CC BY
55
ПРОИЗВОДСТВО ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
УДК 544.142.3:665.36
Актуальность создания хелатных комплексов биогенных металлов и фосфолипидов для обогащения
продуктов питания
The relevance of creating chelate complexes of biogenic metals and phospholipids for the enrichment
of food products
Гл. научный сотрудник Е.П. Викторова, (Краснодарский научно-исследовательский институт хранения и переработки сельскохозяйственной продукции - филиал ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный центр садоводства, виноградарства, виноделия»), отдел контроля качества и стандартизации, тел. (861) 252-06-40 E-mail: kisp@kubannct.ru
профессор Т.Н. Боковикова,
(Кубанский государственный технологический университет), кафедра химии, тел. (861) 274-18-20 E-mail: Tbokovikova@mail. ru
ст. научный сотрудник Е.В. Лисовая (Краснодарский научно-исследовательский институт хранения и переработки сельскохозяйственной продукции - филиал ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный центр садоводства, виноградарства, виноделия»), отдел контроля качества и стандартизации, тел. (861) 252-06-40 E-mail: e.kabalina@mail.ru
Chief researcher Е.Р. Viktorova (Krasnodar Research Institute of Storing and Processing Agricultural Products Branch of the Federal State Budgetary Scientific Institution «North Caucasian Federal Scientific Center of Horticulture, Viticulture, Winemaking») quality control and standardization department, tel. (861) 252-06-40 E-mail: kisp@kubannet.ru
Professor T.N. Bokovikova, (Kuban state technological University) chair of chemistry, tel. (861) 274-18-20 E-mail: Tbokovikova@!mail.ru
Senior researcher E.V. Lisovaya (Krasnodar Research Institute of Storing and Processing Agricultural Products Branch of the Federal State Budgetary Scientific Institution «North Caucasian Federal Scientific Center of Horticulture, Viticulture, Winemaking») quality control and standardization department, tel. (861) 252-06-40 E-mail: e.kabalina@mail.ru
Реферат. Показана актуальность создания форм макро- и микроэлементов, являющихся биогенными металлами, которые позволили бы обеспечить их стабильность и биодоступность. Приведены преимущества хелатных форм макро- и микроэлементов по сравнению с пх неорганическими формами, заключающиеся в повышении их бподоступности в 3-4 раза, повышении всасываемости в кишечнике в 2 раза, а также в повышении их защищенности от ингибиторов абсорбции в 2-3 раза. Освещены факторы, влияющие на хелатообразование. Показано, что фосфолипиды способны выступать полидентатнымн лигандами прп образовании хелатных комплексов. На основании результатов изучения химического состава, структуры и свойств фосфолиппдов, полученных пз масел семян подсолнечника, установлено, что индивидуальные группы фосфолиппдов содержат в своем составе поны Na+, К+, Fe3+, Mg2+, Са2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+. Исследовано влияние природы комплексообразователеп и лигандов, пх пространственной структуры на устойчивость комплексных
С' Викторова Е.П., Боковикова Т.Н., Лисовая Е.В., 2019
промышленности
соединений, а также рассчитаны константы устойчивости комплексов. Выявлено, что фосфолипид-ные остатки фосфатидилсерина и фосфализилинозитола представляют собой тридентатные, а фос-фатидных кислоты - двухдентатные лиганды, при этом ионы металлов достаточно прочно удерживаются этими лигандами. Учитывая это, актуальной задачей является разработка инновационных методов синтеза, позволяющих целенаправленно конструировать состав эффективных комплексов макро-и микроэлементов в виде хелатных соединений и формировать их высокую физиологическую активность с учетом биомиметического подхода, предполагающего создание биоподобных молекул-моделей, структура и свойства которых подобны сложным природным биологическим молекулам.
Summary. The article shows the relevance of the need to create such forms of macro-and microelements, which are biogenic metals, which would ensure their stability and bioavailability. Advantages of chelated forms of macro- and microelements compared with their inorganic forms are presented, which consist in increasing their bioavailability by 3-4 times, increasing absorbability in the intestine by 2 times, as well as increasing their protection from absorption inhibitors by 2-3 times. The factors influencing chelation are described. It is shown that phospholipids can be used as polydentate ligands in the formation of chelate complexes. Based on the results of the study of the chemical composition, structure and properties of phospholipids obtained from sunflower seed oils, it was found that the individual groups of phospholipids contain ions Na+, K+, Fe3+, Mg2+, Ca2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+. The influence of the nature of complexing agents and ligands, their spatial structure on the stability of complex compounds were studied, and the stability constants of complexes were calculated. It was revealed that phospholipid residues of phosphati-dylserine and phosplialusilinositol are tridentate, and phosphatidic acids are two-dentate ligands, and metal ions are sufficiently strongly retained by these ligands. Taking this into account, the urgent task is to develop innovative synthesis methods that allow purposefully design the composition of effective complexes of macro-and microelements in the form of chelated compounds and form their high physiological activity taking into account the biomimetic approach, involving the creation of biosimilar molecules - models, the structure and properties of which are similar to complex natural biological molecules.
Ключевые слова: микроэлементозы, пищевые продукты, биогенные металлы, хелатные комплексы, фосфолипиды.
Keywords: the microelementoses, foods, biogenic metals, chelate complexes, phospholipids.
В последнее время особое внимание уделяется проблемам правильного питания не только со стороны представителей медицинской науки и специалистов пищевой промышленности, но и рядовых потребителей. Это обусловлено пониманием тех негативных последствий для здоровья, к которым приводят повсеместно выявляемые и широко распространенные как среди взрослого, так п детского населения нарушения структуры питания н пищевого статуса, ухудшение экологической ситуации, а также стрессовые ситуации. Это обусловливает возрастание среди населения микроэлементозов, т.е. заболеваний, вызванных дефицитом, либо дисбалансом макро- и микроэлементов в организме. Известно, что даже незначительное отклонение от адекватного поступления макро- и микроэлементов в организм приводит к существенному повышению восприимчивости к инфекциям у детей и взрослых [1].
Надежным путем, гарантирующим эффективное решение этой проблемы, является регулярное включение в рацион продуктов, содержащих необходимые макро- и микронутриенты [2].
Это обстоятельство выдвигает на первое место проблему обогащения пищевых продуктов не какими-то отдельными нутриентами, а достаточно полным их набором, включая макро- и микроэлементы. В технологическом отношении эту задачу целесообразнее решать с использованием готовых многокомпонентных смесей (премиксов), в состав которых входят витамины, минеральные вещества н другие нутриенты в требуемых соотношениях и количествах [2].
Использование премиксов является наиболее оптимальным с медицинской и социально-экономической точки зрения, способом обогащения нутриентами пищевых продуктов. Однако введение в рецептуры премиксов макро- п микроэлементов в неорганической форме имеет ряд недостатков:
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания, т 2, 2019
- свободные ионы металлов, несущие электрический заряд, с трудом всасываются в организме;
- в жесткой воде, в присутствии карбонатов, образуются плохо растворимые соединения ионов металлов, не усвояемые организмом;
- соли макро- и микроэлементов гидролизуются с образованием практически нерастворимых гидроксидов, которые выводятся из организма;
- ионы металлов из минеральных солей выступают катализаторами окисления витаминов, содержащихся в премиксах, при этом физиологическая ценность последних значительно снижается.
Таким образом, актуальной задачей является разработка таких форм макро-и микроэлементов, которые позволили бы обеспечить их высокую стабильность и биодоступность.
Известно, что в пище макро- и микроэлементы связаны с белками, аминокислотами и фосфолипидами, то есть находятся в составе органических соединений, определяющих судьбу их метаболизма в живом организме. В структуре органических соединений активность указанных элементов в организме возрастает в сотни тысяч раз по сравнению с их ионным состоянием, то есть в неорганической форме. Особый интерес представляют внутрикомплексные соединения, содержащие циклические группировки органических молекул, так называемые хелатные соединения.
В основе эффективности и безопасности применения хелатных соединений лежат естественные физиолого-биохимические механизмы усвоения макро- и микроэлементов, которые, находясь в составе хелатного комплекса, не требуют дополнительных превращений в организме и являются готовыми к всасыванию клетками эпителия тонкой кишки, что значительно повышает их усвояемость и, как следствие, оказываемое на организм физиологическое действие [3].
На основании многочисленных научных исследований и клинических испытаний можно выделить следующие преимущества хелатных форм макро- и микроэлементов по сравнению с их неорганическими соединениями:
- повышение биодоступности в 3-4 раза;
- повышение всасываемости в кишечнике в 2 раза;
- повышение их защищенности от ингибиторов абсорбции в 2-3 раза.
Кроме того, макро- и микроэлементы в хелатной форме имеют более высокую стабильность по сравнению с макро- и микроэлементами в неорганической форме, что позволяет значительно увеличить сроки сохраняемости обогащенных ими продуктов [4].
Следует отметить, что эффективность усвоения макро- и микроэлементов из хелатных соединений зависит от их констант устойчивости, так как с ними коррелируют биологические свойства соединений. В связи с этим большое значение имеют закономерности, прогнозирующие величину констант устойчивости соединений заданного состава.
Таким образом, хелатообразование является перспективным путем моделирования свойств комплексов, позволяющим целенаправленно регулировать свойства тех или иных макро- и микроэлементов. Для этих целей необходимы полидентат-ные лиганды с широким диапазоном комплексообразующих свойств.
Необходимо учитывать следующие факторы, влияющие
на хелатообразование:
- радиус иона металла, так как по своему сродству к большинству хелатирую-щих агентов они располагаются в следующем порядке (от наибольшего сродства к наименьшему): Ре3+, Н§2+, Си2+, А13+, №2+, РЬ2+, Со2+, гп2+, Ре2+, Сс12+, Мп2+, М§2+, Са2+, 1л+, Ка+, К+. В ряду металлов, являющимся первым рядом переходных элементов, 25МП, 2бРе, 27С0, 2в№, 29Си., зс^п, сродство к хелатирующим агентам последовательно увеличивается, достигая максимума у меди (Си2+). Повышение сродства к хелатирующим агентам является следствием уменьшения ионного радиуса;
Технологии пищевой и перерабатывающей пром аиленности АПК-продукты здорового питания, Ш 2, 2019
- степень ионизации хелатообразующих агентов. Вещество, обладающее меньшим сродством к металлу, может присоединить большее количество катионов металла, чем вещество, у которого это сродство выше. Это объясняется тем, что для хелатообразованпя необходимо не только наличие сродства между лигандом и металлом, но также и быстрое образование анионов лиганда из агента (или молекул лиганда), то есть эффективность хелатообразования зависит от значения константы ионизации;
- химическую природу лиганда, так как большинство металлов легче соединяются с лигандамп, содержащими кислород, а не серу. Однако Си+, Н&2+, Ав+ и 8^3+ отдают предпочтение сере; у Си2+, Ш2+ п Со2+ сродство к сере несколько выше, чем к кислороду, если сера находится в неионпзированном состоянии, как, например, в органических сульфидах.
Кроме того, известно, что металл может изменять избирательность органического лиганда следующим образом: влияя на распределение электронов в лиганде; повышая реакционную способность активного центра лиганда; вызывая изменение конформации лиганда; обеспечивая возможность присоединения или отрыва электрона; увеличивая липофильность лиганда и, следовательно, его способность проникать в живую клетку.
Важнейшее положение в арсенале биологически активных веществ занимают фосфорорганические соединения. Простые липиды (жиры, воскп, стериды) не представляют значительного интереса как потенциальные лиганды в связи со сла-бовыраженными донорными свойствами. Сложные липиды, к которым относятся фосфолипиды, представляют собой сложные эфиры многоатомных спиртов с высшими жирными кислотами, содержащие остатки фосфора. Такое строение подразумевает наличие нескольких донорных центров, поэтому фосфолипиды способны выступать полидентатными лигандами при образовании хелатных комплексов.
Ранее нами был изучен химический состав, структура п свойства фосфолипп-дов, получаемых из масел семян подсолнечника. Было установлено, что индивидуальные группы фосфолиппдов содержат в своем составе ионы Иа+, К+, Ре3+, М§2+, Са2+, Ре2+, Ре3+, Си2+. С помощью математического моделирования процессов ком-плексообразования в системах «фосфолипиды - поливалентные металлы» методом молекулярной механики была изучена пространственная структура комплексов. Кроме того, было исследовано влияние природы комплексообразователей и лиган-дов, их пространственной структуры на устойчивость комплексных соединений, а также рассчитаны константы устойчивости комплексов. Значения логарифмов констант устойчивости приведены в таблице.
Таблица
Значения логарифмов констант устойчивости комплексов фосфолипидов с поливалентными металлами
Группа фос фолппидов Значения логарифмов констант устойчивости комплексов (1« Ку)
Са2+ М§2+ Ре3+ Си2+
Фосфатидилсерины 4,08 3,76 6,29 5,21
Фосфатидилинозп-толы 3,64 3,12 5,31 4,77
Фосфатпдные кислоты 2,05 1,84 4,79 3,97
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания, т 2, 2019
Установлено, что активность при взаимодействии фосфолипидов с ионами кальция, магния, меди и железа увеличивается в ряду фосфатидные кислоты -фосфатидилинозитолы - фосфатидилсерины и выявлено, что для исследуемых групп фосфолипидов наиболее устойчивыми являются комплексы с ионами железа. Строение комплексов показывает, что фосфолипидные остатки фосфатидилсе-рина и фосфализилинозитола представляют собой тридентатные лиганды, а фосфатидные кислоты - двухдентатные лиганды, при этом ионы металлов достаточно прочно удерживаются этими лигандами.
Таким образом, при создании обогащенных продуктов питания необходимо использовать такие формы биологически активных веществ, которые обеспечат сохранение указанных веществ в нативном виде как до, так и после обогащения ими продуктов питания, а также будут способствовать их эффективному усвоению организмом человека, обеспечивая адекватную биодоступность и проявление заданных физиологических свойств.
Учитывая это, актуальной задачей является разработка инновационных методов синтеза, позволяющих целенаправленно конструировать состав эффективных комплексов макро- и микроэлементов в виде хелатных соединений и формировать их высокую физиологическую активность с учетом биомиметического подхода, предполагающего создание биоподобных молекул-моделей, структура и свойства которых подобны сложным природным биологическим молекулам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Микроэлементозы у детей дошкольного возраста: причины и профилактика / Бутаев Т.М. [и др.] // Современные проблемы науки и образования. - 2016. -№ 3. - Режим доступа: http: / /www.science-education.ru /ru /article/view?id=24859
2. Обогащение пищевых продуктов микронутриентами - надежный путь оптимизации их потребления / В.Б. Спиричев, В.В. Трихина, В.М. Позняковский // Ползуновский вестник. -2012. - № 2/2. - С. 9-15.
3. Подобед В.М. Цинк Карнозин: новая формула гастропротекции и восполнения дефицита цинка // Медицинские новости. - 2015. - № 2. - С. 17-20.
4. Роль микроэлементов в спортивном питании и безопасность металлохела-тов / Н.Н. Каркащенко и др. // Биомедицина. - 2013. - № 2. - С. 12-41.
REFERENCES
1. Mikrojelementozy u detej doshkol'nogo vozrasta: prichiny i profilaktika [Microelementosis in preschool children: causes and prevention], Butaev T.M. i dr., Sovremennye problemy nauki i obrazovanija, 2016, No 3, Rezhim dostupa: http: / / www.science-education.ru /ru /article /view?id=24859 (Russian).
2. Obogashhenie pishhevyh produktov mikronutrientami - nadezhnyj put' optimi-zacii ih potreblenija [Micronutrient fortification is a reliable way to optimize food consumption], V.B. Spirichev, V.V. Trihina, V.M. Poznjakovskij, Polzunovskij vestnik, 2012, No 2/2, pp.9-15 [Russian).
3. Podobed V.M. Cink Karnozin: novaja formula gastroprotekcii i vospolnenija def-icita cinka [Zinc Carnosine: the new formula of gastroprotective and to prevent zinc deficiency], Medicinskie novosti, 2015, No 2, pp. 17-20. (Russian).
4. Rol' mikrojelementov v sportivnom pitanii i bezopasnost' metallohelatov [The role of microelements in sports nutrition and safety of metal chelates],N.N. Karkash-henko i dr., Biomedicina, 2013, No 2, pp. 12-41 (Russian).
