Лекции для студентов

Лекционный материал по дисциплине “Пищевая химия” — Чужеродные вещества в сельском хозяйстве. Природные токсиканты

Чужеродные вещества в сельском хозяйстве. Природные токсиканты

Загрязнения веществами, применяемыми в растениеводстве

Остатки сельскохозяйственных ядохимикатов представляют наибо­лее значительную группу загрязнителей, так как присутствуют почти во всех пищевых продуктах. В эту группу загрязнителей входят пестициды (бактериоциды, фунгициды, гербициды и др.), удобрения, регуляторы роста растений.

Пестициды — вещества различной химической при­роды, применяемые в сельском хозяйстве для защиты культурных ра­стений от вредителей и болезней. В настоящее время в мировой практике использу­ют около 10 тыс. наименований пестицидных препаратов. Наиболее распространены следующие: хлорорганические, фосфорорганические, карбаматы, ртутьорганические, синтетические пиретроиды и медьсодержащие фунгициды.

Пестициды классифицируют:

—по токсичности при однократном поступлении через желудочно-кишечный тракт пестициды делятся на сильнодействующие ядовитые вещества (ЛД₅₀ до 50 мг/кг), высокотоксичные (ЛД₅₀ от 50 до 200 мг/кг), среднетоксичные (ЛД₅₀ от 200 до 1000 мг/кг), малотоксичные (ЛД₅₀ более 1000 мг/кг);

—по стойкости пестициды делятся на очень стойкие (время разложения на нетоксичные компоненты свыше 2 лет), стойкие (от 0,5 до 1 года), умеренно стойкие (от 1 до 6 месяцев), малостойкие (1 месяц).

Нарушения гигиенических норм хранения, транспортировки и при­менения пестицидов, низкая культура работы с ними приводят к их на­коплению в кормах, продовольственном сырье и пищевых продуктах, а способность аккумулироваться и передаваться по пищевым цепям — к их широкому распространению и негативному влиянию на здоровье че­ловека.

Нитраты, нитриты, нитрозамины. Нитраты широко распространены в природе, они являются нормальными метаболитами любого живого орга­низма (в организме человека в сутки образуется и используется в обменных процессах более 100 мг нитратов). Однако при потреблении в по­вышенном количестве нитраты (NO₃^-) в пищеварительном тракте час­тично восстанавливаются до нитритов (NO₂^-), которые взаимодействуют с ге­моглобином крови с образованием метгемоглобина, неспособного свя­зывать и переносить кислород. Хроническое воздействие нитритов приводит к снижению в организме витаминов А, Е, С, некоторых витаминов группы В. Кроме того, из нитритов в присутствии различных аминов могут об­разовываться N-нитрозамины, 80% из которых обладают канцерогенным, мутагенным, тератогенным действием.

Основными источниками поступления нитратов и нитритов в орга­низм человека являются, в первую очередь, растительные продукты. Помимо растений, источниками нитратов и нитритов для человека являются мясные продукты, а также колбасы, рыба, сыры, в которые до­бавляют нитрит натрия или калия в качестве пищевой добавки — как консервант или для сохранения привычного красного цвета мясопродуктов.

Регуляторы роста растений. Регуляторы роста растений (РРР) — это соединения, применяемые в сельском хозяй­стве с целью увеличения урожайности, улучшения качества растениевод­ческой продукции, а в некоторых случаях для увеличения сроков хранения растительных продуктов.

Регуляторы роста растений можно разделить на две группы: природ­ные и синтетические. Первые являются естественными компонентами растений и не представляют опасности для организма человека. Вторые, аналоги природных фитогормонов оказывают негативное влияние на организм человека как ксенобиотики. Однако они технологически эффективнее и лучше сохраняются.

Загрязнение веществами, применяемыми в животноводстве

С целью повышения продуктивности сельскохозяйственных живот­ных, профилактики заболеваний, сохранения качества кормов в живот­новодстве широко применяются различные лекарственные и химичес­кие препараты. Это антибактериальные вещества (антибиотики, сульфаниламиды), гормональные препараты, транквилизаторы, антиоксиданты и другие.

Антибиотики, встречающиеся в пищевых продуктах мо­гут иметь следующее происхождение:

1) естественные антибиотики. К ним относятся природные компоненты некоторых пище­вых продуктов с выраженным антибиотическим действием (яич­ный белок, молоко, мед, лук, чеснок, фрукты, пряности).

2) искусственные, попадающие в пищевые продукты в результате лечебно-ветеринарных мероприятий. Антибиотики способ­ны переходить в мясо животных, яйца птиц, дру­гие продукты и оказывать токсическое действие на организм человека.

3) искусственные, попадающие в пищевые продукты при использовании их в качестве биостимуляторов для улучшения усвояемости кормов и стимуляции роста животных.

4) искусственные, применяемые в качестве консервирующих веществ в продуктах питания с целью предупреждения порчи послед­них. Для этой цели, как показали многочисленные исследования, наи­более приемлемы антибиотики из группы тетрациклинов В некоторых странах применение антибиотиков в качестве консер­вантов запрещено.

Сульфаниламиды. Антимикробное действие сульфаниламидов менее эффективно, чем действие антибиотиков, но они дешевы и более дос­тупны для борьбы с инфекционными заболеваниями животных. Суль­фаниламиды способны накапливаться в организме животных и птицы и загрязнять животноводческую продукцию. Наиболее часто обнаруживаются следующие сульфаниламиды: сульфаметазин, сульфахиноксазалин.

Гормональные препараты. Гормональные препараты используют в ве­теринарии и животноводстве для улучшения усвояемости кормов, сти­муляции роста животных, ускорения полового созревания. Ряд гормо­нальных препаратов обладают ярко выраженной анаболитической актив­ностью.

В настоящее время созданы синтетические гормональные препара­ты, которые по анаболитическому действию значительно эффективнее природных гормонов и поэтому широко применяются. Однако, в отличие от природных аналогов, многие синтетические гормоны оказались более устойчивыми, они накапливаются в организме животных в больших количествах, переда­ются по пищевым цепям и, поступая в организм с пищей, способны вызывать дисбаланс в обмене веществ человека.

Бактериальные токсины

Природные токсины представля­ют огромный риск для здоровья населения планеты, так как они широко распространены и оказывают очень высокую нагрузку на организм человека, сопоставимую с антропогенными ксенобиотиками. Наибольшую опасность представляют бак­териальные токсины. Бактериальные токсины загрязняют пищевые продукты и являются причиной острых пищевых интоксикаций.

Staphylococcus aureus — грамположительные бактерии, являются при­чиной стафилококкового пищевого отравления (27 — 45% всех пищевых токсикоинфекций). Наиболее благоприятной средой для роста и развития стафилокок­ков являются молоко, мясо и продукты их переработки, а также конди­терские кремовые изделия. Энтеротоксины S. aureus термостабильны и инактивируются лишь после 2 — 3 часового кипячения.

Бактерицидным действием по отношению к стафилококкам обладают уксусная, лимонная, фосфорная, молочная кислоты при рН до 4,5. Жизнедеятельность S. aureus прекращается при концен­трации соли (NaCl) — 12%, сахара — 60-70%, вакуумная упаковка также ингибирует рост бактерий. Все это необходимо учитывать в различных технологиях консервирования, как в промышленном масштабе, так и в домашних условиях.

Clostridium botulinum продуцирует высокоопасные токсины. Палочка ботулизма может развиваться и накапливать токсины в рыбных, мясных продуктах, фруктовых, овощных и грибных консервах при недостаточной тепловой обработке и в условиях резкого снижения содержания кислорода (герметично закупоренные консервы). Кроме того, ботулотоксины характеризуются высокой кислот, но инактивируются под влиянием щелочей и высоких темпера­тур (80°С — 30 мин; 100°С — 15 мин).

Патогенные штаммы Escherichia coli являются продуцентами термостабильных токсинов, способных вызывать как острые токсиноинфекции, так и являться причиной хронической интоксикации.

Сырое мясо и мясные продукты, молоко, а также вода могут быть при­чиной возникновения заболеваний, связанных с присутствием патоген­ных штаммов Е. coli.

Микотоксины

Микотоксины (от греч. mukes — гриб и toxicon — яд) — это метаболиты микроскопических плесневых грибов. С гигиенических позиций — это особо опасные токсические веще­ства, загрязняющие корма и пищевые продукты. Высокая опасность ми­котоксинов выражается в том, что они обладают токсическим эффектом в чрезвычайно малых количествах и способны весьма интенсивно диф­фундировать вглубь продукта (заплесневевший хлеб).

Наибольшую опасность представляют следующие виды микотоксинов.

Афлатоксины продуцируются некоторыми штаммы микроскопических грибов Aspergillus flavus (Link.) и Aspergillus parasiticus (Speare).

Афлатоксины или их активные метаболиты действуют практически на все компоненты клет­ки, что приводит к так называемому метаболистическому хаосу и гибели клетки. В первую очередь происходит поражение печени.

В природных условиях чаще и в наибольших количествах афлатоксины обнаруживаются в арахисе, кукурузе, семенах хлопчатника. Кро­ме того, в значительных количествах они могут накапливаться в раз­личных орехах, семенах масличных культур, пшенице, ячмене, зернах какао и кофе.

Охратоксины — это соединения высокой токсичности, с ярко выраженным тератогенным эффектом.

Продуцентами охратоксинов являются микроскопические грибы рода Aspergillus и Penicillium.

Охратоксины входят в группу микотоксинов, преимущественно поражающих почки. При остром токси­козе, вызванном охратоксинами, патологические изменения выявляют­ся в печени и в желудочно-кишечном тракте.

Основными расти­тельными субстратами, в которых обнаруживаются охратоксины, явля­ются зерновые культуры и среди них, в первую очередь, кукуруза, пше­ница, ячмень.

Трихотеценовые микотоксины являются метаболитами различ­ных представителей микроскопических грибов рода Fusarium, которые вызывают гниение корней, стеб­лей, листьев, семян, плодов, клубней и сеянцев сельскохозяйственных растений.

Алиментарные токсико­зы, вызванные потреблением в пищу пищевых продуктов и кормов, по­раженных микроскопическими грибами, продуцирующими ТТМТ, мож­но отнести к наиболее распространенным микотоксикозам человека и сельскохозяйственных животных. Хорошо известен токсикоз «пьяного хлеба» — заболевание человека и животных, причиной которого является употребление зерновых про­дуктов (главным образом хлеба), приготовленных из зерна, пораженно­го грибами Fusarium graminearum (F. roseum).

ТТМТ являются ингибиторами синтеза белков и нуклеиновых кислот, то есть они вызывают гибель клетки.

Зеараленон и его производные также продуцируются микроскопическими грибами рода Fusarium.

Зеараленон обладает выраженными гормоноподобными (экстрогенными) свойствами. Кроме этого было доказано тератогенное действие зеараленона.

Наиболее часто зеараленон обнаруживается в кукурузе, комбикормах, а также в пшенице, овсе и ячмене.

Патулин продуцируется микроскопическими грибами Penicillium patulum и Penicillium expansu, которые поражают в основном фрукты и некоторые овощи, вызывая их гниение. Этот микотоксин распространен по­всеместно и представляет реальную опасность для здоровья человека.

Патулин обнаружен в яблоках, грушах, абрикосах, персиках, вишне, винограде, бананах, клубнике, голубике, бруснике, об­лепихе, айве, томатах. Патулин в высоких концентрациях обнаруживается и в продуктах пе­реработки фруктов и овощей: соках, компотах, пюре и джемах. Особен­но часто его находят в яблочном соке.

Предполагается, что патулин блокирует синтез ДНК, РНК и белков и в конечном итоге приводит к гибели клетки.

Все микотоксины, как правило, являются термоустойчивыми соединениями, что ещё больше увеличивает их опасность.

Метаболизм чужеродных соединений

Изучение метабо­лизма чужеродных соединений, превращений, которые они претерпева­ют, попадая в организм человека, важны для выяснения химических и биохимических механизмов детоксикации, а также для оценки возможностей защитной системы орга­низма по детоксикации чужеродных веществ.

Попадая в организм, определенная доза вещества всасывается, распределяется в крови и органах. В тканях и клетках ксеноби­отик (чужеродное вещество) проходит через одну или несколько мембран, взаимодействуя с ре­цепторами, в результате возникает ответная реакция организма.

Метаболизм ксенобиотиков протекает в виде двухфазного процесса:

1-я фаза (метаболистические превращения) — свя­зана с реакциями окисления, восстановления, гидролиза и протекает при участии ферментов, главным образом ферментов печени.

Окисление. В осуществлении реакций окисления решающее зна­чение имеют микросомальные ферменты печени. Они катализируют не только окисление жир­ных кислот, гидроксилирование стероидов, окисление терпенов и алка­лоидов, но и окисление различных лекарств, пестицидов, канцероген­ных и других ксенобиотиков.

Восстановление. Чаще всего имеют место реакции восстанов­ления нитро- и азосоединений в амины, восстановление кетонов во вто­ричные спирты.

Гидролиз. Гидролизуются сложные эфиры и амиды, с последующей деэтерификацией и дезаминированием.

2-я фаза (реакции конъюгации) — это реакции, собственно приво­дящие к детоксикации. Наиболее важные из них — это реакции связыва­ния активных –ОН, –NH₂, –СООН и –SH-групп и метаболитов пер­вичного ксенобиотика, которые протекают под действием ферментов трансфераз.

Функционирование всех ферментов 2-ой фазы ограничивается тем, что они метаболизируют только те вещества, которые имеют функцио­нальные группы, поэтому эти ферменты включаются после высвобожде­ния или образования функциональных групп ферментами первой фазы метаболизма ксенобиотиков. В отличие от ферментов первой фазы трансферазы присутствуют во всех клетках; функционируют при любых путях поступления ксенобиотиков в организм; завершают детоксикацию, а иногда исправляют ошибки первой фазы.

В обеспечении нормального функционирова­ния обеих фаз детоксикации имеет значение и соответствующий уровень эффек­тивности антиоксидантной системы клетки, что определяется активно­стью антиоксидазных ферментов и уровнем низкомолекулярных антиоксидантов: токоферолов, биофлавоноидов, витамина С и других. Антиоксидантная система связывает активные формы кислорода (оксидрадикала, Н₂О₂), способных подавлять ак­тивность ферментов первой и второй фаз детоксикации.