4.5. . Минеральные вещества и их значение в питании

Минеральные вещества относятся к незаменимым факторам питания и должны в определенных количествах постоянно поступать в организм с пищей и водой. Все минеральные вещества в зависимости от их содержания в организме и количественных характеристик их обмена в системе человек – окружающая среда условно делятся на макроэлементы и микроэлементы.

К макроэлементам относятся вещества, содержание, поступление, выведение которых в организме составляет десятки и сотни граммов. Они во многом являются структурными элементами тела, участвуя в построении тканей, органов и систем. Макроэлементы обеспечивают поддержание кислотно-щелочного равновесия: фосфор, хлор и сера обладают кислотным потенциалом, а калий, натрий, кальций и магний – щелочным. Регуляция водно-солевого (электролитного) обмена на уровне организма и отдельных клеток осуществляется благодаря натрию, хлору, калию, которые создают осмотические потенциалы.

Натрий, калий, кальций и магний образуют разности потенциалов на поверхности биомембран, обеспечивая осуществление важнейших физиологических функций организма: генерацию и перенос нервного импульса, мышечное сокращение и расслабление, работу каналов активного трансмембранного переноса.

Микроэлементы осуществляют свои физиологические функции, присутствуя в организме в малых количествах (миллиграммах и микрограммах), и играют специфическую биологическую роль в качестве компонентов ферментативных систем (кофакторов), факторов генной и метаболической регуляции жизненно важных клеточных механизмов.

Для многих минеральных веществ установлены точные механизмы их участия в метаболизме человека, но для большинства эти данные отсутствуют. Тем не менее, практически все элементы биосферы влияют на жизнедеятельность организма человека, т.е. обладают потенциальной

Дисбаланс минеральных веществ в организме может возникать по следующим причинам:

• существенное изменение (сокращение или избыток) поступления с пищей (как в составе традиционных продуктов, так и за счет дополнительных источников);

• генетические дефекты на путях абсорбции и метаболизации;

• отдельные патологические состояния, ведущие к модификации усвояемости, депонирования, выведения;

• повышенные поступления в результате антропогенного загрязнения среды обитания;

• дисбаланс пищевых композиций при осуществлении монопитания – энтерального или парентерального.

В настоящее время значимость минерального вещества определяется либо описанным обратимым синдромом истинного дефицита, либо наличием известной токсичности с характеристиками клинических проявлений и параметрами лабораторной диагностики.

С учетом этих данных можно установить рекомендуемое ежесуточное поступление (для минеральных веществ оно будет совпадать с нормой физиологической потребности) или их безопасные уровни в рационе.

Нормы физиологической потребности разработаны для 14 макро- и микроэлементов: кальция, фосфора, натрия, калия, магния, железа, цинка, меди, йода, марганца, селена, молибдена, хрома, фтора.

Ряд других микроэлементов (кобальт, кремний, ванадий, никель, бор, литий, германий) в последние годы активно изучается в целях установления специфических механизмов их участия в основных обменных и регуляторных процессах.

С гигиенических позиций оптимальное обеспечение здорового человека минеральными веществами возможно при разнообразном полноценном питании, включающем в себя все группы пищевых продуктов в количествах, соответствующих энергозатратам.

Для кальция, фосфора, калия, натрия, магния, железа, цинка и йода установлены нормы физиологической потребности – необходимый уровень поступления с рационом, который с учетом процента усвоения организмом минерального вещества обеспечивает поддержание нормального гомеостаза при обычных условиях проживания. Для фтора, меди, марганца, селена, молибдена и хрома установлены безопасные уровни потребления, которые предотвратят развитие дефицита и в то же время не приведут к развитию интоксикации.

Мнение о незаменимости для организма бора, кремния, никеля, ванадия, кобальта и ряда других микроэлементов имеет серьезные основания, но еще не подтверждено необходимыми научными данными: не установлены признаки их алиментарного дефицита, требует уточнения их роль в метаболических процессах. По этой причине для данных элементов не установлены безопасные (адекватные) уровни поступления.

Кальций. Это один из основных минеральных компонентов человеческого организма и питания. Его депонированное количество (1,2 кг) и распределение в организме (99 % в костях и 1 % в мышечных тканях) обеспечивает возможность поддержания необходимых концентраций кальция в крови и клетках практически при любом его поступлении с рационом в течение длительного времени. Кальций выполняет несколько важнейших функций в организме:

• входит, в комплексе с фосфором, в минеральную составляющую скелета;

• обеспечивает мышечное сокращение;

• обеспечивает проведение нервных импульсов;

• за счет регулирования разности потенциалов на биомембранах обеспечивает работу транспортных каналов;

• участвует в системе свертывания крови;

• регулирует работу защитно-адаптационных клеточных механизмов;

• является вторичным передатчиком в сигнальной клеточной системе.

У населения развитых стран основное количество кальция (более 75 %) поступает с молочными продуктами. Именно в составе молока и жидких кисломолочных продуктов кальций усваивается на 98 %. Другие продукты переработки молока, например творог и особенно сыр, содержат очень большие количества кальция, однако их высокая жирность (18-60 %) значительно снижает доступность кальция в результате его омыления.

Потребность взрослого здорового человека в кальции составляет 1 000 мг и повышается при беременности и лактации.

Дефицит кальция может быть связан с его недостаточным поступлением с пищей, например в результате низкого содержания молочных продуктов в рационе.

Фосфор. Это незаменимый макроэлемент, необходимый для нормального функционирования всех клеток организма. Основное количество фосфора в организме представлено в виде фосфата, а его основным депо является скелет, где сконцентрировано около 85 % этого минерала. В костях фосфор в виде фосфата кальция входит в состав кристаллов гидроксиапатита, играя, таким образом, структурную роль. Фосфор выполняет в организме множество других важнейших функций:

• участвует в построении и функционировании биомембран в составе фосфолипидов;

• обеспечивает производство и запас энергии в макроэргических связях АТФ и креатининфосфата;

• входит в состав ДНК и РНК для сохранения и передачи наследственной информации;

• обеспечивает активность ряда ферментов, гормонов и клеточных регуляторов за счет их фосфорилирования;

• обладает в составе фосфатов буферными свойствами, необходимыми для поддержания в организме и клетках кислотно-щелочного равновесия;

• в составе дифосфоглицерата связывается с гемоглобином в эритроцитах и регулирует передачу кислорода тканям.

Регуляция метаболизма фосфора в организме происходит параллельно с контролем обмена кальция. В ней участвуют паратгормон и витамин D.

Фосфор содержат большинство пищевых продуктов в значительном количестве. Богатыми источниками биодоступного фосфора в питании являются молочные и мясные продукты, яйца, птица и рыба – в них содержится от 100 до 350 мг фосфора (в 100 г продукта). В зерновых, бобовых, семенах и орехах фосфор находится в форме фитатов (фитиновой кислоты). Доступность фосфора из фитатов не превышает 50 %, но может быть увеличена в результате технологической переработки растительного сырья: при производстве хлеба, тепловой обработке круп, бобовых. Усвояемость фосфора из смешанного рациона составляет 30-50%.

С гигиенических позиций основной задачей является не обеспечение фосфором как таковым (его дефицит – крайне редкая ситуация), а соблюдение оптимального соотношения Са:Р в рационе в целом. Для этого необходимо главным образом поддерживать высокий уровень алиментарного кальция. В наиболее широко используемых современных продуктах, особенно в колбасах, кулинарных мясных и рыбных полуфабрикатах, бобовых, хлебобулочных (необогащенных) изделиях, орехах, шоколаде соотношение Са:Р крайне неблагоприятное.

Потребность в фосфоре для взрослого здорового человека установлена в количестве 1 200 мг/сут.

Калий. Незаменимый электролит организма человека. Электролитические функции калия связаны с его способностью диссоциировать в растворе с образованием заряженных ионов. Калий является основным положительно заряженным ионом (катионом) внутренней клеточной среды. Именно калий в комплексе с натрием в силу разности своих концентраций внутри и снаружи клеток обеспечивают их нормальное функционирование за счет создания мембранного потенциала. Количество внутриклеточного калия превышает более чем в 30 раз его внеклеточную концентрацию. Разность потенциалов поддерживается за счет работы натриево-калиевых мембранных насосов с затратами энергии АТФ. Энергия, затрачиваемая на поддержание мембранного потенциала, составляет от 20 до 40 % величины основного обмена. Нормальное функционирование данного механизма обеспечивает проведение нервных импульсов и мышечного сокращения.

Калий также выполняет кофакторную функцию, активизируя Na⁺/К⁺-АТФ-азу и пируваткиназу – ключевой фермент метаболизма углеводов.

Основными пищевыми источниками калия являются фрукты, овощи и соки. Еще больше калия содержат сухофрукты.

Усвояемость калия из смешанного рациона составляет 90-95 %. Потребность в калии для взрослого здорового человека установлена в количестве 2500-5000 мг/сут.

Натрий. Натрий входит в состав соли (поваренной) вместе с хлором и играет ключевую роль в поддержании водно-электролитного баланса в организме. Регуляция их концентрации обеспечивается сложным гормональным механизмом. Натрий (катион) и хлор (анион) являются основными внеклеточными ионами, обеспечивающими совместно с внутриклеточным калием разность потенциалов на биомембранах

Натрий играет ключевую роль при абсорбции в кишечнике хлора, аминокислот, глюкозы и воды. С натрием в организме связаны также функции регуляции объема крови и артериального давления.

Основным источником натрия и хлора в рационе служит поваренная соль, вводимая в продукты в процессе промышленного изготовления пищи и при приготовлении и употреблении (досаливании) блюд дома. Таким образом, именно с поваренной солью в развитых странах поступает более 75 % всего количества натрия и хлора. К продуктам, содержащим максимум поваренной соли, относятся колбасные изделия, копченые, маринованные, соленые продукты, консервы, сыры. Рацион с минимальным содержанием поваренной соли должен состоять из натуральных овощей, фруктов, ягод, бобовых (за исключением соевой муки или соевого изолята), мяса, жидких молочных продуктов.

Усвояемость натрия из смешанного рациона составляет 90-95 %.

Физиологическая потребность в натрии для взрослого здорового человека составляет 1 500 мг/сут., что соответствует 3,75 г поваренной соли. При этом ежедневное поступление натрия не должно превышать 2400 мг, что соответствует 6 г поваренной соли в сутки.

Магний. В организме магний распределяется следующим образом: около 60 % депонируется в скелете (хотя только 1 % магния встроен в структуру костной ткани), около 27 % – в мышцах, не более 1 % циркулирует во внутренней среде. Магний принимает участие в нескольких сотнях эссенциальных метаболических реакциях, в том числе в синтезе АТФ, белков, углеводов, жиров и нуклеиновых кислот, глутатиона, циклического АМФ (ц-АМФ).

Магний играет структурную роль в костной ткани, биомембранах и хромосомах. Наряду с кальцием и калием он регулирует ионный транспорт через мембраны.

Магний поступает в организм с широким набором продуктов. В зеленых растениях магний входит в состав хлорофилла. Много магния также в зерновых, орехах, морепродуктах.

Некоторые минеральные воды (например, «Арзни») являются хорошим дополнительным источником магния.

Магний лучше усваивается из пищи при соотношении Са:Mg, равном 1:0,5-0,4 (2-2,5). Для обеспечения организма магнием необходимо ежедневно включать в рацион разнообразные растительные продукты, хлебобулочные изделия из муки грубого помола (или с отрубями) и молоко (кефир, йогурт). Именно использование достаточного количества молочных продуктов поможет оптимизировать соотношение магния с кальцием в диете для лучшей абсорбции этих минералов.

Из смешанного рациона магний усваивается в среднем на 30 %.

Физиологическая потребность в магнии для взрослого здорового человека составляет 400 мг/сут.

Железо. Железо является ключевым элементом метаболизма. Оно входит в состав сотен функциональных белков и ферментов – гемопротеидов. Жизненная важность железа определяется, в частности, его участием в переносе кислорода в крови (гемоглобин) и мышцах (миоглобин). В составе гемоглобина находится около 2/3 всего железа в человеческом организме. Остальное железо включено в состав транспортных белков (трансферринов) и депонировано в тканях в виде ферритина и гемосидерина.

Железо играет основную роль в процессах образования энергии в митохондриях, входя в состав цитохромов, работающих в цепи переноса электронов и являясь кофактором различных дегидрогеназ. В то же время железо участвует в реализации защитных функций иммунной системы.

Железо относится к нутриентам, участвующим в генной регуляции. При кислородном голодании (гипоксии) железо обеспечивает адаптацию организма к этому состоянию.

Железо в пище может быть разделено на биодоступное и трудноабсорбируемое. В составе мясопродуктов, птицы и рыбы оно находится в составе гема, доступно для непосредственного всасывания и мало зависит от других пищевых факторов.

Из смешанного рациона железо усваивается в среднем на 10-15%, а при наличии железодефицита – до 40-50%.

Физиологическая потребность в железе для взрослого здорового человека имеет половую дифференцировку и составляет при условии его 10% абсорбции из пищи для мужчин 10 мг/сут., а для женщин 18 мг/сут.

Цинк. Этот элемент играет важную роль в росте и развитии организма, иммунном ответе, функционировании нервной системы и инсулярного аппарата, а также размножении. На клеточном уровне функции цинка могут быть разделены на три вида: каталитическую, структурную и регуляторную.

Цинк в качестве кофактора или структурного элемента включен в более чем 200 различных ферментов на всех уровнях метаболизма. В частности, он входит в состав основного антиоксидантного фермента супероксиддисмутазы, щелочной фосфатазы, карбоангидразы, алкагольдегидрогеназы.

Большое значение цинк имеет в процессах синтеза белка и нуклеиновых кислот, а его нахождение в обратных транскриптазах позволяет предположить участие в регуляции канцерогенеза. Он необходим для всех фаз клеточного деления и дифференцировки. Цинк выполняет основную задачу при ренатурации молекул ДНК и в процессе функционирования клеточных белков и биомембран. Дефицит цинка в структуре мембран повышает их чувствительность к окислительному повреждению и снижает их функциональные возможности.

Цинк входит в состав белков, регулирующих экспрессию генов в качестве транскрипционных факторов, и принимает участие в процессе трансляции в составе аминоацил-тРНК-синтетаз и фактора элонгации белковой цепи.

Основные пищевые источники, усвояемость и возможность обеспечения организма. Основными источниками цинка в рационе являются морепродукты, мясо, яйца, орехи и бобовые. Для обеспечения суточной потребности в цинке необходимо ежедневно включать в рацион соответствующее количество мяса и мясопродуктов, молока, сыра, хлеба и круп, картофеля и овощей. Из смешанного рациона цинк усваивается в среднем на 20-30 %, а из пищи, бедной цинком, до 85 %. Физиологическая потребность в цинке для взрослого здорового человека составляет 15 мг/сут.

Медь. Этот элемент относится к эссенциальным микроэлементам и участвует в ключевых метаболических процессах. В качестве кофактора медь входит в состав цитохромоксидазы, играющего важную роль в переносе электронов в цепи синтеза АТФ, входит в состав многих важных ферментов, активирующих синтез гормонов, формирующих нормальную структуру соединительной и костной тканей.

Медь содержится во многих пищевых продуктах, особенно много ее в субпродуктах, морепродуктах, орехах, семенах, крупах.

Усвояемость меди из смешанного рациона составляет около 50 %. Установлен физиологический антагонизм между медью, с одной стороны, и молибденом, марганцем, цинком, кальцием и серой в составе сульфатов – с другой. Безопасный уровень потребления меди для взрослого здорового человека составляет 1,5-3,0 мг/сут.

Йод. Это неметаллический микроэлемент, используемый организмом для синтеза гормонов щитовидной железы: трийодтиронина (Т3) и тироксина (Т4), регулирующих за счет экспрессии генов рост, развитие, размножение и обмен веществ. Щитовидная железа должна улавливать около 60 мкг йода в сутки для адекватного синтеза гормонов.

В биосфере и соответственно продуктах питания йод распределяется неравномерно. На Земле существуют большие территории, содержание йода в воде и почве которых крайне мало – так называемые йоддефицитные биогеохимические провинции.

Йод поступает в организм главным образом с морепродуктами. Его содержание в остальном продовольствии прямо зависит от наличия почвенного дефицита йода.

В процессе хранения и кулинарной обработки продуктов происходят значительные потери йода. Так, при хранении картофеля в течение 4-6 мес/ теряется более половины йода. При тепловой обработке продуктов потери йода могут достигать 65 %.

Существенным источником йода в питании является также йодированная соль: в поваренную соль вносят йодат калия (КIO₃) или, реже, менее стойкий йодид калия (KI) из расчета содержания йода 25 мкг/г в готовой пищевой соли. Таким образом, использование поваренной соли в количестве 6 г/сут. (верхняя рекомендуемая граница потребления поваренной соли) обеспечивает суточную потребность в йоде. Йодированную соль можно хранить 6-12 мес. и использовать ее целесообразно, внося уже в практически готовое блюдо для избегания потерь йода.

Усвояемость йода из смешанного рациона достигает 95 %. Физиологическая потребность в йоде составляет 150 мкг/сут. для взрослого здорового человека.

Марганец. Он относится к микроэлементам, обладающим выраженной двойственностью: незаменимостью и потенциальной токсичностью и участвует в ряде физиологических процессов в качестве кофактора или активатора ферментов.

Марганец является кофактором супероксиддисмутазы – основного антиоксидантного фермента митохондрий и принимает участие в обмене углеводов (глюконеогенезе), аминокислот и холестерина в составе пируваткарбоксилазы, аргиназы и ряда других ферментов. Он необходим для нормальной секреции инсулина и реализации холином своей липотропной функции.

Марганец содержится в пищевых продуктах в достаточном количестве. Усваивается марганец не более чем на 10 %, и его баланс в организме поддерживается за счет регуляции выделения, а не абсорбции, как, например, для железа, меди или цинка. Физиологический уровень потребности в марганце точно не установлен. Для взрослого здорового человека безопасным уровнем поступления марганца считается 2-5 мг/сут.

Молибден. Этот элемент участвует как молибденовый кофактор в обмене углерода, азота и серы не только в организме человека, но и глобально во всей экосистеме. Молибден относится к факторам, необходимым для роста микроорганизмов, в том числе нормальной кишечной микрофлоры.

Молибден достаточно широко представлен в пищевых продуктах. Со смешанным рационом в развитых странах поступает обычно от 50 до 110 мкг молибдена. Наибольшее его количество присутствует в бобовых, а также в зерновых и орехах. Животные продукты, фрукты и овощи в целом бедны этим элементом. Поскольку концентрация молибдена в растительных продуктах напрямую зависит от его природного и техногенного присутствия в почве, сформировать единую базу данных его фактического содержания в продуктах крайне затруднительно.

Хром. Он относится к микроэлементам с двойным биологическим действием на организм человека. В трехвалентном состоянии хром является незаменимым фактором питания и именно в этой форме присутствует в пище как ее естественный компонент. Поступая в организм в шестивалентной форме (как продукт промышленной антропогенной деятельности), хром представляет собой опасный токсикант, обладающий мутагенным и канцерогенным действием.

Физиологическая активность хрома связана с его участием в регуляции метаболизма глюкозы, связанной с действием инсулина. Предполагают, что хром в составе низкомолекулярного пептида, получившего название фактора толерантности к глюкозе, способствует повышению ответа рецепторов инсулина на действие гормона, усиливая утилизацию глюкозы тканями.

Источниками хрома в рационе являются мясопродукты, рыба, птица, зерновые и бобовые, некоторые овощи и фрукты.

Фтор. Биологическая роль фтора в организме определяется его способностью регулировать процессы, связанные с кальцификацией тканей. При нормальном содержании фтора в организме он обеспечивает образование (минерализацию) костной ткани, дентина и эмали зубов.

Почти весь фтор в организме (99 %) локализуется в твердых тканях. Установлено, что около 75 % алиментарного фтора поступает в организм с питьевой водой, напитками и жидкой пищей. В питьевой воде холодных и умеренных климатических зон содержание фтора нормируется на уровне 1,2-1,5 мг/л, а в жарких регионах – 0,7 мг/л.

При содержании фтора в питьевой воде ниже 0,5 мг/л требуется проведение мероприятий по ее фторированию для предупреждения гипофторозных состояний и, в первую очередь, зубного кариеса.

Из пищевых продуктов наиболее богат фтором чай, который активно концентрирует этот элемент: в 100 г сухого чайного листа содержится до 90 мг фтора. При этом в жидкой фракции заваренного чая фтор определяется в количестве 0,1-0,4 мг в 100 мл.

Кобальт. Биологическая роль кобальта в организме связана с его нахождением в молекуле витамина В₁₂, с его значимостью для жизнедеятельности кишечной микрофлоры, а также, наряду с железом и медью, кобальт относят к микроэлементам, участвующим в кроветворении.

С продуктами растительного происхождения в организм поступает большая часть кобальта всего рациона. Относительно много кобальта в орехах, бобовых и какао – от 12 до 20 мкг в 100 г продукта. В картофеле, томатах, луке, грибах, зеленом салате, грушах, овсяной и пшенной крупе содержится от 4 до 10 мкг кобальта на 100 г продукта. В животных пищевых продуктах его содержание прямо коррелирует с количеством витамина В₁₂. Весомым источником кобальта является питьевая вода.

Потребность в кобальте точно не установлена.

Следует помнить, что кобальт является промышленным ядом, вызывая профессиональные отравления при нарушениях техники безопасности на производствах.

Кремний. Это микроэлемент, участвующий в формировании хрящевой, костной ткани и, по-видимому, зубной эмали. Кремний играет существенную роль в ряде других метаболических процессов.

Ежедневная потребность организма в кремнии не установлена. С пищей и водой за сутки в развитых странах обычно поступает 20-50 мг кремния, а с воздухом – 15 мг. Чрезмерное аэрозольное поступление кремния (в промышленных условиях) приводит к развитию профессионального силикоза.

Основными пищевыми источниками кремния являются зерновые, крупы, бобовые, макароны. Около 1/3 кремния поступает в организм с водой.

Дисбаланс минеральных веществ и микроэлементов относится к важнейшим проблемам питания и требует обязательной коррекции. При этом необходимо правильно оценивать реальный уровень обеспеченности организма отдельными минералами, учитывая, что для взрослого здорового человека алиментарный дефицит того или иного микронутриента, как правило, связан с очевидными нарушениями в диете.

Таким образом, первым шагом в коррекции минерального дисбаланса является нормализация структуры рациона с использованием традиционных пищевых продуктов. Дополнительное обогащение пищевых продуктов минеральными веществами, по-видимому, может рассматриваться как возможный гигиенический прием лишь для ограниченного числа веществ.

Введение в продукты негемового железа, йода, фтора требует более жестких регламентов. Безопасность обогащения широкого ассортимента продуктов селеном, медью, цинком и другими микроэлементами вызывает серьезные сомнения, особенно в современных экологических условиях, когда их концентрации в окружающей среде постоянно увеличивается.