Алкалоиды. Антибиотики в пищевой промышленности
Алкало́иды — группа азотсодержащих органиче ских соединений природного происхождения
(чаще всего растительного), преимущественно гетероцикличес ких, большинство из которых
обладает свойствами слабого основания; к ним также причисляются
некоторые биогенетически связанные с
основными алкалоидами нейтральные и даже слабокислотные
соединения. Иногда алкалоидами называются
и синтетические соединения аналогичного
строения.
Название «алкалоиды» (нем. Alkaloide) введено в 1819 году немецким аптекарем Карлом Мейсснером и образовано от позднелат. alkali — «щёлочь» (который, в свою очередь, происходит от арабского al qualja — «пепел растений») и др.-греч. εἶδος — «похожий», «вид». В широкое употребление термин вошёл только после публикации обзорной статьи О. Якобсена в химическом словаре Альберта Ладенбурга.
Помимо углерода, водорода, кислорода и азота в молекулы а лкалоидов могут входить атомы серы, реже — хлора, брома или фосфор а. Многие алкалоиды
обладают выраженной физиологической
активностью
В чистом виде алкалоиды
- это твердые, плохо растворимые в воде
и хорошо в органических растворителях
вещества. Часть алкалоидов содержат кислород
и являются твердыми веществами, а бескислородные
- жидкости.
В растениях алкалоиды встречаются в виде
солей органических кислот: щавелевой,
молочной, лимонной, яблочной, янтарной.
Соли, в отличие
от оснований, легко растворимы в воде,
что делает алкалоиды более токсичными.
Количество алкалоидов в растениях различно
и составляет от 0,001% до 10% в пересчете на
сухое вещество. Большинство растений
содержит по одному алкалоиду, но некоторые
могут содержать и несколько: белена -
4, дурман и красавка по 3, мак снотворный
- более 20. Количество алкалоидов зависит
от почвенно-климатических условий. Большинство
алкалоидов- сильные яды, характеризующиеся
весьма токсичным действием на организм
даже в минимальных дозах, оказывая тонкое
избирательное действие на определенные
органы или системы. Алкалоиды возможно
защищают растения от насекомых и паразитических
грибов.
Свойства алкалоидов
Обычно алкалоиды бесцветны, иногда окрашены (особенно соли) в жёлтый или жёлто-красный цвет.
Свободные алкалоиды за немногими исключениями нерастворимы или труднорастворимы в воде, в спирте же растворяются все без исключения; эфир основания алкалоидов растворяет мало или не растворяет совсем (морфий). Соли алкалоидов, в отличие от свободных оснований, в большинстве случаев легко растворимы в воде; в бензоле, эфире и хлороформе, наоборот, труднорастворимы или нерастворимы. Растворы алкалоидов в воде обладают щелочной реакцией и имеют горький вкус.
В ультрафиолетовой области алкалоиды имеют характерные спектры поглощения. Растворы некоторых алкалоидов обладают флуоресценцией (хинин). Большинство алкалоидов оптически активны, вращая плоскость поляризации влево или вправо.
Некоторые алкалоиды чувствительны к свету и воздуху, буреют и осмоляются.
При нагревании большинство алкалоидов разлагается и только немногие возгоняются в кристаллах (кофеин, атропин и др.), в вакууме возгоняется большинство их них. Алкалоиды имеющие характер сложных эфиров (атропин, кокаин) разлагаются при длительном нагревании растворов их солей, что нужно иметь в виду при приготовлении стерильных препаратов.
Классификация алкалоидов
В настоящее время открыто около 10 000 алкалоидов, из которых около 4 000 имеют доказанное строение. Такое огромное количество и многообразие алкалоидов не дают возможности разработать единую классификацию.
Существует несколько классификаций алкалоидов.
В основе фармакологической классификации лежит фармакологическое действие алкалоидов на организм:
• наркотические алкалоиды;
• местноанастезирующие алкалоиды;
• спазмолитические алкалоиды и т.д.
В основе ботанической классификации лежат ботанические признаки растений, из которых выделены алкалоиды:
• алкалоиды табака;
• алкалоиды мака;
• алкалоиды спорыньи и т.д.
Данные классификации не предусматривают химического строения. Хэгнауэр (Англия) предложил биогенетическую классификацию, В ее основе лежит строение аминокислот, которые являются вероятными предшественниками алкалоидов в растениях:
• алкалоиды триптофана;
• алкалоиды фенилаланина и т.д.
Наиболее удобна и часто используется химическая классификация предложенная А.П.Ореховым.
В основе классификации А.П. Орехова лежат особенности химического строения алкалоидов (например, структура гетероцикла) и, следовательно, физические и химические свойства алкалоидов.
А,П.Орехов разделил все алкалоиды на 13 групп:
1. Ациклические алкалоиды (содержат атом азота в боковой цепи):
• эфедрин (Ephedra equisetina, Ephedraceae)
• капсаицин(Capsicum annuurn, Solanaceae)
• колхамин и колхицин (Colchicum speciosum,Liliaceae)
2. Производные пирролидина:
• гигрин и гигролин (Erythroxylum coca, Erythroxylaceae)
3. Производные пирролизидина:
4. Производные пиридина и пиперидина:
Это большая группа алкалоидов, в которой можно выделить несколько подгрупп:
- Простые производные пиридина и пиперидина:
Лобелин (лобелия взутая), кониин (болиголов пятнистый)
•Алкалоиды, содержащие гетероцикл в неизменном виде («собственно гетероцикл»):
(Anabasis aphylla, (Nicotiana sp., Solanaceae)
Chenopodiaceae) из табака из анабазиса безлистного
- Тропановые алкалоиды:
- гиосциамин - сложный эфир спирта тропина и троповой кислоты (Atropabelladonna, A.caucasica, Hyoscyamus niger, Datura stramonium, Solanaceae);
- скополамин (окисленная форма гиосциамина) - сложный эфир спиртаскопила и троповой кислоты (Datura innoxia, Scopoiia carniolica, Solanaceae)
- кокаин (Erythroxylmn coca, Erythroxylaceae)
• Хинолизидиновые алкалоиды - два конденсированных кольца пиперидина имеющие общий атом азота
- ликоподии (Huperzia selago, Lycopodiaceae)
• пахикарпин (Thermopsis lanceolata, Sophorapachycarpa, Fabaceae)
• цитизин (Thermopsis lanceolata, Th.alterniflora,Fabaceae)
• нуфлеин (Nuphar luthea, Nympheaceae)
5. Производные хинолина:
• хинин и хинидин (Cinchona succirubra, Rubiaceae)
6. Производные изохинолина:
• хелидонин(Chelidoniummajus, Papaveraceae);
• сангвинарин, хелеритрин (Macleaya microcarpa,Mxordata, Chelidonium majus, Papaveraceae);
• морфин (Papaver somniferum);
• кодеин (Papaver somniferum);
« папаверин (Papaver somniferum);
• глауцин (Glaucium flavura, Papaveraceae).
• берберин (Berberis vulgaris, Hydrastis canadensis,Berberidaceae);
• гиндарин и стефаглабрин (Stephania glabra, Me-nispermaceae)
• галантамин(Ungernia victoris, Amaryllidaceae);
• ликорин (Ungemia sewertzovii, Amaryllidaceae);
• гидрастин и канадин (Hydrastis canadensis, Berberidaceae)
7. Производные индола
- стрихнин и бруцин (Strychnos nux-vomica,Loganiaceae);
• резерпин (Rauwolfia seipentina, Vinca minor,Apocynaceae);
• аймалин и серпентин (Rauwolfia serpentina,Apocynaceae);
• винкамин и др.(Vinса minor, Apocynaceae)
•винбластин, винкристин и др. (Catharantusroseus ^Vinca rosea, Apocynaceae);
• эрготамин, эрготоксин, эргометрин и другиепроизводные лизергиновой кислоты (Clavicepspurpurea, Clavicepitaceae)
• гармин и гарман (Passiflora incarnata,Passifloraceae; Peganum harmala,Zygophyllaceae)
Содержание алкалоидов в растениях
Содержание алкалоидов в
• Высокоалкалоидные семейства - содержат не менее 20% родов, имеющие алкалоидоносные виды растений.
• Среднеалкалоидоносные семейства- содержат от 10 до 20% родов.
• Малоалкалоидоносные семейства- от 1 до 10% родов
В растениях алкалоиды находятся в виде солей органических и неорганических кислот (лимонной, щавелевой, малоновой, уксусной, фосфорной и т.д.), растворенных в клеточном соке. Они накапливаются в листьях, плодах, семенах, коре, подземных органах. Как правило, растение содержит не один, а несколько алкалоидов (катарантус розовый - более 60). Различные части растения могут содержать разные алкалоиды (термопсис ланцетный: семена - цитизин, трава - термопсин, пахикарпин).
Обычно концентрация алкалоидов
в растении невелика и составляет 0,01-0,1%.
Бели в растении накапливается 1-3% алкалоидов,
оно считается высоко-алкалоидным.
Биологические функции алкалоидов пока до конца не выяснены. В последнее время считают, что алкалоиды:
• участвуют в обмене веществ;
• являются стимуляторами и регуляторами роста;
• выполняют защитную роль.
Алкалоиды редко встречаются в свободном состоянии (наркотин, папаверин), в большинстве случаев они содержатся в растениях в виде солей органических кислот (лимонной, щавелевой, малоновой, янтарной, уксусной), изредка — неорганических (серной, фосфорной, азотной), или кислот, специфических для данного растения (хинной, аконитовой, хелидоновой, меконовой).
Как правило, в растении содержится не один, а несколько сходных по химическому строению и свойствам алкалоидов, иногда их число может превышать 20. Каждое семейство растений имеет специфические алкалоиды, и только немногие из них, такие как кофеин и берберин, обнаружены у различных семейств.
Больше всего алкалоидов выделено из двудольных растений семейств маковые, паслёновые, лютиковые, лилейные, мотыльковые, зонтичные.
Алкалоиды могут содержаться во всем растении (во всех его частях) или образовываться и накапливаться только в какой-либо одной или нескольких определенных частях. Иногда они могут перемещаться в растении, транспорт их, как правило, осуществляется по сосудам ксилемы. Фактические данные о локализации алкалоидов по частям растения имеют большое значение для определения сырьевых объектов заготовки.
Подавляющее большинство алкалоидов после выделения их из сырья представляют собой твердые кристаллические или аморфные нелетучие вещества. Они бесцветны, но встречаются и окрашенные (берберин – алкалоид желтого цвета), без запаха, обычно горького вкуса. Алкалоиды – оптически активные соединения. Незначительное количество алкалоидов – жидкие вещества с сильным неприятным запахом (никотин, конин и др.), перегоняющиеся с водяным паром.
Кофеи́н (также матеин, гуаранин) — алкалоид пуриновог о ряда, бесцветные или
белые горькие кристаллы. Является психостимулятором, содержится в кофе, чае и многих прохладительных напитках.
Кофеин содержится
в растениях, таких как кофейное дерево, чай, какао, мате, гуар ана, кола, и некоторых других.
Он синтезируется растениями для защиты
от насекомых, поедающих листья, стебли
и зёрна, а также для поощрения опылителей.
Открыт и назван «кофеином» в 1819 году немецким химиком Фердинандом Рунге.
Кофеин, как и другие пуриновые
алкалоиды, даёт положительную мурексидную реак
Полезные и вредные свойства кофеина
Кофеин – вещество (алколоид) являющееся, по сути, горьковатыми бесцветными кристаллами и содержащееся в растениях, в частности, в семенах кофейного дерева. У кофеина есть и другие названия – матеин, гуаранин, что также связано с названиями растений, в которых содержится это вещество. Кроме кофейного дерева кофеин есть в чайном листе, гуаране, мате, коле (семейства Мальвовых) и некоторых других растениях.
Растения синтезируют кофеин, чтобы защититься от насекомых-вредителей и привлечь насекомых-опылителей. А для человека кофеин – это психостимулятор, который он получает, употребляя чай, кофе, прохладительные напитки и другие продукты, содержащие кофеин.
О влиянии кофеина на человеческий организм
Потребляемый в небольших количествах кофеин, стимулирующе воздействует на нервную систему человека. Однако, при злоупотреблении этим веществом, можно спровоцировать развитие зависимости (теизма).
Кофеин способен ускорить работу сердца, повысить давление крови, активизировать выделение в кровь дофамина, улучшая тем самым настроение на непродолжительное время (около 40 минут). Однако полностью следы воздействия кофеина исчезают из организма лишь спустя 3, а то и 6 часов, именно тогда и возникает чувство усталости, вялости, что снижает трудоспособность.
Ученые под руководством И.П. Павлова, изучавшие особенности воздействия кофеина на человека, установили, что под действием кофеина активизируются процессы возбуждения нервных импульсов в головном мозге. Также при определенной дозировке кофеин способствует повышению двигательной и интеллектуальной активности. Но в повышенных дозах тот же самый кофеин способен вызвать истощение нервных клеток. По сути, кофеин является психостимулирующим средством и его действие на организм зависит от того, каким типом высшей нервной деятельности обладает человек. Именно этот факт, по мнению ученых, должен учитываться в первую очередь при определении индивидуальной дозы кофеина для человека.
Благодаря кофеину можно значительно уменьшить силу воздействия на организм снотворных препаратов и наркотических средств. Кофеин способствует возбуждению рефлекторной функции спинного мозга, дыхательного и сосудодвигательного центров.
Влияние кофеина сказывается на усилении сердечной деятельности, так как под его влиянием миокард начинает сокращаться более часто и интенсивно. Если у человека артериальное давление крови в норме, то влияние на него кофеина не вызовет значительных изменений.
Кофеин также способствует стимуляции работы желудка и имеет выраженный мочегонный эффект.
Химическая формула кофеина: C8H10N4O2, то есть состоит он, как
и многие другие органические вещества,
из атомов углерода, водорода, азота и
кислорода. Молекулярная структура кофеина
следующая: в центре располагаются атомы
углерода и азота, к трем крайним атомам
углерода прикреплены по три атома водорода,
а еще один — к атому углерода, находящемуся
в связи с двумя атомами азота. Атомы же
кислорода соединены с двумя другими связанными
атомами углерода и находятся, как и водород,
на концах структуры. У кофеина есть и
другие названия: гуаранин, матеин, теин,
а также 1-3-7-триметилксантин и 2-6-диокси-1-3-7-
Кофеин имеет следующую структуру
Белые игольчатые кристаллы горьковат
Физиологические особенности действия кофеина на ЦНС были изучены И. П. Павловым и его сотрудниками, показавшими, что кофеин усиливает и регулирует процессы возбуждения в коре головного мозга; в соответствующих дозах он усиливает положительные условные рефлексы и повышает двигательную активность. Стимулирующее действие приводит к повышению умственной и физической работоспособности, уменьшению усталости и сонливости. Большие дозы могут, однако, привести к истощению нервных клеток.
В малых дозах оказывает стимулирующее воздействие на нервную систему. При длительном применении может вызывать слабую зависимость — теизм (заболевание). В больших дозах вызывает истощение, а в дозах 150—200 мг на килограмм массы тела (80—100 чашек кофе за ограниченный промежуток времени) — смерть[5]. Под воздействием кофеина ускоряется сердечная деятельность, поднимается кровяное давление, примерно на 40 минут слегка улучшается настроение за счёт высвобождения дофамина, но через 3—6 часов действие кофеина проходит: появляется усталость, вялость, снижение трудоспособности.
Действие кофеина (как и других
психостимулирующих средств) в значительной
степени зависит от типа высшей нервной
деятельности; дозирование кофеина должно
поэтому производиться с учётом индивидуальных
особенностей нервной деятельности. Кофеин
ослабляет действие снотворных и наркотических средств, повышает рефлекторную
возбудимость спинного мозга, возбуждает дыхательный и сосудодвигательный
центры.. При коллаптоидных и шоковых со
Кофеин понижает агрегацию тромбоцитов
Под влиянием кофеина происходит стимуляция секреторной деятельности желудка.
По современным данным, в механизме
действия кофеина существенную роль играет
его угнетающее влияние на фермент фосфодиэстеразу, что ведёт к внутриклеточному накоплению циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Циклический АМФ рассматривается
как медиаторное вещество (вторичный медиатор), при помощи
которого осуществляются физиологические
В нейрохимическом механизме
стимулирующего действия кофеина важную
роль играет его способность связываться
со специфическими «пуриновыми», или аденозиновыми рецепторами мозг
Применение
Из-за возбуждающего свойства кофеина и физического привыкания к нему многие люди употребляют кофеиносодержащие продукты (напитки) для взбадривания. Кофечаще всего пьют утром для быстрого восстановления после сна. Чаи (чёрный, зелёный) пьют в любое время дня, обычно после еды. Поскольку чай часто пьют из-за вкуса или для утоления жажды, производятся чаи без кофеина, не имеющие (порой нежелательных) свойств возбуждения ЦНС и повышения кровяного давления. Выпускается и декофеинизированный кофе.
В медицине кофеин (и кофеин-бензоат натрия) применяют при инфекционных и других заболеваниях, сопровождающихся угнетением функций ЦНС и сердечно-сосудистой системы, при отравлениях наркотиками и другими ядами, угнетающими ЦНС, при спазмах сосудов головного мозга (при мигрени и др.), для повышения психической и физической работоспособности, для устранения сонливости. Применяют также кофеин при энурезе у детей.
Кофеин также используется как мочегонное средство.
Кофеин является действующим компонентом большинства «энергетических напитков» (в большинстве таких напитков его содержится 250—350 мг/л, но некоторые энергетические напитки, в частности изготовляемые для спортсменов, могут содержать кофеина в десятки раз больше).
Содержание кофеина в кофе — 380—650 мг/л, в растворимом кофе — 310—480 мг/л, в кофе «Эспрессо» — 1700—2250 мг/л. В напитке «Кола» около 100 мг/л кофеина. Содержание кофеина в чае варьируется в достаточно широком диапазоне — до 5—6 раз в сухом листе — в зависимости от разновидности и возраста чайного куста, времени сбора, продолжительности ферментации и других факторов. В заваренном чае содержание кофеина в существенной мере зависит от способа заваривания (продолжительность, температура воды) и также может отличаться в разы. В большинстве случаев содержание кофеина в заваренном чае находится в пределах 180—420 мг/л. Кофеин в чае действует мягче, но дольше, чем кофеин в кофе. Продукты «без кофеина» всё равно его содержат, но в уменьшенном количестве. Так, например, чёрный декофеинизированный чай обычно содержит от 8 до 42 мг кофеина на 1 л напитка. В США декофеинизирование означает, что продукт состоит из кофеина на 2,5 % или менее.
Антибио́тики — вещества природного или полусинтетического
происхождения, подавляющие рост живых
клеток, чаще всего прокариотических или про
Антибиотики природного происхождения чаще всего продуцируются актиномицетами, реже — немицелиальными бактериями.
Некоторые антибиотики оказывают
сильное подавляющее действие на рост
и размножение бактерий и при этом относительно
мало повреждают или вовсе не повреждают клетки макроорганиз
Некоторые антибиотики используются в качестве цитостатических (противоопухолевых) препаратов при лечении онкологических заболеваний.
Огромное разнообразие антибиотиков и видов их воздействия на организм человека явилось причиной классифицирования и разделения антибиотиков на группы. По характеру воздействия на бактериальную клетку антибиотики можно разделить на две группы:
- бактериостатические (бактерии остаются живы, но не в состоянии размножаться),
бактерицидные (бактерии погибают, а затем выводятся из организма).
Классификация по химической структуре, которую широко используют в медицинской среде, состоит из следующих групп:
Бета-лактамные антибиотики, делящиеся на две подгруппы:
Пенициллины — вырабатываются колониями плесневого грибка Penicillinum;
Цефалоспорины — обладают схожей структурой с пенициллинами. Используются по отношению к пенициллинустойчивым бактериям.
Макролиды — антибиотики со сложной циклической структурой. Действие — бактериостатическое.
Тетрациклины — используются для лечения инфекций дыхательных и мочевыводящих путей, лечения тяжелых инфекций типа сибирской язвы, туляремии,бруцеллёза. Действие — бактериостатическое.
Аминогликозиды — обладают высокой токсичностью. Используются для лечения тяжелых инфекций типа заражения крови или перитонитов. Действие — бактерицидное.
Левомицетины — Использование ограничено по причине повышенной опасности серьёзных осложнений — поражении костного мозга, вырабатывающего клетки крови. Действие — бактериостатическое.
Гликопептидные антибиотики нарушают синтез клеточной стенки бактерий. Оказывают бактерицидное действие, однако в отношении энтерококков, некоторых стрептококков и стафилококков действуют бактериостатически.
Линкозамиды оказывают бактериостатическое действие, которое обусловлено ингибированием синтеза белка рибосомами. В высоких концентрациях в отношении высокочувствительных микроорганизмов могут проявлять бактерицидный эффект.
Противогрибковые антибиотики — разрушают мембрану клеток грибков и вызывают их гибель. Действие — литическое. Постепенно вытесняются высокоэффективными синтетическими противогрибковыми препаратами.
Применение антибиотиков в пищевой промышленности
Одной из важнейших мер, принимаемых для хорошего сохранения пищевых продуктов, является борьба с развитием микроорганизмов. Для этой цели применяются консервирование, сквашивание, кипячение, замораживание продуктов, что изменяет их свойства и значительно снижает пищевую ценность.
Применение антибиотиков, обладающих мощным антибактериальным действием и сравнительно малой токсичностью для организма человека, позволяет сохранять пищевые продукты без потери их питательной ценности. Наиболее эффективны для этой цели антибиотики с широким спектром действия (хлортетрациклин, окситетрациклин, хлорамфеникол). При испытании их действия на различные микроорганизмы, выделенные из испорченного мяса, антибиотики подавляли развитие 70- 80% штаммов.
Антибиотики используют для консервации мяса, рыбы, птицы, молока, плодов, овощей и др. Сохранение свежего мяса, рыбы и птицы затруднено из-за того, что эти продукты - идеальная среда для развития микроорганизмов.
Антибиотик скармливают животным непосредственно перед убоем или вводят его под давлением в сонную артерию сразу же после убоя. Это позволяет увеличить срок хранения свежего мяса до 2-3 суток и улучшить его внешний вид, запах, окраску. Эффективно также опрыскивание разделанных и охлажденных говяжьих туш раствором антибиотика. Добавка антибиотика удлиняет срок хранения мясного фарша.
Применение антибиотиков позволяет значительно удлинить сроки хранения свежей рыбы (особенно при длительной транспортировке). Рыбу погружают в раствор антибиотика (концентрация 5-100 мг/л) на 1-5 мин или в охлажденную морскую воду (1-1,5 В°С), содержащую 2 мг/л антибиотика. Увеличиваются также сроки хранения рыбы при содержании ее на дробленом льду, содержащем 1-2 мг/л хлортетрациклина.
Подобные методы (погружение в раствор антибиотика или хранение на льду с антибиотиком) применяют для удлинения сроков хранения птицы. В отдельных случаях сроки хранения удается увеличить в 2-3 раза.
Применение антибиотиков при хранении и транспортировке молока без охлаждения позволяет удлинить сроки хранения до четырех суток при 30 В°С. Смесь патулина с хлортетрациклином предохраняет молоко от порчи в течение 10 суток. Необходимо отметить, что и при хранении молока наиболее эффективными оказались тетрациклиновые антибиотики, хлорамфеникол, пенициллин. При дальнейшем использовании молока необходимо инактивировать добавленный антибиотик: пенициллин - добавкой пенициллиназы, хлортетрациклин - трехзамещенного фосфата натрия; выдерживают молоко при этом в течение нескольких часов при 20 В°С.
