羰基铁粉在安全毒理学与铁营养强化剂应用方面的研究进展
刘鲁林
（北京维他科技有限公司，北京 100176）
摘 要：羰基铁粉是一种黑灰色、粉末状还原型元素态铁粉，在国外大量应用于铁营养强化剂和补铁药品；美国食品化学品法典（FCC）规定食品用羰基铁粉的粒度须100%通过200目标准筛，且95%通过325目标准筛，铁含量在98%以上；安全毒理学数据证实羰基铁粉的大鼠急性经口毒性LD50为30g/kg；美国、欧盟、澳大利亚和新西兰等已允许羰基铁粉在食品中应用；目前我国食品营养强化剂GB14880名单中可用元素态铁粉有还原铁和电解质铁，羰基铁粉尚未列入。本文介绍了羰基铁粉的起源、理化性质，安全性毒理学研究和生物利用率等情况，以及作为铁营养强化剂在食品方面政策法规和国际应用状况。
关键词: 羰基铁粉、铁营养强化剂、安全性毒理学、食物强化
Research progress of safety toxicology and application as iron fortifier of Carbonyl iron powder
Liu Lu-lin，Li Ran, Chang Xin, Xu Zhong-min
(Beijing Vita Sci-tech. Co., Ltd. , Beijing 100176)
Abstract： Carbonyl iron powder ，a kind of dark gray powder is also finely divided elemental iron powder, made by the thermal decomposition of iron pentacarbonyl. It uses largely as iron nutrition fortifier and iron drugs abroad; the . Food Chemicals Codex (FCC V) provides carbonyl iron powder particle size added to foods shall be 95% through 325 mesh standard sieve and with greater than 98% pure iron. Some safety toxicological data confirm that carbonyl iron powder in mice acute oral toxicity LD50 at 30 g/kg. Carbonyl iron powder has been allowed in food applications at the United States, the European Union, Australia and New Zealand; At present, China's food nutrition fortifier GB14880 list of available elemental iron are reduced iron and electrolytic iron, carbonyl iron powder hasn’t been included. This article describes the origins of carbonyl iron powder, physical and chemical properties, safety, toxicological studies and bioavailability, etc., as well as iron nutrition fortifier on food policies and regulations and the international application status.
Key words：carbonyl iron powder(CIP)、Iron fortifier、Toxicological safety、Food fortification
羰基铁粉早在1890年由德国人研制，1925年德国开始工业化生产；二战时，美国征收了德国羰基铁粉的生产工厂后，1941年也开始生产羰基铁粉[ , ]。目前德国、美国、加拿大、国际镍公司(INCO) 、俄罗斯等少数发达国家生产羰基铁粉，我国于1958 年开始涉足羰基金属化合物领域[2]，目前已有羰基铁粉工业化产品。
羰基铁粉与五羰基化铁或羰基化铁不同，其名称并不是以其化学结构组成命名的，而是与其制造工艺相关；其生产工艺是铁块原料与一氧化碳在高温高压条件下合成生成五羰基铁络合物，液态五羰基铁经热分解形成初级羰基铁粉，初级羰基铁粉再经过还原、研磨、分级、绝缘、包覆等工艺制取一种微米级、亚微米级的超细元素态铁粉，产品平均粒度在μm，它具有纯度高、颗粒细、表面活性大，洋葱球状结构等特异性能[ ]；例如工业应用的“Micropowder® iron”和广东岳龙的YTF超细羰基铁粉、 作为铁营养补充剂用的“Ferronyl®”和“Feosol®”；美国国家环保局（US EPA）注册33种元素态铁，其中有羰基铁粉。
羰基铁粉在工业方面应用时期较长，已广泛应用于电子、兵器、化工、冶金等领域；在医药领域方面，俄罗斯专家用羰基铁粉制成补血药丸，纳米级羰基铁粉被用作注射用补铁剂，国外用于在外磁场和药物作用下治疗肿瘤等[2]；美国、澳大利亚、新西兰、瑞典和欧盟一些国家，羰基铁粉也用作铁营养补充剂[1]。
1 羰基铁粉概况
标准级羰基铁粉中铁含量不低于%，杂质为碳、氧、氮[ ]；基本上都含有～%的碳；ISP公司的“Ferronyl®”超细羰基铁粉有两种产品规格：S和R级；S级铁粉铁含量将近%，微观上葱球形结构；R级为高纯度的，铁均含量为%，氨还原反应可除去大部分残余的碳和氮，但其硬度降低，缺乏洋葱球形结构[ ]。初级羰基铁粉氧气钝化处理后，可稳定存在空气中，不会被氧化，易溶于稀酸中；Swain等在37℃和150rpm搅拌条件下，用250ml 盐酸溶解20mg羰基铁粉，测得其溶解度为%[ ] 。
美国食品化学品法典（FCC）规定了食品可添加羰基铁粉，其规格为通过五羰基铁分解得到的黑灰色元素态铁粉，在500倍或更高倍数显微镜下观察是葱球状，干燥空气中稳定，理化指标见表1[ ]。
表1 FCC V 规定食品用羰基铁粉的规格
项 目
指 标
外观性状
黑灰色粉末，性质稳定
颗粒度
100%通过200目标准筛；>95％的通过325目标准筛
铁(Fe), %
≥
酸性不溶物，%
≤
铅(以Pb计), mg/kg
≤
4
砷(以As计), mg/kg
≤
3
汞(以Hg计)，mg/kg
≤
2
羰基铁粉安全性毒理学评价
羰基铁粉作为铁营养强化剂，与其他工艺元素铁粉如电解质铁粉、还原铁粉相同，在谷类及其制品、乳粉和特殊食品中已有广泛应用；FAO/WHO食品添加剂联合委员会（JECFA）就人体对元素铁粉的最大耐受摄入量还未做评估，对元素铁的毒理学未出专论报告；但对氧化铁和含结晶水氧化铁的人体可接受量推荐值确定为㎎/㎏体重。
羰基铁粉是一种元素铁粉，其安全性毒理学评价已有深入试验研究，急性毒性试验、遗传毒性试验和传统致畸试验等数据证实铁粉的大鼠LD50会高于30g/kg、 Ames试验和小鼠骨髓嗜多红细胞微核试验结果都未见羰基铁粉有致突变作用；元素铁粉相对于其他铁剂毒理学安全性值高，试验发现羰基铁粉LD50值比硫酸亚铁和 NaFeEDTA的高45倍左右；在缺铁性贫血治疗方面与等铁剂量的硫酸亚铁的效果一样，研究表明羰基铁粉对人体是安全的，大剂量服用可能会对人体胃肠不适。
羰基铁粉动物毒理学评价
早在1950年，Shelanski 等报道过羰基铁粉的大鼠和豚鼠经口急性毒性；大鼠羰基铁粉灌胃量为5、10和15g/kg的，两周后存活率100%，无不良反应；实验结果总结羰基铁粉的大鼠和豚鼠LD0 (所有动物存活的剂量) 是10-15g Fe/kg ，LD100 (所有动物致死剂量) 为50-60 g Fe/kg[ ]； 1974年，Sacks和Crosby报道对于铁严重缺乏的 和正常的大鼠，羰基铁粉胃内剂量达2g也没有出现毒性反应[ ]；之后1978年，Sacks & Houchin 采用粒径规格为90% <8μm、 65% <6μm并 10% <4μm的羰基铁粉对三周龄的正常Whistar大鼠和铁轻度缺乏的Whistar大鼠进行毒理试验，对应的经口单次剂量分别为1g和2g；2h、5h、24h和5days后观察大鼠并未出现腹泻等不良反应；解剖后无胃肠损伤；并且大鼠缺铁状况明显好转[4]。后期，Dunkel 等人1999年推定3μm羰基铁粉的大鼠经口LD50为30 g/kg[9] , 2002年Whittaker研究SD雄性大鼠对羰基铁粉的准确毒理性时，发现其LD50可能会超过30g/kg，达40-50 g/kg；以上数值都远高于人体可能摄入量的10倍（成年人铁UL值为50mg/day）。
Dunkel 等人1999年进行了体外遗传毒性试验，粒径3μm羰基铁粉在六个鼠伤害沙门细菌检测链的回复突变试验中结果为阴性；而在新陈代谢活性不计的淋巴瘤试验出现了突变反应，作者推断大部分金属铁是不会对DNA有影响，原因可能是氧化还原反应产生的中介物可能导致基因突变[ ]；Pigeon（1999年）实验发现小鼠慢性羰基铁粉补充剂过量，会在肝脏内产生铁沉积，但是12月观察期后并没有出现肝纤维化和/或肝癌[ ]。
羰基铁粉与其他铁剂的毒理学安全性比较
Whittaker 等2002年，在研究羰基铁粉（40 g/kg和50 g/kg）对雄性SD大鼠准确毒理性时，并与硫酸亚铁（、5、、、和 ，即～ g/kg Fe）和NaFeEDTA（5、10、、15、20、30和40g/kg，即～ g/kg Fe）进行了毒理比较；在24h内对照组、羰基铁粉组、NaFeEDTA最低剂量组的大鼠存活率100%，硫酸亚铁的两个最高剂量组和NaFeEDTA 的四个最高剂量组的大鼠存活率为零；从表2中数据可看出硫酸亚铁和 NaFeEDTA的 LD50分别为 g/kg和 Fe g/kg，羰基铁粉的最大剂量值比它们毒理数值高45倍左右。[ ]
表2 不同剂量铁剂对24h存活SD大鼠体内铁含量变化情况
试样
死亡率
铁剂量
（mg/kg）
体重
（g）
肝脏重（g）
肝中非血红素铁(μg/g)
肝脏总非血红素铁(μg/g)
血清铁
(μg/dL)
对照
0/8
0
121
43
252
229
FeS04
1/8
900
118
246*
1249*
277
2/8
1000
130
242*
1431*
178
4/8
1100
138
305*
1973*
355
7/8
1200
140
345
2130
1135
羰基铁粉
0/8
40000
89
*
448*
1687*
406*
0/8
50000
92
*
407*
1582*
358
NaFeEDTA
0/8
650
139
*
69
493
430*
4/8
1300
122
98
563
366
7/8
1625
112
157
623
490
* 表示为与对照相比差异显著
羰基铁粉相对于其他铁剂的LD50高的原因，Huebers等1986年已对此研究过，他通过SD大鼠经口试验发现羰基铁粉、硫酸亚铁和氯化铁在不同胃酸pH下的溶解度和吸收率不同，羰基铁粉在pH3和6时，溶解度和平均吸收率都低于1%，胃液pH对羰基铁粉的溶解和吸收情况见表3；体内研究表明胃酸pH高于2时，羰基铁粉不会溶解和吸收，对比发现二价和三价铁在pH 3的吸收率很好，并且二价铁在pH 6吸收率也很好[1, ]。
表3 pH对羰基铁溶解度和吸收率的影响[1]
总铁(μg)
pH
铁溶解量(μg)
铁吸收量(μg)
283
107
21
283
<1
<1
20,000
2560
306
20,000
3
2
Huebers等认为元素铁首先要在胃酸中转化成二价铁才可以吸收，羰基铁粉摄入过多，胃酸pH会上升，铁粉不再溶解。同样，FCIP声明提供Ferronyl ®羰基铁粉作为替代亚铁盐，最主要原因是它的本身的安全性（声称有30-150倍毒理数值降低）[ ]；意外过量摄入羰基铁粉，毒理反应慢，会有充足时间救治。
羰基铁粉的人体毒理学情况：
Sack等1974年报道，服用6克羰基铁粉的志愿者，对铁粉的表观吸收率非常好，无腹部绞痛，仅有轻度腹泻，没有其他毒理性报告[9]。Crosby等1978年报道，他本人服用了10克羰基铁粉，无任何毒性反应，该作者认为如果是相同剂量的硫酸亚铁就会严重性中毒[ ]。对于羰基铁粉在治疗铁缺乏性贫血方面，Devasthali等1991年做过羰基铁粉与硫酸亚铁的生物利用率对比试验，他通过对49位成年非孕期女性捐血者进行随机双盲试验；这些捐血者血细胞比容低于35%( L/L)、平均红细胞体积(MCV)<85 fl 并铁蛋白小于12 μg/L，受试者每天晚睡前服用胶囊，含羰基铁粉（100mg, n=24）或者硫酸亚铁（100mg Fe2+，n=25），持续16周；1、3、6、12和16周对每个测试者进行检测。试验结果显示，硫酸亚铁和羰基铁粉在铁缺乏性贫血治疗过程中等剂量是等效的[ ]；但由于羰基铁粉依赖胃酸的缘故，其吸收利用没有铁盐快。
对于羰基铁粉的动物和人体的可接受日摄入量，尽管还缺乏足够长期研究来避免铁过量摄入引起综合病症，然而动物和人体的准确毒理数据表明：这种元素态铁即使高剂量摄入也没有毒性。一些临床服用羰基铁粉研究数据：一天一次或两次共服用3000mg，连续28天[ ]；一天三次共服用1800mg，三个周[ , ]；一天服用100mg ，连续16个周[16]；证实人体服用羰基铁粉是安全的，然而服用高剂量的羰基铁粉会对胃肠有不适反应，因此其摄入量应有限制，胃肠疾病患者应谨慎使用铁粉。
3 羰基铁粉的生物利用率
食物强化中铁剂类型的选择主要关注两个方面，一是生物利用率，通常以硫酸亚铁作为标准，其他铁剂与其相比的值×100得出相对生物利用率（RBV）作为指标；另一方面是看其加入后是否改变食物的颜色和味道[22]。
羰基铁粉产品类型有差异，同时生物利用率（RBV）测定方法不一样，因此得到的测定值也会有差异。 Swain等人2003年报道，采用血红蛋白饱和/解离比率的方法，测定了羰基铁粉（FerronylTM）的相对生物利用率，用足量的硫酸亚铁和元素铁粉强化的食物喂养缺铁型小鼠，铁剂吸收后的RBV值是羰基铁粉（Ferronyl, .）为64、电解质铁分别为54（A-131, .）和46（印度）、H-还原铁42(AC-325, .)、还原铁24( ATOMET 95SP, Canada) 、 CO-还原铁21(RSI-325, Sweden) [ ]。
Hoppe等人2006年报道，对比了7种食物中可添加元素铁（含2种羰基铁粉）的生物利用率，硫酸亚铁组作为对照，用双盲随机试验研究三组男性捐血者（16人/组）食用铁强化食品后，通过血清中铁浓度上升来计算铁剂的RBV值；Ferronyl TM羰基铁粉为是和CF（德国）羰基铁粉为。[ ]
羰基铁粉的溶解吸收会受胃酸pH影响，但在治疗铁缺乏性贫血方面效果与其它铁剂相同；羰基铁粉与硫酸亚铁混在面粉中，每100g面粉强化铁量分别为5、10、20、30mg铁，用铁强化面粉烘烤为面包；铁缺乏小鼠（5只/组）用这些面包喂养（唯一食物），对照组无铁，两个周内测定贫血情况；通过血球比率值评价，面粉中羰基铁和硫酸亚铁的强化效果是相同的。[ ]Swain等证实羰基铁铁粉在缺铁性贫血治疗方面比电解质铁和还原铁粉效果更好[6]；国内也开展用羰基铁粉做补血剂的研究[2]。
4 羰基铁粉作为铁补充剂的政策法规和在食品中应用情况：
羰基铁粉作为铁补充剂的政策法规
美国，三种元素态铁粉（电解质铁粉、羰基铁粉和还原铁粉）允许添加到食品中，列入公认安全（GRAS）名单中。美国联邦法规汇编（CFR）第21篇（美国食品药品管理局[(a)]）中描述元素态铁可由还原铁、电解质铁和羰基铁粉提供。美国EAFUS (食品中可添加物) 数据库中，元素铁归为ASP类，意味着可找到最新的完整毒理学数据。
欧盟国会和2006年12月的理事会的EC法规中第1925条：规定食品中可添加维生素和矿物质，元素铁中包含羰基铁粉；据报道，在瑞典大约有一半食品强化铁是应用羰基铁粉[17]。
在CAC食品法典标准CAC/GL 10-1979 (1983、1991补充，2008修订)《婴幼儿食品中使用的矿物质盐和复合维生素的参考清单》中列有羰基铁粉（FCC）。
羰基铁粉作为铁补充剂的应用情况
美国仅用于强化面粉和其他食品的元素铁粉数量就达到了450吨/年, 羰基铁粉在国外已有应用，据报道美国用于食品的铁强化剂中,约50%为元素态铁粉；同样在英国还原铁粉也被广泛用于强化面粉并加入许多早餐谷物产品[ ]。
澳大利亚和新西兰，根据当地食品法典规定在普通食品中元素铁粉（含羰基铁粉）添加量为铁每日推荐摄入量RDI值的30%（12 mg/day）；作为着色剂的氧化铁按照GMP按需添加；根据条规规定食品中铁剂添加量为 mg/100kJ～ mg/100kJ[1]。2002年澳大利亚和新西兰食品法规委员会对条款进行了增补，重申允许电解质铁或还原铁可添加到基于谷类的婴儿食物中。
5 结束语
综合来看，羰基铁粉作为铁营养强化剂在国外已应用多年，微米级超细羰基铁粉生产工艺日趋完善，其毒理学安全性有深入研究，并且其治疗铁缺乏性贫血方面与二价铁盐等具有同剂量的同治疗效果，由于其毒理安全数值低于常规铁剂的30～150倍[12,13]，并且在体内溶解吸收决定于胃酸pH，因此在补铁药剂方面也应用较多。
羰基铁粉中铁含量高、钝化后的铁粉稳定性强，空气中氧化还原性弱等优点，在大宗食物强化中相对于其他铁剂来讲，强化成本低廉；但也存在其生物利用率相对低、元素铁粉在食物强化时不能与抗酸性物质混合、以及铁粉用量大对食物感官品质的影响等不利因素；关于不同工艺的元素铁粉的生物利用率，以前有报道认为在面粉或谷物粉中电解质铁粉相对于羰基铁粉和还原铁粉的人体利用率高、效果好等，但后期的研究也报道羰基铁粉的生物利用率较高，这可能是由于不同工艺元素铁粉自身颗粒度、表面活性和比表面积以及试验测定方法的差别等，出现来源于不同厂家的同类型元素铁粉的人体利用率也有差别的现象。不同类型元素铁粉人体利用率、食物强化效果和成本的综合比较国内报道不多；此外，纳米级羰基铁粉在医药方面应用已有报道，其特性、优势以及生产和食物强化方面应用情况了解不多，也应更多关注。
Evaluation of a new class 1 substance Carbonyl iron IJEACCM 05 May 2007
罗永弟.超细羰基铁的发展、市场及应用前景.特钢技术.2001年第2 期：72-76.
BASF(2005).Carbonyl iron powders. BASF AG, Ludwigshafen, Germany. Website data.
Sacks PV & Houchin DN (1978). Comparative bioavailability of elemental iron powders for repair of iron deficiency anaemia in rats. Studies of efficacy and toxicity of carbonyl iron. The American Journal of Clinical Nutrition, 31:566-573.
ISP (2005b). Micropowder® iron. Carbonyl Iron Powder (Fe). ISP Household and Specialties. International Specialty Products (ISP).
Swain J & Hunt J (2002). Carbonyl iron is a more effective haemoglobin repletion agent than electrolytic or reduced iron powder. Proceedings of the North Dakota Academy of Science,56:59.
FOOD CHEMICALS CODEX ,FIFTH EDITION,2004，the national academies press Washington, . 229-230
Shelanski HA (1950). Acute and chronic toxicity tests of carbonyl iron powder. Bulletin of the National Formulary Committee, 18(5-6):87-94.
Sacks PV & Crosby WH (1974). Bioavailability and toxicity of carbonyl iron. Clin Res,22:562A. (Abstract only).
Dunkel VC, San RHC, Seifried HE & Whittaker P (1999). Genotoxicity of iron compounds in Salmonella typhimurium and L5178Y mouse lymphoma cells. Environmental and Molecular Mutagenesis 33:28-41.
Pigeon C, et al.(1999).Carbonyl-iron supplementation induces hepatocyte nuclear changes in BALB/CJ male mice. J Hepatol, 30(5):926-934.
Whittaker P, Ali SF, Imam SZ & Dunkel VC (2002). Acute toxicity of carbonyl iron and
sodium iron EDTA compared with ferrous sulfate in young rats. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 36:280-286.
Huebers HA, Brittenham GM, Csiba E & Finch CA (1986). Absorption of carbonyl iron. J Lab Clin Med, 108:473-478.
FCIP (2005). Ferronyl® Carbonyl Iron Powder: A safer choice for iron supplements. Information for Bariatric Surgery Physicians & Patients. Bariatric Advantage® Nutritional Supplements.
Crosby, . (1978). Prescribing iron? Think safety. Arch Intern Med, 138:766.
Devasthali SD, Gordeuk VR, Brittenham GM, Bravo JR, Hughes MA. Keating LJ (1991).Bioavailability of carbonyl iron: a randomised, double-blind study. Eur J Haematol, 46(5):272-278.
Gordeuk VR, Brittenham GM, McLaren CE, Hughes MA & Keating LJ (1986). Carbonyl iron therapy for iron deficiency anaemia. Blood, 67(3):745-752.
Gordeuk VR, Brittenham GM, Hughes MA & Keating LJ (1987a). Carbonyl iron for short-term supplementation in female blood donors. Transfusion, 27(1):80-85.
Gordeuk VR, Brittenham GM, Hughes M, Keating LJ & Opplt JJ (1987b). High-dose carbonyl iron for iron deficiency anaemia: a randomised double-blind trial. Am J Clin Nutr, 46(6):1029-1034.
Swain JH, Newman SM & Hunt JR (2003). Bioavailability of elemental iron powders to rats is less than bakery-grade ferrous sulfate and predicted by iron solubility and particle surface area. J Nutr, 133:3546-3552.
Hoppe M, Hulthen L & Hallberg L (2006). The relative bioavailability in humans of elemental iron powders for use in food fortfication. European Journal of Nutrition, 45:37-44.
PDR (2005). Iron. PDR health. Physicians Desk Reference. At .
刘鲁林.铁营养强化剂的应用.中国食品添加剂增刊 FIC2009 学术论文集, 163-168.
PAGE
PAGE 8
