MINERÁLNÍ LÁTKY. Minerální látky v potravinách

Transkript

1 MIERÁLÍ LÁTKY vymezení a klasifikace minerálních látek chemické formy esenciální minerální látky a stopové prvky toxické prvky vliv minerálních látek na vlastnosti potravin a reakce probíhající v potravinách některé anorganické sloučeniny v potravinách Minerální látky v potravinách 1. chemické prvky (kromě a ) obsažené v popelu potraviny (tj. ve zbytku po totální oxidaci organické hmoty potraviny) 2. anorganické látky a anorganické části metalobiomolekul a sloučenin nekovů a polokovů (P, i, B, As, e) Popel přibližný ukazatel celkového obsahu minerálních látek Původ minerálních látek a anorganických složek přirozené složky potravin kontaminanty přídatné látky a přísady 1

2 Klasifikace minerálních látek Podle obsahu Podle významu Podle výskytu majoritní prvky (makroelementy) obsah: stovky a tisíce mg/kg (a), K, Mg, a, l, P stopové prvky (mikroelementy) obsah desítky mg/kg a méně esenciální prvky (nezbytné, obligatorní) majoritní + Fe, Zn, u, Mn, (i, o), r, i, (Mo, B), e, I, F toxické prvky Pb, d, g, As neesenciální prvky invariabilní prvky vyskytují se u všech organismů (a, Fe, Zn ) variabilní prvky přítomny jen v některých organismech 1 2 e 3 Li 4 Be 5 B F 10 e 11 a 12 Mg 13 Al 14 i 15 P l 18 Ar 19 K 20 a 21 c 22 Ti 23 V 24 r 25 Mn 26 Fe 27 o 28 i 29 u 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 e 35 Br 36 Kr 37 Rb 38 r 39 Y 40 Zr 41 b 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 d 49 In 50 n 51 b 52 Te 53 I 54 Xe 55 s 56 Ba 57 La 72 f 73 Ta 74 W 75 Re 76 s 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 g 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra 89 Ac e 59 Pr 60 d 61 Pr 62 m 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 y 67 o 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu 90 Th 91 Pa 92 U 93 p 94 Pu 95 Am 96 m 97 Bk 98 f 99 Es 100 Fm 101 Md 102 o 103 Lr 2

3 hemie minerálních látek Typy chemických forem prvků volný (hydratovaný) kation/anion komplex kovu s anorganickým ligandem rozpustný komplex kovu s organickým ligandem* kovalentní sloučenina prvku organokovová sloučenina málo rozpustná sůl prvek vázaný na vlákninu příklad Fe 2+, Fe 3+, l [u( ) 4 ( 3 ) 2 ] 2+ selenocystein 3 gx šťavelan vápenatý * viz přehled ligandů na dalším snímku ěkteré ligandy kovů obsažené v metalobiomolekulách aminokyseliny oligopeptidy organické kyseliny sloučeniny P (kys. fytová, nukleotidy ) se střední mol. hmotností porfyriny a koriny polypeptidy nízkomolekulární vysokomolekulární bílkoviny komplexy kovů s bílkovinami a metaloproteiny polysacharidy polynukleotidy 3

4 Komplexní sloučeniny M + L ML M + n L ML n K 1 = β 1 = [ML] / [M][L] β n = [ML n ] / [M][L] n centrální ion kovu (elektrofil) ligand (nukleofil) donorové atomy ligandu:,, stabilita závisí na vzájemné afinitě kovu a ligandu ligand s nábojem (anion) vs. ligand jako neutrální molekula A konstanta stability An vázány koordinačně-kovalentní (dativní, donor-akceptorovou) vazbou měkké a tvrdé Lewisovy kyseliny (ionty kovu) a Lewisovy báze (ligandy) roste s počtem koordinačních vazeb roste s počtem cyklů v molekule komplexu: cyklické komplexy cheláty jsou stabilnější (obvykle obsahují s pěti- nebo šestičlenné cykly) závisí na sterických faktorech (objemný ligand méně stabilní k.) Komplexy kovů s aminokyselinami vazba kovu s karboxylem a aminoskupinou (jednoduché aminokyseliny) Zn Zn + 3 okyselení: přeměna chelátu Zn(Gly) 2.2 na zinečnatou sůl glycinu vazba kovu také s dalšími funkčními skupinami stabilnější cheláty M M(ys) 2 M M(is) 2 4

5 Komplexy kovů s peptidy Příklady komplexů kovů s oligopeptidy M M M M(Gly-Gly-Gly) M(Gly-Gly-is) M(Gly-Gly-is)( ) Peptidy obsahující cystein tvoří velmi stabilní komplexy s kovy fixace prvků (včetně toxických) do komplexů možnost skladování prvku v buňce nebo odklizení přebytku glutathion γ-glu-ys-gly n fytochelatiny, E-peptidy (γ-glu-ys-) n Gly n = 2 až 7 polypeptidy obsahující velký podíl ys metalothioneiny 5

6 Metalothioneiny (zkratka MT) polypeptidy nebo bílkoviny schopné vázat kovy výskyt: obratlovci, bezobratlí (např. korýši), rostliny, houby a kvasinky živočišné tkáně a orgány obsahující MT: játra, ledviny, sliznice střeva, pankreas, mozek struktura: MT savců obsahují aminokyselinových zbytků (z toho 20 ys), M r = 6 8 ka v jedné molekule MT může být vázáno až 7 atomů kovů nebo polokovů (např. Zn, d, u, As ), případně až 12 (u +, Ag + ) 1 62 schéma aminokyselinové sekvence savčích metalothioneinů cystein jiná aminokyselina Komplexy kovů s bílkovinami a metaloproteiny prosté komplexy kovů s bílkovinami vznikají nahodile podle okamžitých reakčních podmínek; každá bílkovina má mnoho donorových skupin (aminoskupiny a karboxyly a konce, funkční skupiny v postranních řetězcích AK zbytků ), takže komplexy s ionty kovu mohou vzniknout mnoha různými způsoby, vznik komplexů souvisí s isoelektrickým bodem a hodnotou p prostředí zvláště snadno vznikají komplexy kyselých bílkovin (vysoký obsah Asp nebo Glu) a fosfoproteinů s kovy v metaloproteinech je kov (kovy) vázán pravidelným a charakteristickým způsobem v konkrétním místě makromolekuly, vazba kovu často souvisí s biologickou funkcí metaloproteinu některé funkce metaloproteinů katalytická (metaloenzymy) skladovací a přenosová skladovací a detoxikační (metalothioneiny) 6

7 ěkteré metaloproteiny obsahující Fe Kategorie emové proteiny ehemové proteiny Metaloproteiny hemoglobiny myoglobiny cytochromy katalásy, peroxidásy ferritiny transferrin (Tf) laktoferrin konalbumin (ovotransferrin) ferredoxiny akonitasa prolyl- a lysyl-oxidasy lipoxygenasy Výskyt krev obratlovců svalová tkáň obratlovců všeobecné rozšíření obratlovci: játra, slezina většina rostlin krevní plasma obratlovců mléko vaječný bílek zelené rostliny, savci, mikroorganismy všeobecné rozšíření živočišné tkáně semena rostlin Poznámka přenos 2 skladování 2 enzymy enzymy skladování Fe, obsahuje mnoho atomů Fe přenos Fe, 2Fe/Tf podobný transferrinu identický s Tf slepice Fe- proteiny: Fe 2 2, Fe 4 4 Fe 4 4 enzym enzymy enzymy truktura metaloproteinů kovy: Zn, u, Mn, Fe, i, o, Mo... ligandy zbytky kyselých AK (Glu, Asp), is, ys, Thr, Tyr, malé molekuly a ionty (, 3 2, 2, 2 2 ) porfyriny a další heterocykly prostorové uspořádání: oktaedr, tetraedr, trigonální bipyramida M příklad tetraedrického uspořádání vazby kovu v metaloproteinu: vazbu vytvářejí donorové atomy vody, asparagové kyseliny a dvou jednotek histidinu 7

8 Fe- klastry ferredoxinů ys ys Fe Fe ys ys Fe Fe Fe Fe Metaloporfyriny protein Fe II hem II Fe spojení hemu a proteinu (např. myoglobin) R Mg II chlorofyly chlorofyl a (R = 3 ) chlorofyl b (R = =) 3 8

9 alší sloučeniny kovů komplexy s organickými kyselinami (citronová, vinná, šťavelová ) nerozpustné soli kyselin (fosforečnany, fytát železitý, šťavelan vápenatý) komplexy kovů s polysacharidy (a pektin) a organokovové sloučeniny methylrtuť 3 g +,sloučeniny Pb, n (Et 4 Pb, Bu 4 n, Bu 3 nx ) 3 loučeniny nekovů a polokovů chemické formy halogenů: ionty halogenidové (l, I ), oxoanionty (I 3 ) sloučeniny selenu: e-analoga sirných aminokyselin L-selenocystein L-selenomethionin e e 3 sloučeniny fosforu: kyselina fosforečná 3 P 4, difosforečná 4 P 2 7 a trifosforečná 5 P 3 10, jejich anionty a estery 3 P 3 P 3 P P 3 P 3 P 3 kys. fytová, fytát (myo-inositol-1,2,3,4,5,6-hexakisfosfát) výskyt: semena rostlin 9

10 loučeniny nekovů a polokovů sloučeniny arsenu: anorganické kyseliny 3 As 3, 3 As 4 a jejich anionty methylderiváty kyseliny arseničné, kvarterní arsoniové sloučeniny další sloučeniny As kys. arsenitá As kys. arseničná 3 As methylarseničná kys. 3 As dimethylarseničná kys As arsenobetain 3 + As arsenocholin 3 3 odík a draslík Biochemické funkce udržování osmotické rovnováhy aktivace enzymů : α-amylasa (a) vliv na svalovou aktivitu Metabolismus účinnost absorpce cca 90 %, vylučování močí, potem (a) bsah v potravinách a: jednotky mg/kg (přirozený obsah v rostlinách) až jednotky % (solené potraviny) K: stovky až tisíce mg/kg (živočišné materiály) tisíce mg/kg až cca 2 % (rostlinné materiály) oporučené dávky a: 0,5 až 2,4 g/den (2,4 g a odpovídá 6 g al) K: 2 g/den V 10

11 ořčík a vápník Biochemické funkce aktivace enzymů (Mg fosfatasy, kinasy ) vliv na svalovou aktivitu (a aktivace myosinu) regulační funkce (a chemický posel prostřednictvím proteinů kalmodulinů) srážení krve (a přeměna fibrinogen fibrin) stavba kostí, zubů, vaječných skořápek, vnějších schránek Absorpce Mg: účinnost % (snižuje kys. fytová) a: účinnost u dospělých cca % (vyšší u kojenců) účinnost absorpce snižuje kys. fytová a šťavelová zvyšuje ji vyšší obsah bílkovin a inulin ořčík a vápník bsah v potravinách Mg: stovky až tisíce mg/kg (více v rostlinách) a: stovky mg/kg (maso), cca 1200 mg/kg (mléko), tisíce mg/kg (sýry) 1000 mg/kg až 2 % (semena rostlin ve formě fytátu, nejvíce mák) oporučené dávky Mg mg/den (dospělí) mg/den (dospívající) mg/den (děti, 1 rok 14 let) a 1000 mg/den (dospělí) 1200 mg (dospívající) mg/den (děti, 1 rok 14 let) V 11

12 Fosfor B V Biochemické funkce ukládání chemické energie (ATP) aktivace substrátů enzymově katalyzovaných reakcí aktivace enzymů regulace biochemických dějů (camp, kofaktory enzymů) stavba biologických struktur (anorg. fosfát kosti, fosfolipidy biomembrány) Absorpce účinnost % (fytátový fosfor: malá účinnost absorpce) vliv a: optimální poměr a/p: cca 1:1 až 2:3 oporučené dávky dospělí 700 mg/den dospívající (15 18 let) 1250 mg/den Výskyt fosforu v potravinách chemické formy kys. fytová: hl. sloučenina v obilovinách, luštěninách, ořeších, je obtížně stravitelná a stabilní (štěpí se účinkem fytas) další org. sloučeniny: nižší inositol-fosfáty, fosfáty cukrů, fosfolipidy, fosfoproteiny, nukleotidy anorganické sloučeniny (přirozené): fosforečnany aditiva: 3 P 4 (oca-cola), fosforečnany sodné, draselné..., difosforečnany (a 2 P 2 7 ), polyfosforečnany, lecitin přirozený obsah v potravinách: stovky až tisíce mg/kg 2000 až 5000 mg/kg: sýry, vaj. žloutek, ořechy, obilí, luštěniny, játra, ryby 1000 až 2500 mg/kg: jogurt, tvaroh, pečivo, maso cca 900 mg/kg: mléko stovky mg/kg: zelenina, ovoce do 10 mg/kg: bílý cukr, rafinované tuky 12

13 Železo Biochemické funkce transport kyslíku (hemoglobin) skladování kyslíku ve svalové tkáni (myoglobin) součást metaloenzymů Absorpce účinnost 5 15 % (30 60 % při deficitu) lepší biol. dostupnost hemových forem Fe nehemové formy Fe: snížená biol. dostupnost v přítomnosti kys. fytové, rostlinných fenolových sloučenin (taniny čaje) aněkterých druhů vlákniny kys. askorbová, organické kyseliny, aminokyseliny (is, Lys, ys) a cukry zvyšují biol. dostupnost vliv mocenství na biol. dostupnost: Fe 2+ >Fe 3+ bsah železa v potravinách celkový obsah Fe: jednotky až stovky mg/kg vysoký obsah Fe: ledviny, játra, vaječný žloutek, čaj, luštěniny střední obsah Fe: maso savců, obiloviny, špenát, ořechy (nižší desítky mg/kg) nízký obsah Fe: ryby, drůbež, ovoce, zelenina (nejčastěji jednotky mg/kg) velmi nízký obsah Fe: mléko, mléčné výrobky, tuky potraviny obohacené železem: náhražky mateřského mléka (přídavek Fe II fumarátu nebo Fe II glukonátu) 13

14 Železo oporučené dávky V dívky a ženy ve fertilním věku: těhotné a kojící ženy: starší ženy: chlapci (10 18 let): dospělí muži: děti (1 rok 10 let): 15 mg/den mg/den 10 mg/den 12 mg/den 10 mg/den 8 10 mg/den Zinek a měď Biochemické funkce katalytická aktivita: metalloenzymy, vliv u na metabolismus Fe tvorba komplexů v tzv. Zn- prstech v transkripčních faktorech Absorpce účinnost absorpce z potravy: Zn %, u % bílkoviny a aminokyseliny zvyšují biol. dostupnost Zn kys. fytová a vysoké dávky a snižují biol. dostupnost Zn vysoké dávky Zn a kys. askorbové snižují biol. dostupnost u Výskyt v potravinách obsah Zn: jednotky až desítky mg/kg potraviny s vysokým obsahem Zn: sýry, játra, obiloviny, luštěniny obsah u: obvykle jednotky mg/kg nebo méně potraviny s vysokým obsahem u: játra, luštěniny, houby 14

15 ěkteré metaloenzymy obsahující Zn A B Třída oxidoreduktasy Enzym alkoholdehydrogenasa Kov(y) Zn Ligandy kovu ve vazebném místě 2 ys, is, transferasy hydrolasy superoxiddismutasa A/RA-polymerasa aspartát transkarbamylasa karboxypeptidasa aminopeptidasa u+zn nebo Mn Zn Zn Zn Zn 6 is, Asp, 3 is, 2 ys, 2 is 4 ys 2 is, Glu 2 is, Glu leucin aminopeptidasa 2 Zn Lys, 3 Asp, Glu kalcineurin (svalová protein-fosfatasa) Zn 2 is, Asp, alkalická fosfatasa 2 Zn 2 Asp, er, is fosfolipasa 3 Zn např. 2 is, Glu, lyasy karbonát dehydratasa Zn 3 is, Zinek a měď oporučené dávky V kupina muži ženy těhotné kojící děti chlapci (1 rok 12 let) dívky (1 rok 12 let) Zn (mg/den) u (mg/den) 1 1,5 1 1,5 1 1,5 1 1,5 0,5 1 0,5 1 0,5 1 15

16 Jod I I Biochemické fuknce složka hormonů štítné žlázy: thyroxin (T 4 ), trijodthyronin (T 3 ) Metabolismus účinnost absorpce téměř 100 % 60 µg/den je vázáno ve štítné žláze, nadbytek se vylučuje močí Výskyt v potravinách mořské ryby: stovky µg/kg až jednotky mg/kg mléko, mléčné výrobky: desítky až stovky µg/kg ostatní potraviny: jednotky až desítky µg/kg oporučené dávky 150 µg/den (dospělí) 200 µg/den (těhotné a kojící ženy) V µg/den (novorozenci), (děti) I elen Biochemické funkce eys je součást glutathionperoxidasy a dalších selenoenzymů účast v metabolismu hormonů štítné žlázy (viz jod) Metabolismus účinnost absorpce %, vylučování z organismu močí bsah v potravinách silně závisínaobsahuevpůdě (rostliny), vodě (vodní organismy) vegetaci a krmivech (živočichové) vyšší obsah e (desítky µg/kg až jednotky mg/kg): mořské ryby, játra, ledviny, celozrnné obiloviny, vaječný žloutek, houby oporučené dávky 70 µg/den (muži) 55 µg/den (ženy), µg/d (těhotné a kojící) V µg/den (děti), µg/day (dospívající) 16

17 Toxické prvky v potravinách nejvýznamnější toxické prvky: Pb, d, As, g kontaminanty vstup do rostlin a živočichů z životního prostředí antropogenní znečištění spalování fosilních paliv metalurgie a další průmyslová výroba odpady hnojiva (d v superfosfátech) přírodní procesy zvětrávání hornin vulkanická činnost a lesní požáry (g, As) vypařování z oceánů (g) další kontaminace při výrobě (i z katalyzátorů při hydrogenaci tuků) při transportu (Pb v pitné vodě) Tolerovatelné týdenní a denní dávky Prvek Pb d g As PTWI* (µg/(kg. týden)) 25 2,5 4 (Meg 1,3) (15) TI** (µg/den) 250/214 25/21 40/34 (13/11) 150/129 * tolerovatelná týdenní dávka na 1 kg tělesné hmotnosti ** tolerovatelná denní dávka při tělesné hmotnosti 70 kg/60 kg 17

18 lovo a kadmium v rostlinách vstup z půdy kořenovým systémem závisí na vlastnostech půdy: více z kyselé půdy d > Pb některé druhy kumulují více (špenát) distribuce v rostlině: kořeny > listy > stonky > plody hlízy > semena vstup depozicí z atmosféry (plocha listů) v živočišných materiálech prvky vstřebané z potravy se hromadí ve vnitřních orgánech obsah klesá u savců obvykle v pořadí ledviny játra >> svalovina mléko Potraviny s vyšším obsahem kadmia (přibližně nad 0,07 mg/kg) ledviny, zejména ledviny lovné zvěře a hovězí játra korýši a měkkýši mrkev špenát, hlávkový salát mák, olejnatá semena, (ořechy) (rýže) některé houby čaj, kakao 18

19 Potraviny a nápoje s vyšším obsahem olova (přibližně nad 0,1 mg/kg) vnitřnosti jatečných zvířat maso a vnitřnosti lovné zvěře mrkev špenát, hlávkový salát některé houby čaj víno (výjimečně kakao a celozrnné obiloviny) Arsen anorganické sloučeniny (arsenitany, arseničnany) jsou vysoce toxické některé organické sloučeniny obsažené v rybách (arsenobetain) jsou netoxické Potraviny s vyšším obsahem arsenu mořské ryby korýši a měkkýši mořské řasy (sladkovodní ryby) rýže některé houby (drůbež) v těchto materiálech převažují organické sloučeniny arsenu 19

20 Rtuť bioakumulace a biomethylace rtuti ve vodních ekosystémech ryby výskyt g v rostlinách a v tĕlech savců a ptáků je vzácný (výjimka: rybožraví živočichové) Potraviny s vysokým obsahem rtuti (cca 0,05 2 mg/kg) ryby, zejména mořské dravé druhy korýši, měkkýši (některé houby) převažující chemickou formou rtuti je methylrtuť 3 gx Vliv minerálních látek na vlastnosti potravin textura tvorba gelů: pektin + a 2+ pevnější konzistence: meziřetězcové vazby biopolymerů X a 2+ X barva vznik komplexů fenolových sloučenin (včetně barevných anthokyanů) s ionty Fe 2+ /Fe 3+ nebo Al 3+ nebo n 2+ vznik barevných (modrofialových až modrozelených, komplexů) nebo posun maxima v absorpčním spektru náhrada Mg za u nebo Zn v chlorofylech (u- nebo Zn-chlorofyliny) stabilnější zelené zbarvení 20

21 Vliv minerálních látek na chemické reakce probíhající v potravinách Železo a měď katalýza oxidačních reakcí lipidů usnadňuje iniciační fázi a prodlužuje propagační fázi radikálové reakce mechanismus: 1. přítomnost 2, Fe 3+ /u 2+ a kys. askorbové nebo thiolů superoxidový anionradikál: Fe 3+ + AA Fe 2+ + AA + + Fe 3+ +R Fe 2+ +R + + AA + 2 AA R + R + 2 RR superoxid podléhá disproporcionaci (za přítomosti + ) na peroxid vodíku a kyslík nebo oxidaci na kyslík účinkem Fe 3+ nebo u 2+ : Fe Fe železnaté ionty s peroxidem vodíku poskytují Fentonovou reakcí hydroxylový radikál: Fe Fe hydroxylový radikál generuje radikály reakcí s molekulami lipidů L (iniciace reakce) L + L + 5. radikál lipidu reaguje s kyslíkem a reakce pokračuje propagací L + 2 L L + L L + L 6. ionty kovů vracejí do reakce další radikály reakcí s hydroperoxidy Fe 3+ + L Fe 2+ + L + + Fe 2+ + L Fe 3+ + L + 21

22 Anorganické látky v potravinách usičnany ionty přijímané z půdy rostlinami zelenina hlavní skupina potravin obsahujících 3 obsah může být i u konkrétního druhu zeleniny velmi proměnlivý (jednotky až stovky nebo tisíce mg/kg) závislost na půdních podmínkách, době sklizně, počasí nejvíce akumulující druhy: hl. salát, špenát, čínské zelí, ředkev, celer spíše méně akumulující druhy: cibule, rajčata, okurky, melouny, paprika další plodiny obsahující 3 brambory (až 2800 mg/kg) luštěniny (desítky až stovky mg/kg) banány (max. stovky mg/kg) možnost redukce na toxičtější dusitany alší anorganické látky al: chuťová přísada, může sloužit jako konzervační látka dusitany (a 2 ): přídatná látka antimikrobiální účinky, zejména proti bakteriím rodu lostridium stabilizuje barvu masa 2, siřičitany, disiřičitany konzervační látky (ovoce, víno ) antioxidační působení inhibitor reakcí enzymového i neenzymového hnědnutí 22