CC BY
494
УДК 577.121.7+574.52
ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ ГИДРОБИОНТОВ
В.В. Воробьёв, Московский государственный университет технологий и управления, Москва
В статье рассматривается механизм перекисного окисления липидов и жирных кислот в биологических тканях с участием активных форм кислорода. При трансформации пероксидов полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) образуются цитотоксичный малоновый диальдегид и другие токсичные соединения, обладающие мутагенными свойствами. Показано, что при обработке в электромагнитном поле СВЧ липиды и ПНЖК гидробионтов в наименьшей степени подвергаются пероксидации, обеспечивая высокий уровень качества и безопасности пищевой рыбной продукции.
Свободнорадикальные процессы окисления, протекающие в биологическом материале и участвующие в разнообразных физиологических и метаболических процессах, очень важны в жизнедеятельности организма. Свободные радикалы, в первую очередь, выступают в качестве инициаторов процесса перекисного окисления липидов, белков и пептидов, нуклеиновых кислот и оснований [1]. При взаимодействии радикала с молекулой органического соединения образуется новый радикал, продолжающий цепь взаимодействия, и новая молекула, т.е. перекисное окисление протекает как цепной многостадийный процесс [2].
На ускорение развития свободнорадикальных и перекисных процессов в биологическом материале в значительной степени влияют экзогенные источники образования свободных радикалов -ионизирующая радиация, УФ и электромагнитное излучение, тяжелые металлы, ксенобиотики, лекарственные средства, пищевые добавки (консерванты, эмульгаторы, стабилизаторы, усилители вкуса и аромата, вкусоароматические химические вещества и др.).
Повышенная температура при технологической обработке гидробионтов, пищевых жиров и масел, присутствие в биологическом материале ионов железа и меди способствует распаду пероксидов с образованием радикалов типа пероксил и алкоксил, эпоксидов, кетонов, насыщенных и ненасыщенных альдегидов и углеводородов.
Перекисное окисление липидов (ПОЛ) представляет собой свободнорадикальное окисление полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) в биологических системах, является одним из основных процессов повреждения биологических мембран и происходит при многих патологических и патобиохимических процессах [3].
Процесс перекисного окисления липидов протекает в три стадии: инициирования, развития и завершения. Инициирование последовательного окисления ПНЖК мембраны в перекисное соединение происходит в результате свободнорадикальной атаки активных форм кислорода (АФК), обладающей достаточной реактивностью для отщепления атома водорода от метиленовой (-СН2 -) группы. Так как атом водорода имеет только один электрон, при отделении Н' неспаренный электрон остается на углероде (-СН-). В биологических мембранах происходит отрыв атома водорода в а-положении по отношению к двойной связи у ПНЖК, входящих в состав фосфолипидов. Наличие двойной связи в жирной кислоте ослабляет связь С-Н в смежных углеродных атомах и тем самым облегчает отщепление Н'. Поэтому боковые связи полиненасыщенных жирных кислот мембранных липидов особенно чувствительны к окислению АФК. Чем длиннее ненасыщенная боковая цепь кислоты жирного ряда, тем сильнее у неё предрасположенность подвергнуться липидному окислению [4, 5].
Радикал с углеродом в центре претерпевает молекулярную перегруппировку с образованием диена, содержащего сопряженные двойные связи, который в дальнейшем соединяется с кислородом и образует радикал пероксила, способный отделить атом водорода от другой жирной кислоты, начиная, таким образом, цепную реакцию.
Возникающие свободные радикалы кислорода атакуют остатки ПНЖК в липидах с образованием жирнокислотных радикалов, которые, взаимодействуя с молекулярным кислородом, превращаются в перекисные радикалы. Этот перекисный радикал органического соединения в дальнейшем взаимодействует с новыми остатками жирных кислот с образованием гидроперекиси и новых радикалов. Происходит цепная реакция - процесс цепного окисления полиненасыщенных жирных кислот, входящих в состав фосфолипидов биомембран и липопротеинов цитоплазмы клетки.
Перекисное окисление липидов представляет собой процесс, связанный с активацией кислорода, особенность которого заключается в том, что молекула О2 присоединяется к свободному радикалу:
О = О + -'^ 1_ - О - О'. (1)
В результате образуется новый радикал - перекисный радикал органического соединения (гидропероксид). Далее происходит взаимодействие этого радикала с новой молекулой органического соединения, в результате которого протекает процесс цепного ПОЛ, где реакции (2) и (3) представляют собой звенья цепной реакции переокисления:
Ю2 + 1-Н ^ -' + 1_ООН,
(2)
-' + 02 ^ -О'2.
(3)
Внешне гидропероксидный радикал весьма близок к супероксидному радикалу, но является более сильным окислителем, поскольку способен отрывать атомы водорода от органических молекул.
К продуктам цепной реакции перекисного окисления липидов относятся разновидности гидроперекисей и циклических перекисей. При этом гидроперекиси рассматривают как первичный продукт ПОЛ. При распаде гидроперекисей наряду с ионом гидроксила образуется алкоксильный радикал, разрушающий структуру молекулы жирной кислоты на фрагменты разной величины. Липопероксидация полиненасыщенных жирных кислот сопровождается образованием других конечных продуктов, в том числе появлением эпоксидов [2].
При трансформации пероксидов ПНЖК образуются вторичные соединения, среди которых превалируют альдегиды и наиболее распространенный цитотоксичный малоновый диальдегид (МДА), образование которого сопряжено с выделением оксида углерода [6]. Конечными продуктами пероксидации полиненасыщенных жирных кислот являются продукты поликонденсации-полимеризации липидов, протекающей по радикальному механизму.
Малоновый диальдегид - один из многих продуктов перекисного окисления липидов, образующийся в относительно небольших количествах при пероксидации ПНЖК, содержащих более двух двойных связей. Образуется он и при пероксидации олеиновой кислоты. Гораздо в больших количествах МДА образуется при пероксидации ксенобиотиков (пищевых добавок, лекарственных средств, пестицидов и т.п.) в микросомах печени в присутствии железа, а также энзиматически в присутствии эйкозаноидов. МДА может существовать в нескольких формах в зависимости от значения рН.
В физических условиях МДА также может взаимодействовать с белками, в особенности с остатками лизина, образуя внутри- и межмолекулярные сшивки. Малоновый диальдегид способен реагировать с азотистыми основаниями ДНК, давая мутагенный эффект. Слабая степень мутагенности МДА подтверждена в бактериальных тест-системах. В тканях млекопитающих МДА быстро метаболизируется.
При тепловой обработке гидробионтов наряду с гидролитическими и денатурационными процессами происходит свободнорадикальное и перекисное окисление липидов, нуклеиновых кислот и белков, существенно снижающих биологическую и пищевую ценность, а также качество изготавливаемых продуктов питания.
В производстве пищевой продукции для минимизирования негативных биохимических и физико-химических трансформаций в биосырье животного и растительного происхождения важное
значение имеет существенное снижение температурного градиента при многократном сокращении продолжительности технологического процесса обработки.
Традиционные технологии, основанные на градиентном длительном высокотемпературном нагреве гидробионтов, по сравнению с электротехнологиями, в частности с использованием СВЧ нагрева, являются следствием значительного возрастания процессов гидролиза и пероксидации липидов, протекающих через распад триацилглицеролов, образующихся гидроперекисей в ненасыщенных жирных кислотах и накопление вторичных продуктов окисления.
В процессе размораживания трески, палтуса и филе ставриды в воде (при температуре 20 °С) и воздушной среде (20 °С) по сравнению с рыбой, размороженной электромагнитным полем сверхвысокой частоты (табл. 1), содержание диацилглицеролов возрастает в 1,8-2,7 раза, а моноацилглицеролов - 3-5 раз [7]. При конвективных традиционных способах размораживания накопление образующихся при гидролизе свободных (неэтерифицированных) жирных кислот в мышечной ткани рыбы происходит в значительной мере, чем при обработке гидробионтов СВЧ энергией.
Таблица 1
Фракции Треска Палтус Филе ставриды
липидов Мороженая Размороженн ая Мороженый Размороженн ый Мороженое Размороженн ое
на воздухе е ч о ш со з~ со о с М 0 на воздухе !Т СО о с М 0 на воздухе !Т СО о с М 0
Триацилглицери ды 5,4 5,0 5,2 5,4 92, 1 89,3 92,2 65, 9 51,6 63,3
Фосфолипиды 82, 6 77,2 79, 1 82, 0 1,3 1,3 1,2 0,1 12,6 10,0
Диацилглицерид ы 0,9 2,3 1,6 1,0 0,4 1,1 0,4 0,9 2,5 1,0
Моноацилглицер иды 0,4 1,4 1,2 0,5 0,3 1,0 0,3 0,3 1,6 0,4
Свободные жирные кислоты 6,4 9,1 8,2 6,6 4,4 5,6 4,5 7,3 9,8 7,5
Эфиры стеринов 2,4 3,0 2,8 2,5 1,4 1,7 1,4 14, 3 20,5 17,8
Стерины, в том числе холестерин 1,9 2,0 1,9 2,0 сл. сл. сл. 1,2 1,4 сл.
Размораживание на воздухе приводит к увеличению содержания СЖК в палтусе и филе ставриды соответственно на 27 и 34 %, а в воде и воздушной среде уровень СЖК в треске возрастает соответственно на 28 и 42 % по сравнению с исходным уровнем значений мороженой рыбы. Содержание в мышечной ткани рыбы СЖК при микроволновом размораживании повышается незначительно - на 2-3 %.
Продолжительное размораживание гидробионтов в воде и на воздухе по сравнению с традиционной обработкой СВЧ-нагревом вызывает интенсивную липопероксидацию полиненасыщенных жирных кислот, уровень содержания которых снижается вследствие свободнорадикальных процессов окисления, обуславливающих накопление гидроперекисей и цитотоксичных вторичных соединений (табл. 2).
Таблица 2
Шифр кислоты Кислота Треска Палтус
Мороженая Размороженная Мороженый Разморож енный
на воздухе в воде з~ со о с М Э на воздухе з~ со о с М Э
16:2 а 6 Г ексадекадиеновая 0,20 0,22 0,21 0,19 0,50 0,49 0,51
18:2 а 6 Линолевая 0,72 0,76 0,76 0,73 0,80 0,70 0,78
18:3 а 3 Линоленовая 0,12 0,12 0,12 0,12 0,43 0,16 0,43
18:4 а 6 Октадекатетраеновая 0,47 0,53 0,47 0,48 0,88 0,72 0,86
20:2 а 6 Эйкозадиеновая 0,27 0,29 0,31 0,26 0,20 0,21 0,19
20:3 а 3 Эйкозатриеновая 0,18 0,19 0,20 0,18 0,12 0,13 0,07
20:4 а 6 Арахидоновая 2,08 2,19 2,07 2,11 0,51 0,49 0,51
20:5 а 3 Эйкозапентаеновая 15,02 13,25 13,76 15,08 3,70 3,06 3,65
21:5 а 3 Г ептакозапентаеновая 0,13 0,15 0,13 0,14 0,22 0,19 0,22
22:4 а 6 Докозатетраеновая 0,11 0,13 0,13 0,11 0,10 0,12 0,07
22:5 а 3 Докозапентаеновая 1,33 1,34 1,39 1,31 0,76 0,79 0,76
22:6 а 3 Докозагексаеновая 24,29 21,55 22,11 24,28 4,31 4,47 4,13
Сумма: 44,92 40,71 41,64 44,98 12,53 11,53 12,16
Снижение температурного градиента при сокращении продолжительности диэлектрического размораживания гидробионтов многократно обеспечивает сохранение и стабильность липидов мышечной ткани рыбы, положительно влияющих на качественный уровень готовой пищевой продукции.
Термообработка культивируемых мидий водой (температура - 100 °С) и паром (115 °С) вследствие гидролиза и окисления липидов
сопровождается ростом диглицеридов в мясе моллюсков по сравнению с живыми мидиями в 2,2-2,4 раза, а моноглицеридов - в 4,5 раза. При щадящих режимах бланширования с использованием ЭМП СВЧ в отличие от конвективного нагрева содержание в липидах мяса мидий ди- и моноглицеридов в 16-18 раз меньше и повышается от исходного уровня незначительно, соответственно на 7 и 20 % [8]. Аналогичная тенденция наблюдается и с накоплением свободных жирных кислот.
Микроволновая обработка двустворчатых моллюсков при температуре 82-85 °С, обеспечивающая сокращение технологического процесса по сравнению с градиентным нагревом в 4-6 раз, вследствие незначительной липидной пероксидации позволяет существенно сохранить уровень содержания эйкозапентаеновой и докозагексаеновой жирных кислот, превышающий значения в традиционно бланшированном мясе мидий соответственно на 16-22 % и 41-58 %.
Для сохранения нативных свойств гидробионтов в процессе холодильного хранения при глазировании мороженой рыбы используют антиокислительные препараты. Добавление антиоксидантного препарата «Лестин-1» в глазурь мороженой тихоокеанской сельди существенно снижает интенсивность образования и накопления в мышечной ткани рыбы малонового диальдегида и вторичных продуктов пероксидации [9]. При этом за последние пять из 12 месяцев хранения количество эйкозапентаеновой кислоты в контрольной партии мороженой сельди уменьшилось на 32,8 %, докозагексаеновой - на 43 %, а в опытной партии изменения этих полиеновых кислот составило соответственно 19,8 и 3 %.
Для значительного снижения и предотвращения свободнорадикального и перекисного окисления липидов в гидробионтах и повышения уровня качества биологической и пищевой ценности продукции из сырья морского промысла необходимо создавать инновационные щадящие технологии производства
высококачественных продуктов питания.
Библиографический список
1. Владимиров Ю.А. Свободные радикалы и антиоксиданты // Вестник РАМН. 1998. № 7. С. 43-51.
2. Барабой В.А., Брехман И.И., Голотин В.Г., Кудряшов Ю.Б. Перекисное окисление и стресс. СПб.: Наука, 1992. 148 с.
3. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биомембранах. М.: Наука, 1972. 272 с.
4. Осипов А.Н., Азизова О.А., Владимиров Ю.А. Активные формы кислорода и их роль в организме // Успехи биол. химии. 1990. Т. 31.
С. 180-208.
5. Bielski B.H., Arudi R.L., Sutherland M.W. A study of the reactivity of HO2/O2 - with unsaturated fatty acids // J. Biol. Chem. 1983. Vol. 258. P. 4759-4761.
6. Ланкин В.З. Метаболизм липоперекисей в тканях млекопитающих // Биохимия липидов и их роль в обмене веществ. М., 1981. С. 75-95.
7. Воробьёв В.В. Обработка гидробионтов СВЧ-нагревом и управление качеством продукции: Моногр. М., 2004. 356 с.
8. Воробьёв В.В. Влияние тепловой обработки на изменение состава липидов культивируемых мидий // Обработка рыбы и морепродуктов: Новости отечественной и зарубежной рыбообработки. ВНИЭРХ. 2001. Вып. 3. С. 1-4.
9. Ромашина Н.А., Гнитецкая Н.Н., Чибиряк Л.М., Павель К.Г. Влияние антиоксиданта «Лестин-1» на состав полиеновых жирных кислот и содержание вторичных продуктов окисления сельди в процессе морозильного хранения // Матер. Всероссийской науч.-техн. конф. «Наука и образование - 2003». Мурманск: МГТУ, 2003. Ч. 4. С. 204-205.
