Биологически активные добавки

Биологически активные добавки

Основой химии природных соединений явилась традиционная органическая химия, которая первоначально рассматривалась как химия веществ, встречающихся в живой природе. Химия природных соединений возникла в середине XIX века, когда были синтезированы некоторые жиры, сахара и аминокислоты (это связано с работами М. Бертло, Ф. Велера, А. Бутлерова, Ф. Кекуле и др.). Первые подобные белкам полипептиды были созданы в начале нашего века, тогда же Э. Фишер вместе с другими исследователями внес свой вклад в исследование сахаров. Развитие исследований по химии природных веществ продолжалось нарастающими темпами вплоть до середины XX века.

Крупнейшими достижениями химии природных соединений явились расшифровка строения и синтез биологически важных алкалоидов, стероидов и витаминов, полный химический синтез некоторых пептидов, простагландинов, пенициллинов, витаминов, хлорофилла и др. соединений; установлены структуры множества белков, нуклеотидные последовательности множества генов и т. д.

Одной из важнейших задач, стоящих перед современным обществом, является реализация стратегии здорового питания. Она направлена на создание химических веществ, которые могут быть использованы в качестве пищевых, кормовых и биологически активных добавок, с целью обеспечения быстро растущего населения достаточным количеством качественного, сбалансированного питания.

Человек и большинство животных питаются готовыми органическими соединениями, синтезированными главным образом в растениях. Питательные вещества, содержащиеся в пище, — белки, углеводы и жиры, расходуются в животных организмах для поддержания существования и воспроизведения путем биосинтеза собственных тканей и органов. Кроме основных трех групп веществ естественная пища содержит множество других компонентов — микронутриентов и биологически активных веществ.

Что такое БАД?

В настоящее время получили широкое распространение так называемые биологически активные пищевые добавки (БАД). Они представляют собой химические вещества, которые после введения в организм человека или животного, вызывают ответную реакцию организма. При этом БАД не являются лекарственными веществами, т.к. их добавляют в пищевые продукты в дозах значительно ниже терапевтических, вылечивающих доз. БАД имеют значение в предотвращении заболеваний (профилактике) и снижении риска их развития, а также выполняют вспомогательную роль при лечении путем стимулирующего и поддерживающего организм эффекта.

Биологически активные добавки к пище (БАД) представляют собой композиции натуральных или идентичных натуральным биологически активных веществ, предназначенных для непосредственного приема с пищей или введения в состав пищевых продуктов с целью обогащения рациона отдельными пищевыми или биологически активными веществами и их комплексами. Биологические добавки к пище получают в виде фармацевтических форм — порошков, таблеток, капсул, сиропов, экстрактов, настоев, концентратов из растительного, животного или минерального сырья, а также химическими и биотехнологическими способами. Биологические добавки к пище нельзя отождествлять с пищевыми добавками, представляющими собой красители, антиоксиданты, эмульгаторы, корригирующие вещества, изменяющие органолептические свойства продуктов, но не обладающие биологической активностью.

Биологические добавки к пище содержат вещества, необходимые для поддержания нормальной жизнедеятельности и средства сопутствующей или вспомогательной терапии при различных заболеваниях.

Виды биологически активных добавок БАД условно подразделяют на три группы:

Нутрицевтики — биологически активные добавки к пище, применяемые для коррекции химического состава пищи человека (дополнительные источники микронутриентов: белка, аминокислот, жиров, углеводов, витаминов, минеральных веществ, пищевых волокон).

Конечной целью использования нутрицевтиков является улучшение пищевого статуса человека, укрепление здоровья и профилактика ряда заболеваний.

Парафармацевтики — биологически активные добавки к пище, применяемые для профилактики, вспомогательной терапии и поддержки в физиологических границах функциональной активности органов и систем.

Эубиотики (пробиотики) — биологически активные добавки к пище, в состав которых входят живые микроорганизмы, оказывающие нормализующее воздействие на состав и биологическую активность микрофлоры и моторику пищеварительного тракта. Пробиотики — принятый синоним понятия «эубиотики», но, под эту категорию вполне подпадают средства не содержащие живой флоры.

Применение БАДов Почему в последнее время уделяется такое большое внимание применению БАДов? Тут и достижения медицины, показавшие, что обеспечить полноценное питание возможно только при широком использовании БАДов, которые могут быть получены из любого биологического субстрата (животного, растительного, микробиологического), и экономика (синтез лекарств дорог), и особенности развития человека. С изменением образа жизни и характера питания человек, по-видимому, утратил некоторые ферментные системы. Можно сказать, что пища сформировала человека, а метаболический дисбаланс с природой стал следствием активной деятельности человека. Изменение образа жизни и питания привело к резкому сокращению энергетических затрат, составляющих сегодня 2,2−2,5 тыс. калорий в сутки. Малый объем натуральной пищи не позволяет даже теоретически обеспечить организм всеми необходимыми веществами (белками, полиненасыщенными кислотами, витаминами, минеральными веществами). Широкое применение БАДов при производстве продуктов питания может решить эти вопросы.

Другими словами, биологически активные добавки к пище используются:

· для восполнения недостаточного поступления с рационом белка и отдельных незаменимых аминокислот, липидов и отдельных жирных кислот (в частности, полиненасыщенных высших жирных кислот), углеводов и сахаров, витаминов и витаминоподобных веществ, макрои микроэлементов, пищевых волокон, органических кислот, биофлавоноидов, эфирных масел, экстрактивных веществ и др.;

· для уменьшения калорийности рациона, регулирования (снижения или повышения) аппетита и массы тела;

· для повышения не специфической резистентности организма, снижения риска развития заболеваний и обменных нарушений;

· для осуществления в физиологических границах регуляции функций организма;

· для связывания в желудочно-кишечном тракте и выведения чужеродных веществ;

· для поддержания нормального состава и функциональной активности кишечной микрофлоры.

БАД могут быть также использованы в комплексном лечении таких широко распространенных заболеваний, как ожирение, атеросклероз и другие сердечно-сосудистые заболевания, злокачественные новообразования, иммунодефицитные состояния, кишечно-желудочные заболевания, заболевания костно-суставной системы, органов зрения, эндокринной системы, болезни почек и мочевыводящих путей и множество других.

Основные отличия БАД — парафармацевтиков от лекарств БАД — парафармацевтики в большинстве случаев являются источниками природных компонентов пищи, не обладающих питательной ценностью, однако относящихся к незаменимым факторам питания — органическим компонентам пищевых и лекарственных растений, продуктов моря и компонентов животных тканей. Реже действующие начала БАД — парафармацевтиков могут быть получены химическими способами.

Действующие начала БАД — парафармацевтиков специфически поддерживают или регулируют в физиологических пределах функции отдельных органов и систем. Также БАД — парафармацевтиков используют в качестве вспомогательных средств при диетотерапии заболеваний человека или в качестве специфических профилактических средств. Эффект БАД — парафармацевтиков реализуется путем действия на организм раздражителей самой различной природы.

В то же время применение парафармацевтиков имеет много нерешенных вопросов химического, биохимического и медицинского характера.

К БАД-парафармацевтикам относятся БАД, способствующие снижению веса.

БАДы, способствующие снижению аппетита БАДы, способствующие снижению аппетита можно разделить на несколько групп:

· БАД, содержащие пищевые волокна.

Выраженное действие отмечается у пищевых волокон морского происхождения. Многочисленными зарубежными исследованиями доказан долговременный значительный позитивный эффект применения хитозана, который называют веществом XXIв. за множество полезных свойств.

Хитозан — пищевая волокнистая добавка, имеет свойство связывать жиры, которые при этом не усваиваются организмом и выводятся из него. Хитозан (2) имеет строение целлюлозы, в которой одна гидроксильная группа замещена на аминную (при С-2).

Хитозан получают из хитинов, которые выделяют в промышленных масштабах из панциря промысловых ракообразных (крабов и омаров). Из размолотых панцирей сначала удаляют минеральные составляющие кипячением в воде и затем обработкой слабой соляной кислотой или комплексонами. Белки извлекают путем кипячения в разбавленном растворе щелочи. Оставшиеся хитины (1) обрабатывают слабым раствором КМnO₄ или Н₂О₂. полученные таким образом хитины гидролизуют, переводя их в хитозаны:

· БАД, снижающие аппетит.

К ним можно отнести источники гарцинии камбоджийской, содержащей гидроксилимонную кислоту (гидроксицитрин), которая угнетает аппетит. Плоды и кора гарцинии камбоджийской используют в качестве натурального ароматизатора, придающего лимонный вкус. Она относится к пищевым вкусоароматическим добавкам. Добавляется в супы и входит в состав некоторых острых соусов для мясных и рыбных блюд.

Производные лимонной кислоты (3) анорексигенным действием, поэтому экстракт гарцинии камбоджийской, содержащий гидроксицитрат (4) применяется в качестве пищевой БАД, который предотвращает жирообразование.

· БАД, обладающие тонизирующим действием.

Они содержат алкалоиды (кофеин, теобромин, теофилин и др.), катехины. Эти соединения содержатся в кофе, черном и зеленом чае. Они повышают расход энергии за счет усиления термогенеза, способствуют снижению синтеза жирных кислот в жировой ткани.

Алкалоиды относятся к ряду производных пуриновых оснований, а именно к N-метилзамещенным ксантинам.

Кофеин содержится в количестве до 2% в зернах кофе и до 4% в листьях чая. Теобромин выделяют из шелухи семян какао. Теофиллин выделяют из зерен кофе и чайных листьев. В качестве БАД все эти ксантиновые алкалоиды применяют для снижения веса наряду с растительными препаратами из гуараны и разновидностями чая, которые содержат эти ксантины. Они, блокируя фосфодиэстеразы, повышают содержание циклического аденозинмонофосфата (ц-АМФ), который является медиатором действия адренолиновых гормонов. Те, в свою очередь, интенсифицируют метаболизм жировой ткани.

Кофеин легко возгоняется из растертых сухих листьев чая. Его также выделяют из отходов чайного производства (чайная пыль, обрезки кустов и листьев) горячей водной экстракцией в присутствии оксида магния. Водную вытяжку подкисляют до рН 6,5 и экстрагируют хлороформом. Из этого экстракта получают сырой кофеин, который очищают кристаллизацией для изготовления тонизирующих напитков.

биологический добавка тонизирующий мочегонный

Пуриновые алкалоиды (кофеин (1), теобромин (2), теофиллин (3)) получают также синтетическими методами:

1) проводят термическую конденсацию двух молекул мочевины с ацеталем (4). При этом образуется мочевая кислота (5). При ее нагревании с формамидом происходит восстановительный процесс дециклизации-рекристализации (слабое кипение с выделением углекислого газа и аммиака). В результате через пиримидин (6) с высоким выходом образуется ксантин (7). Его последующее метилирование приводит в зависимости от условий реакции к алкалоидам (1,2) (СН₃ОН/КОН) или (3) (водн. NaOH):

2) В другом промышленном методе мочевую кислоту (5) и ксантин (7) синтезируют из карбамида и 2-цианоацетата (8). Их конденсацию проводят путем кипячения в присутствии этилата натрия. Реакция проходит через промежуточный нитрил (9) с образованием соли 4-аминоурацила (10). Затем эту соль нитрозируют при 0−2^оС в водной уксусной кислоте и смесь подщелачивают аммиаком. Полученную соль нитрозоурацила (11) восстанавливают в виде водной суспензии до диамина (12) при нагревании с гидросульфитом натрия. Диамин (12) можно циклизовать в ксантин (7) конденсацией с муравьиной кислотой. Если же его сплавляют с мочевиной (160^оС), а затем смесь растворяют в щелочи, фильтруют, фильтрат нейтрализуют соляной кислотой и хлористым аммонием, то получают аммонийную соль мочевой кислоты. Ее обрабатывают Н₂SO₄ и свободную мочевую кислоту (5) высаживают водой:

Мочевую кислоту можно выделить из птичьего помета в виде двунатриевой соли (13) после нагревания с водной щелочью при рН=11. Твердый остаток отделяют центрифугированием, а осветленный раствор подкисляют 10% НСl для осаждения свободной мочевой кислоты:

Для испытания на подлинность производных ксантина используют реакции окисления, осаждения, комплексообразования. Общей реакцией, рекомендуемой для испытания подлинности производных ксантина, является мурексидная проба. Она основана на разрушении молекулы пурина при нагревании с окислителем (пероксидом водорода, бромной водой, азотной кислотой и т. д.) до образования смеси метилированных производных аллоксантина (13), которые под действием избытка раствора аммиака приобретают пурпурно-красное окрашивание. Окраска обусловлена появлением аммонийной соли тетраметилпурпуровой кислоты (14).

Кофеин дает мурексидную пробу по схеме:

Идентифицировать раствор кофеина можно в горячей воде при добавлении 0,1 М раствора йода и нескольких капель хлороводородной кислоты по образованию бурого осадка, который растворяется в избытке раствора гидроксида натрия:

В отличие от кофеина теобромин и теофиллин обладают кислотными свойствами за счет наличия ионов водорода имидных групп в положении 1 или 7. Поэтому они образуют соли с различными катионами (кобальта, меди, ртути, серебра), что используется для идентификации. Их вначале превращают в натриевые соли, действуя раствором гидроксида натрия. В качестве реактива, позволяющего отличать друг от друга кофеин, теофиллин и теобромин, используют раствор хлорида кобальта. Теобромин образует осадок серовато-голубого цвета, который выпадает после появления быстро исчезающего фиолетового окрашивания:

Теофиллин в тех же условиях образует белый с розоватым оттенком осадок:

Подлинность теофиллина, теобромина можно также установить по образованию из растворов их натриевых солей характерных осадков солей серебра. Кофеин, не обладающий кислотными свойствами, не дает положительных реакций ни с ионом кобальта, ни с ионом серебра.

Соль теобромината серебра при нагревании на водяной бане до 60^оС образует коричневую желатинообразную массу:

Серебряная соль теофиллина представляет полупрозрачный студенистый осадок, разжижающийся при нагревании и вновь застывающий при охлаждении:

Теофиллин после щелочного гидролиза (30% раствор NaOH при нагревании) превращается в теофиллидин, который вступает во взаимодействие с солью диазония, образуя азокраситель красного цвета:

· Витаминно-минеральные комплексы.

К этой группе можно отнести тиамин (витамин В₁), липоевую кислоту.

Составной частью витамина В₁(тиамин, 1) является пиримидиновый цикл. Тиамин выделяют из рисовых отрубей. Его физиологическое действие осуществляется с помощью кофермента, важного для жизнедеятельности, тиаминпирофосфата или декарбоксилазы. Тиамин относится к незаменимым компонентом в метаболизме углеводов в организме. В составе пищевых БАД витамин В₁ полезен для лечения ожирения, аритмии и ишемии сердца, сахарного диабета.

Синтезируют тиамин (1) кватернизацией замещенного тиазола (9) бромметилпиримидином (5). Последний получают путем циклизации ацетамидина (2) с производным акрилонитрила (3) и бромирования промежуточного этоксиметилпиримидина (4) гидробромидом. Тиазол (9) формируют циклоконденсацией тиоформамида (6) с 3-бром-4-оксо-1-ацетоксипентаном (7) с последующим щелочным гидролизом эфира (8). Противоионом (анионом) в тиамине может служить Cl^-, Br^-, H₂PO₄^-:

Липоевая кислота имеет строение 3-(4-карбоксибутил)-1,2-дитиолана (5).

Она считается витамином для молочнокислых бактерий (активен S-изомер). Липоевую кислоту вводят в пищевые продукты в качестве БАД, т. к она, участвуя в углеводном метаболизме, ответственна за обеспечение энергией миокарда и тем самым, предотвращает заболевания сердца. Кроме того, она влияет на обменные процессы жиров и используется в лечебно-профилактических целях при склонности к лишнему весу, снижая образования жира.

Рацемическую кислоту (5) получают из адипиновой кислоты (1) через эфир ее монохлорангидрида (2), который при взаимодействии с этиленом образует продукт присоединения (3). После удлинения цепочки атомов углерода до восьми осуществляют восстановление карбонильной группы до гидроксильной, а последнюю замещают на атом хлора. Дихлорид обрабатывают полисульфидом натрия (Na₂S+SNa₂S₂), что приводит к гетероциклизации с образованием дитиоланового кольца:

БАД, обладающие мягким мочегонным и послабляющим действием.

Мягкое мочегонное действие вызывают БАД, содержащие толокнянку, гибискус (суданскую розу), укроп, калину, рябину, растения, имеющие в своем составе кофеиноподобные вещества. Послабляющее действие оказывают, например, растительные чаи, содержащие кассию (александрийский лист), нерастворимые пищевые волокна.

Наибольшее распространение имеют БАДы, содержащие в своём составе гуарану, зелёный чай, L-карнитин, октонамин, эфедрин (который обладает лёгким наркотическим действием); креатин — производное трёх аминокислот: метионина, глицина и аргинина; холин, лецитины и др.

ЭФЕДРИН

Природный алкалоид эфедрин (1) используют в качестве пищевой БАД для профилактики ожирения. Эфедрин и его производные являются основным действующим началом «ма хуанга» — эфедры китайской. Это растение используется в китайской и тибетской медицине для остановки кровотечений, кашля и при лечении ожирения (т.к обладает анорексигенным — снижающим аппетит — эффектом, оказывая влияние на активность нервной системы. Эфедрин и его сочетание с кофеином и аспирином эффективно снижает вес.

Синтезируют эфедрин в виде рацемата (псевдоэфедрин, 1) действием метиламина на 1-фенил-1,2-пропандион с последующим восстановлением промежуточного имина. Анорексигенным и сосудосуживающим действием обладает также и норэфедрин (2). Первая стадия его синтеза заключается в конденсации бензальдегида с нитроэтаном, которая проводится в присутствии водного карбоната калия при комнатной температуре в атмосфере азота. Полученный при этом нитроспирт затем восстанавливают в амин (2) в системе Zn/AcOH:

МЕТИОНИН

В сельском хозяйстве метионин предназначен, в основном, для ускорения роста птиц, его добавляют в корм как «витамин роста». Метионин используется в медицине для лечения и профилактики токсических поражений печени и при диабете. Для метионина характерно активное участие в утилизации жирных кислот. Его липотропное действие помогает эффективному метаболизму пищевых жиров. Как пищевую БАД его применяют в профилактике ожирения, лечении остеоартроза и нарушений мозговой деятельности.

Метионин получают синтетически, исходя из акролеина и тиаметанола. Реакция присоединения триметанола по С=С связи акролеина дает метилтиопропаналь (1), который по реакции Штреккера легко цианируют по карбонильной группе с образованием циангидрида (2), в котором на второй стадии аммиаком нуклеофильно замещают ОН-группу на аминогруппу. На следующей стадии образовавшийся таким образом геминальный аминонитрил (3) гидролизуют в щелочной среде до рацемического метионина (4):

L — КАРНИТИН

L — карнитин или 4-триметиламино-3-гидроксибутановая кислота (хлорид карнитина, витамин В_Т, 1) встречается в некоторых растениях и мышечной ткани животных. L — карнитин является активным метаболитом, стимулирует биосинтез белка, проявляет анаболическое действие, нормализует белковый и жировой обмен. Это вещество песпективно в спортивной медицине. Установлено, что L — карнитин регулирует транспорт через клеточные мембраны и утилизацию высших насыщенных и ненасыщенных кислот. Это объясняет его применение в качестве пищевой БАД в лечении ожирения.

L — карнитин (1) синтезируют посредством фотохимического хлорирования 4-аминобутановой кислоты (2) до ее 3-хлорпроизводного (3), в котором затем под действием щелочи атом хлора нуклеофильно замещают на гидроксигруппу. Полученную таким образом гидроксизамещенную аминокислоту (4) после расщепления энантиомеров исчерпывающе N — метилируют хлористым метилом в присутствии акцептора НСl:

(3)

синтезируют из бутиролактона, получаемого на основе ацетилена. На первой стадии ацетилен гидросиметилируют формальдегидом до 1,4 — бутиндиола, который гидрируют до 1,4 — бутандиола. 1,4 — бутандиол при нагревании над медным катализатором дегидроциклизуют в бутиролактон. Лактон при нагревании с аммиаком под давлением переводят в — пирролидон, гидролизуемый затем в присутствии кислоты или щелочи в (3):

Другой способ синтеза L — карнитина основан на взаимодействии хлорметилоксирана с цианидом натрия и имидом орто-фталевой кислоты. Образующийся на первой стадии 4-фталимидо-3-гидроксибутиронитрил (5) затем легко гидрализуют до (4), который превращают в L — карнитин (1):

ХОЛИН

Холин или 2-гидроксиэтил (триметил)аммония встречается во многих растительных и животных тканях. Он является пищевой БАД, которую рассматривают в качестве «жиромобилизирующей» компоненты, способствующей эффективному метаболизму и утилизации жиров. Кроме того, холин как пищевая БАД полезен для развития центральной нервной системы в растущем организме и для стимулирования деятельности нервных клеток.

Холин синтезируют на основе оксирана, который легко присоединяет нуклеофильные реагенты с раскрытием цикла. Оксиран обрабатывают триметиламином м водой, что приводит к образованию холин гидроксида (1):

ЛЕЦИТИНЫ

В качестве пищевых БАД лецитины (1) полезны для профилактики и лечения ожирения, сердечно-сосудистых заболеваний и сахарного диабета. С помощью лецитинов происходит ферментативная этерификация холестерина крови остатком жирной кислоты. Это обеспечивает достаточный уровень метаболизации холестерина в печени, снижает вес и риск развития атеросклероза.

Лецитины производят путем глицеролиза масел и жиров (2) через промежуточные диглицериды (3) высших жирных кислот, которые затем переводят в фосфорные эфиры (например, 4) действием пентаоксида фосфора или трихлормонооксида фосфора. Реакцией с тозилатом холина (5) получают лецитины:

СЕРОТОНИН

5-гидрокситриптофан (1) эффективен для регулирования повышенного аппетита. Его действие в качестве пищевой БАД основано на том, что он, являясь метоболитом триптофана (2), превращается в организме в серотонин (3). Серотонин обладает анорексигенной активностью и снижает аппетит. Соединение (1) является природным, оно найдено в помидорах, бананах, ананасах.

5-гидрокситриптофан (1) синтезируют из триптофана (2), который получают из индола (4), превртив его предварительно в метилат 3-индолилнитропропионовую кислоту (3). В этой кислоте восстанавливают нитро-группу, затем ее гидрализуют в триптофан (2). Триптофан (2) нитруют, защищая нитро-группу, а 5-нитро-группу в промежуточном соединении восстанавливают в аминогруппу (5). Затем 5-амино-группу диазотируют и соль диазония расщепляют. После снятия бензильной защиты выделяют целевой продукт (1), который в организме уже превращается в сератонин (3):

Заключение

Перед человечеством в настоящее время стоит несколько глобальных проблем, связанных с его выживанием на Земле. Одна из них — это проблема обеспечения каждого человека биологически активными веществами для профилактики и лечения заболеваний. По мнению многих специалистов этой области и врачей именно уровень и качество питания на две трети определяет здоровье людей. В этой связи химическая наука и промышленность в настоящее время создает многообразие новых видов пищевых и биологических добавок и расширяет производство уже известных добавок. Это поможет обеспечить полноценность питательного рациона людей и животных, сбалансированность как по макронутриентам (собственно пищевым компонентам — белкам, углеводам, жирам), так и по микронутриентам (жизненно важным веществам, присутствующим в пище в очень малых количестве — витаминам, фосфолинидам, ферментам, ионам железа, цинка, марганца, селена.

В целом, пищевые добавки:

· резко повышают качество продуктов питания,

· снижают количество (объем) потребляемой пищи,

· быстрее утоляют жажду и аппетит,

· обеспечивают снижение риска возникновения различных заболеваний. Ожидается, что в XXI в. будут значительно увеличиваться как ассортимент, так и масштабы химического и биохимического производства всех видов пищевых добавок, в том числе органических насыщенных и ненасыщенных кислот, аминокислот, белков, витаминов, белково-витаминных концентратов, ферментов, пищевых волокна. Будут созданы новейшие пищевые химические соединения для более эффективного стимулирования и нормализации жизненных функций человека, связанных с его питанием.

1. А. Т. Солдатенков, Н. М. Колядина, Ле Туан Ань, В. Н. Буянов, «Основы органической химии пищевых, кормовых и биологически активных добавок», учебное пособие. — М.:Химия, 2006.

2. www.ВикипендиЯ.ru

3. www.ХиМиК.ru