Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav chemie a biochemie
Stanovení vápníku, hořčíku, zinku a železa v obilovinách, moukách a pekařských výrobcích Diplomová práce
Vedoucí práce: doc. RNDr. Ing. Pavel Stratil, Ph.D. Brno 2010
Vypracovala: Alena Halašková
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Stanovení vápníku, hořčíku, zinku a železa v obilovinách, moukách a pekařských výrobcích vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
Dne…………………………………...
podpis ………………………………..
PODĚKOVÁNÍ
Děkuji doc. RNDr. Ing. Pavel Stratil, Ph.D. za cenné rady, připomínky a pomoc, kterou mi poskytl v průběhu odborných konzultací. Dále děkuji celé své rodině a přátelům za podporu a zázemí při zpracovávání diplomové práce ale i během celého studia
ABSTRAKT Tato práce je zaměřena na obsah vápníku, hořčíku, zinku a železa v pšenici, moukách a otrubách. Analýza byla provedena u 27 vzorků, z toho bylo 6 vzorků pšenice, 6 vzorků otrub, 14 vzorků mouk a 1 vzorek krupic. Ke stanovení obsahu Ca, Mg, Zn a Fe byla použita atomová absorpční spektrometrická metoda. Nejvyšší obsah všech prvků byl stanoven u otrub. U pšeničných mouk hodnoty klesaly v pořadí celozrnná, chlebová, hladká, hrubá, polohrubá mouka. Hodnoty naměřené u pšenice byly velmi podobné a neprojevovaly se rozdíly mezi pšenicí pěstovanou v okolí Litoměřic a Kyjova. Avšak rozdíly mezi hodnotami pšenice a z ní vymleté mouky byly markantní, dosahující až 100 %. Doporučená konzumace celozrnné mouky, kde je část nedostatkových prvků zachována (stejně jako větší část fenolových látek, vitamínů, fosfolipidů a vlákniny), by měla být preferována před moukou bílou, protože příznivě působí na lidské zdraví Klíčová slova: Atomová absorpční spektrometrie, vápník, hořčík, zinek, železo, pšenice
ABSTRACT This work focuses on content of calcium, magnesium, zinc and iron in wheats, flours and brans. Determination has been made in 27 samples, from those 6 samples were wheats, 6 samples were brans, 14 samples were flours and 1 sample was branny. The atomic absorption spectroscopy was used for determinating the volume of the investigated micronutrients (Ca, Mg, Zn, Fe). The highest volume of these micronutrients was determined in brans. The values declined for wheat flours in the following order: wholegrain, bread, smooth, whole-meal, semi-smooth. There were no major value differences between wheat cultivated around Litomerice and Kyjov. On the other hand, the differences between values of wheat and flour were significant, up to 100 %. The recommended consumption of whole-grain flour, in which a part of the lacking micronutrients is preserved (as well as major part of phenolic substances, vitamins phospholipids and fibres), should be prefered to the white flour because of its positive influence on human health.
Key words: Atomic absorption spectroscopy, calcium, magnesium, zinc, iron, wheat
OBSAH
1.
ÚVOD ………………………………………………………………..
9
2.
CÍL PRÁCE ………………………………………………………....
10
3.
LITERÁRNÍ ČÁST ………………………………………………… 11
3.1.
Složení obilovin ……………………………………………………...
11
3.1.1.
Fytochemikálie ………………………………...................................
11
3.1.1.1.
Fenolové látky………………………….............................................
12
3.1.1.2.
Karotenoidy………………………….................................................
13
3.1.1.3.
Vitamín E…………………………....................................................
13
3.1.1.4.
Lignany…………………………........................................................
14
3.1.1.5.
β-glukany .…………………………....................................................
15
3.1.1.6.
Fytosteroly…………………………....................................................
15
3.1.1.7.
Vláknina, rezistentní škrob a inulin....................................................
16
3.1.1.8.
Kyselina fytová.....................................................................................
19
3.1.2.
Vliv obilovin na lidské zdraví ………………………………………
19
3.1.2.1.
Srdečně cévní onemocnění..................................................................
19
3.1.2.2.
Cukrovka..............................................................................................
20
3.1.2.3.
Rakovina...............................................................................................
21
3.1.2.4.
Regulace tělesné hmotnosti.................................................................
21
3.2.
Vápník ……………………………………………………………….
22
3.2.1.
Výskyt v lidském těle………………………………………………
22
3.2.2.
Biochemické funkce…………………………………………………
22
3.2.3.
Metabolismus………………………………………………………..
22
3.2.3.1.
Nutriční faktory ovlivňující požadavky vápníku.................................
23
3.2.4.
Výživa………………………………………………………………...
23
3.2.5.
Projevy nedostatku………………………………………………….
24
3.2.6.
Toxicita……………………………………………………………….
24
3.2.7.
Zdroje vápníku v potravě…………………………………………..
24
3.3.
Hořčík ……………………………………………………………….
26
3.3.1.
Výskyt v lidském těle………………………………………………
26
3.3.2.
Biochemické funkce…………………………………………………
26
3.3.2.1.
Mg2+ jako kofaktor enzymů.................................................................. 27
3.3.2.2.
Vliv hořčíku na dělení buněk...............................................................
3.3.2.3.
Vliv hořčíku na transport přes buněčné membrány............................ 28
3.3.2.4.
Vliv hořčíku na nervosvalovou dráždivost a nervovou reakci............
28
3.3.2.5.
Vliv hořčíku na metabolismus tuků.....................................................
29
3.3.2.6.
Regulační úloha hořčíku v kardiovaskulárním systému....................
29
3.3.3.
Metabolismus………………………………………………………..
29
3.3.4.
Výživa………………………………………………………………...
30
3.3.5.
Projevy nedostatku………………………………………………….
31
3.3.5.1.
Faktory, které ovlivňují nedostatek hořčíku......................................
32
3.3.5.2.
Chorobné stavy, které ovlivňují nedostatek hořčíku...........................
32
3.3.6.
Toxicita……………………………………………………………….
33
3.3.7.
Zdroje hořčíku v potravě…………………………………………..
33
3.4.
Zinek …………………………………………………………………
34
3.4.1.
Výskyt v lidském těle………………………………………………
34
3.4.2.
Biochemické funkce…………………………………………………
34
3.4.2.1.
Enzymy zinku........................................................................................ 35
3.4.2.2.
Vliv zinku na imunitní systém.............................................................. 36
3.4.2.3.
Vliv zinku na mozek a nervovou soustavu........................................... 36
3.4.2.4.
Vliv zinku na stres................................................................................
36
3.4.3.
Metabolismus………………………………………………………..
36
3.4.4.
Výživa………………………………………………………………...
38
3.4.5.
Projevy nedostatku………………………………………………….
38
3.4.6.
Toxicita……………………………………………………………….
39
3.4.7.
Zdroje zinku v potravě……………………………………………… 39
3.5.
Železo ………………………………………………………………... 40
3.5.1.
Výskyt v lidském těle………………………………………………
40
3.5.2.
Biochemické funkce…………………………………………………
40
3.5.3.
Metabolismus………………………………………………………..
42
3.5.3.1.
Látky zvyšující resorpci železa.............................................................. 43
3.5.3.2.
Látky snižující resorpci železa.............................................................. 43
3.5.4.
Výživa………………………………………………………………...
44
3.5.5.
Projevy nedostatku………………………………………………….
44
28
3.5.6.
Toxicita……………………………………………………………….
3.5.7.
Zdroje železa v potravě……………………………………………... 45
4.
MATERIÁL A METODY ………………………………………….
4.1.
Chemikálie a reagenty ……………………………………………… 47
4.2.
Přístroje ……………………………………………………………... 47
4.3.
Software ……………………………………………………………..
47
4.4.
Analyzované vzorky ………………………………………………...
47
4.4.1.
Příprava vzorku……………………………………………………..
48
4.5.
Stanovení Ca, Mg, Zn a Fe …………………………………………
49
4.5.1.
Atomová absorpční spektrometrie…………………………………
49
4.5.1.1.
Princip metody.....................................................................................
49
4.5.1.2.
Instrumentace.......................................................................................
50
4.5.2.
Vlastní měření……………………………………………………….. 53
5.
VÝSLEDKY ………………………………………………………… 54
6.
DISKUZE ……………………………………………………………
59
6.1.
Vliv zpracování na nutriční hodnotu ……………………………..
59
6.1.1.
Mletí………………………………………………………………….
59
6.1.2.
Výroba chleba………………………………………………………..
62
7.
ZÁVĚR ……………………………………………………………
63
8.
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ……………………………
64
9.
SEZNAM TABULEK ………………………………………………
68
45
47
1. ÚVOD Téměř všudypřítomná konzumace obilovin jim dává významné postavení v mezinárodní výživě. Kromě vysokého obsahu škrobu obiloviny poskytují poměrně značné množství vlákniny, hodnotných bílkovin a lipidů bohatých na esenciální mastné kyseliny. Významné stopové prvky přítomné v obilovinách jsou vitamíny, zejména vitamíny skupiny B, minerály nejvíce vápník, hořčík, železo a zinek, dále pak antioxidanty a fytochemikálie. Všeobecně vzato, obiloviny poskytují významné množství většiny živin. Tyto živiny jsou více obsaženy v obilných výrobcích z celozrnné mouky (Dewettinck a kol., 2008). V základním složení lidského těla vápník figuruje na pátém místě po kyslíku, uhlíku, vodíku a dusíku, a tvoří 1,9 % tělesné hmotnosti. Vápník patřil mezi první prvky o nichž se vědělo, že jsou pro lidské tělo esenciální. Již v roce 1842, Chossat experimentálně prokázal, že u holubů s nízkým obsahem vápníku ve stravě se vyvíjí slabé kosti (Ensminger a kol., 1994). Vápenaté ionty hrají roli v mnoha metabolických procesech. Mezi jeho základní funkce patří: zprostředkování přeměny elektrického signálu na chemický v nervových zakončeních, výstavba kostní tkáně, účast v procesech srážení krve a aktivace enzymů. Hořčík je čtvrtým nejhojnějším kationtem v těle a druhým nejhojněji se vyskytujícím nitrobuněčným kationtem. Je kofaktorem asi 300 buněčných enzymů, zejména těch, které se týkají metabolických dějů spojených s tvorbou a rozkladem ATP. Dalšími funkcemi hořčíku jsou stabilizace makromolekul DNA, aktivace některých enzymů, ovlivňování propustnosti buněčných membrán a zajišťování správné funkce nervových buněk (Sigel, 1990). Zinek je esenciální minoritní minerální prvek. Lidské tělo obsahuje přibližně 2-3 g zinku a pouze železo je z minoritních prvků obsaženo ve vyšším množství. Zinek je přítomen ve všech tělesných tkáních. Tento stopový prvek se zapojuje do funkcí v těle různými způsoby. Zinek je složkou více než 200 enzymů podílejících se na tak rozdílných funkcí, jako je např. trávení bílkovin, aerobní a anaerobní produkce energie, transport elektronů, syntéza RNA, kostní metabolismus, detoxikace alkoholu a normální vstřebávání a účinnost vitaminů, zejména vitamínu skupiny B (Kirschman, 2006). Koncentrace železa v těle je přibližně 30-40 mg.kg-1 tělesné hmotnosti, což přibližně odpovídá celkovému množství 2-4 g železa v organizmu. Železo má v těle několik životně důležitých funkcí. Je složkou proteinů určených v organismu k transportu
9
kyslíku: hemoglobinu a myoglobinu. Slouží jako dopravní prostředek pro elektrony uvnitř buněk a je nedílnou součástí důležitých enzymů v různých tkáních, které zabezpečují pochody oxidace a redukce (WHO/FAO, 2004). Příjem železa je více než u dvou miliard lidí neadekvátní a způsobuje nedostatek železa nebo anémii. Nedostatek železa je nejčastěji se vyskytujícím nedostatkem vůbec (Murphy, 2008).
2. CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce bylo formou literární rešerše: 1.
Charakterizovat fyziologický význam a potřebu vápníku, hořčíku, zinku a železa pro člověka a zhodnotit jejich přijímané množství.
2.
Formou analýzy stanovit množství vápníku, hořčíku, zinku železa v obilovinách, moukách a pekařských výrobcích. Ke stanovení byla použita atomová absorpční spektrometrická metoda
10
3. LITERÁRNÍ PŘEHLED Tradičními evropskými obilovinami jsou pšenice, žito, ječmen a oves. Dominantní postavení má však pšenice, protože je vhodná prakticky pro všechny druhy těst a pečiva. Druhou nejvýznamnější obilovinou pro výrobu mouky je žito. Pšeničná mouka se vyrábí především z odrůdy pšenice seté.
3.1. Složení obilovin Obiloviny jsou složeny z endospermu, klíčku a otrub. Škrobnatý endosperm tvoří asi 75-80 % hmotnosti zrna, zatímco podíl klíčků a otrub k celkové hmotnosti se může lišit (Liu, 2007). Ze sacharidů zaujímá hlavní místo škrob a z bílkovin ty, které po spojení s vodou vytvářejí lepek. Pšeničná mouka obsahuje 10-12 % bílkovin, žitná 8-10 %. Obsah vody v mouce je asi 14,5 % (nesmí překročit 15 %). Kromě uvedených složek obsahuje mouka také malé množství tuku (1-2 %) a vlákniny (1-2 %). Z výživového hlediska jsou důležité také minerální látky, jejichž obsah je v rozmezí 0,4-1,8 %. Patří sem především vápník, fosfor, hořčík, draslík, síra, ale také selen. Mouka obsahuje také vitamíny a to převážně vitamíny B-komplexu, které jsou rozpustné ve vodě: B1 (thiamin), B2 (riboflavin), B3 (niacin) a B6 (pyridoxin). Z vitamínů rozpustných v tucích je to pak především vitamín E (tokoferoly). Obilná zrna obsahují velké množství biologicky aktivních látek s prokázanými antioxidačními vlastnostmi. Tyto látky fungují jako akceptory volných radikálů, redukční činidla a potlačují tvorbu singletového kyslíku. Mezi tyto bioaktivní látky patří fytochemikálie (Zielinski, 2007). Některé z nich se běžně vyskytují v rostlinných výrobcích (fytáty a fenolové látky) a jiné jsou výjimečné a nachází se pouze v obilných výrobcích. Při mletí obilí jsou odstraněny otruby, což vede ke ztrátě vlákniny, vitamínů, minerálů, lignanů, fyto-estrogenu, fenolových látek a fytové kyseliny. Takto vymletá zrna obsahují především škrob, protože většina otrub a část klíčku je v procesu mletí odstraněna (Slavin, 2004).
3.1.1. Fytochemikálie Obilné fytochemikálie nikdy nebudily tolik pozornosti jako fytochemikálie ovoce a zeleniny i přesto, že obiloviny obsahují unikátní sloučeniny, které doplňují ty, jež jsou
11
přítomné v ovoci a zelenině. Některé z těchto fytochemikálií jako ferulová kyselina a diferuláty se nachází převážně v obilovinách, ale v ovoci a zelenině nejsou obsaženy ve významném množství. Nedávné výzkumy ukázaly, že celkový obsah fytochemikálií a antioxidační aktivita obilovin byla podceňována a že obiloviny obsahují více fytochemikálií než se předpokládalo. Většina celozrnných fenolových látek se nachází ve vázané formě, u kukuřice 85 %, a u pšenice a ovsa 75 %. Většina zdraví prospěšných celozrnných fytochemikálií se nachází v otrubách a klíčku. V celozrnné pšeničné mouce je v otrubách a klíčku přítomno 83 % z celkového množství fenolových látek, 79 % z celkového množství flavonoidů, 78 % z celkového množství zeaxanthinu, 51 % z celkového množství luteinu a 42 % z celkového množství β-kryptoxanthinu. Pokud jsou otruby a klíček obilovin konzumovány jako součást stravy mohou mít přínos pro lidské zdraví a snížit riziko chronických onemocnění. Mezi obilné fytochemikálie patří fenolové látky, karotenoidy, vitamín E, lignany, β-glukany, inulin, rezistentní škrob, steroly a fytáty (Liu, 2007). Dostatečná konzumace fytochemikálií je spojována s příznivým vlivem na lidské zdraví. Kromě toho mají tyto sloučeniny i důležité funkční vlastnosti. Ovlivňují jakost produktů a to barvu, chuť i texturu. Fenolové kyseliny a polymery flavanoidů jsou vnímány chutí jako kyselé, hořké a svíravé (Holtekjolen, 2008).
3.1.1.1. Fenolové látky Fenolové látky jsou tvořeny jedním nebo více aromatickými kruhy s jednou či více hydroxylovými skupinami. Obecně se dělí na fenolové kyseliny, flavonoidy, isoflavonoidy, stilbeny, kumariny a taniny. Nejběžnějšími fenolovými látkami v celozrnných obilovinách jsou fenolové kyseliny a flavonoidy. Fenolové kyseliny bývají členěny na dvě hlavní skupiny a to na deriváty kyseliny hydroxybenzoové a hydroxyskořicové. Deriváty kyseliny hydroxybenzoové zahrnují kyselinu p-hydroxybenzoovou, protokatechovou, vanillovou, syringovou a gallovou. Většinou jsou přítomny ve vázané formě a bývají složkou komplexních struktur jako např. ligninu a taninu. Deriváty kyseliny hydroxyskořicové začleňují kyselinu p-kumarovou, kávovou, ferulovou a sinapovou. Tyto kyseliny jsou obvykle estericky vázány na celulosu, lignin a proteiny. Hydroxyskořicová kyselina má ve srovnání s hydroxybenzoovou kyselinou vyšší antioxidační aktivitu, přičemž větší antioxidační schopnost derivátů kyseliny hydroxyskořicové souvisí s přítomností jiné postranní skupiny namísto karboxylové. Konjugované dvojné vazby v postranním řetězci posilují 12
antioxidační aktivitu aromatického kruhu. Několik studií ukázalo, že deriváty hydroxyskořicové kyseliny účinně zneškodňují volné radikály (Bondia-Pons, 2009). Nejčastěji se vyskytující fenolovou kyselinou v celozrnných obilovinách je kyselina ferulová, která se hojně vyskytuje v aleuronové vrstvě, oplodí a klíčku (Liu, 2007). Rozpustné frakce (volné fenolové látky) obsahují většinou flavanoidy a tokoferoly, zatímco nerozpustná frakce (vázané fenolové látky) zahrnují především fenolové kyseliny. Flavonoidy a fenolové kyseliny mají značný podíl na celkových fenolových látkách v pšenici, zatímco ječmen obsahuje značné množství proanthokyanidinů (Holtekjolen, 2008). Obsah celkových fenolových látek v pšeničné mouce se pohybuje v rozmezí od 501 do 562 µg.g-1 a u obilných zrn od 879 do 4128 µg.g-1 (Ragaee, 2005).
3.1.1.2. Karotenoidy Karotenoidy jsou značně rozšířené žluté a oranžové, výjimečně také žlutozelené a červené, převážně lipofilní pigmenty rostlin, hub, řas, mikroorganismů a také živočichů (korýšů, ryb, ptáků, savců). Většina karotenoidních látek se řadí mezi tetraterpeny, tedy mezi terpenoidy formálně obsahující osm isoprenových jednotek. Za svoji barevnost vděčí řetězci konjugovaných dvojných vazeb, které se vyskytují v několika základních strukturách a jejich kombinacích. Karotenoidy se dělí na dvě hlavní skupiny: karoteny a xanthofyly (Velíšek, 2002). Karotenoidy vykonávají v rostlinách životně důležité funkce. Jsou nezbytné pro fotosyntézu, rozmnožování a ochranu. Poskytují barevnost celozrnné mouce. Karoteny také působit jako antioxidanty pro tuky v mnoha biologických systémech. Jsou schopny reagovat s volnými radikály a tvořit méně reaktivní produkty volných radikálů. Nejběžněji se vyskytující karotenoidy v obilovinách jsou lutein, zeaxanthin, ß-kryptoxanthin, ß-karoten a α-karoten. V nejvyšší koncentraci je však přítomen lutein, následovaný zeaxanthinem (Liu, 2007). Lutein a zeaxanthin jsou obsaženy v oku ve žluté skvrně (macula lutea) a chrání oko proti poškozování světlem.
3.1.1.3. Vitamín E Aktivitu vitaminu E vykazuje osm základních strukturně příbuzných derivátů chromanu. Čtyři formy vitaminu E s nasyceným terpenoidním postraním řetězcem odvozeným od tokolu se nazývají tokoferolya čtyři formy s nenasyceným postranním řetězcem se nazývají tokotrienoly. Jednotlivé tokoferoly a tokotrienoly se liší polohou a počtem methylových skupin v chromanovém cyklu a také biologickou aktivitou. 13
Vitamin E (zvláště α-tokoferol) je nejvýznamnějším lipofilním antioxidantem uplatňujícím se u eukaryontních buněk jako ochrana nenasycených lipidů před poškozením volnými radikály. Spolu s ß-karotenem a koenzymy Q chrání strukturu a integritu biomembrán, tzn. buněčné, cytoplasmové membrány a hlavně membrán vnitrobuněčných organel (buněčné jádro, mitochondrie, lysosomy, endoplasmové retikulum) (Velíšek,2002). Důležitou funkcí vitaminu E je antioxidační aktivita. Za antioxidační aktivitu jsou zodpovědné volné hydroxylové skupiny aromatického kruhu. Atomy vodíku mohou sloužit jako donory volným radikálům, což vede k jejich stabilizaci.Vitamín E má také významnou roli ve funkci imunitního systému, opravách DNA a dalších metabolických procesech (Liu,2007). Vitamin E se také uplatňuje při ochraně lipoproteinů přítomných v plasmě. V krevním řečišti je transportován asociovaný s lipidovou fází lipoproteinových částic LDL (Velíšek, 2002). Dalším pravděpodobným mechanismem vitamínu E, je jeho schopnost udržet Se v redukovaném stavu (Slavin, 2004). Nejvyšší koncentrace vitamínu E v obilovinách se nachází v klíčku. Množství vitamínu E v obilovinách se pohybuje okolo 75 mg.kg-1 sušiny (Liu, 2007).
3.1.1.4. Lignany Lignany jsou fenolové sloučeniny základního skeletu (C6-C3)2 s 18 atomy uhlíku v molekule. Jedná se o dimery vzniklé spojením dvou fenylpropanových jednotek způsobem C6-C3-C3-C6 (Velíšek, 2002). Vzhledem k podobné struktuře estradiolu jsou lignany, spolu s isoflavonoidy klasifikované jako fytoestrogeny (Bondia-Pons, 2009). Z přirozených lignanů se v lidské stravě nejčastěji nacházejí matairesinol a sekoisolariciresinol. Mezi zdroje bohaté na lignany patří kukuřice, oves, pšenice, rýže, luskoviny, ovoce a zelenina. Dále pak také lněná semínka, dýňová semínka, kmín a slunečnicová
semena.
Protože
současné
technologie
zpracování
způsobují
odstraňování lignanů, můžeme je nalézt pouze v celozrnných výrobcích (Slavin, 2004). Vlivem intestinální mikroflory jsou rostlinné lignany jako sekoisolariciresinol a matairesinol převedeny na enterodiol a enterolakton. Tyto dva lignany vykazují silnou antioxidační aktivitu a slabou estrogenní aktivitu, což pravděpodobně vysvětluje jejich biologické účinky a přínos pro zdraví. Enterodiol a enterolakton chrání před srdečními onemocněními a rakovinou prsu a prostaty. Inhibují také růst rakovinotvorných buněk v tlustém střevě (Liu, 2007).
14
3.1.1.5. β-glukany Polysacharidy nazývané β-glukany, také ß-(1→3), ß-(1→4)-D-glukany nebo ß-glukany se smíšenými vazbami se nacházejí v buněčných stěnách vyšších rostlin a ve větším množství v semenech některých obilovin (ječmen, oves). V buněčných stěnách obilovin tvoří tyto hemicelulosy až 30 % sušiny neškrobových polysacharidů. Obsah v pšenici a žitu je jen 0,2-2 % hmotnosti zrna. Rozpustnost β-glukanů ve vodě závisí především na jejich struktuře. Čím více je v molekule vazeb (1→4), tím nižší je rozpustnost polymerů. Nejvíce jsou rozpustné polymery obsahující asi 30 % vazeb (1→3) a 70 % vazeb (1→4), jejichž řetězec je složen z 2-3 jednotek ß-D-glukosy spojených vazbami (1→4), mezi nimiž se nachází jednotka vázaná vazbou (1→3). β-glukany tvoří zčásti rozpustnou a částečně nerozpustnou vlákninu potravy (Velíšek, 2002). β-glukany mají vliv na snížení hladiny cholesterolu a kontrolují hladinu cukru v krvi. Jako součást rozpustné vlákniny dokáží vázat cholesterol a žlučové kyseliny a usnadnit jejich odstraňování z těla. Užívání ovesných nebo kvasinkami vyrobených ß-glukanů je následováno 10% snížením celkového cholesterolu a 8% snížením LDL cholesterolu. Současně dochází k 16 % nárůstu HDL cholesterolu. β-glukany mají také vliv na kontrolu krevního cukru u diabetiků a jsou prospěšné při snižování zvýšené hladiny cukru v krvi po jídle. Což je pravděpodobně důsledkem pomalejšího vyprazdňování žaludku, takže cukr z potravy se vstřebává postupně. Dalším důvodem může být zvýšená citlivost tkání na inzulín (Liu, 2007).
3.1.1.6. Fytosteroly Fytosteroly je kolektivní termín pro rostlinné steroly a stanoly. Nacházejí se v olejnatých semenech, zrnech, ořeších a luštěninách. Vysoký příjem rostlinných sterolů nebo stanolů může snížit koncentraci sérového celkového, a LDL cholesterolu. Strukturálně jsou fytosteroly cholesterolu velmi podobné a liší se methylovou a ethylovou skupinou. Fytosteroly inhibují absorpci dietního cholesterolu z tenkého střeva a mají lepší rozpustnost než cholesterol. Proto jej vytěsňují z micel, snižují vstřebávání a zvyšují jeho vylučování (Slavin, 2004).
15
3.1.1.7. Vláknina, rezistentní škrob a inulin Vláknina Mezi vlákninu potravy se řadí celulosa, hemicelulosy a pektin, dále polysacharidy používané jako aditivní látky (polysacharidy mořských řas, mikrobialní polysacharidy, rostlinné gumy a slizy, modifikované polysacharidy) a lignin; z živočišných polysacharidů chitin. Podle rozpustnosti ve vodě se vláknina dělí na: vlákninu rozpustnou a nerozpustnou. K rozpustné vláknině se řadí určitý podíl hemicelulos, dále pak také pektiny, rostlinné slizy, polysacharidy mořských řas, modifikované škroby a modifikované celulosy. Rozpustná vláknina zvyšuje viskozitu obsahu žaludku a střev, zpomaluje promíchávání jejich obsahu, omezuje přístup pankreatických amylas a lipas k substrátům a tím absorpci živin střevní stěnou. Tím se zpomalí průchod střevního obsahu a sníží se difúze živin, váží se minerální látky (zejména ionty vápníku, železa, mědi a zinku) a modifikuje se tak jejich dostupnost. Část vázaných kationtů se uvolní při fermentaci v tlustém střevě. Hlavní složkou nerozpustné vlákniny je celulosa, určitý podíl hemicelulos a lignin. Vyšší obsah ligninu je v otrubách a konzumovaných semenech ovoce. Nerozpustná vláknina zvětšuje objem potravy, zkracuje dobu jejího průchodu zažívacím traktem a zlepšuje střevní peristaltiku. Rozpustná vláknina je částečně štěpena trávícími enzymy již v horní části zažívacího traktu. Nerozpustná vláknina odolává působení enzymů v tenkém střevě a je spolu s rozpustnou vlákninou více nebo méně metabolizována pouze mikroorganismy tlustého a slepého střeva. Ty asimilují v průměru 70 % polysacharidů vlákniny. Konečnými produkty jsou plyny ( oxid uhličitý a vodík, často i methan) a využitelné nižší mastné kyseliny (octová, propionová a maselná kyseliny)(Velíšek, 2002). Obiloviny obsahují přibližně jednu třetinu rozpustné vlákniny a zbytek je ve formě vlákniny nerozpustné. Pšenice obsahuje méně rozpustné vlákniny než ostatní zrniny a rýže prakticky žádnou. Vymíláním zrn je odstraňováno víc nerozpustné vlákniny než rozpustné, nicméně vymleté mouky mají celkově nízký obsah vlákniny (Slavin, 2004).Velíšek uvádí množství rozpustné a nerozpustné vlákniny v potravinách, viz tab. 1.
16
Tab. 1 Množství rozpustné a nerozpustné vlákniny v potravinách (Velíšek, 2002)
Rozpustná 5,6-5,8
Vláknina (% sušiny) nerozpustná 7,2-7,5
celkem 12,8-13,3
4,1-7,1 5,1-7,7 6,5-9,8 4,4-14,9
3,4-6,4 6,8-10,6 3,9-5,2 10,4-11,1
7,5-13,5 11,9-18,3 10,4-15,0 14,8-26,0
13,5-16,6 0,8-3,5 5,9 7,2-12,4 2,8-3,5 4,8 2,0
4,2-20,8 3,2-12,8 15 9,1-9,6 2,4-3,2 2,6 1,2
27,6-37,4 6,7-13,6 20,9 16,8-21,5 5,2-6,7 7,4 3,2
2,6 1,6-2,7 6,7 0,2-0,4
7,7 1,1-2,9 6,6 0,5
10,3 2,7-5,6 13,3 0,7-0,9
Potravina Ovoce Jablka Broskve Jahody Pomeranče Zelenina Mrkev Zelí Rajčata Zelený hrášek Luštěniny: fazole Brambory syrové Vařené Cereální výrobky Mouka pš. bílá Mouka pšeničná Chléb pšeničný Chléb žitný Kukuřičné lupínky
Vyšší spotřeba celozrnné vlákniny bývá spojována s nižším rizikem chronických onemocnění. Vláknina má chránit před infarktem, ischemickými srdečními chorobami, úmrtím, zvyšováním tělesné hmotnosti a cukrovkou. Vláknina obilovin váže a odstraňuje cholesterol, váže žlučové kyseliny, moduluje hormonální aktivitu, stimuluje imunitní systém, usnadňuje průchod toxických látek trávicím traktem, produkuje nižší mastné kyseliny v tlustém střevě, ředí látky ve střevech, snižuje kalorický obsah a glykemický index potravin, zlepšuje inzulínovou odezvu a odstraňuje volné radikály (Liu, 2007).
Rezistentní škrob Rafinovaná mouka, mouka z pšenice tvrdé (chlebová mouka) a mouka z pšenice obecné (mouka na pečivo) obsahuje nejvyšší množství škrobu přibližně asi 77,7 %. Mezi celozrnnými obilovinami ječmen a žito obsahují relativně nižší obsah škrobu 53,6 % a 58,0 %. Škrob je hlavním zdrojem energie v rostlinných potravinách a je dále rozdělen podle stravitelnosti na rychle stravitelný škrob, pomalu stravitelný škrob a rezistentní škrob. Tyto nutriční frakce škrobu se liší v závislosti na druhu obilných zrn, přípravě mouky a podmínkách zpracování (Ragaee, 2005).
17
Většina škrobů patří do kategorie rychle stravitelných nebo pomalu stravitelných a za běžných podmínek se zcela stráví v tenkém střevě. Některé škroby jsou však částečně rezistentní nebo neakceptovatelné pro hostitelské amylolytické enzymy a řadí se tak mezi nevyužitelné polysacharidy, které tvoří vlákninu (např. obilná zrna konzumovaná v syrovém stavu, chráněná buněčnými stěnami zabraňujícími přístupu amylas). Rezistence při trávení v tenkém střevě se také může zvyšovat způsobem přípravy a skladování potravin. Např. retrogradací škrobu se asi o 1 % zvyšuje rezistence vůči amylolytickým enzymům. Rezistentní formy škrobu představují asi 1 % z celkového konzumovaného množství. Procházejí do tlustého střeva, kde jsou částečně metabolizovány a využity přítomnou mikroflórou. V tabulce 2 je uvedena klasifikace a příklady stravitelných rezistentních škrobů (Velíšek 2002).
Tab. 2 Klasifikace a příklady stravitelných a rezistentních škrobů (Velíšek, 2002) Typ škrobu Rychle stravitelný
Trávení v tenkém střevě úplné
Pomalu stravitelný
pomalé, ale úplné
Rezistentní fyzikálně nedostupný rezistentní granule
pomalé, částečné
retrogradovaný
částečné nebo zcela rezistentní
pomalé, částečné
Zdroj čerstvě vařené škrobnaté potraviny většina syrových cereálií částečně rozemletá zrna a semena syrové brambory a banány tvrdý chléb, staré vařené brambory, kukuřičné lupínky
Mezi fyziologické funkce rezistentního škrobu patří zlepšení glykemické reakce a funkce tlustého střeva, snížení příjmu kalorií a úprava metabolismu tuků. Výslednými produkty jsou mastné kyseliny s krátkým řetězcem. Rezistentní škrob také podporuje oxidaci a metabolismus lipidů (Liu, 2007).
Inulin Názvem inuliny se označují polymery složené z lineárních řetězců D-fruktofuranos (fruktany) obsahující zpravidla jako koncovou jednotku D-glukosu (glukofruktany). Jsou vázány vzájemně glykosidovou vazbou ß-(1→2) (Velíšek, 2002). Typické inuliny se vyskytují v kořenech čekanky, hlízách topinamburu, artyčoku, pórku, cibuli, chřestu,
18
pšenici, ječmeni, žitě, česneku a banánech. Strava obvykle obsahuje asi 2,6 g inulin a primárními zdroji jsou pšenice (69%) a cibule (23%). Inulin působí jako prebiotikum a stimuluje růst střevních bakterií. Inulin je ve střevech vhodnou potravou pro laktobacily a bifidobakterie. Bifidobacterie potlačují růst škodlivých bakterií, stimulují imunitní systém a usnadňují vstřebání minerálních látek a syntézu vitamínu B. Inulin usnadňuje vstřebání vápníku, hořčíku a železa v tlustém střevě vlivem vzniku mastných kyselin s krátkým řetězcem kyseliny octové, propionové a máselné (Liu, 2007).
3.1.1.8. Kyselina fytová Důležitá vazebná látka pro kovové prvky odvozená od cyklitolů je fytová kyselina (myo-inositolhexakisdihydrogenfosfát).
Fytová
kyselina
tvoří
s vápenatými,
hořečnatými, železitými, zinečnatými a jinými kovovými ionty stabilní sloučeniny, tzv. fytáty, v poměrech 1:1 až 1:6. Vápenato-hořečnatý komplex kyseliny fytové bývá označován názvem fytin. Pevná vazba prvků v těchto sloučeninách a malá rozpustnost (fytát železitý) mají za následek snížení biologické využitelnosti prvků ze stravy, která obsahuje vyšší množství fytové kyseliny a fytinu. Fytová kyselina a její sloučeniny s kovy se vyskytují v potravinách rostlinného původu, zejména v obilovinách, luštěninách, v olejnatých semenech a ořechách (Velíšek, 2002). Kyselina fytová je významný antioxidant. Fytová kyseliny tvoří cheláty s různými kovy a udržuje funkci redoxních reakcí, které jsou katalyzované železem. Také snižuje oxidativní poškození střevního epitelu a sousedních buněk (Slavin, 2004).
3.1.2. Vliv obilovin na lidské zdraví 3.1.2.1. Srdečně cévní onemocnění Srdečně cévní onemocnění (SCO) je nejčastější příčinou úmrtí ve velké většině vyspělých zemí a rychle se rozšiřuje i v zemích rozvojových. Vhodná strava obsahující ovoce, zeleninu, luštěniny, celozrnné výrobky a pseudoobiloviny, může přispívat k ochraně před SCO (Gorinstein, 2006). Spotřeba celozrnných výrobků snižuje riziko srdečně cévních onemocnění. Rozpustná vláknina z různých zdrojů je spojována s nízkým, ale významným snížením celkového cholesterolu. Ostatní sloučeniny obilovin, včetně antioxidantů, fytové kyseliny, lektinů, fenolových sloučenin, inhibitorů amyláz a saponinů, upravují rizikové faktory SCO. Existuje celá řada teorií jakým způsobem obiloviny pomáhají snížit riziko 19
SCO. Obiloviny jsou bohaté na tokotrienoly, což je forma vitaminu E, která hraje významnou roli při prevenci chorob a to včetně snížení rizika srdečně cévních onemocnění. Obiloviny jsou také zdrojem rostlinných sterolů, např. β-sitosterolu, který může snižovat hladinu cholesterolu. A v neposlední řadě obiloviny jsou také vynikajícím zdrojem vlákniny, rezistentního škrobu a oligosacharidů, které jsou střevní mikroflórou fermentovány na nižší mastné kyseliny, jako je kyselina octová, máselná a propionová. U těchto kyselin je prokázáno, že snižují koncentraci sérového cholesterolu (Slavin, 2004). Zrna obsahují významné množství oligosacharidů. Obecně mezi oligosacharidy patří oligofruktóza a inulinu. Pšeničná mouka obsahuje v sušině 1–4 % fruktanů. Oligosacharidy mají v lidských střevech obdobný účinek jako rozpustná vláknina. Navíc mění složení fekální flóry. Studie zjistily, že konzumace frukto-oligosacharidů zvyšuje obsah bifidobakterií ve střevě a snižuje koncentraci nepříznivých klostridií a Escherichii coli. Celozrnná pšenice obsahuje asi 3 % tuků. Lipidy zrna obsahují asi 75 % nenasycených mastných kyselin, které tvoří téměř stejné množství kyseliny olejové a linolové a 1-2 % kyseliny linolenové. Tyto mastné kyseliny snižují koncentraci sérového cholesterolu. Nenasycené mastné kyseliny snižují hladinu LDL-cholesterolu, zatímco nasycené mastné kyseliny jí zvyšují (Liu, 2007).
3.1.2.2. Cukrovka Obiloviny ovlivňují odezvu glukosy a inzulinu a to částečně z důvodu jejich pomalé stravitelnosti. Několik studií prokázalo, že příjem obilné vlákniny snižuje riziko cukrovky. Glykemická odezva diabetiků na celozrnný chléb je mnohem nižší v porovnání s glykemickou odezvou diabetiků konzumujících bílý chléb. Příjem vlákniny z celozrnných obilovin také nepřímo souvisí s cukrovkou 2. typu. Obiloviny jsou dobrými zdrojem Mg, vlákniny a vitaminu E, které se podílejí na metabolismu inzulínu. Relativně vysoký příjem těchto živin může zabránit hyperinzulinémii. Synergický efekt několika složek, jako fytochemikálií, vitamínu E, hořčíku a dalších složek, se může podílet na snížení rizika cukrovky 2. typu.
20
3.1.2.3. Rakovina Častější konzumace obilných zrn je spojováno se sníženým rizikem vzniku rakoviny. A to zejména rakoviny žaludku, úst a hrdla, horní části trávicího traktu a endometria. Epidemiologické studie uvádějí, že vyšší hladina sérového inzulínu je spojována se zvýšeným rizikem rakoviny tlustého střeva, prsu, případně dalších druhu rakoviny. Bylo navrženo několik způsobů, jak funguje ochranný mechanismus vlákniny obilných zrn. Zvýšené množství tráveniny a snížení doby průchodu střevem poskytuje méně příležitostí fekálním mutagenům k interakci se střevním epitelem. Sekundární metabolity žlučových kyselin podporují proliferaci buněk, takže dochází k zvýšenému výskytu mutací a abnormálních buněk. Vláknina má schopnost vázat nebo ředit žlučové kyseliny.
Obilná
zrna
také
obsahují
Se,
který
funguje
jako
kofaktor
glutathionperoxidasy. Tento enzym chrání tkáně před oxidativním poškozením. Při vyšší konzumaci selenu lze potlačit proliferaci buněk. I vitamín E, snižuje riziko vzniku rakoviny, protože zneškodňuje karcinogenní kyslíkové radikály.. Obiloviny obsahují i několik látek, které mají za určitých podmínek antinutriční účinek, jako např. inhibitory proteas, fytovou kyselinu, fenolové látky a saponiny. U těchto látek se až donedávna myslelo, že mají pouze negativní efekt. Některé z těchto antinutrientů slouží jako inhibitory rakoviny, protože brání vzniku karcinogenů a blokují interakce karcinogenů s buňkami.
3.1.2.4. Regulace tělesné hmotnosti Předběžné studie naznačují spojitost mezi příjem obilovin a regulací tělesné hmotnosti. Jedinci, kteří konzumovali větší množství celozrnných výrobků, vážili méně než ti, kteří měli spotřebu celozrnných produktů nízkou. Několik faktorů může objasnit vliv obilovin na regulaci tělesné váhy. Větší objem, spolu s relativně nižší chutností celozrnných potravin může podporovat pocit nasycení a to navíc i několik hodin po jídle. Zrna bohatá na viskózní rozpustnou vlákninu mají tendenci zvyšovat intraluminální viskozitu, prodlužovat dobu vyprazdňování žaludku a zpomalovat vstřebávání živin v tenkém střevě. Zdravé stravování, včetně konzumace obilovin, je spojováno s nižšími hodnotami BMI a nižším obvodem pasu (Slavin, 2004).
21
3.2. Vápník 3.2.1. Výskyt v lidském těle Vápník je z kvantitativního hlediska hlavní minerální složkou v lidském těle. Jeho celkový obsah činí asi 1500 g, přičemž 99 % z tohoto množství je obsaženo v kostech převážně ve formě fosforečnanu vápenatého (Velíšek, 2002). Zbývající 1% je rovnoměrně obsaženo v zubech a měkkých tkáních a pouze 0,1 % se nachází v extracelulární tekutině (ECT). ECT obsahuje ionizovaný vápník v koncentraci asi 4,8 mg.100ml-1 (držený v příštítných tělíscích), stejně jako komplexní vápník v koncentraci asi 1,6 mg.100ml-1 (WHO/FAO, 2004).
3.2.2. Biochemické funkce K hlavním biologickým funkcím vápníku patří kromě stavební funkce (ve vazbě na bílkoviny osteokalcin a osteonektin produkované osteoblaty), účast na regulačních dějích se vztahem k nervové a svalové činnosti. Je také nezbytný pro srážlivost krve. Řada metabolických dějů je regulována vápenatými ionty prostřednictvím jejich vazby na sérový polypeptid kalmodulin, který ovlivňuje aktivitu některých enzymů (adenylát-cyklasy, spolu s hořčíkem také aktivitu ATPasy) (Velíšek, 2002). Vápník se vyskytuje ve všech buněčných membránách. Mnoho neuromuskulárních a jiných buněčných funkcí závisí na ionizovaném vápníku v ECT. V rámci zajištění svalové činnosti vápník slouží jako důležitý mediátor s účinky na cílové orgány prostřednictvím několika intracelulárních signálních drah (WHO/FAO, 2004).
3.2.3. Metabolismus Resorpce vápníku z potravy probíhá v tenkém střevě. Za nízkého příjmu je vápník resorbován hlavně aktivním transportem, ale za vyššího příjmu (nad 400 mg) je větší část kalcia resorbována prostou difuzí. Stupeň resorpce vápníku je asi 5-15 %, a je značně závislý na chemické formě vápníku a na složení stravy. Stupeň resorpce vápníku ze špenátu, kde je převládající formou oxalát vápenatý, bývá kupříkladu jen 2,5 % (špenát obsahuje hodně kyseliny šťavelové, která tvoří s vápníkem nerozpustnou sůl šťavelan vápenatý, což je i výhodou, protože se snižuje vstřebání kyseliny šťavelové). Z pšeničného chleba (obsahuje jako hlavní sloučeninu vápníku fytin) se resorbuje asi 40 % a ze zelí (hlavní formou jsou
22
vápenaté soli organických kyselin, zejména citrónové) 40-70 % přítomného vápníku. Vyšší obsah bílkovin v dietě zvyšuje resorpci vápníku (Velíšek, 2002).
3.2.3.1. Nutriční faktory ovlivňující požadavky vápníku Sodík Existuje určitý vztah mezi metabolizmem vápníku a sodíku. Podání větší dávky sodíku vyvolává zvýšené vylučování vápníku proto, že sodík konkuruje svou reabsorpcí vápníku v ledvinových tubulech. Protein Fyziologická potřeba bílkovin je cca 1g.kg-1 tělesné hmotnosti, tj. pro ženy kolem 60 g a pro muže 70-75 g.. Běžný konzum u mnoha lidí je však 100 až 120 g.den-1. Avšak zvýšení příjmu živočišných bílkovin ze 40 na 80 g vede k nárůstu vápníku v moči o 40 mg. To znamená, že snížení příjmu živočišných bílkovin z 60 na 20 g by snížilo požadavek vápníku z 840 na 600 mg Vitamin D Vitamínu D podporuje vstřebávání vápníku. Regulace metabolismu vápníku je primárně zaměřena na udržení koncentrace ionizovaného kalcia v ECT. Tato koncentrace je regulována a udržována prostřednictvím zpětné vazby vápníku na receptory v příštítných tělíscích, které kontrolují sekreci parathormonu příštítných tělísek. Tento hormon reguluje aktivaci vitaminu D hydroxylací do polohy 1 v ledvinách
a
jeho
aktivní
1,25-dihydroxyergokalciferol,
forma
zvyšuje
1,25-dihydroxycholekalciferol
renální
tubulární
reabsorpci
nebo vápníku
a zvyšuje vstřebávání vápníku v tenkém střevě. Nicméně, integrita systému je rozhodujícím způsobem závislá na vitaminu D. To je důvod, proč experimentální nedostatek vitaminu D způsobuje křivici a osteomalacii, a nedostatek vápníku vede k osteoporóze (WHO/FAO, 2004).
3.2.4. Výživa Doporučené denní dávky vápníku jsou 400-500 mg u dětí do 1 roku, 800-1200 mg u starších dětí a dospívajících, 800 mg u dospělých a 1200 mg u těhotných a kojících žen (Velíšek, 2002).
23
3.2.5. Projevy nedostatku Optimální příjem vápníku je nutný po celou dobu růstu, zejména během prvních 2 let života, a dále během intenzivního růstu v dospívání. Tyto věkové skupiny obyvatelstva jsou nejnáchylnější k nedostatku vápníku, stejně jako těhotné ženy (zejména v posledním trimestru), kojící ženy, ženy po menopauze a pravděpodobně i starší muži (WHO/FAO, 2004). Příznakem nedostatku vápníku mohou být osteoporóza (řídnutí kostí), tříštivé zlomeniny, zubní kaz, nespavost, znetvoření zubů, prstů a dalších kostí nebo například špatné držení těla. Dalšími příznaky jsou svalové křeče, podrážděnost, hyperaktivita, překyselení, podlitiny (modřiny), vysoký krevní tlak, tetanie a rakovina (Wilson, 1998).
3.2.6. Toxicita Toxický účinek vysokého příjmu vápníku je popsán pouze v případě, kdy se vápník nachází ve formě uhličitanů ve velmi vysokých koncentracích. V praxi se doporučuje horní limit pro příjem vápníku 3g (WHO/FAO, 2004). Příznakem vápníkové
toxicity
může
být
únava,
deprese,
svalová
slabost,
bolesti,
arterioskleróza, artritida a ledvinové a žlučové kameny. Dalšími příznaky jsou kostní ostruhy, ztuhlost, pomalý metabolismus, zácpa a spondilitida (zánět a ztuhlost páteře) (Wilson,1998).
3.2.7. Zdroje vápníku v potravě Vápník je obsažen v každé potravině, s výjimkou čistých rafinovaných potravin jako je cukr a rostlinné oleje a živočišné tuky. Hlavním zdrojem vápníku pro člověka má být pestrá strava tvořená přirozenými potravinami. Např. v obilovinách je okolo 600 mg Ca.kg-1, zatímco v moukách většinou okolo 150-200 mg.kg-1. Je zjištěno, že průměrná strava tzv. západního typu tvořená velkým podílem rafinovaných potravin (cukr , tuk, bílá mouka) obsahuje i bez mléčných výrobků cca 450 mg vápníku. Mléčné výrobky, které jsou bohaté na vápník (tekuté mléko cca 1200 mg.kg-1, sýry 1350 – 8940 mg.kg-1 a tvarohy 580 – 7190 mg.kg-1 ) jsou pak dobrým doplňkem vápníku do potřebného množství. Kromě toho je vápník ve zvýšené míře přítomen v listové zelenině, semenech (zejména máku), ořeších, ovesných vločkách (ČNFO, 2009). V následující tabulce jsou uvedeny údaje o obsahu vápníku a hořčíku v potravinách podle Kajaby (1986), viz tab. 3. 24
Tab. 3 Obsah vápníku a hořčíku v potravinách (mg.100g-1 jedlého podílu) Potravina Chléb: pšeničný Žitný Graham Houska Bílé pečivo Mouka pšeničná hladká Polohrubá Hrubá Celozrnná Pšenice Žito Ječné kroupy Ovesné vločky Rýže neloupaná Loupaná Kukuřice krupice celozrná Jáhly Pohanka Hráh loupaný Fazol Čočka Sója Maso: vepřové Hovězí Kuřecí Kraličí Šunka Sleď Treska-filé Sardinky Kapr Mléko Jogurt Tvaroh měkký Sýr Eidam Ementál Tavený sýr Vejce Mák Ořechy vlašské Kokos sušený
Vápník 58 22 50 24 21 19
Hořčík 48 41 92 24 24 30
14 13 37 59 68 27 61 32 24 169
26 14 75 123 124 81 117 119 28 85
25 17 76 120 78 254 7 8 17 14 32 15 44 34 122 150 90 765 1180 547 52 1060 99 26
66 122 173 99 248 20 25 54 30 22 19 26 15 10 27 55 33 456 134 90
25
3.3. Hořčík 3.3.1. Výskyt v lidském těle Obsah hořčíku v těle dospělého člověka činí asi 25 až 40 g. Z toho připadá asi 60 % na obsah v kostře. Hořčík je převážně intrabuněčný iont. V tkáních je obsaženo cca 10x více hořčíku než v plazmě (na kg). Nejvyšší koncentrace hořčíku v měkkých tkáních se nacházejí ve slinivce břišní, játrech a v kosterním svalstvu. V krvi a extrabuněčných tekutinách je obsaženo pouze 1-2 % z celkového množství hořčíku v organismu (Velíšek, 2002). Zastoupení hořčíku v různých částech těla dospělého člověka je uvedeno v tabulce 4, dle Shilse (1994).
Tab. 4 Distribuce hořčíku v těle dospělého člověka (Shils, 1994) Tkáň Kostra Kosterní svalovina
Podíl v procentech 60-65 27
Koncentrace 0,5 % popela 3,5-5 mmol.kg-1
Ostatní buňky
6-7
3,5-5 mmol.kg-1
Intracelulární prostor Sérum-volný Mg Sérum-vázaný Mg na albumiy Sérum-vázaný Mg na citráty Pot Sekreční šťávy
1
1,65-2,73 mmol.l-1
0,55 0,32
0,48-0,66 mmol.l-1 0,1-0,3 mmol.l-1
0,13
0,53-0,67 mmol.l-1 0,3 mmol.l-1 0,3-0,7 mmol.l-1
Intrabuněčná koncentrace volného Mg2+ je poněkud závislá na koncentraci extrabuněčného Mg2+ (v séru), protože vtok hořčíku je regulován a uskutečňován pomocí aktivního přenosu. K hlavním transportním systémům hořčíku přes buněčné membrány patří dva přenašečové kanálové systémy. Vtok Mg2+ do buňky při snížení jeho hladiny je uskutečňován pomocí Mg2+/HCO3- kotransportu a ustává při dosažení normální distribuce Mg2+ v buňce. Při zvýšené hladině volného Mg2+ v buňce se aktivuje Na+/ Mg2+ protisměrný přenos (antiport), a to pravděpodobně fosforylací kanálového membránového proteinu (Gúnter, 1986).
3.3.2. Biochemické funkce Hořčík je nezbytný pro všechny metabolické děje, při kterých se tvoří nebo se hydrolyzuje ATP. Každá molekula ATP, který je koenzymem mnoha enzymů 26
obsahuje vázaný 1 atom Mg. Hořčík se účastní stabilizace makromolekul DNA (reverzibilních konformačních změn při proteosyntéze), syntézy proteinů, syntézy RNA a DNA a je nutný pro aktivaci některých enzymů, např. fosfotransferas (kinas) a fosfatas. V této funkci mohou být někdy hořečnaté ionty nahrazeny manganatými ionty. Vzhledem k vazbě hořčíku v chlorofylu je tento kov esenciální pro fotosyntetizující organismy. Společně s vápníkem hořčík ovlivňuje permeabilitu membrán a dráždivost buněk. Koncentrace hořečnatých iontů v extracelulárních tekutinách má vliv na funkci nervových buněk. Nedostatek hořčíku, zvláště při nadbytku vápníku, vede ke zvýšení dráždivosti, velký nadbytek naopak způsobuje útlum
nervové
činnosti
(Velíšek,
2002).
Zvláštní
význam
s
respektem
k patologickým jevům při vyčerpání hořčíku je úloha tohoto prvku při regulaci toku draslíku a jeho účast v metabolismu vápníku. Mezi 50 % až 60 % tělesného hořčíku se nachází uvnitř kosti, kde tvoří povrchovou složka hydroxyapatitu ( fosforečnan vápenatý) (WHO/FAO, 2004). 3.3.2.1. Mg2+ jako kofaktor enzymů Hořčík se jako kofaktor podílí na mnoha enzymatických reakcích, pomocí nichž se složky potravin metabolizují a vytváří se nové produkty. Mg2+ se v podstatě podílí na všech reakcích kinas. Donorem fosfátu není ATP, ale Mg2+-ATP. V klasické hexakinasové reakci hořčík neinteraguje přímo s enzymem, ale tvoří komplex, který může být reprezentován jako "enzym-substrát-kov". Protože je většina ATP v buňkách spojena s Mg2+, z toho plyne, že většina enzymatických reakcí zahrnujících ATP a ADP (stejně jako GTP a GDP) je závislá na Mg2+. Glykolýza obsahuje sedm klíčových enzymů, které vyžadují Mg2+ samostatně nebo ve spojení s ATP či ADP. Jedná se o hexokinasu, glukózafosfátizomerasa, fosfofruktokinasu,
fosfoglycerátkinasu,
fosfoglycerát-mutasu,
enolasu
a pyruvátkinasu. Další příklady na Mg2+závislých reakcí, které jsou důležité pro metabolismus a které jsou katalyzované těmito následujícími enzymy:
1. Thiamin pyrofosfotransferasa, klíčový koenzym účastnící se oxidativní dekarboxylace. 2. Sukcinyl-CoA-syntetasa (tvorba sukcinátu a GTP v citrátovém cyklu). 3. Acyl-CoA-syntetasa (tvoří první produkt v beta oxidaci mastných kyselin).
27
4. Adenylátcyklasa [cyklický adenosinmonofosfát (cAMP)]. Enzym je aktivován interakcí hormon-receptor a katalytický produkt-cAMP, který aktivuje činnost proteinkinasy. (Shils, 1997).
3.3.2.2. Vliv hořčíku na dělení buněk Dělení buňky je vysoce organizovaný regulovaný proces, rozdělený na několik fází cyklicky se opakujících a tvořících při jednom rozdělení buňky tzv. buněčný cyklus. V buněčném cyklu bylo rozpoznáno 5 fází: G0 (klidová), G1, S (syntetická), G2 a M (mitotická), která postupně přechází jedna v druhou a na základě složitých mnohočetných regulačních mechanismů specifických pro jednotlivé fáze, které řídí a kontrolují průběh každé fáze co do rychlosti jejího průběhu, kvality vzniklých nových molekul DNA a úplnosti proběhnuté fáze. Vliv hořčíku, jako iniciátoru buněčného dělení byl dlouho přehlížen z důvodů domnělé hlavní role vápníku. Ten je pro stimulaci buněčného dělení sice nezbytný, avšak v mnohočetných reakcích regulujících dělení se častěji uplatňuje hořčík a rovněž koncentrace vápníku je v savčích buňkách mnohonásobně menší než-li koncentrace hořčíku (Alberts, 1983).
3.3.2.3. Vliv hořčíku na transport přes buněčné membrány Hořčík se podílí např. na transportu vápenatých iontů, vstupu i výstupu monovalentních kationtů i transportu aniontů. Hořečnaté, vápenaté a monovalentní kationty sodíku a draslíku jsou kompetitivně vázány k fosfolipidovým vazebným místům ve vnitřní membráně. Hořečnaté ionty inhibují výtok K+ iontů z buňky. Rovněž Ca2+ ionty jsou u mitochondrií inhibovány hořčíkem. Hořčík reguluje iontové kanály pro vstup Na+ a Ca2+ do buňky (sodíkovou pumpu Na+-K+-ATPasu a vápníkovou pumpu Ca2+-ATPasu) (Agus, 1991). Dále Mg2+ moduluje alespoň čtyři K+ transportní kanály. Mnoho kanálů je výrazně umocněno fosforylací zahrnující cAMP a je přizpůsobeno cytosolovému hořčíku. Další příklad kontrolní činnosti Mg2+ se týká glutamátem aktivovaného receptoru iontových kanálů v centrální nervové soustavě obratlovců (Shils, 1997).
3.3.2.4. Vliv hořčíku na nervosvalovou dráždivost a svalovou kontrakci Neuro-muskulární přenos impulsů je zprostředkován acetylcholinovým přenašečem (neurotransmiterem). Nervový impuls způsobí otevření napěťově 28
řízených Ca2+ kanálů v presynaptické membráně a Ca2+ ionty vstupují ze synaptického prostoru do presynapse. Zvýšení koncentrace Ca2+ v presynapsi způsobí uvolnění acetylcholinu ze synaptických vesikulů do synaptického prostoru. Acetylcholin difunduje přes synaptický prostor k acetylcholinovým receptorům, které jsou součástí transmembránového Na+–K+ kanálu. Způsobí konformační změnu receptoru a dojde k otevření transmembránového kanálu a následnému proudění Na+ iontů a K+ iontů ven z buňky a tím vzniká plotínkový potenciál. Ten depolarizuje okolní svalovou membránu a vytváří akční potenciál, jež je přenášen podél vlákna a vyvolává kontrakci. Když se kanál uzavírá, acetylcholin je hydrolizován enzymem acetylcholinesterasou. Hořečnaté ionty aktivují hydrolýzu acetylcholinu cholinesterasou a tím brzdí dráždivost nervosvalových zakončení. Dochází k uvolnění napětí svalů. Nedostatek hořčíku, zvláště při nadbytku vápníku, vede ke zvýšení nervosvalové dráždivosti, velký nadbytek hořčíku naopak způsobuje útlum nervové činnosti.
3.3.2.5. Vliv hořčíku na metabolismus tuků Hořčík hraje důležitou roli v regulaci množství cholesterolu v organismu. Podílí se na snižování jeho celkového množství, zejména LDL a VLDL frakce a naopak zvyšuje podíl HDL frakce (Rayssiguier, 1981). Pravděpodobný mechanismus účinku spočívá ve změně aktivity enzymu lecitin-cholesterol-acyl transferasy (LCAT), odpovědného za esterifikaci volného cholesterolu (Rayssiguier, 1984).
3.3.2.6. Regulační úloha hořčíku v kardiovaskulárním systému V srdeční fyziologii například automatické řízení srdce je závislé na Mg2+a to mnoha způsoby: vazbou neurotransmiterů na jejich receptory, vazbou receptorů adenylátcyklasy, aktivací G bílkoviny a adenylátcyclasy, aktivací proteinů pomocí Mg2+-dependentní fosfotransferasy a modulací různých typů iontových kanálů a udržováním intrabuněčného volného Ca2+ (Shils, 1997).
3.3.3. Metabolismus Resorpce hořčíku z potravy probíhá v tenkém střevě. Hořčík se resorbuje v lačníku a kyčelníku a je plně saturovatelný v kyčelníku ne však v lačníku. Resorpce postupně klesá přibližně z 65-70 % při příjmu 7-36 mg na 11-14 % při příjmu 960-1000 mg. Odhady absorpce týkající se pasivní difuze byly 10 % a 7 %. 29
Absorpce u mužů je průměrně 21 % a u žen 27 % (Shils, 1997). Vztah mezi nízkým příjmem a vstřebáváním má parabolický průběh, což ukazuje na usnadněnou difuzi nebo aktivní transport. Při vyšším příjmu hořčíku je vztah lineární, což svědčí o pasivní difuzi (Fine, 1991). Absorbovaný hořčík je využíván na růst tkání nebo náhradu metabolicky využitého hořčíku, zbytek je vyloučen. Z těla je hořčík vylučován nejvíce močí. Hlavním regulačním orgánem udržujícím homeostázi hořčíku v těle jsou ledviny (Dirks, 1992). Aktivní reabsorpce hořčíku probíhá v Henleyově kličce v proximálním stočeném tubulu. Přibližně 70 % sérového hořčíku je u lidí ultrafiltrováno v glomerulu. Zdravé ledviny s průměrným příjmem hořčíku reabsorbují asi 95 % filtrovaného hořčíku. Nadbytečné množství je z těla vylučováno močí (Shils, 1997).
3.3.4. Výživa Doporučené denní dietní dávky hořčíku jsou 50 až 70 mg pro děti do 1 roku, 150-200 mg pro děti do 6 let, 350 mg pro dospělé muže a 300 mg pro dospělé ženy. Během těhotenství a kojení by ale denní dávka hořčíku měla být zvýšena na 450 mg (Velíšek, 2002). Doporučený příjem hořčíku navržený WHO/FAO (2004) je uvedený v tabulce 5, jakož i údaje o vztahu jednotlivých doporučení k příslušným odhadům průměrných požadavků na bílkoviny ve stravě a energii.
30
Tab. 5 Doporučený příjem hořčíku (WHO/FAO, 2004) Skupiny
Relativní příjem (mg/kg) (mg/g (mg/kcal/ protei den) nu)
Předpokládaná tělesná hmotnost (kg)
RNI (mg/ den)
6
26
4,3
2,5
0,05
6
36
6,0
2,9
0,06
9
54
6,0
3,9
0,06
12 19 25 49
60 76 100 220
5,5 4,0 4,0 4,5
4,0 3,9 3,7 5,2
0,05 0,04 0,05 0,10
51
230
3,5
5,2
0,09
55
220
4,0
4,8
0,10
54 65
190 260
3,5 4,0
4,1 4,6
0,10 0,10
64
224
3,5
4,1
0,09
Kojenci a děti 0-6 měsíců Krmeny mat. mlékem Krmeny náhražkam i 7-12 měsíců 1-3 roky 4-6 let 7-9 let Dospívající Ženy 1018 let Muži 1018 let Dospělí Ženy 1965 let Ženy 65+ Muži 1965 let Muži 65+
3.3.5. Projevy nedostatku Dietní nedostatek hořčíku takové závažnosti, že by stačil vyvolat patologické změny, je vzácný. Většina patologických následků nedostatku hořčíku jsou buď neurologické a nebo neuromuskulární poruchy. Pokles hořčíku způsobuje nechutenství, nevolnost, zvracení svalovou slabost, letargii, a je-li nedostatek dlouhodobý dochází ke ztrátě hmotnosti. Nedostatečné zásobení organismu hořčíkem se dále projevuje zvýšeným vlivem stresů na organismus, zvýšenou tvorbou žaludečních vředů, ledvinových kamenů a hemeroidů, zvýšeným výskytem astmatických záchvatů, migrén aj. Postupně se zvyšující závažnosti a trvání nedostatku se projevuje silnou dráždivostí, podrážděností, svalovými křečemi,
31
a tetanii, nakonec vedoucí ke křečím. Arytmie srdce a plicního edém mívají často fatální následky (WHO/FAO, 2004).
3.3.5.1. Faktory, které ovlivňují nedostatek hořčíku Mezi faktory ovlivňující nedostatek hořčíku patří těhotenství, věk, druh, úroveň vápníku a fosforu ve stravě, ztráty hořčíku při nedostatku, vzájemný vztah hořčíku a příštítných tělísek a interakce Mg2+- Ca2+.
3.3.5.2. Chorobné stavy, které ovlivňují nedostatek hořčíku 1. Alkoholismus 2. Diabetes Hořčík ovlivňuje jak sekreci inzulínu tak i odpověď tkání na tento hormon. U diabetických pacientů dochází ke zvýšenému vylučování močí, zatímco absorpce ve střevech je snížená nebo normální (Barbosa, 1998). Ztráty hořčíku při diabetické ketoacidóze jsou známy řadu let. Existuje celá řada zpráv o hypomagnezémii u ambulantních diabetických pacientů bez selhání ledvin a to u těhotných žen, u dětí narozených matkám s diabetem, a diabetických dětí s inzulínovou závislostí.
3. Malabsorpce K závažnému nedostatku může dojít z jednoho nebo více následujících důvodů: (a) porucha transportu vlivem zhoršené funkce střev, (b) snížení absorpční plochy při chirurgické resekci, při bypassu tlustého střeva nebo při radiačním poškození, (c) velmi rychlá pasáž tráveniny a sekundární ztráty při úporných průjmech a (d) snížení intraluminální rozpustnosti hořečnaté sloučeniny nebo zvýšené vylučovaní hořčíku v hořečnatých solích neabsorbovaných mastných kyselin a jeho ztráty stolicí. Omezení tuku v potravě může vést ke snížení ztrát hořčíku stolicí.
4. Podvýživa (proteiny, energie) Nedostatek hořčíku se vyskytuje u dětí s nedostatečným příjmem potravy v souvislosti s malabsorpcí, zvracením, průjmem či infekcí.
5. Onemocněním ledvin a užíváním nefrotoxických léků Hypomagnezémie se může vyskytovat u pacientů se selháním ledvin, při užívání nefrotoxických léků, při chronické acidóze a nebo při použití dialyzátu s nízkým 32
obsahem hořčíku. Zvýšené vylučování je také spojováno s postobstruktivní nefropatií, chronickou glomerulonefritidou a akutním zánětem ledvin.
6. Postparatyroidektomická hypomagnezémie Symptomatická hypomagnezémie může následovat po paratyroidektomii po primární
hyperparatyreóze
v
souvislosti
s
očekávanou
hypokalcémií,
pravděpodobně jako součást syndromu "hladových kostí", k němuž dochází v důsledku rychlého vychytávání vápníku a hořčíku v kostech.
7. Hypertenze V tomto případě nejsou vyvozeny žádné závěry. Některé studie však uvádějí, že u hypertenzních pacientů, kterým byl podáván hořčík došlo k poklesu krevního tlaku.
8. Ischemická srdeční choroba Nebyla zaznamenána žádná změna v souvislosti s podáváním hořčíku při diuretické léčbě. Hořčík neovlivňuje průběh akutního infarktu myokardu u pacientů s nestabilní ischemickou srdeční chorobou a hořčík nemá antiarytmický efekt. Byl učiněn závěr, že intravenózní podávání hořčíku je neúčinné (Shils, 1997).
3.3.6. Toxicita Problémy spojené s nadměrným příjmem hořčíku jsou velmi ojedinělé. Je známo,
že kontaminace potravin
nebo
vody solemi
hořčíku
způsobuje
hypermagnesemii, nevolnost, hypotenzi a průjmy. Maximální doporučená konzumace je 65 mg pro děti ve věku 1-3 roky, 110 mg pro děti ve věku 4-10 let, a 350 mg pro dospívající a dospělé.
3.3.7. Zdroje hořčíku v potravě Hořčík je obsažen v rostlinných a živočišných potravinách a geochemické nebo jiné změny životního prostředí mají jen zřídka větší vliv na jeho obsah v potravinách. Zelenina, obiloviny a jiné zrniny, luštěniny a jiná semena a ořechy jsou bohaté na hořčík, stejně jako koření, sójová mouka, a všechny potraviny, které obvykle obsahují více než 500 mg hořčíku.kg-1 čerstvé hmoty. Nerafinovaná obilná zrna jsou dobrými zdroji, avšak většina vysoce-rafinovaných mouk, hlízy, ovoce, 33
houby a většina olejů a tuků obsahuje jen málo hořčíku (<100mg.kg-1 čerstvé hmoty). Kukuřičná mouka, mouka z manioku a ságy a leštěná rýže mají extrémně nízký obsah hořčíku (WHO/FAO, 2004).
3.4. Zinek 3.4.1. Výskyt v lidském těle Zinek je přítomen ve všech tělesných tkáních a tekutinách. Celkový obsah zinku v těle se odhaduje na 30 mmol (2g). Kosterní svalovina obsahuje zhruba 60 % celkového tělesného obsahu a kostní hmota s koncentrací zinku 100-200 mg.kg-1 přibližně 30 %. Koncentrace zinku v aktivní tělesné hmotě je asi 0,46 µmol.g-1 (30 mg.kg-1). Zinek v plazmě představuje jen asi 0,1 % z celkového tělesného obsahu zinku. Tato úroveň se zdá být pod homeostatickou kontrolou. Vysoké koncentrace zinku se nachází v tekutinách oka (274µg.g-1) a v tekutinách tvořených prostatou (300-500mg.l-1) (WHO/FAO, 2004). Stejně tak se vyšší koncentrace zinku nacházejí v kůži, vlasech, nehtech, očních tkáních, játrech, ledvinách, slezině a v mužských pohlavních orgánech. Krev obsahuje 6-7 mg.dm-3 zinku, přičemž asi 75 až 88 % tohoto množství připadá na erytrocyty, 12 až 22 % na krevní plasmu (koncentrace zinku v plasmě je asi 1 mg.dm-3) a zbytek na leukocyty a krevní destičky. V krevní plasmě je zinek vázán především na sérový albumin. V červených krvinkách je obsažen zejména v enzymu karbonátanhydratase (Velíšek, 2002).
3.4.2. Biochemické funkce Zinek se vyskytuje v tělech všech organismů. Podílí na katalýze reakcí v mnoha metabolických drahách, stabilizuje molekulární strukturu buněčných membrán a jejich složek a tím přispívá k zachování integrity buněk a orgánů. Navíc zinek hraje hlavní roli při transkripci nukleových kyselin. Jeho účast v těchto základních aktivitách je pravděpodobně hlavním důvodem, proč je zinek esenciální pro všechny živé formy. Zinek má ústřední roli ve fungování imunitního systému, a ovlivňuje řadu aspektů buněčné a humorální imunity (WHO/FAO, 2004). Mezi další biochemické funkce patří růst a replikace buněk, diferenciace a změny v genové expresi
34
(Chesters, 1997). Působení zinku v buňkách je možné rozdělit na tři funkční kategorie: 1) Katalytická Enzymy obsahující zinek patřící do všech šesti enzymatických tříd. Potřebují zinek pro svoji funkci, (Institute of Medicine, 2001) 2. Strukturní Zinek se podílí na struktuře proteinů a buněčných membrán. Tzv. Zn-prsty jsou chelatační sloučeniny obsahující cysteinové a histidinové zbytky. Tyto molekuly stabilizují strukturu mnoha proteinů. V biologických membránách nedostatek zinku zvyšuje jejich náchylnost k oxidaci a poškození jejich funkce (King, 1999). 3. Regulační Prstové proteiny regulují genovou expresi. Zinek se podílí i na regulaci apoptosy (řízené smrti buněk), ovlivňuje sekreci hormonů a nervový přenos (Truong- Tran, 2000).
3.4.2.1. Enzymy zinku Zinek je nezbytnou součástí velkého počtu (> 300) enzymů, které se účastní syntézy a odbourávání sacharidů, tuků, bílkovin a nukleových kyselin, stejně jako metabolismu ostatních mikroprvků (WHO/FAO, 2004). Přítomnost zinku v jejich molekulách
je
nezbytná
pro
jejich
katalytickou
funkci.
Jsou
to
např.
alkoholdehydrogenasa, laktátdehydrogenasa, superoxiddismutasa, karboxypeptidasa A, B a G, alkalická fosfatasa, karbonátanhydrasa, aldolasa, RNA-polymerasa, DNApolymerasa, reversní transkriptasa a jiné (Velíšek, 2002). Funkce zinku v těchto enzymech byly rozděleny na katalytické, koaktivní a strukturální. Katalytické atomy zinku jsou obvykle uspořádány ze tří postraních řetězců bílkovin a aminokyselin a obsahují také molekulu vody podílející se na enzymatické katalytické funkci. Nejčastější aminokyselina, která vystupuje jako ligand na katalytickém místě je histidin, následovaný kyselinou glutamovou a asparagovou. Koaktivní atomy zinku jsou poměrně neobvyklé a obsahují dva atomy zinku na aktivním místě, z nichž pouze jedno slouží pro aktivitu enzymů. Taková struktura se vyskytuje u fosfolipasy a alkalické fosfatasy. Enzymy zinku jsou dále děleny na základě jejich afinity ke kovům na: (1) zinkem aktivované enzymy, které jsou snadno oddělitelné od kovů a (2) na zinkové metaloenzymy, které váží zinek pevně a pravděpodobně tvoří většinu na 35
Zn-dependentních enzymů. U některých zinkových metaloenzymů se ukázalo, že zinek lze nahradit atomem kobaltu (Chesters, 1997).
3.4.2.2. Vliv zinku na imunitní systém Imunitní reakce zajišťované T-lymfocyty byly trvale oslabeny u živočichů s deficitem zinku a nedostatečné dávky zinku běžně způsobují atrofii brzlíku. Význam zinku spočívá v aktivaci tyrosinkinasy, která se váže na receptory T-lymfocytů a odpovídá za proliferaci a aktivaci těchto buněk (De Pasquale, 1984).
3.4.2.3. Vliv zinku na mozek a nervovou soustavu Zinek se dostává do mozku krví a přes mozkomíšní tekutiny. Nejvíce zkoncentrovaný je v limbickém systému v hippocampu. Zinek je také součástí metaloproteinů v neuronech a gliových buňkách. Může vykonávat funkci modulátoru v synaptických neurotransmiterech. Nedostatek zinku v potravě může vést k ovlivnění jeho homeostázy v mozku a k poruchám paměti a učení (Prohaska, 1987).
3.4.2.4. Vliv zinku na stres Velký počet stresových faktorů snižuje u živočichů koncentraci zinku v plasmě a to zhruba na stejnou úroveň jako při běžném deficitu zinku v potravě. Tyto stresové faktory zahrnují např. infekci, bakteriální endotoxiny, chirurgický zákrok, popáleniny a graviditu. Tato reakce na stres je prvotně zprostředkovaná leukocytovými endogenními mediátory tzv. interleukiny. Reakce je spojena se zvýšeným vstřebáváním zinku zejména játry, ale také brzlíkem a kostní dření, což může být vyvoláno glukokortikoidy při reakci na stres (Jackson, 1982).
3.4.3. Metabolismus Resorpce zinku v trávícím ústrojí probíhá v celém tenkém střevě. Resorpce je za normálních podmínek asi 30 % a je regulována buňkami střevní sliznice. Resorpce zinku je vyšší u jedinců s nižší tělesnou hmotností a v případě nižší saturace organismu zinkem. Naopak při perorálním podávání vysokých dávek zinku se účinnost resorpce snižuje (Velíšek, 2002). Obecně se předpokládá, že hlavním transportním proteinem zinku v krvi je albumin. Asi 60-70 % zinku v plazmě je vázáno na albumin a 30 % na proteiny 36
s vysokou molekulovou hmotností a to s alfa-2-makroglobulinem. Bylo ale zjištěno, že výměna probíhá i s jinými plazmatickými proteiny. Transferrin také slouží k transportu zinku v plazmě, a to zejména ve vrátnicovém oběhu. Je však prokázáno, že zinek se přednostně váže spíš na albumin než na transferrin. Absorpce zinku v játrech výrazně přispívá k regulaci celkového toku zinku, a to jak nově vstřebaného, tak odstraněním zinku z oběhu jako reakce na stres. U kultivovaných hepatocytů je absorpce zinku dvoufázový proces. Počáteční příjem je závislý na teplotě a je stimulován glukokortikoidy. Kromě toho koncentrace glukokortikoidů potřebná pro maximální stimulaci se pohybuje v normálním fyziologickém rozmezí. Glukokortikoidy stimulovaná absorpce koresponduje s de-novo indukcí syntézy metalothioneinu, na který je vázána většina zbývajícího zinku. Metalothionein se chová jako dočasné úložiště zinku. Zinek je z organismu vylučován přes několik tras a to potem, olupováním kůže, žlučí a pankreatickými šťávami, semennými tekutinami a močí. Hlavním zdrojem ztrát je však vylučování zinku střevy a ztráta slizničních buněk (Chesters, 1997). Využití zinku závisí na celkovém složení stravy. Existuje několik dietních faktorů, které slouží jako potenciální promotoři nebo antagonisti absorpce zinku. Avšak mezi hlavní faktory, které ovlivňují vstřebávání a využití dietního zinku patří obsah inositol hexafosfátu ve stravě a zdroj dietních bílkovin. Fytáty jsou přítomné v celozrnných obilovinách a luštěninách a v menším množství i v jiné zelenině. Mají silný potenciál pro vazbu dvojmocných kationů. Molární poměr mezi fytáty a zinkem v potravinách je užitečným ukazatelem vlivu fytátů na pokles vstřebávání zinku (WHO/FAO, 2004). Dlouhodobý příjem stravy s poměrem fytát/ Zn větším než 20:1 vede k deficitu zinku. Tento poměr pro některé cereální výrobky uvádí Velíšek (2002), viz tabulka 6. Tab. 6 Obsah zinku v některých cereálních výrobcích a jeho poměr k fytové kyselině (Velíšek, 2002) Výrobek
Zn v mg.kg-1
otruby chléb celozrnný chléb bílý vločky kukuřičné
80 29 9,5 2,6
37
sušiny
Poměr fytát/Zn
32,5 21,6 5,9 12,3
Účinek fytátu je však modifikován podle zdroje a množství spotřebované dietní bílkoviny. Živočišné bílkoviny zlepšují vstřebávání zinku ze stravy, která obsahuje fytáty. Vysoké množství dietního vápníku zesílilo antagonistický účinek fytátů na vstřebávání zinku (WHO/FAO, 2004).
3.4.4. Výživa Doporučené denní dávky zinku jsou 5 mg pro děti do 1 roku, 10 mg pro děti od 1 roku do 10 let, 15 mg pro chlapce a muže, 12 mg pro dívky a ženy, 10 mg pro muže a ženy nad 50 let. Pro těhotné ženy se doporučuje dávka 15 mg v období kojení 16-19 mg (Velíšek, 2002). V tabulce 7 se nachází doporučené příjmy zinku podle WHO, které uvádí Chesters (1997). Tab. 7 Doporučení WHO pro příjem zinku (Chesters, 1997)
Věk 1-6 6-10 10-18 18->60 10-18 18->60 Těhotné, třetí trimestr Kojící 0-3 měsíc
Pohlaví Obě Obě Muži Muži Ženy Ženy Ženy Ženy
Požadavky na Zn (mg.den-1) Využitelnost ze stravy vysoká střední nízká 4 6 12 5 8 15 7 12 24 6 9 19 6 10 20 4 7 13 8 13 27 8
13
25
3.4.5. Projevy nedostatku Ústřední role zinku při buněčném dělení, syntéze bílkovin a růstu je důležitá zejména pro kojence, děti, dospívající a těhotné ženy, tyto skupiny nejvíce trpí neadekvátním příjem zinku. Klinickými projevy závažného nedostatku zinku u lidí jsou růstová retardace, zpoždění sexuálního dozrávání a zrání kostí, poranění kůže, průjmy, plešatost, poruchy chuti k jídlu, zvýšená náchylnost k infekcím zprostředkovaná defekty v imunitním systému a zjevné změny v chování (WHO/FAO, 2004). Dalšími příznaky jsou ztráta chuti, změny na kůži, vypadávání vlasů a nehtů. Řadu těchto změn je možné včasným podáváním vyšších dávek zinku vrátit do normálního stavu (Velíšek, 2002).
38
Vliv nízkého nebo mírného nedostatku zinku už není tak zřejmý. Zpomalení růstu a zhoršení imunitní obrany jsou zatím jediné jasně prokázané příznaky mírného nedostatku zinku u lidí (WHO/FAO, 2004). Pozitivní odezva na zinek se projevila u dalších klinických stavů včetně podvýživy a u pacientů s Kronovou chorobou. Nejnovější zprávy naznačují zlepšení hojení ran po perorální suplementaci zinku (Chesters, 1997).
3.4.6. Toxicita U lidí jsou případy toxicity velmi sporadické. Nadměrná suplementace zinku může způsobit nevolnost, zvracení, průjem, horečku a netečnost.Tyto příznaky byly pozorovány po požití zhruba 4-8 g zinku (Chesters, 1997). Z dlouhodobého hlediska by však příjem vyšší než fyziologická potřeba mohl ovlivňovat metabolismus jiných stopových prvků, zejména mědi jejíž metabolismus je ovlivněn vyšším příjmem zinku. Horní limit příjmu zinku pro dospělého člověka byl stanoven na 45 mg.den-1 a pro děti 23-28mg.den-1 (WHO/FAO, 2004). Přijetí tak vysoké dávky potravou je ale zcela vyloučeno. Dlouhodobý příjem desetinásobku až třicetinásobku doporučené denní dávky (tj. 100 až 300 mg) vede k některým změnám krevního obrazu, které jsou typické při deficitu mědi, protože zinek je jejím antagonistou (Velíšek, 2002).
3.4.7. Zdroje zinku v potravě Libové červené maso, celozrnné obiloviny, luštěniny a jiná semena obsahují mnoho zinku. Koncentrace v těchto potravinách se obecně pohybuje v rozmezí 25 až 50 mg.kg-1. Obilniny s nízkými stupněm vymletí, leštěná rýže, kuřecí, vepřové maso nebo maso s vysokým obsahem tuku mají střední obsah zinku, obvykle mezi 10 a 25 mg.kg-1. Ryby, kořeny, hlízy, zelená listová zelenina a ovoce jsou jen skromným zdrojem zinku s koncentrací <10 mg.kg-1. Nasycené tuky a oleje, cukr a alkohol, mají velmi nízký obsah zinku (WHO/FAO, 2004).
39
3.5. Železo 3.5.1. Výskyt v lidském těle Celkové množství železa v těle dospělého člověka je asi 3-5 g. Nejvyšší koncentrace se nacházejí v krvi (hemoglobin), játrech a slezině (ferritin a homosiderin), nižší koncentrace jsou v ledvinách, srdci a kosterním svalstvu (myoglobin). Koncentrace železa v pankreatu a mozku je asi dvakrát až desetkrát nižší, než obsah v játrech nebo slezině. Přehled organických sloučenin železa podle Velíška (2002) je uveden v tabulce 8. Tab. 8 Důležité sloučeniny železa vyskytující se v lidském těle (Velíšek, 2002) Sloučenina
Množství v g
Obsah Fe v g
hemoglobin myoglobin ferritin transferrin katalasa cytochrom c
900 40 2-4 10 5 0,8
3,0 0,13 0,4-0,8 0,004 0,004 0,004
% celkového množství Fe 60-70 3-5 7-15 0,1 0,1 0,1
V enzymech je obsaženo jen nepatrné množství celkového železa v těle. Lze je rozdělit do dvou skupin, a to na: -
hemové enzymy: cytochromy, oxygenasy a peroxidasy
-
nehemové enzymy: sukcinátdehydrogenasa, také jaterní xanthinoxidasa, NADH-
cytochrom-c-reduktasa (flavinové enzymy třídy oxido-reduktas) a akonitasa (enzymy z třídy lyas). 3.5.2. Biochemické funkce Funkce železa v organismu souvisejí s tím, v jakých sloučeninách je obsaženo. Převážně jde o účast železa na transportu kyslíku krevním řečištěm a skladování kyslíku ve svalové tkáni (železo vázané v hemoglobinu a myoglobinu) a na katalýze oxidačně-redukčních reakcí (Velíšek, 2002 ). Na posledně zmíněné funkci se podílí tyto enzymy: 1. Oxidoreduktasy 2. Monooxygenasy – monooxygenasa aminokyselin, cytochrom P450, desaturasa mastných kyselin
40
3. Dioxygenasy –
dioxygenasa
aminokyselin
nebo
aminů,
lipoxygenasa,
peroxidasa, NO syntasa 4. Různé další enzymy obsahující železo (Beard a kol., 1997) Hlavní hemové proteiny se schopností vazby kyslíku jsou hemoglobin, barvivo červených krvinek, a myoglobin, červené barvivo svalových tkání. Oba proteiny obsahují hem, tj. protoporfyrinový komplex dvojmocného železa. Oxymyoglobin slouží jako tkáňová zásobárna kyslíku. Dalším typem biologicky významných sloučenin železa jsou proteiny s železem a sírou. Jedná se o sloučeniny, ve kterých je železo vázáno sulfhydrylovými skupinami cysteinových zbytků, případně ještě sulfidovými ionty. V této skupině rozlišujeme
FeS-proteiny
rubredoxiny
a
Fe2S2–proteiny
a
Fe4S4–proteiny
ferredoxiny. Tyto látky působí jako přenašeče elektronů reverzibilní změnou mocenství železa. Proteiny se železem a sírou se vyskytují u mnoha organismů, např. u aerobních i anaerobních bakterií, u řas, hub, vyšších rostlin a také živočichů. Hlavní biologickou funkcí těchto proteinů je přenos elektronů. V krevní plasmě je obsažen nehemový glykometaloprotein transferrin (Velíšek, 2002 ). Nejen že je zodpovědný za přenos železa z basolateralního povrchu enterocytů do periferních tkání, ale také je zodpovědný za přerozdělení železa do různých částí těla a vazbu železa z glomerulární filtrace. Řada dalších systémů může významně přispívat k transportu železa do tkání, včetně heme-hemopexinu, ferritinu a laktoferrinu (Beard a kol., 1997). Zásobní formy železa jsou ferritin a hemosiderin. Vyskytují se zejména ve slezině, játrech a v kostní dřeni. Ferritin je metaloprotein, který může obsahovat až 23 % železa. Bílkovinná složka apoferritin má molekulovou hmotnost 445 kDa a skládá se z 24 kubicky uspořádaných podjednotek. Apoferritin tvoří obal jádra, které obsahuje hydratovaný hydroxid železitý. Jedna molekula ferritinu může vázat až 2000 atomů železa. Vazba Fe3+ na ferritin snižuje riziko vzniku nerozpustných sloučenin železa. Hemosiderin je amorfní sloučenina obsahující až 35 % železa ve formě hydroxidu železitého (Velíšek, 2002). Za normálních okolností je 95 % uloženého železa v jaterní tkáni v hepatocytech ve feritinu. Hemosiderin tvoří zbývajících 5 %, a nachází se převážně v buněčných Kupfferovy lysosomálních zbytcích (Beard a kol., 1997). Nízkomolekulární siderofory vylučuje řada aerobních a fakultativné anaerobních mikroorganismů rostoucích v prostředí s nízkým obsahem železa. U bakterií (např. 41
rodu Escherichia, Aerobacter, Salmonella aj.) jsou těmito siderofory hlavně katecholy, u kvasinek a plísní hydroxamové kyseliny. Příkladem těchto hydraxamových kyselin je ferrichrom a deferrikoprogen, které se nacházejí např. v sýrech.
3.5.3. Metabolismus Z běžné diety se v trávícím traktu vstřebává 5-15 % přítomného železa. Zhruba platí, že resorpce dvojmocného železa probíhá snadněji než resorpce trojmocného železa. Účinnost vstřebávání však není závislá jen na mocenství, ale může být ovlivněna např. tvorbou komplexů železa. Vstřebávání železa je regulováno. Při nedostatku železa v organismu může účinnost stoupnout až na 30-60 %. Železnaté ionty se vstřebávají ve dvanáctníku a v části lačníku. V buňkách střevní sliznice se vstřebané železo opět oxiduje na trojmocné a připojením apoferritinu vytváří ferritin. Odtud je železo řízeně transportováno do krve (do krevního oběhu se dostává jen malá část železa obsaženého ve slizničních buňkách, část se znovu uvolňuje do střevního obsahu při odloupávání buňek z konců střevních klků). Při transferu do krve dochází opět k redukci trojmocného železa na dvojmocné a k jeho uvolnění z ferritinu. Železnaté ionty se v krevním řečišti oxidují na železité a vstupují do molekuly transportní bílkoviny transferrinu. Transferrin zajišťuje přenos železa ke všem tkáním. V cílových tkáních je železo zachyceno v molekule ferritinu, odtud je v případě potřeby uvolňováno pro syntézu hemových bílkovin a jiných metaloproteinů. Vstřebání hemového železa probíhá v prvních fázích odlišně. Hemové železo je střevní sliznicí vstřebáváno jako porfyrinový komplex a teprve uvnitř slizničních buněk se z vazby na porfyrin uvolňuje. Vstřebání železa v gastrointestinálním traktu je ovlivňována biologickými faktory (zdravotní stav, věk a pohlaví jedince) a chemickými faktory (formy železa v potravě a složení potravy). Některé
sloučeniny
zvyšují
biologickou
využitelnost
železa
z diety.
Mechanismus tohoto účinku pravděpodobně spočívá v tvorbě komplexů těchto látek se železem. Vznik komplexních sloučenin železa zabraňuje tvorbě nerozpustných forem železa, zejména Fe(OH)3 a FePO4 , v alkalickém prostředí tenkého střeva (Velíšek, 2002).
42
3.5.3.1. Látky zvyšující resorpci železa Kyselina askorbová je nejvýznamnější sloučeninou zvyšující vstřebávání nehemového železa. Působí jako redukční i chelatační činidlo. Syntetický vitamín C zvyšuje vstřebávání železa ve stejném rozsahu jako nativní askorbová kyselina. Účinek kyseliny askorbové na vstřebávání železa je označen jako esenciální, a to v tom smyslu, že by se mohl považovat za jednu z fyziologických rolí vitaminu C. Maso podporuje výživu železem ve dvou směrech: stimuluje vstřebávání hemového i nehemového železa a poskytuje dobře absorbovatelné hemové železo. Stejně tak kysané zelí a další fermentovaná zelenina a dokonce i některé fermentované sójové omáčky zlepšují vstřebávání železa (WHO/FAO, 2004). Mezi další látky, které zvyšují resorpci železa patří organické kyseliny (citronová, mléčná, jablečná, jantarová a vinná), aminokyseliny, zvláště histidin, lysin a cystein, které jsou trifunkčními ligany, a peptidy a bílkoviny složené z těchto aminokyselin, a v neposlední řadě sacharidy, které příznivě ovlivňují retenci železa.
3.5.3.2. Látky snižující resorpci železa Látky snižující resorpci železa buď tvoří se železem nerozustné sloučeniny (fytová kyselina), nebo natolik stabilní rozpustné sloučeniny, že z nich železo nemůže být uvolněno pro vazebné bílkoviny (ferritin) vznikající v buňkách střevní sliznice. Vstřebání železa snižují především třísloviny a fenolové látky, fytová kyselina, vláknina, vyšší dávky fosforu a vápníku a mimořádně vysoké dávky stopových prvků (kobaltu, zinku, mědi a manganu). Fenolové látky čaje jsou pravděpodobně nejúčinnějším faktorem snižujícím resorpci železa. I za přítomnosti askorbové kyseliny dochází ke snížení resorpce tvorbou nerozpustných komplexů železa s tříslovinami. Vstřebávání nehemového železa se při současném podání čaje s pokrmem sníží až o 62 % a při současném podání kávy až o 35 % . Naproti tomu pomerančový džus zvýší resorpci železa až o 85 %. Vláknina cereálních materiálů obsahuje dosti vysoké množství fytové kyseliny, takže v těchto případech nebylo možné rozlišit účinek samotné vlákniny od působení fytátu. Samotná vláknina tedy příliš neovlivňuje vstřebávání železa. Kombinovaný účinek vlákniny a fytové kyseliny je ale značný. Dokládá to mimi 43
jiné nízká využitelnost železa z pšeničných klíčků, fazolí a čočky, tedy potravin s vysokým obsahem fytové kyseliny. Resorpci negativně ovlivňují také některé druhy bílkovin (sojové bílkoviny, fosfoprotein fosvitin vaječného žloutku).
3.5.4. Výživa Doporučené denní dietní dávky železa jsou 6 mg pro děti do 6 měsíců, 10 mg pro děti od 6 měsíců do 10 let, 12 mg pro chlapce od 11 do 18 let, 15 mg pro dívky a ženy od 11 do 50 let, 10 mg pro dospělé muže a ženy nad 50 let. Pro těhotné ženy se doporučuje dávka 30 mg a v období kojení 15 mg (Velíšek, 2002).
3.5.5. Projevy nedostatku Populace nejvíc ohrožené nedostatkem železa jsou kojenci, děti, dospívající a ženy ve fertilním věku, a to zejména těhotné ženy (WHO/FAO, 2004). Nedostatečný příjem železa dietou vede k anémii (chudokrevnosti) a snížení imunity. Anémie je onemocnění, při kterém je v krvi sníženo množství hemoglobinu a červených krvinek. To má za následek omezení přínosu kyslíku ke tkáním a snížení výkonnosti organismu. Při deficitu železa lze rozlišit tři stádia. V prvním stádiu se snižují zásoby železa a klesá hladina ferritinu v plasmě, žádné funkční změny nejsou patrné. Ve druhém stádiu se zvyšuje podíl protoporfyrinu v erytrocytech a hladina hemoglobinu je na 95 % normálu (normální hladiny hemoglobinu jsou u mužů 130-160 g.dm-3 a u žen 120-160 g.dm-3 ). Ve třetím stádiu se objevují příznaky anémie z nedostatku železa, dochází ke zřetelnému poklesu hladiny hemoglobinu (hypochromii) a ke zmenšování červených krvinek (mikrocytose) (Velíšek, 2002). Dalšími zjevnými fyzickými projevy nedostatku železa jsou zánět jazyka, koutková stomatitida, koilonychia (lžícovité nehty) a modré skléry. Fyziologické projevy nedostatku železa byly rovněž zaznamenány při imunitní funkci a energetickém metabolismu (Beard a kol., 1997). Nedostatek železa může být obecně zvrácen některým z následujících tří způsobů. (1) suplementace železa (tj. poskytnout tablety se železem určitým cílovým skupinám, jako například těhotným ženám a předškolním dětem), (2) obohacováním některých potravin železem, jako například mouku, a (3) zlepšením povědomí o nutriční hodnotě potravin, zvýšit množství absorbovaného železa 44
z potravy zvýšením příjmu železa, a zejména zlepšit biologickou využitelnost železa v potravě (WHO/FAO, 2004).
3.5.6. Toxicita Železo může být akutně velmi toxické při požití většího množství. Ke genetickým poruchám, které jsou spojené s nadbytkem železa, patří neonatální hemochromatóza, vrozená atransferrinemia a hypochromní anémie. Akutní požití železa v množství 200-250 mg.kg-1 je obvykle fatální (Beard a kol., 1997). Při nadměrném příjmu železa dietou nebo výživovými doplňky a zejména při poruše regulace resorpce může dojít ke hromadění hemosiderinu v játrech. Tento jev je označován jako hemosiderosa a může vést k těžkému poškození jater (Velíšek, 2002).
3.5.7. Zdroje železa v potravě V živočišných tkáních převažují hemové formy železa. Ve vaječném bílku je železo vázáno v konalbuminu, ve žloutku je vázáno na fosfoprotein fosvitin. V mléce je železo obsaženo v metaloproteinu laktoferrinu a část železa je vázána na kasein.Mléko některých živočichů obsahuje železo také v transferrinu. V rostlinách bývá
železo
vázáno
v různých
komplexech,
zvláště
s alifatickými
hydroxykyselinami, aminokyselinami, thioly, fenolovými látkami, nukleotidy, peptidy a bílkovinami. Potravinami bohatými na železo jsou vnitřnosti, maso, vejce, luštěniny, čaj a kakao. Střední obsah železa mají ryby, drůbež, cereálie, špenát, petržel a ořechy. Na železo chudé je mléko, mléčné výrobky, tuky a oleje, brambory a většina ovoce. K obohacování potravin železem se používá řada sloučenin železa i samotné elementární železo. Při zjišťování biologické hodnoty jednotlivých látek použitých k fortifikaci byla sledována odezva hladiny hemoglobinu u experimentálních zvířat na dávku železa v dané formě. Síran železnatý byl použit jako referenční látka. Ve srovnání se síranem železnatým je možné rozdělit používané formy do tří skupin: -
zdroje železa s dobrou relativní biologickou hodnotou (nad 10 % vůči
FeSO4): citran amonno-železitý, chlorid železitý, síran železitý, síran amonnoželezitý, fumaran železnatý, glukonan železnatý, síran železnatý, vinan železnatý -
zdroje železa se střední biologickou využitelností (20-70 %): difosforečnan
železitý a elementární železo 45
-
zdroje s nízkou biologickou využitelností (<20 %): oxid železitý,
fosforečnan železitý a uhličitan železnatý (Velíšek, 2002). Velíšek (2002) uvádí obsah železa a zinku ve vybraných potravinách, viz tabulka 9.
Tab. 9 Obsah železa a zinku ve významných potravinových surovinách a potravinách (Velíšek,2002) Obsah v mg.kg-1
potravina Maso vepřové Maso hovězí Maso kuřecí Játra vepřová Ryby Mléko plnotučné Tvaroh Sýry Jogurt Vejce slepičí Vaječný bílek Vaječný žloutek Pšenice Mouka pšeničná Chléb celozrnný Rýže loupaná Hrách Čočka Fazole Sója Zelí Květák Špenát Hlávkový salát Rajčata Mrkev Hrášek Cibule Brambory Jablka Pomeranče Banány Jahody Vlašské ořechy Čaj černý Káva pražená Čokoláda mléčná
Fe 10-20 22-30 4,3-8,4 130-370 1,3-15 0,35-0,8 0,91-1,5 1,5-4,7 0,44-1,2 21-26 1,0-2,0 61-72 33-66 12-25 24-33 6,0-23 47-68 69-130 59-82 50-110 3,1-9,0 5,0-11 10-40 5,8-11 2,2-5,0 3,4-7,4 18-22 3,0-6,1 3,0-8,4 2,3-4,8 1,3-5,0 3,1-5,5 3,6-9,6 21-24 110-310 41 11-19
46
Zn 17-40 30-43 8,1-12 56-112 3,3-27 3,4-4,7 13-14 36-44 5,3-5,6 13-15 2,0 38 26-38 8-36 13-29 10-15 20-49 28-32 21-38 29-67 1,5-2,9 3,2-7,8 4,3-13 3,3-9,0 1,2-4,8 2,5-5,9 11-15 3,1-5,2 1,7-4,9 0,2-4,9 0,9-1,2 1,8-2,6 1,1-1,9 24 23-38 6,1-8,0 18-19
4. MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ 4.1. Chemikálie a reagenty Koncentrovaná kyselina dusičná (podvarově destilovaná), dusičnan strontnatý (fa. Merck), dusičnan vápenatý a hořečnatý (fa. Merck), chlorid železitý (fa. Merck), síran zinečnatý (fa. Merck). Koncentrace uvedených prvků byla ověřována komplexometrickou titrací s EDTA. Voda byla čištěná demineralizačním zařízením firmy Milipore.
4.2. Přístroje •
mikrovlnná pec Etos SEL
• atomový absorpční spektrometr SpectrAA-30 od firmy Varian 4.3. Software •
software easywave 3
• disketová jednotka DS-15 4.4. Analyzované vzorky Analýza byla provedena u 27 vzorku, z toho bylo 6 vzorků pšenice, 6 vzorků pšeničných otrub, 1 vorek pšeničných krupic a 14 vzorků mouk. Vzorky byly získány od Pekařství Růžička Znojmo, DELTA MLÝNY s.r.o. Kyjova a UNIMILLS a.s. provozovna mlýn Litoměřice, viz tabulka 10.
47
Tab. 10 Analyzované vzorky P.č. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27.
Obchodní název produktu
Zdroj
Mouka hladká (speciálka) Mouka chlebová Mouka žitná (Dalamánek) Mouka směsná s přídavkem hladké mouky speciál (Kornspitze)
Pšenice odběr 19.3. Pšeničná mouka hladká světlá (48,3 %) Pšeničné otruby Pšenice odběr 24.3. Pšeničná mouka hladká světlá (46,5 %) Pšeničné otruby Pšenice odběr 26.3. Pšeničná mouka hladká světlá (48,6 %) Pšeničné otruby Pšenice odběr 30.3. Pšeničná mouka polosvětlá (49,0 %) Pšeničné otruby Pšenice odběr 23.3. Pš. mouka hladká vysokolepková Rheonová (33,2 %) Pšeničné otruby Pšenice potravinářská Pš. mouka hrubá T 450 (popel v suš. 0,39 %) Pš. mouka polohrubá T 400 (popel v suš. 0,42 %) Pš. mouka hladká T 530 (popel v suš. 0,55 %) Pš. mouka hladká polosvětlá T 650 (popel v suš. 0,65 %) Pš. mouka chlebová (popel v suš. 1,15 %) Pšeničná krupice hrubá (popel v suš. 0,46 %) Pšeničné otruby (popel v suš. 5,9 %)
Pekařství Růžička Znojmo
DELTA MLÝNY s.r.o. Kyjova
UNIMILLS a.s. provozovna mlýn Litoměřice
4.4.1. Příprava vzorku Do rozkladné teflonové nádobky jsme navážili max. 0,5 g vzorku a přidali jsme 5 ml HNO3 a 5 ml demineralizované vody. Nádobka se uzavřela víčkem a vložila do držáku. Šroub držáku se dotáhl momentovým klíčem, poté se celý držák vložil do karuselu. Po naplnění karuselu 10 nádobkami se nasadilo víko a zastrčilo teplotní čidlo mikrovlnné pece. Takto připravený karusel se vložil do trouby mikrovlnné pece a spustil se příslušný program. Program: Prvních 6 minut dochází ke navyšování teploty na 160 °C, další 4 minuty zvyšování na 210 °C a nakonec se 20 minut udržuje teplota na 210 °C, při níž dochází k úplnému rozkladu vzorku.
48
Po ukončení programu a ochlazení nádobek pod 90°C se karusel vyjmul i s nádobkami a odpojilo se teplotní čidlo. Rozpuštěný vzorek z vyjmuté nádoby se převede na filtrační papír a přefiltruje. Vzorek se kvantitativně převedl do 25 ml odměrné baňky a poté přelil do plastových nádob.
4.5. Stanovení Ca, Mg, Zn a Fe 4.5.1. Atomová absorpční spektrometrie 4.5.1.1. Princip metody Podstatou metody je absorpce vhodného elektromagnetického záření volnými atomy v plynném E1 − E 0 =
stavu. hc
λ1
Absorbovat
, E2 − E0 =
hc
λ2
se
bude
záření,
které
splňuje
podmínku
atd., kde E0 je energie základní hladiny a E1, E2 atd. jsou
energie excitovaných hladin. Štěrbina monochromátoru propouští interval vlnových délek o šířce 0,5 nm, zatímco absorpční čára je široká je asi 0,002 nm. Znamená to, že kdyby se použil polychromatický zdroj, na detektor by procházelo ve značné míře neabsorbované záření blízké absorbované vlnové délce. Z těchto hodnot vyplývá, že při úplné absorpci sledované čáry by byl zářivý tok dopadající na detektor snížen o pouhých 0,4 %. Takovýto přístroj by byl málo citlivý. Proto je nutno jako zdroj záření použít stejný prvek, jako chceme stanovovat. Ten nám emisí záření bude poskytovat právě požadované vlnové délky. Absorbovat se bude pouze část záření, která svými vlnovými délkami odpovídá rezonančním čarám. Rezonančních čar je mnohem méně než emisních. Proto je absorpční spektrum jednodušší než emisní. Pro měření se vybere
čára, pro kterou je splněna největší absorpce záření. Sleduje se absorbance log
φ0 , která je podle Lambertova-Beerova zákona úměrná φ
koncentraci stanovovaného prvku. S výhodou je možné použít metody kalibrační křivky, která je lineární.
49
Obr. 1 Absorpce záření vlnových délek rezonančních čar a a b (Klouda, 2003)
4.5.1.2. Instrumentace Čárovým zdrojem je výbojka s dutou katodou. Katodou je dutý váleček ze stejného kovu, který se stanovuje, anodou je wolframový nebo molybdenový drát. Lampa obsahuje argon (neon) tlaku do 1 kPa. Vložení napětí 400 V vyvolá doutnavý výboj, při němž vznikají ionizované atomy vzácného plynu, které bombardují kov. Uvolněné atomy kovu se srážkami excitují a při deexcitaci vysílají potřebné záření. Výbojka může obsahovat i víceprvkovou katodu, složenou až ze tří různých prvků, ačkoliv rozprašování katody vede k časové nestabilitě charakteristik. Náplňový plyn sám také emituje záření. Atomizátor slouží k převedení vzorku do stavu volných atomů. Jeho teplota by měla být dostatečná k atomizaci, ale nižší než je třeba k výraznější excitaci atomů. Potřebná teplota je zpravidla 2000 až 3000 °C. Používáme plamenový nebo elektrotermický atomizátor.
50
Obr. 2 Schéma jednopaprskového atomového absorpčního spektrometru (Klouda, 2003)
Plamenový atomizátor Plamenový atomizátor pracuje na principu pneumatického zamlžování nebo ultrazvukového rozprašování roztoku vzorku. Aerosol vzorku je smíšen s topným plynem a oxidovadlem a je vnášen do plamene, kde se atomizuje. Délka plamene zajišťuje dostatečnou absorpční dráhu. Často se používají univerzální hořáky délky 50 mm (pro užívané plameny C2H2/vzduch, C2H2/N2O). Podle druhu a poměru paliva a okysličovadla dosahujeme různých teplot. Generování atomů zlepšují redukční podmínky, proto je vhodný nadbytek paliva. Vysoký podíl paliva však snižuje teplotu plamene. Směsi paliva a oxidovadla běžně užívané v plamenové atomizaci a jejich teploty jsou uvedeny v tabulce 11, dle Kloudy (2003). Tab. 11 Teploty plamene v plamenovém atomizátoru (Klouda, 2003) Palivo Oxidovadlo Teplota (°C) Propan Vzduch 1900 Acetylen Vzduch 2300 Acetylen Kyslík 3100 Acetylen Oxid dusný 3000 Vodík Kyslík 2600 Účinnost generování atomů v plameni poměrně dosti ovlivňují jednotlivé složky roztoku analytu včetně rozpouštědla. Proto je potřebné připravovat pro konkrétní prvky roztoky co nejkonstantnějšího složení. Když to není možné, např. u vzorků kontaminované odpadní vody, musíme použít metodu standardního přídavku.
51
Z celkového množství záření propouštěného na fotonásobič je malá část vyvolána emisí atomy excitovanými v plameni. Tuto část záření je nutno odečíst. Přerušujeme-li rotujícími segmenty (chopper) paprsek duté katodové lampy, ve chvíli přerušení paprsku dopadá do detektoru (fotonásobiče) jen záření emitované v plameni. Tento signál je odečítán od signálu zjištěného v okamžiku, kdy paprsek není přerušen.
Elektrotermický atomizátor (ETA) Elektrotermický atomizátor je grafitová trubice vyhřívaná elektrickým proudem. Trubicí prochází záření. Vzorek se vnáší pomocí mikropipety (5 až 50µl) na vnitřní stěnu trubice nebo se umístí na nosnou podložku (platformu). Pracuje se v ochranné atmosféře tvořené proudem argonu. Teplotní program má tři fáze: •
sušení (50-200 °C) – odpaření rozpouštědla;
•
žíhání (200-800 °C) – rozklad matrice;
•
atomizace – prudké zahřátí během několika sekund na teplotu atomizace 2000-3000 °C; mnohdy však k atomizaci dochází i při nižších teplotách.
Odstraněním rozpouštědla a matrice se zbavíme nepříjemných vlivů, které tyto složky vzorku mají v plamenové atomizaci. Místo grafitu může být použit kov s vysokou teplotou tání, např. wolfram. Zatímco u plamenové atomizace je signál stálý, u elektrotermické atomizace je registrován přechodný signál – impuls.
Obr. 3 Průběh signálu a teploty při elektrotermické atomizaci (Klouda, 2003)
52
Základní součástí monochromátoru je mřížka. Jako detektor slouží fotonásobič napojený na vyhodnocovací zařízení. Atomové absorpční spektrometry jsou konstruovány nebo pracují jako: •
Jednopaprskové přístroje, které měří sekvenčně nejdříve neabsorbovanou čáru a pak absorbovanou.
•
Dvoupaprskové přístroje, které porovnávají 2 paprsky získané dělením zdrojového záření rotujícími zrcadlovými segmenty. Jeden paprsek prochází přes absorbující prostředí a druhý, srovnávací, mimo (Klouda, 2003).
4.5.2. Vlastní měření Vápník •
Bylo použito spektrometrické měření na plameni (FAAS)
•
Měření bylo provedeno při vlnové délce 422,7 nm
•
Koncentrační rozsah standardu byl v rozmezí 1-10 mg
•
Měření bylo provedeno s přídavkem spektrálního pufru (Sr2+)
Hořčík •
Měření bylo provedeno obdobně jako u vápníku, ale při vlnové délce 285,2 nm
Zinek •
Bylo použito spektrometrické měření na plameni (FAAS)
•
Měření bylo provedeno při vlnové délce 213,9 nm
•
Koncentrační rozsah standardu byl v rozmezí 0,5-5 mg
Železo •
Měření bylo provedeno obdobně jako u zinku, ale při vlnové délce 248,3 nm
53
5. VÝSLEDKY Měření bylo provedeno u 27 vzorků. Ke stanovení obsahu vápníku, hořčíku, zinku a železa byla použita atomová absorpční spektrometrie (AAS). Hodnoty měření každého vzorku jsou zaznamenány v tabulce č. 12. Pro větší přehlednost jsou výsledky znázorněny v grafu 1-8. Tab. 12 Obsah vápníku, hořčíku, zinku a železa v různých produktech Ca
Mg -1
Zn -1
Fe -1
-1
1
Obchodní název produktu Mouka hladká (speciálka)
2
Mouka chlebová
301,3
740
18,921 23,680
3
Mouka žitná
302,3
640,1
16,418 21,510
P.č.
mg.kg
mg.kg
mg.kg
mg.kg
176,3
293,8
7,638
13,800
6
Mouka směsná s přídavkem hladké mouky speciál 3108,2 1612,1 31,814 39,260 Pšenice odběr 19.3. 434,900 1217,00 29,103 31,280 Pšeničná mouka hladká světlá (48,3 %) 196,200 300,40 7,172 13,360
7
Pšeničné otruby
1123,200 5419,00 81,060 109,360
8
Pšenice odběr 24.3.
569,200 1197,20 29,940 28,050
9
Pšeničná mouka hladká světlá (46,5 %)
237,300
10
Pšeničné otruby
1575,900 5805,60 81,630 109,280
11
Pšenice odběr 26.3.
350,400 1223,90 30,080 30,680
12
Pšeničná mouka hladká světlá (48,6 %)
331,500
13
Pšeničné otruby
1207,000 5122,50 94,200 106,510
14
Pšenice odběr 30.3.
629,1
1275,8 27,220 30,930
15
Pšeničná mouka polosvětlá (49,0 %)
501,8
344,97 10,250 10,870
16
Pšeničné otruby
1006,9
4945,8 87,080 107,880
17
Pšenice odběr 23.3.
557,4
1312,1 26,940 32,110
4 5
300,90
7,986
337,70 12,278
12,260
9,450
19
Pš. mouka hladká vysokolepková Rheonová (33,2 %) 354,1 Pšeničné otruby 1135,3
20
Pšenice potravinářská
379,1
1080
29,810 33,830
21
Pš. mouka hrubá T 450 (popel v suš. 0,39 %)
18
236,1
7,260
11,800
5636,5 78,960 108,080
331,6
137,5
7,508
8,320
Pš. mouka polohrubá T 400 (popel v suš. 0,42 %) 359,2 Pš. mouka hladká T 530 (popel v suš. 0,55 %) 400,5
129,1
6,847
8,590
228
9,181
11,890
352,9 807,1
26
Pš. mouka hladká polosvětlá T 650 (popel v suš. 0,65 %) 282,4 Pš. mouka chlebová (popel v suš. 1,15 %) 400,8 Pšeničná krupice hrubá (popel v suš. 0,46 %) 150
27
Pšeničné otruby (popel v suš. 5,9 %)
22 23 24 25
933,8
54
12,118 17,590 26,352 30,680
179,9 8,213 12,290 5136,9 34,400 97,770
po tr Pš av .m in Pš .h ář .m ru sk bá á .p Pš ol T oh en 45 ru ič 0 ná (p bá s0 kr T ,3 up 40 9 0 ic Pš % (p eh Pš .m ) s ru .m 0, .h bá 42 .h la % (p dk l. s0 ) po á T ,4 lo 6 sv 53 % ět 0 lá ) (p s T Pš 0, 65 5 .m 5 0 % (p .c s0 ) hl eb ,6 5 ov % á ) (p Pš s1 .o ,1 tr 5 ub % y ) (p s5 Pš , 9 .m % .h ) la dk á (s pe ci á Pš M . m lka) ou . ch ka le sm bo M ěs vá ou ná ka (p ro ži tn ko á rn sp itz )
Pš en ic e
Ca mg.kg-1
m
.h
Pš e la nic dk e á od sv bě ět r Pš l á ( 26. en 48 3. ič ,6 Pš né % .m P ot ) ru . h šen by la ic dk e o á sv dbě ět r l á 19 P š Pš en (48 .3. .m ič ,3 né % .h ot ) la P ru dk še by á nic R e he od on bě r o Pš vá ( 23. en 33 3. ič ,2 né % Pš .m P ot ) š ru . h en by la ic dk e o á sv dbě ět r Pš l á ( 24.3 en 46 . ič ,5 né % ot ) Pš Pš ru . m en by . p ic e ol od os vě bě r t Pš lá ( 30. en 49 3. ič ,0 né % ot ) ru by
Pš .
Ca mg.kg-1
1800,0
1600,0
600,0
400,0
1575,9
1400,0
1200,0
1207,0
800,0 350,4
1000,0 900,0 800,0 700,0 600,0 500,0 379,1 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0
1123,2
331,5
331,6 359,2
55
1135,3
1000,0
1006,9
434,9 557,4
400,5
569,2 629,1
354,1
196,2
150,0
Graf 2. Obsah vápníku v obilných produktech (mg.kg-1) 501,8
200,0 237,3
0,0
Graf 1. Obsah vápníku v obilných produktech (mg.kg-1)
933,8
282,4 400,8 310,8 301,3 302,3 x 10
176,3
Pš .
po tr av in á
m .h m ru řs .p ká bá Pš ol T oh en 45 ru ič 0 ná bá (p s0 kr T 4 up ,3 00 Pš 9 i ce .m Pš % (p .m hr ) s0 .h u ,4 .h la 2 dk bá l. % (p po á ) s0 T lo , 5 sv 46 30 ět % (p ) Pš lá T s0 .m 65 ,5 5 0 .c % (p hl ) s0 eb ,6 ov 5 á % Pš (p ) .o s1 tr ,1 ub 5 % y (p s5 ) Pš .m ,9 % .h ) la dk á (s p Pš eci á M lk .m ou a) .c ka hl eb sm M ov ěs ou ná ka á (p žit ro ná ko rn sp itz )
Pš .
Pš en ic e
Mg mg.kg-1
m Pš . h en la ic dk e á od sv bě ět r Pš l á ( 19. en 48 3. ič ,3 Pš né % .m P ot ) ru . h šen by la ic dk e o á sv dbě ět r Pš l á ( 24. en 46 3. ič ,5 Pš né % .m P ot ) ru . h šen by la ic dk e á od sv bě ě r Pš tl á 26. en (48 3. ič ,6 né % ot ) Pš Pš ru . m en by i . p ce ol od os vě bě r t Pš lá ( 30. Pš en 49 3. .m ič ,0 né % .h ot ) P la ru š dk en by á i c R e h e od on bě r o Pš vá ( 23. en 33 3. ič ,2 né % ot ) ru by
Pš .
Mg mg.kg-1 7000,0
6000,0
2000,0
1000,0
1200,0
400,0
200,0
5419,0
5805,6
1217,0 300,4
137,5
5122,5
1197,2
129,1
56
5636,5
5000,0
1223,9
300,9
1000,0
800,0 807,1
600,0
352,9
Graf 4. Obsah hořčíku v obilných produktech (mg.kg-1) 4945,8
4000,0
3000,0 1275,8
337,7
1312,1
345,0
513,7 x 10
236,1
0,0
Graf 3. Obsah hořčíku v obilných produktech (mg.kg-1) 1800,0
1600,0 1612,1
1400,0
1080,0 740,0 640,1
179,9 228,0 293,8
0,0
Pš .
po tr av in á
m .h m ru řs .p ká bá ol Pš T oh en 45 ru ič 0 ná bá (p s0 kr T 40 up ,3 Pš 9 0 i ce .m Pš % (p .m hr ) s0 .h u ,4 .h la 2 dk b á l. % (p po á ) s0 T lo , 5 sv 46 30 ět % (p lá ) Pš s0 T .m 65 ,5 5 0 .c % (p hl ) s0 eb , ov 65 á % Pš (p ) .o s1 tr ,1 ub 5 % y (p s5 ) Pš .m ,9 % .h ) la dk á (s p Pš eci á M lk .m ou a) .c ka hl eb sm M ov ěs ou ná ka á (p žit ro ná ko rn sp itz )
Pš .
Pš en ic e
Zn mg.kg-1
m Pš . h en la ic dk e á od sv bě ět r Pš l á ( 19. en 48 3. ič ,3 né % Pš .m P ot ) ru š . h en by la ic dk e o á sv dbě ět r Pš l á ( 24.3 en 46 . ič ,5 né % Pš .m P ot ) ru . h šen by la ic dk e o á sv dbě ět r Pš l á ( 26. en 48 3. ič ,6 né % ot ) Pš Pš ru . m en by . p ic e ol od os vě bě r t Pš lá ( 30. en 49 3. Pš ič ,0 .m né % .h ot ) la Pš ru dk en by á R ic e he od on bě r o Pš vá ( 23. en 33 3. ič ,2 né % ot ) ru by
Pš .
Zn mg.kg-1
100,0 90,0
30,0
35,0
10,0
81,1
40,0
29,1
10,0
7,5
81,6 94,2
29,9
7,2 30,1
20,0
8,0
8,2
12,3
30,0
15,0
9,2
57 12,1
Graf 6. Obsah zinku v obilných produktech (mg.kg-1)
87,1
80,0 79,0
70,0
60,0
50,0
27,2 26,9
10,3
20,0 7,3
0,0
Graf 5. Obsah zinku v obilných produktech (mg.kg-1)
40,0
29,8 34,4 31,8
25,0 26,4
18,9 16,4
6,8 7,6
5,0
0,0
Pš .
po tr av in á
m .h m ru řs .p ká bá ol Pš T oh en 45 ru ič 0 ná bá (p s0 kr T 4 up ,3 00 Pš 9 i ce .m Pš % (p hr .m ) s0 .h u ,4 .h la 2 dk bá l. % (p po á s0 ) T lo , 5 sv 46 30 ět % (p ) Pš lá T s0 .m 65 ,5 5 0 .c % (p hl ) s0 eb ,6 ov 5 á % Pš (p ) .o s1 tr ,1 ub 5 % y (p s5 ) Pš .m ,9 % .h ) la dk á (s p Pš eci á M lk .m ou a) .c ka hl eb sm M ov ěs ou ná ka á (p žit ro ná ko rn sp itz )
Pš .
Pš en ic e
Fe mg.kg-1
m Pš . h en la ic dk e á od s v bě ět r Pš l á ( 19. en 48 3. ič ,3 Pš né % .m P ot ) ru . h šen by la ic dk e á od s v bě ět r Pš l á ( 24. en 46 3. ič ,5 né % Pš .m P ot ) š ru . h en by la ic dk e o á s v dbě ět r Pš l á ( 26.3 en 48 . ič ,6 né % ot ) Pš P ru . m šen by . p ic e ol od os vě bě r t Pš lá ( 30. Pš en 49 3. .m ič ,0 né % .h ot ) la Pš ru dk en by á ic R e he od on bě r o Pš vá ( 23. en 33 3. ič ,2 né % ot ) ru by
Pš .
Fe mg.kg-1
120,0
40,0
40,0
20,0
109,4
31,3
8,3
109,3
28,1
20,0 13,4
12,3 11,9
58
106,5
100,0
17,6
Graf 8. Obsah železa v obilných produktech (mg.kg-1)
107,9
30,7
12,3 9,5
30,7 13,8
108,1
100,0 80,0
60,0
30,9 32,1
10,9 11,8
0,0
Graf 7. Obsah železa v obilných produktech (mg.kg-1)
120,0
97,8
80,0
60,0
33,8 39,3
23,7 21,5
0,0 8,6
6. DISKUZE 6.1. Vliv zpracování na nutriční hodnotu Adekvátní zpracování je významným předpokladem konzumace obilných zrn a je důležité jak pro senzorickou tak i nutriční kvalitu obilí, které se zpracovává na potraviny (Bondia-Pons, 2009). Zpracování může snižovat nebo zvyšovat množství bioaktivních komponentů v zrnu a také upravovat jejich biologickou dostupnost. Nejvýznamnějšími kroky zpracování jsou mletí a výroba chleba.
6.1.1. Mletí U pšenice se naměřené hodnoty u vápníku pohybovaly v rozmezí od 350,4 do 629,1 mg.kg-1, u hořčíku od 1080 do 1312,1 mg.kg-1, u zinku od 26,94 do 30,08 mg.kg-1 a u železa od 28,05 do 33,83 mg.kg-1. Ve dvou případech bylo u litoměřické pšenice dosaženo nejnižších hodnot a to u hořčíku a zinku. Pro srovnání je uvedena tabulka 13, podle Murphyho (2008). Z této tabulky je patrné, že námi naměřené hodnoty korespondují s údaji získanými Murphym.
Tab. 13 Obsah minerálních látek u historických a moderních pšeničných odrůd. Obsahy jsou uváděny v mg/kg suché váhy ± standardní odchylka pro všechny minerály kromě Se, který je udáván v µg/kg (Murphy, 2008) Minerál
Obsah minerálu Historická (1842-1965)
Ca Cu Fe Mg Mn P Se Zn
421,6 ± 10,9 4,8 35,7 1402,6 50 3797,1 16,2 33,9
± ± ± ± ± ± ±
0,1 1 21 1,2 55,7 1,7 0,9
Výnos/korelace
Moderní (2003)
% změna
398,5 ± 16,1
-6
-0,41
-16 -11 -7 -7 -9 -50 -25
-0,17 0,05 -0,35 -0,17 -0,25 -0,38 -0,06
4,1 32,3 1307,6 46,8 3492,7 10,8 27,2
± ± ± ± ± ± ±
0,2 1,8 25,6 3,1 119,3 2,7 1,9
Cílem mletí je oddělit otruby a klíček od škrobnatého endospermu. Zbylý endosperm je pak mlet na mouku. Aleurunová vrstva je bohatá na bílkoviny, minerály a vitamíny, a je obvykle oddělena s vnějšími vrstvami otrub při mlýnském zpracování.
59
Odlišnosti mouk jsou dány stupněm vymletí, který je definován jako podíl mouky, který byl získán ze 100 dílů obilí. Při 75 % stupni vymletí je tvořena bílá mouka. Jestliže stupeň vymletí převyšuje 80 % mouka již obsahuje určitý podíl otrub, a při 100 % stupni vymletí je produkována celozrnná mouka. Bílá mouka je ochuzena o velké množství důležitých živin. Otruby a klíček jsou relativně bohaté na bílkoviny, tuky, vitamíny skupiny B a minerální látky. Mouka pak obsahují méně těchto živin než původní zrno. Jako výsledek mletí je zvýšená chutnost, ale snížená nutriční hodnota. Stupeň vymletí je pravděpodobně nejvýznamnějším faktorem kontroly množství vitamínů skupiny B a minerálních látek v mouce. Při vyšším stupni vymletí mouka obsahuje vyšší koncentrace B vitamínů a vyšší hodnoty popela. S rostoucí koncentrací minerálů, je také obsaženo vyšší množství fytové kyseliny, která paralelně koresponduje s obsahem vlákniny (Dewettinck et al., 2008). U mouk se naměřené hodnoty u vápníku pohybovaly v rozmezí od 196,2 do 3108,2 mg.kg-1, přičemž nejnižší hodnota byla zjištěna u pš. mouky hladké světlé s stupněm vymletí 48,3 % a nejvyšší hodnota u směsné mouky s přídavkem hladké mouky, která se používá na výrobu Kornspitzů. Zjištěné hodnoty hořčíku se pohybovaly od 129,1 do 1612,1 mg.kg-1. Nejnižší hodnota byla naměřena u mouky polohrubé s obsahem popela v sušině 0,42 % a nejvyšší opět u mouky na Kornspitze. Byl zjištěn obsah zinku od 6,647 do 31,814 mg.kg-1, kdy nejnižší hodnota byla opět u polohrubé mouky T 400 a nejvyšší u mouky na Kornspitze. Hodnoty u železa se pohybovaly v rozmezí od 8,32 do 39,26 mg.kg-1. Nejnižší hodnota se tentokrát vyskytovala u hrubé mouky T 450 s obsahem popela v sušině 0,39 % a nejvyšší opakovaně u mouky na Kornspitze. Z grafů je patrné, že ztráty při vymílaní dosahují až 100 %. To je důvod proč většina autorů doporučuje celozrnné nebo vysoko-vymleté mouky, u nichž je zachována větší
část minerálních látek. V tabulce 14 je uvedeno složení pšeničné mouky s odlišným stupněm vymletí, podle Pedersona (1989).
60
Tab. 14 Chemické složení pšeničné mouky podle stupně vymletí (Pederson et al., 1989) Stupeň vymletí (%) 100 95 91 87 80 75 66 Škrob+cukry (%) 69,9 73,2 75,3 77,2 80,8 82,9 84,0 Bílkoviny (n × 6,25) (%) 14,2 13,9 13,8 13,8 13,4 13,5 12,7 Tuk (%) 2,7 2,4 2,3 2,0 1,6 1,4 1,1 Vláknina (%) 12,1 9,4 7,9 5,5 3,0 2,8 2,8 Popel (%) 1,8 1,5 1,3 1,0 0,7 0,6 0,5 -1 Energie (KJ.g ) 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5 18,4 18,3 -1 Fosfor (mg. g ) 3,8 3,3 2,8 2,1 1,5 1,3 1,2 Vápník (mg. g-1) 0,44 0,43 0,38 0,33 0,27 0,25 0,23 Zinek (ppm) 29 25 21 18 12 8 8 Měď (ppm) 4,0 3,7 3,4 2,8 2,4 1,6 1,3 Železo (ppm) 35 33 28 23 15 13 10 Thiamin (µg.g-1) 5,8 5,4 4,8 3,4 2,2 1,4 Riboflavin (µg.g-1) 0,95 0,79 0,69 0,46 0,39 0,37 -1 Niacin (µg.g ) 25,2 19,3 10,1 5,9 5,2 3,4 Pyridoxin (µg.g-1) 7,5 6,6 3,4 1,7 1,4 1,3 -1 Biotin (µg.g ) 116 108 106 76 46 25 Kyselina listová (µg.g-1) 0,57 0,53 0,45 0,11 0,11 0,06 Jak již bylo zmíněno výše, celozrnné výrobky mají v porovnání s vymletými pšeničnými moukami vyšší obsah popela a minerálů. Nejvyšší obsah popela měl ječmen asi 2,9 %, dále pak žito, proso a čirok u nichž se obsah popela pohyboval kolem 1,8 až1,9 %. V tabulce 14 je uvedeno minerální složení pšeničné podle Ragaee (2005). I hodnoty uvedené v této tabulce korespondují s námi naměřenými hodnotami. Tab. 15 Minerální složení (mg.kg-1) pšeničné mouky a obilných zrn (Ragaee, 2005) Proso Žito Čirok Pšenice Pšenice Ječmen tvrdá obecná P 3498 977,6 4570 2879 3620 349,9 K 826,2 1225 4572 2798 3570 239,9 Mg 301,2 306,5 1971 1488 1328 187,7 Ca 159,5 202,2 736,2 508,6 348,7 27,3 Na 46,0 38,4 238,4 60,89 67,2 4,6 Zn 30,8 7,6 74,2 65,9 30,6 3,1 Fe 13,2 13,9 128,4 199,8 44,0 10,6 Mn 5,2 8,1 9,2 8,1 24,4 1,2 Cu 1,4 1,6 5,7 3,4 2,9 0,2 Cr 0,1 0,001 0,9 7,7 0,7 0,8
Další měření se provádělo u pšeničných otrub. V pěti případech se jednalo o otruby krmné a v jednom případě o otruby jedlé. U otrub je dosahováno nejvyšších koncentrací 61
prvků, tedy vyšších než u pšenice a mouky. Naměřené hodnoty vápníku se u otrub pohybovaly v rozmezí od 993,8 do 1575,9 mg.kg-1,
u hořčíku 4945,8 do 5805,6
mg.kg-1, u zinku od 34,40 do 94,20 mg.kg-1 a u železa 97,77 do 109,36 mg.kg-1. Hodnoty obsažených prvků u otrub jsou sice obrovské, ale otruby mají také vysoký obsah kyseliny fytové, která snižuje využitelnost většiny prvků.
6.1.2. Výroba chleba Proces výroby chleba se skládá ze tří hlavních fází: hnětení, fermentace a pečení. Chléb je jedním z nejvýznamnějších zdrojů sacharidů v lidské výživě. Během pečení podstupuje škrob řadu změn známých jako želatinace. Želatinace škrobu je významná s ohledem na náchylnost škrobu k enzymatickému rozkladu během pečení. Chléb je významnou součástí stravy, proto ztráta vitamínů během transformace pšeničného zrna na chleba je významným nutričním problémem. Hnětení, pH, teplota a doba pečení jsou jen některé z fyzikálních faktorů, které ovlivňují množství vitamínů v chlebu (Dewettinck et al., 2008). Isserliska (2001) uvádí experimentálně stanovené mikroprvky v pšeničné mouce s obsahem popela 0,5%, stejně tak jak v těstě a chlebu, které jsou znázorněny v tabulce 16. Změny koncentrace jednotlivých prvků v meziproduktech mouka – těsto – chléb jsou způsobeny změnou podílu vody avšak absolutní množství jednotlivých prvků zůstává stejné.
Tab. 16 Minerály v mouce, těstě a chlebu (Isserliyska et al., 2001) Minerály Mouka Těsto g/73,5g g/110g Ca 0,017 0,0253 Mg 0,020 0,0297 Fe 0,0012 0,0013 Zn 0,0007 0,0011
62
Chleba g/100g 0,023 0,027 0,001 0,001
7. ZÁVĚR Význam obiloviny spočívá v jejich nutriční hodnotě. Jsou součástí skupiny potravin, která patří k základu potravní pyramidy. Poskytují významné množství živin a jsou důležitou složku vyvážené stravy. Obilná zrna obsahují škrob, bílkoviny, malé množství tuků, minerály, vitamíny, antioxidanty, vlákninu a kromě nich jsou zdrojem mnoha dalších důležitých bioaktivních látek mezi něž patří fytochemikálie. Ty se sice mohou v jiných potravinách vyskytovat i ve vyšších koncentracích, ale spotřebou se obilovinám zdaleka nevyrovnají. Kvůli povědomí o zdravém životním stylu se zvyšuje spotřeba celozrnných a vícezrnných výrobků. A jejich pravidelná konzumace poskytuje zdravotní přínos v oblasti snížení rizika srdečně cévních onemocnění, rakoviny, cukrovky, obezity a dalších chronických onemocnění. Minerální látky jsou nezbytnou součástí naší výživy. Mají významnou úlohu při růstu a pro metabolismus celého organismu. Podílejí se také na výstavbě tělesných tkání, podmiňují stálý osmotický tlak v tělesných tekutinách, regulují, aktivují a kontrolují metabolické pochody a jsou důležité i pro vedení nervových vzruchů. Mnohé se uplatňují se jako aktivátory nebo součásti hormonů a enzymů. K deficitu minerálních látek u dospělých i dětí dochází poměrně často. Například nedostatek vápníku, železa, hořčíku a zinku je v běžných populacích velmi hojný. Byl zjištěn 40–60 % nedostatek vápníku, železa a zinku mezi školními dětmi a mládeží. Dále pak 56 % nedostatek vápníku a 40,9 % nedostatek železa mezi 18-60tiletými ženami. Je důležité, aby rafinované potravy (z bílé mouky) byly doplněny nebo nahrazeny výrobky s vyšším stupněm vymletí a tedy i vyšším obsahem minerálních látek. Mezi ně patří právě cereální výrobky zejména otruby, ale i celozrnný chléb a pečivo. Navzdory doporučení konzumovat nejméně tři celozrnná jídla denně je obvykle konzumováno pouze jedno. A jelikož jsou celozrnné výrobky poměrně dobrým donorem většiny nedostatkových minerálních látek mohly by při adekvátním příjmu stát jejich ideálním zdrojem a snižovat jejich nedostatek.
63
8. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ALBERTS B., BRAY D., LEWIS J., RAFF M., ROBERTS K., WATSON J. D., 1983: Molecular biology of cell.
AUGUS Z. S., MORAD M., 1991: Modulation of cardiac ion channels by magnesium. 289-298 s.
BARBOSA K., CANGUCO V., CRUZ T., LIMA L., POUSADA J. C., RODRIGUES L. E., 1998: The effect of magnesium supplementation in increasing doses on the control of type 2 diabetes.
BEARD John L., DAWSON Harry D., 1997: Iron, s. 275-334. In: BOYD L. O’Dell, ROGER A. Sunde, Handbook of nutritionally essential mineral elements. New York, ISBN 0-8247-9312-9.
BONDIA-PONS Isabel. et al., 2009: Rye phenolics in nutrition and health. Journal of Cereal Science 49, 323-336 s.
ČNFO, 2009: Osteoporóza- role potravy v prevenci i léčbě [on line] : České národní fórum proti osteoporóze Praha, [cit. duben 20010]. Dostupné na Word Wide Web: http://www.cabrnoch.cz/media/TI_osteoporoza_role_potravy.pdf
DE PASQUELE, FRAKER P. J., 1984: Interference in the development of a secondary immune response in mice by zinc deprivation. J Nutr, 1762-1769 s.
DEWETTINCK K, et al., 2008: Nutritional value of bread: Influence of processing, food interaction and consumer perception. Journal of Cereal Science 48, 243-257 s.
DIRKS J H., QUAMME G. A., 1992: The physiology of renal magnesium handling.
ENSMINGER Andrey, et al., 1994: Foods and nutrition encyclopedia. 2 vydaní, 292 s. ISBN 0-8493-8981-x.
64
FINE K. D., SANTA Anna C. A., PORTER J. L., FORDTRAN J. S., 1991: Intestinal absorption of magnesium from food and supplements. 396-402 s.
GORINSTEIN Shela, et al., 2006: Comparsion of composition and antioxidant capacity of some cereals and pseudocereals. International Journal of Food Science and Technology, 629-637 s.
GÚNTER T., 1986: Cardiovascular Biochemistry: Magnesium. Mag.-Bull. 8, 136-139 s.
HOLTEKJOLEN A. K., et al., 2008: Antioxidant properties and sensory profiles of bread containing barley flour. Food chemistry 110, 414-421 s.
CHESTERS J. K., 1997: Zinc, s. 275-334. In: BOYD L. O’Dell, ROGER A. Sunde, Handbook of nutritionally essential mineral elements. New York, ISBN 0-8247-9312-9.
INSTITUTE OF MEDICINE, 2001: Dietary reference intakes for vitamin A, chrómium and zinc. National academy press, 12-47 s.
ISSERLIYSKA Dida, KARADJOV Grozdan, ANGELOV Angel, 2001: Mineral composition of Bulgarian wheat bread. Eur Food Res Technol, 244-245 s.
JACKSON M J., JONES D. J., 1982: Tissue zinc levels as an index of body zinc status. Clin fyziol, 333-343 s.
KAJABA I., ŠMRHA O., 1986: Tabuľky zloženia a výživových hodnot požívatín, SPN, Bratislava, německé tabulky
KING J. C., KEEN C. L., 1999: Nutrition in health and disease. 223-239 s.
KIRSCHMAN John D., 2006: Nutrition Almanac. New York : Nutrition Search, 384 s. ISBN 0-07-143658-8.
65
KLOUDA Pavel., 2003: Moderní analytické metody. Ostrava : Nakladatelství Pavel Klouda, 132 s. ISBN 80-86369-07-2.
LIU Rui Hai, 2007: Whole grain phytochemicals and health. New York, Journal of Cereal Science 46, 207-219 s.
MURPHY Kevin M., REEVES Philip G., JONES Stephen S., 2008: Relationship between yield and mineral nutrient concentration in historical and modern spring wheat cultivar. Euphytica, 381-390 s.
PEDERSON B., KNUDSEN K. E. B., EGGUM B. O., 1989: Nutritive value of cereal products with emphasis on the effect of milling. World Review of
Nutrition and
Dietetics 60, 1-5 s.
PROHASKA J. R., 1987: Functions of trace elements in brain metabolism. 858-901 s.
RAGAEE Sanaa, ABDEL-AAL El-Sayed M., NOAMAN Maher., 2005: Antioxidant activity and nutrient composition of selected cereals for food use. Food Chemistry 98, 32-38 s.
RASSIGUIER Y., GUEUX E., WEISER D., 1981: Effect of magnesium deficiency on lipid matabolism in rats fed a high cyrbohydrate diet. 1876-1883 s.
RASSIGUIER Y., ALCINDOR L., GUEUX E., PIOT M. C., 1984: The reduction of plasma lecithine-cholesterol acyltransferase activity by magnesium deficiency in the rat. 1479-1483 s.
SHILS Maurice Edward, 1997: Magnesium, s. 275-334. In: BOYD L. O’Dell, ROGER A. Sunde, Handbook of nutritionally essential mineral elements. New York, ISBN 0-8247-9312-9.
SHILS Maurice Edward, OLSON J. A., SHIKE M., 1994: Modern nutrition in health and disease. Philadelphia, 166 s.
66
SIGEL Helmut, SIGEL Astrid, 1990: Metal ions in biology - compendium on magnesium and its role in biology, nutrition and physiology. New York, 774 s. ISBN 0-8247-8315-8.
SLAVIN Joanne, 2004: Whole grain and human health. Minnesota : Nutrition Research Reviews , 99-110 s.
TRUONG- TFAN, et. al., 2000: Cellular zinc fluxes and the regulation of apoptosis. J Nutr, 1459-1466 s.
VELÍŠEK J., 2002: Chemie potravin 1. 2. vyd. OSSIS Tábor, 344 s. ISBN 80-86659-00-3.
VELÍŠEK J., 2002: Chemie potravin 2. 2. vyd. OSSIS Tábor, 320 s. ISBN 80-86659-01-1.
VELÍŠEK J., 2002: Chemie potravin 3. 2. vyd. OSSIS Tábor, 368 s. ISBN 80-86659-02-X.
WHO/FAO, 2004: Vitamin and mineral requirement in human nutrition. 217-272 s. ISBN 92-415-46123.
WILSON L., 1998: Nutritional Balancing and Hair Mineral Analysis.
ZIELINSKI Henryk, CEGLINSKA Zlicka, MICHALSKA Anna, 2007: Bioactive compounds in spelt bread. Eur Food Res Technol, 537-544 s.
67
9. SEZNAM TABULEK Tab. 1 Množství rozpustné a nerozpustné vlákniny v potravinách Tab. 2 Klasifikace a příklady stravitelných a rezistentních škrobu Tab. 3 Obsah vápníku a hořčíku v potravinách (mg/100 g jedlého podílu) Tab. 4 Distribuce hořčíku v těle dospělého člověka Tab. 5 Doporučený příjem hořčíku Tab. 6 Obsah zinku v některých cereálních výrobcích a jeho poměr k fytové kyselině Tab. 7 Doporučení WHO pro příjem zinku Tab. 8 Důležité sloučeniny železa vyskytující se v lidském těle Tab. 9 Obsah železa a zinku ve významných potravinových surovinách a potravinách Tab. 10 Analyzované vzorky Tab. 11 Teploty plamene v plamenovém atomizátoru Tab. 12 Obsah vápníku, hořčíku, zinku a železa v různých produktech Tab. 13 Obsah minerálních látek u historických a moderních pšeničných odrůd. Obsahy jsou uváděny v mg/kg suché váhy ± standardní odchylka pro všechny minerály kromě Se, který je udáván v µg/kg. Tab. 14 Chemické složení pšeničné mouky podle stupně vymletí Tab. 15 Minerální složení (mg.kg-1) pšeničné mouky a obilných zrn Tab. 16 Minerály v mouce, těstě a chlebu
68
