Kremík

Kremik

Kremík (Si) je nekovový prvok s atómovou hmotnosťou 28. Je to druhý najpočetnejší prvok v zemskej kôre s 28% hmotnosťou, ale zriedka sa nachádza v elementárnej podobe kvôli svojej veľkej afinite ku kyslíku, tvoriacej oxid kremičitý a kremičitany, ktoré sú z 92% najbežnejšími minerálmi. Kremeň (12%) a hlinitokremičitany, plagioklasa (39%) a alkalický živec (12%) sú najrozšírenejšie kremičitany. Sú prítomné v magmatických a sedimentárnych horninách a pôdnych mineráloch a sú to vysoko stabilné štruktúry, ktoré sa ľahko nerozkladajú, okrem prípadov rozsiahleho zvetrávania. Prirodzené hladiny rozpustného (dostupného) oxidu kremičitého sú teda nízke. Chemické a biologické zvetrávanie (rastliny, riasy a lišajníky) však uvoľňuje kremík z týchto stabilných minerálov a zvyšuje tak jeho biologickú dostupnosť. Rozpúšťanie Si z pôdnych minerálov vo vode vedie k hydrolýze tvorby rozpustných druhov oxidu kremičitého. Pod pH 9 a pri celkovej koncentrácii Si pod 2 mM je kremík prítomný predovšetkým ako Si (OH) 4, najstabilnejšia forma pri nízkej koncentrácii Si. Táto monomérna forma oxidu kremičitého, „monomérny oxid kremičitý“, je rozpustná vo vode a je slabou kyselinou (pKa 9,6), ktorá sa tiež označuje ako „kyselina monosiliková“ alebo „kyselina ortokremičitá“. Pri neutrálnom pH je tento štvorboký, nenabitý (t. j. neutrálny) druh relatívne inertný, podlieha však kondenzačným reakciám (polymerizácii) za vzniku väčších druhov oxidu kremičitého (kyseliny polysilikovej), najmä pri koncentráciách Si >2 - 3 mM. Skutočne iba vo veľmi zriedených roztokoch sa navrhuje, aby sa monomér nachádzal v čistej forme, pretože je často prítomný aj dimér [(HO) 3Si-O-Si (OH) 3] (nikdy však >2% ), a to aj v roztokoch výrazne pod 2 mM Si. Nad 2 mM Si, Si (OH) 4 podstupuje polymerizáciu za vzniku malých oligomérov (lineárne a cyklické triméry a tetraméry alebo cyklické dekaméry) a pri koncentrácii oveľa vyššej ako 2 mM budú tiež prítomné malé koloidné druhy, ktoré po agregácii nakoniec vzniknú pri tvorbe amorfnej zrazeniny, ktorou je pri neutrálnom pH (pH 6 - 7) gél. Polymerizácia Si (OH) 4 tak znižuje jeho rozpustnosť a tým aj biologickú dostupnosť.

Kremík existuje aj ako „organokremičité“ zlúčeniny alebo silikóny, ale tieto syntetické (umelo vyrobené) zlúčeniny sa zriedka vyskytujú v strave a všeobecne v prírode. Kremík ako Si (OH) 4 je inertný a donedávna sa predpokladalo, že sa nezúčastňuje na žiadnych chemických alebo biologických interakciách, aj keď je známe, že ho niektoré primitívne organizmy a rastliny aktívne prijímajú a transportujú za vzniku komplikovaných exoskeletónov a biogénneho pôvodu, oxid kremičitý, ktorého tvorba je podporovaná a riadená bielkovinami a polysacharidmi. Nedávno Kinrade et al uviedli, že Si (OH) 4 ľahko interaguje s alkyl diolmi cukrov za vzniku päť a šesť súradnicových komplexov Si, čo naznačuje, že sú možné interakcie s bio-molekulami.

Ľudia sú vystavení mnohým zdrojom kremíka vrátane prachu, farmaceutických prípravkov, kozmetiky a lekárskych implantátov a prístrojov, hlavným a najdôležitejším zdrojom vystavenia pre väčšinu populácie je však strava.

Odporúčaná denná dávka kremíka

Vek Muž Žena Tehotenstvo Dojčenie
0–6 mesiacov 10 mg 10 mg
7–12 mesiacov 10 mg 10 mg
1–3 roky 15 mg 15 mg
4-8 rokov 18 mg 18 mg
9-13 rokov 20 mg 20 mg
14-18 rokov 25 mg 25 mg
19-a viac rokov 30 mg 25 mg 25 mg 25 mg

Zdroje kremíka

Diétny príjem Si je u väčšiny západných populácií medzi 20 - 50 mg Si / deň; ≥ 2-krát vyššia ako obvyklý príjem železa a zinku. Vyšší príjem (140 - 204 mg / deň) bol hlásený v Číne a Indii, kde môžu byť prevažujúcou súčasťou stravy rastlinné potraviny. Príjem v rôznych vekových skupinách nie je dobre zdokumentovaný. Zdá sa, že je to podobné u detí (27 mg / deň) a dospelých (29 mg / deň) vo Fínsku, aj keď ich hlavné zdroje príjmu sú odlišné. U detí je hlavným zdrojom obilnín (68% celkového príjmu potravy), zatiaľ čo hlavným zdrojom u dospelých mužov je požitie piva (44%). Príjem u žien je nižší ako u mužov, čo je spôsobené vyšším príjmom piva u mužov. Pivo je vysoko biologicky dostupný prírodný zdroj kremíka. Príjem tiež významne klesá s vekom u dospelých (0,1 mg za každý ďalší rok).

Kremík v pitnej vode

Kremík v pitnej vode sa získava zo zvetrávania hornín a pôdnych minerálov, a pretože rôzne druhy minerálov sa menia rôznymi rýchlosťami, koncentrácia Si vo vode závisí od okolitej geológie. Napríklad vo Veľkej Británii sú koncentrácie Si nízke (0,2 - 2,5 mg / l) na severe a západe Británie („vysočina“ Británia), kde sú skaly „staré“ a dobre zvetrané, a voda je prirodzene mäkká. Naproti tomu hladiny Si sú oveľa vyššie (2,8 - 14 mg / l) na juhu a východe Británie („nížinná“ Británia) v dôsledku zvetrávania „mladých hornín“; voda je prirodzene tvrdá, pretože má vysoký obsah rozpustených tuhých látok, a je tiež zásaditá. Koncentrácia Si v európskych minerálnych vodách je v podobnom rozmedzí (4 - 16 mg / l) ako v nížinných pitných vodách a ich pH je zvyčajne okolo neutrálneho alebo mierne nad. Nedávno však boli zaznamenané vyššie hladiny (30 - 40 mg / l) v minerálnych vodách Spritzer a Fidži, z prírodných zdrojov v Malajzii a Fidži.

Pitná voda a iné tekutiny poskytujú najľahšie biologicky dostupný zdroj Si v strave, pretože kremík je v zásade prítomný ako Si (OH) 4 a požitie tekutín môže predstavovať ≥ 20% z celkového príjmu Si v potrave.

Potraviny ako zdroj kremíka

Oxid kremičitý v potravinách sa získava z prírodných zdrojov vrátane priľnavých častíc pôdy na povrchoch zeleniny a z jeho pridávania ako prísad. Prirodzené hladiny Si v potravinách sú oveľa vyššie v potravinách pochádzajúcich z rastlín ako v mäse alebo mliečnych výrobkoch. Rastliny prijímajú a akumulujú Si z pôdy a pôdnych roztokov, ktoré sa začleňujú ako štrukturálny komponent, ktorý dodáva stonkám pevnosť a tuhosť, napríklad v trávach a obilninách a tiež v niektorých rastlinách, ako je praslička roľná (Equisetum arvensa), kde je Si nevyhnutný. Takéto rastliny, nazývané „akumulátory Si“, sú všeobecne jednoklíčnolistové rastliny, ktoré zahŕňajú obilniny, trávy (napr. ryža) a niektoré byliny. Tieto akumulujú asi 10 - 20-krát viac Si ako dvojklíčnolistové rastliny (napr. strukoviny). V skutočnosti boli nedávno identifikované niektoré jednoklíčnolistové rastliny, ako napríklad ryža, ktoré aktívne absorbujú a transportujú gény súvisiace so Si. Rastliny produkujú biogénny (fytolitický) oxid kremičitý, ktorý je často spájaný s polysacharidovými / sacharidovými zložkami bunkovej steny.

Vysoký obsah Si sa nachádza v nerafinovaných („celých“) zrnách, ako je jačmeň, ovos, ryžové otruby a pšeničné otruby. Až 50% Si je prítomných v trupoch a plevách. Ryžové šupky napríklad obsahujú 110 mg Si / g a pri výrobe / priemyselnom spracovaní sa tieto odstránia, čo znižuje obsah Si v rafinovaných potravinách. Avšak obilné výrobky, ako sú raňajkové cereálie, múka a chlieb, sušienky, ryža, cestoviny, koláče a pečivo atď., sú stále vysokým zdrojom stravy Si. Jačmeň a chmeľ sa používajú na výrobu piva a pri drvení sa rozkladá ich fytolytický oxid kremičitý na rozpustné formy, takže tento nápoj obsahuje vysoký obsah Si. V porovnaní s tým majú vína a likéry / liehoviny nižšie hladiny Si. Cukrová trstina tiež aktívne prijíma Si a rafinované a nerafinované cukry majú tiež vysoký obsah Si.

Vysoký prírodný obsah Si je tiež prítomný v niektorých druhoch zeleniny, konkrétne vo fazuli (zelená, kenská, francúzska), v špenáte a koreňovej zelenine a v niektorých bylinách. Ovocie obsahuje nízke množstvo Si okrem banánov a sušeného ovocia a orechov. Veľmi málo Si sa však trávi v črevách a sprístupňuje sa z banánov (<2%).

Plody mora majú tiež vysoký obsah Si, mušle majú najvyššiu hladinu. Živočíšne a mliečne výrobky majú nízky obsah Si, vyššie hodnoty sa nachádzajú vo vnútornostiach a menej populárnych potravinových zložkách, ako sú mozog, srdce, pečeň, pľúca a obličky. Vysoká hladina Si je tiež prítomná v tepnách, kde udržuje celistvosť výstelky aortálneho tkaniva (nazývaná tunica intima).

Vybrané potravinové zdroje kremíka

Potravina mg/100 g %ODD*
Ovos celé zrno 425 1700
Jačmeň 188 752
Proso 128 512
Ovsené vločky 103 412
Cesnak 47 188
Cibuľa 47 188
Špenát 34 136
Sója 28 112
Slnečnicové semienka 25 100
Šalát 16 64
Pažítka 14 56
Pór 14 56

ODD je prepočítaná na 100 g u žien od 19 rokov.

Prísady ako zdroj kremíka

Ako je uvedené vyššie, Si sa tiež pridáva do priemyselných a spracovaných potravín ako prísady, čím sa zvyšuje obsah Si v týchto potravinách. Bežne je to vo forme kremičitanov, ako je kremičitan vápenatý, hlinitokremičitan sodný, hydrogénsilikát horečnatý (mastenec), trisilikát horečnatý, kremičitan hlinito-vápenatý, bentonit a kaolín. Tieto kremičitany sa buď extrahujú z ich prirodzene sa vyskytujúcich minerálov, alebo sa vyrábajú synteticky s vlastnosťami na mieru, konkrétne s veľkým povrchom s hygroskopickými vlastnosťami. Predpokladá sa, že kremičitany sú inertné a neabsorbujú sa v gastrointestinálnom trakte, a podľa predpisov Spojeného kráľovstva upravujúcich kremičité prísady sa pridávajú v množstve menej ako 2% hmotnosti potraviny. Kremičitany sa používajú ako látky protihrudkujúce pre lepšie tečúce a skladovacie vlastnosti, ako zahusťovadlá a stabilizátory, ako číriace látky v pive a víne, ako glazúry, leštiace a uvoľňovacie prostriedky v sladkostiach, ako prášok na poprašovanie v žuvačkách a ako poťahovacie prostriedky v ryži. Silikátové prísady sa považujú za inertné a nie ľahko sa vstrebávajú z gastrointestinálneho traktu.

Doplnky výživy

Kremík je tiež dostupný ako doplnok výživy vo forme tabliet a roztokov. Tieto vykazujú rôznu biologickú dostupnosť (<1 až> 50%) a väčšina vykazuje zanedbateľne nízku biologickú dostupnosť. 

Údaje z tretieho národného prieskumu zdravia a výživy odhadovali stredný príjem Si z doplnkov na 2 mg / d. Hlavnými používateľmi doplnkov Si boli dospelí (viac ako 19 rokov).

Nepotravinové zdroje kremíka

V niektorých farmaceutických výrobkoch je prítomný kremík. Kyselina kremičitá a kremičitany sodné sa v Nemecku na začiatku tohto storočia podávali perorálne alebo intramuskulárne ako možná liečba pľúcnej tuberkulózy a aterosklerózy. Neskôr sa oxid kremičitý nájdený v bambuse tiež používal ako možná liečba astmy a tuberkulózy. V moderných farmaceutických výrobkoch je Si prítomný hlavne v antidiarrhoeal, antacidách a v patentovaných analgetikách, ako je aspirín. V analgetikách sú kremičitany (kremičitan horečnatý a trisilikáty horečnaté) prítomné ako pomocné látky, čo sú inertné zložky, ktoré držia ostatné zložky pohromade, alebo ako desikanty, ak je účinná zložka hygroskopická. Hladiny kremičitanov v týchto liekoch však nie sú dobre zdokumentované a biologická dostupnosť sa považuje za zanedbateľnú. Zneužívanie môže však spôsobiť zápal obličiek nazývaný „analgetická nefropatia“, nie je však jasné, či súvisí s účinnou látkou alebo s pomocnou látkou.

Kremík v kozmetike

Kremík je tiež prítomný v kozmetike a toaletných potrebách ako činidlo regulujúce viskozitu a ako pomocná látka. Oxid kremičitý a kremičitany (napr. hydratovaný oxid kremičitý a kremičitan horečnato-hlinitý) sú prítomné v zubných pastách, krémoch, rúžoch a farebnej kozmetike. Silikáty sú pravdepodobne tiež prítomné ako pomocné látky v práškovej kozmetike, zatiaľ čo v mastenci je hlavnou zložkou hydrogénsilikát horečnatý. Fytolitický oxid kremičitý môže byť prítomný ako kontaminant v pílingu na tvár a šampónoch, pretože sú často založené na rastlinnom základe, zatiaľ čo silikóny môžu byť prítomné v niektorých krémoch na ruky a na nechty a v lakoch na nechty.

Dermálna absorpcia oxidu kremičitého / kremičitanov nie je dobre zdokumentovaná a považuje sa za zanedbateľnú, pretože tieto zlúčeniny nie sú rozpustné v tukoch. Naproti tomu sa navrhuje, aby sa ľahko vstrebávali napríklad silikóny v krémoch na ruky a nechty.

Nedostatok kremíka

Pri nedostatku môže dôjsť k spomaleniu rastu, poruchám tvorby kolagénu, môžeme mať zvráskavenou kožu, môže dôjsť k osteoporóze, vypadávaniu vlasov a neplodnosti.

Nedostatok kremíka urýchľuje starnutie a zhoršenie kvality života. Nízku hladinu kremíka majú aj ľudia postihnutí tuberkulózou.

Nedostatok kremíka môže nechty dehydratovať a urobiť ich krehkými, čo môže mať vplyv na zdravie pokožky a vlasov. Nižšia kyslosť žalúdka (v dôsledku choroby alebo starnutia) tiež znižuje schopnosť metabolizovať kremík z potravinových zdrojov, čo má za následok nízkokremikovú diétu. Tehotné alebo dojčiace ženy by nemali užívať žiadne doplnky kremíka, pretože by mohli poškodiť matky a ich deti.

Nedostatok kremíka v organizme je zapríčinený najmä nízkym obsahom kremíka v potravinách pestovaných na pôdach s nízkym obsahom kremíka, ale aj priemyselnú úpravou potravín, pri ktorej sa ľahko vyplaviteľné frakcie kremíka vo vode z potravín vyplavujú. Preto je treba obsah kremíka sledovať a dopĺňať vhodnou úpravou stravného lístka, prípadne dopĺňaním vo forme prípravkov.

Nadbytok kremíka

Dlhodobý nadmerný príjem kremíka je spojený so silikózou, ochorením pľúc. Tiež sa zistilo, že v mozgu jedincov s Alzheimerovou chorobou sa zistili zvýšené hladiny kremíka spolu s hliníkom. Okrem toho je dlhodobé používanie látok koncentrovaných v kremíku tiež spojené s tvorbou obličkových kameňov u niektorých jedincov.

Kremík a jeho vplyv na zdravie

Hlavné úlohy kremíka pre ľudské zdravie sú:

  • znižuje riziko vzniku srdcových chorôb,
  • chráni pred alergiami,
  • pozitívne ovplyvňuje vývoj kostí a chrupaviek,
  • zabraňuje vzniku modrín,
  • zvyšuje elasticitu ciev a kože (antisklerotické účinky),
  • zvyšuje elasticitu pokožky, obmedzuje tvorbu vrások,
  • chráni pred zápalmi močových ciest a bráni tvorbe močových kameňov,
  • zvyšuje odolnosť voči chorobám,
  • napomáha absorpciu vápnika a posilňuje mineralizáciu kostí
  • omladzuje a chráni telové štruktúry pred plachosťou
  • tlmí škodlivý vplyv hliníka a chráni pred Alzheimerovou chorobou
  • je dôležitý pre udržanie pevnosti ciev a hrá hlavnú úlohu pri prevencii srdcovo-cievnych ochorení, chráni pred lámavosťou drobných ciev a zvyšuje ich pružnosť