X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Несмотря на разнообразие методов анализа и идентификации веществ (рисунок 1), присутствующих в многокомпонентных смесях, существует проблемы интерпретации значимости для потребителя найденных в этих растворах соединений. Проблема идентификации связана с отсутствием критериев различий ионов химических соединений, обнаруженных в пищевом продукте.

Известно, что субпороговое присутствие опасных (токсичных) веществ в настоящее время нормируется по уровню предельно допустимых концентраций (ПДК). Эти нормы регламентированы для продуктов питания и напитков в СанПиН 2.3.2.1078-01 «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов» и ТР ТС 021/2011 «О безопасности пищевой продукции». В этих документах ионы веществ регламентированы на уровне «не более», а методами контроля их концентраций предусмотрено суммарное (валовое) определение. Присутствие этих токсичных соединений независимо от формы вещества, в которой присутствовал этот ион (минеральная – неорганическая или органическая, как правило, – незаменимая для организма) расцениваются как чужеродные для этого продукта.

До 2004 года альтернативы для санитарно-гигиенического принципа нормирования не существовало. Однако после разработки ГУ НИИ питания РАМН под руководством В.А. Тутельяна Рекомендаций МР 2.3.1.1915-04 «Рациональное питание. Рекомендуемые уровни

потребления пищевых и биологически активных веществ» [1] и введения нутрициологических норм для незаменимых биоэлементов как части (дозы) адекватного уровня потребления возникла необходимость в разработки новых методов. Кроме этого в нутрициологии в последние годы стали известны новые данные о биологической роли многих микронутриентов, которые ранее рассматривались или лишь с точки зрения их опасности для здоровья, например, некоторые микроэлементы (селен), или вообще не рассматривались в качестве факторов, необходимых для жизнедеятельности человека: ванадий, бор, кремний, германий и др.. В настоящее время для многих из них доказано участие в целом ряде метаболических процессов, а, следовательно, и необходимость присутствия в рационе питания.

Рисунок 1. Классификация методов анализа и идентификации

Методические рекомендации МР 2.3.1.1915-04 разработаны с целью обеспечения единого, научно обоснованного подхода к определению количественного содержания в специализированных продуктах, продуктах диетического (лечебного и профилактического) питания и биологически активных добавках к пище пищевых и биологически активных компонентов. Их разработка направлена на совершенствование нормативной базы, регулирующей оборот продукции, выработанной с использованием дефицитных в питании пищевых веществ и минорных биологически активных соединений.

Сотрудники кафедры метрологии, стандартизации и сертификации Оренбургского государственного университета (МСиС ОГУ) считают [5, 6], что нутрициологический подход в нормировании концентраций веществ должен предполагать изменение подходов к направленности контроля и принципам его осуществления. В этом случае определение избыточных концентраций ионов потенциально токсичных веществ (антропогенных загрязнителей) требует анализа формы (органическая или неорганическая), в которой присутствует данный ион в пищевых продуктах, в частности многокомпонентных и напитках (минеральная вода, водка, пиво и другие пищевые многокомпонентные смеси).

Как известно, в зависимости от поставленной аналитической задачи (рисунок 2) выбирается метод (методика) анализа, а также способ пробоподготовки и форма представления результата измерений. Проведенный нами анализ показал, что в лабораторной практике для этого чаще применяют рутинные химические методы определения. Химические методы анализа включают гравиметрические (весовые) и титриметрические (объемные) методы. К числу таких методов, относится, например, титриметрический анализ – один из важнейших видов количественного анализа. Для него характерны высокая точность (малая по величине погрешность), быстрота исполнения за счет минимальных затрат на пробоподготовку, а также универсальность – возможность применения для определения самых разнообразных веществ.

Рисунок 2 – Формирование процедуры химико-аналитических исследований

Определение содержания вещества в титриметрическом анализе осуществляется в результате проведения реакции известного (с минимальной погрешностью) количества одного вещества с неизвестным количеством другого, с последующим расчётом количества определяемого вещества по уравнению реакции. Реакция, которая при этом протекает должна быть стехиометрической, т.е. вещества должны реагировать строго количественно, согласно коэффициентам в уравнении. Только при соблюдении этого условия реакция может быть использована для количественного анализа. Основной операцией титриметрического анализа является титрование – постепенное смешивание веществ до полного окончания реакции. Обычно в титриметрическом анализе используются растворы веществ. В ходе титрования раствор одного вещества постепенно приливается к раствору другого вещества до тех пор, пока вещества полностью не прореагируют.

Гравиметрический (весовой) анализ, или гравиметрия – это один из методов количественного анализа, основанный на определении массы искомого компонента анализируемого образца путем измерения (точного взвешивания) массы устойчивого конечного вещества известного состава, в которое полностью переведен данный определяемый компонент. Гравиметрические определения можно разделить на три группы: методы осаждения, отгонки и выделения.

Методы осаждения основаны на осаждении определяемого компонента в виде малорастворимого химического соединения, фильтровании, прокаливании до постоянной массы и последующем определении массы полученного вещества. При этом различают осаждаемую форму – форму, в виде которой определяемое вещество осаждают, и гравиметрическую форму – форму, в виде которой определяемое вещество взвешивают.

Методы отгонки основаны на отгонке определяемого компонента в виде летучего соединения с последующим определением массы отогнанного вещества (прямое определение) или массы остатка (косвенное определение).

Методы выделения основаны на количественном выделении определяемого компонента из анализируемого раствора путем химической реакции с последующим определением массы выделенного вещества. Этот принцип положен в основу электрогравиметрического метода анализа, в котором определяемый компонент выделяется из раствора в результате электрохимических реакций, протекающих на электродах.

Среди гравиметрических методов анализа наиболее широко применяют метод осаждения.

Метод ионной хроматографии (рисунок 3)позволяет анализировать смеси различных катионов и анионов. В основе метода лежит явление обмена ионов, находящихся в растворе, с противоионами, связанными с полимерной матрицей неподвижной фазы. Для осуществления этого химического процесса используют ионообменники (иониты). Ионообменники, способные к обмену катионами, называют катионообменниками.

1 – сосуд с элюентом; 2 – насос; 3 – устройство ввода пробы; 4 – разделяющая колонка;

5 – подавляющая колонка; 6 – детектор (кондуктометрический); 7 – регистратор; 8 – слив.

Рисунок 3 – Схема ионного хроматографа

Возможны обратимые гетерогенные химические реакции – катионный обмен на катионообменниках, например, на : R-SO₃ ^– H⁺+ Na  R-SO₃^– Na⁺+ H⁺, или упрощенно: R-H + Na⁺ R-Na + H⁺ , и анионный обмен на анионообменниках, например, OH^– на Cl ^– в NaCl: R-N(CH₃₎₃⁺OH^–+ Na⁺ + Cl  R-N(CH₃₎₃⁺Cl^– + Na⁺ + OH^–,

или в кратком виде: R-OH + NaCl  R-Cl + NaOH.

Для многокомпонентных напитков типа пива актуальна задача анализа состава углеводов. Её решение также возможно с помощью ионной хроматографии, представляющей альтернативу дорогостоящему и недоступному на сегодняшний день большинству лабораторий методу хромато масс-спектрометрометрии. Можно рекомендовать градиентное разделение аминов и стандартных неорганических катионов на колонке фирмы Dionex (USA) на хроматографе Dionex ICS-2500 с анионообменной колонкой IonPac AS-11. Проведено одновременное разделение неорганических и органических кислот в пробе Американского эля (рисунок 4) [4]. Возможности ионной хроматографии и капиллярного электрофореза позволяют определять различные соединения углеводов, водорастворимых форм витаминов. Кроме этого метод ионэкслюзионной хроматографии дает возможность определять содержание основного (этанола) побочного (глицерина) продуктов брожения (рисунок 5).

Рисунок 4 – Разделение неорганических анионов и органических кислот в Американском эле методом ионообменной хроматографии (проба разбавлена в соотношении 1:40) [4]

Рисунок 5 – Разделение этанола и глицерина в пиве методом ионэкслюзионной хроматографии с пульсирующим амперометрическим детектированием (перед дозированием проба разбавлена в соотношении 1:10) [4]

Недостатком сложных высокочувствительных методов ионного определения является невозможность идентификации формы химического соединения. Пример с селеном показывает насколько это важно. Поэтому вместо валового объема ионов химических элементов кафедра МСиС ОГУ предлагает определять в пищевых продуктах и напитках химические формы – органические формы и металлорганические соединения с учетом валентности металлов. Разновидности и область применения методов определения минеральных веществ в пищевых продуктах (рисунок 6) доказывают перспективы их применения.

Рисунок 6 – Классификация методов определения минеральных веществ в пищевых продуктах

Если нет необходимости оценивать форму и валентность соединений металлов, то можно воспользоваться мощными и метрологически обеспеченными методами масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой» (ИПС-МС) и атомной эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой (ИПС-АЭС) [2]. Методики аттестованы и предназначены для определения содержания химических элементов в диагностируемых биосубстратах, поливитаминных препаратах с микроэлементами, в биологически активных добавках к пище и в сырье для их изготовления. Эти методики хорошо апробированы и нашли широкое применение в Центре биотической медицины (Москва, так называемый «метод Скального»). Применение метода оправдано, когда существует уверенность, что в сырье используется органическая форма, например, селена, йода или другого химического элемента, или когда валентность (соответственно, и природу соединения) можно не определять – фармацевтические препараты, БАД. Если речь идет об пищевых продуктах и напитках, обогащенных этими жизненно важными микроэлементами, то форму соединения знать необходимо.

Для этих целей мы рекомендуем газожидкостную хроматографию (ГЖХ)[3]. Этот метод (рисунок 7) основан на физико-химическом разделении анализируемых компонентов, находящихся в газовой фазе, при их прохождении вдоль нелетучей жидкости, нанесенной на твердый сорбент. Это один из наиболее перспективных методов анализа.

1 – баллон с газом-носителем; 2 – блок стабилизации газового потока; 3 – аналитический блок, состоящий из термостата, колонок и ротаметра; 4 – детектор; 5 – усилитель; 6 – самопишущий потенциометр; 7 – блок программированного изменения температуры колонки.

Рисунок 7 – Типичная блок-схема газожидкостного хроматографа

Широкое распространение и перспективность методов ГЖХ обусловлены тем, что они позволяют разделить и количественно определить вещества в сложной смеси даже в тех случаях, когда они сходны по химическим свойствам, а температуры кипения различаются на десятые доли градуса. Для анализа требуются очень малые количества вещества, а время определения обычно исчисляется минутами.

Тонкослойная хроматография, как разновидность хроматографического метода, основана на использовании тонкого слоя адсорбента в качестве неподвижной фазы. Причем разделяемые вещества по-разному распределяются между сорбирующим слоем и протекающим через него элюентом, вследствие чего расстояние, на которое эти вещества смещаются по слою за одно и то же время, различается. Тонкослойная хроматография предоставляет большие возможности для анализа и разделения веществ, поскольку и сорбент, и элюент могут варьироваться в широких пределах. При этом коммерчески доступен ряд пластинок с различными сорбентами, что делает возможным быстрое и рутинное использование метода.

Проведенный нами анализ позволил рекомендовать для количественного определения ряд физико-химических методов. В таблице приведены сводные данные по метрологическим характеристикам этих методов.

Таблица – Метрологические характеристики методов определения массовых концентраций токсичных веществ в многокомпонентных смесях

Метод (НД)	Назначение	Метрологические характеристики
Ионная хроматография МУ 46 DIONEX Dionex ICS-4000 Оборудование: Хроматографическая система Dionex,	Определение: - спиртов: этанол, глицерин; - органических кислот; - неорганических анионов; - неорганических катионов.	Предел допускаемого относительного среднего квадратического отклонения выходного сигнала детекторов хроматографа: - 1,5% по времени удерживания; - 3,0% по площадям пиков.
Газохроматографический метод ГОСТ 30536-2013; ГОСТ 4.163-85; ГОСТ 26703-93. «Хроматэк - Кристалл 5000» - исполнение 1; Оборудование: - Газовый хроматограф с комплектом детекторов и устройств ввода пробы;	Определение: - алкоголя; - наркотических средств; - психотропных веществ; - токсических веществ. Контроль: -среды обитания: воздух, вода, почва; -лекарственных препаратов при производстве.	Уровень флуктуационных шумов нулевого сигнала пламенно - ионизационного детектора(ПИД) – 2×10-14А; Предел детектирования, не боле 2×10-12 г/с по гептану; Относительное среднее квадратическое отклонение (СКО) выходного сигнала хроматографа (высота, площадь и время удерживания пика), не более 2% (ПИД); Значение изменения выходного сигнала хроматографа за цикл измерений 48 ч, не более ±5% (ПИД)
Ионоселективный метод	Определение: - ионов кальция; - ионов натрия;	Диапазон 4-20 мг - с пределом погрешности измерений +0,3; -0,6мг диапазон 20-100 мг - с пределом погрешности измерений +10,0; -3,0 мг при числе определений n=5 с доверительной вероятностью P=0,95

Таким образом, оценка значимости химических соединений в составе многокомпонентных напитков предполагает установление формы и валентности, в которых он присутствует в этих напитках.

Для определения количественного содержания органических и неорганических форм соединений требуется адаптация существующих методов газохроматографического анализа применительно к многокомпонентным смесям.

Список литературы

1 МР 2.3.1.1915-04 Рациональное питание. Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ. Методические рекомендации / Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. – М., 2004. – 25 c. http://www.usma.ru/unit/gigiena/documents/MP_rac_pit.pdf – 07.01.2018.

2 Определение химических элементов в биологических средах и препаратах методами атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и масс-спектрометрией: Методические указания (МУК 4.1.1482-03, МУК 4.1.1483-03) – М.: Федеральный Центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2003. – 56 с.

3 Пассет Б. В., Антипов М. А. Практикум по техническому анализу и контролю в производстве химико-фармацевтических препаратов и антибиотиков. – М.: Медицина, 1981, 272 с., ил. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.spec-kniga.ru/obuchenie/praktikum-po-tehnicheskomu-analizu-i-kontrolu-proizvodstva-himiko-farmacevticheskih-preparatov-i-antibiotikov/ (25.01.2018).

4. Рыбакова, Е.В. Ионная хроматография: универсальная методика для анализа пива /Е.В. Рыбакова // Пиво и напитки. 2004. – №2. – С. 42 –43.

5 Третьяк, Л.Н. Нормирование токсичных микропримесей в пиве и технология его производства /Л.Н. Третьяк, Е.М. Герасимов // Индустрия напитков. – 2010. – №4 .– С. 14-19.

6 Третьяк, Л. Системный подход к товароведческой оценке пива как пищевого напитка / Л. Третьяк // Индустрия напитков 2011. – №7. С. 46-51.

Код для цитирования: Скопировать