海光讲堂 | 硒元素形态及其特性

硒在1817年首先由瑞典科学家Berzelius在焙烧黄铁矿制硫酸时被发现。硒在自然界中主要以六价、四价、零价和负二价的形式存在，所形成的化合物和硫类似。硒有20种同位素，其中六种为稳定同位素，其余为放射性同位素。

硒在地壳中的丰度为0.05～0.09 mg/Kg，居元素丰度第70位。硒在地壳中的分布极为不均匀，在地表土壤中的分布表现出明显的地带性差异。世界范围内的高硒区多以斑块状分布，主要集中在欧洲的爱尔兰岛和英格兰威尔士北部地区，加拿大的艾伯塔、萨斯克彻温和马尼托省，墨西哥的冠杰那托，委内瑞拉的卡拉卡士和西部平原，澳洲的昆士兰地区，中国湖北的恩施州、陕西的紫阳县、江西宜春、安徽石台、广西巴马和江苏如皋等。中国的高硒区主要分布在湖北省的西南地带，呈带状向北跨越长江三峡，向鄂西北地带延伸，到达陕西省的紫阳县境内。在20世纪50年代末，湖北恩施就有大批硒中毒病例发现；而在鄂西1923年就有地方性硒中毒的病例发生；在陕西省紫阳县，自1943年起也有硒中毒的记载。在中国，地表硒分布极不均衡(图1)，特别是从东北到西南的构成了“贫硒地带”。从东三省起斜穿至云贵高原，包括东北、东部沿海、华北、华南、华中、西北、西南等占我国国土面积的72%地区存是广大的缺硒带，其中30%为严重缺硒地区，粮食等天然食物硒含量较低。华北、东北、西北等大中城市都属于缺硒地区。

图1 中国缺硒地区分布图

人类对硒的生物医学作用的认识经历了一段漫长而曲折的过程。硒曾经被认为是有毒的元素，相当长一段时间内人们一直相信硒是致癌物质，苏联学者也做过硒致癌的研究报告。1957年，Schwarze首次证明硒是动物体内必需的微量元素之后，才使人们对硒的认识有所改变。目前，国际上应用硒防治威胁人类的重大疾病方面（如肿瘤、心血管病等）已做了大量研究工作，许多工作仍在进行中。

硒目前已被列为世界卫生组织公认的人和动物必需的14种微量元素之一。世界上40多种疾病都与缺硒有关，如癌症、心脑血管疾病、糖尿病、心脏病、高血压等。硒作为谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）的活性中心，抗氧化效果比维生素E高500倍，具有清除生物体内自由基、保护机体免受氧化损害的特异性功能，从而可以达到抗衰老的目的。硒对肿瘤和癌细胞有促进分化，抑制分裂的双向调节作用，可以抑制化学致癌剂和病毒诱导的肿瘤和癌症的发生。硒在人体内还具有抗拮有毒重金属如砷、镉、铜、汞和银等物质的作用。但是当硒的浓度在生物体内超过一定限度时，也会发生毒害作用，临床上表现为毛发脱落、指甲变形变色甚至脱落以及神经系统损害直至发展到四肢瘫痪。就整体而言我国约有72%的地区缺硒，我国人群从食物中对硒的摄入量严重不足。中国营养学会提出一个成年人每天对硒的适宜的摄入量是50微克，安全摄入量是400微克，而我国平均每人每日对硒的摄入量还不能达到40微克的水平。

在实际生物体内，通常硒仅在一个有限的浓度阈值范围内发挥作用，并且仅从调查统计得到硒与某种疾病的发病率有相关性，并不足以说明它的缺少或过多就是产生这种疾病（或毒性）的原因。可见各种硒化物的不同的生理、生物活性，及其迁移转化规律，不仅取决于硒的总浓度水平，而且同硒的不同生物化学形态以及不同生物化学形态下硒化物的浓度水平直接相关。

硒的生物活性及生理功能不仅取决于硒的总浓度水平，更取决于其存在的化学形态。一般有机态硒的毒性要远小于无机态的硒，但在生物可利用性以及生物活性上有机态硒远远高于无机态的硒。硒代氨基酸是人日常膳食中获取硒的主要来源，其中硒代蛋氨酸来自于植物体，硒代半胱氨酸来自于动物体。哺乳动物体内大部分的硒以硒代半胱氨酸的形式在相应功能蛋白中发挥生物活性作用。L-硒-甲基硒代半胱氨酸与其它有机硒相比较，具有水溶性好，体内易吸收、生物利用度高，化学结构明确，硒含量稳定等优点。对该产品在体内的生物作用和代谢机理研究表明：L-硒-甲基硒代半胱氨酸在生物体内代谢路径短，不易在生物体内产生硒积蓄毒性。是迄今为止最好的硒补充剂之一，是硒类营养强化剂的更新换代产品。作为食品营养强化剂，该产品不仅可以用于普通功能性食品的营养强化添加，还可以在保健食品领域用来开发含硒微量元素补充剂；开发具有增强免疫能力、抗氧化、辅助降血糖、辅助保护化学性肝损伤、促进排铅、缓解视力疲劳、提高缺氧耐受力等功能的保健食品；也是开发肿瘤病人术后临床营养食品的最佳选择。 

2.1  硒元素形态的基本性质

无机形态的硒主要是以 Se(II)存在的硒化物，如HSe^-, H₂Se以及金属硒化物，其中H₂Se有毒且不稳定。硒的金属化合物在土壤中可能是不溶态的；以单质硒 Se(0)存在的单质Se非常稳定，但很难溶解，在溶液中可能以胶体态存在；以 Se(IV)存在的亚硒酸及其盐，如HSeO₃^-，SeO₃^2-，以Se(VI)存在的硒酸盐，如 SeO₄^2-等。 

有机形态的硒化物通过硒直接与碳成键，生物体中存在的有机硒化合物(表1，图2)主要有： 硒代半胱氨酸、硒甲基硒代半胱氨酸 、硒蛋氨酸、硒甲基硒代蛋氨酸、硒脲、硒代胱氨酸、二甲基硒、二甲基二硒、三甲基硒等。硒代氨基酸是人日常膳食中获取硒的主要来源，其中硒代蛋氨酸来自于植物体，硒代半胱氨酸来自于动物体。哺乳动物体内大部分的硒(图3)以硒代半胱氨酸的形式在相应功能蛋白中发挥生物活性作用。这些蛋白质化合物的分子量为几千到几十万。主要的含硒蛋白根据硒在蛋白质中的存在形式，可分为四类：

(1) 含硒代半胱氨酸的蛋白质：是指那些在基因密码子UGA的编码下，硒以硒代半胱氨酸的形式特异进入蛋白质结构的那些蛋白。这类蛋白质是哺乳动物体内最重要的含硒蛋白质，动物体内约有80%的硒是以这种形式存在。

(2) 含硒代蛋氨酸的蛋白：这类蛋白质主要存在于微生物和植物中，如微生物中的硫解酶、-半乳糖苷酶、-羟丁基CoA脱氢酶、谷氨酰胺合成酶等。 

(3) 键合硒蛋白：在这类蛋白中，硒非特异地结合在蛋白质中。在普通的蛋白质分离过程中，硒不能从蛋白中去除，但硒并不存在于蛋白质的多肽链中。

(4) 其它含硒蛋白：除了上述含硒蛋白外，人们从植物中已鉴定出多种含硒的氨基酸衍生物，它们同植物蛋白质的结合形式还有待进一步研究。

目前，从哺乳动物体内分离出来的含硒蛋白或亚单位已超过20种。微生物和植物中的含硒蛋白还缺乏系统的研究。目前还很难推测生物体内存在多少种含硒蛋白。即使在已被分离的含硒蛋白中，已知功能的还只是少数。

许多日常食品都含有硒化合物, 如富硒酵母、蒜类植物、蔬菜和含硒营养品等。这些食品中硒的可利用价值由硒的化学形态决定, 硒的不同化学形态对人体的吸收、生物效应、毒性及防癌作用不同, 例如硒酸盐和亚硒酸盐会导致生物体病变, 而硒蛋氨酸是人类摄取硒元素的主要来源。目前已经证明的食品中含有的硒化合物有20多种。研究证明在日常膳食中添加适量的硒可以减少乳腺癌、肠癌、肺癌和前列腺癌的发病率。硒缺乏会导致免疫功能和甲状腺机能失调、心血管病、骨骼和心肌功能紊乱等疾病; 但是吸收过量, 却反而有毒。含硒的功能食品不仅要满足加强细胞抗氧化能力, 也要满足能够预防某些癌症的发生。提供富硒植物、硒营养物、日常富硒食品中的硒形态的生物有效性和毒性等相关信息对发展含硒的功能食品和维持人体健康非常重要。

表1 硒元素主要形态

图2  硒元素主要形态结构式

图3 硒在哺乳动物体内的代谢过程

硒是具有特殊光电性质的半导体材料，因此被广泛用于半导体器件、光电器件、太阳能电池、激光器件、光导材料、显影材料等的制造。此外，硒在玻璃，陶瓷，橡胶，染料，冶金，石油等工业方面也有着广泛的应用。

2.2 DL-硒代蛋氨酸 

别名：甲硒丁氨酸；硒代蛋氨酸；DL-硒代甲硫氨酸；硒基-DL-甲硫氨酸，英文名:DL-selenomethionine。分子式为C₅H₁₁NO₂Se，分子量为196.11。白色至类白色粉末，溶于水和甲醇。熔点(267～269)℃。储存条件-20℃。

主要功能是增加机体抗氧化能力，提高免疫力，防癌抗癌，排出体内毒素（如重金属）等。

2.3 硒脲 

英文名称：Selenourea。分子式为CH₄N₂Se，分子量为123.02。白色或微带红色针状晶体，溶于水，微溶于乙醇。熔点200℃(分解)。有毒，遇光和空气分解。受热分解有毒氧化氮，硒化物气体。

主要用于电子工业。可由硒化氢与氨基氰作用而制得。灭火剂：砂土、水、泡沫。

2.4 硒代半胱氨酸

化学式为C₃H₇NO₂Se，分子量为168.05。

硒代半胱氨酸是一种氨基酸，存在于少数一些酶中，如谷胱甘肽过氧化酶、甲状腺素5'-脱碘酶、硫氧还蛋白还原酶、甲酸脱氢酶、甘氨酸还原酶和一些氢化酶等。硒半胱氨酸的结构和半胱氨酸类似，只是其中的硫原子被硒取代。包含硒半胱氨酸残基的蛋白都称为硒蛋白。 

2.5  L-硒-甲基硒代半胱氨酸(甲基硒代半胱氨酸)

L-硒-甲基硒代半胱氨酸是一种天然存在的小分子氨基酸，是一种通常存在于大蒜、洋葱、揶菜等葱属植物中的天然含硒氨基酸。这种硒代氨基酸也存在于青花菜等植物及硒酵母中。

英文名称：L-Se-methylselenocysteine，简称L-SeMC。分子式为CH₃SeCH₂CH(NH₂)COOH(C₄H₉NO₂Se),分子量为182.08。是一种白色粉末，具蒜样气味。易溶于水，微溶于甲醇、乙醇，在丙酮、乙醚中不溶。本品有引湿性，易氧化。熔点(167～176)℃（分解）。

主要功能是营养强化剂。它广泛用于医药，食品制品等行业。用于饮料，面包，牛奶等添加剂提高人体的抵抗力，有抗癌作用。

2.6 亚硒酸钾

英文名称：Potassium selenite。分子式为K₂SeO₃，分子量为205.15，密度为2.851(g/mL,25/4℃)。白色结晶粉末，易潮解。能溶于水，微溶于醇。亚硒酸钾为剧毒品。825℃空气中加热转化成硒酸钾。875℃分解生成二氧化硒和氧化钾。不燃，火场分解排出有毒硒化物和氧化钾烟雾。

亚硒酸钾由氢氧化钾和亚硒酸反应制取。也可将等物质量的碳酸钾和亚硒酸溶液混合后煮沸除去二氧化碳，然后将其放在浓硫酸上于室温下进行蒸发浓缩，可以得到一水合物的结晶K₂SeO₃.H₂O。亚硒酸钾为分析试剂，用于陶瓷业，为饲料添加剂。

2.7 硒酸钾

英文名称：Potassium selenate。分子式为K₂SeO₄，分子量为221.16。无色、无臭的斜方晶系结晶或白色粉末。溶于水，相对密度(水=1)为3.066(20℃)。900℃开始挥发，1000℃熔化但不发生分解。本品不燃，有毒，具刺激性。受高热分解放出有毒的气体。

误服或吸入会中毒。溶液能灼伤皮肤。中毒时可见上呼吸道和眼粘膜刺激症状、头痛、眩晕、恶心、呕吐、全身虚弱等。

合成方法：将纯净的碳酸钾与等物质量的二氧化硒混合均匀，在空气中慢慢加热混合物，使温度升高至875℃，反应所得产物即为硒酸钾。通过碳酸钾或氢氧化钾溶液与硒酸溶液发生复分解反应即可生成硒酸钾的溶液，蒸发浓缩所得的溶液即可获得硒酸钾的结晶。

2.8 二甲基硒

别名：甲硒醚；二甲硒；二甲基硒醚，分子式为C₂H₆Se，分子量为109.03。无色至浅黄色液体，有大蒜气味，沸点(56～58)℃，熔点(54～55)℃，20℃时，密度为1.408g/mL。易燃，其蒸气与空气混合，能形成爆炸性混合物。二甲基硒氧化生成二甲基硒酮。

二甲基硒对呼吸道有刺激性。给大鼠和小鼠腹腔注射接近LD50的剂量后，(1-2)分钟动物呼吸加速，呼出气有大蒜气味。小鼠惊厥，可在几小时内死亡。

由元素硒和氢氧化钠、水合肼、氯甲烷和四乙基氧化胺等反应制取。用作合成试剂、催化剂和甲基化试剂。