Применение БИК-спектроскопии для определения количества неорганических и органических соединений в кормах Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ЗООТЕХНИЯ И ВЕТЕРИНАРИЯ

УДК 636.087.72:546.6.018.42 ПРИМЕНЕНИЕ БИК-СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА НЕОРГАНИЧЕСКИХ И ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В КОРМАХ

С.И. Николаев, доктор сельскохозяйственных наук И.О. Кулаго, кандидат химических наук С.Н. Родионов, кандидат сельскохозяйственных наук

Волгоградский государственный аграрный университет

В данной работе рассматриваются возможности экспресс метода БИК-спектроскопии для определения количества содержания в кормах неорганических и органических соединений. В результате проведенных исследований была проведена проверка работоспособности построенных градуировок на модельной смеси «зерно - бишофит» для количественной оценки минерального состава биологических образцов. Результаты показывают, что данные градуировки возможно использовать для оценки минерального состава кормовых смесей.

Ключевые слова: БИК-метод, градуировочная модель, бишофит.

БИК-метод основан на измерении спектров отражения или пропускания образцов в спектральном интервале проявления составных частот и обертонов фундаментальных частот колебаний молекул воды, белка, жира, клетчатки, крахмала и других важных компонентов исследуемых проб с последующим расчетом величины показателя по встроенной в анализатор градуировочной модели. Спектральная БИК-область охватывает диапазон длин волн 750-2500 нм (0,75-2,5 мкм) или диапазон волновых чисел 14000-4000 см -1 [2]. Излучение в этой спектральной области имеет большую проникающую способность и одновременно совершенно безопасно для биологических объектов. Благодаря этому, можно анализировать цельное зерно различных культур без какого-либо ущерба для образца. Главными преимуществами БИК-анализаторов являются: экспрессность измерений, отсутствие пробоподготовки и реактивов. Сам процесс анализа занимает 2-3 минуты.

Одним из новых направлений применения БИК-метода в изучении биологических объектов является исследование состава водных растворов.

Из литературных данных известно, что солевые растворы непосредственно неактивны в БИК-области и регистрация сигнала опирается на изменение водородных связей солями.

Типичным примером измерения с помощью спектроскопии ближней ИК-области «неспектральных свойств» вещества является определение солевого состава морской воды. В этой связи значащим становится понятие ИК-сдвигающего агента. Хлористый натрий изменяет структуру воды, модифицируя водородные связи, что отражается на спектрах в ближней ИК-области [3].

В научных разработках последних лет важное место уделено изучению действий различных макро- и микроэлементов в минеральных добавках на обменные процессы организма животных и птицы и влиянию этих добавок на качественные и количественные показатели производимой продукции.

Как указывает Ва11ои’^ дефицит кормов по аминокислотам и энергии

обычно ведет только к снижению привесов и ухудшению оплаты корма, в то время

как дефицит в минеральных веществах и витаминах может служить причиной различных болезней и даже падежа сельскохозяйственных животных [1].

Основной источник получения минеральных веществ сельскохозяйственными животными - растительные корма (за некоторым исключением), которые вводят в рацион в качестве минеральных добавок (соль-лизунец - для животных, мел, ракушка - для птицы и т.п.). Минеральный состав кормов колеблется в зависимости от их качества, условий произрастания растений, уровня их агротехники и ряда других факторов, включая так называемую принадлежность к биогеохимической провинции.

Так как элементы минерального питания животные получают с кормом и частично с водой, в этой работе были проведены исследования водных растворов солей (хлорида натрия и хлорида магния) и некоторых органических соединений (сахар, аминокислота) с применением современных спектральных методов с регистрацией сигналов в БИК (ближняя ИК) - области.

Для измерения концентраций водных растворов бишофита с применением БИК-метода была построена градуировочная модель:

1) измерения проводили в 4 точках (положения кюветы);

2) каждая точка сканировалась двадцать четыре раза;

3) измерения начинали с самой низкой концентрации бишофита (1%);

4) каждый образец измерялся три раза, первые два раза при одинаковом заполнении кюветы, третий раз кювета заполнялась заново;

5) образцы были подобраны таким образом, чтобы охарактеризовать три области концентраций.

В результате была получена градуировочная модель для определения концентрации бишофита в воде с коэффициентом корреляции 0,99 (рисунок 1).

Градуировочная модель Количество

SEC J SECV I SEV ] MD | Образцы с плохим химическим анализом | Счета | Спектр, нагрузки | Хим. нагрузки | Всего спектров: 99

Предсказанное значение

40-

30-

20-

10-

г У

у?

;-Н" рк- РП. у.

У

у *£

I

10

20

I

30

40

Референтное значение

Отображать данные в виде: | График

Контроль выбросов Критерий: 12'00001

Исключить выделенные спектры

Отменить все изменения

Показатель SEC R2sec

Количество 0.432567 0.999078

Справка

Пряная тренда у = 0.0175+0.9991 х

Рисунок 1 - Градуировочная модель бишофита

На рисунке 1 изображена градуировочная модель бишофита построенная на основе растворов бишофита с концентрациями от 1 % до 10 %, от 18 % до 28 %, от 32 % до 42 %.

Градуировочная модель Количественный

SEC SECV | SEV J MD | Образцы с плохим химическим Всего спектров: 48

анализом ) Счета | Спектр, нагрузки | Хим. і

Предсказанное значение

20-

: і ! і III

10-

I

. , . . . . I . . 0 5 . . , . . . . 1 . . . . , . 10 15 20

Референтное значение

Справка

Показатель:

|Количество

Отображать данные в виде: | График

~3

Контроль выбросов

Критерий: I 2-0000< *SECV Обновить |

Исключить выделенные спектры

Отменить все изменения

Показатель SECV R2secv F Прямая тренда

Количество 0.092000 0.999799 72877.753658 у = -0.0027+ 0.9996 X

Рисунок 2 - Градуировочная модель хлорида натрия

В такой же последовательности для сравнительной оценки была построена градуировочная модель для хлорида натрия. Коэффициент корреляции модели получили 0,99.

На рисунке 2 изображена градуировочная модель раствора хлорида натрия с концентрациями от 1 % до 10 %, от 18 % до 20 %.

Для определения концентрации сахара растворенного в дистиллированной воде в выше изложенной последовательности была построена градуировочная модель. Коэффициент корреляции модели получили 0,99 (рисунок 3).

з

Градуировочная модель Количество

БЕС 5ЕС\/ | БЕУ ) МО | Образцы с плохим химическим аі Всего спектров: 107

м | Счета ] Спектр, нагрузки | Хим. нагрузки |

Предсказанное значение 60-

40-

30-

20

10

0

-

...

о*

у

у*

У

I

20

I

40

I

60

Референтное значение

Количество

Отображать данные в виде: | График

Контроль выбросов

Критерий: | 2-0000( “БЕСУ Обновить |

Исключить выделенные спектры

Отменить все изменения

Показатель БЕСУ (ггэес/ Р Прямая тренда

Количество 0.218130 0.999851 230092.131072 у =0.0114 + 0.9996 х

Рисунок 3 - Градуировочная модель сахара

На рисунке 3 изображена градуировочная модель раствора сахара с концентрациями от 1 % до 10 %, от 18 % до 28 %, от 40 % до 45 %.

Градуировочная модель Качественная

Рисунок 4 - Распределение градуировочных моделей: 1) Р -аланина, 2) сахара,

3) бишофита, 4) хлорида натрия в единой системе координат Для оценки полученных моделей в координатах двух главных компонент провели качественное сравнение точек распределения градуировочных моделей: 1) Р -аланина, 2) сахара, 3) бишофита, 4) хлорида натрия.

С использованием данных градуировок были проведены следующие исследования. Были приготовлены растворы бишофита с массовой долей растворенного вещества 2 %, 4 %, 10 %, которым смачивали зерно (пшеницы, ячменя, овса). При измерении концентрации раствора бишофита с использованием БИК-метода, которым смачивали зерно (пшеницы, ячменя, овса) были получены следующие данные (таблица 1).

Таблица 1 - Концентрация бишофита

Концентрация раствора бишофита до смачивания зерна (пшеницы, ячменя, овса) Концентрация раствора бишофита после смачивания зерна (пшеницы, ячменя, овса)

пшеница ячмень овес

2 % 3,3 2,7 2,8

4 % 4,1 4,1 4,7

10 % 10,1 10,2 10,3

При смачивании зерна (пшеницы, ячменя, овса) раствором бишофита с разными концентрациями (2 %, 4 %, 10 %) цвет раствора бишофита изменялся.

В каждом случае раствор бишофита, которым смачивали зерно, окрашивался, возможно, органикой (пигментами) зерна, причем визуально раствор имел более насыщенный цвет при концентрациях бишофита 2 %, при повышении концентрации раствора бишофита интенсивность окраски раствора, которым смачивали зерно, уменьшалась.

Из анализа результатов таблицы 1 видно, что концентрация раствора бишофита (2 %, 4 %, 10 %), которым смачивали зерно (пшеницы, ячменя, овса), практически не изменилась. Зерно поглощало некоторый объем жидкости. После этого неиспользованный раствор сливали и замеряли его объем. Можно предположить, что на зерне (пшеницы, ячменя, овса) осталось то количество соли, которое было растворено в израсходованном объеме бишофита.

Расчеты показали, что при смачивании зерна пшеницы массой 1000 г раствором бишофита с концентрациями (2 %, 4 %, 10 %) на зерне (пшеницы, ячменя, овса) должно остаться количество магния и хлора, указанное в таблице 2.

Таблица 2 - Расчетное содержание катионов магния и анионов хлора на зерне _______(пшеницы, ячменя, овса), после обработки раствором бишофита_______

Количество магния г, остающееся на зерне массой 1000 г при смачивании бишофитом Количество хлора г, остающееся на зерне массой 1000 г при смачивании бишофитом

2 % 4 % 10 % 2 % 4 % 10 %

Зерно пшеницы 2,4 5,0 11,2 7,1 14,8 33,2

Зерно ячменя 2,0 4,2 10,6 6,1 12,6 31,6

Зерно овса 4,8 9,8 21,2 14,2 29,2 62,8

Для определения количества катионов магния и анионов хлора зерна (пшеницы, ячменя, овса) обработанного раствором бишофита (2 %, 4 %, 10 %), был использован метод капиллярного электрофореза (КЭФ). Исследования проводились на анализаторе Капель 105, использовались методика по определению катионов в кормах М 04-65-2010 разработчик (ООО ЛЮМЭКС), методика по определению анионов в кормах М 04-73-2011 разработчик (ООО ЛЮМЭКС). Исследовалось зерно (пшеницы, ячменя, овса) смоченное раствором бишофита (2 %, 4 %, 10 %). Результаты исследований отображены в таблице 3.

Таблица 3 - Содержание катионов и анионов в зерне (пшеницы, ячменя, овса).

Количество магния, г Количество хлора, г

в 1000 г зерна в 1000 г зерна

Без бишофита Бишофит 2 % о4 4 т и & о ш и Б Бишофит 10 % Без бишофита о4 2 т и & о ш и Б о4 4 т и & о ш и Б Бишофит 10 %

Зерно пшеницы 2,8 4,5 6,7 11,4 3,3 8,5 12,G 22,7

Зерно ячменя 2,4 3,9 5,6 16,G 4,5 5,6 1G,4 26,G

Зерно овса 2,3 6,2 11,6 36,G 4,1 1G,G 26,G 44,G

Выводы:

1. Традиционно привычным в оценке качества воды и кормов считается наличие количества того или иного минерала в воде и кормах, в данном случае мы соприкоснулись с качеством влияния минерала на физико-химические свойства воды и возможно на кормовую смесь.

2. Сравнение двух градуировочных моделей (растворов хлорида натрия и хлорида магния) показало, что градуировочная модель хлорида натрия опирается на спектральный диапазон от 10400 до 10900 см-1, а для бишофита (хлорида магния) от 10100 до 10600 см-1. Из литературных данных [3] известно, что солевые растворы непосредственно неактивны в БИК-области и регистрация сигнала опирается на изменение водородных связей солями.

Следовательно, влияние хлорида натрия на водородные связи в системе соль-вода отличается от влияния хлорида магния на водородные связи в той же системе.

3. В единой системе координат, органические и неорганические компоненты распределялись в определенной последовательности, не перемешиваясь.

4. Рассчитанное количество магния, которое должно было остаться на зерне (пшеницы, ячменя, овса), практически полностью совпадает с фактическим количеством магния, определенным с использованием системы капиллярного электрофореза Капель-105.

Количество хлора значительно меньше рассчитанного.

5. Анализ таблицы 3 показывает, что данные полученные при помощи градуировок БИК-метода подтверждаются исследованиями КЭФ.

6. В результате проведенных исследований была проведена проверка работоспособности построенных градуировок на модельной смеси «зерно - бишофит» для количественной оценки минерального состава биологических образцов. Результаты показывают, что данные градуировки возможно использовать для оценки минерального состава кормовых смесей.

Библиографический список

1. Георгиевский, В.И. Влияние уровня магния в рационе на рост и развитие цыплят -бройлеров [Текст] / В.И. Георгиевский, А.К. Османян, И. Цицкиев // Химия в сельском хозяйстве. - 1973. - № 10. - С. 68-71.

2. Шептун, В.Л. Введение в метод спектроскопии в ближней инфракрасной области [Текст]: методическое пособие / В.Л. Шептун. - Киев : Центр методов инфракрасной спектроскопии ООО «Аналит-Стандарт», 2005. - 85 с.

3. Шмидт, В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов [Текст] /В. Шмидт. -М.: Техносфера, 2007. - 368 с.

E mail: rodion_68@mail.ru