。镁的添加还可使动物具有抗应激能力，提高动物生产性能，改善肉的品质等。

三、镁的生理功能及生物安全性

1.镁的生理功能。（1）激活多种酶。镁作为多种酶的激活剂，参与300多种酶促反应。镁是ATP酶（三磷酸腺苷）的辅助因子，参与人体细胞ATP形成的10种酶中有7种依赖于镁的激活，且合成后的ATP必须与镁离子结合才能具有生物活性。镁还是酶磷脂酶C、腺苷酸环化酶、鸟苷酸环化酶、鸟苷三磷酸酶（GTP）等重要酶的辅助因子，例如核酶只有在高浓度镁离子存在的情况下，才能完成基因转录过程中的遗传信息传递。

（2）调节离子通道。镁能影响钾、钠、钙离子细胞内外移动的“通道”，并有维持生物膜电位的作用。镁通过抑制钾、钙离子通道，协调精确的钙量，防止钙沉淀在组织和血管壁中，从而防止产生肾结石、胆结石。镁也与钾的运输密切相关，人体内镁、钾含量失衡会对心脏造成一定的破坏性影响。2017年8月27日，《Nature Communication》杂志报道，复旦大学服部素之和闫致强等人发现了ATP调控Mg通道MgTE、维持细胞内Mg的动态平衡的重要机制（图2）。

图2：镁离子通道MgTE调控机制示意图

（3）维持体内多种分子结构的完整性。镁参与体内所有能量代谢，是能量输送、储存以及利用中的关键元素。在体内三大代谢中，镁通过调节核糖体DNA及RNA的结构对蛋白质的合成起到关键作用，是RNA和DNA生产的必需品。在调节细胞生长和膜的结构中，镁也起着极其重要的作用。

（4）调控睡眠。镁调控睡眠的作用主要通过调节褪黑素的转化、调节皮质醇分泌和刺激GABA的释放来实现。褪黑素是我们昼夜节律的关键荷尔蒙，镁是色氨酸转化为血清素再转化为褪黑素过程中的重要辅助物质。皮质醇过多不仅使人难以入睡，也会使人过早清醒，镁可以通过影响脑内产生皮质醇的HPA部位，使其减少皮质醇的分泌，从而保证人体正常入睡。研究显示，服用镁的补充剂后血液中的镁浓度增加，皮质醇浓度下降，人体睡眠得到改善。中枢神经系统产生的GABA在我们睡眠时持续压抑多种大脑内唤醒性的神经递质，是我们维持睡眠不被唤醒的关键，镁可以通过刺激GABA神经元的受体促使GABA的释放，进而调控睡眠时间和深度。

（5）影响人的听力。研究发现，由于膳食中缺乏镁，听力损失的发病率大大增加，易造成耳鸣。有学者发现，增加镁元素摄入水平，可对噪音性听力损失起到额外的保护作用。

（6）促进心血管健康。研究表明，如果体内镁含量增多，动脉粥样硬化、高血压等可以得到相应改善，糖尿病前期患者的空腹血糖、糖化血红蛋白及炎症等指标也有显著降低。日本国立癌症研究中心等通过对8万多人进行为期15年的跟踪调查发现，多摄取富含镁的食物可以降低患心肌梗塞等虚血性心血管疾病的风险。

（7）维护骨骼生长和神经肌肉的兴奋性。骨骼是体内镁最大的储存库，通过维持血清镁浓度平衡，从而保障体内其余组织器官的镁代谢稳定，促进骨细胞的形成和加速骨愈合。钙是形成强健的骨骼和牙齿的关键元素，镁与钙互相辅助，能有效降低因年龄增长而造成的骨质流失。镁还是重要的膜稳定剂，可以减少神经的兴奋和肌细胞膜的收缩。被过多钙刺激的肌肉细胞会进入无法控制的痉挛状态，导致组织损伤，还会使心脏病等系列疾病发作。而镁作为钙的拮抗剂使肌肉正常工作，让钙引起肌肉收缩并将钙从肌肉细胞中推出，以达到放松的目的。

2.镁在机体内的代谢调节途径。成年人每天推荐的镁摄取量是250-300mg，镁的吸收利用率约30%-40%。在正常情况下，人体器官能通过自行调节，将多余的镁排出体外，保持体内镁水平的稳定。另外，人体还可通过血浆与骨骼间的理化作用取得镁的平衡。摄入过量的镁元素会引起高镁血症或镁中毒（＞6×10mol/L），这种情况一般仅发生在肾功能不全和患有严重疾病的患者中。正常情况下，人体口服的镁大约1/3被吸收，并从尿中排出肾小球滤过的镁。血镁持续性增加时，肾排镁能力可高达6g/d。当机体血清镁量＞1.15×10mol/L时，尿镁排泄将明显增加；当肾小球滤过率＜30mL/min时，镁负荷量＞30g/d，就超过了肾脏预防高镁血症的能力，会发生高镁血症。正常情况下，每日摄入700mg的镁不会引起副作用。

3.镁缺乏及应对策略。周蔚等发现，2012-2013年上海居民镁膳食摄入量低于平均水平，仅为推荐摄入量的34.5%。研究人员还在大学生人群中发现，男性血清镁缺乏率为4%，女性为12.7%，女性的镁缺乏率大于男性。镁摄入不足、吸收障碍或者排泄增加，都可能导致镁缺乏。精神长期处于紧张状态者、饮食不均者、糖尿病群体、长期服用某些药物者和好饮酒者都容易缺镁，需要格外注意。镁元素的缺乏会影响血压，引起一系列的心脑血管疾病，还可能出现麻木、肌肉痉挛、心律失常等症状。此外，镁缺乏可导致炎性反应，引起炎性细胞因子和自由基等过度释放，从而增加慢性病的风险。日常生活中应多吃含镁丰富的绿叶菜，多摄入全谷物，少喝酒精、咖啡饮料和过度软化水。如果缺镁比较严重时，可在医师指导下适量服用镁补充剂。

4.镁的生物安全性。（1）镁在动物体内的代谢安全性。有学者取大鼠血做生化检测，结果表明对于大鼠（18周内）而言，镁合金的细胞毒性为0级，肾功能生化指标均未见异常，多余的镁离子会通过肾脏排出体外，不会对机体造成明显影响。有研究人员将不同形态镁合金内固定系统植入兔下颌骨，发现动物的心脏、肾脏和脾脏以及肝细胞结构均未出现明显异常，且在镁合金植入的8周时间内，血液中的镁离子浓度是相对平稳的，组织学、放射学检查以及大白兔的血清学检查也都未发现镁有毒性作用。

（2）镁合金降解产物的安全性。镁合金降解时有氢气产生，气体是否会对组织细胞及动物体产生危害性值得关注。2009年，相关学者用48只新西兰大白兔做相关实验，发现镁合金降解时产生的气体最终自行吸收，在气体周围的纤维组织中无炎性细胞，实验结果未发现镁合金对全身有过敏反应，说明氢气对组织不产生免疫反应和毒性作用。

（3）镁材料的微生物安全性。王湛等对30只大鼠做大肠杆菌等细菌感染实验，并植入不同材质的镁合金，通过连续监测大鼠14d后体温变化、白细胞数目和细菌鉴定，分析新型镁合金材料的抗菌能力。结果发现，将新型镁合金材料Mg3Zn、Mg3Zn1Ag、Mg3Zn3Ag植入体内，对于金黄色葡萄球菌或大肠杆菌有明显的抑制作用，且不易引起感染等并发症。此外，镁及相关材料的使用对水体的影响很小，一般认为镁不会污染环境，破坏生态平衡。