Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Курсовая работа
По дисциплине
Товароведение и экспертиза продовольственных товаров
Тема
Характеристика каротиноидов плодов и овощей
2010
Содержание
Введение
1. Обзор литературы
1.1 Химическая природа, свойства и виды каротиноидов
1.1.1 Физико-химические свойства каротиноидов
1.1.2 Химическая природа и виды каротиноидов
1.2 Содержание каротиноидов в плодах и овощах
1.3 Роль каротиноидов для организма человека
1.3.1 Значение и функции
1.3.2 Нормы потребления
1.3.3 Усвоение каротиноидов организмом человека
1.4 Методы количественного определения каротиноидов
1.5 Использование каротиноидов
Заключение
Список использованных источников
Введение
Каротиноиды — наиболее многочисленная и широко распространенная группа природных пигментов. Они обнаружены у всех представителей растительного царства, как в фотосинтезирующих, так и в нефотосинтезирующих тканях, а также часто встречаются у микроорганизмов. Они полностью или частично обуславливают окраску многих животных, особенно птиц, рыб, насекомых, являются основой зрительных пигментов, ответственных за восприятие света и различение цветов. Они нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях.
Каротиноиды образуются высшими растениями, водорослями, фототрофными бактериями и рядом хемотрофных бактерий. Кроме того, каротиноиды синтезируют некоторые мицелиальные грибы и дрожжи. Присутствуют каротиноиды также в организме некоторых членистоногих, рыб, птиц и млекопитающих, но самостоятельно эти пигменты не образуются, а поступают с пищей и служат источником обогащения организма витамином А. Каротиноиды находятся у растений и микроорганизмов в свободной форме, могут образовывать гликозиды, каротино-белко-вые комплексы, но значительно чаще встречаются в виде эфиров, длинноцепочечных жирных кислот.
К группе каротиноидов относят вещества, окрашенные в желтый или оранжевый цвет. Наиболее известные представители каротиноидов — каротины — пигменты, дающие специфическую окраску корням моркови, а также лютеин — желтый пигмент, содержащийся наряду с каротинами в зеленых частях растений. Окраска семян желтой кукурузы зависит от присутствующих в них каротинов и каротинои-дов, получивших название цеаксантина и криптоксантина. Окраска плодов тома-та обусловлена каротиноидом ликопином.
1. Обзор литературы
1.1 Химическая природа, свойства и виды каротиноидов
1.1.1 Физико-химические свойства каротиноидов
По химической природе каротиноиды относятся к огромному классу терпеноидов, включающих также эфирные масла, фитогормоны, стероиды, сердечные гликозиды, жирорастворимые витамины, млечный сок. Их углеводородная структура состоит из цепи двух или более изопренов (С5
-углеводородов). Каротиноиды относятся к тетратерпенам; они состоят из длинных ветвящихся углеводородных цепей, содержащих несколько сопряженных двойных связей, заканчивающихся на одном (α-каротин) или обоих концах (β-каротин) кольцевой циклической структурой — иононовым кольцом.
Длинная цепь сопряженных двойных связей образует хромофор всех каротиноидов, что позволяет отнести их к природным пигментам. Человеческому глазу каротиноиды с 7–15 конъюгированными двойными связями видятся в цвете от желтого до красного. Их хромофорные электронные системы находятся также под влиянием других дополнительных двойных связей и различных функциональных групп (например, карбонильной, эпокси-группы и др.), которые также оказывают влияние на поглощение волн света определенных длин и, как следствие, на цвет молекул. [2]
К общим свойствам каротиноидов можно отнести их нерастворимость в воде и хорошую растворимость во многих органических растворителях (хлороформе, бензоле, гексане, петролейном эфире, четыреххлористом водороде и др.). Гидроксилсодержащие каротиноиды лучше растворяются в спиртах (метанол, этанол). Растворы каротиноидов в органических растворителях при спектрофотометрических исследованиях дают характеристические полосы поглощения в основном в видимой области спектра, а стереоизомеры показывают их также и в ультрафиолетовой области. Это один из наиболее точных показателей, используемых при идентификации этих веществ.
Характерной является также особенность каротиноидов избирательно абсорбироваться на минеральных и некоторых органических абсорбентах, что позволяет разделять их при помощи методов хроматографирования.
Для отдельных каротиноидов характерны некоторые специфические реакции, в том числе цветные. [10]
Следует учитывать, что каротиноиды в чистом виде характеризуются высокой лабильностью — они весьма чувствительны к воздействию солнечного света, кислорода воздуха, нагреванию, воздействию кислот и щелочей. Под воздействием этих неблагоприятных факторов они подвергаются окислению и разрушению. В тоже время, входя в состав различных комплексов (например, протеиновых), они проявляют большую стабильность. [9]
1.1.2 Химическая природа и виды каротиноидов
Известна классификация каротиноидов, основанная на различиях химического строения этих пигментов. Каротиноиды делят, например, на каротины (содержат только углерод и водород) и гидроксикаротиноиды, в молекулу которых входит также кислород. Последние называют иногда общим термином ксантофиллы. Другая химическая классификация делит каротиноиды на ациклические, моноциклические и бициклические, Имеется также классификация каротиноидов, в основу которой положены отличия в функциональном значении этих пигментов. [3]
В зависимости от степени поглощения каротиноиды разделяются на 2 группы: каротины и ксантофилы. Все незамещенные каротиноиды — каротины. Они не содержат атомов кислорода, являются чистыми углеводородами и обычно имеют оранжевый цвет. Наиболее известный представитель этой группы — β-каротин. Каротиноиды, окрашенные в цвета от желтого до красного характеризуются наличием кислородсодержащих функциональных групп и называются ксантофилами. Продукты распада дифференцируются как апо-, секо- и норкаротиноиды.
Из-за многочисленных двойных связей, обычно циклического окончания молекул и наличия ассимметричных атомов углерода каротиноиды имеют разнообразные конфигурации и стереоизомеры с различными химическими и физическими свойствами. Большинство каротиноидов имеют цис- и трансгеометрические изомеры. Атом углерода с 4 различными заместителями обусловливает возможность оптических R- или S-изомеров. Эти различия между молекулами одной и той же формулы оказывают заметное влияние на физические свойства и на эффективность каротиноидов как пигментов.
Одна из характерных особенностей этих соединений — наличие в них значительного числа сопряженных двойных связей, образующих их хромофорные группы, от которых зависит окраска. Все натуральные каротиноиды могут рассматриваться как производные ликопина — каротиноида, обнаруженного в плодах томатов, а также в некоторых ягодах и фруктах. Эмпирическая формула ликопина С40
Н56
. Строение ликопина представлено на рисунке 1
Рисунок 1 – химическая структура ликопина
Путем образования кольца на одном или обоих концах молекулы ликопина образуются его изомеры: α-, β- или γ-каротины (рисунки 2, 3, 4).
Рисунок 2 – химическая структура α-каротина
Рисунок 3 – химическая структура γ-каротина
Рисунок 4 – химическая структура β-каротина
Сопоставляя формулы, можно заметить, что α-каротин отличается от β-изо-мера положением двойной связи в одном из циклов, расположенных по концам молекулы. В отличие от α- и β-изомеров γ-каротин имеет только лишь один цикл. [2]
Каротины являются веществами, из которых образуется витамин А. Поскольку ликопин и каротины содержат 40 углеродных атомов, они могут рассматриваться как образованные восемью остатками изопрена. Все без исключения другие природные каротиноиды — производные четырех указанных выше углеводородов: ликопина и каротинов. Они образуются из этих углеводородов путем введения гидроксильных, карбонильных или метоксильных групп или же путем частичной гидрогенизации или окисления. [4]
В результате введения в молекулу β-каротина двух оксигрупп образуется каротиноид, содержащийся в зерне кукурузы и называемый цеаксантином С40
Н56
О2
(3,3'-диокси-β-каро-тин), его строение представлено на рисунке 5.
Рисунок 5 – химическая структура цеаксантина
Введение двух оксигрупп в молекулу α-каротина приводит к образованию лютеина С40
Н56
О2
(3,3'-диокси-α-каротина), изомера цеаксантина, обнаруженного наряду с каротином в зеленых частях растений. В результате присоединения к молекуле β-каротина одного атома кислорода с образованием фураноидной структуры получается каротиноид цитроксантин С40
Н56
О, содержащийся в кожуре цитрусовых (рисунок 6).
Рисунок 6 – химическая структура цитроксантина
Продуктами окисления каротиноидов с 40 углеродными атомами в молекуле являются кроцетин С20
Н24
О4
, биксин С25
Н30
О4
и β-цитраурин С30
Н40
О2.
Кроцетин – красящее вещество, находящееся в рыльцах крокуса в соединении с двумя молекулами дисахарида гентиобиозы в виде гликозида кроцина. Кроцетин представляет собой дикарбоновую кислоту (рисунок 7).
Рисунок 7 – химическая структура кроцетина
Биксин – пигмент красного цвета, содержащийся в плодах тропического растения Bixa orellana, применяется для подкраски масла, маргарина и других пищевых продуктов (рисунок 8).
Рисунок 8 – химическая структура биксина
β-Цитраурин находится в кожуре плодов цитрусовых, его строение представлено на рисунке 9.
Рисунок 9 – химическая структура β-цитраурина
В бурых водорослях обнаружен каротиноид фукоксантин С40
Н60
О6
, который принимает участие в процессе фотосинтеза в качестве так называемого вспомогательного пигмента (рисунок 10).
Рисунок 10 – химическая структура фукоксантина
В организме человека и животных каротиноиды играют важную роль в качестве исходных веществ, из которых образуются витамины группы А, а также «зрительный пурпур», участвующий в зрительном акте. В растительном организме каротиноиды играют важную роль в процессе фотосинтеза. [2]
Исходя из химического строения каротиноидов, содержащих значительное количество двойных связей, можно предполагать, что они являются в растении переносчиками активного кислорода и принимают участие в окислительно-восстановительных процессах. На это указывает широкое распространение в растениях кислородных производных каротиноидов — эпоксидов, чрезвычайно легко отдающих свой кислород.
Примером такого кислородного производного может служить диэпоксид β-каротина (рисунок 11). [19]
Рисунок 11 – химическая структура диэпоксида β-каротина
Каротиноиды легко образуют перекиси, в которых молекула кислорода присоединяется по месту двойной связи и может затем легко окислять различные вещества. Каротиноиды в качестве основной структурной единицы имеют изопрен (рисунок 12).
Рисунок 12 – химическая структура изопрена
Фитол и каротиноиды так же, как терпены, гутта, каучук и рассматриваемые ниже стероиды, представляют собой изопреноиды.
В настоящее время фитол, каротиноиды, терпены, каучук, гутту, стероиды, а также убихиноны, пластохиноны, витамин Е и витамин К объединяют общим термином терпеноиды.
Исходным материалом для синтеза терпеноидов является радикал ацетила СН3
СО, а промежуточным продуктом, образующимся при биосинтезе терпеноидов из соединений, содержащих активный ацетил, — мевалоновая кислота. [1]
1.2 Содержание каротиноидов в плодах и овощах
Несмотря на то, что каротин может быть получен с помощью химического синтеза, его производят преимущественно из природного сырья.
В качестве источников каротина используют растения, бактерии, водоросли и грибы с высоким содержанием целевого вещества.
Каротиноиды в зеленых листьях составляют примерно 0,07 — 0,2-% при расчете на сухую массу листьев. В отдельных исключительных случаях наблюдается, однако, очень высокая концентрация каротиноидов. Например, в пыльниках многих видов лилий содержатся очень большие количества лютеина и каротиноида, называемого антераксантином. [21]
Каротиноидные композиции у различных групп и видов живых организмов не только отличаются по количественному содержанию, но и различны по качественному составу. Следует отметить, что в природе каротиноиды могут находиться в различных состояниях: в свободном виде они чаще встречаются в пластидах растений, мышечной ткани рыб, яйцах птиц, в виде эфиров жирных кислот — в хроматофорах и эпидермальных структурах растений, в форме каротин-протеинов — в эпидермальных тканях животных и т. д. [2]
В большинстве фруктов и овощей основным или иногда даже единственным источником активности витамина А является β-каротин. Единственным исключением здесь является морковь, содержащая примерно 30 каротиноидов в виде α-каротина. В таблице 1 приводится содержание других каротиноидов в продуктах. Значения по криптоксантинам зачастую не дифференцируют — преобладающей является их β-форма, а α-форма представлена гораздо меньшим количеством. Содержание β-каротина эквивалентно сумме β-каротина и половины присутствующих α-каротина и криптоксантинов; значение эквивалента ретинола составляет одну шестую от эквивалента β-каротина. В ликопене активности витамина А не наблюдается. [22]
Таблица 1
Содержание каротиноидов в продуктах, мкг/100г съедобной части
| № п/п |
Продукт |
Каротиноидные фракции |
||||
| α-Каротин |
β-Каротин |
β-Криптоксантин |
Эквивалент каротина |
Эквивалент ретинола |
||
| Бобовые
|
||||||
| 1 |
Стручковая фасоль (мунг), сырая |
20 |
20 |
20 |
40 |
7 |
| 2 |
Кормовые бобы, замороженные отварные без соли |
12 |
220 |
0 |
225 |
37 |
| 3 |
Зеленая фасоль / французская фасоль, отваренная без соли |
52 |
494 |
0 |
520 |
87 |
| Горошек
|
||||||
| 4 |
Зеленый горошек, сырой |
19 |
290 |
0 |
300 |
50 |
| 5 |
Зеленый горошек, отваренный без соли |
7 |
245 |
0 |
250 |
41 |
| 6 |
Зеленый горошек, замороженный, отваренный без соли |
26 |
558 |
0 |
571 |
95 |
| 7 |
Зеленый горошек, консервированный, разогретый, без жидкости |
15 |
526 |
0 |
534 |
89 |
| Овощи разные
|
||||||
| 8 |
Спаржа, сырая |
10 |
310 |
0 |
315 |
53 |
| 9 |
Спаржа, отваренная в соленой воде |
0 |
389 |
0 |
389 |
65 |
| 10 |
Баклажан, сырой |
60 |
40 |
0 |
70 |
12 |
| 11 |
Баклажан, жаренный на кукурузном масле |
110 |
70 |
0 |
125 |
21 |
| 12 |
Свекла, сырая |
20 |
10 |
0 |
20 |
3 |
| 13 |
Морковь старая, сырая |
4070 |
10400 |
0 |
12500 |
2080 |
| 14 |
Морковь молодая, сырая |
3380 |
6120 |
0 |
7810 |
1300 |
| 15 |
Морковь молодая, отваренная без соли |
3420 |
5990 |
0 |
7700 |
1280 |
| 16 |
Морковь, консервированная разогретая подсушенная |
729 |
1710 |
0 |
2070 |
345 |
| 17 |
Кабачки-цуккини, сырые |
0 |
550 |
0 |
610 |
100 |
| 18 |
Кабачки-цуккини, поджаренные на кукурузном масле |
0 |
450 |
0 |
500 |
83 |
| 19 |
Капуста кудрявая, сырая |
0 |
3130 |
32 |
3150 |
525 |
| 20 |
Капуста кудрявая, отваренная без соли |
0 |
3350 |
33 |
3380 |
560 |
| 21 |
Тыква (сорт карела), сырая |
95 |
295 |
0 |
345 |
57 |
| 22 |
Салат-латук, сырой |
0 |
1020 |
0 |
1023 |
171 |
| 23 |
Бамия, сырая |
30 |
500 |
0 |
515 |
85 |
| 24 |
Бамия, отваренная без соли |
29 |
450 |
0 |
465 |
77 |
| 25 |
Стручковый перец, капсикум, зеленый, сырой |
9 |
260 |
0 |
265 |
44 |
| 26 |
Стручковый перец, зеленый, отваренный в соленой воде |
8 |
235 |
0 |
240 |
40 |
| 27 |
Тыква, сырая |
14 |
445 |
0 |
450 |
75 |
| 28 |
Тыква, отваренная в соленой воде |
29 |
940 |
0 |
450 |
75 |
| 29 |
Шпинат, сырой |
0 |
3520 |
35 |
3540 |
589 |
| 30 |
Шпинат, отваренный без соли |
0 |
3820 |
39 |
3840 |
640 |
| 31 |
Зеленый лук, сырой |
0 |
2620 |
216 |
2630 |
438 |
| 32 |
Зеленый лук, отваренный без соли |
0 |
2260 |
23 |
2270 |
378 |
| 33 |
Сладкая кукуруза (зерно), консервированная, разогретая, без жидкости |
0 |
22 |
180 |
110 |
19 |
| 34 |
Сладкая кукуруза, в початке, цельная, отваренная без соли |
0 |
14 |
115 |
71 |
12 |
| 35 |
Помидоры, сырые |
0 |
564 |
0 |
564 |
94 |
| 36 |
Помидоры, жаренные на кукурузном масле |
0 |
740 |
42 |
765 |
125 |
| 37 |
Помидоры, жаренные на гриле |
0 |
1790 |
97 |
1840 |
306 |
| 38 |
Помидоры, консервированные |
0 |
362 |
0 |
362 |
60 |
| Фрукты
|
||||||
| 39 |
Абрикосы, сырые |
2 |
405 |
0 |
405 |
67 |
| 40 |
Абрикосы, консервированные в сиропе |
0 |
810 |
0 |
810 |
135 |
| 41 |
>Авокадо
|
8 |
540 |
0 |
545 |
91 |
| 42 |
Ежевика, сырая |
4 |
78 |
0 |
80 |
13 |
| 43 |
Ежевика с сахаром |
3 |
61 |
0 |
62 |
10 |
| 44 |
Вишня, сырая |
4 |
23 |
0 |
25 |
4 |
| 45 |
Вишня, консервированная в сиропе |
4 |
15 |
0 |
17 |
3 |
| 46 |
Клементины |
5 |
73 |
0 |
75 |
13 |
| 47 |
Крыжовник, с сахаром |
3 |
40 |
0 |
41 |
7 |
| 48 |
Грейпфрут, сырой |
9 |
12 |
0 |
17 |
3 |
| 49 |
Гуава, сырая |
0 |
380 |
110 |
435 |
73 |
| 50 |
Киви |
0 |
40 |
0 |
40 |
7 |
| 51 |
Мандарины, консервированные в собственном соку |
7 |
92 |
0 |
95 |
16 |
| 52 |
Мандарины, консервированные в сиропе |
7 |
105 |
0 |
105 |
18 |
| 53 |
Манго, зрелые, сырые |
0 |
682 |
27 |
696 |
116 |
| 54 |
Дыня-канталупа |
19 |
1760 |
0 |
1770 |
294 |
| 55 |
Арбуз |
0 |
116 |
0 |
116 |
19 |
| 56 |
Нектарины |
0 |
114 |
0 |
114 |
19 |
| 57 |
Апельсины |
26 |
14 |
39 |
47 |
8 |
| 58 |
Маракуйя |
410 |
360 |
370 |
750 |
125 |
| 59 |
Папайя, сырая |
0 |
130 |
1365 |
810 |
135 |
| 60 |
Персики, сырые |
0 |
119 |
0 |
119 |
19 |
| 61 |
Груши, сырые |
0 |
17 |
3 |
18 |
3 |
| 62 |
Груши, сырые, без кожуры |
0 |
18 |
3 |
19 |
3 |
| 63 |
Слива, сырая |
23 |
355 |
19 |
376 |
63 |
| 64 |
Сливы, консервированные в собственном соку |
15 |
135 |
0 |
140 |
23 |
| 65 |
Сливы, готовые к употреблению |
27 |
125 |
0 |
140 |
3 |
| 66 |
Мандарины сацума |
5 |
73 |
0 |
75 |
13 |
| 67 |
Танжерины |
6 |
94 |
0 |
97 |
16 |
| Фруктовые соки
|
||||||
| 68 |
Апельсиновый сок, без добавления сахара |
2 |
5 |
21 |
17 |
3 |
1.3 Роль каротиноидов для организма человека
1.3.1 Значение и функции
Хотя многие аспекты физиологических функций каротиноидов остаются невыясненными до конца, можно с уверенностью утверждать, что они играют важную роль в различных физиологических процессах, без которых жизнь в существующей форме была бы невозможна.
Одна из важнейших функций каротиноидов — А-провитаминная активность. Человек и животные не способны синтезировать витамин А, который является незаменимым для зрения, роста, репродукции, защиты от различных бактериальных и грибковых заболеваний, нормального функционирования кожи и слизистых. Витамин А не образуется и в растительных тканях, и может быть получен только путем преобразования провитамин-А активных каротиноидов (прежде всего β-каротина, а также α-каротина, криптоксантина, 3,4-дигидро-β-каротина, астаксантина, кантаксантина и др.). [6]
Ранее исследования показывали, что β-каротин, будучи антиоксидантом, снижает вероятность заболеваний раком людей, употребляющих много продуктов, богатых β-каротином. Но последние крупные исследования показали, что β-каротин увеличивает риск раковых заболеваний у курильщиков. В ходе ряда исследований было доказано, что употребление β-каротина приводит к увеличению вероятности заболевания раком легких и раком простаты курильщиков, а также людей, работающих на асбестовом производстве .
Однако это действие каротина относится только к курильщикам и людям контактирующим с вредными веществами. Это связано с тем, что бета-каротин активизирует канцерогенные вещества, находящиеся в табачном дыме и асбесте. А канцерогены в свою очередь повреждают человеческие клетки и превращают их в раковые. [12]
В то же время, витамин А и его производные ретиноиды - можно использовать при нарушении процессов керотинизации, а также для профилактики и лечения некоторых раковых заболеваний. В основу этих рекомендаций положены данные о том, что ретиноиды способны влиять на рост опухолей путем воздействия на иммунную систему, на дифференциацию ткани (особенно эпителиальной), на адгезивные свойства клеток и клеточные взаимодействия. Витамин А и его производные оказались эффективным средством при лечении прелейкемического синдрома, канцеромы языка, меланомы. Особенно ценным в действии ретиноидов на опухоли является то, что эффект этих соединений основан на иных механизмах подавления роста злокачественных клеток, чем при использовании обычной цитотоксической хемотерапии. [2]
Представляет интерес влияние каротиноидов на эндокринную систему, особенно это касается полового развития и созревания, оплодотворения, прохождения репродуктивных процессов.
Еще одна важная функция — способность образовывать комплексы с протеинами. Известно, что маленькие молекулы (так называемые аллостерические эффекторы) изменяют агрегационное состояние протеинов, тем самым стабилизируя их протеиновую и энзимовую активность. Эта способность также обуславливает изменения проницаемости мембран.
Каротиноиды могут косвенно поддерживать водный баланс организма, способствуют работе обонятельных рецепторов и хеморецепторов.
Считается, что каротиноиды (ксантофилы) используются как запас кислорода в нейрональной дыхательной цепочке и потому важно их наличие в кислородных клетках и тканях.
Учитывая существующую взаимосвязь между высокой каротиноидной и кальциевой концентрацией, в особенности в компонентах митохондрий с каротиноидсодержащими мембранами, можно заключить, что эти липохромы играют большую роль в транспорте кальция через мембраны. [7]
Установлена иммуностимулирующая роль каротиноидов. Например, обнаружено, что рыбы с высоким содержанием каротиноидов были значительно более устойчивы к инфекционным и грибковым заболеваниям; цыплята — устойчивы к энцефалопатии и т.д. Каротиноиды увеличивают цитостатическую активность клеток-киллеров, замедляют рост опухоли и ускоряют ранозаживление. Они также проявляют аппетитстимулирующую активность (и физиологически, и этиологически).
Весьма важной, проявляющейся внешне, функцией каротиноидов является их способность обеспечивать яркую окраску организмов, которая может выполнять сигнальную функцию, нести информацию.
Отмечено, что продукты разложения каротиноидов также обладают специфическими физиологическими функциями: например, участвуют в синтезе фитогормонов. [8]
1.3.2 Нормы потребления
Согласно методическим рекомендациям по нормам рационального питания 6 мкг бета-каротина эквивалентны 1 мкг витамина А. Среднее потребление в разных странах 1,8-5,0 мг/сутки. Верхний допустимый уровень потребления не установлен. Физиологическая потребность для взрослых - 5 мг/сутки. Ликопина следует употреблять порядка 5 мг в сутки, верхний допустимый уровень потребления — 10 мг в сутки. Рекомендуемый уровень потребления лютеина в России — 5 мг в сутки. Верхний допустимый уровень потребления — 10 мг в сутки.
Благодаря контролируемому превращению бета-каротина в витамин А избыточное потребление бета-каротина не приводит к развитию гипервитаминоза А. Избыточный прием каротиноидов при различных заболеваниях (гиперлипемия, сахарный диабет, нефротический синдром или гипертиреоз) может вызывать гиперкаротедермию, которая проявляется в желтоватом оттенке кожи в основном ладоней и подошв стоп. При уменьшении или прекращении приема каротиноидов желтый цвет исчезает. [14, 16]
1.3.3 Усвоение каротиноидов организмом
человека
Человек и животные не могут синтезировать каротиноиды de novo, их поступление зависит только от источников питания. Усвоение каротиноидов, как и других липидов, происходит в дуоденальной области тонкого кишечника. Под влиянием желудочно-кишечной среды (например кислотности желудочного сока), наличия специфических рецепторов протеинов каротиноиды могут разрушаться окислителями или энзимами или метаболизировать, как например β-каротин в витамин А в слизистой. Провитаминные свойства β -каротина и его окислительное преобразование в витамин А являются общими для всех животных. Согласно принятой гипотезе β -каротин превращается в витамин А в слизистой кишечника под воздействием фермента каротиндиоксигеназы. Молекула β -каротина, которая теоретически должна образовывать 2 молекулы витамина А, уменьшается с одного конца цепи в результате последовательного окисления до ретиналя (С20
-соединения) и образует одну молекулу витамина А. Другие каротиноиды также могут проявлять А-провитаминную активность. [11, 24]
Установлено, что содержащиеся в продуктах питания каротиноиды далеко не полностью усваиваются организмом. Находясь внутри неповрежденных клеток растительных продуктов, каротиноды ресорбируются в кровь обычно в очень малой степени. Значительно лучше происходит усвоение из мелко измельченных и предварительно обработанных продуктов, в которых клеточные мембраны разрушены.
Кроме того, важным фактором для усвоения каротиноидов организмом является наличие жировой среды. Еще в 1941 году было установлено, что количество каротина, усвояемого организмом из сырой моркови при диете, лишенной жиров, не превышает 1%. При тех же условиях из вареной моркови усваивается 19% каротина. После добавления растительного масла усвоение каротина увеличивается до 25%. [5, 9]
1.4 Методы количественного определения каротиноидов
В настоящее время каротиноиды изучены очень хорошо. Замечательные успехи, достигнутые биохимией в области выделения, очистки, установления структуры изучения биохимических реакций каротиноидов, были сделаны благодаря гениальному по простоте и изяществу методу хроматографического адсорбционного анализа, разработанному в 1903 г. М.С. Цветом.
Хроматографический метод.
Принцип этого метода заключается в том, что сложная смесь различных окрашенных веществ, растворенных в каком-либо органическом растворителе, например смесь различных каротиноидов, полученная путем экстрагирования листьев петролейным эфиром или сероуглеродом, пропускается через вертикально поставленную стеклянную трубку, наполненную адсорбентом. В качестве адсорбента могут быть использованы карбонат кальция, тальк, крахмал и другие вещества. Так как каждый из содержащихся в растворе пигментов обладает определенной, только ему свойственной способностью адсорбироваться на заполняющем трубку адсорбенте, то происходит разделение этих пигментов, и каждый из них концентрируется в строго определенном слое адсорбента. В стеклянной трубке с адсорбентом, называемой адсорбционной колонкой, получается несколько полос, окрашенных в разные цвета, в зависимости от того, какой пигмент адсорбировался в том или ином слое адсорбента. Слой адсорбента, содержащий тот или иной пигмент, вынимают из трубки, и адсорбированное вещество, отделенное таким образом от других присутствующих в растворе веществ, может быть экстрагировано (элюировано) из адсорбента с помощью какого-либо другого растворителя, например спирта. Выделенные таким образом пигменты могут быть подвергнуты повторному хроматографическому анализу на других адсорбентах и с другими растворителями. Если данный пигмент представляет собой смесь двух и трех изомеров, имеющих одинаковую эмпирическую формулу, но различающихся лишь незначительными особенностями своих структурных формул, то с помощью дальнейшего хроматографического анализа можно разделить такие, весьма близкие по своим свойствам изомеры. Этим методом были разделены, выделены в чистом виде и исследованы три изомера каротина, имеюгцие одинаковую эмпирическую формулу С40
Н56
. С помощью хроматографического анализа было показано также, что пигменты желтой кукурузы представляют собой смесь трех каротиноидов — лютеина, криптоксантина и цеаксантина. [9]
Хроматографический адсорбционный анализ, разработанный Цветом на смесях окрашенных веществ, в настоящее время нашел широчайшее применение при разделении, выделении и исследовании самых разнообразных веществ, не обладающих окраской. Благодаря этому методу удается разделение, очистка и получение в чистом виде витаминов, аминокислот, белков, пептидов, ферментов, различных неорганических веществ и т. д. При разделении и идентификации очень малых количеств веществ исключительно большую помощь оказывает биохимикам одна из разновидностей хроматографического анализа — так называемая распределительная хроматография на бумаге, разработанная английскими биохимиками А. Мартином и Р. Сингом. Она основана на том, что различные вещества по-разному диффундируют и распределяются на листе фильтровальной бумаги, пропитанном смесью определенных органических растворителей.
Особенно чувствительными разновидностями хроматографии являются называемые тонкослойная и газовая хроматографии, которые находят все бол широкое применение в биохимии, биоорганической химии и пищевой химии.
Газовая хроматография в настоящее время — наиболее точный и быстрый метод анализа липидов. [13]
Методы извлечения каротиноидов.
Традиционные методы извлечения каротиноидов из природных объектов состоят в гомогенизировании биомассы при охлаждении (процесс проводят обычно в присутствии антиоксидантов в темноте), извлечении пигментов полярными растворителями, например ацетоном или метанолом. Далее каротиноиды переводят в неполярные растворители — гексан или петролейный эфир. Индивидуальные пигменты получают путем хроматографирования в тонком слое адсорбента (силикагель, алюминий). При использовании последнего сорбента разделение каротиноидов целесообразнее проводить в системе растворителей, содержащей различное количество гексана и ацетона. При разделении ксантофиллов перед тонкослойной хроматографией на силикагеле проводят предварительный щелочной метанолиз. Если каротиноиды связаны с белками, то для их извлечения используют детергенты, например тритон Х-100 (2 %) или додецилсульфат натрия (1%).
Первоначальную информацию о строении выделенного каротиноида дает исследование спектров поглощения пигмента в видимой области. Эти данные наряду с принятыми химическими методами исследования каротиноидов (озонолиз, восстановление NaBH4
и др.) позволяют составить представление о возможной структуре пигмента. Далее определяют сравнительную полярность изучаемого пигмента в разных хроматографических системах.
Масс-спектрометрия.
Масс-спектрометрия используется для установления молекулярной массы каротиноида и особенностей строения. Информацию о наличии определенных функциональных групп в пигменте могут дать ИК- и ЯМР-спектры. Стереохимия каротиноида является конечным этапом его изучения. Наиболее полные данные о стереохимии каротиноида можно получить, используя спектры кругового дихроизма и низкотемпературные спектры поглощения (при температуре жидкого азота). Окончательное заключение о строении изучаемого каротиноида дают рентгеноструктурный анализ и тотальный синтез полиена. Следует отметить, что все перечисленные выше анализы могут быть проведены с небольшим количеством образца (около 10 — 20 мг), что в значительной степени содействовало развитию в последние годы химии каротиноидов. [9, 23]
1.5 Использование каротиноидов
Уже в течение многих лет каротиноиды широко применяются в сельском хозяйстве, медицине и пищевой промышленности. Их присутствие во многих природных продуктах делает их идеально пригодными для этой цели.
Каротиноиды получают с помощью химического синтеза и путем выделения из природных источников — растений и микроорганизмов. Химическим путем получают β-каротин, витамин А, β-апо-8-каротиналь, этиловый эфир β-апо-8-каротиновой кислоты, кантоксантин и ряд других каротиноидов, синтез которых осуществляется в заводских масштабах. Традиционными источниками получения каротиноидов служат также некоторые растения - морковь, тыква, трава, шиповник, облепиха и др. Наряду с этим все шире в тех же целях используют мицелиальные грибы и дрожжи. Как продуценты каротиноидов представляют также интерес бактерии и водоросли. [20]
β-Каротин используют главным образом в пищевой промышленности, а также при изготовлении лекарств и косметических средств. β-Каротин и ликопин применяют как пигментные вещества и красители при изготовлении таких пищевых продуктов, как колбасы и ветчинные изделия, сливочное масло. Как краситель используют также β-апо-8-каротиналь, придающий оранжевую окраску многим кондитерским изделиям, сырам и овощным пастам. [18]
В пищевые жиры, особенно в сливочное масло и маргарин, добавляют β-Каротин, благодаря чему организм получает дополнительное количество необходимого для него витамина А, а масло - более привлекательный цвет. Масло нагревают до 30'С и добавляют вытяжку из моркови или β-каротин, который при такой температуре хорошо растворяется в масле. Водорастворимые или по крайней мере диспергируемые в воде производные β-каротина, кантаксантин и апокаротиноиды, применяются для окрашивания напитков и других пищевых продуктов. В Италии существует давняя традиция добавлять каротиноиды в макаронные изделия. β-Ка-ротин и β-апо-8-каротиналь добавляют также в сыры и овощные пасты. Эти же каротиноиды используют для окраски яичного желтка (β-апо-8-каротиналь добавляют в пищевой рацион кур). [2]
Часто каротиноиды-красители используют в сочетании с аскорбиновой кислотой, что обеспечивает большую стабильность пигментов. Для лучшей сохранности каротиноидов при использовании их в качестве красителей применяют также особые препаративные формы пигментов. Каротиноиды растворяют в маслах или готовят вододисперсные формы: в такой форме пигменты заключают в микрокапсулы (наиболее удобная форма сохранения каротиноидов). Велико значение каротиноидов, в частности ликопина, при изготовлении колбас и ветчинных изделий, где, они могут заменить нитрит натрия. Как краситель используют также β-апо-8-каротиналь, придающий оранжевую окраску леденцам, пищевым пастам, кексам и другим кондитерским изделиям. [15]
В медицине каротиноиды используются главным образом для профилактики или лечения авитаминоза А. В этих случаях рекомендуется пищевой рацион, богатый каротиноидами, или специальные препараты. Вместе с тем, как недавно показано, при некоторых кожных заболеваниях, которые обостряются под действием солнечного излучения, каротиноиды играют защитную роль. В частности, большие дозы β-каротина значительно смягчают симптомы эритропоэтической Порфирии. Для этой болезни характерно нарушение метаболизма порфиринов, в результате чего они накапливаются в организме и начинают играть роль фотосенсибилизаторов. У таких больных под влиянием солнечного света появляется зуд, жжение и отечность. В настоящее время рассматривается также возможность использования каротиноидов. Кроме того, установлено, что каротикаротиноиды оказывают терапевтический эффект на развитие рака кожи, индуцируемого УФ-излучением или диметилбензантраценом. [2]
Заключение
Каротиноиды представляют собой классический пример группы природных пигментов. Все члены этой группы обладают очень близкой структурой, основанной на сопряженном полиеновом хромофоре, который и обуславливает их светопоглощающие свойства. Они дают возможность наблюдать четкую корреляцию между максимумом поглощения и длиной хромофора. Каротиноиды чрезвычайно широко распространены у живых организмов и принимают участие во всех фотофункциях, обычно связанных с природными пигментами.
Использование каротиноидов в качестве пищевых добавок, красителей и провитаминов А уже происходит в большиз количествах и постоянно расширяется. Это связано с увеличением спроса на природные красители, которые часто предпочитают синтетическим красящим веществам, а также с налаженным промышленным производством каротиноидов. Если число каротиноидов, которые могут быть использованы, и особенно диапазон красок, который может быть получен, увеличаться, то применение каротиноидов станет еще более широким.
Несомненный интерес представляют данные о том, что β-каротин оказывает терапевтический эффект на развитие рака кожи, индуцируемого УФ-излучением или диметилбензантраценом. Установлено, что и другой каротиноид — кантаксантин, а также полиен фитоин обладают антираковой активностью в отношении рака кожи, индуцированного УФ-излучением.
Таким образом, изучение каротиноидов весьма перспективно и позволяет широко использовать эти соединения в промышленности, медицине и сельском хозяйстве.
Список использованных источников
1. Карнаухов, В.Н. Биологические функции каротиноидов/ В.Н. Карнаухов. – М.: Наука, 1988. – 240 с.
2. Бриттон Г. Биохимия природных пигментов: пер. с англ. / Г. Бриттон. – М.: Мир, 1986. – 422 с.
3. Гудвин Т. Сравнительная биохимия каротиноидов: пер. с англ. Ф. В. Церевитина/ Т. Гудвин. – М.: Мир, 1974. – 541 с.
4. Гудвин Т. Введение в биохимию растений: Пер. с англ. под ред. В.Л. Кретовича/ Т. Гудвин, Э. Мерсер. – М., 1986. – 630 с.
5. Дмитровский А.А. Экспериментальная витаминология/ А. А. Дмитровский, Островская Ю. М. - Минск.: Наука и техника, 1979. – 233 с.
6. Душейко А.А. Витамин А / А.А. Душейко. – Киев: Наукова Думка, 1988. – 512 с.
7. Конъ И.Я. Биохимические механизмы действия витамина А / И.Я. Конь. - М.: Ин-т питания АМН СССР, 1987. – 216 с.
8. Коротилова А.И. Витамины / А.И. Коротилова, Е.П. Глушанков. – СПб.: 1976. – 273 с.
9. Кретович В.Л. Биохимия растений: Учеб. – 2-е изд., перераб. и доп.; для биол. спец. ун-тов / В.Л. Кретович. – М.: Высш. шк., 1986. – 503 с.
10. Метлицкий Л.В. Основы биохимии плодов и овощей / Л. В. Метлицкий.– М.: 1976. – 203 с.
11. Овчаров К.Е. Витамины растений / К.Е. Овчаров.– М.: 1969. – 492 с.
12. Кротов С.М. Популярная медицинская энциклопедия: 4-е издание/ С.М. Кротов, А.Г. Шлепаков - Ульяновск.: “Книгочей”, 1997. – 165 с.13. Аркадьева З.А. Промышленная микробиология: Учеб. пособие для вузов по спец. «Микробиология» и «Биология» / З.А. Аркадьева, А.М. Безбородов, И.Н. Блохина [и др.]. – М.: Высш. шк., 1989. – 688 с.
14. Савинов Б.Г. Каротин (провитамин А) и получение его препаратов. / Б.Г. Савинов. - Киев: Наукова Думка, 1978. – 264 с.
15. Семенов В.Ф. Пигменты пищевых производств (меланоидины)/ В.Ф. Селеменов, О.Б. Руданов, Г.В. Славянская, Н.В. Дроздова. –М.: Дели принт, 2008. – 246 с.
16. Сисакян Н.М. Биохимия и физиология витаминов/ Н.М. Сисакян. – М.: Колос, 1953. – 254 с.
17. Скорикова Ю.Г. Полифенолы плодов и ягод и формирование цвета продуктов: учебник/ Ю.Г. Скорикова. – М.: Пищ. пром-ть. – 1973. – 230 с.
18. Слепнева А.С. Товароведение плодоовощных, зерномучных, кондитерских и вкусовых товаров / А.С. Слепнева, А.Н. Кудяш, П.Ф. Пономарев. –2-е изд., переработанное. – М.: Экономика, 2007. –243 с.
19. Стайлер Л.К. Биохимия/ Л.К. Стайлер.– М.: Мир., 1985. – 476 с.
20. Гончарова В.Н. Товароведение пищевых продуктов/ В.Н. Гончарова, Е.Я. Голощапова. - М.: Экономика, 1990 г. – 263 с.
21. Третьяков Н.Н. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений/ Н.Н. Третьяков, Е.И. Кошкин, Н.М. Макрушин [и др.]. - М.: Колос, 2000. – 180 с.
22. Химический состав и энергетическая ценность пищевых продуктов: справочник Мак Канса и Уиддоусона/ пер. с англ. под общ. ред. А.К. Батурина. – СПб.: Профессия, 2006. – 416 с.23. Энциклопедический словарь - М.: Большая советская энциклопедия, 1955. – 864с.
24. Яковлева Н.Б. Химическая природа нужных для жизни витаминов/ Н.Б. Яковлева. - М.: Просвещение, 2006. – 120 с.