351

Тема 15

Функціональна роль мінеральних речовин та особливості збагачення ними харчових продуктів

Основним джерелом поживних речовин, з яких будується організм людини, є рослинні продукти. Тому, незважаючи на багатоманітність природних умов, рослинні продукти та організм людини в цілком мають подібний елементарний хімічний склад (г %):

Таблиця 15.1

Хімічний склад організму людини та рослини

Показники	C	O	H	N	Інші елементи
Рослини	11,3	76,7	9,4	0,88	1,62
Людина	29,2	63,4	9,9	3,06	3,41

Суха речовина організму людини і рослинних матеріалів на 96...98 % за масою складається з вуглецю, водню, кисню та азоту. У тілі людини більше міститься вуглецю та азоту, а в тканинах рослин – кисню.

Вуглець, водень, кисень та азот входять, головним чином, до складу органічних сполук – білків, жирів, вуглеводів, їх умовно називають органогени, або органічні елементи.

Під дією високою температури або суміші концентрованих кислот органічні сполуки рослинних матеріалів і тканин організму згорають з виділенням вуглекислого газу, води та аміаку, а неорганічна частина залишається у вигляді осаду – 30 мл.

Елементи, виявлені в осаді, очищеному від домішок, відносять до мінеральних (неорганічних, зольних). На сьогоднішній день в золі органів і тканих вищих істот ідентифіковано понад 60 мінеральних елементів (макро- та мікроелементів), до того ж 45 із них визначено кількісно і вони є постійними складовими частинами організму.

Слід зазначити, що чіткої межі між органічними та мінеральними елементами провести неможливо, поділ цей умовний. Обмін сполук в організмі спільний, і мінеральний обмін є однією із ланок цього загального ланцюжка. Прикладом може служити метаболізм фосфору – елементу, котрий зв'язує в організмі воєдино процеси білкового, вуглеводного, ліпідного, мінерального та енергетичного обмінів. Значним чином це стосується також сірки, магнію, заліза, цинку та інших елементів.

Організм наділений високим ступенем регулювання гомеостазу мінеральних сполук. Не дивлячись на широкі коливання вмісту макро- та мікроелементів у харчових продуктах, мінеральний склад тканин залишається досить постійним.

За останні роки у багатьох країнах світу з інтенсивно розвинутою індустрією здорового харчування проводиться велика робота з перегляду та уточнення норм мінерального харчування, пошуку нових ефективних джерел мінеральних добавок, вдосконалення технологій їх отримання та споживання.

Поряд із цим ведуться глибокі біохімічні та фізіологічні дослідження, що мають за мету з'ясувати загальні закономірності обміну макро- та мікроелементів залежно від віку, фізіологічного стану та інших показників живого організму.

Кінцевою практичною метою цих досліджень є фізіологічне обґрунтування потреб людини в мінеральних елементах, розроблення простих і доступних критеріїв повноцінності мінеральної складової харчових продуктів і способів запобігання мікроелементозам – хворобам, пов’язаним із нестачею або надлишком певних мінеральних елементів.

Функції мінеральних елементів в організмі надзвичайно різноманітні і пов'язані з їх формою та станом. Основні з них такі:

- участь у побудові опорних тканин організму;

- підтримання гомеостазу внутрішнього середовища;

- підтримання рівноваги клітинних мембран;

- активація біохімічних реакцій шляхом впливу на ферментні системи;

- прямий або опосередкований вплив на функцію ендокринних залоз;

- вплив на симбіотичну мікрофлору ШКТ.

Особливу увагу необхідно звернути на четверту властивість – мінеральні елементи і ферментні системи, оскільки вона має найістотніше значення при створенні нових мінералізованих продуктів.

Ферменти є найбільш ефективними та специфічними зі всіх відомих каталізаторів. Для каталізу ферментних систем необхідними є сполуки небілкової природи – кофактори Такими можуть служити або органічні сполуки (коферменти – часто ними бувають вітаміни), або іони металів.

Взаємодія іонів металів з ферментами у хімічному відношенні є. виявом більш загальної закономірності – утворення металоорганічних комплексів – основного типу сполук у біологічних системах, в тому числі у харчових продуктах.

При розробленні нових харчових продуктів слід пам'ятати, що лігандами, тобто тими компонентами, які утворюють комплекс із металами, можуть бути амінокислоти, пептиди, білки, нуклеопротеїди, нуклеїнові та карбонові кислоти, вуглеводи, фосфоліпіди. Потрібно знати і те, що стабільність такого комплексу буде залежати від природи металу. Наприклад, для 2-валентних металів встановлено такий ряд стабільності комплексів:

Ca<Mg< Mn< Fe< Co<Ni< Cu>Zn

Особливо міцні комплекси утворюються при наявності реакційно-здатних груп з негативним зарядом у бічних ланцюгах амінокислот. Присутність таких груп у гістидині, цистині, цистеїні робить їх найбільш сильними комплексонами серед амінокислот. Комплекси іонів з пептидами менш стійки.

Координаційні сполуки – це найбільш вигідна для організму форма взаємодії металу з лігандом. Активність елементів у цих комплексах зростає часто у сотні, а то тисячі разів порівняно з активністю металу в іонному стані.

Здатність металів до утворення координаційних зв'язків різна і вона збільшується у такому ряду:

Для Na і К – незначна; для Са і Mg – досить значна; для Мо, Мn, Fe, Cu, Co, Zn – велика

Для біологів та харчовиків дуже великий інтерес представляють взаємодії металів із ферментами. Ця взаємодія коливається в широкому діапазоні – від слабкого іонного ефекту до утворення комплексів.

Активаторами ферментів служать такі 15 катіонів: Na, K, Rb, Cs, Mg, Са, Zn, Cd, Cr, Cu, Mn, Fe²⁺, Co, Ni, Al.

При розроблені нових продуктів з підвищенням вмістом мінеральних сполук необхідно враховувати їх біологічну, а значить фізіологічну роль. На цій підставі збагачення традиційних харчових продуктів доцільно проводити саме життєво необхідними (біогенними, біотичними елементи) – Са, Р, К, СІ, Na, Mg, Fe, Cu, Co, Zn, Mn, Mo, І, Se, S. З них перших 7 відносяться до макроелементів, тобто таких, які містяться в організмі у значних кількостях, (від 0,09 до 1% до маси тіла), а Fe, Zn, Cu, Mn, I, Mo – відносять до мікроелементів, тобто таких, що містяться у невеликих кількостях (від 0,001%). Co, Se – відносять до ультрамікроелементів, їх кількість в організмі 0,000001…0,000009%.

Таким чином, група біотичних елементів включає до себе всі макроелементи, частину мікро- та ультрамікроелементи.

Харчовий раціон, що не містить того чи іншого біотичного елементу або містить його у недостатній концентрації, викликає певні негативні біохімічні зміни у тканинах організму. Патологія людини і тварини, зумовлена дефіцитом життєво необхідних мінеральних елементів, надлишком як есенціальних, так і токсичних мінеральних елементів, а також дисбалансом макро- і мікроелементів, називається мікроелементозом.

Мікроелементозів та викликаних ними функціональних змін можна уникнути або ліквідувати їх шляхом додавання необхідних мінеральних елементів до харчових продуктів.

Мінеральні сполуки можуть взаємодіяти як між собою, так і з іншими біологічними сполуками харчових продуктів. Ця взаємодія буває двох типів: синергізм (посилення дії) та антагонізм (ослаблення дії). Важливим є той факт, що така взаємодія відбувається і в самому продукті, і в травному каналі людини, і в процесі тканинного та клітинного метаболізму.

З практичної точки зору і з точки зору розроблення нових продуктів, особливо оздоровчої і профілактичної дії, знання усіх цих закономірностей дає можливість як конструювати такі продукти, які повністю забезпечать організм людини необхідними мінеральними сполуками, так і уникнути небажаних форм взаємодії.

Слід запам'ятати такий факт: внаслідок великої лабільності мінеральних елементів (МЕ) та здатності їх до утворення різноманітних зв'язків, ймовірність взаємодії між ними набагато більша, ніж між іншими біологічно активними речовинами харчових продуктів.

Синергістами називають такі елементи, котрі, по-перше, взаємно сприяють абсорбції один одного у шлунково-кишковому тракті (ШКТ), а по-друге, взаємодіють у здійсненні будь-якої функції на тканинному та клітинному рівнях.

Антагоністами вважають елементи, котрі, по-перше, гальмують абсорбцію один одного у ШКТ, а по-друге, справляють протилежний вплив на будь-яку біохімічну функцію в організмі.

Слід запам'ятати: синергізм частіше всього буває взаємним, зате антагонізм може бути взаємним, або одностороннім. Наприклад, Р і Mg, Zn і Cu взаємно гальмують абсорбцію один одного у кишечнику, а кальцій інгібує абсорбцію цинку і магнію (але не навпаки).

Антагонізм ME – це складний комплекс біотичних взаємодій. Результатом цих взаємин не завжди є зниження рівня того чи іншого елемента і його підвищене виділення із організму. Іноді антагонізм виконує лише протекторну роль стосовно біохімічних функцій і лише при різкому порушенні співвідношення іонів спостерігаються відхилення у рівні обмінних процесів.

Можливість антагоністичних взаємодій елементів можна певною мірою передбачити, виходячи з їх положення у періодичній системі. В основі цих взаємодій лежать фізико-хімічна аналогія елементів, їх здатність до комплексоутворення, більша чи менша спорідненість до відповідних активних груп біополімерів.

Загалом можна передбачити, що антагоністами є хімічні елементи та гомологи (Са ↔ Mg), а також елементи, що мають однакову валентність і здатність до утворення аналогічних комплексів.

На основі літературних даних і результатів власних досліджень встановлено синергізм і антагонізм таких елементів, які наведено у відповідних довідкових матеріалах.

Кількість виявлених на сьогодні синергічних зв'язків значно менша, ніж антагоністичних. Можливо, це пов'язано з тим, що результат антагоністичних зв'язків більш чітко виявляється в експерименті і їх можна легше зафіксувати за допомогою сучасних приладів.

На утилізацію та всмоктування ME впливають також рівень і склад протеїнів у харчових продуктах, вміст вуглеводів, вітамінів тощо, але основна наведена закономірність залишається.

В ШКТ можливі і інші механізми підвищення адсорбції ME. Встановлено, зокрема, сприятливий вплив лактози на всмоктування двовалентних іонів (Са, Mg, Sr, Ba, Zn) і цей факт потрібно обов’язково враховувати при збагаченні харчових продуктів цими МЕ.

В літературі наведено дані, що між 15 життєво важливими елементами існує 105 двосторонніх та 455 тристоронніх взаємодій.