Vitaminy Pavel Coufalík BVCP0222p, jaro 2015 2 Náplň předmětu Potravinářská chemie II Témata: • Sacharidy • Vitaminy • Minerální látky • Vonné a chuťové látky Ukončení předmětu: • Písemná zkouška z předmětu Potravinářská chemie II • Ústní pohovor v rozsahu předmětů Potravinářská chemie I a II 3 Vitaminy 4 Vitaminy 5 Vitaminy • Organické nízkomolekulární sloučeniny • Exogenní esenciální biokatalyzátory • Syntetizované autotrofními organismy • Heterotrofní organismy – částečná syntéza, produkce střevní mikroflórou • Kofaktory enzymů v metabolismu nukleových kyselin, bílkovin, sacharidů, tuků a dalších látek 6 Vitaminy • Antioxidanty • Vitamin E • Vitamin C + flavonoidy, karotenoidy, selen Zdroje antioxidantů: • Ovoce • Zelenina • Celozrnné potraviny 7 Vitaminy 8 Vitaminy Dělení vitaminů: 1) rozpustné ve vodě – 9 vitaminů • Vitaminy skupiny B: thiamin – B1, riboflavin – B2, niacin – B3, pantothenová kys. – B5, pyridoxin – B6, biotin – H, folacin – Bc, kyanokobalamin – korinoidy, B12 • Vitamin C • Nejsou skladovány v organismu, exkrece nadbytku močí 2) rozpustné v tucích – 4 vitaminy • Vitaminy A (retinoidy), D (kalciferoly), E (tokoferoly), K (fyllochinon) • Ukládání v játrech 9 Vitaminy Rezervní kapacita vitaminu – doba, po kterou je potřeba kryta rezervami: • Korinoidy (B12): 3-5 let • Vitamin A: 1-2 roky • Folacin: 3-4 měsíce • Vitamin K, C, riboflavin, pyridoxin, niacin: 2-6 týdnů • Thiamin: 4-10 dní • Restituce – doplnění na původní množství • Hypervitaminosa – toxicita nadměrného příjmu; především vitamin A, D • Hypovitaminosa – nedostatečný příjem; jednostranná a nevyvážená strava, špatný životní styl a civilizační návyky představují značné riziko • Avitaminosa – úplný nedostatek; dnes stále běžná v zemích třetího světa; porucha biochemických procesů: pelagra – vitaminy B, kurděje – vitamin C, beri-beri – thiamin, křivice – vitamin D, perniciosní anémie – korinoidy, xeroftalmie – vitamin A 10 • Riziko nedostatku některých vitaminů je obecně vyšší pro kojence, těhotné ženy, starší osoby, vegetariány a vegany, alkoholiky a kuřáky • Provitamin – prekurzor, vitamin vzniká jeho metabolickou přeměnou • Retence – kolik % vitaminu se zachovalo z původního množství • Fortifikace potravin – přídavek vitaminu na vyšší než původní množství Vitaminy 11 Vitaminy Příčiny nedostatku vitaminů: • Snížený příjem v potravě • Poruchy vstřebávání (poruchy sliznice GIT , snížená sekrece žluči) • Ovlivnění léčivy (potlačení činnosti střevních mikroorganismů) • Onemocnění jater (snížená schopnost ukládání vitaminů) • Infekční onemocnění, růst, těhotenství, kojení Avitaminy • Eliminují biologické účinky vitaminů: 1) Kompetitivní inhibice enzymů (strukturní analogy vitaminů) 2) Degradace vitaminů (např. enzymy) 3) Komplexace vitaminů (např. bílkovinami) 12 Vitaminy 13 Vitaminy 14 • Množství potřebné k zajištění fyziologických funkcí závisí na věku, pohlaví, zdravotním stavu, pracovní aktivitě, životním stylu … Vitaminy Vitamin Doporučená denní dávka Thiamin 1,4 mg Riboflavin 1,6 mg Niacin 18 mg Pyridoxin 2 mg Pantothenová kyselina 6 mg Biotin 0,15 mg Folacin jako kyselina listová 0,2 mg Vitamin B12 0,001 mg Vitamin C 60 mg Vitamin A 0,8 mg Vitamin D 0,005 mg Vitamin E 10 mg 15 Vitaminy 16 Vitaminy 17 Vitaminy 18 Vitaminy 19 • A Vitaminy skupiny B 20 Thiamin • Vitamin B1; první objevený B vitamin • Na každých 4200 kJ z cukrů se doporučuje příjem 0,4-0,6 mg • Produkován střevní mikroflórou (malé množství) Zdroj z potravy: • Cereální výrobky (obsah především v klíčcích a otrubách obilovin) – 40% (20% chléb); bílá mouka má 10x méně než celozrnná • Maso a masné výrobky (především vepřové) – 18-27% • Mléko a mléčné výrobky – 8-14% • Brambory – 10% • Luštěniny – 5% • Zelenina – až 12%; ovoce – 4% • Vejce – 2% 21 Thiamin • Jeden z nejméně stálých vitaminů (zvláště v neutrálním a alkalickém pH) • Ztráty: vaření vepřového masa – 40-60%, pečení chleba – 25-30%, vaření brambor nebo kořenové zeleniny (výluh) – 25%, konzervace nekyselých potravin pomocí SO2 – 100%; smažení 10-50%, vaření a dušení 50-70% • Katalýza rozkladu – glycin, alanin, valin, glutamová kyselina • Ochranný vliv před degradací mají bílkoviny Obohacování pšeničné mouky a rýže Degradace thiaminu oxidem siřičitým 22 Thiamin Deficience: • Svalová únava, nechutenství, hubnutí, apatie, deprese, poruchy koncentrace • Často způsobená alkoholismem • Jihovýchodní Asie Avitaminosa – často způsobená jednostrannou stravou (loupaná rýže) – Beri-beri Oxythiamin – antagonista thiaminu, v kyselých hydrolyzátech bílkovin (polévkové koření) Beri-beri: neurologické symptomy (suchá beri-beri) kardiovaskulární projevy (vlhká beri-beri) Wernickova encefalopatie Korsakovův syndrom 23 Thiamin 24 Riboflavin • Vitamin B2; oxidovaný flavochinon • Denní spotřeba – 1,2-1,7 mg • Především v potravinách živočišného původu Riboflavin a jeho aktivní formy Zdroj z potravy: • Mléko a mléčné výrobky – 40% • Maso a masné výrobky – 20% • Cereálie – 15% • Vejce – 10% • Zelenina – 10% • Kvasnice (i pivo) • Vnitřnosti • Některé mořské ryby Ztráty: • Maso do 10%, většinou výluhem • Mléko – degradace na světle • Zelenina – 30-40%, výluhem 25 Riboflavin • Lépe se vstřebává z potravin živočišného původu • Deficience – ariboflavinosa – poměrně vzácná, někdy u alkoholiků Příznaky: bolesti v krku, glostitida (zánět sliznice jazyka), dermatitida • Stálý při tepelném zpracování • Degradance v neutrálním a alkalickém prostředí • Podléhá fotodegradaci • Lumiflavin způsobuje rozklad vitaminu C a oxidaci retinolu, esenciálních mastných kyselin, esenciálních aminokyselin; „sluneční přípach“ vína Fotolýza riboflavinu 26 Niacin • Vitamin B3, nikotinová kyselina • Nahraditelný nikotinamidem, stejná účinnost • Nikotinamid je součástí nikotinamidadenindinukleotidu NAD Oxidovaná forma – NAD+, Redukovaná forma – NADH Fosforečné estery – NADP+ a NADPH – kofaktory několika set enzymů • Oba kofaktory se účastní přenosu elektronů v respiračních systémech, např. většiny reakcí Krebsova cyklu niacin nikotinamid 27 Niacin Zdroj z potravy: • Maso a masné výrobky – 40% a více • Vnitřnosti (játra), vejce (žloutek) • Mléko – 10% • Cereální výrobky – 20% • Brambory – 10% • Obiloviny – především v klíčcích a otrubách • Luštěniny, ovoce, zelenina, pražená káva • Spotřeba minimálně 10 mg denně • Omezená možnost syntézy niacinu z tryptofanu – mléko a vejce • Deficience – strava jen z kukuřice; chronický alkoholismus pelagra – projevuje se kožními chorobami, poruchami funkce trávicího ústrojí, nespavostí, depresí, poškozením paměti, demencí • Nikotinová kyselina je velmi stabilní (termicky i při změnách pH) • Niacin je stabilní při většině úprav potravin, největší ztráty výluhem pelagra 28 Kyselina pantothenová • Vitamin B5 • Volná (R-enantiomer), vázaná jako koenzym A (CoA) nebo Acyl-Carier-Protein (ACR) • S-enantiomer není biologicky aktivní • Koenzym A – účinná složka enzymů • Doporučený denní příjem 6-8 mg Zdroj z potravy: • Prakticky ve všech potravinách rostlinného i živočišného původu, v relativně malém množství • Především jako CoA a ACR • Maso, vnitřnosti – nejvyšší obsah • Vitamin je poměrně labilní – skladování i termická úprava • Ztráty tepelným zpracováním masa: 12-50% • Deficience – velmi vzácná; dermatitidy, křeče, špatná koordinace pohybu Koenzym A 29 Kyselina pantothenová • Stabilita ve vodných roztocích závisí na pH 30 Pyridoxin • Vitamin B6, tři biologicky aktivní deriváty (pyridoxin, pyridoxal, pyridoxamin) • Doporučený denní příjem 0,3-2,6 mg Zdroj z potravy: • Maso a masné výrobky – 40% • Zelenina – 22% • Mléko a mléčné výrobky – 12% • Cereálie – 10% • Ovoce – 8% • Luštěniny – 5% • Vejce – 2% • Droždí • Ztráty vyluhováním nebo reakcí pyridoxalu s bílkovinami Látky s aktivitou vitaminu B6 a jeho aktivní forma pyridoxal fosfát 31 Pyridoxin • Fortifikace dětské mléčné výživy, v některých státech fortifikace bílé pšeničné mouky hydrochloridem pyridoxolu • Stálý v kyselém prostředí, méně stálý v alkalickém a na světle • Ztráta pečením masa – 35-55%, sušením mléka – 30-70%, vaření zeleniny – 40% • Deficience – velmi vzácná; dermatitida, nervové poruchy, křeče u dětí • Dlouhodobé podávání 200 mg/den může být neurotoxické 32 Biotin • Tzv. d-biotin = (+)-biotin vykazuje biologickou aktivitu – jeden z osmi izomerů • Dříve nazývaný vitaminem H • Prostetická skupina mnoha enzymů • Denní spotřeba z potravy: 0,05-0,1 mg • Volná látka i vázaný v bílkovinách • Běžná strava ho obsahuje dostatek (žloutek, vnitřnosti, cereálie, zelenina, droždí, houby) v nízkých koncentracích • Produkt střevní mikroflóry • Nadbytečný volný biotin vylučován močí • Deficience vzácná – dermatitida a alopecie, svalová hypotonie, porucha sluchu, atrofie očního nervu • Nestálý v alkalickém prostředí, stálý v kyselém prostředí na světle i při zahřívání; ztráty výluhem • Retence při vaření masa – 80% • Spotřeba i produkce jogurtovou kulturou – podle druhu mikroflóry 33 Folacin • Dříve označován jako vitamin Bc • Biologicky aktivní derivát kyseliny folové = listové • Kofaktor enzymů uplatňujících se především v metabolismu aminokyselin, purinových a pyrimidinových nukleotidů • Doporučenný denní příjem: 0,2-0,9 mg • Zdroj z potravy: • Vejce a vnitřnosti • Mléko a mléčné výrobky • Listová zelenina • Droždí a houby • Nestálý při všech hodnotách pH, při zahřátí i na světle, v přítomnosti kyslíku, přechodných kovů, riboflavinu • Ztráty při tepelném zpracování masa – až 95%, především výluhem jako u všech ostatních potravin aktivní forma – tetrahydrofolová kys. 34 Folacin • Vaření zeleniny – ztráta 20-50% • Spotřeba i produkce mikroorganismy v jogurtech • Většinou nedostatkový ve výživě, hlavně u těhotných a kojících žen • Nedostatek způsobuje rozštěp patra – před otěhotněním a první tři měsíce těhotenství jsou rozhodující • Deficience – anémie 35 Korinoidy • Kobalaminy – vitamin B12, • Nejsložitější struktura ze všech vitaminů – základem je korinový cyklus • Od porfyrinového cyklu hemových barviv a chlorofylů se liší absencí methylenového můstku mezi pyrrolovými jádry A a D • Centrální atom je kobalt – tvoří až 6 koordinačních vazeb s ligandy • Koenzym B12 je prostetickou skupinou řady enzymů • Katalytický aktivita – štěpení vazeb C–O a C–C • Denní potřeba: 1-3μg, u těhotných a kojících žen 4μg Formy vitaminu: • Adenosylkobalamin = koenzym B12 • Methylkobalaminy • Hydroxykobalamin – B12a • Akvakobalamin • Kyanokobalamin – syntetický, ve farmaceutických přípravcích • Absorbují se střevní stěnou korin 36 Korinoidy Struktura korinoidů: 37 Korinoidy • Prakticky se nevyskytují v potravinách rostlinného původu Zdroj z potravy: • Maso a masné výrobky – 70% • Mléko a mléčné výrobky – 20% • Vejce – asi 9% • Cereální výrobky – asi 2% • Denní příjem asi 3-31 μg, absorbce 20-70% = velmi vzácná deficience; přísné vegetariánství • Deficience: perniciosní a megaloblastová anémie • V roztocích o pH = 4-7 relativně stálý; ztráty vyluhováním; termicky stabilní perniciosní anémie 38 Vitamin C • Aktivitu vitaminu C vykazuje pouze L-askorbová kyselina, askorbylradikál a dehydroaskorbová kyselina • Kofaktor v hydroxylačních a amidačních reakcích (např. syntéza kolagenu), účastní se biosyntézy mukopolysacharidů, prostaglandinů, syntézy adrenalinu, absorpce iontových forem železa, jeho transportu, stimuluje transport sodných, chloridových a vápenatých iontů, uplatňuje se v metabolismu cholesterolu, v žaludku redukuje nehemové FeIII na FeII … • Má antioxidační vlastnosti – reakce s aktivními formami kyslíku (volnými radikály) = ochranná funkce lipidů membrán před oxidací; účinnější v kombinaci s tokoferoly 39 Vitamin C • Doporučený denní příjem: 60-200 mg Zdroj z potravy: • Brambory – 20-30% • Zelenina – 30-40% • Ovoce – 30-35% • Mléko – 10% • 90-95% ve formě askorbové kyseliny • Čerstvé ovoce a zelenina – nejvíce; závisí na druhu, zralosti, vegetačních podmínkách, zpracování • Vysoký obsah – šípky, černý rybíz, petržel kadeřavá, paprika, jahody, citrusy • Brambory – průměrný obsah, během uskladnění značně klesá kurděje věk (rok) < 1 1 - 4 4 - 10 10 - 18 > 18 mg/den 35 40 40 45 45-80 Spotřeba vitaminu C podle věku: 40 Vitamin C • Antivitaminy – oxidoreduktasy uplatňující se v metabolismu vitaminu C • Většina živočichů ho syntetizuje z glukózy, člověk a několik dalších živočichů (primáti, morčata, netopýři) ho musí přijímat potravou • Deficience: únava, špatné hojení ran, vypadávání zubů, zlomy v kapilárách, kurděje (skorbut) – krvácení do kůže sliznic a zažívacího traktu; prevence proti kurdějím – min 10 mg denně • Spotřeba roste při horečnatých nákazách, průjmu, nedostatku železa a proteinové malnutrici Použití v potravinářském průmyslu: • Konzervárenský průmysl, kvasný průmysl • Antioxidant v masných výrobcích • Konzervování ovocných šťáv a ovoce (zamezení změn aróma) • Inhibitor enzymového hnědnutí • Konzervant piva a vína • Zlepšení pekařských vlastností mouky 41 Vitamin C 42 Vitamin C • Stabilnější v kyselém pH • Autooxidace askorbové kyseliny vzdušným kyslíkem způsobuje většinu ztrát v potravinách při jejich zpracování; katalýza Fe3+ a Cu2+ • Dekarboxylace a dehydratace v silně kyselém prostředí – hlavní příčina ztrát v konzervárenských výrobcích v nepřítomnosti vzdušného kyslíku, především za vyšších teplot zpracování; kompoty a džusy • Jeden z nejméně stálých vitaminů • Ztráty oxidací, výluhem – ztráty při mytí, předváření i vaření zeleniny a ovoce; roli hraje i plocha potraviny – listová x kořenová zelenina • Během zpracování je stabilita vyšší v ovoci (nižší pH) než v zelenině • Nejmenší ztráty – vysokoteplotní krátkodobá sterilace • Stabilní při zamrazení, značné ztráty při rozmrazování (30-50%) • Tepelné ošetření mléka – ztráta 20-50% 43 Vitamin A • all-trans-retinol = axeroftol = vitamin A1 vitamin A a jeho provitaminy 44 Vitamin A • Aktivitu vitaminu A také vykazuje 50 přirozeně se vyskytujících karotenoidů – tzv. provitaminy A • Retinoidy = přirozené a syntetické karotenoidy • Denní potřeba – 1 mg, vyšší v těhotenství; v běžné stravě dostatečná; 6 mg β-karotenu je ekvivalentní 1 mg retinolu • Retinol se uplatňuje v biochemii zrakového vjemu, při biosyntéze bílkovin a diferenciaci buněk • Inhibují radikálové oxidační reakce - antioxidanty • Absorpce provitaminů z potravy není kvantitativní Zdroj z potravy: • Játra – zvláště bohatý zdroj • Rybí tuk • Špenát a zelí – bohatý zdroj • Mrkev, meruňky mango • Máslo, sýr • Mléko a maso – poměrně málo 45 Vitamin A • Deficience: hyperkeratóza, infekce, xeroftalmie – šeroslepost, ulcerace rohovky, trvalá slepota, inhibice růstu, deformace kostí a reprodukčních orgánů, rohovatění kůže • Hypervitaminosa: suchá kůže, porucha růstu vlasů, hypertrofie kostí, hepatosplenomegalie (zvětšení jater a sleziny), žluté zbarvení kůže, bolest hlavy, otoky na dlouhých kostech, • Přirozené all-trans izomery retinoidů jsou nestálé – izomerují během skladování, účinky světla a tepla (vaření, pečení), oxidace vzdušným kyslíkem • Při zpracování masa (vnitřností) jsou retinoidy stabilní • Minimální ztráty i při konzervování ovoce a zeleniny xeroftalmie 46 Vitamin A 47 Vitamin A 48 Vitamin D • Skupina příbuzných 9,10-sekosteroidů • D3 – cholekalciferol – tvoří se v lidském organismu • D2 – ergokalciferol – z rostlinných zdrojů • D3 a D2 – rovnocenný účinek u lidí • Souborné označení pro antirachitické látky; spíše hormon než vitamin; účinnost spojena s metabolismem sloučenin vápníku a fosforu – zvyšuje absorpci vápníku a fosfátů v tenkém střevě i reabsorpci v ledvinách • Bez vitaminu D by organismus vstřebal z potravy jen 10-15 % vápníku • Denní potřeba vitaminu: 2,5-10 μg 49 Vitamin D • Vitaminy D vznikají působením UV záření z prekurzorů: 7-dehydrocholesterol (provitamin D3), ergosterol (provitamin D2) Zdroj z potravy: • Potraviny živočišného původu • Jaterní tuky a maso mořských ryb • Maso a vnitřnosti • Mléko a mléčné výrobky, vejce, máslo • Lesní houby, plísně plísňových sýrů, kvasinky • Fortifikace maragrínů, mléka, cereální snídaně v některých zemích • Deficience: svalová slabost, měknutí kostí – křivice (dětský věk) a osteomalacie • Projevy symptomů deficience – dětský věk, těhotenství, laktace, poruchy ledvin, vyšší věk, vegetariánská strava • Hypervitaminosa: jeden z nejtoxičtějších vitaminů při předávkování – zvyšuje se hladina vápníku a fosfátů v krvi; dehydratace, zvracení, průjmy, zácpa, únava, ledvinové kameny, zástava růstu u dětí, malformace plodu, hyperkalcinémie 50 Vitamin D metabolismus vitaminu D 51 Vitamin D křivice 52 Vitamin E • Aktivitu vitaminu E vykazuje 8 strukturně příbuzných derivátů chromanu • 4 tokoferoly a 4 tokotrienoly; nejúčinnější je RRR-α-tokoferol • α-tokoferol – nejvýznamnější lipofilní antioxidant; ochrana nenasycených lipidů před poškozením volnými radikály RRR-α-tokoferol 53 Vitamin E • Spolu s β-karotenem a ubichinony chrání strukturu biomembrán a membrány vnitrobuněčných organel (buněčné jádro, mitochondrie, lysosomy, endoplasmatické retikulum) • Zpomaluje proces stárnutí organismu, uplatňuje se v prevenci kardiovaskulárních chorob a vzniku rakoviny • Doporučený denní příjem: 15mg (dostatečný 10-30mg) – závísí na příjmu polyenových mastných kyselin a mastných kyselin; těhotné a kojící ženy +2mg Zdroj z potravy: • Rostlinné oleje • Maso • Ovoce, zelenina • V potravinách živočišného původu v menším množství 54 Vitamin E Ztráty: • Rafinace olejů – 10-50% • Skladování masa, mléka – do 10% • Skladování obilovin – 10%/měsíc • Smažení, pečení – největší ztráty • Sušení ovoce a zeleniny – 50-70% • Deficience: vzácná; nervové a svalové degenerativní změny (encefalomalácie a myopatie), poruchy držení těla 55 Vitamin K • Dva druhy látek s aktivitou vitaminu K • Vitamin K1, K1(20) = fyllochinon – v potravinách rostlinného původu • Vitamin K2, K2(n) = menanchinon-n – produkován bakteriemi a plísněmi (Escherichia coli, Staphylococcus aureus) • Syntetické vitaminy – K3,K4, K5, K6, K7 • Koagulační vitamin – přeměna neaktivního prothrombinu na aktivní enzym thrombin • Denní potřeba: 0,01-0,14 mg • Denní příjem potravou: 0,3-0,5 mg; 30-70% se absorbuje ve střevech • Produkce střevní mikroflórou fyllochinon menachinon (n = 0-13) 56 Vitamin K Zdroj z potravy: • Játra • Maso a masné výrobky • Zelená listová zelenina • Rostlinné oleje • Aditivum při výkrmu kuřat • Deficience: poruchy srážlivosti krve • Ztráty fotodegradací, v alkalickém prostředí • Stabilní při skladování i termické úpravě 57 Další biologicky aktivní látky • Některé biologicky aktivní sloučeniny dříve řazené mezi vitaminy: 58 Další biologicky aktivní látky