Vitamin B3, auch Niacin genannt, gehört zu den Vitaminen des B-Komplexes. Nikotinsäure und Nikotinamid sind die beiden Hauptformen von Vitamin B3, und die Begriffe Niacin oder Vitamin B3 werden oft synonym verwendet, um eine dieser beiden Verbindungen zu beschreiben.
Pyridin-3-carbonsäure und Vitamin PP sind andere Namen für Nikotinsäure, während Pyridin-3-carbonsäureamid, Pyridin-3-carboxamid, Vitamin PP und Niacinamid üblicherweise zur Bezeichnung von Nikotinamid verwendet werden.
Nikotinsäure wurde erstmals 1867 durch oxidativen Abbau von Nikotin synthetisiert, lange bevor ihre Rolle als essentieller Nährstoff zur Vorbeugung von Pellagra entdeckt wurde.
Anfang des 20. Jahrhunderts wurde festgestellt, dass Pellagra durch einen Mangel an Nikotinsäure verursacht wurde.
Natürlich vorkommendes Niacin kommt in zwei Formen vor: Nikotinsäure in pflanzlichen Lebensmitteln und Nikotinamid in tierischen Produkten. Allerdings ist nicht das gesamte in Lebensmitteln enthaltene natürliche Niacin für Mensch und Tier bioverfügbar.
Getreide und Ölsaaten enthalten Niacin in einem gebundenen Komplex, und der durchschnittliche Niacingehalt in Lebensmitteln liegt zwischen 10 und 200 mg/kg.
Inhaltsverzeichnis
1. Produktion von Vitamin B3
Die industrielle Produktion von Nikotinsäure und Nikotinamid basiert auf den Rohstoffen 5-Ethyl-2-methylpyridin und 3-Methylpyridin (3-Picolin).
3-Methylpyridin ist ein Nebenprodukt, das durch katalytische Gasphasenreaktion von Acetaldehyd, Formaldehyd und Ammoniak entsteht. Das Hauptprodukt ist jedoch Pyridin. Die Ausbeute an 3-Methylpyridin beträgt etwa 30–50 %. 5-Ethyl-2-methylpyridin hingegen entsteht durch die Reaktion von Paraldehyd mit Ammoniak.
Nikotinsäure wird direkt durch Salpetersäureoxidation von 5-Ethyl-2-methylpyridin oder durch vollständige Hydrolyse von 3-Cyanopyridin gewonnen.
Nicotinamid hingegen kann durch Amidierung von Nicotinsäure oder durch teilweise Hydrolyse von 3-Cyanopyridin gewonnen werden. Letzteres wird durch Ammoxidation von 3-Methylpyridin gewonnen.
1.1. Herstellung von Nikotinsäure durch Oxidation von 5-Ethyl-2-methylpyridin
Der Prozess der Oxidation von 5-Ethyl-2-methylpyridin wird üblicherweise zur Herstellung von Nikotinsäure verwendet. Die weltweit größte Produktionsanlage für Nikotinsäure befindet sich in Visp, Schweiz, und wird von Lonza betrieben.
In einer wässrigen Lösung wird Nikotinsäure aus 5-Ethyl-2-methylpyridin in einem einstufigen Verfahren unter Verwendung überschüssiger Salpetersäure in einem kontinuierlichen Reaktor bei 230–270 °C und 6–8 MPa hergestellt.
Dabei entsteht als Zwischenprodukt Pyridin-2,5-dicarbonsäure, die jedoch unter den Reaktionsbedingungen instabil ist und anschließend zu Nikotinsäurenitrat decarboxyliert.
Das Nitrat wird dann mit 5-Ethyl-2-methylpyridin neutralisiert, um Nikotinsäure zu ergeben.
Während der Reaktion gebildetes Kohlendioxid und Wasser werden vom Produkt abgetrennt, während das entstehende Stickoxid mit Luft zu Stickstoffdioxid oxidiert und anschließend in Wasser absorbiert wird, um Salpetersäure zu gewinnen, die im Prozess wiederverwendet wird.
1.2. Herstellung von Nicotinamid durch Ammoxidation von 3-Methylpyridin und Hydrolyse von 3-Cyanopyridin
In einem Mehrrohrreaktor reagiert 3-Methylpyridin mit Luft, Ammoniak und Wasserstoff bei etwa 350 °C und mäßigem Druck zu 3-Cyanopyridin.
Heterogene Katalysatoren, die Oxide von Antimon, Vanadium und Titan, Antimon, Vanadium und Uran enthalten, oder Antimon-Vanadium-Titan-Katalysatoren weisen eine hohe Effizienz auf.
Beispielsweise werden mit einem Vanadium-, Titan-, Zirkonium- und Molybdänkatalysator, einer Reaktortemperatur von 340 °C und einem molaren Zufuhrverhältnis von 3-Methylpyridin: Ammoniak: Sauerstoff von 1:1,3:40 95 % 3-Cyanopyridin erhalten .
Nicotinamid wird durch alkalische Hydrolyse von 3-Cyanopyridin hergestellt. Diese Reaktion hat den Vorteil, dass die Verseifung zum Amid schneller erfolgt als die vollständige Hydrolyse zu Nikotinsäure.
Die Hydrolyse zum Amid erfordert normalerweise katalytische Mengen an Basen, hauptsächlich Natriumhydroxid, bei 130–150 °C.
Im Lonza-Verfahren wird 3-Cyanopyridin mithilfe eines immobilisierten Mikroorganismus der Gattung Rhodococcus in Nicotinamid umgewandelt. Auch heterogene Katalysatoren werden erwähnt.
Eine alternative Methode ist die Hydrolyse von 3-Cyanopyridin zu Nicotinamid in wässrigen Flüssigkeiten unter hohem Druck.
1.3. Herstellung von Nicotinamid durch Umwandlung von 2-Methylglutaronitril
2-Methylglutaronitril, das als Nebenprodukt bei der Adipodinitrilproduktion entsteht, kann in 2-Methyl-1,5-diaminopentan umgewandelt werden. Anschließend kann der Prozess der zyklischen Hydrierung eingesetzt werden, um dieses Zwischenprodukt in 3-Methylpiperidin umzuwandeln.
Bei der Dehydrierung wird 3-Methylpiperidin in 3-Methylpyridin umgewandelt. Letzteres wird dann einer Ammoxidation und teilweisen Hydrolyse unterzogen, um Nicotinamid zu erhalten.
2. Biochemische Funktionen von Vitamin B3
Nikotinamid ist ein wesentlicher Bestandteil der Ernährung, vor allem als NAD und NADP, die im Darm hydrolysiert werden, was zur Freisetzung von Nikotinamid führt. Nicotinamid kann so wie es ist oder nach Hydrolyse zu Nicotinsäure absorbiert werden.
In Getreide liegt Nikotinsäure als Glykosid vor, das in vivo nur teilweise hydrolysiert wird. Dadurch wird die Aufnahme aus dem Magen-Darm-Trakt eingeschränkt und die Bioverfügbarkeit ist daher schlecht.
Nikotinsäure wird sowohl aus dem Magen als auch aus dem oberen Dünndarm schnell absorbiert. Niacin wird auch über Kynurenin und Chinolinsäure als Schlüsselzwischenprodukte biosynthetisiert.
Niacin fungiert als Vorstufe für zwei wichtige Coenzyme, Nicotinamidadenindinukleotid (NAD) und Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP). Diese Coenzyme spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von metabolischem Wasserstoff, einem grundlegenden Prozess im Stoffwechsel von Fetten, Kohlenhydraten und Proteinen.
Diese Funktion ist sowohl für die Synthese als auch den Abbau von Aminosäuren, Fettsäuren und Kohlenhydraten notwendig. Die Niacin-Coenzyme spielen auch eine entscheidende Rolle im Zitronensäurezyklus. Der Zitronensäurezyklus umfasst mehrere Schritte, in denen aktiviertes Acetat immer wieder oxidiert wird.
Verbindungen aus dem Abbau von Aminosäuren, Kohlenhydraten und Fettsäuren werden zunächst zu Pyruvat-Oxalacetat abgebaut und gelangen dann mit aktivem Acetat in den Kreislauf.
Die verschiedenen oxidativen Schritte des Zyklus erzeugen eine erhebliche Menge an Energie, die in Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert wird.
Diese Energie wird durch die Umwandlung von ATP in Adenosindiphosphat (ADP) freigesetzt, das dann mehr Energie speichern kann. Folglich spielt Niacin eine entscheidende Rolle bei der metabolischen Produktion und Nutzung von Energie.
3. Verwendung von Vitamin B3
Pellagra, eine Mangelerkrankung, die durch eine unzureichende Zufuhr von Niacin verursacht wird, war früher in Gebieten weit verbreitet, in denen Mais die Hauptnahrungsquelle war.
Während bei Mangelernährung oder einseitiger Ernährung immer noch subklinische Symptome eines Niacinmangels auftreten, ist die Anreicherung von Getreideprodukten mit B-Vitaminen, insbesondere mit Nicotinsäure oder Nicotinamid, in einigen Ländern seit Beginn der 1940er Jahre gängige Praxis und Pflicht.
Beispiele für niacinreiche Produkte sind Frühstückscerealien, Multivitamingetränke und Multivitamintabletten.
Die Europäische Kommission hat Behauptungen über die positiven Wirkungen von Niacin genehmigt und veröffentlicht, einschließlich seines Beitrags zur normalen psychischen Funktion, zum Energiestoffwechsel, zur Funktion des Nervensystems, zur Erhaltung normaler Schleimhäute und Haut sowie zur Verringerung von Müdigkeit und Erschöpfung.
Auch Niacin ist für die meisten Tiere essentiell, die Biosynthese aus Tryptophan ist jedoch relativ unbedeutend und natürliche Futtermittel enthalten diese Aminosäure im Allgemeinen nur unzureichend.
Nikotinsäure wird von der Mikroflora im Dickdarm monogastrischer Tiere und im Pansen von Wiederkäuern synthetisiert, die Biosynthese bei monogastrischen Tieren ist jedoch unbedeutend, da sie im Dickdarm vorkommt, der sich hinter den Hauptabsorptionsstellen für Niacin im Zwölffingerdarm befindet Dünndarm.
Der größte Teil der von der Mikroflora synthetisierten Nikotinsäure wird somit über den Kot ausgeschieden.
Niacin ist für die optimale Gesundheit und Leistungsfähigkeit aller Haus- und Haustiere notwendig.
Die Biosynthese von Nikotinsäure im Pansen ist bei hohem Produktionsstress oder wenn die Pansenmikroflora gestört ist, nicht optimal. Daher sollten die Niacinwerte höher sein als die Empfehlungen des National Research Council (NRC), um den Anforderungen der Tiere gerecht zu werden.
Pharmakologische Dosen von Nikotinsäure erzeugen zahlreiche pharmakologische Reaktionen, wie z. B. Auswirkungen auf den Lipidstoffwechsel, die Gefäßerweiterung und die Aktivierung der Fibrinolyse. Interessanterweise hat Nicotinamid trotz seiner engen Verwandtschaft mit Nicotinsäure nur wenige oder gar keine dieser Aktivitäten.
Beispielsweise nehmen die Cholesterin- und Triglyceridkonzentrationen im Plasma bei Dosen von 1–2 g/Tag Nikotinsäure, die in verschiedenen Produkten wie Nikotinsäure oder Nikotinsäureestern erhältlich ist, deutlich ab.
Niacin wird auch in Galvanikbädern verwendet, insbesondere bei der Zinkgalvanisierung, wo es in einer quaternisierten Form vorliegt, die durch die Reaktion von Niacin mit Benzylchlorid entsteht, was zu gleichmäßigen und brillanten Oberflächen führt.
Referenz
- Vitamins, 8. Vitamin B3 (Niacin); Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.o27_o14.pub2
