CC BY
126
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
I ТЕМА НОМЕРА ||
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ -
на службу человеку
Для обеспечения продовольственной безопасности нашей страны большое значение имеет не только наличие пищевой продукции в достаточном количестве, но и ее качество, которое устанавливается и контролируется с помощью аналитических приборов. Хотя сегодня Россия, как и весь мир, находится в сложной экономической ситуации, тем не менее государство выделяет определенные средства на оснащение испытательно-производственных лабораторий и научно-исследовательских центров. Современная аналитическая аппаратура, которой располагают эти организации, позволяет контролировать качество и безопасность пищевой продукции.
Сегодня в аналитической практике применяется довольно много приборов импортного производства, но вместе с тем продолжает развиваться и отечественное приборостроение. Это происходит благодаря деятельности в основном небольших компаний, производящих малогабаритные приборы с узкой специализацией - определение рН, микроэлементов, антиоксидантной активности, токсичных металлов и др. Такие приборы проходят сертификацию и уже могут быть использованы и на международном уровне. В настоящее время в практике пищевой промышленности все шире применяются методы газовой и высокоэффективной жидкостной хроматографии, атомной абсорбции, тандемной масс-спектрометрии, ЯМР.
Наличие парка необходимой аналитической аппаратуры и обслуживающих ее
высококвалифицированных специалистов создает уверенность в том, что на стол потребителя будет поступать пищевая продукция с гораздо меньшей долей рисков в отношении качества и безопасности.
УДК 661.691:641
Содержание и определение селена
в пищевых продуктах
С.Г. Антонова, асп., Е.Е. Елесова, Г.Н. Носкова, канд. хим. наук
ООО «НПП «Томьаналит»
Л.В. Драчева, канд. хим. наук
Международная академия информатизации
Селен был открыт шведским химиком И.Я. Берцелиусом в 1817 г. Свое название он получил в честь Луны (в переводе с греч. Selene - Луна), так как в природе является спутником элемента теллура (от лат. tellbus- Земля), открытого ранее [1].
В малых количествах селен жизненно необходим для человека, так как он является составной частью множества белков, липосахаридов и ферментов. Поэтому как избыточное, так и недостаточное поступление селена в организм человека с водой, пищевыми продуктами и медицинскими препаратами может стать причиной возникновение тяжелых заболеваний. Недостаток селена в организме ведет к нарушению целостности клеточных мембран, значительному снижению активности сгруппированных
на них ферментов, накоплению кальция внутри клеток, нарушению метаболизма аминокислот и кетоновых кислот, снижению энергопродуциру-ющих процессов. Существует высокая степень корреляции между дефицитом селена и онкогенными заболеваниями [2]. Дефицитом селена обусловлено около 20 патологий и 50 болезненных состояний. Селен необходим для нормального функционирования щитовидной железы, участвующей в большинстве обменных реакций. Сбои в работе щитовидной железы приводят к нарушению роста и развития организма, кретинизму и другим заболеваниям. Следствием недостаточности селена в организме в конечном счете могут быть анемия, сахарный диабет, инфаркт миокарда и другие заболевания [3, 4].
В настоящее время наблюдается дефицит селена в окружающей среде, что связано с ее необратимыми изменениями в результате непродуманной антропогенной деятельности человека. Во многих странах имеются регионы с недостаточным содержанием селена в окружающей среде (Китай, Новая Зеландия, страны Северной и Центральной Европы). В России к селенодефи-цитным регионам относятся в первую очередь Северо-Западный регион, Верхнее Поволжье, Удмуртия и Забайкалье. Практически у всех жителей нашей страны, живущих вдали от моря, отмечается так называемый «мягкий селенодефицит», при котором в организм поступает лишь 70-80 % необходимой ежедневной дозы селена.
Содержание селена в организме человека зависит от уровня его потребле-
ния, которое тесно взаимосвязано с распределением элемента в биосфере того региона, где он проживает. Миграция селена осуществляется по пищевой цепи: из почвы в растения, далее в организм животных, первые и вторые служат источником селена для человека. В настоящее время задача восполнения дефицита селена в организме решается путем создания минеральных биологически активных добавок к пище (БАД) и минерально-витаминных комплексов. В их состав входят неорганические соединения селена в виде солей селенита и селената натрия. Как показала практика, наряду с полезными такие добавки имеют и отрицательные свойства [5]. Наиболее биодоступны и, следовательно, биоусвояемы органические формы селена (селено-цистин, селенометионин), которые можно получить при употреблении се-ленсодержащих продуктов и экологически чистых овощей.
Описаны случаи селенотоксикоза у животных и человека, обусловленного избыточным поступлением этого элемента в организм вместе с растениями, которые являются концентраторами селена (астрагал, Stanlea, НаррОрарриБ и др.). Такой селенотоксикоз проявляется в виде так называемой «щелочной болезни». Основные проявления избытка селена: нестабильные эмоциональные состояния, чесночный запах от кожи (образование диметилселени-да), нарушение функций печени, бронхопневмония, выпадение волос, ломкость ногтей.
Согласно данным ВОЗ, в сутки женщинам требуется 55 мкг, мужчинам -70 мкг, а детям - 1 мкг этого элемента на 1 кг массы тела. Так, дневная доза селена содержится в одном стакане деревенской свежей сметаны; в 100 г кокосовых орехов; в 50 г свиного сала; в 200 г кальмаров; в 200 г морской капусты; в 150-200 г вареной брокколи; в 3-4 зубчиках чеснока. Дефицит селена в организме развивается при поступлении этого элемента в количестве 5 мкг в день и менее, порог токсичности -5 мг в день [6].
Для определения содержания селена применяют атомно-абсорбционную спектрометрию, газовую и жидкостную хроматографию, нейтронно-активаци-онный анализ, масс-спектрометрию, флуориметрию, инверсионную воль-тамперометрию. Наиболее чувствительные методы - нейтронно-актива-ционный, рентгенофлуоресцентный, масс-спектрометрия и инверсионная вольтамперометрия. Нейтронно-акти-вационный метод имеет предел обнаружения 0,0001 мкг/дм3, но есть обстоятельства, сдерживающие его при-
ANALYTICAL DEVICES FOR FOOD PROCESSING INDUSTRY
менение. Прежде всего, это радиационная опасность. К тому же данный метод, как и рентгенофлуоресцентный (предел обнаружения 0,015 мкг/дм3) и масс-спектрометрия, относится к дорогостоящим, вследствие этого он малодоступен для лабораторий. Метод инверсионной вольтамперометрии отличается от перечисленных методов простотой и низкой стоимостью оборудования, но при этом не уступает им по чувствительности.Наряду с валовым содержанием позволяет определять формы селена, различающиеся по характеру и степени воздействия на человека.
В настоящее время разработан ряд вольтамперометрических методик определения селена, разрешенных к применению в аналитических лабораториях России. Однако чувствительность данных методик рассчитана на объекты с повышенным содержанием селена и не позволяет оценить его естественное содержание. Наиболее чувствительные из методик предполагают применение инертного газа, ртутных индикаторных электродов или ртутьсодер-жащих фоновых растворов, что налагает дополнительные требования к технике проведения анализа. Поэтому практическое значение имеет разработка чувствительных методик определения селена, характеризующихся достаточно низкими пределами обнаружения на уровне 10-3-10-2 мкг/дм3.
Для определения селена в основном используют два варианта метода инверсионной вольтамперометрии: анодную и катодную. Наиболее часто применяемый индикаторный электрод при анодном инверсионно-вольтампе-рометрическом определении селена -золото-графитовый электрод, однако чувствительность данного способа определения недостаточна для анализа объектов с естественным содержанием селена - на уровне 0,005 мкг/дм3 (мкг/кг). При идентификации селена наиболее предпочтителен метод катодной инверсионной вольтамперометрии. Предел обнаружения, достигнутый разными исследователями, составляет 0,0002-0,001 мкг/дм3 (мкг/кг), что значительно превосходит метод анодной инверсионной вольтамперо-метрии и позволяет использовать метод катодной вольтамперометрии для анализа объектов с низким содержанием селена, к которым и относятся пищевые продукты. Применение большинства вольтамперометрических методик определения селена в рутинном анализе затруднено тем, что определению мешает кислород и его нужно удалять из раствора при анализе, а также необходимостью применения в каче-
стве индикаторных ртутных пленочных электродов.
В научно-производственном предприятии «Томьаналит» (г. Томск) разработан способ определения селена методом катодной инверсионной вольтамперометрии с использованием серебряного модифицированного электрода (СЭМ) и трехканального вольтамперометрического анализатора ТА-4 (ООО «НПП«Томьаналит», г. Томск). Предварительно анализируемую пробу минерализуют, т. е. разрушают органические вещества пробы. Минерализованную пробу растворяют в 0,75 М растворе муравьиной кислоты. Полученный раствор помещают в электрохимическую ячейку анализатора и измеряют концентрацию селена по аналитическому сигналу Бе (IV). Для регистрации аналитического сигнала селен концентрируют на поверхности индикаторного электрода СЭМ путем подачи на него строго заданного потенциала в течение контролируемого промежутка времени (10-90 с). После этапа концентрирования потенциал электрода изменяют от -0,4 до -0,9 В в дифференциальном импульсном режиме, фиксируя при этом зависимость тока электрохимической ячейки от потенциала индикаторного электрода -вольтамперограмму. При изменении потенциала СЭМ от -0,6 до -0,8 В концентрат селена растворяется на поверхности электрода, что приводит к всплеску тока на вольтамперограмме, регистрируемому в виде пика (рис. 1). Высота пика зависит от концентрации Бе (IV) в анализируемом растворе. Чем больше концентрация, тем выше пик тока на вольтамперограмме.
Растворенный кислород маскирует пик тока селена на вольтамперограм-
Рис. 1. Катодные инверсионные вольтамперограммы на СЭМ с УФО раствора 0,75 М НСООН, содержащего: 1 - фоновый раствор; 2- 1,0; 3- 2,0; 3-3,0мкг/дм3 ионов Бе (IV) (Еэ=0,0 В, ф=30 с)
I-
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПИЩЕВОМ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
= ТЕМА НОМЕРА
Рис. 2. Катодные инверсионные вольтамперограммы на СЭМ раствора 0,75М НСООН, содержащего 1 мкг/дм3 ионов Бе (IV) (Еэ=0,0 В, фэ=30 с) при регистрации вольтамперограмм: 1 - без УФО; 2- с УФО.
Таблица 1
Диапазон измерений, значения показателей точности, правильности, повторяемости и воспроизводимости
Диапазон измерений, мг/кг
От 0,020 до 70 вкл.
Показа- Показа-
тель тель вос-
повторя- произво-
емости димости
(средне- (средне-
квадра- квадра-
тическое тическое
отклоне- отклоне-
ние ние вос-
повторя- произво-
емости), димости),
а, % г' а^ %
17 22
Показатель правильности (границы, в которых находится не исключенная систематическая погрешность методики), ±5, %,
с' '
при Р=0,95
Показатель точности (границы, в которых находится погрешность методики), ±5, %,
при Р=0,95
18
47
Таблица 2
Результаты определения Бе (IV) в пищевых продуктах методом катодной инверсионной вольтамперометрии
Продукт Содержание Бе (IV), мкг/кг
Молоко «Деревенское» 4,3±1,7
Молоко детское «Тема» 4,2±1,7
Колбаса молочная (свинокомплекс «Томский») 5,7±2,3
Капуста морская маринованная 34±13
Яблоки 11±4
Чеснок 31±12
ме, поэтому его предварительно удаляют из электрохимической ячейки облучением анализируемого раствора УФ-лампами, встроенными в вольтам-перометрический анализатор.
Путем исследования зависимости высоты пика селена от потенциала электронакопления установлено, что наибольший пик селена регистрируется при его электронакоплении при потенциалах 0,0-0,1В.
В процессе исследований особое внимание было уделено выбору фоно-
вого электролита и способу устранения мешающего влияния растворенного кислорода. В связи с тем, что главным недостатком существующих способов определения селена является необходимость использования инертного газа для удаления кислорода из раствора, что значительно усложняет процедуру анализа, в проведенных исследованиях с целью упрощения процедуры измерений использовали фотохимическую дезактивацию растворенного кислорода путем ультрафиолетового облучения (УФО) раствора пробы с добавлением муравьиной кислоты. Установлено, что применение УФО приводит к повышению чувствительности определения Бе (IV) на СЭМ до 0,03 мкг/дм3 (ранее достигнутая чувствительность при использовании инертного газа -0,2 мкг/дм3). Этот эффект наблюдается только при использовании в качестве фонового электролита раствора муравьиной кислоты и воздействии облучения непосредственно в процессе съемки вольтамперограмм. Резкое увеличение чувствительности определения селена на СЭМ с УФО представлено на рис. 2.
Применение СЭМ с УФО при определении Бе (IV) методом катодной вольтамперометрии обладает рядом преимуществ: наибольшая чувствительность определения, стабильность работы электродов, отсутствие необходимости работы с металлической ртутью, что повышает экологическую безопасность анализа. К тому же использование УФО для дезактивации растворенного кислорода упрощает процедуру анализа и снижает его стоимость.
Для определения содержания селена в пищевых продуктах их необходимо минерализовать. Достаточно низкие содержания селена в пищевых продуктах (порядка 10-3-10-2 мг/кг), а также летучесть соединений селена делает минерализацию продуктов при определении селена достаточно сложной и требующей особого внимания. Для подготовки проб использовали сочетание двух способов: мокрой минерализации (кислотного разложения) и сухого озоления с добавками. Селен в пищевых продуктах находится в виде селенитов - Бе (IV) и селенатов - Бе (VI), а также в виде селеноорганических соединений. Известно, что соединения Бе (IV) летучи уже при температуре 200 °С, а соединения шестивалентного селена нет [1, 9]. При проведении исследований по подготовке проб было использовано это свойство соединений селена, которое позволило исключить потери элемента при минерализации проб путем окисления Бе (IV) до Бе (VI) на первой стадии минерализации - ра-
створении пробы в азотной кислоте. Точный контроль за температурой и временем при проведении подготовки проб обеспечило применение программируемой двухкамерной печи ПДП-18М (ООО «НПП«Томьаналит»).
Наиболее ответственная задача минерализации - контроль за температурным режимом и последовательностью добавки окислителей. От применения на стадии «мокрой» минерализации перекиси водорода, часто используемой для разложения проб, пришлось отказаться, так как, несмотря на интенсификацию процесса пробопод-готовки, это приводит к частичным либо полным потерям селена. Оптимальная температура «сухого» озоле-ния пробы составляет 550 °С. Полная минерализация пробы при данной температуре без потерь селена возможна только в случае чередования этапов «сухого» озоления и «мокрой» минерализации пробы в присутствии оксида магния.
С использованием нового способа разработана и аттестована методика определения селена в пищевых продуктах, продовольственном сырье, БАДах методом катодной инверсионной вольтамперометрии на серебряном модифицированном электроде (СЭМ). Метрологические характеристики методики приведены в табл. 1.
Следуя разработанной методике, были проанализированы различные виды пищевых продуктов (табл.2).
ЛИТЕРАТУРА
1. Назаренко И.И., Ермаков А.Н. Аналитическая химия селена и теллура. -М.: Наука, 1971.
2. Тутельян В.А, Княжев В.А., Хотим-ченко С.А. и др. Селен в организме человека: метаболизм, антиоксидантные свойства, роль в канцерогенезе. - М.: Издательство РАМН, 2002.
3. Драчева Л.В. Функционально-метаболический аспект микроэлемента селена//Пищевая промышленность. 2005. № 4. С. 38-39.
4. Драчева Л.В. Селен - жизненно важный микроэлемент в питании человека/Сб. мат. V Международной научно-практ. конф. «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности». - М., 2007, с. 136-140.
5. Драчева Л.В. Микроэлемент селен и продукты здорового питания/ Сб. мат. V Международной научно-практ. конф. «Технологии и продукты здорового питания» - М., 2007, ч. 1, с. 30-34.
6. Громова О.А. и др.//Ргопитание. 2004. № 7.
