Катехины – Фенольные соединения

Фенольные соединения в пищевых продуктах

Фенольные соединения, т. е. производные фенола, которых насчитывается свыше тысячи в раститель­ных продуктах, играют важную биологическую роль в клет­ках и тканях растений. В растительных продуктах они нахо­дятся в свободном состоянии, а чаще в связанной форме. Фенольные соединения обусловливают устойчивость плодов и овощей к фитопатогенным микроорганизмам, придают вкус, аромат и окраску продуктам.

К фенольным соединениям относятся: салициловая и бен­зойная кислоты, кофейная кислота, которая находится в кофе; хинная кислота, обнаруженная в яблоках, вино­граде, чернике, клюкве и сливах; хлорогеновая кислота, мо­лекула которой состоит из двух бензольных колец — остатков хинной и кофейной кислот, соединенных по типу сложных эфиров.

Хлорогеновая кислота участвует в процессах внут­риклеточного дыхания: она легко окисляется и восстанавли­вается. Ее окисленная форма — хинон — обладает сильной защитной реакцией от микроорганизмов. Хлорогеновая кис­лота распространена в растениях, найдена в картофеле, яб­локах и др.

Полиоксифенольные соединения с молекулярной массой 600—2000 принято называть дубильными веществами.

Дубильные вещества

Дубильные вещества находятся в плодах, овощах, чае, кофе и др. Наиболее богаты ими чай зеленый (от 10 до 30%) и черный (от 5 до 17% в пересчете на сухое вещество), терн (1,7%), хурма (до 2%), кизил, айва (0,6%), черная смородина (0,4%) и др. Терпкий, вяжущий вкус чая, черемухи, терна, хурмы обусловливается содержанием в них дубильных веществ.

Из дубильных веществ в пищевых продуктах преобладают гидролизуемые, или танины, и конденсированные, или катехины.

Гидролизуемые дубильные вещества — сложные эфиры, образованные углеводами (чаще всего глюкозой) и цепочкой фенолкарбоновых кислот (галловой, метадигалловой, протокатеховой и др.), соединенных между собой через атомы кислорода.

Танины легко гидролизуются под действием фермента таназы или кислот, с солями окиси железа дают темно-синее окрашивание. Гидролизуемые дубильные вещества находятся в чае, кофе и др.

Галловая и протокатеховая кислоты в сво­бодном виде обнаружены в некоторых плодах. Конденсированные дубильные вещества — соединения, в молекулах которых фенольные (ароматические) ядра сое­динены через атомы углерода. В отличие от гидролизуемых дубильных веществ конденсированные дубильные вещества при нагревании с разбавленными кислотами подвергаются дальнейшему уплотнению. Их называют катехинами.

К ним относится не только катехин, но его изомеры (эпикатехины) и производные: сложные эфиры катехинов и галловой кис­лоты (катехингаллаты, галлокатехингаллаты, эпикатехингал- латы и др.). Катехины — бесцветные соединения, легко окисляются, с солями железа дают темно-зеленое окраши­вание.

Дубильные вещества растворимы в воде, осаждают белки из растворов. На последнем свойстве дубильных веществ ос­новано осветление вин: белки с дубильными веществами об­разуют нерастворимые соединения, которые захватывают взвешенные в вине частицы и оседают с ними на дно. Этим же объясняется ощущение «вяжущего» вкуса свободных ду­бильных веществ.

Дубильные вещества дают нерастворимые осадки со свинцовыми солями и алкалоидами. Поэтому при отравлении организма алкалоидами как противоядие вводят дубильные вещества.

Под действием фермента полифенолоксидазы хлорогеновая кислота и дубильные вещества окисляются, образуя ко­ричневого и красного цвета аморфные вещества, называемые флобафенами. Образованием флобафенов обусловливается в основном цвет настоя чая, потемнение мякоти нарезанных плодов.

Для предупреждения потемнения нарезанных плодов и овощей инактивируют полифенооксидазу прогреванием сырья острым паром (при изготовлении сушеных овощей и компотов) или блокируют активную часть фермента, обраба­тывая сырье сернистым ангидридом (при производстве су­шеных плодов).

Дубильные вещества участвуют в образовании аромата продуктов. Например, при производстве чая происходит окислительное дезаминирование аминокислот чайного листа хинонами (первичными продуктами окисления катехинов), в результате чего образуются альдегиды, которые сами или про­дукты их превращения образуют аромат чая.

Дубильные вещества способствуют более длительной сохраняемости про­дуктов (вин, пива и др.), так как обладают бактерицидными свойствами. К фенольным соединениям относятся антоцианы, флавоны, флавонолы, придающие окраску плодам и овощам.

Характеристика фенольных соединений

Фенольные соединение – вещества ароматической природы, которые содержат одну или несколько гидроксильных групп, связанных с атомами углерода ароматического ядра.

Фенольные соединения представляют собой один из наиболее распространенных и многочисленных классов природных соединений, обладающих биологической активностью. Фенольные соединения наиболее распространены и свойственны практически каждому растению и даже каждой растительной клетке.

Отличной чертой фенольных соединений является формирование огромного числа соединений за счет модификаций молекулы и образования конъюгатов с разнообразными структурами. Из модификаций для фенольных соединений характерны образование глюкозидов, метилирование и метоксилирование. За счет гидроксильных и карбоксильных групп фенольные соединения могут связываться с сахарами, органическими кислотами, растительными аминами, алкалоидами. Помимо этого растительные фенолы могут соединяться с изопреноидами, образуя большую группу пренилированных фенолов. Такие свойства фенольных соединений обеспечивают огромное разнообразие структур, характерное для растительных фенолов.

По числу ОН-групп различают одноатомные (например, сам фенол), двухатомные (пирокатехин, резорцин, гидрохинон) и многоатомные (пирогаллол, флороглюцин и др.) фенольные соединения.

Фенольные соединения существуют в свободном виде и виде мономеров, димеров, олигомеров и полимеров, в основу классификации природных фенолов положен биогенетический принцип. В соответствии с современными представлениями о биосинтезе их можно разбить на несколько основных групп:

соединения С₆-ряда – простые фенолы, бензохиноны;

соединения С₆ – C₁-ряда – производные бензойной кислоты (фенольные кислоты);

соединения С₆ – C₂-ряда – фенолспирты и фенолуксусные кислоты, ацетофеноны;

соединения С₆ – C₃-ряда – производные фенилпропана (оксокоричные кислоты и спирты, фенилпропены, кумарины, изокумарины и хромоны);

соединения С₆ – C₁-C₆-ряда – бензофеноны и ксантоны;

соединения С₆ – C₂-C₆-ряда – стилбены и антрахиноны;

соединения С₆ – C₃-C₆-ряда – флавоноиды и изофлавоноиды;

соединения С₆ – C₃ – С₃ – C ₆ -ряда – лигнаны и неолигнаны;

полимерные фенольные соединения – лигнины, танины, танииды, меланины.

Индивидуальные флавоноиды могут быть названы по трем номенклатурам. Тривиальная номенклатура используются широко, в ней иногда указывают группу флавоноида или вид растения, послужившего источником для данного соединения. Например, названия, заканчивающейся на «-етин» обычно обозначают флавонолы (кверцетин), соединение трицин извлечен из растения, принадлежащего к роду Triticum. По рациональной номенклатуре в основе идет название структурного скелета, такие как флавон или халкон, например, 3,5,7,3’4′-пентагидроксифлавон. Наконец, флавоноидам может быть дано систематическое химическое название, например, 3,4-дигидро-2-фенил-2H-1-бензопиран для флавана, но этот метод является громоздким и используется редко [1].

Большинство флавоноидов – твердые кристаллические вещества, окрашенные в желтый цвет (флавоны, флавонолы, халконы, ауроны) или бесцветные (катехины, лейкоантоцианидины, флаваноны, изофлавоны). Наиболее яркие оттенки свойственны антоцианам, которые придают растительным тканям красную, синюю или фиолетовую окраску. Гликозилированные формы, как правило, хорошо растворимы в воде, нерастворимы или малорастворимы в органических растворителях (хлороформ, эфир и др.). Агликоны хорошо растворяются в низших спиртах (метиловом и этиловом), ацетоне, этилацетате и в растворах щелочей.

О-гликозиды при действии разбавленных минеральных кислот и ферментов более или менее легко гидролизуются до агликона и углеводного остатка. С-гликозиды с трудом расщепляются лишь при действии крепких кислот (концентрированная хлористоводородная или уксусная кислоты) или их смесей при длительном нагревании.

Легко окисляются в присутствии кислорода, под действием света и щелочей катехины и лейкоантоцианидины, превращаясь в окрашенные соединения – продукты конденсации, вплоть до высокомолекулярных полимерных форм. Остальные флавоноиды более устойчивы к окислению.

В зависимости от структуры фенольные соединения имеют разную биологическую активность и играют важную роль в растительном организме. В первую очередь это защитные вещества против различного рода патогенных микроорганизмов, а так же против насекомых и травоядных животных. Кроме того, они определяют свойства древесины и коры, обеспечивают различную окраску лепестков цветков и других частей растения. В растениях фенольные соединения играют важную роль в некоторых промежуточных этапах процесса дыхания. Установлено, что некоторые фенольные соединения играют важную роль в фотосинтезе в качестве кофакторов. Они используются растениями как энергический материал для разнообразных процессов жизнедеятельности, являются регуляторами роста, развития и репродукции, оказывая при этом как стимулирующее, так и ингибирующее воздействие.

Фенольные соединения имеют большое практическое значение для человека, обладая широким спектром фармакологического действия, при этом сила проявляемых ими эффектов зависит от многообразия их структур.

Токсичность фенольных соединений невелика и составляет следующий ряд, в котором первые два вещества практически безвредны: флавоноиды

Фенольные соединения – Катехины винограда

Содержание материала

Катехины представляют собой наиболее восстановленные, а флавонолы — наиболее окисленные соединения. Взаимное превращение одной группы флавоноидов в другую происходит посредством окисления и восстановления. Катехины и лейкоантоцианы легко подвергаются окислению и восстановлению, а также способны к легкой полимеризации.
Катехины, лейкоантоцианы, флавононы и флавонолы — бесцветные вещества, флавоны и флавонолы окрашены в желтый цвет, антоцианы имеют разнообразные оттенки красного, синего и фиолетового цветов.
Химическая формула катехинов была установлена К. Фрейденбергом. Он также показал, что катехины при нагревании в водных растворах претерпевают эпимеризацию. При нагревании ему удавалось превращать (+)-галлокатехин в (—)-галлокатехин, (+)-катехин в (—)-катехин. Некоторые авторы считают, что в растениях существуют одна и две формы катехинов, а в процессе выделения эти формы подвергаются эпимеризации.

Биосинтез и метаболизм фенольных соединений.

В 50-х годах была сделана попытка установить биосинтез фенольных соединений. Было показано, что эти вещества синтезируются в растениях из углеводов через промежуточное соединение миоинозита. Но внедрения меченого С14 миоинозита в состав фенольных соединений растений не было обнаружено.
Позднее А. Л. Курсанов (1952) впервые показал, что при вакуум-инфильтрации раствора хинной кислоты в листьях чайного растения через некоторое время наблюдается образование рядовых полифенолов (катехины и галовая кислота).
С. П. Костычев (53] считал, что в растениях хинная кислота легко превращается в галловую и гидрохинон и является связывающим звеном между углеводами и фенольными соединениями.

Шикимовый путь образования фенольных соединений.

Шикимовая кислота является как бы первой ступенью при переходе от алициклических соединений к ароматическим. X. Фишеру удалось осуществить превращения хинной кислоты в шикимовую. Образование шикимовой кислоты является первым этапом на пути перехода алициклических соединений к ароматическим.
Исследования Μ. Н. Запрометова [38] также показали, что при введении в молодые побеги чайного куста меченого радиоактивного углерода в виде растворов глюкозы, фруктозы, шикимовой кислоты и ацетата натрия через 6—24 ч наблюдается удельная радиоактивность отдельных катехинов. Наилучшим предшественником является шикимовая кислота, промежуточное место занимает ацетат натрия и значительно хуже используются углеводы. Эти опыты позволили установить, что радиоактивная шикимовая кислота включается в галловые и пирокатехиновые фрагменты молекул катехинов.
Полученные данные свидетельствовали о том, что биосинтез фенольных соединений в растениях совершается в основном двумя путями — через шикимовую кислоту и через ацетат натрия в виде ацетил-КоА и малонил-КоА. Через ацетат осуществляется синтез м-полифенолов, а через шикимовую кислоту — о- и п-замещенных полифенолов.

Роль фенольных соединений в окислительно-восстановительных процессах.

Фенольные вещества играют важную роль в обмене веществ растений. Но еще недавно существовало мнение, что фенольные соединения представляют собой конечные продукты метаболизма высших растений. А между тем экспериментальные работы последних лет показали, что фенольные вещества не только синтезируются высшими растениями, но и подвергаются в них разнообразным превращениям: участвуют в дыхании, фотосинтезе; предполагают, что они играют роль в образовании иммунитета
и др.
В последнее время особое внимание уделяют специфическим окисленным полифенолам — хинонам (убихинонам). Убихиноны (витамин К), сосредоточены в митохондриях растений и являются звеньями дыхательной цепи. Они занимают промежуточное место между флавопротеинами и цитохромами.
На конечных этапах дыхательного процесса хиноны являются акцепторами водорода. Присоединяя водород, хиноны восстанавливаются и вновь окисляются о-дифенолоксидазой в хиноны. Исходя из этого, А. И. Опарин (1927 г.) считал, что полифенолы служат связующим звеном между водородом дыхательного субстрата и кислородом воздуха.
Дегидрирование фенольных соединений типа полифенол или гидрохинон, но Михаэлису, протекает в две стадии. При этом образуется промежуточный продукт с непарным числом электронов:

Методом ЭПР было показано, что при ферментативном окислении полифенолов устанавливается равновесие между полностью восстановленной (катехол) и полностью окисленной (хинон) формами.
На первом этапе окисления один электрон от катехола передается атому меди полифенолоксидазы. На втором этапе две молекулы семихинона неферментативно дисмутируют с образованием гидрохинона и хинона.
Как ферментативное действие о-дифенолоксидазы, так и аутоксидация сопровождаются поглощением кислорода и выделением углекислоты. При этом на 1 моль катехина расходуется 1 моль кислорода.
Выделение углекислоты свидетельствует о расщеплении исходных молекул катехинов.
Исследования Б. В. Вартапетяна и А. Л. Курсанова (1955) показали, что при неферментативном окислении катехина в щелочной среде в состав продуктов окисления включается как атмосферный кислород, так и кислород воды, а при ферментативном — только кислород воды. Основываясь на полученных результатах, авторы пришли к заключению, что могут существовать различные механизмы ферментативного и аутоксидабельного окисления катехинов.

Превращение фенольных соединений.

Фенольные соединения очень легко подвергаются окислению, особенно при действии энзимов. Ферментами, катализирующими окисление фенольных соединений, являются о-дифенолоксидаза и пероксидаза. Скорость окисления зависит от pH среды. При pH 2 катехины образуют димеры со светлой окраской с сохранением пирогалловых и флороглюциновых ядер.
При pH от 4 до 8 аудоксидация катехинов сопровождается образованием флобафенов с красной окраской. При pH выше 8 аутоксидация катехинов приводит к образованию соединения типа меланинов или гуминовых кислот.
А. В. Богатский, Ю. Л. Жеребин, С. Ю. Макан [11] при подщелачивании вина выделили из него меланины. Но pH вина колеблется от 2,7 до 4,5 и выше этих значений pH не бывает, поэтому они пришли к выводу, что меланины в вине не образуются.
По данным С. В. Дурмишидзе [29], в винограде также не были найдены флобафены.

Считают, что фенольные кислоты являются предшественниками дифенолов, которые затем полимеризуются в так называемые таниды [154]. В процессе созревания винограда имеет место и деградация фенольных соединений с образованием более простых фенолов.
Окислительная конденсация фенольных соединений имеет место как при ферментативных реакциях, так и при аутоксидации катехинов и других производных. Примером могут служить дубильные вещества, проантоцианидины, лигнин и др. Инициаторами конденсации фенольных соединений являются о-дифенолоксидаза и пероксидаза.
Образованные при ферментативном окислении фенольные соединения, хинонные формы или свободные радикалы в дальнейшем неферментативно взаимодействуют с неокисленными формами катехинов и образуют димеры. Последние вновь подвергаются ферментативному окислению с образованием тримеров.
При окислительной конденсации катехинов молекулярная масса увеличивается примерно в 2 раза. Исходя из этого, А. Л. Курсанов, К. М. Джемухадзе и Μ. Н. Запрометов составили схему конденсации катехинов, которая предусматривает предварительное окисление катехинов в соответствующие хиноны, так как конденсируются не сами катехины, а их хинонные формы без разрыва пиранового кольца:

Аналогичную схему дает и Е. Робертс. За последнее время были выделены продукты конденсации катехинов в виде димерных соединений.
Механизм конденсации катехинов, несомненно, более сложный, чем предполагают эти исследователи, поскольку при окислении катехинов происходит не только поглощение кислорода, но и выделение углекислоты.
К. Фрейденберг считает, что конденсация катехинов происходит и без предварительного окисления за счет размыкания пиранового ядра одной молекулы (+)-катехина и образования С3—С6, связанного со второй молекулой (+)-катехина.
Помимо конденсации и укрупнения молекул фенольных соединений существуют процессы окислительного расщепления флавоноидов. Раньше считали, что этот процесс осуществляют только микроорганизмы и в первую очередь грибы, которые способны использовать в качестве единственного источника углерода расщепление фенольных соединений. Расщепление бензольного ядра осуществляется специальными железосодержащими ферментами, так называемыми оксигеназами-кислородтрансферразами. Для этого необходимо, чтобы предварительно происходило гидроксилирование бензольного ядра и образовывались две оксигруппы.
Раньше господствовало представление о том, что высшие растения способны только синтезировать фенольные соединения. Однако давно было показано, что растения способны усваивать фенолы и его гомологи через листья и корни.
С. В. Дурмишидзе [32] с помощью меченых атомов доказал способность к расщеплению бензольного кольца фенольных соединений виноградной лозы. Он вводил в листья и корни растения меченые 1—6 С14-фенол и бензол и наблюдал образование меченых органических кислот, а также меченых аминокислот. Среди аминокислот метка фенола включается в лейцин, аланин, метионин, валин и в другие соединения нефенольной природы.

Физико-химические свойства фенольных соединений.

Фенольные вещества хорошо растворимы в спирте, эфире, ацетоне; нерастворимы в хлороформе и бензине. Исходя из этих свойств, был разработан суммарный метод выделения фенольных соединений. Из растительных объектов они извлекаются этилацетатом и осаждаются безводным хлороформом. С железом дают зеленое окрашивание, с ванилином и концентрированной соляной кислотой — красное окрашивание. Фенольные соединения осаждаются ацетатом свинца, хуже кожным порошком и желатином.
Молекулярная масса суммарного препарата дубильных веществ в начале созревания винограда колеблется от 450 до 500, а при физиологической зрелости она выше 500D. Видимо, происходит окисление катехинов с последующей конденсацией.
В. Димайр и А. Полстер (1958) разделили дубильные вещества вина с помощью сефадекса на две фракции с молекулярной массой от 5000 до 10 000D. По данным этих авторов, основная фракция дубильных веществ вина состоит из сильно полимеризированных фенольных соединений с высокой молекулярной массой. По-видимому, дубильные вещества связаны с белками.

Фенольные вещества винограда и вина.

В винограде фенольные вещества встречаются главным образом в виде катехинов и продуктов их конденсации, которые и называются дубильными веществами.
Первые исследования по изучению дубильных веществ в ягодах винограда и вине были проведены Η. М. Сисакяном, И. А. Егоровым, Б. Л. Африкяном (1948), С. В. Дурмишидзе [29], а за рубежом — К. Хеннигом, К. Керманом, П. Риберо-Гайоном (1968) и др.
Η. М. Сисакян, И. А. Егоров и Б. Л. Африкян (1948) установили существенные колебания количества фенольных соединений в различных органах виноградной лозы в процессе вегетации.

В условиях Армении в процессе созревания винограда содержание фенольных соединений постепенно нарастает и достигает максимума к началу созревания. Затем количество их в мякоти несколько уменьшается, а в семенах увеличивается, что связано с их превращением и оттоком в семена.
Η. М. Сисакян и его сотрудники также установили, что часть катехинов прочно связана с компонентами винограда, возможно с белками. Эти катехины выделяются при гидролизе щелочью. Количество щелочерастворимых катехинов увеличивается в процессе созревания винограда. Позднее это подтвердилось и было доказано, что фенольные соединения вступают в реакцию с белками за счет группы=N—СО белковой молекулы и гидроксильной группы фенольных соединений, вследствие чего молекулярная масса их увеличивается.
Пользуясь методом фракционирования ацетатом свинца и этилацетатом, а также методом распределительной хроматографии на бумаге, С. В. Дурмишидзе и Η. Н. Нуцупидзе выделили из винограда (—)-галлокатехин, (+)-галлокатехин, (+-)-катехин, (—) -эпикатехин, (+-)-эпикатехингаллат.
Η. Н. Гелашвили и К. М. Джемухадзе [19] показали, что семена и гребни содержат значительно больше катехинов. В семенах преобладают (-+)-катехин и (—)-эпикатехин; в гребнях и кожице— (+)-катехин и (—)-галлокатехин; в мякоти винограда этих катехинов значительно меньше. В более заметном количестве в ней содержатся (+)-катехин и (+) -галлокатехин, в меньшем (—)-эпикатехин и эпикатехингаллат — в следах.
По данным М. А. Бокучавы, Г. Г. Валуйко и А. М. Филиппова [12], в винограде идентифицировано пять катехинов: (—)-эпигаллокатехин, (+) -галлокатехин, (—)-катехин, (+)-катехин и (—) -эпикатехингаллат.
Исследования С. В. Дурмишидзе и А. Г. Шалашвили [31] показали, что при созревании винограда происходит превращение С14 (+)-катехина в продукты метаболизма. Эти продукты включаются в основные группы органических кислот, а также в углеводы и аминокислоты.
Таким образом, в ягодах винограда происходит окислительное расщепление (+)-катехина и через оксибензойные кислоты он участвует в биосинтетических процессах.

Источники:

http://chudoogorod.ru/produkty/fenolnye-soedineniya-v-pishhevyx-produktax.html
http://studwood.ru/1643588/matematika_himiya_fizika/harakteristika_fenolnyh_soedineniy
http://vinograd.info/knigi/osnovy-biohimii-vinodeliya/fenolnye-soedineniya-2.html