Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav chemie a biochemie
Zinek jako esenciální mikronutrient Bakalářská práce
Vedoucí práce: prof. RNDr. Hana Dočekalová, CSc.
Brno 2014
Vypracoval: Tomáš Hádler
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem práci: Zinek jako esenciální mikronutrient vypracoval samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb.,o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací.
Jsem si vědom/a, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 autorského zákona.
Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše.
V Brně dne:
…………………………………….. podpis
Abstrakt: V první části práce jsou popsány obecné vlastnosti zinku, jeho výskyt v prostředí a historie. V následujících částech jsou popsány účinky tohoto prvku na zdraví člověka (konkrétně zdravotní rizika spojená s jeho deficiencí), jeho transport a celková úloha v metabolismu. Dále jsou zde popsány doporučené limity pro denní příjem zinku tzv. RDA. Podstatná část této bakalářské práce je věnována obsahu zinku v jednotlivých potravinách. Významná část je věnovány nedostatku zinku a příznakům deficience zinku v lidském organismu. Dále jsou zde popsány vybrané potraviny a jejich obsah zinku. Velice podstatnou část práce tvoří možnost fortifikace potravin zinkem, jakož i jeho suplementace. V neposlední řadě je zde zmíněn metabolismus zinku a schopnost využití tohoto prvku organismem člověka. V závěru práce jsou popsány některé analytické metody pro stanovení zinku ve vzorku.
Klíčová slova: Zinek, deficience, výživa člověka, metabolismus, fortifikace
Abstract: In the first part of these presented bachelor thesis are described general characteristics of zinc, it´s occurence in enviroment and it´s history. Next part described effect of this element on human health (specific health risks associated with its deficiency), transport and its general role in the metabolism, further discussed. There are summarized recommendations for zinc daily intake. A major part of this thesis is focused on the zinc content in various types of foods. A main part of the thesis is concerned with zinc deficiency and symptoms of zinc deficiency for the living organisms. The following part described selected foods and their zinc content. A very substantial part of the work is the possibility of fortification of foods with zinc, as well as supplementation. Last but not least, the zinc metabolism is described and it´s availability for human body. Some analytical methods for the determination of zinc in food and other biological samples are described. Keywords: Zinc, deficiency, nutrition, metabolism, fortification
PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych rád poděkoval paní prof. RNDr. Dočekalové, CSc, za její cenné rady a připomínky v průběhu zpracovávání práce, které přispěli k vypracování této bakalářské práce.
Obsah
1
ÚVOD ............................................................................................................................ 5
2
CÍL PRÁCE.................................................................................................................... 7
3
LITERÁRNÍ PŘEHLED ................................................................................................ 8 3.1
Fyzikálně-chemické vlastnosti zinku ...................................................................... 8
3.2
Historie zinku .......................................................................................................... 8
3.3
Rozšíření na Zemi ................................................................................................... 9
3.3.1
Vzduch ........................................................................................................... 10
3.3.2
Voda .............................................................................................................. 10
3.3.3
Půda ............................................................................................................... 11
3.3.4
Zinek a jeho metabolismus v rostlinách ........................................................ 12
3.4
Sloučeniny zinku: ................................................................................................. 12
3.4.1
Sulfid zinečnatý ............................................................................................. 12
3.4.2
Oxidy a chalkogenidy .................................................................................... 13
3.4.3
Halogenidy .................................................................................................... 13
3.4.4
Uhličitan zinečnatý ........................................................................................ 13
3.4.5
Boritan zinečnatý ........................................................................................... 14
3.4.6
Metaloproteiny (zinkové prsty) ..................................................................... 14
3.5
Inhibitory Zn ......................................................................................................... 15
3.6
Zinek v potravinách .............................................................................................. 15
3.6.1
Potravinové zdroje zinku a příjem ................................................................. 17
3.6.2
Denní příjem zinku ........................................................................................ 19
3.6.3
Nedostatek zinku v potravinách .................................................................... 20
3.6.4
Fortifikace...................................................................................................... 21
3.7
Vliv na zdraví........................................................................................................ 23
3.7.1
Role zinku v imunitním systému ................................................................... 23
3.7.2
Metabolismus ................................................................................................ 23
3.7.3
Fyziologické požadavky ................................................................................ 24
3.7.4
Vstřebávání zinku ......................................................................................... 25
3.7.5
Suplementace zinkem .................................................................................... 26
3.7.6
Vliv na růst tkání ........................................................................................... 28
3.7.7
Zinek v kostech .............................................................................................. 28
3.7.8
Toxicita zinku ................................................................................................ 28
3.7.9
Acrodermatitis enteropathica......................................................................... 31
3.8
Stanovení zinku..................................................................................................... 31
3.8.1
Atomová absorpční spektrofotometrie .......................................................... 32
3.8.1.1 Plamenová absorpční spekrofotometrie
33
3.8.2
Optická emisní spektroskopie s indukčně vázaným plazmatem ................... 34
3.8.3
Hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICP-MS) ........ 34
4
Závěr............................................................................................................................. 36
5
Seznam použité literatury ............................................................................................. 38
1
ÚVOD Tato práce je zaměřena na zinek, jako na významný prvek, účastnící se mnoha
metabolických pochodů v organismu člověka. Tyto vlastnosti jej řadí mezi významné mikronutrienty potřebné pro správnou činnost velkého množství pochodů, které probíhají uvnitř živých organismů. Pravděpodobně z tohoto důvodu byl zinek po celá staletí významným prvkem, avšak jeho skutečný vliv na lidský organismus byl prokazatelně podložen až v minulém století. Úkolem této práce je nalézt obecné informace o tomto prvku. Především je zde kladen důraz na úlohu zinku a jeho roli z hlediska pohledu chemie potravin. Proto jsou zde uvedeny průměrné obsahy zinku v jednotlivých druzích potravin. V následujících částech se má tato práce zabývát jeho fyzikálními a chemickými vlastnosti stejně jako jeho vlivem na metabolismus konzumenta. S tímto souvisejí v této práci zmíněné jak pozitivní, tak negativní (toxické) vlastnosti na lidský organismus. Z hlediska chemického jsou zde vyzdviženy jeho vazebné vlastnosti a schopnost tvorby sloučenin využitelných pro organismus člověka. Velmi důležitý je také i výskyt zinku v prostředí ať už v biosféře, ale také i v ovzduší, vodě či v půdě. Okrajově jsou zde popsána jiná využití zinku v dalších odvětvích lidské činnosti, jakož i využití tohoto prvku v celosvětovém měřítku. V těle živočichů, včetně lidí, je tento kov přítomný v mnoha organických substancích, které mají vliv na správnou činnost organismu. V současné době je celosvětová roční produkce zinku 12 milionů tun. Více než polovina celkové produkce je využívána ke galvanizaci oceli (58%), v průmyslu (14%), k výrobě slitin (10%), k chemickému vužití (9%) a ostatnímu zpracování. (International zinc assotiation, 2008) Do těla se může tento prvek dostávat nejrůznějšími způsoby (skrz kůži, orálně, vdechnutím..). Nejčastějším způsobem je patrně perorální příjem ve stravě. Zinek má mimořádný efekt na lidské zdraví a jeho nedostatek může vést až k celkovému kolapsu organismu. Mimo jiné nedostatek tohoto prvku přináší vážné zdravotní potíže, které jsou nejvíce viditelné na zažívacím traktu. Správný obsah zinku ve stravě je celosvětovým problémem. Proto je nutné zajistit jeho dostatek zvláště u rizikových skupin obyvatelstva, jako jsou děti a těhotné ženy. Největší problémy se zajištěním dostatečného příjmu zinku jsou především v rozvojových zemích. Proto řada celosvětových asociací přistoupila k nejrůznějším programům, které umožňují obyvatelům v chudších zemích přístup k „na zinek 5
bohatým“ potravinám. Mezi tyto organizace patří především mezinárodní asociace zinku (International Zinc Organisation, 2007) a světová zdravotnická organizace (World Health Organisation, 1996). Stať této bakalářské práce se rovněž zabývá fortifikací potravin a dalšími možnostmi navýšení obsahu zinku v potravinách a dalšími možnostmi zvýšení jeho příjmu v organismu. Příkladem může být suplementace pomocí zinkových tablet či roztoků tohoto prvku. Pro podávání správného množství suplementů je nutné diskutována. Závěr práce shrnuje všechny získané poznatky a vyvozuje z nich příslušná stanoviska.
6
2
CÍL PRÁCE Vypracování literární rešerše na chemii zinku. Zpracování přehledu o biologickém
významu zinku a jeho roli v metabolismu člověka. Zhodnocení potravin, jako zdroje zinku pro lidskou výživu a možnosti zvyšování obsahu zinku v potravinách.
7
3
LITERÁRNÍ PŘEHLED
3.1 Fyzikálně-chemické vlastnosti zinku Zinek je prvek pevného skupenství, který patří v periodické tabulce mezi skupinu d- prvků, přestože nemá mnoho společných vlastností s touto skupinou. Díky elektronové konfiguraci [Ar]4s2 3d10 se zinek zařazuje k přechodným prvkům. Celkově prvek patří pod dvanáctou skupinu společně s kadmiem a rtutí. Jeho atomové číslo je 30 a v přírodě se vyskytuje v podobě pěti izotopů. Má namodralou barvu a s leskem, který ztrácí při oxidaci. Relativní atomová hmotnost zinku je 65,38 a elektronegativita 1,6. Vzhledem k ostatním prvkům skupiny IIB (tj. Hg a Cd) je zinek elektropozitivnější. Právě díky svým fyzikálně-chemickým vlastnostem je zinek jedním z nejvšudypřítomnějších mikronutrientů v lidském těle a ostatních organismech na planetě Zemi. Díky těmto vlastnostem je schopen tvořit charakteristické sloučeniny, které hrají důležitou roli v metabolismu člověka. Teplota tání zinku je 419,58 oC což je, v porovnání s většinou ostatních kovů, poměrně nízká hodnota. Proto byl tento kov jedním z prvních lidmi zpracovávaných kovů v historii. Teplota varu je též logicky nižší tj. 907 oC. Hustotu má zinek 7,94 g/cm-3 (tato hustota je udávána při 25 oC). Člověku známé stabilní izotopy zinku, které se běžně vyskytují jsou tyto: 64Zn, 66Zn, 67
Zn, 68Zn, 70 Zn. 65Zn a 69Zn jsou radionuklidy s poločasem rozpadu u
65
Zn 244,26 dnů
a u 69Zn 56,4 dnů. Což z izotopu 69Zn činí nejméně stabilní, v přírodě se vyskytující, radioaktivní izotop zinku. (International zinc assotiation, 2008, Greenwood a kol., 1993)
3.2 Historie zinku Zinek byl poprvé pro potřeby člověka využíván již ve starověku. Ve vztahu k ostatním prvkům, konkrétně kovům, byl zinek osmý kovový prvek známý člověku. V této době byl zinek primárně využíván na výrobu mosazi, jenž je známá již z období římské říše z doby vlády Marca Augusta (20př.n.l. -14n.l.). Významný cestovatel Marco Polo se ve svých zápiskách z cest zmiňuje o Perské „továrně“ na oxid zinečnatý.
8
V minulosti byl tento kovový prvek používán v lékařství na zmírnění svědění a zrychlení léčby různých poranění kůže. Dále se používal jako účinný lék při pálení očí a jiných očních obtížích. O několik set let po starověku (v roce 1374) se objevil zinek, jako „nový“ prvek, v Indii. Tam se poté vyráběl až do 16. století. Kovový zinek byl v té době také používán k výrobě mosazi, zatímco odpad z výroby (ZnO prášek) se užíval k léčebným účelům. Z Indie byly manufaktury na zpracování zinku přesunuty do Číny, kde vyráběli také zinek, který sloužil pro výrobu mosazi. V Evropě byl zinek uznán jako samostatný kov až teprve, když byl pozorován Agricolou (1490-1555) a následně poté Paracelsem (1493-1541). První huť pro tavení zinku v Evropě byla založena až v 18 století v anglickém městě Bristol. Zinek byl po 500 let vyráběn z rud oxidu. Tento proces doznal velké změny v roce 1916, kdy byl vynalezen nový technologický postup separace zinku pomocí elektrolýzy. (International zinc asociation, 2008)
3.3 Rozšíření na Zemi V první řadě bychom si měli uvědomit, že zinek není pouze zdraví prospěšný prvek s množstvím pro život důležitých funkcí v metabolismu, ale v určitém množství i velmi nebezpečný a toxický těžký kov. S tímto bychom měli pohlížet na zinek a měli bychom mít na paměti možná zdravotní rizika, která plynou z užívání jeho nadměrných dávek v potravinách. Nadměrná dávka tohoto prvku se do potravin může dostane znečištěného životního prostředí nebo při technologických úpravách. Příkladem jsou ústřice, které mohou mít ve svém tělě uložené mnohem vyšší koncentrace zinku, pakliže se chovají ve vodě s vyššími koncentracemi zinku. (World Health Organisation, 1996) Zinek je vysoce reaktivní prvek, který pro svůj amfoterní charakter reaguje za vzniku různých nevodivých a nemagnetických solí. Tyto sloučeniny jsou většinou bílé či bezbarvé s vyjimkou těch ze skupiny chromoforů. Další možností jak tento prvek specifikovat je zařadit jej mezi chalkofilní prvky, z tohoto důvodu se vyskytuje ve stopových množstvích v prakticky ve všech typech hornin. V kovové formě se nachází velmi zřídka. (Thrower a Euatace, 1973)
Zinek se tedy vyskytuje, jak už bylo nastíněno v předešlé části tohoto textu i v litosféře (pevném obalu země). V zemské kůře se nachází 76 ppm zinku (z celkové hmotnosti kůry). 9
Uvážíme-li jeho rozšíření, pak musíme říci, že se zinek vyskytuje v přírodě o něco v menším zastoupení než rubidium (78 ppm), avšak hojněji než měď (68ppm). Do kůry se dostal již v prvopočátcích utváření planety, kdy se v redukční atmosféře v tzv. sulfidové fázi vyloučili patrně nejvíce podstatné rudy zinku tj. sulfidy (např. zmíněný Sfalerit a Wurtzit). Křemičitany, uhličitany a fosforečnany tohoto kovu jsou také velice časté v zemské kůře. Zinkové rudy se nacházejí nejčastěji v oblasti severní Ameriky (Kanada, USA) a Austrálie. (Greenwood a kol.,1993)
3.3.1 Vzduch Zinek se v atmosféře nachází primárně jako aerosol, který vznikl jeho oxidací. Zinek se může do atmosféry uvolňovat spalováním odpadu, společně s dalšími škodlivými látkami. Je zajímavé, že například z opotřebených pneumatik může být vylučováno velké množství do ovzduší. Oproti částicím, jež jsou do ovzduší vpouštěny spalovnami, jsou částečky zinku z pneumatik mnohem větší. V oblastech, kde se běžně zpracovává kov (v ČR např. Ostravsko..), je koncentrace těchto částic mnohem větší a jejich velikost může dosahovat až 5µm. Koncentrace zinku, která je běžně udávána pro atmosféru je mezi 10-100ng/m3, ačkoliv u více zalidněných oblastí se koncentrace pohybuje mezi 100-500ng/m3. Dle vyhlášky č. 356/2002 Sb. jsou jednotlivé prvky v ovzduší kontrolovány, avšak zinek není dle přílohy této vyhlášky limitně omezen. (Sbírka zákonů ČR)
3.3.2 Voda Zinek se do pitné vody dostává podobnou cestou jako do ovzduší, to je spadem malých částeček vypouštěných do ovzduší z továren na zpracování kovů, spaloven a jiných závodů. Voda kontaminována vyšší koncentrací tohoto prvku má charakteristické vlastnosti. Tyto vlastnosti jsou mírná opalescence během varu či tvorba mastného filmu na hladině. Zinek dokáže pozměnit organoleptické vlastnosti pitné vody. Uvádí se,
10
že zhruba 5% populace dokáže rozlišit rozdíl mezi vodou s koncentrací zinku 4 mg/l a bez přídavku zinku. Jeho chuť v pitné vodě je mírně svíravá. V povrchových vodách se koncentrace pohybuje okolo 10µg/l. Zatímco u podzemních vod, kde dochází k většímu kontaktu vody se zinkem obsaženým v minerálech resp. horninách jimiž podzemní voda protéká, je koncentrace logicky vyšší tj. 40µl/l. Je samozřejmě očividné, že koncentrace tohoto kovu se bude zvyšovat při průtoku vody skrz vodovodní trubky, který bývají často ošetřeny pozinkováním v důsledku ochrany proti korozi. (World Health Organisation). Nejvyšší koncentrace Zn u povrchových vod je na dně vodních nádrží a toků. Množství zinku ve vodě může korelovat s aciditou či alkalitou vody. Z vod se zinek dostává do těl vodních živočichů, jako jsou ryby. Koncetrace v podzemních vodách se v důsledku chemického znečištění (odpadní skládky apod.) mohou zvýšit až nad limitní hranici. Z vod, používaných jako zdroj pro hospodářské účely může Zn přejít do těl zvířat. (Agency for toxic substances and disease registry)
3.3.3 Půda Zinek se nejčastěji vyskytuje v půdě a to nejběžněji v koncentraci 17-127 mg/kg půdy. (World Health Organisation, 2002). V některých oblastech může být koncentrace i vyšší v důsledku geochemických procesů. (International zinc assotiation, 2011) Obsah zinku v půdě závisí na petrochemickém typu horniny, ze které daná půda vznikla. Půdy, které se vznikly z bazických hornin (40 mg/kg) mají většinou vyšší obsah Zn než půdy vzniklé na granitech (100 mg/kg). Nejčastěji se vyskytuje ve formě Zn2+, která je zároveň i v půdě nejpohyblivější formou. V sedimentech obsahujících značný podíl jílové složky byly zjištěny koncentrace zinku Velký vliv na využitelnost zinku pro rostliny má pH půdy (jiná využitelnost při kyselém než alkalickém pH). V důsledku výskytu jiných kationtů může dojít v kyselém prostředí ke snížení využitelnosti Zn2+ jelikož dochází k vymývání z půd. (Integrovaný registr znečištění, ) Koncentrace tohoto prvku v půdě má přímý vliv na jeho zastoupení v polních plodinách tj. v potencionální potravině nebo krmivu, ze kterého se Zn dostává do těl hospodářských zvířat. Hladina zinku v půdě je velmi významná z hlediska působení na úrodu v tom smyslu, že tento kov je podstatný pro metabolismus rostlin rostoucích 11
na poli. V případě snížené hladiny může docházet k anomáliím růstu, snížení produkce a z toho plynoucím ekonomickým ztrátám zemědělců. Nedostatek zinku v půdě může být identifikován pomocí testu půdy nebo testováním rostlin z pole. Obsah zinku v orné půdě může být ovlivněn použitím hnojiv s obsahem tohoto kovu. Pravděpodobně nejvíce využívanou sloučeninou zinku pro obohacování půd je síran zinečnatý (ZnSO4). (Alloway,2008)
3.3.4 Zinek a jeho metabolismus v rostlinách Stejně jako pro lidi a zvířata je zinek i pro rostliny nezbytný z hlediska transkripce, správné činnosti metabolismu a dalších významných fůnkcí v rostliném těle. Biofortifikace u rostlin je limitována maximální dávkou, která je pro danou rostlinu již toxická. Ve většině plodin, jako jsou obiloviny a fazole, je koncentrace Zn v kořenu mezi 500 a 5000 mg kg-1. V ovoci, semenech a hlízách jsou koncentrace zinku značně omezeny transportem ve floému. Toto je pravděpodobně způsobeno snahou rostliny o co nejnižší koncentraci Zn2+ , jde o snahu zabránit buněčné toxicitě. Použití Zn-hnojiv a to zejména v kombinaci s dusíkatými hnojivy, může zvýšit koncentrací Zn v semenech obilovin až na 100 mg kg-1 sušiny a koncentrace Zn v semenech luštěnin do asi 120 mg kg-1 sušiny. (White a Broadley, 2011)
3.4 Sloučeniny zinku: 3.4.1
Sulfid zinečnatý
Nejrozšířenější rudou zinku na světě je Sfalerit (blejno zinkové, ZnS). Další minerál s chemickým složením ZnS je Wurtzit. Oba mají stejné složení, avšak liší se modifikací krystalů. Právě díky svému krystalickému uspořádání je Wurtzit mnohem tepelně stálejší než Sfalerit. Atom Zn je u těchto minerálů koordinován tetraedricky s atomem síry a naopak. U obou minerálů se liší typ uspořádání to znamená, že u Sfaleritu je kubické a u Wurtzitu hexagonální. ZnS se v čisté formě využívá jako pigment, pro svou netoxicitu.
12
3.4.2 Oxidy a chalkogenidy Mezi nejčastější sloučeniny zinku patří oxidy a chalkogenidy. Sloučení zinku s kyslíkem vede k tvorbě klasických oxidů a peroxidů. Oxid zinečnatý je patrně nejpodstatnějším oxidem zinku. Tato sloučenina dříve bývala nejpodstatnějším vedlejším produktem při výroby mosazi. Vyrábí se spalováním par obsahujících předem přečištěný zinek (vznik uměle vytvořeného minerálu Zinkitu). Práškový produkt se dále používá pro výrobu výrobků z pryže. ZnO se kromě výroby pryže užívá stejně jako ZnS k výrobě bílých pigmentů. (Greenwood a kol., 1993) Oxid zinečnatý se běžně využívá jako konzervační činidlo pro potraviny nebo jako prostředek na ochranu koberců proti bakteriím a plísním. (Nriagu, 2007)
3.4.3
Halogenidy Nejpodstatnějším zinečnatým halogenidem je pravděpodobně florid zinečnatý.
Jedná se o bílou látku, která taje při teplotě 872 Co a u niž dochází k varu při teplotě 1500 Co. Obecně floridy skupiny IIB mají vysokou mřížkovou energii a jsou málo rozpustné ve vodě. Tento florid bývá většinou připravovány působením HF na kov. Ostatní halogenidy Zn2+ jsou povětšinou látky hydrofilní, velmi rozpustné ve vodě (rozpustnost Zn2X je 400g na 100 ml H2O). Dalším významným halogenidem zinku je chlorid zinečnatý (ZnCl2), který se využívá ve škrobárenském a papírenském průmyslu, popřípadě v jiných průmyslových odvětvích, k rozpouštění škrobu a celulosy. Jeho využití je široké od metalurgie (tavidla) až po zubní výplně.(Greenwood a kol., 1993)
3.4.4 Uhličitan zinečnatý
Další sloučeninou tohoto prvku je ZnCO3, který vzniká v přírodě oxidací prvotních rud zinku ve spojení s dalšími nerosty olova. Uhličitan zinečnatý utváří průhledný minerál, který se nazývá Smithsonit. Druhou modifikací ZnCo3 je pak minerál Kalamín. Dále se
13
uhličitany zinku využívají jako pesticidy. (Korbel a Novák, 2007, Greenwood a kol. 1993, World Health Organisation, 2002).
3.4.5
Boritan zinečnatý
Pravděpodobně největší využití v posledních letech má tato sloučenina jako aditivum ve výrobcích z epoxidových pryskyřic. Tyto pryskyřice jsou většinou vysoce hořlavé a proto zde působí boritan zinečnatý jako retardér hoření. Toto je velmi důležité pro bezpečnost osob manipulujících s těmito pryskyřicemi, stejně jako pro minimalizaci případných majetkových újem v případě vzplanutí. V současné době je snaha o nahrazení bromovaných retardérů hoření, které byli zakázány na základě směrnice EU (RoHS), která zakazuje používání vybraných látek (olovo, rtuť, kadmium, šestimocný chrom, polybromované bifenyly a polybromované difenylethery) pro elektrická a elektronická zařízení. Jako nejvhodnější sloučeninou, pro tento účel, se jeví právě 3ZnO.2B2O3, která vyjma retardace hoření působí i na snížení uvolňování dýmu. (Vlk, 2010)
3.4.6 Metaloproteiny (zinkové prsty)
Více jak 3% lidských genů pomáhají kódovat metaloproteiny známé jako zinkové prsty, které se řadí mezi nejvšudypřítomnější faktory transkripce. Vazebné vlastnosti metaloprotoinů tohoto kovu v DNA jsou studovány již po více než dvacet let. V nedávné době bylo zjištěno, že jsou zapojeny také do vazeb RNA a bílkovin, avšak přesný vazebný mechanismus zůstává stále nejasným. (Imanishi, 2010) Velká řada procesů včetně diferenciace, vývoje a průběhů různých onemocnění se řídí pomocí genové exprese. Proces genové exprese může být regulován (upravován, modifikován) pomocí transkripčních faktorů. (Sera, 2009) Mají rozmanitou funkci jako je rozpoznávání a vazba RNA a DNA na proteiny, transkripční aktivace, regulace apoptózy, drážkování bílkovin a vazba lipidů na bílkovinu. Metaloproteiny, které obsahují zinek byly objeveny v roce 1986, jako často se opakující struktura obsahující cysteinové a histidinové ligandy v transkripčním faktoru IIIA u rodu drápatek (Xenopus). Od té doby byla celá řada organických struktur, které váží 14
zinek, popsána jako zinkové prsty. DNA a RNA vazba protrin-protein a membránové asociace jsou jedny ze základních funkcí zinkových proteinů. Mezi nejhojnější, v genomech se vyskytující, metaloproteiny obsahujících zinek patří proteiny obsahující Cys2His2 . Samostatná struktura těchto metaloproteinů byla poprvé popsána až v roce 1989. (Laity a kol., 2001) Tyto metaloproteiny interagují s celou řadou molekul bílkovin. Nejnovější
poznatky ukazují, že zinkové prsty jsou schopné zprostředkovávat interakce mezi molekulami bílkovin. (Mackay a Crossley, 1998)
3.5
Inhibitory Zn Inositol hexafosfát a pentafosfát jsou formy fytátu, které mají největší negativní vliv
na absorpci zinku organismem. Železo může mít negativní vliv na vstřebávání zinku, pokud je přidáno společně. Dalším významným inhibitorem zinku je kadmium. Většina proteinů má pozitivní vliv na vstřebávání zinku. Jedinou výjimku tvoří kasein, který obsahuje určité struktury, jež mohou inhibovat zinek. Aminokyseliny, jako je histidin a methionin a ostatní nízkomolekulární látky, jako je EDTA (ethylendiamintetraoctová kyselina) a organické kyseliny mají pozitivní vliv na využití zinku organismem. Znalosti o
faktorem, které negativně ovlivňují metabolismus zinku a jeho využití, jsou základními předpoklady pro správné sestavení dietární dávky pro skupiny, které jsou postižené zinkovou deficiencí. Ve většině zemí není největším problémemem nedostatek Zn ve stravě, ale řada inhibitorů, které snižují jeho využitelnost ve stravě. Množství zinku samo o sobě může ovlivnit příjem zinku z potravin. Se zvýšeným množstvím zinku v potravě se frakční absorpce celkově snižuje. (Lönnerdal, 2000)
3.6
Zinek v potravinách Zinek se nachází, vyjma jistých výjimek, prakticky ve všech běžně dostupných
potravinách. Nedostatek zinku tudíž v rozvinutých zemích téměř nehrozí. Toto, však neplatí pro země třetího světa, ve kterých je deficience zinku poměrně častým jevem. Zinek ve stravě je nezastupitelnou složkou z hlediska udržování správné funkce organismu.
15
Dále je součástí mnoha enzymů, zodpovědných za syntézu a degradaci mnoha látek, jako jsou uhlovodíky, bílkoviny, tuky a nukleové kyseliny. Zinek má vliv na stabilitu a správnou činnost buněčných membrán a buněčných organel, čímž zajištuje správnou činnost celé orgánové soustavy. Tento prvek je esenciální pro všechny známé živočišné formy. (Food and Agriculture Organisation of United States, 2001) Největší koncentraci zinku v potravinách vykazují libové maso, luštěniny a celozrnné výrobky. Jeho obsah v těchto potravinách se pohybuje okolo 25-50 mg/kg surové hrubé hmotnosti. Naproti tomu maso tučné, loupaná rýže, obilné produkty zbavené obalů mají poměrně nízkou koncentraci tohoto prvku tj. 10-25 mg/kg hrubé hmotnosti. Hlízy, kořeny, zelenina a ovoce jsou potraviny s velmi nízkým obsahem tohoto prvku. Absolutně nejnižší obsah Zn je v alkoholických nápojích, separovaných tucích a olejích. Využití zinku z potravin závisí na celkové složení stravy. Vědecké studie identifikovaly nespočet stimulátorů a inhibitorů vstřebávání tohoto kovu. Bylo dokázáno, že nízkomolekulární organické látky jako jsou amino a hydroxykyseliny podporují v organismu jeho vstřebávání. Oproti tomu organické a anorganické sloučeniny, které vytváří se zinkem stabilní komplexy působí jako antagonisté jeho vstřebávání. Kromě toho mohou některé jiné ionty s podobnými fyzikálněchemickými vlastnostmi, jako má zinek, ovlivnit jeho vstřebávání. Riziko pro konkurenční interakce hrozí především u potravinových doplňku a fortifikace potravin s více na sebe fyzikálněchemicky působícími prvky. Prvním faktorem, který negativně ovlivňuje vstřebávání zinku je dle odborných studií inositol hexafosfát (fytát), druhotně působí také obsah dietární proteinu. Fytát můžeme najít především v celozrných potravinách a luštěninách, dále pak se nachází, v menší míře než u dvou předešlích, v ostatních rostliných produktech určených k lidské výživě. Antagonisty fytátu, které negativně působí na vstřebávání zinku z potravin, jsou bílkoviny, jež naopak zlepšují využití tohoto minerálu z potravy. Proto je u některých rostlin i přes obsah fytátu možno sledovat prakticky stejnou využitelnost jako u potravin živočišného původu. Dalším potencionálním antagonistou fytátu je vysoký vápník, avšak pouze ve zvýšené dietární dávce. Obsah fytátu může být snížen pomocí enzymu fytásy. Fytása hydrolizuje fytát a odštěpuje z něj fosfor což vede k lepší využitelnosti zinku ze stravy. Aktivita enzymu fytázy přítomného v kukuřici či čiroku je poměrně nižší než je tomu například u ovse nebo pšenice. Lze tedy říci, že aktivita tohoto enzymu je nižší u rostlin pocházejích ze z tropického a subtropického pásma než u rostlin z oblastí mírného 16
pásma. Klíčení může značně snížit obsah fytátu což je způsobeno zvýšením activity fytázy. Pokud máčíme kukuřici či čirok po dobu 12 až 24 lze tímto způsobem značně snížit celkový obsah této látky v zrnech. (Food and Agriculture Organisation of United Nation, 2001) Zvýšený příjem pekařských výrobků, drůbeže a ryb může vést k nedostatku v těle stejně jako vegetariánská či veganská diety. V rozvinutých konzumních společnostech je právě selekce některých druhů jídel hlavní příčinou zinkové deficience. Dalšími látkymi, které vážou na sebe zinek a tím způsobují nemožnost jeho využití organismem jsou vláknina, lignin a některé produkty Maillardových reakcí a příjem suplementů obsahující kyselinu listovou. Využitelnost z tradiční západní omnivorní diety je 20-30% z celkového obsahu zinku v potravinách.(Maret a Sandstead, 2006)
3.6.1 Potravinové zdroje zinku a příjem Libové červené maso, mimo jiné i z hlediské energetické hladiny, je výborným zdrojem zinku. Zinek v této potravině je ve velmi dobře dostupné formě. Mnoho, pro některé oblasti lépe dostupných obvyklých, potravin jsou podobně dobré zdroje tohoto esenciálního kovu. Zelená listová zelenina a ovoce jsou jen skromné zdroje zinku (stejně jako energie) vzhledem k jejich vysokému obsahu vody. Běžný denní příjem ve stravě moderních zemí s vysokým obsahem tuků, rafinovaného cukru a bílkovin, je zhruba 1012mg. (World Health Organisation, 1996) Tab. 1 Obsah zinku ve vybraných druzích potravin Potravina
Průměrné množství obsaženého zinku v mg/kg
Hovězí maso
31,7
Skopové maso
31
Vepřové maso
19
Kuřecí maso
8,5
Krůtí maso
20
Slepičí vejce
8-20
Mořské ryby
8-14
Sladkovodní ryby
4,8-12
17
Ústřice
65-1600
Máslo
2,3
Mléko
3,8
Sýr
11-106
Jablka
1,2
Banány
2,2
Ostatní exotické ovoce
0,8 (mandarinky) - 9 (guava)
Zelenina
2,2 (zelí) – 550 (fazole mungo)
Mouka
7,7 (žitná mouka) – 34 (celozrnná pšeničná mouka)
Těstoviny
10-22
Pšeničný chléb
2-8
(World Health Organisation, 2007) Největší obsah zinku, ze všech známých zdrojů potravin, se vyskytuje v ústřicích. Avšak, vzhledem k tomu, že tato potravina je v podmínkách České republiky málo konzumovaná, lze ji brát v celkovém důsledku jako zanedbatelný zdroj dietárniho zinku. Zvýšený obsah v těchto mořských plodech je způsoben jejich náchylností k příjmu těžkých kovů z vodního prostředí. V závislosti na prostředí se obsah v ústřicích může měnit, nejvyšší hladiny tohoto prvku jsou u měkkýšů získaných z kontaminovaných vod. Ústřice s vysokým obsahem těžkých kovů, včetně zinku, mohou po konzumaci vyvolávat trávicí potíže. (Thrower a Euatace, 1973) Zastoupení zinku v slepičích vejcích je též na dobré úrovni, vzhledem k ostatním potravinám. V procesu utváření vajec má zinek nezastupitelnou roli. Dle studie provedené na univerzitě ve Wisconzinu je možné zvýšít pomocí fortifikace obsah tohoto prvku. V této studii bylo zjištěno, že vejce od nosnic, jež byly krmeny zvýšeným množstvím zinku v krmné dávce, měli o 57-90% vyšší obsah zinku. Jedná se tedy o další možnost biofortifikace, která může být využita v oblastech, ve kterých je nižší příjem tohoto mikronutrientu. (Stahl a kol., 1988) Ve vegetariánské dietě mohou být dobrým zdrojem zinku ořechy, ořechy a sýr. Tyto potraviny však obsahují vysoké procento nasycených mastných kyselin, což může vést k problémům a z toho důvodu se nedoporučuje jejich přílišná konzumace ve větším 18
množství. Velmi dobrým, avšak opomíjeným, zdrojem zinku je zvěřina, která rovněž obsahuje velké množství dalších významných nutrientů a zároveň obsahuje nízké procento tuků. Zajímavým zdrojem zinku je bizoní maso, které má podobně jako zvěřina nízký obsah tuků a z hlediska obsahu zinku je srovnatelné s masem jehněčím nebo vepřovým. U kuřecího masa, tmavé stehenní maso obsahuje zhruba dvojnásobek zinku než maso prsní. Je tudíž nutno vzít v potaz i část těla, ze které je maso získáváno. (Bettie, 2012)
3.6.2 Denní příjem zinku Ve svých doporučeních pro RDI (doporučenou denní dávku) se jednotliví autoři a organizace lišíl Například, dle doporučení Department of Health (UK), by se měla ideální dávka pro dospělého jedince pohybovat mezi 7-13 mg. Je důležité, jako konkrétně u každé podáváné látky, si uvědomit, že jednotlivé limity jsou nastaveny jinak pro muže a ženy a jinak pro děti a staré lidi. Obecně je dáno, že muži mají větší spotřebu minerálních látek než průměrné ženy. Dospělí lidé mají obvykle větší spotřebu než malé děti, naproti tomu v období puberty a předpubertálního věku potřeba zinku vzrůstá v souvislosti s vyššími nároky na růst a hormonální změny v tomto období lidského života. Hodnoty pro zinek a ostatní mikronutrienty jsou uveřejňovány v dietárních doporučeních týkajících se příjmu jednotlivých nutrientů DRIs (Dietary Reference Intakes) navržení panelem pro stravu a výživu FNB (Food and nutrition board). DRI je skupina jednotlivých doporučení týkajících se jednotlivých nutrientů ve vztahu k výživě zdravých lidí. RDA (Recommended Dietary Allowance) ukazuje takový příjem, který by měl vést k udržení zdraví zdravých (97%-98%) jedinců a neměl by dlouhodobě vést k negativnímu účinku na lidský organismus. Přiměřený příjem AI (Adequate Intake) odpovídá specifickým výživovým nárokům daného jednotlivce. UL (Tolerable Upper Intake Level) je takový příjem, který ještě prokazatelně nezpůsobuje poškození organismu, avšak je na hranici nejvyšší doporučené dávky. (National Institutes of Health , 2013)
19
Tab. 2 RDA pro zinek dle Národního institutu pro zdraví v USA Věková kategorie
Doporučená denní dávka (muž/ženy/těhotné/kojící)
0-6 měsíců
2 mg / 2 mg
7-12 měsíců
3 mg/ 3 mg
1-3 roky
3 mg / 3 mg
4-8 let
5 mg/ 5 mg
9-13 let
8 mg/ 8 mg
14-18 let
11 mg/ 9 mg/12 mg/ 13 mg
19+ let
11 mg/ 8 mg/ 11 mg/ 12 mg
(National Institutes of Health, 2013)
3.6.3 Nedostatek zinku v potravinách Výzkum v posledních letech zabývající se touto problematikou dokazuje, že snížení příjmu zinku je velmi rozšířené a má významný dopad na zdraví a kvalitu lidského života v danných oblastech. Těžký a částečný nedostatek tohoto prvku v krvi byl definován až v posledních sto letech. Velká část lidské populace má problem s nedostatkem zinku ve stravě. (Caulfield a Black, 2002) Údajně až 50% světové populace trpí nedostatkem zinku. Toto způsobeno nedostatečně pestrou stravou. Převážně v chudých rozvojových zemích trpí miliony lidí nedostatečným přijmem na zinek bohatých potravin (maso, některé mořské plody, mléčné produkty apod.) další příčinou je nesprávně zvolená skladba stravy, toto je způsobeno přítomností nadměrného množství inhibitorů zinku ve stravě a tím i snížení využitelnosti tohoto esenciálního prvku pro lidský organismus. Dalším problémem u rozvojových zemí je to, že zde není výzkum a obecné podvědomí o této problematice na takové úrovni jako u rozvinutých států. ( Caulfield a Balck, 2002) Nedostatek zinku výrazně ovlivňuje imunitní systém, což zvyšuje náchylnost k infekcím, omezuje růst u malých dětí a snižuje chuť, čich, paměť a spermatogenezi u dospělých (Prom-U-Thai a kol. ,2010)
20
3.6.4 Fortifikace Nedostatečný příjem zinku v potravě je celosvětovým problémem. Jako vhodným řešením tohoto problému se jeví fortifikace potravin uměle přidávaným zinkem. (Tripat a kol., 2010) Vhodnou strategií je přidávání stopových prvků do obvyklého jídla.
Tato fortifikace by měla být sledována. Příkladem státu s fortifikačním programem potravin je Mexiko, kde je zinek přidáván do pšeničné a kukuřičné mouky, která pak slouží k přípravě chleba a tortil, dvou nejběžnějších potravin v této zemi. V některých oblastech se jeví jako vhodná strategie přídavku tohoto mikronutrientů fortifikační program na úrovni komunit. Z hlediska celostátní kontroly a nákladnosti se nejedná o nejvíce vhodnou volbu. Některé programy jsou zaměřeny pouze na cílové skupiny, jež mohou být vůči nedostatku tohoto kovu více náchylné (ženy, děti, staří lidé a nemocné osoby). Jedním ze způsobů jak zajistit přísun zinku dětem v cílených oblastech je poskytování těchto obohacených potravin v rámci školních programů. Celkově existuje několik sloučenin určených k fortifikaci. Tyto sloučeniny jsou dle databáze USDA považovány za obecně bezpečné (GRAS), avšak stále panují neshody, která z těchto sloučenin je z hlediska použití pro fortifikaci potravin nejvhodnější. Síran zinečnatý a oxid zinečnatý jsou nejméně nákladné a nejvíce používané látky užívané sloužící k tomuto účelu v potravinářství. Některé teoretické studie naznačují, že zinek by měl být nejlépe vstřebáván z látek dobře rozpustných ve vodě, jako jsou sulfáty, avšak jiné ukazují, že zinek je stejně dobře vstřebatelný z mlýnských výrobků s přídavkem právě oxidu zinečnatého a síranu zinečnatého. Z doposud zjištěných studií vyplývá, že fortifikace zinkem v doporučených dávkách nemá vliv na senzorické vlastnosti potravin. (International Zinc Nutrition Consultative Group, 2007) Nejvíce programů na fortifikaci potravin je pravděpodobně
v rozvojových zemích. Kromě obvykle dostupných potravin se mohou fortifikovat i nápoje či koření. Velmi časté je obohacovat zinkem dětskou výživu, snídaňové cereálie a mléčné nápoje pro kojící a těhotné matky. Dalšími látkami, kterými lze fortifikovat potraviny jsou stearate zinečnatý a glukonát zinečnatý, které jsou také na seznamu GRAS. (International Zinc Nutrition Consultative Group, 2007) Vzhledem k celosvětové spotřebě rýže je velmi
zajímavá studie o fortifikaci vařené rýže. Udává se, že 95,4% obyvatel Jižní Asie trpí nedostatkem zinku. Vzhledem k množství zkonzumované rýže je zde obohacování rýže primárním řešením tohoto nedostatku. Fortifikace byla prováděna dávkou 50-400mg/kg, 21
přičemž obsah Zn v rýži se zvýšil 1,3-4,5 krát. Při předvaření došlo k rychlému průniku Zn do rýže. Byl také zjištěn exponenciální rozdíl mezi rýží leštěnou a neleštěnou a dobou namáčení. Fortifikaci lze provádět jak u sklizené plodiny resp. u potraviny, tak i v prvovýrobě pomocí přídavkům do hnojiv a krmiv. (Prom-U-Thai a kol., 2010) Množství přidaného zinku je poměrně složité určit. Je důležité si uvědomit, že množství musí být takové, aby srovnalo hladinu Zn u osob trpících jeho nedostatkem, avšak i takové, aby neuškodilo obyvatelstvu, u kterého je jeho úroveň na normální hladině. Dle závěrů komise odborníků se uvažuje, že dávka fortifikantu by se měla pohybovat mezi 30-70 mg/kg mouky dle míry spotřeby v dané oblasti. Vyšší dávky mohou být vhodné u potravin zaměřené na mladé děti. Senzorické zkoušky dané potraviny mohou být nezbytné. Je možné, že použití nevhodného fortifikantu či nevhodného množství může negativně ovlivnit chuť, vůni, barvu či vařivost daného produktu, což ve výsledku vede k nepřijetí této potraviny spotřebitelem. Existuje mnoho možných možností doplnění Zn, jako je zvýšení rozmanitosti stravy, minerální suplementace či posklizňová fortifikace. Problém umělého dodávání zinku do potravin je hlavně v rozvojových oblastech jeho finanční nákladnost a tím i nedostupnost. Řešením může být genetická úprava plodin, tak aby se zvýšil příjem zinku z půdy a jeho akumulace v jejích jedlích částech. Toto řešení je vhodné, protože kromě počáteční investice na výzkum nevyžaduje dále již žádné další náklady. Vědci objevili, že koncentrace zinku v původních odrůdách obilí je poměrně vyšší než je tomu u elitních prošlechtěných odrůd. Tyto odrůdy mohou být použity pro biofortifikaci, ke zvýšení obsahu Zn a Fe za pomocí transkripčního faktoru NAM-B1. Podobně biofortifikace byla provedena u pšenice za účelem zvýšení obsahu bílkovin. (Borrill a kol., 2013) Fortifikace se používá do potravin, jenž jsou konzumovány velkou částí populace danné locality, jako jsou mouky, rostliné oleje, mléčné produkty a koření. Cílená fortifikace je dle WHO (Word Health Organization, 2008) definována jako přidávání danného nutrietu nad normální míru do potravin pro specickou populační podskupinu. Příkladem cílené fortifikace jsou komplementární potraviny pro malé děti, institucionální programy pro školní děti a děti v předškolním věku a potraviny používané pro mimořádné situace. (Hess a kol., 2009)
22
3.7 Vliv na zdraví Zinek je esenciální prvek pro všechny formy života, protože hraje důležitou roli v procesu genové exprese, v procesu buněčného dělení, replikace a vývoje buněk. Největší vliv nedostatku zinku se projevuje sníženou funkcí gonád, snížením růstu, poruchou imunitního systému, poruchou kognitivních funkcí, nejrůznějšími onemocněními kůže a anorexií. (Caulfield a Black, 2002) Tento prvek má také důležitý vliv na správnou činnost mozku. Zinek pomáhá při přenosu nervových vzruchů a také má vliv na vyplavování glutamátu, což způsobuje aktivaci receptoru N-methyl-d-aspartátu. Z tohoto důvodu, mohou být některé patologické procesy mozku ovlivněny právě nedostatkem zinku. V současné době není spojitost mezi nedostatkem zinku a ischemickou nerovnováhou v mozku plně prozkoumána. (Omata a kol., 2012)
3.7.1 Role zinku v imunitním systému Mnoho studií potvrdilo, že nedostatek zinku snižuje odolnost organismu vůči mikrobiálním patogenům. Má významný vliv na specifickou a nespecifickou odezvu imunitního systému. Je prokázáno, že nedostatek zinku způsobuje u vyšších obratlovců snížený příjem potravy. Toto může vést až k onemocnění zvanému anorexie. Testy na zvířatech prokázaly, že snížení dávky na polovinu doporučené denní dávky vede k sníženému příjmu potravy a s tím spojené ztráty hmotnosti. Tento děj se dá zvrátit opětovným zvýšením příjmu zinku v doporučeném denním množství. Mechanismus anorexie v důsledku zinečného nedostatku není plně prozkoumán, avšak předpokládá se, že zde existuje alterace v transportu aminokyselin skrz hematoecefalické bariéry (Prom-U-Thai a kol., 2010)
3.7.2 Metabolismus Zinek je přítomen ve všech kapalinách a tkáních těla. Celkový obsah v těle člověka je okolo 2g. Průměrná koncentrace ve svalové hmotě je průměrně 30 µg/g. Kosterní svalstvo představuje zhruba 60% hmotnosti těla a obsahuje zinek v koncentraci 100-200µg/g. Vysoká koncentrace tohoto prvku se nachází v cévnatce oka (zhruba 274 µg/g) a v prostatických tekutinách (300-500µg/ml). V těle neexistuje žádné úložiště zinku, v pravém slova smyslu, většina zinku se ukládá v kostech, kůži a kožních derivátech odkud 23
může být znovu zinek resorbován a následně opětovně využit. Zinek se vylučuje z organismu převážně močí, exkrementy a prostřednictvím potu. Endogenní ztráty mohou být 0,5-3 mg/den v závislosti na příjmu. U zdravých subjektů se vyloučí močí průměrně 0,7 mg/den. Hladovění a zvýšená aktivita může zvýšit množství vyloučeného zinku ve výkalech a moči. Ztráta v potu a odumřelých epidermálních buňkách se odhaduje na 0,5 mg/den u dospělých mužů i toto je však ovlivněno příjmem zinku. Namáhavá činnost a zvýšená teplota prostředí může vést ke zvýšení vylučování zinku. Obsah zinku v ejakulátu může dosahovat hodnoty až 1mg/ml. Ztráta zinku během menstruace je nizká (0,01mg/den). Ostatní ztráty jako přirozená obměna a vypadávání vlasů jsou zanedbatelné. (World Health Organisation, 1996) Co se týče transportu zinku v metabolismu, tak aktivní transport převažuje v období nedostatku tohoto prvku, zatímco při zvýšeném příjmu většinovou roli hraje transport pasivní (difuze). V posledních letech značně pokročilo chápání buněčného transportu. Toto bylo spojeno s objevem dvou tzv. zinkových transportních proteinů (ZIP proteinů a ZNT proteinů). Tyto proteiny zajišťují transport z extracelulárních prostor a intracelulárních organel do cytoplasmy. Celkově je zakódováno v lidském genomu celkem 14 známých proteinů ze skupiny ZIP, avšak jen málo z nich bylo charakterizováno z hlediska fyziologického významu. Například ZIP-1 se nachází všudypřítomně v lidských tkáních. (World Health Organisation, 2007)
3.7.3 Fyziologické požadavky Požadavky jsou určeny jednak fyziologickými procesy, kterými se řídí potřeba zinku pro jednotlivé tkáně a rychlost vylučování z těla a částečně, celkovým obsahem ve stravě, který ovlivňuje uvolňování potenciálně absorbovatelné formy prvku v průběhu trávení. Fyziologický požadavek dospělých na zinek byl odhadnut pomocí faktoriální techniky, tj. sečtení požadavků na růst tkáně, údržbu, metabolismus a endogenní ztráty. Kromě mladých rychle rostoucích subjektů a nebo těch u nichž se vyskytly ztráty v důsledku stresu či jiných problemů se koncentrace zinku udržuje na stálé hladině i při omezení jeho příjmu. Tohoto jevu je dosaženo pomocí snížení množství jeho vylučování organismem. Z bilančních studií na dospělých jedincích vyplývá, že pokud byl příjem snížen na 0,2-0,3mg/den byly ztráty v první stolici a moči 0,9 mg / den u žen a 1,4 mg/den u mužů. Po 4 týdnech sníženého příjmu Zn, průměrné exkrety klesly až na 0,3 mg/den u žen a 1,4 mg / den u mužů. (World Health Organisation, 1996)
24
3.7.4 Vstřebávání zinku Vstřebávání zinku je závislá na koncentraci a probíhá v tenkém střevu. Místo kde dochází k největšímu vstřebávání, je lačník, naproti tomu vstřebávání v tlustém střevě je pro celkový metabolismus prakticky bezvýznamné. Absorpce v tenkém střevě se snižuje v případě, že obsah spotřebovaného zinku v jednom jídle přesáhne 4-5mg. Při podávání vodných roztoků zinku subjektům se nasycenost absorpce zinku dostavila až při dávkách 10-15mg. Absorpce zinku z pevné stravy je mnohem méně účinná a v závislosti na obsahu zinku, v jídlech jinak stejného složení, se může výrazně měnit. Z výzkumů bylo zjištěno, že na absorpci zinku mají největší vliv tři základní faktory tj. celkový obsah zinku, obsah hexainositol fosfátu (fytátu) a zdroje a obsah bílkovin ve stravě. Inhibiční vliv fytátu na využitelnost zinku byl poprvé popsán v šedesátých letech minulého století. Fytát se vyskytuje v otrubách v množství 25-30 g / kg sušiny, v celozrných obilovinách (8-10 g / kg sušiny), v luštěninách ( 10 až 25 g / kg sušiny) a v menším množství i v jiné zelenině. Při hodnotách pH vyskytujících se v potravinách má fytát záporný náboj a má tedy velký potenciál pro vázání kationtů jako je například zinek. V průběhu přípravy potravin tradičními postupy, jako je například kyselé kvašení chlebového těsta nebo máčení zrna, se za pomocí enzymu fytázy rokládá (hydrolyzuje) fytát v zrnech na penta-, tetra- nebo nizší foforylovaný analog kyseliny fytové. Trifosforylovaný analog kyseliny fosforečné má nižší vazebnou afinitu na zinek a pravděpodobně nebrání využití zinku. Negativní účinek fytátu na absorpci zinku byl také prokázán u lidských subjektů. Jeho přítomnost v v celozrnném chlebu a kojenecké výživě na bázi soji je pravděpodobně důvodem pro nižší frakční vstřebávání zinku z těchto potravin. Ve složené výživě je vliv fytátu na absorpci zinku založen na celkovém složení stravy, (World Health Organisation, 1996) Jakmile skončí absorpce, je zinek pomocí krve přenášen a vázán na nosné proteiny, jako je například albumin (66%) a alfa-makroglobulin (32%). Dalšími vazbami se váže na volné aminokyseliny histidin a cystin. Tento zinek představuje velice mobilní a dostupnou formu tohoto prvku v organismu. Pakliže se v této formě dotane do buněk, je zde vázán na jednotlivé metaloproteiny, kde plní řadu funkcí. (Zadák, 2008)
25
3.7.5 Suplementace zinkem Suplementace je určitým řešením nedostatku tohoto kovu za pomocí podávání zinkových preparátů jako jsou tablety či roztoky. Preferovanou látkou využívanou k suplementaci je oxid zinečnatý, jelikož se jedná o sloučeninu, která je jednoduše rozložitelná trávicími pochody a tím i lehce stravitelná. Určitý problém může nastat, pokud je zinek využíván v preparátech, které kombinují více druhů mikronutrientů (zinek, železo a jiné). V tomto případě může docházet k omezení vstřebatelnosti zinku organismem. Toto je komplikované z více hledisek a to, že oxid zinečnatý snadno tvoří aglomeráty, je extrémně lehký a rychle vyvločkovávává. Tyto vlastnosti vedou k tomu, že je obtížné ve směsi zachovat zinek v nezměněné podobě. Toto vede k nutnosti použití dlouhých dob přípravy a dále využití speciálních strojů. (Webb, 1961) Nutnost suplementace vzniká z důvodu nedostatečného příjmu zinku prostřednictvím tradiční stravy. Toto vede například k zvýšení počtu onemocnění především u dětí mladších 5ti let. První projevy tohoto nedostatku byly nanismus, anemie a hypogonádismus. Suplementace zinkem má významný vliv na zmírnění projevů těchto onemocnění. (Penny, 2013) Dle třetího národního zdravotnického a nutričního výzkumu v USA bylo zjištěno, že 40% tamního obyvatelstva používá potravinové doplňky. Prostřednictvím těchto doplňků lze zvýšit obsah Zn v krvi. Údajně 35-41% mužů a 36-45% žen mladších 60ti let trpí neadekvátním množstvím zinku přestože používají potravinové doplňky. (Maret a kol., 2006) Studie naznačují, že obsah zinku v těle se nemění po dlouhou dobu jeho nedostatku
ve výživové dávce. Plasmatická koncentrace zinku je prvním příznakem jeho nedostatku, protože klesá dříve, než se dostaví první symptomy spojené s jeho nedostatkem. Vzorové modely metabolismu zinku u lidí byly vytvořeny pomocí radioaktivních nebo stabilních izotopů zinku (stopovací izotopy). Tyto izotopy byly podávány perorálně a intravenózně, díky čemuž bylo mořno sestavit modely metabolismu zinku v těle. (King a kol., 2001)
26
3.7.5.1 Preparáty zinku Světová zdravotnická organizace doporučuje použití minerálních preparátů zinku pouze ve spojitosti se závažnou podvýživou či léčbou průjmů. Dle výzkumů Rogera Shrimptona z Londýnského mezinárodního centra pro zdráví dětí (Shrimpton, 2005) má podávání Zn preparátů významné preventivní účinky a léčebné účinky u dětí a matek. Toto má největší význam především v rozvojových zemích. Profesor Bhutta, který je zároveň světově významným pediatrem ve svém výzkumu uvádí, že u pacientů s akutním průjmem, se po podávání Zn-preparátů snížila pravděpodobnost výskytu průjmů o 15% a u subjektů s chronickým průjmovým onemocněním dokonce o 25%. Celkově bylo zjištěno, že při suplementaci klesá riziko úmrtí o 42%. Z tohoto výzkumu vyplývá, jak významné jsou Zn preparáty podstatné při léčbě podvýživy. (US National Library of Medicine National Institutes of Health, 2005) Zinečné preparáty se mohou podávat pomocí tablet či roztoků. K tomuto účelu se využívají především sloučeniny, jako jsou síran zinečnatý, glukonát zinečnatý a acetát zinečnatý, které mají tu výhodu, že jsou všechny ve vodě rozpustné. Nevýhodou tohoto podávání může být nižší ekonomická dostupnost právě v rozvojových zemích, které jsou nejvíce postižené zinečnou deficiencí. Nejvíce používanou solí je proto síran zinečnatý, jelikož se jedná o nejlevnější, tudíž i nejvíce dostupnou, sloučeninu z výše uvedených. Dle WHO není mezi těmito sloučeninami, co se týče účinku na trávicí potíže, významnější rozdíl. Síran zinečnatá se používá v tabletách ve formě monohydrátu (ZnH2SO4·H2O). Tablety běžně obsahují 10-20mg zinku a slouží k perorálnímu podávání nebo v roztocích 10mg/5ml. Doporučené dávkování pro starší děti u orálních roztoků síranu zinečnatého jsou dvě čajové lžičky denně. Nevýhodou těchto tablet z hlediska distribuce je citlivost na vlhkost, proto se tablety balí do standardních průhledných (blistrových) obalů. U roztoků je mnohem obtížnější skladování a je doporučeno, aby byla během jejich skladování udržována pokojová teplota, což mnoho oblastí v rozvojových zemích nemůže splňovat (vysoké tropické teploty) a proto je vhodné v těchto oblastech využívat tablety. (World Health Organisation, 2007)
27
3.7.6 Vliv na růst tkání Fyziologické účinky na tkáň se zjišťují na základě rychlosti růstu a obsahu zinku v nově narostlé tkáni. Odhadovaný obsah v nové tkáni u kojenců je 175 µg/kg/den v prvním měsíci v 9-12 měsíci klesl na 30µg/kg/den. Během puberty rostou naroky na příjem zinku, jelikož dochází ke zvýšení fyzické aktivity. Množství potřebného zinku, během tohoto období, je 0,5mg/den. (World Health Organisation, 1996)
3.7.7 Zinek v kostech Zinek hraje důležitou roli v metabolismu kostí. Ze studií tohoto prvku bylo prokázáno, že převážná část tohoto prvku v těle je uložena v kostech, kde jej lze pokládat za základní část kalcifikované matrice. Vyšší koncentrace tohoto prvku v kostech byla zjištěna v okolí tzv. haversových kanálů, kde tvoří podstatnou část kostního cementu. V ostatních částech kosti je obsah tohoto kovu více méně konstantní. V kostech se nachází celá řada nejrůznějších makromolekulárních sloučenin zinku. V současné době nebyla nalezena žádná korelace mezi obsahem vápníku a zinku v kostech. (Pemmer a kol., 2013)
3.7.8 Toxicita zinku Zinek není zapojen do redoxního potenciálu buněk, proto byl po dlouho považovan za relativně netoxický. Studie ukazují, že volné zinečnaté ionty působí negativně na některé druhy buněk, jako jsou například glie a neurony. Jeho koncentrace v mozku se ohaduje na 600-800ng/L. Ve skutečnosti může být toxicita zinku mnohem větší, než je obecně proklamováno. Fyziologicky optimální koncentrace Zn2+ je 10ng/L. B (Nriagu, 2007)
V historii bylo hlášeno několik případů otravy zinkem. Tuto otravu provázelo zvracení, průjem a letargie. Otravu většinou způsobila dávka 4-8g. Dlouhodobé vystavení dávkám překračujícím doporučenou denní dávku vede k interferenci s metabolismem jiných stopových prvků. Interference mezi zinkem a mědí může vést k nedostatečnému využití mědi. Toho se využívalo při léčbě Wilsonovi nemoci, kterou způsobuje přebytek Cu iontů. (World Health Organisation, 1996) 28
Byly hlášeny případy, kdy došlo k otravě při vdechnutí dýmu z oxidu zinečnaté, který se užíval při požárních a vojenských cvičeních. Dále byly hlášeny četné případy náhodných i úmyslných požití solí zinku. Mortalita u těchto případů byla poměrně nízka, často byly zaznamenány průjmy, zvracení, ikterus, krev v moči, porucha funkce jater a ledvin a anemie. V současné době existují pesticidy obsahující zinečnaté soli (oxidy, sírany, chloridy a fosfidy). Tyto soli se používají jako herbicidy pro regulaci růstu mechů. (Nriagu, 2007) Zadák ve své publikaci uvádí, že k předávkování zinkem může dojít pří 10ti až 30ti násobném překročení doporučené denní dávky. Předávkování může následně vést až k hypokupremii, neutropenii, snížení HDL cholesterolu v krvi a mikrocytóze. Ve své prácí dále píše o skutečnosti, že tento stav se objevuje u lidí, kteří nedodržují doporučené dávkování suplementů. Z výzkumů dle něj vyplývá, že podávání látky větší jak 300 mg (maximální dávka pro zdravého dospělého je 15 mg) vede k negativním změnám imunitního systému. (Zadák, 2008)
3.7.8.1 Akutní toxicita Akutní účinky zinku jsou obvykle způsobeny krátkodobým vystavení vysoké dávky a je závislý na druhu kontaktu. Chronické účinky jsou spojeny s vystavením organismu po delší dobu nízkým dávkám látky. Nejčastější účinky spojené s nadměrným příjmem zinku jsou sideroblastická anemie, hypochromní anemie, hypochromní mikrocytarní anemie, leukopenie, lymfadenopatie, neutropenie a snížený obsah železa v krvi. Prvním dobře prostudovaným toxickým účinkem na lidský organismus byla tzv. nemoc slévačů. Toto onemocnění se projevovalo horečkou, zimnicí, gastroenteritidou, substernální bolestí na hrudi a kašlem. Bylo způsobeno nadměrnou inhalací výparů oxidu zinečnatého při slévání. Při tomto onemocnění dochází ke sníženíí plicních funkcí, které může být provázeno snížením objemu plic a snížením difuzních vlastností oxidu uhelnatého. Dalším příznakem je nárust leukocytů bronchiolů. Zhoršení funkce plic může být dočasné (většinou vymizí během 4-5 dnů) a jen zřídka se z ní vyvine chronické onemocnění. Při dlouhodobém styku zinkového prášku s kůží může docházet k rozkladným procesům na kůži, vředům , tvorbě puchýřů nebo trvalému zjizvení.
29
Kontaktní dermatitida byla zaznamenána po použití šamponů obsahujících pyrithion zinku. Další dráždivé účinky na kůži mohou mít take zinkové soli. Zinkové soli mají vysoce dráždiví účinek na oční tkáň, způsobují zde zarudnutí, tvorbu vředů na rohovce, popáleniny, zánět duhovky, překrvení či krvácení spojivek, bulózní keratopatii, zelený a šedý zákal. Dalšími očními problemy, které může tento prvek způsobit, jsou oddělené šedé skvrny na čočce, slzení a významné snížení zrakové ostrosti a záněty. V některých případech mohou být tyto účinky trvalé. Zředěné roztoky chloridu zinečnatého se používají jako látka v očních kapkách. V minulosti, byl 20% roztok síranu zinečnatého použit k léčbě řady očních problémů. Tato léčba způsobovala tvorbu bílé skvrny na oční čočce a z toho důvodu byla ukončena. V případě orálního podávání přirozených potravinových zdrojů je vystavení toxickým účinkům zinku téměř zanedbatelné. Také zprávy o otravě zinkem z přírodních zdrojů jsou velmi vzácné. Aby došlo k zažívacím obtížím z pitné vody, musí tato voda obsahovat koncentraci větší než 15mg/l což je u vodních zdrojů velmi vzácné. Fosfid zinečnatý, který se používá jako rodenticid, se může splavováním dostat do zdrojů vody, odkud přechází do lidského těla. V těle reaguje s vodou a žaludečními šťávami za uvolňování plynu, který vstupuje do krevního řečiště. Odtud se plyn dostává krevním řečištěm do plic, jater, srdce a dalších a ovlivňuje kardiovaskulární a centrální nervový systém. Příznaky mírné toxické otravy fosfidem zinečnatým jsou bolesti břicha a průjem. Ve vážnějších případech, zvracení, tlak na hrudi, nevolnost, zimnice, bezvědomí, kóma a smrt, která může nastat v důsledku plicních otoků a poškození jater. Zinkové soli mají na sliznici úst leptavý účinek a jejich požití může mít za následek závažná poranění úst, krku a žaludku. Počátečními příznaky požití solí zinku má za následek pálení v hltanu a ústech spojené se zvracením, doprovázené erozivní faryngitidou, ezofagitida a gastritida. Komplikace mohou zahrnovat gastrointestinální krvácení a akutní pankreatitidu. Kardiovaskulární potíže způsobené zvýšeným příjmem zinku zahrnovali nepravidelné srdeční rytmy, hepertenzy a hypovolemický šok (více jak 120 tepů za minutu). Příznaky neurální toxicity zinku mohou vést k projevům jako je ospalost, potíže s koordinací, úzkost, deprese nebo dokonce kómata. Se zvýšením dávky zinku může být spojena také zvýšená činnost jaterních enzymů. U zinku nebyly zjištěny mutagenní či karcinogenní účinky
30
na organismus. Avšak při jeho nedostatku může dojít ke změnám v molekulárních mechanismech, jenž chrání DNA proti poškození. Tudíž se zvyšuje náchylnost DNA k poškození, ovlivňuje se buněčná diferenciace, proliferace a apoptózu. Toto vedlo ke spekulacím, zda nemá koncentrace zinku vliv na vznik rakoviny. V současné době spojení mezi nedostatkem zinku a vznikem rakoviny zůstává nejasné. (Nriagu, 2007) Otravy vyvolané vysokou koncentrací zinku byly často spojené s neúmyslným podáním tohoto kovu, ve vysokých dávkách, intravenózně. Tyto případy jsou ojedinelé a byly většinou spojeny s nedbalostí. (Word Health Organisation, 2007)
3.7.9 Acrodermatitis enteropathica AE je poměrně vzácná autozomálně recesivní porucha, která vzniká z nedostatku zinku. Genetická vada byla mapována na 8q24 a defektní gen identifikován jako SLC39A4, který kóduje transportér zinku Zip4. Diagnóza se provádí pomocí klinických projevů společně s histopatologickými a laboratorními testy. Základní funkce zinku jsou katalitická, strukturální a regulační činnost. Jako regulační prvek v procesech vázaných na DNA byly zinečné metaloenzymy popsány u všech evolučních stadia (viry, bakterie, kvasinky, bezobratlí, savci a další). Histopatologické rysy acrodermatitidy enteropathici jsou prakticky nerozlišitelné od jiných druhů dermatitid. Toto zahrnuje i nedostatek niacinu (vitaminu B3) což se projevuje onemocněním známým pod jménem pelagra. Dědičná AE se vyskytuje zhruba u jednoho z 500 000 dětí. Tato nemoc není nikterak více vázaná k pohlaví či k určité rase. (Maverakis a kol. 2007)
3.8
Stanovení zinku Zinek lze stanovit v mineralizátech potravin a dalších biologických materiálů několika
analytickými metodami. Nejčastěji používanými jsou atomová absorpční spektrometrie (AAS), atomová emisní spektrometrie s buzením v argon-argonovém indukčně vázaném plazmatu (AES-ICP) a hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICPMS).
31
3.8.1 Atomová absorpční spektrofotometrie Atomová absorpční spektrofotometrie je analytická metoda, která je využíváná především pro stanovení těžkých kovů v daném vzorku. (Komínková a Mestek, 1997) Tímto způsobem lze stanovit zhruba 65 z velké části kovových prvků, které mohou být ve vzorku zastoupeny i v stopovém množství.(Milde, 2005) Pro toto stanovení využívá schopnost volných atomů stanovované prvku pohlcovat záření. Jedná se tedy o optickou metodu. (Komínková a Mestek, 1997) Tato metoda byla v roce 1953 poprvé představena Walshem. Ten využil poznatky Wollstona, který roku 1802 uveřejnil, že při zkoumání slunečního spektra byly zjištěny na některých místech tohoto spektra tmavé čáry. Metoda se v současnosti využívá v celé řadě odvětví, jelikož stanovení je poměrně rychlé a málo nákladné oproti některým jiným analytickým stanovením. (Adamec a kol., 2006) Přechod atomů na vyšší energetickou hladinu n, která je zásadní pro tuto metodu, není samovolný. Tohoto přechodu z nižší energetické hladiny m na vyšší n lze dosáhnout použitím záření o vhodném kmitočtu Vmn. Energie fotonu hvmn se má rovnat rozdílu energie mezi hladinami m a n. Z toho vyplývá následující:
∆Emn = hvmn = Kde E je energie, c se rovná rychlosti světla, h udává hodnotu Planckovy konstanty a λ značí vlnovou délku daného záření. (Komínková a Mestek, 1997) Spektrum absorbovaného záření je typické pro každý prvek. (Welz, 1996) Spektrometry využívané použité při této metodě se zkládají ze 4 základních částí. Mezi tyto části patří zdroj světla, atomizátor, monochromátor a detektor. Zdrojem primárního záření mohou být ty, které vydávají čárové záření (výbojka s dutou katodou, superlampa, bezelektrodová výbojka atd.), které se využívají ve většině případů nebo kontinuální záření (laditelné laserové diody, Xe lampy), které jsou používány většinou jen okrajově.(Milde, 2010) Při použití výbojky s dutou katodou dochází k emitaci čárového spektra prvku, ze kterého je dutá katoda vytvořena nebo se v duté katodě nachází. (Komínková a Mestek, 1997) Další částí je atomizátor, který poskytuje volné atomy a zároveň vytváří absorpční prostředí. Atomizace může být prováděna dvěma základními způsoby. Prvním z nich je plamenová atomizace, která bude podrobněji popsána dále v této práci a elektrotermická atomizace. 32
(Milde, 2010) Při atomizaci je nutné, aby teplota atomizace byla minimálně 2000 – 3000 K. (Komínková a Mestek, 1997) Mezi velmi důležité části atomového absorpčního spektrometru patří také monochromátor. (Milde, 2010) Mřížkový monochromátor se nachází ihned za atomizátorem, kde slouží k izolaci záření vhodné vlnové délky. Natočením mřížky se udává délka vln rezonanční čáry na plnou propustnost. Šířka intervalu spektra se nastavuje tak, aby společně s rezonančím zářením nedopadalo na detektor balastní záření čar podobných délek vln, což by způsobovalo nepřesnosti v měření. Poslední z hlavních částí spektrometru je detektor, který se umísťuje těsně za výstupní štěrbinu monochromátoru. Jedná se o fotonásobič s fotokatodou, jejiž citlivost se pohybuje mezi 190 – 900 nm. Absorbance jsou převedeny buď v analogové nebo digitální formě. V moderních spektrometrech se používají analogově-digitální převodníky a v digitální formě se upravují pouze nastavitelné parametry. (Komínková a Mestek, 1997)
3.8.1.1 Plamenová absorpční spektrofotometrie V případě plamenové atomizace je roztok analytu pomocí zmlžovače převeden na aerosol, který je následně zaveden do laminárně předmíchaného plamene v atomizátoru. (Milde, 2010) Plamen se získá laminárním hořením směsi acetylenu a vzduchu (oxidu dusného) za pomocí speciálního hořáku. (Komínková a Mestek, 1997) Plamen by měl být čirý v danné spektrální oblasti (195 – 850 nm). Také má mít nízkou emisi, pokud možno co největší učinnost atomizace a nízký ionizační stupeň. Plameny v závislosti na použité směsi se od sebe liší v počtu radikálů a také v teplotě hoření. Plamen obsahujícím vzduch má maximální teplotu 2200 oC, zatímco plamen obsahující oxid dusný může dosahovat teploty až 2700 oC. (Milde, 2010) Hořák používaný v plamenové absorpční spektrofotometrii má ústí ve tvaru úzké dlouhé štěrbiny, která je dlouhá 10 cm pokud se použije směs acetylen-vzduch a 5 cm pokud se uživá kombinace acetylen ve směsi s oxidem dusným. Tím jak je štěrbina dlouhá je dána i maximální tloušťka vrstvy, kde dochází k pohlcování části světelného spektra z výbojky. (Komínková a Mestek, 1997) Do atomizátoru je zaváděn vzorek pomocí zmlžovače, což je zařízení vytvářejíci z roztoku aerosol (drobné kapičky roztoku). Zmlžovače existují pneumatické, ultrazvukové a vysokotlaké hydraulické zmlžovače. Nejnižší účinost ze jmenovaných mají zmlžovače pneumatické, dále ultrazvukové a nejvyšší vysokotlaké hydraulické. (Milde, 2010) 33
3.8.2 Optická emisní spektroskopie s indukčně vázaným plazmatem Tato metoda, známá také pod zkratkou ICP-OES slouží ke stanovení stopových množství danné látky ve vzorku.(Hou a Jones, 2000) Komerčně začla být používána od roku 1974. (Olesik, 1991) Její princip je založen na spontánní emisi fotonů z atomů prvku, které byly vybuzeny na vyšší energetickou hladinu, za pomocí střídavého vysokofrekvenčního magnetického pole. Tekuté a plynné vzorky mohou být použity ihned ke stanovení ve spektrometru. Naproti tomu pevné vzorky musí být převedeny do analyzovatelné formy pomocí například extrakce či rozpuštěním v kyselině. Po převedení do této formy jsou vzorky vstříknuty do středu plasmatu. (Hou a Jones, 2000) Indukčně vázané plasma je tvořeno částečně ionizovaným plynem (nejčastěji argon, který je v plasmatu ionizován z méně než 1%) (Olesik, 1991) Toto indukčně vázané plasma může dosahovat teploty okolo 10 000 K, díky čemu je aerosol velmi rychle vypařen. V plynném stavu je danný analyt za pomocí vysoké teploty rozložen na jednotlivé atomy (atomizace). (Hou a Jones, 2000) Vyšší energetická hladina atomů je nestabilní a dochází k návratu na původní energetickou hladinu. Při tomto procesu dochází k uvolnění záření, které je soustředěno do monochromátoru. (Olesik, 1991) Toto záření ve formě fotonů je charakteristickým znakem pro každý jednotlivý prvek. Na základě celkového množství emitovaných fotonů lze zjistit jaké množství stanovovaného prvku se vyskytuje v danném vzorku. V monochromátoru je záření rozděleno dle vlnové délky a fotony tohoto světla dopadají na citlivý detektor. (Hou a Jones, 2000)
3.8.3 Hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICP-MS) ICP-MS je metodou sloužící k analyze vzorku, která je určitou kombinací indukčně vázaného plasmatu, jenž slouží jako zdroj částic s kladným nábojem a hmotnostní spektrometrií, která je schopna tyto částice detekovat. Nejdůležitější součástí zařízení je zdroj plasmatu přičemž přechodnou část vytváří expanzní komora. Samotný spektrometr je tvořen iontovou optikou, detektorem a kvadrupólem. Ve všech těchto částech je s použitím vysoce výkoných čerpadel vytvořeno vakuum. Vakuum je vytvořeno
34
z toho důvodu, aby ionty z plazmy se mohly pohybovat do analyzátoru a proto, aby částice vzduchu nerušili stanovení. V prostoru kvadrupólu a detektoru má až 10-5 Pa. Generátor radiových frekvencí (RF), indukční cívka, hořák plazmy, zmžovač a mlžná komora jsou základními částmi plazmového zdroje. Plazma je vyvino v hořáku díky RF generátoru (frekvence 27 – 40 MHz) a indukční cívce v proudu argonu. Zapomocí argonu, který je inertním plynem a zamlžovače se vytváří v mlžné komoře z kapaliny aerosol, který poté putuje do hořáku. Tyto hořáky jsou identické s těmi, které jsou využívány v optické emisní spektrometrii s indukčně vázaným plazmatem. (Mihaljevič a kol., 2004)
35
4
Závěr Zinek v současné době hraje významnou úlohu z hlediska výživy populace
v celosvětovém měřítku. Nejvíce je toto patrné především v rozvojových zemích „třetího světa“, ve kterých je deficience zinku nejvíce patrná. Proti tomuto trendu se snaží bojovat světové humanitární organizace a různé asociace. Mezi tyto organizace patří WHO (Světová zdravotnická organizace), asociace zinku a další významné mezinárodní organizaci. Co se týče fyzikálně-chemických vlastností, je zinek jedinečným přechodným prvkem, který má na rozdíl od ostatních prvků dvanácté skupiny v určité míře pozitivní vliv na organismus člověka. Jeho teploty tání jsou nepoměrně nižší, než je tomu například u železa či zlata, avšak vyšší než u olova. (Mikulčák a kol., 1990) I přesto by se dal zařadit mezi prvky s nízkou teplotou tání, pročež byl využíván o starověku v metalurgii. Je poměrně zajímavé, že zinek, jako kov, byl v Evropě uznán až po Agricolově pozorování na začátku novověku. (International zinc assotiation, 2008) Zajímavou vlastností zinku je jeho poměrně vysoká reaktivita a jeho schopnost tvořit soli. Díky svým chalkofilním vlastnostem se nachází prakticky ve všech typech hornin po celé planetě. Tohoto faktu využívají lidé k jeho těžbě z těchto nerostů. (Thrower a Euatace, 1973). V důsledku jeho vysoké reaktivity vzniká řada nejrůznější anorganických i organických sloučenin. Anorganické sloučeniny jsou významné především z průmyslového hlediska, avšak mohou mít mnohdy nepříznivý vliv na lidský organismu. (Greenwood a kol., 1993) Patrně nejvýznamnějšími organickými sloučeninami jsou metaloproteiny), které jsou důležitým faktorem transkripce. (Sera, 2009) Mnoho mechanismů, týkajících se právě metaloproteinů nebylo plně prozkoumáno a proto se v posledních letech věnuje právě těmto bílkovinám velká pozornost ve výzkumech po celém světě. Nejvýznamnější sloučeninou inhibující metabolismus absorpce zinku v těle je s největší pravděpodobností inositol hexa a pentafosfát (fytát). Další látkou, která inhibuje jeho vstřebávání, je kadmium. Určité inhibiční vlastnosti má působení kaseinů avšak ostatní bílkoviny mají povětšinou na metabolismus zinku příznivý vliv. Pokud se snažíme sestavit vhodnou dietární dávku pro osoby postižené deficiencí zinku, je důležité si mít na vědomí tyto faktory. (Lönnerdal, 2000)
36
Zinek se nachází v široké řadě potravin, proto při konzumaci vyvážené stravy nehrozí riziko jeho nedostatku. V největších koncentracích se vyskytuje v ústřicích, mase, luštěninách a v celozrnných výrobcích. Problémem luštěnin a celozrnných výrobků je fakt, že obsahují též mnoho fytátu, který významně, negativně ovlivňuje absorpci zinku tělem. Nejnižší koncentrace zinku byly nalezeny v alkoholických nápojích, separovaných tucích a olejích. (Food and Agriculture Organisation of United Nation, 2001) Výzkumy prokázali, že průměrně každý druhý člověk na této planetě má dle statistických údajů nedostatek zinku v těle. Toto může vést až k negativnímu ovlivnění růstu dětí, čichu, chuti, paměti a dalším rozličným onemocněním. (Prom-U-Thai a kol. ,2010) Tomuto lze zamezit pomocí podávání preparátů, či navýšení obsahu zinku nad hodnotu původně v potravině obsaženou (fortifikace). V celé řadě států byly za tímto účelem vytvořeny tzv. fortifikační programy, které mají za účel zvýšení obsahu zinku u obyvatelstva. Tyto programy mohou být zaměřeny jak na celou populaci, tak i na jednotlivé skupiny jako jsou například děti či starší osoby. K fortifikaci se smějí dle mezinárodních úmluv používat pouze takové sloučeniny, které nejsou zdraví škodlivé. (International zinc nutrition consultative group, 2007) Zinek jako esenciální mikronutrient je nepostradatelný jak pro člověka, tak i pro ostatní živé organismy. O jeho důležitosti se můžeme přesvědčit v rozsáhlé odborné literatuře. Ať už z odborných časopisů, tak ze zpráv humanitárních organizací zjišťujeme, jak může být nebezpečné, pokud jej není v těle dostatek.
37
5
Seznam použité literatury 1. Zinc basics: Zinc properties. INTERNATIONAL ZINC ASSOTIATION. International zinc assotiation [online]. 2011 [cit. 2013-11-15]. Dostupné z: http://www.zinc.org/basics/zinc_properties 2. GREENWOOD, N a Alan EARNSHAW. Chemie prvků. 1. vyd. Praha: Informatorium, 1993, s.794-1635. ISBN 80-854-2738-9 3. Zinc Basic: Zinc History. INTERNATIONAL ZINC ASSOCIATION. International zinc association [online]. 2011 [cit. 2013-11-15]. Dostupné z: http://www.zinc.org/basics/history_of_zinc 4. Zinc in Drinking-water. Health criteria and other supporting information: Guidelines for drinking-water quality. 1996, č. 2. Dostupné z: http://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/chemicals/zinc.pdf 5. Agency for toxic substances and disease registry: Toxicological profil. AGENCY FOR TOXIC SUBSTANCES AND DISEASE REGISTRY: DIVISION OF TOXICOLOGY AND HUMAN HEALTH SCIENCES. Toxicological Profile: Zinc [online]. 2005 [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: http://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/index.asp#Z 6. International zinc assotiation: Zinc - Natural Occurrence. INTERNATIONAL ZINC ASSOTIATION. International zinc assotiation [online]. 2011 [cit. 2013-1119]. Dostupné z: http://www.zinc.org/basics/zinc_natural_occurrence 7. INTEGROVANÝ REGISTR ZNEČIŠTĚNÍ. Zinek a sloučeniny (jako Zn) [online]. Praha, 2008 [cit. 2013-11-20]. Dostupné z: http://www.irz.cz/dokumenty/irz/metody_mereni/puda/Zinek_a_slouceniny.pdf 8. ALLOWAY. Zinc in Crop and Crop Nutrition. 2. vyd. Brussel, Paříž: IZA, IFA, 2008, s. 14-22. ISBN 978-90-8133-310-8 9. NRIAGU, Jerome. SCHOOL OF PUBLIC HEALTH, University of Michigan. Zinc Toxicity in Humans [online]. 2007 [cit. 2013-11-21]. Dostupné z: www.extranet.elsevier.com/homepage_about/mrwd/nvrn/Zinc%20Toxicity%20in% 20Humans.pdf 10. KORBEL, P a M. NOVÁK. Encyklopedie: Minerály. Praha: Rebo, 2007. ISBN 807234-666-0. 11. Chem. Listy 104, 798-802 (2010), BORITAN ZINEČNATÝ JAKO NÁHRADA BROMOVANÝCH RETARDÉRŮ HOŘENÍ V EPOXIDOVÝCH PRYSKYŘICÍCH ROBERT VIK Katedra technologií a měření, Fakulta elektrotechnická, Západočeská univerzita vPlzni,Univerzitní 8, 306 14 Plzeň,strana: 798,799 12. Human Vitamin and Mineral Requirements: Chapter:16.Zinc. FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF UNITED NATIONS. Food and Agriculture Organization of United Nations [online]. Řím, 2001 [cit. 2013-12-03]. Dostupné z: http://www.fao.org/docrep/004/y2809e/y2809e0m.htm
38
13. MARET, W. a SANDSTEAD. Zinc requirements and the risks and benefits of zinc supplementation. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2006, č. 20, s. 3-18. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0946672X06000411 14. CAULFIELD a R.E. BLACK. WORLD HEALTH ORGANIZATION. Zinc Deficiency [online]. 1. vyd. 2002 [cit. 2013-12-06]. Dostupné z: http://www.who.int/publications/cra/chapters/volume1/0257-0280.pdf 15. PROM-U-THAI, Ch., B. RERKASEM, I. CAKMAK a L. HUANG. Zinc fortification of whole rice grain through parboiling process. Food Chemistry. 2010, č. 120, s. 858-863. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308814609013375 16. MIESSLER, Gary L a Donald A TARR. Inorganic chemistry. 3. vyd. Upper Saddle River, N.J.: Pearson Education, 2004, ISBN 01-303-5471-6. 17. IMANISHI, M., Ch. IMAMURA, Ch. HIGASHI, W. YAN, S. NEGI, S. FUTAKI a Y. SIGIURA. Zinc finger–zinc finger interaction between the transcription factors, GATA-1 and Sp1. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2010, č. 4, 625–630. Dostupné z: http://ac.els-cdn.com/ 18. SERA, T. Zinc-finger-based artificial transcription factors and their applications. Advanced Drug Delivery Reviews. 2009, č. 61, s. 513-526. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169409X0900129X 19. LAITY, J.H., B.M. LEE a P.E. WRIGHT. Zinc finger proteins: new insights into structural and functional diversity. Current Opinion in Structural Biology. 2001, č. 11, s. 39-46. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959440X00001676 20. MACKAY, J.P. a M. CROSSLEY. Zinc fingers are sticking together. Trends in Biochemical Sciences. 1998, č. 23, s. 1-4. 21. PEMMER, B., A. ROSCHGER, A. WASTL, J.G. HOFSTAETTER, P. WOBRAUSCHEK, R. SIMON, H.W. THALER, P. ROSCHGER, K. KLAUSHOFER a C. STRELI. Spatial distribution of the trace elements zinc, strontium and lead in human bone tissue. Bone. 2013, č. 57, s. 184-193. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S8756328213003001 22. TRIPATHI, B., CHETANA a K. PLATEL. Fortification of sorghum (Sorghum vulgare) and pearl millet (Pennisetum glaucum) flour with zinc. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2010, č. 24, s. 257-262. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0946672X10000532 23. INTERNATIONAL ZINC NUTRITION CONSULTATIVE GROUP. Technical Brief: Zinc fortification [online]. 4. vyd. 2007 [cit. 2014-02-10]. Dostupné z: http://www.izincg.org/Media/Default/Publications/Files/English_brief4.pdf 24. INTERNATIONAL ZINC NUTRITION CONSULTATIVE GROUP. Zinc for Better Health [online]. 2004 [cit. 2014-02-11]. Dostupné z: http://www.zinc.org/general/ZP-Zinc_for_Better_Health.pdf
39
25. LÖNNERDAL, B. Dietary Factors Influencing Zinc Absorption. The Journal of Nutrition. 2000, č. 5. Dostupné z: http://jn.nutrition.org/content/130/5/1378S.full 26. BORRILL, P., CONNORTON, BALK, A.J. MILLER, D. SANDERS a C. UAUY. Biofortification of wheat grain with iron and zinc: integrating novel genomic resources and knowledge from model crops. Frontiers in Plant Science. 2013. Dostupné z: http://journal.frontiersin.org/Journal/10.3389/fpls.2014.00053/full 27. WHITE, P.J. a BROADLEY. Physiological Limits to Zinc Biofortification of Edible Crops. Frontiers in plant science. 2011, č. 80. Dostupné z: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3355814/#__ffn_sectitle 28. Zinc food suplement [online]. 1961 [cit. 2014-03-10]. Dostupné z: http://www.google.com/patents/US2999752 29. PENNY Zinc Supplementation in Public Health. Annals of Nutrition and Metabolism. 2013, vol. 62, s1, s. 31-42. DOI: 10.1159/000348263. Dostupné z: http://www.karger.com?doi=10.1159/000348263 30. MARET a SANDSTEAD. Zinc requirements and the risks and benefits of zinc supplementation. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2006, č. 20, s. 3-18. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0946672X06000411 31. KING, J.C., D.M. SHAMES, N.M. LOWE, L.R. WOODHOUSE, B. SUTHERLAND, S.A. ABRAMS, J.R. TURNLUND a M.J. JACKSON. Effect of acute zinc depletion on zinc homeostasis and plasma zinc kinetics in men. The American Journal of Clinical Nutritions. 2001, č. 1, s. 116-124. Dostupné z: http://ajcn.nutrition.org/content/74/1/116.full 32. WORLD HEALTH ORGANISATION. Trace elements in human nutrition and health [online]. Ženeva: Ženeva: World Health Organisation, 1996 [cit. 2014-0223]. Dostupné z: http://apps.who.int/iris/bitstream/10665/37931/1/9241561734_eng.pdf?ua=1 33. BEATTIE, J.H. FOOD AND HEALTH INOVATION SERVICE. Zinc nutrition and its impact on health [online]. University of Aberdeen, 2012 [cit. 2014-03-10]. Dostupné z: http://www.foodhealthinnovation.com/media/3444/zinc_nutrition_and_its_impact_ on_health_april_2012_.pdf 34. HESS, S.Y., LÖNNERDAL, Ch. HOTZ, J.A. RIVERA a K.H. BROWN. Food and Nutrition Bulletin, vol. 30, no. 1 (supplement) © 2009, The United Nations University. S5 Recent advances in knowledge of zinc nutrition and human health. In: Food and Nutrition Bulletin. 30. vyd.: International Nutrition Foundation for the United Nations University, 2009, s. 7-9. Dostupné z: http://www.foodandnutritionbulletin.org/downloads/FNB_v30n1_Supplement_izin c.pdf 35. US NATIONAL LIBRARY OF MEDICINE NATIONAL INSTITUTES OF HEALTH. Zinc deficiency: what are the most appropriate interventions? [online].
40
2005 [cit. 2014-03-10]. Dostupné z: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC548733/#ref9 36. SHRIMPTON, R. Zinc deficiency: what are the most appropriate interventions?. BMJ. 2005, roč. 330, č. 7487, s. 347-349. DOI: 10.1136/bmj.330.7487.347. Dostupné z: http://www.bmj.com/cgi/doi/10.1136/bmj.330.7487.347 37. ORGANIZATION, World Health. Production of zinc tablets and zinc oral solutions: guidelines for programme managers and pharmaceutical manufacturers. Geneva: World Health Organization, 2007. ISBN 9241594942. 38. SIMON-HETTICH, B. Zinc. Geneva: World Health Organization, 2001, xxiii, 360 s. Environmental health criteria. ISBN 92-415-7221-3 39. THROWER, S.J. a I.J. EUATACE. Heavy metal accumulatin in oysters grown in Tasmanian waters. CSIRO. 1973, č. 25. 40. STAHL, J.L., M.E. COOK a J.L. GREGER. Zinc, iron, and copper contents of eggs from hens fed varying levels of zinc. Journal of Food Composition and Analysis. 1988, vol. 1, issue 4, s. 309-315. DOI: 10.1016/0889-1575(88)90030-0. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0889157588900300 41. Česká Republika. Vyhláška Ministerstva životního prostředí. In: sbírka zákonů ČR. 2002, č. 356. Dostupné z: http://www.mvcr.cz/clanek/sbirka-zakonu.aspx 42. OMATA, N., MURATA, N. MURUOKA, H. IKEDA, H. MITSUYA, T. MIZUNO, K. MITA, M. ASANO, Y. KIYONO, H. OKAZAWA a Y. WADA. Effect of dietary zinc deficiency on ischemic vulnerability of the brain. Neuroscience Letters. 2012, č. 531. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304394012013547 43. MAVERAKIS, E., FUNG, A.M., LYNCH, P.J., DRAZNIN, M., MICHAEL, D.J., RUBEN,B. a FAZEL, N. Acrodermatitis enteropathica and an overwiew of zinc metabolism, 2007 44. NATIONAL INSTITUES OF HEALTH, Office of Dietary Supplements. Zinc: Fact sheets for health professionals [online]. 2013, 5.6.2013 [cit. 2014-02-17]. Dostupné z: http://ods.od.nih.gov/pdf/factsheets/Zinc-HealthProfessional.pdf#h2 45. ZADÁK, Zdeněk. Výživa v intenzivní péči. 2.rozšíření vydání. Praha: Grada Publishing, a.s., 2008. ISBN 978-80-247-2844-5. 46. WELZ, Bernhard. Atomic absorption spectrometry. Handbook on Metals in Clinical and Analytical Chemistry, eds. HG Seiler, A. Sigel, H. Sigel, Marcel Dekker, New York, 1994, 85-106. 47. ADAMEC, Petr, Filip PLAŠIL a Jaromír POLÁK. ČVUT. Atomová absorpční spektroskopie [online]. 2008 [cit. 2014-04-20]. Dostupné z: http://fyztyd.fjfi.cvut.cz/2006/cd/prispevky/sbpdf/absspektr.pdf 48. MILDE, David. UNIVERZITA PALACKÉHO OLOMOUC. Atomová absorpční spektrometrie [online]. 2010 [cit. 2014-03-25]. Dostupné z: http://ach.upol.cz/userfiles/intranet/03-asx-aas-1321623157.pdf 49. HOU, Xiandeng a Bradley. T. JONES. Inductively Coupled Plasma/Optical Emission Spectrometry. Encyclopedia of Analytical Chemistry. 2000. 41
50. KOMÍNKOVÁ, Jana a Oto MESTEK. Atomová absorpční spektrofotometrie. Návody pro laboratorní cvičení z analytické chemie II [online]. 1997, s. 1-6 [cit. 2014-04-10]. Dostupné z: http://www.vscht.cz/anl/lach2/AAS.pdf 51. OLESIK, John W. Elemental Analysis Using ICP-OES and ICP/MS. Analytical Chemistry. 1991, vol. 63, issue 1, 12A-21A. DOI: 10.1021/ac00001a711. Dostupné z: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac00001a711
42
