Dihydroksyaceton (1,3-dihydroksy-2-propanon, DHA) jest jednym z podstawowych
produktów pośrednich metabolizmu glicerolu i węglowodanów wśród bakterii kwasu octowego
i drożdzy. Związek ten występuje w naturze w komórkach roślin wyższych i zwierząt w postaci fosforanu. DHA jest trzy węglowym cukrem redukującym zaliczanym do ketotrioz o masie molowej M=90.08 g/mol i temperaturze topnienia 90°C. Związek ten nie posiada centrum chiralnego, przez co nie wykazuje aktywności optycznej. DHA jest stabilny w pH 4-6, a przy pH powyżej 7 dochodzi do
rozkładu tego związku. Podobne zjawisko obserwuje się
w podwyższonej temperaturze, dlatego też
zaleca się przechowywać DHA w suchym i chłodnym miejscu.
Dihydroksyaceton jest białym, higroskopijnym proszkiem o słodkim smaku, występującym
w dwóch odmianach mono-i dimerycznej W reakcjach barwnych z grupami aminowymi bierze udział forma monomeryczna (rys. 1) .
Rys. 1. Struktury dihydroksyacetonu.
Postać
monomeryczna bardzo dobrze rozpuszcza się
w wodzie, alkoholu etylowym, eterze,
acetonie i przechodzi do formy dimerycznej, która jest trudno rozpuszczalna. Z formą
dimeryczną dysocjuje w wodzie, w stosunku 4:1, na dwie monomeryczne formy: wolną
grupę karbonylową i związek uwodniony (gem-alkohol dihydroksylowy).
W roztworach wodnych, oprócz DHA, występuje jego izomer-aldehyd glicerynowy, który jest łatwo rozkładany do formaldehydu i kwasu mrówkowego. Obniżenie pH roztworów wodnych do około 4 ogranicza izomeryzację DHA do aldehydu glicerynowego.
Dihydroksyaceton krystalizuje w alkoholu absolutnym, 2-propanolu, tworząc produkt
odwodniony, który w podwyższonej temperaturze reaguje z płynami Fehlinga. Podczas prowadzenia badań
nad DHA dowiedziono, Se związek ten występuje jako dimer w stałym stanie skupienia.
Podczas krystalizacji z roztworów wodnych uzyskano dwie róSne formy krystaliczne (polimorficzne) dimerów DHA a trójskośnych i b jednoskośnych. Zaobserwowano, Se przez liofilizację zamrożonego roztworu przemysłowego DHA można otrzymać
kryształy g o strukturze jednoskośnej. Dodatkowo wykazano, Se trzy formy monomeryczne DHA są izomerami trans i posiadają pierścień 1,4dioksanowy
w konformacji krzesłowej oraz grupy hydroksylowe i hydroksymetylowe w pozycji
aksialnej i ekwatorialnej.
Dzięki obecności grupy karbonylowej, dwóch I-rzędowych grup hydroksylowych
i grup metylowych DHA bierze udział w wielu reakcjach chemicznych, takich jak reakcja Maillarda, kondensacji i polimeryzacji.
Ze względu na dużą reaktywność i podatność na utlenianie należy unikać
kontaktu DHA z tlenkami i azotkami, zwłaszcza z tlenkiem żelaza, cynku i ditlenkiem tytanu oraz z a-hydroksykwasami oraz fosforanami. W kosmetykach i farmaceutykach zawierających DHA nie
stosuje się kolagenu, mocznika, aminokwasów, hydrolizatów protein oraz ogranicza się stężenie
modyfikatorów reologii, takich jak karbomer na rzecz gumy ksantanowej.
W przypadku obecności tych związków w formie kosmetycznej DHA ulega reakcji z grupami
aminowymi tych związków, tworząc melanoidyny w opakowaniu, co obniża jakość
gotowego kosmetyku.
Obecnie dihydroksyaceton pozyskiwany jest na skalę
przemysłową drogą mikrobiologiczną
z wykorzystaniem bakterii z rodzajów Acetobacter, Gluconobacter i Gluconacetobacter. Głównymi producentami DHA są
firmy Aldrich Chemical Co. i Fluka Chemical Co. w Stanach Zjednoczonych
oraz Sigma i Merck w Europie. Przemysłowy, wodny roztwór DHA jest dostępny w 55-galonowych
beczkach, 5-galonowych wiadrach lub 1, 5, 10 i 25 litrowych opakowaniach. Czystość
komercyjnie
dostępnego, krystalicznego DHA wynosi od 97% do 99%.
W 1973 roku dihydroksyaceton został uznany przez Food and Drug Administration (FDA) za substancję bezpieczną i dozwoloną
do stosowania w kosmetyce i lecznictwie. Pomimo zapewnień
FDA o bezpieczeństwie stosowania dihydroksyacetonu wciąż
prowadzone są badania nad toksycznością
tego związku. Informacje przedstawiane na ten temat w czasopismach naukowych
wskazują na bardzo niską toksyczność ostrą dihydroksyacetonu.
W 1984 roku Akin i Marlowe opisali rezultaty stosowania DHA na skórze myszy. Przez 80
tygodni prowadzili obserwacje wpływu 0,1 cm3 5% i 40% wodnego roztworu DHA na grupę 100
myszy obu płci. Podczas badania tkanek myszy poddanych doświadczeniu nie zaobserwowali żadnych
istotnych różnic w porównaniu z grupą
kontrolną. Jedynym widocznym efektem stosowania DHA
było brązowe zabarwienie skóry.
Z kolei jak sugerują
Petersen i wsp. dihydroksyaceton i inne cukry redukujące mogą
uszkadzać
kwasy nukleinowe bezpośrednio, poprzez glikozylację
DNA i pośrednio poprzez produkty
reakcji Maillarda. Podczas inkubacji DNA z DHA powstają
liczne produkty glikozylowe, które
prowadzą
do spadku stabilności wiązań
w łańcuchu DNA. Podczas reakcji białek z cukrami dochodzi
do nieenzymatycznej glikozylacji grup aminowych aminokwasów przez karbonylowe grupy cukrów
redukujących. Następstwem tej reakcji jest formowanie zaawansowanych produktów końcowych
glikozylacji, które mogą
pośrednio uszkadzać
kwasy nukleinowe. Produkty reakcji Maillarda mogą
powodować
przerwanie nici DNA lub zmianę
kolejności zasad w łańcuchu dlatego uważane są za
czynniki mutagenne.
Wiedza na temat mutagenności DHA jest stosunkowo niewielka. W 1980 roku Pham
zaprezentował wyniki badań, na podstawie których stwierdził, Se dihydroksyaceton wykazywał pewne
działanie mutagenne w stosunku do szczepów bakterii Salmonella typhimurium TA100 i TA104.
W przeprowadzonych doświadczeniach dodatek do podłoSa hodowlanego 7,5% DHA spowodował uszkodzenie pierwszorzędowej struktury DNA. Podobny efekt zaobserwowano podczas inkubacji
bakterii z gatunku Bacillus subtilis z 8% DHA.
W ostatnim czasie zbadano wpływ DHA na rozmnaSanie wegetatywne, przeżywalność
i uszkodzenie DNA w hodowli in vitro ludzkich keratynocytów HaCaT. Zaobserwowano, Se po 24 h
inkubacji keratynocytów z 25 mM–100 mM DHA nastąpiła kondensacja chromatyny, spadek wzrostu
i przeżywalności komórek oraz zmniejszenie ich zdolności do regeneracji. Autorzy sugerują, Se takie
działanie DHA może być
spowodowane powstawaniem reaktywnych form tlenu (ROS, ang. reactive
oxygen species) w wyniku reakcji białek z cukrami. ROS mogą
uszkadzać
struktury komórkowe.
Intensywność
tego zjawiska zależy od stęSenia DHA i czasu kontaktu tego związku z keratynocytami.
Wykazano, Se preinkubacja keratynocytów z antyoksydantami zapobiega przerwaniu nici DNA.
Zastosowanie dihydroksyacetonu
DHA po raz pierwszy zastosowano w 1920 roku w leczeniu cukrzycy oraz jako środek
pobudzający oddychanie. DHA i glukoza metabolizowane są
w organizmie człowieka
w cyklu glikolitycznym i cyklu Krebsa. Zaobserwowano, Se dihydroksyaceton podawany doustnie,
szybciej i łatwiej jest metabolizowany w organizmie człowieka niż
glukoza i skutecznie przeciwdziała
nadmiernemu gromadzeniu się
kwasu b-hydroksymasłowego u cukrzyków. Zjawisko to związane jest
ze skróceniem szlaku glikolitycznego o cztery etapy.
Ze względu na łatwość
przyswajania przez organizm, DHA został wykorzystany jako składnik
suplementów diety. W połączeniu z solami wapniowymi, sodowymi i potasowymi pirogronianu
wchodzi w skład odżywek dla sportowców. Intensywne badania nad synergizmem dihydroksyacetonu
z pirogronianem prowadzone są
od 25 lat. Badania kliniczne dowiodły, Se suplementacją
diety
w DHA i pirogronian prowadzi do 37% spadku masy ciała i 48% spadku ilości tkanki tłuszczowej.
Ponadto w połączeniu z aktywnością
fizyczną
preparaty na bazie DHA prowadzą
do wzrostu
beztłuszczowej masy mięśniowej.
DHA moSe być
również
używany w leczeniu przy zatruciach cyjankami. Kwas
cyjanowodorowy (HCN) i jego sole, szczególnie sodowe (NaCN) i potasowe (KCN), są
niezwykle
silnymi truciznami. Działają
w organizmie człowieka bardzo szybko i powodują
zablokowanie
oksydazy cytochromowej, odpowiedzialnej za aktywację
cząsteczki tlenu czterema elektronami
w łańcuchu oddechowym. Dostępne na rynku antidota nie są
zdolne przeciwdziałać
letalnemu
efektowi cyjanków tak szybko jak to jest potrzebne. Dlatego teS
odkrycie nowego, szybkiego
bezpiecznego środka odtruwającego było niezwykle waSne. Badania nad działaniem DHA
w zatruciach cyjankami wykazały, Se związek ten jest w stanie przywrócić
zahamowaną
aktywność
mitochondriów i odbudować
poziom ATP zaniżony przez cyjanki. Wykazano, Se DHA jest zdolny do
aktywacji oksydazy cytochromowej zahamowanej przez cyjanki, lepiej niż
tiosiarczan, azotyn sodu
i a-ketoglutaran, które były dawniej stosowane w zatruciach cyjankami. DHA wiąże się
odwracalnie
z cyjankami, dając cyjanohydrynę, co zapobiega inaktywacji oksydazy cytochromowej, a tym samym
przeciwdziała skutkom zatrucia.
Dihydroksyaceton ze względu na obecność
dwóch reaktywnych grup hydroksylowych stanowi
waSny związek stosowany w syntezie organicznej. Jest powszechnie wykorzystywany jako katalizator
reakcji polimeryzacji butadien-styren, katalizuje reakcję
kondensacji formaldehydu do
hydroksyaldehydów i hydroksyketonów.
Dihydroksyaceton jest niezbędnym składnikiem kremów nadających kolor opalenizny
słonecznej, stąd jego powszechne zastosowanie w kosmetyce. Właściwości samoopalające DHA
zostały odkryte w latach 20-tych XX wieku w Niemczech. Jednak dopiero w latach 60-tych
rozpoczęto badania nad moSliwościami wykorzystania tego związku w kosmetyce.
W 1955 roku Eva Wittgenstein z Uniwersytetu Cincinnati wykonywała badania nad moSliwością
wykorzystania DHA jako środka pomocniczego w leczeniu choroby spichrzowej glikogenu.
Pacjentom, głównie dzieciom, podawano doustnie wodne roztwory DHA w ilości 1g na 1 kg masy
ciała. Podczas kuracji, niejednokrotnie środek ten został wylany na skórę. W miejscu kontaktu DHA
ze skórą, po kilku godzinach pojawiały się
brązowe plamy. Widząc rezultaty stosowania
dihydroksyacetonu Wittgenstein podjęła dalsze badania nad właściwościami tego związku, które
doprowadziły do stworzenia w 1960 roku pierwszego samoopalającego preparatu. Jako pierwszy
recepturę
kremu samoopalającego opatentował w 1960 roku J. Andreadis. Pierwszym produktem
zawierającym DHA był „Man Tan”. Preparat ten przeznaczony był dla męSczyzn do stosowania po
goleniu i odniósł wielki sukces w krótkim czasie od pojawienia się
na rynku.
Powodzenie „Man Tan” doprowadziło do zainteresowania naukowców dihydroksyacetonemi
moSliwościami jego wykorzystania w kosmetyce. Pierwsze produkty zawierające DHA cechowały się
niską
stabilnością
i nieprzyjemnym zapachem po aplikacji, były nietrwałej brudziły ubrania. Wraz
z postępem prac badawczych i poznaniem chemicznych cech DHA produkty na bazie tego związku
uległy poprawie. Prowadzone obserwacje pozwoliły na sformułowania trzech najwaSniejszych
parametrów, które muszą
spełniać
produkty na bazie DHA by odniosły sukces. Chcąc otrzymać
kosmetyk stabilny i trwały należy unikać
w produkcie amin, wysokiego pH, a w trakcie produkcji
preparatów samoopalających należy dodawać
DHA w niskiej temperaturze i jako ostatni składnik.
Za efekt brązowienia skóry odpowiedzialna jest reakcja Maillarda znana
z chemii żywności, która po raz pierwszy została opisana przez Louis Camille Maillarda
w 1912 roku. Proces ten opiera się
na nieenzymatycznej reakcji wolnych grup aminowych
z grupami karbonylowymi cukrów redukujących. Rodzaj powstających produktów zależy
od parametrów reakcji takich jak pH, rodzaj aminokwasu i cukru, temperatura, czas, obecność
tlenu, zawartość i aktywność
wody. Ten typ interakcji odpowiedzialny jest za większość
efektów brązowienia występujących podczas produkcji i przechowywana Sywności. W rezultacie tego procesu
powstaje złożona mieszanina zawierająca związki zapachowe i wysokocząsteczkowe, brązowe
pigmenty melanoidyny. W przypadku skóry reakcja ta dotyczy warstwy rogowej naskórka.
W przypadku skóry reakcja ta dotyczy warstwy rogowej naskórka. Stratum corneum, którego pH
wynosi 5,2-5,6, składa się
z dwóch warstw stratum compactum i stratum disjunctum, które zbudowane
są
w 10% z wody, 20% stanowią
lipidy a 70% proteiny. Obecna w stratum corneum keratyna
zbudowana jest z cysteiny 17% i metioniny 0,5%. Aminokwasy występujące w warstwie rogowej
naskórka takie jak glicyna, arginina, prolina, cysteina i metionina biorą
udział w reakcji
z dihydroksyacetonem. Wittgenstein zaobserwowała, Se arginina jest najbardziej reaktywnym
aminokwasem i w kontakcie z DHA powoduje brązowe zabarwienie skóry już
po 30 minutach.
Szybka reakcja zachodząca na powierzchni skóry zapobiega przenikaniu DHA do głębszych warstw
niż
naskórek.
Wodny roztwór DHA w reakcji z glicyną, lizyną
i histydyną daje żółte zabarwienie, za które odpowiadają
powstające melanoidyny. Melanoidyny są
pochodnymi melaniny, naturalnej substancji
odpowiedzialnej za barwę
skóry, jednak w przeciwieństwie do niej, nie chronią
przed
promieniowaniem UV. Dowiedziono jednak, Se DHA podobnie jak melanina wywołuje pigmentację,
która absorbuje promieniowanie z zakresu widzialnego i UVA (320-400nm), a krystaliczny DHA
z zakresu UVB (280-320nm).
Zaobserwowano, Se obecny w naskórku po aplikacji kosmetyku DHA, pod wpływem
promieniowania UV ulega przekształceniu w bardzo reaktywne wolne rodniki. Ten niekorzystny
wpływ DHA na skórę
może zostać
ograniczony poprzez zamykanie dihydroksyacetonu w liposomach
oraz dodatek do preparatu antyoksydantów, które zapobiegają
samoutlenianiu. Dodatkowo w praktyce
produkcyjnej stosowany jest dodatek cyklodekstryn, które maskują
nieprzyjemny zapach
towarzyszący reakcji brunatnienia.
W preparatach samoopalających DHA występuje w stężeniu od 2,5% do 10%,
w Polsce najczęściej stosuje się
stężenia 4,5-5%. Im wyższe stężenie DHA tym zabarwienie skóry jest
ciemniejsze. Dihydroksyaceton obecny w preparatach zachowuje stabilność
w pH 4-6, przy pH
powyżej 7 tworzy brązowo zabarwione addukty i traci swoje zdolności do reakcji Maillarda.
Dihydroksyaceton jest używany od lat w kosmetyce ze względu na swoje barwne właściwości.
Zastosowanie DHA wiąże się
z wieloma trudnościami ze względu na jego rozpuszczalność
w wodzie,
podatność
na utlenianie, niestabilność
w wysokiej temperaturze i alkalicznym pH oraz wraSliwość
na
mikroorganizmy. Produkty zawierające DHA muszą
być
przechowywane w optymalnych warunkach
temperatury i wilgotności, w przeciwnym wypadku dochodzi do rozkładu i dehydratacji wodnego
roztworu dihydroksyacetonu. Aby chronić
składniki aktywne preparatu stosuje się
wodoszczelną
mieszaninę
związków, która otacza cząsteczkę
DHA i zapobiega jego utlenianiu i reakcji z wodą.
Stosowane są
w tym celu mieszaniny polimerów nierozpuszczalne w wodzie, takie jak celuloza,
acetoftalan, polichlorek winylu i nitroceluloza.
Spis piśmiennictwa
Akin F. J., Marlow E., 1984. No-carcinogenicity of dihydroxyacetone by skin painting. JEPTO. 5(4):
349-351.
Ferroni E. L., Di Tella V., Jeske R., 1999. Structures of dihydroxyacetone.
J. Org. Chem. 64: 4943-4945.
Fox Ch., 2003. Technically speaking: dihydroxyacetone-induced pigmentation and other topics.
Cosm. Toilet. 8: 30-35.
Fresq H., Brockow K., Strom K., Mempel M., Ring J., 2001. Dihydroxyacetone in a new formulation-
a powerful therapeutic option in vitiligo. Dermatol. 203: 241-243.
Ingoglia R., Pantini G., 2005. Preparaty pielęgnacyjne o niskim pH: jak połączyć
skuteczność
i bezpieczeństwo. Wiad. Pol. Tow. Kosmetol. 3-4.
Jung K., Seifert M., Herrling T., 2008. The fatal effect of self-tanning agents during UV irradiation.
SOFW-J. 134 (3): 12-17.
Levy S. B., 2000. Tanning preparations. Dermal. Clin. 18: 591-596.
McCoy M., 1997. OPD Chemical Buyers Directory 1998. New York, Schnell Publishing, 267-269.
Mersch-Sundermann V., Schneider U., Klopman G., 1994. SOS induction in Escherichia coli and
Salmonella mutagenicity. Mutag. 9 (2): 205-224.
Mishar R., Jain SR, Kimura A., 2008. Microbial production of dihydroxyacetone. Biotechnol. Adv.
26(4):293-303.
Omar A., Bittar S., Hwalla N., 2005. Effect of diet supplementation with glutamine,
dihydroxyacetone, and leucine on food intake, weight gain, and postprandial glycogen metabolism of
rats. Nutr. 21: 224-229.
Petersen AB., Na R., Wulf HC., 2003. Sunless skin tanning with dihydroxyacetone delays broad-
spectrum ultraviolet photocarcinogenesis in hairless mice. Mutat. Res. 542: 129-138.
Petersen AB., Wulf HC., Gniadecki R., Gajkowski B., 2004. Dihydroxyacetone, the active browning
ingredient. Mutat. Res. 560: 173-186.
Pham H. N., DeMarini D. M., Brockmann H. E., 1980. Mutagenicity of skin tanning lotions. J.
Environ. Pathol. Toxicol. 3(1-2): 227-231.
Pischetsrieder M., Seidel W., Schinzel R., 1999. N2-(1-carboxyethyl)-deoxyguanosine, a
nonenzymatic glycation adduct of DNA, induces single-stand breaks and increases mutation
frequencies. Biochem. Biophys. Res. Commun. 264: 544-549.
Rogers C. J., 2005. Spray-on tanning. Aesth. Surg. J. 25: 413-415.
Schmid D., Belser E., Zulli F., 2007. Self-tanning based on stimulation of melanin biosynthesis.
Cosm. Toilet. 6: 55-60.
Schmid D., Belser E., Zulli F., 2007. Self-tanning based on stimulation of melanin biosynthesis.
Cosm. Toilet. 6: 55-60.
Seidel W., Pischetsrieder M., 1998. DNA-glycation leads to depurination by the loss of N2carboxyethylguanine
in vitro. Cell. Mol. Biol. 44 (7): 1165-1170.
Shipar A. H., 2006. Formation of the Heyns rearrangement products in dihydroxyacetone and glycine
Maillard reaction: A computational study. Food Chem. 97: 231-243.
Ślepokura K., Lis T., 2004. Crystal structures of dihydroxyacetone and derivatives. Carbo. Res. 339:
1995-2000.
mgr inż. Anna Ratz
Anna Ratz
Absolwentka Wydziału Nauk o żywności, Zakład Biotechnologii i
Mikrobiologii żywności SGGW,
Politechniki Warszawskiej-Wydział Chemiczny-„Chemia kosmetyczna”,
obecnie Szkoła Główna Handlowa-Kolegium Zarządzania i Finansów-Katedra Zarządzania Jakością–
„Menadżer Jakości”.
KOMENTARZE