CC BY
188
ИНГРЕДИЕНТЫ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
{тема номера
УДК 664.3
Синергические
взаимодействия
антиоксидантов
в жировых продуктах
В.А. Саркисян, Е.А. Смирнова, канд. техн. наук,
А.А. Кочеткова, д-р техн. наук, профессор, В.В. Бессонов, д-р биол. наук НИИ питания РАМН
Масла, жиры и жировые продукты относятся к продуктам массового потребления, которые входят в повседневный рацион питания всех категорий населения, они являются источником эссенциальных пищевых веществ и при правильном выборе и потреблении играют важную роль в обеспечении здорового питания.
Условия высокой конкуренции на современном рынке масложировой продукции предъявляют жесткие
Вследствие технологической обработки растительных масел происходит значительная потеря многих эндогенных антиоксидантов.
требования к ее качеству и безопасности, что заставляет производителей совершенствовать технологические подходы к получению новых продуктов. В связи с этим внедрение в производственную практику инновационных пищевых ингредиентов, в том числе эффективных антиоксидантов, позволяющих создавать перспективные жировые продукты с пролонгированными сроками годности, является крайне актуальным.
Анализ фактического питания россиян, проводимый на протяжении многих лет НИИ питания РАМН, показал, что одно из нарушений, касающихся липидного состава рациона, - употребление пищи, содержащей продукты окисления жиров [1].
Развитие окислительных процессов приводит к появлению в жирах и жиросодержащих продуктах соединений перекисного характера, альдегидов, кетонов, низкомолекулярных кислот, оксикислот и других соединений. В результате жиры теряют свою пищевую ценность, становятся
Ключевые слова: перекисное окисление липидов, антиоксиданты, синергизм, комплексный подход.
Key words: lipid peroxidation, antioxidants, synergy, integrated approach.
токсичными и индуцируют развитие окислительного стресса - ситуацию, при которой наблюдается нарушение баланса между образованием активных форм кислорода и работой антиоксидантной системы защиты. Этот процесс подразумевает избыточное внутриклеточное накопление свободных радикалов, активацию процессов и накопление продуктов перекисного окисления липидов, а также является одной из универсальных форм ответа организма на воздействие неблагоприятных экзогенных и эндогенных факторов.
Процесс окисления липидов в классическом представлении идет по свободнорадикальному, цепному, автокаталитическому механизму, который обычно разделяют на три этапа: инициирование, разветвление и обрыв цепей.
Согласно классификации Ю.А. Владимирова [2], в биологических системах выделяется три разновидности радикалов. Первичные радикалы (супероксид анион-радикал, радикалы убихинонов и оксида азота) имеют специфические ферментативные пути генерации. Вторичные радикалы (гидроксильный, перок-сильный, алкоксильный и др.) образуются неферментативным путем из первичных и обладают наибольшей химической активностью. Третичные радикалы - продукты взаимодействия первичных и вторичных радикалов между собой или с антиокси-дантами. Они, как правило, имеют низкую реакционную способность.
На этапе инициирования, в результате взаимодействия синглетной формы кислорода с жирными кислотами, генерируется карборадикал (R0. Развитие цепи включает образование пероксильного радикала (ROO0, взаимодействующего со следующей молекулой жирной кислоты. Обрыв цепи происходит в результате образования третичных радикалов (например, радикалов антиоксидан-тов, А\ AOO0 или же в результате полимеризации (сополимеризации) вторичных радикалов.
Окисление липидов может быть инициировано различными факторами [3], в том числе воздействием света, наличием ионов поливалентных металлов, высокой температурой, присутствием активного кислорода, высоким содержанием ацилов ненасыщенных жирных кислот в составе липидов и прочими видами воздействия.
Ультрафиолетовое (УФ) излучение в основном оказывает влияние на двойные связи липидов, перок-сидные O-O связи, а также на карбонильные соединения. Действие УФ-излучения на первичные продукты окисления липидов является косвенным и представляет собой гомо-литическое расщепление перекис-ных соединений (HOOH, ROOH), приводящее к образованию RO^- и HO^-радикалов - истинных инициаторов окисления липидов (реакции 1а-в) [4].
ROOH RO' + 'OH ROH (1а)
In' \ф I II
(1б) (1в)
LOOM
LO + ОН
LOH
К вторичным продуктам окисления липидов, на которые оказывает влияние УФ-излучение, относятся карбонильные соединения, реакция которых приводит к образованию кар-борадикалов (реакция 2) [5].
(2)
Поливалентные металлы (железо, кобальт, медь, магний, марганец и ванадий) оказывают сильное проок-сидантное действие, находясь как в нативной форме (в виде порфири-новых комплексов), так и будучи введенными в продукт с целью его обогащения минеральными веществами [6]. Отличительной особенностью катализа перекисного окисления липидов, обусловленного поливалентными металлами, является
то, что они могут вступать в цепь окисления липидов как на этапе инициирования (реакция 3а), так и на этапе пролонгирования (реакция 3б) цепи [7], что обусловливает заметное ускорение окислительных процессов даже при наличии поливалентных металлов в следовых количествах:
Таблица 1
Взаимосвязь между содержанием ПНЖК, токоферолов и фосфолипидов в маслах [10]
RCH = CHR + M(n+IH
' LH
-CHR+M'" M"4LOOH-
-RCH-
(3a)
.: ,.:;-■}¿Гг .(3б)
Повышение температуры при технологической обработке или хранении жиров также интенсифицирует перекисное окисление липидов, что чаще всего связывают с ускорением реакции разложения перекисей до перекисных (КОО' и алкоксильных КО' радикалов. Причем увеличение температуры на каждые 10 °С приводит к ускорению реакции в два раза [8].
Именно из-за воздействия большого количества факторов, инициирующих окисление липидов, а также цепного механизма развития процессов, не существует универсального способа предотвращения окислительной порчи жировых продуктов. По этой причине необходимо оценивать основные факторы окисления липидов и подбирать соответствующие способы их ингибирования для каждой конкретной пищевой системы. Ключевой способ увеличения устойчивости жировых продуктов к окислению - введение антиоксидантов.
Перед введением в рецептуру продукта антиокислителей необходимо принимать во внимание наличие эндогенных антиоксидантов в исходных маслах, которые являются метаболитами второго рода и предотвращают процессы окисления липидов. Например, естественные количества токоферолов и фосфолипидов в растениях тесно коррелируют [9] с содержанием хлорофилла и ненасыщенных жирных кислот (табл. 1) [9].
Стоит также учитывать, что вследствие технологической обработки (дегуммирования, нейтрализации, отбеливания и дезодорации) растительных масел происходит значительная потеря многих эндогенных антиоксидантов (рис. 1) [10].
К одним из наиболее распространенных и способствующих окислению технологических приемов, применяемых в масложировой промышленности, относится эмульгирование. В процессе получения эмульсий образуется устойчивая мелкодисперсная система, в которой за счет увеличения площади контакта
Масло Содержание ненасыщенных жирных кислот, % от массы Сумма НЖ , % от массы Содержание фосфолипидов, % от массы Содержание токоферолов, мг/кг
18:1 18:2 18:3
Подсолнечное 20 60 0 80 0,5-1,2 67
Соевое 22 53 8 83 3,7 103
Кукурузное 31 52 1 84 1,2 108
Оливковое 78 7 1 86 0 13
Хлопковое 18 51 0 69 0,7-0,9 79-100
Уловители кислорода
Гасители синглетного I кислорода -с.
RH-
L
ЗАРОЖДЕНИЕ
Перехватчики
свободных
радикалов
А
Перехватчики свободных радикалов АН
\_yfiCW ROOH-
Перехватчики
свободных
радикалов
ИНИЦИАЦИЯ ; РАЗВЕТВЛЕНИЕ И ОБРЫВ : РАЗЛОЖЕНИЕ ПЕРОКСИДОВ
Перехватчики
свободных
радикалов
if tâ^f»'/
Хелаторы металлов
1 /+ЯО
* RO —
,*ион ЯОА
Продукты
разветвления цепи:
алканы, алкены,
алкины, алкадиены,
алкакатриены,
гидроксиальдегиды,
кетоны
Ди- и
полимеризованные продукты:
димеры, полимеры соединенные (-О-), С-С и/или перокси -О О-мостами Прочие продукты: Кетокислоты и гидроксикислоты
Рис. 2. Возможные пути воздействия антиоксидантов на процессы окисления липидов [12]
фаз растворенный в воде кислород активнее вступает в реакцию с жировой фазой, катализируя процессы окисления.
Кроме влияния различных факторов окисления липидов в конкретной пищевой системе также существенны условия применения антиоксидантов и особенности механизма их антиокислительного действия (рис. 2). По механизму действия ан-
Превышение оптимальной концентрации токоферолов не только не усиливает их антиокислительную активность, но и способствует прооксидантному действию.
ИНГРЕДИЕНТЫ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
{тема номера]
тиоксиданты подразделяют на первичные и вторичные.
К первичным антиоксидантам, относятся, прежде всего, перехватчики свободных радикалов, представляющие собой химические соединения, связывающие свободные липидные
Рис. 3. Распределение гидрофильных и гидрофобных компонентов в прямых и обратных эмульсиях [14]
радикалы. В результате данного взаимодействия образуются малоактивные радикалы, прерывающие цепную реакцию автоокисления. По схожему механизму действуют антиоксиданты фенольной природы, такие как токоферолы, убихинон и катехины.
В данную группу входит большинство антиокси-дантов. Их основной недостаток- отсутствие возможности влиять на процесс инициации образования цепи окисления липи-дов. Также, в связи с тем, что основой механизма ингибирования липидных радикалов является их замена на антиоксидантные радикалы, обладающие меньшей реакционной способностью, возникает риск проявления проокси-дантного эффекта при введении высоких доз антиокислителей данной группы.
Широко известно, что превышение оптимальной концентрации токоферолов не только не усиливает их антиокислительную активность, но и способ-
Таблица 2
Синергетические взаимодействия некоторых антиоксидантов
Анти-оксидант Синергист Соотношения Исследуемая модель Предполагаемый механизм взаимодействия
Токоферолы Лецитины + аскорбил пальмитат [12] 2:0,5:0,1* Окисление рыбного жира при 20 °С Восстановление токоферильного радикала и токоферилхино-на
Лецитины + аскорбил пальмитат [13] 0,05:0,5:1* Окисление этиллинолеата при 110 °С
Кверцетин [14] 7,7:15,2 Метиллинолеат + а,а'-азоизо-бутиронитрил Восстановление токоферильного радикала
( + ) Эпикатехин [14] 3,9:7,9
(-) Эпикатехин [14] 7,7:15,2
Мирицетин [15] 0,0125:0,01* Окисление триглицеридов подсолнечного масла Не предложен
Экстракт розмарина Аскорбил пальмитат [16] 0,02:0,02* Окисление маргарина при 60 °С Восстановление радикалов
Токоферол + лецитин [16] 0,02:0,02:0,1* Не предложен
( + ) Катехин Сульфит-анионы [17] 1:1 Колориметрические исследования антиоксидантов Восстановление окисленных форм катехина
Ликопин Токоферол + аскорбиновая кислота + в-каротин [18] 1:0,33:0,01:0,72 Реакция антиоксиданта с 2,2-дифенил-1-пикрилгидрази-лом ШРРН) Не предложен
Третбутил гидрохинон Пирогаллол [19] 2:1 Окисление соевого масла при 110 °С Димеризация и восстановление радикалов
Пропилгаллат [19] 1:1
Бутилгидроксианизол [19] 2:1
* Процентное содержание компонентов в системе.
ствует прооксидантному действию [11].
К первичным антиоксидантам также относятся хелаторы поливалентных металлов - вещества, способные образовывать устойчивые комплексы с металлами. Наиболее яркие представители антиоксидантов данного типа - лимонная, молочная кислоты и их соли, лецитин и эти-лендиаминтетрауксусная кислота. Данный тип антиоксидантов широко применяется в масложировой промышленности, так как почти во всех видах производств, при технологической обработке масло контактирует с металлическими поверхностями.
К вторичным антиоксидантам относятся перехватчики активного кислорода. Основные представители этой группы - Р-каротин, токот-риенолы и сквалены. Свое действие они проявляют за счет наличия в их структуре двойных связей, на окисление которых расходуется активный кислород.
При использовании антиоксидан-тов необходимо также учитывать их гидрофильно-липофильную природу. По данному признаку можно выделить две группы антиокислителей: жирорастворимые и водорастворимые. Особенно важна природа антиоксидантов при их использовании в дисперсных системах, так как в зависимости от типа эмульсии антиоксиданты проявляют совершенно разные свойства (рис. 3) [12]. Наиболее эффективным является такое сочетание типа эмульсии и антиоксиданта, при котором активный компонент сосредоточен внутри дисперсной фазы, охватывая почти всю поверхность контакта фаз. К водорастворимым антиоксидантам относятся витамины С и Р, вся группа витаминов В, микроэлементы; к группе жирорастворимых антиоксидантов - витамины А и Е, каротино-иды и некоторые другие.
Учитывая вышеописанные аспекты, становится очевидной необходимость использования антиокси-дантов с учетом механизма торможения окислительных процессов. Кроме того, важно подбирать такие сочетания антиоксидантов, которые способны комплексно воздействовать на факторы окисления липидов в конкретной пищевой системе, проявляя синергический (синерге-тический) эффект.
Явление синергизма заключается в том, что антиоксидантная активность, полученная при сочетании индивидуальных компонентов, намного превосходит суммарный вклад каждого антиоксиданта в от-
дельности. Проведено большое количество исследований, доказывающих синергический характер взаимодействия антиоксидантов, используемых в пищевой промышленности (табл. 2).
Синергический эффект может быть основан на различных типах взаимодействий компонентов. Один из наиболее часто встречающихся и хорошо описанных типов синергических взаимодействий антиоксидантов в пищевых системах -так называемый «восстановительный синергизм», обусловленный тем, что окисленная форма активного антиоксиданта восстанавливается менее активным, а потому и более стабильным антиокислителем.
В качестве наиболее яркого примера подобного рода взаимодействий можно привести комбинацию токоферолов с аскорбиновой кислотой. При их одновременном присутствии в пищевых системах аскорбиновая кислота восстанавливает токоферильный радикал до токоферола (рис. 4). Схожим принципом обусловлено большинство механизмов синергических взаимодействий с токоферолами.
Другой способ достижения синергических взаимодействий - сочетание антиоксидантов, обрывающих цепь окисления липидов с хелато-рами металлов. Как уже упоминалось выше, ионы поливалентных металлов не только разрушают гид-роперекисные группы с образованием свободных радикалов, но и могут выступать в роли инициаторов цепей окисления. В связи с этим хелатирование поливалентных металлов резко снижает скорость инициации цепей окисления, что при условии присутствия антиоксиданта, способного ингибировать свободные радикалы, приводит к значительному увеличению общей ан-тиоксидантой активности системы. Примером данных комбинаций может служить сочетание фенольных антиоксидантов с лимонной кислотой.
Интересным представляется синергический эффект, проявляющийся в случае, когда два компонента взаимодействуют с образованием более сильного антиоксиданта, активность которого значительно превышает активность изначальных компонентов. Подобный механизм проявления синергических взаимодействий характерен, например, для третбутилгидрохинона (ТБГХ) и пирогаллола (реакция 4). В результате их взаимодействия образуется ди-мер, обладающий более выражен-
ным антиоксидантным эффектом (см. формулу 4).
Несмотря на то, что данный вид синергических взаимодействий антиокислителей оказывает значительное влияние на общую антиоксидан-тную активность, в литературе информации о подобных сочетаниях пищевых антиоксидантов очень мало.
Существует достаточно широкий список бинарных и многокомпонентных систем антиоксидантов с доказанным синергическим эффектом, механизм которых изучен не до конца. В настоящее время на рынке пищевых ингредиентов представлены композиции антиоксидантов с синергическим эффектом. Наиболее часто встречаются сочетания токоферолов с аскорбиновой кислотой и аскорбилпальмитатом. Однако эффективное применение таких комплексных ингредиентов возможно только в случае полного понимания механизмов их действия, условий применения в различных пищевых системах с учетом жирнокислотного состава триглицеридов и зависимостей доза/эффект.
Исследования в данной области являются весьма перспективными в силу того, что при увеличении общей антиоксидантной активности системы становится возможным использование меньших количеств антиоксидантов, увеличение сроков годности масложировой продукции, уменьшение гигиенических рисков, связанных с потреблением продуктов окисления липидов, а также значительное снижение затрат при использовании натуральных антиоксидантов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жировые продукты для здорового питания. Современный взгляд/ Л.Г. Ипатова [и др.]. - М.: ДеЛи принт, 2GG9. - 396 с.
2. Vladimirov, Yu.A. Free radicals in the environment, medicine and toxicology/Yu.A. Vladimirov// Nohl H., Esterbauer H., Rice-Evans C. Richelieu Press. - London,1994. - C. 345-373.
3. Schaich, K.M. Lipid oxidation: theoretical aspects/K.M. Schaich// Bailey's Industrial Oil and Fat Products. - Vol 1. - Part 7. - Р. 273-3G3.
4. Bolland, J.L.//}. Chem. Soc. -1945. - P. 445-447.
5. Farmer, E.H.//}. Chem. Soc. -1943. P. 541-547.
6. Влияние различных соединений железа, введенных в состав обогащенной витаминами пшеничной
Рис. 4. Восстановление токоферильного радикала аскорбиновой кислотой
ОН он
-С<СН^+ но—j^jpOH -
Пирогаллол
ÍCH.¿f
4)
] стер оли мер
муки, на ее липидныи комплекс в процессе хранения/И.С. Воробьева [и др.]. - 2009. - Т. 78. - № 6. -С. 67-72.
7. Smith, P.//J. Chem. Soc. B., Phys. Org. Chem. - 1969. - Р. 462-467.
8. Lundberg, W.O. //J. Amer. Chem. Soc. - 1947. - № 69 - Р. 833-836.
9. Tocopherol biosynthesis: chemistry, regulation and effects of environmental factors/V.I. Lushchak [et al.]//Acta Physiol Plant (2012) 34:1607-1628 DOI 10. 10 07/s1173 8-012-0988-9.
10. Ramamurthi, S.//Proc. World Conf. Oilseed Edible Oils Process. -1998. - Vol. 1.
11. Naumov, V.V. Antioxidant and Prooxidant Effects of Tocopherol/V.V. Naumov, R.F. Vasil'ev.//Kinetics and Catalysis. - 2003. - Vol. 44. - No. 1. -Р. 101-105.
12. Frankel, E.N.//J. Sci. Food Agric. - 2000. - № 80.
Становится очевидной необходимость использования антиоксидантов с учетом механизма торможения окислительных процессов.
