CC BY
101
ВЕСТНИК ТГГПУ. 2011. №3(25)
УДК 537.635; 544
РАЗВИТИЕ МЕТОДА ЭПР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПИЩЕВЫХ ДОБАВОК
© Р.Г.Яхин, Н.А.Самигуллина
Методом ЭПР исследованы образцы зерновых культур и отходы предприятий АПК, которые используются в рационах животных. Выявлены, что структурные изменения химического состава кормов под воздействием различного рода физико-химических и механических способов оказывают положительное влияние на их энергетическую ценность.
Ключевые слова: электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ионизирующее излучение, СВЧ-обработка, комбикорма, биополимеры, парамагнитные центры.
Наша повседневная жизнь связана с окружением электромагнитных излучений. Ежедневно мы употребляем продукты питания, пьем воду и вдыхаем воздух, испытавших на себе воздействие электромагнитных и радиационных излучений. Вдобавок проходим флюорографию, смотрим телевизор, слушаем эфирную музыку, пользуемся компьютером и сотовыми телефонами. Тем самым облучаемся. На сколько вредны эти воздействия? Радиация может погубить все живое, а может мирно сосуществовать. Все зависит от того, с какой дозой оказано воздействие на тот или иной объект и насколько соблюдена мера предосторожности при обращении с радиационными источниками [1: 177-208; 2: 133-146; 3].
Использование радиационных излучений в растениеводстве и животноводстве [4] открыло новые, широкие возможности для изменения обмена веществ у сельскохозяйственных растений и животных, повышение их урожайности и улучшения качества, ускорения развития и роста.
В результате исследований радиобиологов [5] было установлено, что ионизирующая радиация является мощным фактором воздействия на рост, развитие и обмен веществ живых организмов. Под воздействием гамма - облучения как у растений, так и у животных или микроорганизмов меняется слаженный обмен веществ, ускоряется или замедляется (в зависимости от дозы) течение физиологических процессов, наблюдаются сдвиги в росте, развитии, формировании урожая [4; 5].
Ионизирующие излучения стали использовать для повышения сроков хранения сельскохозяйственных продуктов и для уничтожения различных насекомых-вредителей [4; 5; 6]. Например, если зерно перед загрузкой в элеватор пропустить через бункер, где установлен мощный источник ионизирующего излучения, то возможность размножения насекомых-вредителей будет исключена и зерно сможет храниться длительное время без каких-либо потерь. Само зерно как пи-
тательный продукт не меняется при таких дозах облучения. При этом происходит значительное расщепление крахмала и отчасти клетчатки, увеличивается содержание сахаров, а белки теряют свою четвертичную структуру [7]. Употребление его для корма животных не вызывает каких-либо отклонений в росте, способности к размножению и не вызывает других патологических отклонений от нормы.
Проблема кормового белка в кормлении сельскохозяйственных животных продолжает оставаться одной из самых важных в животноводстве. В настоящее время для увеличения усвояемости и повышения кормовой ценности компонентов комбикормов применяют различные способы их обработки. Основные способы тепловой обработки - микронизация, СВЧ-облучение [6], лазерное излучение и др.
Особое место в разработке технологии приготовления кормов занимают новые электротехнологии, в частности использующие энергию электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) [6]. Процессы, связанные с влаготепловой обработкой зерновых кормов для повышения их кормовой ценности, основаны на целенаправленном преобразовании питательных веществ в корме от сложных биополимеров к более простым формам. Качественные показатели такого процесса определяются режимными параметрами ЭМП СВЧ, параметрами обрабатываемого сырья.
Одним из таких методов, позволяющих получать прямую информацию об обработанности комбикормов, наличии в них свободных радикалов и определении дозы облучения, является метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [8].
Метод ЭПР за последние годы широко вошел в практику биохимических исследований. Весьма успешно его применяют и для изучения органического вещества различных соединений. Ме-
тод обладает очень высокой чувствительностью и, не нарушая структуры исследуемого вещества, дает многообразную оригинальную информацию о строении веществ, содержащих свободные радикалы (СР), под которыми обычно понимают молекулы, участки молекул или атомы в их структуре, обладающие свободным (неспаренным) электроном. Свободные радикалы благодаря большому запасу энергии и своей высокой активности играют центральную роль в большинстве химических реакций между органическими, органо-минеральными и минеральными соединениями. Поэтому, изучая свободнорадикальную структуру различных природных биополимеров, мы можем судить о реакционной способности последних и о возможных превращениях их в той или иной среде [9; 10].
Метод ЭПР - спектроскопия обеспечивает количественную оценку дозы, полученной пищевыми добавками при облучении, и особенно полезен при исследовании облученной продукции на токсикологическую безопасность. Также по величине и форме ЭПР-сигнала можно судить о концентрации и типах зарождавшихся парамагнитных центров. Метод ЭПР является экспрессным и обладает высокой точностью [8; 11].
Экспериментальная часть
С целью развития приложения метода к различным областям экологических проблем и расшире-
ния возможностей метода ЭПР - спектроскопии были исследованы образцы отходов предприятий АПК и зерновые культуры, которые используются в рационах животных. В частности, ставилась задача изучения степени облученности пищевых добавок при помощи ЭПР и проведения экспериментов с различными образцами комбикормов.
Для проведения исследований применялся комплекс ЭПР аппаратуры, включающий спектрометр ЭПР-10 МИНИ (Санкт-Петербург), источник СВЧ-излучений, дозиметр и персональный компьютер.
Исследования проводились при комнатной температуре с образцами отходов различных перерабатывающих предприятий. К таковым относятся: отходы пивоваренной промышленности - пивная дробина, солодовые ростки, солодовая мука; отходы сахарного производства - свекловичный жом; спиртовой промышленности - барда; отходы масложировой промышленности - жмыхи; отходы микробиологического синтеза - кормовые дрожжи. Исследовались и зерновые культуры: овес, рожь, тритикале. Каждый из перечисленных пищевых добавок сначала подвергался воздействию СВЧ-облучения с различной длительностью времени (1 мин, 2 мин, 3 мин), а также термического активирования. Затем проводился эксперимент по выявлению сигнала ЭПР вышеперечисленных образцов с пищевыми добавками.
0,45-
0,4-
0,35-
0,3-
0,25-
0,2-
0,15-
0,1-
0,05-
ш,
и
г
£
МІ
□ Облученные
□ Активированные
□ Контроль
/ У У У У У У У У У ч* У У У
* *
л
О* О0 4-°'
о'
И ^
Ж Ж
ж _<? ж
Рис.1. а. Интенсивность сигнала I образцов отходов и зерновых культур.
Р.Г.ЯХИН, Н.А.САМИГУЛЛИНА
■го
-<и
-ш
0,2
0,1
0,0
-0,1
-0,2 -
-0,3
і
і iljMkjl JJ|Ou 1
\
1 1
3200 3250 3300 3350 3400 3450 3500
B, gauss
Рис.2. Типичный спектр ЭПР пищевых добавок.
3550
Для определения оптимальных условий записи сигнала, спектры ЭПР для каждого образца записывались многократно при различных режимах работы прибора: значениях мощности СВЧ-накачки, амплитуды модуляции внешнего магнитного поля, коэффициента усиления приемника, скорости записи и величины протяжки внешнего магнитного поля.
Экспериментальные результаты ЭПР-иссле-дований приведены ниже. Видно, что не во всех образцах пищевых добавок одинаковый результат: самый интенсивный сигнал наблюдается у шрота и жмыха подсолнечного, а у тритикале, ржи и овса появляется лишь слабый сигнал.
Типичный спектр образца с пищевыми добавками представлен на рисунке 2. На спектрах исследованных продуктов можно увидеть одну интенсивную линию с g = 2.0014±0.0005, что говорит о явном присутствии свободных радикалов в структуре пищевых добавок. Свободные радикалы образуются при высокотемпературном воздействии или под действием различного типа ионизирующего или электромагнитного излучения, так как происходит разрыв химической связи (гемолитическое расщепление). Интенсивность сигнала, а соответственно и концентрация свободных радикалов в образцах заметно менялись в зависимости от типа образца.
Таким образом, на основании проведенных исследований установлено, что действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, это приводит к возбуждению молекул, их ионизации и образовании свободных радикалов.
Структурные изменения химического состава кормов под воздействием различных физикохимических и механических методов оказывают положительное влияние на энергетическую ценность, что в целом свидетельствует о повышении продуктивного действия кормов.
Работа выполнена при поддержке гранта РГНФ 10-06-29610а/В/2010.
1. Яхин Р.Г. Метод ЭПР датирования находок органического происхождения // Археология и естественные науки Татарстана. - Казань: КГУ, 2003. -Кн.1. - 236 с.
2. Яхин Р.Г. Возможность определения типов ионизирующих излучений и их энергетических характеристик по данным исследований археологических находок органического происхождения // Археология и естественные науки Татарстана. -Казань: Ин-т истории АН РТ. - 2004. - Кн.2. -188 с.
3. Яхин Р.Г. Развитие методов магнитного резонанса для неразрушающего контроля структуры веществ. - Казань: Фэн, 2010. - 238 с.
4. Жакпаров Р.К., Стахов О.В., Пивоваров С.П. ЭПР-дозиметрия радиационно стерилизованных пищевых продуктов // Вестник НЯЦ РК. - 2007. -Вып.1(29). - С.23-27.
5. Базалеев Н.И, Клепиков В.Ф., Литвиненко В.В. Электрофизические радиационные технологии. -Харьков: Акта, 1998. - 206 с.
6. Морозов Г.А., Седельников Ю.Е., Стахова Н.Е. Исследование воздействий электромагнитных полей СВЧ и КВЧ на биологические объекты // XII Междунар. Крымская конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо),
B
9-13 сентября 2002 г.: матер. конф. - Севастополь: Вебер, 2002. - С.90-91.
7. Афанасьев В.А. Теория и практика специальной обработки зерновых компонентов в технологии комбикормов. - Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2002. - 296 с.
8. Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР. - М.: Мир, 1975. -542 с.
9. Альтшулер С.А., Козырев Б.М. ЭПР соединений элементов переходных групп. - М.: Наука, 1972. -672 с.
10. Тихонов А.Н. Электронный парамагнитный резонанс в биологии // Соросовский образовательный журнал. - 1997. - № 11. - С. 8 - 15.
11. Керрингтон А., Маклечлан Э. Магнитный резонанс и его применение в химии. - М.: Мир,1970. -447 с.
DEVELOPMENT OF THE EPR STUDY OF FOOD ADDITIVES
R.G.Yakhin, N.A.Samigullina
The authors of the article examined the samples of enter prise waste of agro industrial complex and grain legumes which are used in ration of cattle are by EPR. It is displayed that the structural changes of chemical composition of forage under affect of different physical and chemical and technical methods have a positive influence on the energetic value which is the evidence of rising productive effect of forage.
Key words: electronic spin resonance (ESR), ionizing radiation, microwave treatment, feed, biopolymers, paramagnetic centers.
Яхин Рашит Гарафутдинович - доктор технических наук, профессор кафедры общей физики Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева.
E-mail: [email protected]
Самигуллина Нурзиля Альбертовна - аспирант лаборатории биогеохимии Института проблем экологии и недропользования АН РТ.
E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 18.05.2011
