CC BY
62
БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
ТЕМА НОМЕРА
УДК 614.3:641.561
Значение микронутриентов и методы их определения
в продовольственном сырье и продуктах детского питания
О.С. Захарова, аспирант, В.А. Орлова, д-р хим. наук, профессор Московский государственный университет технологий и управления имени К. Г. Разумовского
В настоящее время имеются многочисленные научные данные, показывающие взаимосвязь между неадекватной обеспеченностью детского организма микронутриентами и возникновением различных заболеваний, характером их течения, клиническим прогнозом. Это связано с тем, что эссенциальные вещества участвуют во всех важнейших физиологических и биохимических процессах организма, таких как реакции энергетического обмена, внутриклеточные окислительные процессы, поддержание осмотических свойств клеток и плазмы, формирование иммунитета, участие в пластических процессах и т. д. [1, 2].
Достаточно давно установлена взаимосвязь между дефицитом эс-сенциальных микронутриентов в организме и развитием различных патологических состояний, таких как В12-дефицитная и железодефицитная анемия, эндемический зоб и других заболеваний, развитие которых связано с дефицитом витаминов А, Е, В и микроэлементов [2].
Эпидемиологические исследования, проводимые Институтом питания РАМН в последние несколько лет, свидетельствуют как о дефектности структуры питания, так и о наличии различных нарушений элементного статуса у большей части населения нашей страны [2]. Структура питания у различных категорий и слоев населения имеет существенные отклонения от формулы сбалансированного питания, прежде всего по уровню потребления витаминов, минеральных веществ, в особенности микроэлементов, полиненасыщенных жирных кислот, многих органических соединений растительного происхождения, имеющих важнейшее значение в регуляции процессов обмена веществ и функций отдельных органов и систем [3].
Микронутриенты содержатся в организме человека в крайне малых количествах, но играют важную роль во всех биохимических процессах.
Ключевые слова: продовольственное сырье; детское питание; микро-нутриенты; методы определения.
Key words: food raw material, baby nutrition, micronutrients, methods of determination.
Недостаток этих веществ может приводить к катастрофическим последствиям для детского организма. Существует несколько разновидностей микронутриентов, каждая из которых выполняет свою специфическую функцию. Однако основное предназначение всех включенных в группы компонентов - защита организма от неблагоприятного воздействия окружающей среды. К иммунонутриен-там относят вещества, влияющие на состояние иммунной системы - микроэлементы (железо, цинк, селен, хром, фтор, йод). Особо важны мик-ронутриенты, обеспечивающие ан-тиоксидантную защиту. Многие продукты растительного и животного происхождения содержат природные микронутриенты-антиоксидан-ты. Наиболее известные микронут-риенты - антиоксиданты - витамины А, С, Е [1-3].
Рассмотрим требования по химической безопасности продуктов детского питания (на примере мясных продуктов). Для производства мясных продуктов для питания детей используется мясо здоровых животных, выращенных в специализированных хозяйствах с соблюдением специальных агрономических, зооветеринарных и зоогигиенических требований, без применения стимуляторов роста, гормональных препаратов, кормовых антибиотиков, синтетических азотсодержащих веществ, продуктов микробного синтеза и других видов нетрадиционных кормовых средств. Используемые технологии и тара не должны приводить к превышению допустимых
уровней показателей безопасности. Критерии безопасности мясных продуктов питания детей раннего, дошкольного и школьного возраста приведены в табл. 1.
Каждая партия продуктов питания детей раннего, дошкольного и школьного возраста должна иметь сертификат на соответствие требованиям к качеству, изложенным в настоящем документе. Мясные продукты питания детей до трехлетнего возраста обязательно относятся к 1-му уровню, а для питания детей в возрасте старше трех лет - к 1- или 2-му уровню.
Анализ проводится в соответствии со следующими методиками исследований (табл. 2).
При анализе обеспеченности рационов питания детей микроэлементами обнаружен выраженный дефицит в поступлении йода (40 % от нормы). Дефицит йода, даже в отсутствие признаков эндемического зоба, может вызывать поражение головного мозга, нарушение интеллектуального развития. При анализе полученных данных выявлено недостаточное потребление детьми селена, хрома, фтора (50 % от нормы потребления). Недостаток селена ведет к ряду системных заболеваний: снижению иммунитета, болезням кожи, волос и ногтей, глаукоме и катаракте, замедлению роста в период полового созревания. С недостатком селена связывают младенческую смертность (до года) и возникновение онкологических заболеваний, преимущественно желудка, толстого кишечника и молочной железы. При дефиците хрома ребенок быстро утомляется, плохо спит, его мучают беспокойство и головные боли; снижается чувствительность конечностей, появляется дрожь. Недостаток фтора в организме способствует развитию кариеса и пародонтоза. Недостаточность железа приводит к заболеваниям кроветворной системы и нарушению развития детей. При дефиците цинка могут возникать нарушения восприятия вкуса и запаха, ребенок становится усталым и раздражительным, разрушается иммунная система [1, 2]. Согласно статистике, группами риска микронутриент-ной недостаточности являются дети до трех лет, дошкольники 5-7 лет, а также подростки 11-15 лет. Особую группу риска составляют часто болеющие дети. Содержание микронутриентов в рационе детей показано в табл. 3.
Все пищевые продукты в своем составе содержат какие-либо микро-нутриенты. Прежде всего, печень, а также почки и сердце птицы, вырез-
Таблица 1
Критерии безопасности мясных продуктов для детского питания
Показатель Допустимые уровни
1-й уровень* 2-й уровень**
Мясные консервы
Токсичные элементы, мг/кг, не более свинец кадмий ртуть медь цинк мышьяк олово 0,2 0,03 0,02 5,0 50,0 0,1 50,0 0,3 0,04 0,02 5,0 50,0 0,1 50,0
Нитраты, мг/кг, не более: Не допускаются Не допускаются
Нитрозамины, мг/кг, не более Нитрозамины, мг/кг, не более —»— 15—30 0,001
Микотоксины, мг/кг, не более афлатоксин В1 Не допускаются
Антибиотики, ед./г, не более
тетрациклиновой группы стрептомицин пенициллин -»-—»— —»— —»—
Пестициды, мг/кг, не более ДДТ (сумма изомеров) гамма-ГХЦГ (линдан) и гексахлоран (сумма изомеров ГХЦГ) ртутьсодержащие пестициды (гранозан, меркурбензол и др.) все остальные пестициды 0,02 0,15 Не допускаются —»— 0,05 0,15 Не допускаются —»—
Гормональные препараты, мг/кг, не более диэтилстильбестрол эстрадиол-17-бета-эстрон, эстриол (суммарно) эстрадиол-17-бета Не допускаются 0,01 0,0005 Не допускаются 0,01 0,0005
Радионуклиды, Ки/кг, не более цезий стронций 5,0 х 10—9 1,0 х 10—10 5,0 х 10—9 1,0 х 10—10
Колбасы и кулинарные изделия из мяса
Токсичные элементы, мг/кг, не более
свинец кадмий мышьяк ртуть медь цинк 0,3 0,03 0,1 0,02 5,0 50,0
Нитраты, мг/кг, не более Не допускаются
Нитрозамины, мг/кг, не более 15—30
Нитрозамины, мг/кг, не более 0,001
Микотоксины, мг/кг, не более афлатоксин В1 Не допускаются
Антибиотики, ед./г, не более
тетрациклиновой группы стрептомицин пенициллин —»—
Пестициды, мг/кг, не более ДДТ (сумма изомеров) гамма-ГХЦГ (линдан) и гексахлоран (сумма изомеров ГХЦГ) ртутьсодержащие пестициды (гранозан, меркурбензол и др.) все остальные пестициды 0,05 0,15 Не допускаются —»—
Гормональные препараты, мг/кг, не более диэтилстильбестрол эстрадиол-17-бета-эстрон, эстриол (суммарно) эстрадиол-17-бета —»— 0,01 0,0005
Радионуклиды, Ки/кг, не более цезий стронций 5,0 х 10—9 1,0 х 10—10
*Мясные продукты питания детей до трехлетнего возраста; ** мясные продукты питания детей в возрасте старше трех лет.
Таблица 2
Межгосударственные стандарты производства пищевых продуктов
Токсические элементы Методы исследований
Свинец Кадмий ГОСТ 26932-86 ГОСТ 26933-86 ГОСТ 26927 86
Цинк ГОСТ 26934-86
Мышьяк Олово ГОСТ 26930-86 ГОСТ 26935-86
Таблица 3
Содержание микронутриентов в среднесуточном рационе детей, мг/сут
Показатель Фактическое поступление Рекомендуемое поступление, мг/сут % от рекомендуемого суточного потребления
Fe 20,8 10 208
10,3 8 128
Си Сг 2,0 0,01 0,6 0,02 333 50
I 0,04 0,1 50 40
К Са 368,2 643 2 600 900 50 61 71
Мд Р 335,5 527,4 200 800 167 66
ка крупного рогатого скота, грибы, морепродукты, яйца служат не только основным источником поступления витамина А, но и селена, цинка. Главный источник витамина Е в пищевом рационе - семена подсолнечника, миндаль, лесной орех (фундук), а также изготовленные из семян растительные масла. Красный и зеленый сладкий перец, киви, апельсин, грейпфрут, клубника, земляника, красная и черная смородина, некоторые другие овощи и фрукты могут служить основными источниками витамина С [3].
Для получения достоверной информации о содержании микронутриентов в сырье и продуктах детского питания необходимо проводить постоянные систематические исследования их химического состава с применением единых, современных аналитических методов.
В настоящее время для определения микроэлементов основное значение имеют физико-химические методы анализа: фотоэлектроколо-риметрия, нефелометрия, спектро-фотометрия, пламенная фотометрия, атомно-абсорбционная спектрометрия (пламенная и электротермическая), атомно-эмиссионный, химико-атомно-эмиссионный, рентгеновский спектральный и флуоресцентный без обогащения, поляро-
БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
ТЕМА НОМЕРА
ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
графический, нейтроно-активацион-ный, ферментативные и кинетические. До недавнего времени наиболее часто применяли колориметрические методы в различных модификациях. Однако в наборе обычных микроэлементов - алюминий, железо, хром, магний - возможности совместного определения этими методами очень ограничены [4].
Достаточно широкое распространение получили методы спектрофо-тометрии, переменно-токовой полярографии, дифференциальной импульсной полярографии, анодной вольтамперометрии. Преимущества названных методов - точность и чувствительность [4].
Для определения основных микроэлементов в пищевых продуктах преимущественно используется метод атомно-абсорбционной спектрометрии. Он характеризуется высокой чувствительностью, позволяющей определить некоторые элементы на уровне 0,1-0,005 мкг/мл раствора. Точность определения - 1-4 %. Отмечается превосходство атомно-аб-сорбционного метода над другими методами анализа, особенно для определения химического состава биологических объектов. Атомно-аб-сорбционный метод с пламенной атомизацией позволяет определить концентрации металлов (мас. %): железа - 0,0001; цинка - 0,00001; относительное стандартное отклонение 2-4 %. К недостаткам данного метода можно отнести потерю эксп-рессности при серийных анализах из-за смены ламп и необходимость специальной пробоподготовки [4, 5]. Для улучшения метрологических характеристик (повышение чувствительности, точности, надежности методов) эффективно применение герметично замкнутых объемов автоклавных систем, которые обеспечивают гарантированную полноту минерализации биологических веществ растительного и животного происхождения [6].
Сравнение атомно-абсорбционно-го и фотометрического методов при определении железа в пищевых продуктах показало, что для отдельных видов продуктов использование первого может давать более точные и надежные результаты. Для проведения одновременного многокомпонентного анализа микроэлементов эффективно применять атомно-эмиссионный метод с индуктивно-связанной плазмой (рис. 1). При этом используют две техники фиксации спектров: полихромный метод наблюдения эмиссионных спектров металлов и металлоидов и метод с программируемым сканирующим
спектрометром для последовательного анализа 40-50 элементов. Метод позволяет одновременно определить в одном образце: алюминий, бор, бериллий, кальций, кадмий, хром, железо, марганец, магний, молибден, фосфор, селен [4-7]. Индуктивно-связанная плазма (ИСП-АЭС) характеризуется высокой стабильностью, низким уровнем шумов и малой величиной фонового сигнала. Химические влияния и матричные эффекты, а также мешающие влияния со стороны материалов атомизатора отсутствуют. Дополнительное достоинство метода - возможность плавно регулировать условия атомизации и возбуждения. Главное аналитическое преимущество ИСП над другими источниками эмиссии -способность ИСП испарять, атомизи-ровать, возбуждать и ионизировать эффективно и постоянно обширный ряд элементов, представленных в самых различных типах образцов. Как недостаток можно выделить высокую стоимость оборудования, необходимость поддержания постоянных условий проведения испытания.
Рис. 1. Атомно-эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой Optima 7300 DV
Масс-спектрометрия - физический метод измерения отношения массы заряженных частиц материи (ионов) к их заряду. Этот метод, рутинно используемый сегодня в тысячах лабораторий и предприятий мира, имеет в своей основе фундаментальные знания природы вещества и использует основополагающие физические принципы явлений. МС широко применяют для анализа ионного состава вещества, а также для анализа тех органических соединений, которые невозможно выделить из смесей никакими хроматог-рафическими методами. МС обеспечивает анализ очень малых количеств вещества [4, 5].
Для анализа элементного состава вещества самой привлекательной является масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (рис. 2). Этот метод анализа может показывать как атомарный, так и изотоп-
Рис. 2. Масс-спектрометр Люмас-30
ный состав. Как недостаток этого метода можно выделить высокую стоимость оборудования и необходимость высокой квалификации обслуживающего персонала.
Один из методов обнаружения микроэлементов в продовольственном сырье растительного происхождения - нейтронно-активационный анализ, высокая чувствительность и селективность которого позволяют получать обширную информацию о качественном и количественном составе набора элементов в исследуемом материале. Преимущества нейт-ронно-активационного анализа -низкий порог обнаружения элементов, высокая селективность и точность определения микроколичеств элементов, экспрессность анализа. К достоинствам относят и неразруша-ющий характер метода, так как образцы после анализа сохраняют свои физические, химические и биологические свойства [4].
Для определения ультрамалых количеств вещества (от 10-10%), предложены инструментальные методы, которые позволяют проводить исследования на молекулярном уровне. В пищевой промышленности инструментальные методы анализа применяют для контроля и регулирования технологических процессов, анализа сельскохозяйственного сырья, пищевых продуктов, определения концентрации токсических веществ в пищевых продуктах [4].
Один из современных физико-химических методов анализа - ионо-метрия — метод исследования состава раствора с использованием ионо-селективных электродов (ИСЭ), при помощи которых можно определять концентрацию более 50 катионов, анионов и молекулярных соединений. Наиболее широко применяют электроды, селективные к ионам F+,C1+, S2+, Н+, NH4+, Na+, Си2+, Са2+, и Мд2+. Основой ионоселективных электродов служит полупроницаемая мембрана (ИСМ), обладающая селективной ионной проводимостью. Если такая мембрана, напри-
мер, проницаемая только для иона М, разделяет два раствора МХ различной концентрации (а1>а2), то в результате возникает разность потенциалов между растворами, разделенными ИСМ, которую называют мембранным потенциалом. Величина потенциала — функция активной концентрации иона М, что и используется в данном методе. Преимущество метода — экспрессность (несколько минут), что дает возможность осуществлять постоянный автоматический контроль производства [8, 9].
В аналитической практике широко применяют хроматографические методы анализа. Хроматография — физико-химический метод разделения и анализа смесей газов, паров, жидкостей или растворенных веществ сорбционными методами в динамических условиях (рис. 3). Метод основан на различном распределении веществ между двумя несмешиваю-щимися фазами — подвижной и неподвижной. Подвижной фазой может быть жидкость или газ, неподвижной фазой — твердое вещество, которое называют носителем. При движении подвижной фазы вдоль неподвижной компоненты смеси сорбируются на неподвижной фазе. Каждый компонент сорбируется в соответствии со сродством к материалу неподвижной фазы (вследствие адсорбции или других механизмов). Поэтому неподвижную фазу называют также сорбентом. Захваченные сорбентом молекулы могут перейти в подвижную фазу и продвигаться с ней дальше, затем снова сорбироваться [4]. Преимущества метода хроматографии: высокая эффективность, экспрессность, возможность автоматизации и получение объективной информации, сочетание с другими физико-химическими методами, широкий интервал концентраций соединений, осуществление проведения качественного и количественного анализа, возможность изучения физико-химических свойств соединений, применение
для контроля и автоматического регулирования технологических процессов.
Один из активно развивающихся направлений сегодня - хемометри-ческие методы анализа и, в частности, метод независимых компонент, реализованный в виде различных алгоритмов. Возможности этих методов чрезвычайно широки. Например, их предлагают использовать в случаях, когда нет стандартных образцов состава или очень сложная матрица объекта. Метод независимых компонент может быть применен для анализа систем, содержащих металлы Fe, Zn [4, 8].
Альтернативный способ исследования многокомпонентных систем с возможностью оценки за одно измерение несколько качественных и количественных показателей - применение аналитических систем на основе химических пьезосенсоров, совмещенных со сложными компьютерными алгоритмами регистрации, обработки, принятия решений (методология «электронный нос»). В США, Канаде, Германии и других странах производят и широко применяют анализаторы газов с методологией «электронный нос» различных марок (FOX, BEMINI, HERACLES и др.) для экспрессного анализа на содержание микронутриентов в животных и растительных белковых системах (молочных, мясных, морепродуктов, крахмала, овощей, фруктов). Для определения катионов щелочноземельных металлов интересным и перспективным становится использование высокоэффективных молекулярных хемосенсоров производных краунэфиров (КЭ). Такие КЭ образуют комплексы с этими катионами и дают возможность регистрировать образование комплекса посредством спектральных методов анализа. Детекция катионов кальция происходит посредством регистрации спектральных характеристик хе-мосенсорного материала (ХМ) на основе хромогенного бензоаза-18-краун-6-эфира, иммобилизованного в желатиновую матрицу. Для детекции катионов в водных средах им-мобилизовывают КЭ в полимерные матрицы с сохранением селективности и чувствительности КЭ к выбранному катиону. Этот метод очень чувствителен, может применяться в широком диапазоне концентраций исследуемого вещества, прост в исполнении и обладает высоким разрешением. Сенсорные системы удобны и просты в эксплуатации, что позволяет использовать их в лабораториях для быстрой оценки пищевых продуктов [5, 8].
Таким образом, потребление оптимального количества микронутриентов с пищей — неотъемлемая составляющая нормального умственного и физического развития детей. Аналитический контроль сырья и продуктов для детей направлен на нормализацию детского питания и устранение опасности развития системных заболеваний.
В настоящее время в аналитической практике широко применяют такие методы, как атомно-абсорбци-онная спектрометрия, атомно-эмис-сионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой, масс-спект-рометрия, ионометрия, хроматография, метод независимых компонент и др.
Наиболее эффективное и перспективное направление в аналитическом контроле содержания микронутриентов в сырье и продуктах детского питания — использование молекулярных хемосенсоров.
Для большинства инструментальных методов определения микронутриентов в продовольственном сырье и продуктах детского питания эффективно и целесообразно применение химической пробоподготовки в герметично замкнутых реакционных системах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Конь, И.Я. Руководство по детскому питанию/И.Я. Конь; под ред. В.А. Тутельяна, И.Я. Коня). — М.: МИА, 2004. — С. 111—128.
2. Политика здорового питания/
B.И. Покровский [и др.]. — М., 2002.
3. Питание и здоровье в бедных семьях/А.К. Батурин [и др.]. — М.: Просвещение, 2002.
4. Лабораторный практикум по аналитической химии и физико-химическим методам анализа/Н.Н. Ро-ева [и др.]. — М.: МГТА, 2003.
5. Монахова, Ю.Б., Муштакова
C.П., Колесникова С.С.//Журнал аналитической химии. — 2010. — Т. 65. — № 6. — С. 601—608.
6. Орлова, В.А. Аналитические автоклавы. Автоклавная пробоподго-товка в химическом анализе/ В.А. Орлова. — М.: ЦИНАО, 2003. — 104 с.
7. Биохимия/Н.А. Жеребцов [и др.]. — В.: ВГУ, 2002. — 696 с.
8. Зайцев, С.Ю. Нанотехнологии и охрана здоровья/С.Ю. Зайцев, М.С. Царькова, А.Н. Тимонин. — М., 2010.
9. Химические основы лабораторных технологий. Ионоселективные электроды. Ионометрия. Источник: http://www.labinfo.ru/metod/basa/ 003.htm
