Биологически активная добавка к пище, содержащая неионные формы йода и селена
BIOLOGICALLY ACTIVE FOOD ADDITIVE CONTAINING NON-IONIC FORMS OF IODINE AND SELENIUM

Изобретение относится к области пищевой промышленности, медицинской и ветеринарной фармакологии. Получаемые продукты могут быть использованы в качестве пищевых добавок при производстве хлебобулочных и кондитерских изделий, молочных и масложировых продуктов, фруктовых вод и иных напитков, консервов, витаминно-микроэлементных комплексов, комбикормов и премиксов для животных.
Проблема алиментарного дефицита йода и селена считается в настоящее время чрезвычайно острой и актуальной. У животных и человека йод входит в состав так называемых тиреоидных гормонов (тироксина и трииодтиронина), продуцируемых щитовидной железой и оказывающих многостороннее воздействие на рост, развитие и обмен веществ организма.
Селен является синергистом витамина Е и йода: при дефиците селена йод плохо усваивается организмом, а его биотрансформация в трийодтиронин сильно замедляется (что связано, в частности, с недостаточностью концентрации 5’-йодтиронин дейодиназы - ключевого селенсодержащего фермента тканей щитовидной железы, переводящего тироксин в существенно более активный трийодтиронин) (The interactions between selenium and iodine deficiencies in man and animals. Arthur JR, Beckett GJ, Mitchell JH. - Nutrition Research Reviews. 1999 Jun; 12(1):55-73).
50
В подавляющем большинстве случаев (Федеральный реестр биологически активных добавок к пище. Раздел 3: «Биологически активные добавки (БАД) к пище - источники минеральных веществ». Москва, 2001; Ребров В.Г., Громова О.А. Витамины, макро- и микроэлементы: обучающие программы РСЦ института микроэлементов ЮНЕСКО Издательство: ГЭОТАР-Медиа, 2008г. C.587-596. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=19497570) зарегистрированные в настоящее время БАД (а также аналогичные лекарственные препараты и премиксы для животных, не рассматривавшиеся в указанных источниках) представляют собой смеси водорастворимых неорганических соединений йода (йодида или, реже, йодата калия) и селена (селенита или селената натрия). Исключительная популярность подобных комбинаций обусловлена простотой и дешевизной приготовления подобных композиций, однако общеизвестны и их серьезные недостатки. Отмечается сравнительно высокая токсичность минеральных препаратов йода и селена (LD для соединений селена - 4-5 мг/кг, для соединений йода - 60-100 мг/кг) и, главное, химическая нестабильность и склонность к вторичным фармакокинетическим и фармакодинамическим взаимодействиям с неорганическими компонентами атмосферы, воды, пищи или пищевого полуфабриката.
Действительно, окисление иодид-иона кислородом воздуха с последующей потерей летучего молекулярного йода является причиной малого срока годности йодсодержащих БАД - в том числе и наиболее известной из них, йодированной соли. Срок годности этой добавки составляет 6 месяцев, однако, в зависимости от условий хранения, двукратное уменьшение концентрации йодид-ионов в этом продукте может наблюдаться через 3-10 месяцев; при йодировании соли йодатом калия срок хранения поваренной соли увеличивается незначительно. Еще быстрее протекает процесс потери йода из полимикроэлементных БАД, лекарственных препаратов или премиксов для животных, содержащих, наряду с йодидами и йодатами, ощутимые количества ионов переходных металлов (соединения железа, марганца, кобальта, меди и пр. - катализаторы окислительно-восстановительных реакций с участием йодсодержащих ионов).
Неорганические соединения йода, как правило, не выдерживают и сколько-нибудь жестких условий кулинарной обработки пищи: даже кратковременное кипячение их водных растворов приводит к необратимой потере 30-60% исходного количества йода. Кроме того, минеральный йод обладает высокой токсичностью: максимальное допустимое суточное потребление йода в РФ составляет 300 мкг (МР №2.3.1.1915-04 МЗСР РФ, Москва, 2004, 34 с), рекомендация ВОЗ - не более 1000 мкг в сутки.
Значительно более безопасными и эффективными считаются йод- и селенсодержащие БАД, изготовленные на основе морских водорослей и продуктов их переработки. Действительно, подобные препараты со времен глубокой древности использовались в Китае, Японии и Юго-Восточной Азии для устранения болезненных проявлений йододефицита, они сравнительно дешевы, эффективны и малотоксичны, а достаточно высокая концентрация йода в сухой массе бурых водорослей позволяет ограничиться малыми суточными дозами подобных субстанций. Кроме того, существенная часть йода (15-25% от его общего содержания) присутствует в тканях водорослей уже в органической форме - в виде 3-йод-L-тирозиновых и 3,5-дийод-L-тирозиновых аминокислотных фрагментов соответствующих растительных белков. Ковалентная связь «углерод-йод» в таких веществах весьма прочна, и йод из состава ароматических йодсодержащих аминокислот уже не теряется ни при хранении, ни при тепловой обработке, не демонстрирует нежелательных химических взаимодействий в процессе хранения препарата или в ходе усвоения микроэлемента из желудочно-кишечного тракта.
К сожалению, общее содержание йода в бурых водорослях (ламинария сахаристая, пальчаторассеченная или зубчатая, фукус пузырчатый, ундария перистая и др.) варьирует в достаточно широких пределах - 0,005-0,25% от сухого веса, в зависимости от условий произрастания. Преобладающая часть йода (около 4/5 от общего количества) все же содержится в водорослях в ионном виде - в форме йодид- и йодат-анионов - и оттого также может быть потеряна в ходе технологической подготовки сырья, его длительного хранения или кулинарной обработки. Кроме того, кишечные пищеварительные ферменты млекопитающих не способны расщеплять пептидные связи, образованные моно- и дийодтирозинами (в отличие от пептидных связей исходного тирозина или других ароматических аминокислот): белки бурых водорослей сильно уступают белкам сухопутных сельскохозяйственных растений по показателям переваримости, и значительная часть «органического йода» морских водорослей человеком или высшими животными не может быть усвоена.
Очень интересна современная модификация этого подхода (то есть использования устойчивых йодоорганических соединений в качестве БАД): химическое йодирование тирозиновых остатков одного из молочных белков действием свободного йода или однохлористого йода на разбавленный водный раствор белка. Так, препарат под названием «Йодказеин» (ООО «НПК МЕДБИОФАРМ», ТУ 9229-001-48363077-99) - продукт жесткого йодирования казеина однохлористым йодом - содержит 7-10% йода и рекомендуется, в частности, для применения в пищевых производствах для обогащения различных продуктов питания «органическим йодом». Для индивидуального употребления предложен препарат «Биойод» (ООО «ТЕХНОВИТА», ТУ 9141-001-69752570-11), получаемый мягким ферментативным йодированием молочных альбуминов (1,5-2,0% йода).
В действительности же более 4/5 от общего количества йода, присутствующего в наиболее популярном препарате «Йодказеин» (рекомендован МЗ, РАМН и МСХ РФ для использования в качестве БАД как для индивидуального применения, так и в пищевой промышленности: МР 2.3.7.1916-04. Применение йодказеина для предупреждения йоддефицитных заболеваний в качестве средства популяционной, групповой и индивидуальной профилактики йодной недостаточности. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ МЗ, 2004. https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293846/4293846513.htm), представлено отнюдь не йодпроизводными аминокислот, а неорганическими соединениями йода и сложными эфирами кислородсодержащих кислот - производных положительно заряженного йода. Молочный белок, сильно окисленный в ходе жесткого йодирования, расщепляется панкреатическими протеазами кишечника ощутимо хуже исходного казеина, и всего около 1/15 от исходного количества йода в этом препарате освобождается в ходе протеолиза в виде йодированных ди- и трипептидов (с м.в. 0-500 Да), пригодных для усвоения энтероцитами - эпителиальными клетками кишечника («Проведение качественных и количественных анализов образцов йодированных белков «Биойод» производства ООО «Техновита» и «Йодказеин» производства ООО «Медбиофарм»». ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ. НЕГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР Центр Высоких Технологий "ХимРар", М., 2011. https://refdb.ru/look/2793682-pall.html).
Серьезный недостаток йодированных белков состоит в их полной нерастворимости (или крайне низкой растворимости) в воде: эта особенность сильно затрудняет технологическое использование йодированных белков с целью обогащения продуктов пищевых производств данным микроэлементом. Белки бурых водорослей в воде не растворяются вообще ни при каких условиях.
Данный методологический подход (введение гетероэлемента в аминокислотную последовательность природного белка) с успехом использован и для создания селенсодержащих (а не только йодсодержащих) БАД. Действительно, культивирование некоторых дрожжей-сахаромицетов в присутствии избытка селенита натрия приводит к частичному включению элементоорганических аминокислотных остатков селеноцистеина Se-CYS и селенометионина Se-MET в аминокислотную последовательность соответствующих дрожжевых белков (обычно Se-CYS и Se-MET включаются в белок в мольном соотношении ~ 1:2). Сухая биомасса таких дрожжей, а также препараты частично очищенного или автолизованного дрожжевого белка иногда используются в качестве источника пищевого селена (напр., импортные препараты БАД «Йодоселен» («Парагон лабораториз Инк», США), СГР: № 77.99.11.003.E.009774.10.15 от 23.10.2015; БАД «СЕЛЕН» («Архон Витамин Корпорэйшн», США), СГР № 77.99.23.3.У.4667.4.05 от 28.04.2005; БАД «СЕЛЕН СОЛГАР» («Солгар Витамин», США), СГР № 77.99.23.3.У.5465.6.09 от 03.06.2009 и др.)
Параметры токсичности «органического дрожжевого селена» не слишком сильно отличаются от аналогичных параметров соединений четырех- и шестивалентного неорганического селена (в пересчете на единицу содержания чистого селена), а по характеристикам эффективной переваримости неорганические селенсодержащие БАД даже ощутимо превосходят препараты «органического селена» - не говоря уже о несоизмеримо большей стоимости суточной дозы активного вещества в последнем случае. И тем не менее препараты «органического селена» обладают, в сравнении с водорастворимыми селенитами и селенатами щелочных металлов, одним несомненным и чрезвычайно важным преимуществом - ТОКСИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ: их применение сводит к минимуму риск селеновой интоксикации при случайной передозировке препарата малокомпетентным потребителем.
Наиболее близким к предложенному препарату (прототипом) является препарат Йодоселен, содержащий витамин С (аскорбат калия или аскорбат магния), витамин Е (30% смесь d-токоферолов: альфа, бета, гамма, сигма), йод (из экстракта ламинарии), селен (селенометионин) (см. «Йодоселен», страница в Интернете https://vitamax-moscow.ru/jodoselen).
Недостатками данного препарата является то, что его затруднительно использовать для обогащения других продуктов, так как данный препарат не может быть растворен в воде. Также основная часть йода из экстракта ламинарии содержится в форме йодид- и йодат-анионов - и оттого может быть потеряна в ходе технологической подготовки сырья, его длительного хранения или кулинарной обработки. Кроме того, кишечные пищеварительные ферменты млекопитающих (в том числе человека) не способны расщеплять пептидные связи, образованные моно- и дийодтирозинами, так что часть «органического йода» из морских водорослей (ламинарий) человеком или высшими животными не может быть усвоена.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в создании микроэлементной биологически активной добавки к пище, которая обладает:
• высокой химической стойкостью и неизменностью состава в ходе длительного хранения или кулинарной обработки;
• независимостью степени усвоения микроэлемента от особенностей основного рациона потребителя, отсутствием нежелательных химических взаимодействий микроэлементных добавок между собой (или с иными минеральными или органическими составляющими пищи) в процессе ее усвоения в ЖКТ;
Техническая проблема решается биологически активной добавкой к пище, представляющей собой водный раствор, содержащий йод и селен в форме неионных соединений, пари этом добавка содержит йод в форме 3,5-дийод-L-тирозина, а селен - в составе железо-декстринового комплекса, при следующем содержании йода и селена в граммах на 1 л раствора:
йод
1 - 50
селен
1 - 10
Замена йодированных белков молока или водорослей (то есть соединений высокомолекулярных, включающих лишь отдельные редкие фрагменты моно-3-йод-L-тирозина или ди-3,5-дийод-L-тирозина) химически индивидуальными мономерными формами моно-3-йод-L-тирозина или ди-3,5-дийод-L-тирозина (соединениями низкомолекулярными, не требующими предварительной деполимеризации препарата действием протеаз пищеварительного тракта) позволяет предложить йодсодержащую БАД, сочетающую следующие достоинства: высокое содержание гетероэлемента, водорастворимость, токсическая безопасность, химическая устойчивость в ходе хранения и биологического усвоения, лишенную основных недостатков вышеупомянутых препаратов.
Абсолютно сходный в биохимическом отношении прием (его можно назвать «диверсификацией путей доставки микроэлемента в энтероцит») может быть применен и для случая с селенсодержащим БАД: здесь также предлагается использовать производное ковалентно связанного селена, усваивающееся клетками кишечного эпителия по совершенно иному, неионному, механизму (принципиально отличному от банального трансмембранного транспорта селенит- или селенат-ионов). Действительно, наночастицы коллоидных железо-декстриновых препаратов типа «МАЛЬТОФЕР», «ФЕРРУМ ЛЕК», «БИОЖЕЛЕЗО» усваиваются энтероцитами за счет того же механизма, что и мицеллы водонерастворимых липидов пищи - путем пиноцитоза (захвата капли жидкой фазы с содержащимися в ней частицами твердой фазы и последующего ферментативного расщепления захваченных частиц во внутриклеточном пространстве энтероцита).
-
-
2-
2-
3
3
4
Отказ от применения простейших ионных форм упомянутых микроэлементов (I, IO, SeO, SeO) позволил создать комбинированную йодселенсодержащую БАД, характеризующуюся:
• весьма низкой острой токсичностью и гарантированной токсической безопасностью;
• высокой химической стойкостью и неизменностью состава в ходе длительного хранения;
• независимостью степени усвоения микроэлемента от особенностей основного рациона потребителя, отсутствием нежелательных химических взаимодействий микроэлементных добавок между собой (или с иными минеральными или органическими составляющими пищи) в процессе ее усвоения в ЖКТ;
• высокой концентрацией целевых микроэлементов в препаратах;
• высокой растворимостью препаратов в воде, что исключает необходимость выполнения каких-либо операций по предварительной подготовке препаратов для их применения в пищевых производствах.
2
3
Йод и селен являются биохимическими синергистами, а суточные нормы их потребления человеком соотносятся приблизительно как 2:1 - 4:1 (120-150 мкг йода против 40-60 мкг селена). Таким образом предложенный препарат можно считать синергической композицией пары микроэлементов, йода и селена, в их неионогенных формах. Он представляет собой гомогенный красно-бурый водный раствор с рН=8,0-10,0, содержащий неионную форму йода в виде его элементоорганического соединения 3,5-дийод-L-тирозина и неионную форму селена, включенного в ковалентную решетку FeO железо-декстриновых наночастиц.
Препарат позволяет устранить недостаток йода и селена в рационах людей и животных, а его отличительной чертой является полное отсутствие ионных форм данных микроэлементов (йодид-, йодат-, периодат-, селенид-, селенит-, селенат-ионов). Йод присутствует в предложенном препарате в виде высоко физиологичной аминокислоты 3,5-дийод-L-тирозина (то есть промежуточного продукта процесса биохимического синтеза гормонов щитовидной железы из йодид-ионов): молекула данного соединения включает прочную ковалентную связь атома йода с углеродом ароматического цикла.
2
3
Ковалентно связанные атомы четырехвалентного селена вводятся в композицию в составе железо-декстринового наноколлоида (при этом структурные фрагменты >Se=O замещают атомы железа в кристаллической решетке окиси FeO неорганического ядра наночастицы) (см. RU 2409375 С1, опуб. 20.01.2011).
Предложенную микроэлементную биологически активную добавку готовят следующим образом.
Концентрированный раствор декстрина, содержащий хлорид Fе (III) и селенит натрия (состав и пропорции для каждой группы животных или человека установлены согласно отработанным рекомендациям), нейтрализуют при перемешивании концентрированным раствором соды до начала образования осадка, подщелачивают смесь раствором едкого натра до рН 9-11, нагревают смесь до температуры растворения осадка, полученный красно-бурый раствор подкисляют концентрированной НСl до рН 5,8-6,5. Концентрирование и обессоливание коллоидного раствора проводят ультрафильтрацией на мембранах с пределом эксклюзии более 10 кДа.
Приготовление устойчивых наноколлоидов железо-декстрина, модифицированного селеном (ковалентно включенным в кристаллическую решетку окиси железа в концентрации 0,1-20,0 вес% от содержания железа), подробнее описано в патенте RU 2409375 С1. Спектрофотометрический контроль состава получаемого препарата свидетельствует о количественном ковалентном связывании селенит-ионов, введенных в реакционную смесь, кристаллической решеткой окиси железа (III) - основы неорганического ядра наночастиц железо-декстриновых коллоидов.
ПРИМЕР ПРИГОТОВЛЕНИЯ БАД, СОДЕРЖАЩЕЙ ЙОД И СЕЛЕН В КОНЦЕНТРАЦИЯХ 10 г/л и 4 г/л СООТВЕТСТВЕННО
ИСХОДНЫЙ КОМПОНЕНТ 1: СЕЛЕНСОДЕРЖАЩИЙ ЖЕЛЕЗО-ДЕСТРИНОВЫЙ НАНОКОЛЛОИД. Концентрированную наносуспензию селенсодержащих железо-декстриновых наночастиц готовят в соответствии с методикой, приведенной в патенте «Способ получения микроэлементного лекарственного средства на основе железо-декстринового комплекса», RU №2409375. При этом в качестве исходных материалов используют 50,0 кг шестиводного хлорного железа, 1,20 кг селенита натрия и 30 кг декстрина с молекулярным весов 2-5 КДа. Получают 100 л жидкого концентрированного наноколлоида, содержащего 100 г/л неионного железа и 6,1 г/л ковалентно связанного селена.
ИСХОДНЫЙ КОМПОНЕНТ 2: КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ 3,5-ДИЙОД-L-ТИРОЗИН. Усовершенствованный метод мягкого йодирования L-тирозина в уксуснокислой среде (см. патент US 2,835,700, 20.05.1958) использован для синтеза препарата 3,5-дийод-L-тирозина: типичный образец, судя по результатам хроматографического и объемного анализа, содержит 97-98% целевого вещества, 1-3% моно-3-йод-L-тирозина и следовые, на уровне 0,2%, концентрации исходного тирозина, ацетатов и йодидов щелочных металлов (температура плавления безводного препарата - 230-234°С, с разложением).
ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ПРОДУКТ 3: СЛАБОЩЕЛОЧНОЙ РАСТВОР 3,5-ДИЙОД-L-ТИРОЗИНА. К смеси 60 г кристаллического 3,5-дийод-L-тирозина и 0,5 л воды при перемешивании прибавляли концентрированный раствор едкого натра до полного растворения осадка аминокислоты, доводили объем раствора до 1,00 л, а величину рН - до 9,6-9,8. Концентрация неионного йода в промежуточном продукте - 30 г/л.
КОНЕЧНЫЙ ПРОДУКТ 4 - БАД смешивали 330 мл щелочного раствора 3,5-дийод-L-тирозина (ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ПРОДУКТ 3) с концентрацией неионного йода, равной 30 г/л, и 670 мл раствора селенсодержащего железо-декстринового наноколлоида, содержащего селен в концентрации 6 г/л (ИСХОДНЫЙ КОМПОНЕНТ 1). Полученный раствор, содержащий 4 г/л селена и 10 г/л йода, пастеризовали и консервировали прибавлением 1,5 г метилпарабена (допустима также стерилизация при 110°С или 120°С).
ПРИМЕРЫ СОСТАВОВ БАД
В таблице приведены примеры предложенной БАД с другим различным содержанием микроэлементов.
Таблица
Микроэлемент
Содержание микроэлемента, г/л
БАД 1
БАД 2
БАД 3
БАД 4
Йод
1
11
30
50
Селен
1
4
7
10
Предложенная БАД всех приведенных составов обладает хорошей растворимостью, химической и фармакодинамической стабильностью. Как селенсодержащий компонент данной синергической композиции (железо-декстриновый коллоид), так и ее йодсодержащий компонент (3,5-дийод-L-тирозин) хорошо растворимы (до 15-20 %) и достаточно устойчивы в ходе хранения. Характеристики БАД и ее компонентов не изменяются при хранении в течение 3-4 года, по данным метода «ускоренного старения» (И-42-2-82 ВРЕМЕННАЯ ИНСТРУКЦИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ РАБОТ С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРОКОВ ГОДНОСТИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА "УСКОРЕННОГО СТАРЕНИЯ" ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ. ВВЕДЕНА В ДЕЙСТВИЕ Приказом Министерства здравоохранения СССР и Министерства медицинской промышленности 18 апреля 1983 года № 430/224.) в слабощелочных водных растворах при рН 8,0-9,5. Компоненты препарата не демонстрируют сколько-нибудь ощутимых взаимодействий между собой, а также с белковыми, липидными и углеводными компонентами пищевых продуктов в ходе кипячения в воде.
Препарат совершенно индифферентен в отношении компонентов комбикормов и премиксов и может быть использован в качестве источника микроэлементов в комбикормовых производствах и в ветеринарной фармакологии.
Применение БАД для обогащения продуктов питания или кормов для животных (как в ходе их индивидуального употребления, так и в технологических процессах пищевых производств) не требует какой-либо ее предварительной подготовки. Соответствующий объем жидкого препарата просто смешивают с водной фазой обогащаемого микроэлементами пищевого продукта - или наносят препарат путем опрыскивания поверхности твердых частиц сухого пищевого (кормового) продукта.
50
50
50
Крайне низкая токсичность предлагаемой композиции делает невозможным корректное определение величин LD: ни при каких физически достижимых дозах готового препарата - или каждого из двух его индивидуальных компонентов - не была зафиксирована гибель подопытных животных (испытания проводились на белых крысах обоих полов весом 200 ± 25 г при пероральном введении максимально возможных доз концентрированных препаратов через желудочный зонд). Удалось лишь констатировать, что величина LDпо чистому селену (входящему в состав селенизированного железо-декстрина), во всяком случае, значительно превышает 150 мг/кг, а величина LDпо чистому йоду (в составе 3,5-дийод-L-тирозинового компонента) превышает 1000 мг/кг. Таким образом, токсичность препарата по селену (в пересчете на единицу массы микроэлемента) оказывается по меньшей мере в 40-50 раз меньшей, нежели токсичность неорганических соединений селена, а его токсичность по йоду - как минимум в 10-15 раз меньшей, чем у неорганических соединений йода.
ПРИМЕР ПРИМЕНЕНИЯ БАД. Предложенный препарат с содержанием неионных форм иода и селена, равным соответственно 11 мг/мл и 4 мг/мл (состав № 2 таблицы), использован для обогащения питьевого молока данными микроэлементами (в концентрациях соответственно 200 мкг/л и 80 мкг/л). С этой целью к 1000 л молока добавили 20 мл препарата и перемешали: 0,5 л такого продукта содержат приблизительно суточную дозу каждого из указанных микроэлементов.
Применялись БАД других составов, указанных в таблице. Все они позволяют создать суточную дозу каждого из указанных микроэлементов при соответствующем соотношении объемов препарате и молока.
Предлагаемое решение проблемы дефицита данных микроэлементов (использование их водорастворимых неионных форм) обеспечивает возможность надежной адресной доставки йода и селена в организм человека или животного, позволяет добиться химической неизменности ее биологически активных компонентов в ходе хранения, кулинарной обработки и пищеварительного усвоения препаратов, устраняет зависимость степеней усвоения микроэлементов от особенностей основной диеты потребителя.
Препаративная форма данной композиции готова к непосредственному использованию (как при индивидуальном применении, так и в технологических процессах пищевых или комбикормовых производств) и не требует выполнения каких-либо подготовительных операций.