Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

По дисциплине

Товароведение и экспертиза продовольственных  товаров

Тема

Характеристика  каротиноидов плодов и овощей 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2010

      Содержание 

Введение

1. Обзор  литературы

1.1 Химическая  природа, свойства и виды каротиноидов

1.1.1 Физико-химические  свойства каротиноидов

1.1.2 Химическая  природа и виды каротиноидов

1.2 Содержание  каротиноидов в плодах и овощах

1.3 Роль  каротиноидов для организма человека

1.3.1 Значение  и функции

1.3.2 Нормы  потребления

1.3.3 Усвоение  каротиноидов организмом человека

1.4 Методы  количественного определения каротиноидов

1.5 Использование  каротиноидов

Заключение

Список  использованных источников

      Введение

     Каротиноиды — наиболее многочисленная и широко распространенная группа природных пигментов. Они обнаружены у всех представителей растительного царства, как в фотосинтезирующих, так и в нефотосинтезирующих тканях, а также часто встречаются у микроорганизмов. Они полностью или частично обуславливают окраску многих животных, особенно птиц, рыб, насекомых, являются основой зрительных пигментов, ответственных за восприятие света и различение цветов. Они нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях.

     Каротиноиды образуются высшими растениями, водорослями, фототрофными бактериями и рядом хемотрофных бактерий. Кроме того, каротиноиды синтезируют некоторые мицелиальные грибы и дрожжи. Присутствуют каротиноиды также в организме некоторых членистоногих, рыб, птиц и млекопитающих, но самостоятельно эти пигменты не образуются, а поступают с пищей и служат источником обогащения организма витамином А. Каротиноиды находятся у растений и микроорганизмов в свободной форме, могут образовывать гликозиды, каротино-белковые комплексы, но значительно чаще встречаются в виде эфиров, длинноцепочечных жирных кислот.

     К группе каротиноидов относят вещества, окрашенные в желтый или оранжевый цвет. Наиболее известные представители каротиноидов — каротины — пигменты, дающие специфическую окраску корням моркови, а также лютеин — желтый пигмент, содержащийся наряду с каротинами в зеленых частях растений. Окраска семян желтой кукурузы зависит от присутствующих в них каротинов и каротиноидов, получивших название цеаксантина и криптоксантина. Окраска плодов томата обусловлена каротиноидом ликопином.

     1. Обзор литературы

     1.1 Химическая природа,  свойства и виды  каротиноидов

     1.1.1 Физико-химические  свойства каротиноидов

     По  химической природе каротиноиды  относятся к огромному классу терпеноидов, включающих также эфирные масла, фитогормоны, стероиды, сердечные гликозиды, жирорастворимые витамины, млечный сок. Их углеводородная структура состоит из цепи двух или более изопренов (С₅-углеводородов). Каротиноиды относятся к тетратерпенам; они состоят из длинных ветвящихся углеводородных цепей, содержащих несколько сопряженных двойных связей, заканчивающихся на одном (α-каротин) или обоих концах (β-каротин) кольцевой циклической структурой — иононовым кольцом.

     Длинная цепь сопряженных двойных связей образует хромофор всех каротиноидов, что позволяет отнести их к природным пигментам. Человеческому глазу каротиноиды с 7–15 конъюгированными двойными связями видятся в цвете от желтого до красного. Их хромофорные электронные системы находятся также под влиянием других дополнительных двойных связей и различных функциональных групп (например, карбонильной, эпокси-группы и др.), которые также оказывают влияние на поглощение волн света определенных длин и, как следствие, на цвет молекул. ^[2]

     К общим свойствам каротиноидов можно отнести их нерастворимость в воде и хорошую растворимость во многих органических растворителях (хлороформе, бензоле, гексане, петролейном эфире, четыреххлористом водороде и др.). Гидроксилсодержащие каротиноиды лучше растворяются в спиртах (метанол, этанол). Растворы каротиноидов в органических растворителях при спектрофотометрических исследованиях дают характеристические полосы поглощения в основном в видимой области спектра, а стереоизомеры показывают их также и в ультрафиолетовой области. Это один из наиболее точных показателей, используемых при идентификации этих веществ.

     Характерной является также особенность каротиноидов избирательно абсорбироваться на минеральных  и некоторых органических абсорбентах, что позволяет разделять их при помощи методов хроматографирования.

     Для отдельных каротиноидов характерны некоторые специфические реакции, в том числе цветные. ^[10]

     Следует учитывать, что каротиноиды в  чистом виде характеризуются высокой  лабильностью — они весьма чувствительны  к воздействию солнечного света, кислорода воздуха, нагреванию, воздействию кислот и щелочей. Под воздействием этих неблагоприятных факторов они подвергаются окислению и разрушению. В тоже время, входя в состав различных комплексов (например, протеиновых), они проявляют большую стабильность. ^[9]

     1.1.2 Химическая природа  и виды каротиноидов

     Известна  классификация каротиноидов, основанная на различиях химического строения этих пигментов. Каротиноиды делят, например, на каротины (содержат только углерод и водород) и гидроксикаротиноиды, в молекулу которых входит также кислород. Последние называют иногда общим термином ксантофиллы. Другая химическая классификация делит каротиноиды на ациклические, моноциклические и бициклические, Имеется также классификация каротиноидов, в основу которой положены отличия в функциональном значении этих пигментов. ^[3]

     В зависимости от степени поглощения каротиноиды разделяются на 2 группы: каротины и ксантофилы. Все незамещенные каротиноиды — каротины. Они не содержат атомов кислорода, являются чистыми углеводородами и обычно имеют оранжевый цвет. Наиболее известный представитель этой группы — β-каротин. Каротиноиды, окрашенные в цвета от желтого до красного характеризуются наличием кислородсодержащих функциональных групп и называются ксантофилами. Продукты распада дифференцируются как апо-, секо- и норкаротиноиды.

     Из-за многочисленных двойных связей, обычно циклического окончания молекул и наличия ассимметричных атомов углерода каротиноиды имеют разнообразные конфигурации и стереоизомеры с различными химическими и физическими свойствами. Большинство каротиноидов имеют цис- и трансгеометрические изомеры. Атом углерода с 4 различными заместителями обусловливает возможность оптических R- или S-изомеров. Эти различия между молекулами одной и той же формулы оказывают заметное влияние на физические свойства и на эффективность каротиноидов как пигментов.

     Одна  из характерных особенностей этих соединений — наличие в них значительного числа сопряженных двойных связей, образующих их хромофорные группы, от которых зависит окраска. Все натуральные каротиноиды могут рассматриваться как производные ликопина — каротиноида, обнаруженного в плодах томатов, а также в некоторых ягодах и фруктах. Эмпирическая формула ликопина С₄₀Н₅₆. Строение ликопина представлено на рисунке 1 

     Рисунок 1 – химическая структура ликопина 

     Путем образования кольца на одном или  обоих концах молекулы ликопина образуются его изомеры: α-, β- или γ-каротины (рисунки 2, 3, 4).

     Рисунок 2 – химическая структура α-каротина 

     Рисунок 3 – химическая структура γ-каротина 

     Рисунок 4 – химическая структура β-каротина 

     Сопоставляя формулы, можно заметить, что α-каротин отличается от β-изомера положением двойной связи в одном из циклов, расположенных по концам молекулы. В отличие от α- и β-изомеров γ-каротин имеет только лишь один цикл. ^[2]

     Каротины являются веществами, из которых образуется витамин А. Поскольку ликопин и каротины содержат 40 углеродных атомов, они могут рассматриваться как образованные восемью остатками изопрена. Все без исключения другие природные каротиноиды — производные четырех указанных выше углеводородов: ликопина и каротинов. Они образуются из этих углеводородов путем введения гидроксильных, карбонильных или метоксильных групп или же путем частичной гидрогенизации или окисления. ^[4]

     В результате введения в молекулу β-каротина двух оксигрупп образуется каротиноид, содержащийся в зерне кукурузы и называемый цеаксантином С₄₀Н₅₆О₂ (3,3'-диокси-β-каротин), его строение представлено на рисунке 5.

     Рисунок 5 – химическая структура цеаксантина 

     Введение  двух оксигрупп в молекулу α-каротина приводит к образованию лютеина С₄₀Н₅₆О₂ (3,3'-диокси-α-каротина), изомера цеаксантина, обнаруженного наряду с каротином в зеленых частях растений. В результате присоединения к молекуле β-каротина одного атома кислорода с образованием фураноидной структуры получается каротиноид цитроксантин С₄₀Н₅₆О, содержащийся в кожуре цитрусовых (рисунок 6). 

     Рисунок 6 – химическая структура цитроксантина 

     Продуктами  окисления каротиноидов с 40 углеродными атомами в молекуле являются кроцетин С₂₀Н₂₄О₄, биксин С₂₅Н₃₀О₄ и β-цитраурин С₃₀Н₄₀О_2.

     Кроцетин  – красящее вещество, находящееся  в рыльцах крокуса в соединении с двумя молекулами дисахарида гентиобиозы в виде гликозида кроцина. Кроцетин представляет собой дикарбоновую кислоту (рисунок 7). 

     Рисунок 7 – химическая структура кроцетина 

     Биксин  – пигмент красного цвета, содержащийся в плодах тропического растения Bixa orellana, применяется для подкраски масла, маргарина и других пищевых продуктов (рисунок 8). 

     Рисунок 8 – химическая структура биксина 

     β-Цитраурин  находится в кожуре плодов цитрусовых, его строение представлено на рисунке 9. 

     Рисунок 9 – химическая структура β-цитраурина 

     В бурых водорослях обнаружен каротиноид фукоксантин С₄₀Н₆₀О₆, который принимает участие в процессе фотосинтеза в качестве так называемого вспомогательного пигмента (рисунок 10). 

     Рисунок 10 – химическая структура фукоксантина 

     В организме человека и животных каротиноиды  играют важную роль в качестве исходных веществ, из которых образуются витамины группы А, а также «зрительный пурпур», участвующий в зрительном акте. В растительном организме каротиноиды играют важную роль в процессе фотосинтеза. ^[2]

     Исходя  из химического строения каротиноидов, содержащих значительное количество двойных связей, можно предполагать, что они являются в растении переносчиками активного кислорода и принимают участие в окислительно-восстановительных процессах. На это указывает широкое распространение в растениях кислородных производных каротиноидов — эпоксидов, чрезвычайно легко отдающих свой кислород.

     Примером  такого кислородного производного может служить диэпоксид β-каротина (рисунок 11). ^[19] 

     Рисунок 11 – химическая структура диэпоксида β-каротина 

     Каротиноиды легко образуют перекиси, в которых молекула кислорода присоединяется по месту двойной связи и может затем легко окислять различные вещества. Каротиноиды в качестве основной структурной единицы имеют изопрен (рисунок 12). 

     Рисунок 12 – химическая структура изопрена 

     Фитол и каротиноиды так же, как терпены, гутта, каучук и рассматриваемые ниже стероиды, представляют собой изопреноиды.

     В настоящее время фитол, каротиноиды, терпены, каучук, гутту, стероиды, а также убихиноны, пластохиноны, витамин Е и витамин К объединяют общим термином терпеноиды.

     Исходным  материалом для синтеза терпеноидов является радикал ацетила СН₃СО, а промежуточным продуктом, образующимся при биосинтезе терпеноидов из соединений, содержащих активный ацетил, — мевалоновая кислота. ^[1]

     1.2 Содержание каротиноидов в плодах и овощах

     Несмотря  на то, что каротин может быть получен с помощью химического синтеза, его производят преимущественно из природного сырья.

     В качестве источников каротина используют растения, бактерии, водоросли и грибы с высоким содержанием целевого вещества.

     Каротиноиды в зеленых листьях составляют примерно 0,07 — 0,2% при расчете на сухую массу листьев. В отдельных исключительных случаях наблюдается, однако, очень высокая концентрация каротиноидов. Например, в пыльниках многих видов лилий содержатся очень большие количества лютеина и каротиноида, называемого антераксантином. ^[21]

     Каротиноидные композиции у различных групп  и видов живых организмов не только отличаются по количественному содержанию, но и различны по качественному составу. Следует отметить, что в природе каротиноиды могут находиться в различных состояниях: в свободном виде они чаще встречаются в пластидах растений, мышечной ткани рыб, яйцах птиц, в виде эфиров жирных кислот — в хроматофорах и эпидермальных структурах растений, в форме каротин-протеинов — в эпидермальных тканях животных и т. д. ^[2]

     В большинстве фруктов и овощей основным или иногда даже единственным источником активности витамина А является β-каротин. Единственным исключением здесь является морковь, содержащая примерно 30 каротиноидов в виде α-каротина. В таблице 1 приводится содержание других каротиноидов в продуктах. Значения по криптоксантинам зачастую не дифференцируют — преобладающей является их β-форма, а α-форма представлена гораздо меньшим количеством. Содержание β-каротина эквивалентно сумме β-каротина и половины присутствующих α-каротина и криптоксантинов; значение эквивалента ретинола составляет одну шестую от эквивалента β-каротина. В ликопене активности витамина А не наблюдается. ^[22] 

     Таблица 1

     Содержание каротиноидов в продуктах, мкг/100г съедобной части

     1.3 Роль каротиноидов  для организма  человека

     1.3.1 Значение и функции

     Хотя  многие аспекты физиологических  функций каротиноидов остаются невыясненными до конца, можно с уверенностью утверждать, что они играют важную роль в различных физиологических процессах, без которых жизнь в существующей форме была бы невозможна.

     Одна  из важнейших функций каротиноидов — А-провитаминная активность. Человек и животные не способны синтезировать витамин А, который является незаменимым для зрения, роста, репродукции, защиты от различных бактериальных и грибковых заболеваний, нормального функционирования кожи и слизистых. Витамин А не образуется и в растительных тканях, и может быть получен только путем преобразования провитамин-А активных каротиноидов (прежде всего β-каротина, а также α-каротина, криптоксантина, 3,4-дигидро-β-каротина, астаксантина, кантаксантина и др.). ^[6]

     Ранее исследования показывали, что β-каротин, будучи антиоксидантом, снижает вероятность заболеваний раком людей, употребляющих много продуктов, богатых β-каротином. Но последние крупные исследования показали, что β-каротин увеличивает риск раковых заболеваний у курильщиков. В ходе ряда исследований было доказано, что употребление β-каротина приводит к увеличению вероятности заболевания раком легких и раком простаты курильщиков, а также людей, работающих на асбестовом производстве .

     Однако  это действие каротина относится  только к курильщикам и людям контактирующим с вредными веществами. Это связано с тем, что бета-каротин активизирует канцерогенные вещества, находящиеся в табачном дыме и асбесте. А канцерогены в свою очередь повреждают человеческие клетки и превращают их в раковые. ^[12]

     В то же время, витамин А и его производные ретиноиды - можно использовать при нарушении процессов керотинизации, а также для профилактики и лечения некоторых раковых заболеваний. В основу этих рекомендаций положены данные о том, что ретиноиды способны влиять на рост опухолей путем воздействия на иммунную систему, на дифференциацию ткани (особенно эпителиальной), на адгезивные свойства клеток и клеточные взаимодействия. Витамин А и его производные оказались эффективным средством при лечении прелейкемического синдрома, канцеромы языка, меланомы. Особенно ценным в действии ретиноидов на опухоли является то, что эффект этих соединений основан на иных механизмах подавления роста злокачественных клеток, чем при использовании обычной цитотоксической хемотерапии. ^[2]

     Представляет  интерес влияние каротиноидов на эндокринную систему, особенно это  касается полового развития и созревания, оплодотворения, прохождения репродуктивных процессов.

     Еще одна важная функция — способность  образовывать комплексы с протеинами. Известно, что маленькие молекулы (так называемые аллостерические эффекторы) изменяют агрегационное состояние протеинов, тем самым стабилизируя их протеиновую и энзимовую активность. Эта способность также обуславливает изменения проницаемости мембран.

     Каротиноиды могут косвенно поддерживать водный баланс организма, способствуют работе обонятельных рецепторов и хеморецепторов.

     Считается, что каротиноиды (ксантофилы) используются как запас кислорода в нейрональной дыхательной цепочке и потому важно их наличие в кислородных клетках и тканях.

     Учитывая  существующую взаимосвязь между  высокой каротиноидной и кальциевой концентрацией, в особенности в  компонентах митохондрий с каротиноидсодержащими мембранами, можно заключить, что эти липохромы играют большую роль в транспорте кальция через мембраны. ^[7]

     Установлена иммуностимулирующая роль каротиноидов. Например, обнаружено, что рыбы с высоким содержанием каротиноидов были значительно более устойчивы к инфекционным и грибковым заболеваниям; цыплята — устойчивы к энцефалопатии и т.д. Каротиноиды увеличивают цитостатическую активность клеток-киллеров, замедляют рост опухоли и ускоряют ранозаживление. Они также проявляют аппетитстимулирующую активность (и физиологически, и этиологически).

     Весьма  важной, проявляющейся внешне, функцией каротиноидов является их способность обеспечивать яркую окраску организмов, которая может выполнять сигнальную функцию, нести информацию.

     Отмечено, что продукты разложения каротиноидов также обладают специфическими физиологическими функциями: например, участвуют в синтезе фитогормонов. ^[8]

     1.3.2 Нормы потребления

     Согласно  методическим рекомендациям по нормам рационального питания 6 мкг бета-каротина эквивалентны 1 мкг витамина А. Среднее  потребление в разных странах 1,8-5,0 мг/сутки. Верхний допустимый уровень потребления не установлен. Физиологическая потребность для взрослых - 5 мг/сутки. Ликопина следует употреблять порядка 5 мг в сутки, верхний допустимый уровень потребления — 10 мг в сутки. Рекомендуемый уровень потребления лютеина в России — 5 мг в сутки. Верхний допустимый уровень потребления — 10 мг в сутки.

     Благодаря контролируемому превращению бета-каротина в витамин А избыточное потребление  бета-каротина не приводит к развитию гипервитаминоза А. Избыточный прием каротиноидов при различных заболеваниях (гиперлипемия, сахарный диабет, нефротический синдром или гипертиреоз) может вызывать гиперкаротедермию, которая проявляется в желтоватом оттенке кожи в основном ладоней и подошв стоп. При уменьшении или прекращении приема каротиноидов желтый цвет исчезает. ^{[14, 16]}

     1.3.3 Усвоение каротиноидов  организмом человека

     Человек и животные не могут синтезировать  каротиноиды de novo, их поступление зависит только от источников питания. Усвоение каротиноидов, как и других липидов, происходит в дуоденальной области тонкого кишечника. Под влиянием желудочно-кишечной среды (например кислотности желудочного сока), наличия специфических рецепторов протеинов каротиноиды могут разрушаться окислителями или энзимами или метаболизировать, как например β-каротин в витамин А в слизистой. Провитаминные свойства β -каротина и его окислительное преобразование в витамин А являются общими для всех животных. Согласно принятой гипотезе β -каротин превращается в витамин А в слизистой кишечника под воздействием фермента каротиндиоксигеназы. Молекула β -каротина, которая теоретически должна образовывать 2 молекулы витамина А, уменьшается с одного конца цепи в результате последовательного окисления до ретиналя (С₂₀-соединения) и образует одну молекулу витамина А. Другие каротиноиды также могут проявлять А-провитаминную активность. ^{[11, 24]}

     Установлено, что содержащиеся в продуктах  питания каротиноиды далеко не полностью  усваиваются организмом. Находясь внутри неповрежденных клеток растительных продуктов, каротиноды ресорбируются в кровь обычно в очень малой степени. Значительно лучше происходит усвоение из мелко измельченных и предварительно обработанных продуктов, в которых клеточные мембраны разрушены.

     Кроме того, важным фактором для усвоения каротиноидов организмом является наличие жировой среды. Еще в 1941 году было установлено, что количество каротина, усвояемого организмом из сырой моркови при диете, лишенной жиров, не превышает 1%. При тех же условиях из вареной моркови усваивается 19% каротина. После добавления растительного масла усвоение каротина увеличивается до 25%. ^{[5, 9]}

     1.4 Методы количественного  определения каротиноидов