Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современная характеристика нитратов, нитритов и методов их определения 8
1.1. Нитраты и особенности их метаболизма в растительных организмах 8
1.2. Нитраты и особенности их метаболизма в животных организмах 17
1.3. Нитрат-нитритная нагрузка на человека и факторы, способствующие ее снижению 26
1.4. Современные методы определения нитратов и нитритов в пищевых продуктах и их характеристика 35
Глава 2. Объекты, материал, методы и объемы исследования 50
Глава 3. Современная характеристика нитратов, нитритов и методов их определения 56
3.1. Адаптирование ионометрического метода определения нитратов в капусте 56
3.2. Адаптирование фотометрического метода определения нитратов в продукции растениеводства 60
3.3. Адаптирование метода анализа нитратов и нитритов в плодовоовощной консервированной продукции 61
3.4. Адаптирование метода определения нитратов и нитритов в зерне и зернопродуктах 67
3.5. Адаптирование метода определения нитратов и нитритов в молоке и молочных продуктах 68
Глава 4. Экологическая оценка содержания нитратов и нитритов в пищевых продуктах и суточное поступление этих веществ в организм человека 75
4.1. Экологическая оценка содержания нитратов и нитритов в пищевых продуктах растительного происхождения 75
4.2. Экологическая оценка содержания нитратов и нитритов в пищевых продуктах животного происхождения 80
4.3. Изучение поступления нитратов в организм человека с пищевыми продуктами и водой 82
Глава 5. Разработка методов снижения нитратов и нитритов в пищевых продуктах 89
5.1. Топография содержания нитратов в овощной продукции 89
5.2. Оценка методов снижения содержания нитратов в пищевых продуктах, основанных на экстрагировании их водой 92
5.3. Изучение динамики экстракции нитратов при отваривании моркови 107
5.4. Разработка метода утилизации растительной продукции с повышенным содержанием нитратов 116
Заключение 119
Выводы 128
Литература 130
- Нитрат-нитритная нагрузка на человека и факторы, способствующие ее снижению
- Адаптирование метода анализа нитратов и нитритов в плодовоовощной консервированной продукции
- Экологическая оценка содержания нитратов и нитритов в пищевых продуктах растительного происхождения
Введение к работе
Одной из важных проблем экологии является охрана агроэкосистем от негативного воздействия научно-технического прогресса: интенсификации и химизации сельского хозяйства, химического загрязнения окружающей среды, которое вызывает накопление в продуктах растениеводства и животноводства различных токсических веществ, особенно нитратов и нитритов. Наряду с поступлением азота в виде азотных удобрений, примерно такое же количество азота поступает в биосферу в виде окислов от сжигания топлива и с выбросами промышленных предприятий. Вклад нитросоединений антропогенного и техногенного происхождения в общем круговороте азота устойчиво возрастает, что обусловливает увеличение нитрат-нитритной нагрузки на человека (Кряжимский В.Ф., Большаков В.Н., Корюкин В.И., 2001; Суржиков В.Д., Олещенко A.M., Суржиков Д.В.,. Ксенофонтова И.Ю, Лапшин М.С., 2003).
Известно, что поступление нитратов в больших количествах может вызвать различные нарушения функционального состояния организма -метгемоглобинемию, тканевую гипоксию, установлена также их способность к струмигенному и иммунодепрессивному действию (Ажипа Я.И., Реутов В.П., КаюшинЛ.П., 1990).
Экспериментальные и эпидемиологические исследования подтверждают роль нитратов как предшественников N-нитрозосоединений - группы веществ с выраженным канцерогенным и эмбриотоксическим действием (Жукова Г.Ф., 1990; Иванова А.С., Пахрова О.А., Назаров СБ., 2004).
Длительная высокая нитрат-нитритная нагрузка на организм человека может являться фактором повышения уровня эндогенного нитрозирования (Гоженко А.И., Доренский B.C. и др., 1996;. Ильницкий АД 1989). В связи с этим, особое внимание должно быть уделено снижению эндогенного синтеза нитрозосоединений из предшественников, входящих в состав пищевого рациона (нитратов, нитритов, аминов и других) и воздействию алиментарными факторами.
Результаты выборочного контроля показывают, что ежегодно от 10 % до 20 % и более проб овощных, плодовых и бахчевых пищевых продуктов превышает установленные ПДК (Ильницкий А.П., 1991; Красовский Г.Н., Васюкович Л.Я., Лутсоя Х.И. и др., 1982; Марин СВ.,. Сидоров П.И, 1999).
Поэтому разработка мероприятий, направленных на ограничение поступления нитратов в организм человека путем регламентирования и более качественного контроля за содержанием нитратов в пищевых продуктах является актуальной проблемой.
Цель и задачи исследований. Целью настоящих исследований явилась экологическая оценка содержания нитратов и нитритов в пищевых продуктах растительного и животного происхождения и разработка методов их снижения.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
адаптировать методы (ионометрический и спектрофотометрический), позволяющие проводить анализы нитратов и нитритов в продуктах растительного и животного происхождения;
провести сравнительный анализ содержания нитратов и нитритов в пищевых продуктах, продовольственном сырье и воде;
дать экологическую оценку суточного поступления нитратов и нитритов в организм различных групп населения;
разработать методы, позволяющие снижать содержание нитратов в растительных продуктах, уровень которых превышает установленные регламенты.
Научная новизна и теоретическая значимость работы. На основании проведенных исследований впервые:
на региональном уровне адаптированы ионометрический и спектрофотометрический методы количественного анализа нитратов и нитритов в пищевых продуктах;
установлены пределы определения нитратов и нитритов в продуктах растительного и животного происхождения, консервированной плодоовощной и плодовоягодной продукции;
определено среднедушевое суточное поступление нитратов и нитритов с рационом питания четырех различных групп населения г. Орла;
разработаны методы снижения содержания нитратов в овощах подвергнутых кулинарной обработке с использованием воды;
показана динамика процесса перехода нитратов в воду при отваривании овощей, установлена аналитическая зависимость этого процесса от технологических факторов и дана расчетная формула, позволяющая определять комплекс условий, обеспечивающий уровень снижения нитратов;
разработан метод, основанный на биоконверсии, по утилизации растительных продуктов, уровень нитратов в которых существенно превышает предельно допустимые концентрации.
Практическая значимость работы. Результаты данного исследования могут быть использованы для совершенствования региональной деятельности экологической, гигиенической, санитарно-эпидемиологической служб мониторинга по контролю качества пищевого сырья и продуктов питания, по профилактике и снижению риска здоровью как взрослого, так и детского населения.
Адаптированные к региональным условиям методы (ионометрический и спектрофотометрический) позволяют на более качественном уровне осуществлять контроль за содержанием нитратов и нитритов в пищевом сырье и продуктах питания Управлением Федеральной службы по надзору в сфере природопользования «Росприроднадзора по Орловской области» и ФГУЗ «Центра гигиены и эпидемиологии Орловской области».
На основании установленной топографии концентрации нитратов по объему овощей предложены приемы их первичной обработки, позволяющие снизить поступление нитратов с такими продуктами до 50 %.
Установленная экспериментально-аналитическим путем функциональная зависимость остаточной концентрации нитратов при отваривании овощей дает возможность не только прогнозировать уровни снижения нитратов, но и определять комплекс технологических условий, обеспечивающих их уровень снижения.
Предложенный метод, основанный на биоконверсии позволит утилизировать растительные продукты, уровень нитратов в которых существенно превышает предельно допустимые концентрации.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «Орловский государственный университет», ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет», ФНЦ гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана, ФГУЗ «Центра гигиены и эпидемиологии Орловской области».
Основные положения, выносимые на защиту:
адаптированы к региональным условиям методы (ионометрический и спетрофотометрический) анализа нитратов и нитритов, апробированные на группах пищевых продуктах растительного и животного происхождения, консервированной плодоовощной и плодовоягодной продукции;
содержание нитратов и нитритов в различной готовой растительной и животной продукции варьирует, зависит от многих факторов и в 20 % образцов превышает ПДК;
основные источники поступления нитратов и нитритов с рационом питания приходятся на долю продуктов растительного происхождения; выявлено среднедушевое суточное поступление нитратов и нитритов с продуктами питания четырех различных групп населения;
предложены методы снижения нитрат-нитритной нагрузки в растительной продукции в зависимости от кулинарной обработки, дана расчетная формула определения технологических условий, снижающих уровень нитратов в воде;
разработан и апробирован метод биоконверсии утилизации продукции с содержанием нитратов, превышающих ПДК.
Нитрат-нитритная нагрузка на человека и факторы, способствующие ее снижению
Основными источниками поступления нитратов в организм человека являются продукты растительного происхождения, вода, и в меньшей мере, продукты животного происхождения. Роль каждого из них, особенно двух первых, может существенно изменяться в зависимости от многих факторов и, в первую очередь, - от уровня нитратов в питьевой воде, который варьируется от региона к региону [152]. Наиболее высокие уровни нитратов обнаружены в овощах, при этом установлена зависимость содержания нитратов от вида, сорта и условий выращивания [4, 74, 96, 141]. С овощами в организм человека поступает от 75% до 90 % от общего количества нитратов [92, 96].
Продукты животного происхождения: мясные, молочные, яйца и рыба содержат незначительные количества нитратов. Концентрация нитритов в консервированных и копченых мясных продуктах изменяется в широком интервале от 0 до 72 мг NO2". Наличие нитритов в этих видах продуктах обусловлено их применением при консервировании мяса в качестве стабилизаторов цвета и консервантов [77, 92]. Принято считать, что с мясными продуктами поступает около 10 мг/чел./сутки нитратов и 1,5 мг/чел./сутки нитритов. Необходимо отметить, что копченые и консервированные мясные продукты вносят основной вклад (до 73 %) в потребление нитритов [162,166].
Концентрация нитратов в молочных продуктах обычно не превышает 5 мг/л. Сыры, выработанные без добавления нитратов, содержат малые их количества (1-5,5 мг/кг), если же технология выработки включает добавление нитратов, то уровни их в таких продуктах возрастает до 46 мг/кг [50, 77].
Анализ содержания нитратов в свежей рыбе показывает, что содержание нитратов не превышает 21 мг/кг, хотя в некоторых случаях обнаружены более высокие уровни нитратов, достигающие 100 мг/кг. Содержание нитритов в свежей рыбе находится в пределах 0,6-3,1 мг/кг [62, 126,160].
Концентрация нитратов во фруктах и фруктовых соках обычно низкая, до 70 мг/кг. Нитриты, как правило, отсутствуют. [92,118].
Содержание нитратов и нитритов в зерне и зерновых продуктах низкое, уровень нитратов колеблется в пределах 0,5-14 мг/кг; нитритов - 0,8-3,1 мг/кг Установлено, что с продуктами переработки зерновых в организм человека с обычной диетой поступает от 1,5 до 2,9 мг нитратов в сутки.
Как известно, предельно допустимая концентрация нитратов для воды в большинстве стран составляет 40-50 мг/л [43]. Анализ данных среднедушевого суточного потребления нитратов и нитритов с пищевыми продуктами показал, что суточное потребление нитратов и нитритов в организм оценивалось с использованием двух подходов. В первом случае учитывали уровень содержания нитратов и нитритов во всех пищевых продуктах и потребление их человеком в сутки. Во втором - использовали опубликованные данные содержания нитратов и нитритов в пищевых продуктах и статистические данные среднедушевого потребления их человеком. Расчетные величины потребления нитратов и нитритов, полученные с использованием разных подходов, можно считать лишь ориентировочными, поскольку такой расчет не учитывает ряд важных факторов: сезонность структуры питания, индивидуальные привычки [76].
Оценивая среднедушевое потребление нитратов человеком в различных странах, можно констатировать, что это потребление изменяется в широких, пределах, но в основном не превышает 300 мг. В то же время, в отдельных случаях, суточное потребление нитратов превышает допустимую суточную дозу (ДСД) по пищевым добавкам. Допустимая суточная доза нитрата натрия как пищевой добавки составляет 5 мг на кг массы тела, что в пересчете на нитрат-ион - 219 мг/чел/сутки [39, 66, 78].
Определяющим фактором в формировании поступления нитратов и нитритов в организм человека является характер питания. Преобладание растительного компонента увеличивает поступление нитратов. В то же время растительные продукты являются незаменимыми источниками витаминов, минеральных веществ, клетчатки, фитонцидов и других биологически активных веществ.
Снижение поступления нитратов в организм может происходить за счет уменьшения доли растительных продуктов в рационе человека. Приемлемым и единственным путем уменьшения нитратной нагрузки является снижение уровней нитратов в растительных продуктах и воде [31, 148,173].
Мероприятия, решающие эту проблему можно разделить на три группы: экологические, агротехнические и технологические.
Адаптирование метода анализа нитратов и нитритов в плодовоовощной консервированной продукции
Фотометрический метод определения нитратов в пищевых продуктах основан на экстрагировании водой, очистке экстракта, количественном восстановлении нитратов в нитриты с помощью кадмия с последующим измерением интенсивности окраски азотосоединения, образующегося при взаимодействии нитритов с ароматическими аминами - сульфаниловой кислотой и 1 - нафтиламином или сульфаниламидом и N- (1-нафил) этилендиамин дигидрохлоридом.
Метод был адаптирован на региональном уровне. Суть адаптирования состояла в отработке оптимальных условий выделения с учетом концентрации нитратов в растении, отработке условий восстановления нитратов в нитриты, условий проведения цветной реакции. Испытаны следующие реактивы: в том числе и разные их сочетания: ацетат цинка, алюмокалиевые квасцы, сульфат цинка, калий железистосинеродистый, тетраборат натрия, хлорид ртути, хлорид свинца и ряд других веществ. Найдено, что совместное использование сульфата цинка (Каррез I) или ацетата цинка и калия железистосинеродистого (Каррез И) с добавлением тетрабората натрия предпочтительнее других реактивов и позволяет получить прозрачные фильтраты при высоком возврате добавленного нитрата ( 93 %). При получении мутного раствора в качестве осадителей предложено использовать Каррез I и 1% раствор гидроксида натрия.
Точность определения нитратов в пищевых продуктах в существенной степени зависит от восстановительных свойств кадмия и стабильности этого показателя. Известно, что активная поверхность кадмия может блокироваться некоторыми соединениями, входящими в состав пищевых продуктов -сульфидами, некоторыми аминокислотами, содержащими серу - цистеин и другие [174]. Свежеприготовленный кадмий имеет высокие показатели восстановительной способности (около 93 %), но в процессе эксплуатации эти показатели существенно снижаются.
Были проведены исследования, целью которых явилось стандартизировать восстановительные свойства кадмия. Этого удалось достигнуть путем кратковременной обработки (в течение 1 минуты) пористого кадмия 2 % раствором сульфата меди (II). Омедненный кадмий промывали дистиллированной водой несколько раз, при этом мелкую фракцию кадмия удаляли. Восстановительная способность омедненного кадмия улучшалась на 6,9 % по сравнению с неомедненным кадмием, однако, она составляла всего 81,0 % при среднеквадратичном отклонении 6 % (п=19). После обработки омедненного кадмия 250 мл раствором нитрата калия (концентрацией 10,0 мкг Ж)Умл), 20 мл буферного раствора (рН 9,6-9,7) и 20 мл 3,4% раствора трилона Б восстановительная способность кадмия существенно возросла и составила 99,0 ±5,0 (п=22).
Таким образом, фотометрический метод с применением кадмиевой колонки, обладая универсальностью, может быть использован для анализа любых видов пищевых продуктов, включая растения семейства крестоцветных и продукты, подвергнутые кулинарной и промышленной обработке.
Полученные результаты послужили основанием включения кадмия в указания по определению нитратов и нитритов в пищевых продуктах и продовольственном сырье.
Ассортимент консервированных продуктов в настоящее время достаточно широк, он включает самые разнообразные консервы, предназначенные для детского и диетического питания, соки с мякотью, обеденные консервы, плодовоовощные консервы и другие. Анализ нитратов и нитритов в консервированных продуктах иногда осложняется содержанием некоторых веществ, используемых при консервации: сернистой кислоты и её солей, бензойной кислоты и бензокислого натрия, сорбиновой кислоты и её солей, некоторых видов антибиотиков, главным образом, низина и тилозина, уксусной кислоты [15, 149]. Консервированные продукты, в основном, представляют собой сложные пищевые композиции, включающие белки, жиры, углеводы, органические кислоты, витамины, минеральные соли, - фосфаты, сульфаты и другие, многие из которых могут оказывать активное воздействие на окислительно-восстановительные процессы, и таким образом, влиять на результаты определения.
При выборе метода за основу принят фотометрический метод с использованием пористого кадмия в качестве восстановителя и следующих ароматических аминов: 1) сульфаниламида и НЭДА; 2) сульфаниловой кислоты и 1-нафтиламина.
Изучены стадии по отработке очистки с использованием различных осадителей в разных соотношениях. Найдено, что наиболее приемлемыми являются: калий железистосинеродистыи и ацетат цинка; при получении мутного фильтрата рекомендовано применять сульфат цинка и гидроксид натрия и при повторении экстракции применять большее количество осаждающих реактивов.
Проведены межлабораторные испытания фотометрического метода определения нитратов с использованием указанных выше двух пар ароматических аминов в следующих консервах: "Детское питание", "Борщ", "Икра из кабачков" и "Свекла маринованная". Результаты, приведенные в табл. 4 показывают, что определяемые величины содержания нитратов с использованием разных пар ароматических аминов близки между собой (различие статистически недостоверное при Р = 0,95). На основании полученных результатов две разновидности одного метода можно считать взаимозаменяемыми.
Экологическая оценка содержания нитратов и нитритов в пищевых продуктах растительного происхождения
Адаптированные методы явились надежной методической базой изучения фактического содержания нитратов и нитритов в более трех тысячах образцов пищевых продуктов растительного происхождения, поступивших из торговой сети г. Орла. Результаты анализов содержания нитратов и нитритов в пищевых продуктах представлены в табл. 12, 13. Для характеристики уровней содержания нитратов в продуктах, помимо интервала содержания и средне-арифметического значений концентраций, приведены медианный уровень (М) и 90% процентильный (Род), которые равны, соответственно, уровню нитратов в 50% и 90% образцах, расположенных в ранжированном ряду уровней нитратов в продуктах.
Как видно из табл. 13, наиболее высокие концентрации нитратов, в отдельных случаях, достигающие нескольких грамм в килограмме, определены в овощах, в то время как все остальные исследуемые виды продуктов: фрукты, зерновые и крупы содержат меньшее количество нитратов, среднеарифметическое значение которых не превышает 20 мг/кг.
Уровень содержания нитратов в овощах варьирует в широких пределах и значение концентраций для таких овощей, как картофель, капуста, свекла, укроп, томаты, редис различаются более чем в 100 раз. Самые высокие уровни определены в свекле - до 8 г/кг, в репе и укропе - свыше 4 г/кг, а также в капусте - около 3,5 г/кг. Кроме указанных овощей, высокие уровни содержания нитратов обнаружены в шпинате, салате, петрушке, значения которых превышает 2 г. Наряду с этим, такие овощи, как лук репчатый и томаты отличаются низким уровнем содержания нитратов. Фрукты, ягоды, зерновые накапливают незначительные количества нитратов. Так, концентрация нитратов в ягодах во всех случаях была ниже 5 мг/кг, во фруктах она не превышала предельно допустимые концентрации - 60 мг/кг, а в зерновых - 20 мг/кг [143].
Результаты количественного анализа восстановленной формы нитратов - нитритов в пищевых продуктах (табл. 13) показывают, что все остальные виды продуктов содержат незначительные количества нитритов (в основном, до 2 мг/кг), а во фруктах и ягодах нитриты не обнаружены.
Проведено изучение содержания нитратов и нитритов в питьевой воде, поступающей из водопроводной сети г. Орла в разные периоды года. Среднее значение концентрации нитратов в воде составило 4,5 мг/л, что более чем в 10 раз ниже предельно допустимых концентраций нитратов для воды. Самые высокие уровни содержания нитратов в воде зарегистрированы в марте-апреле и в июне. Характерно появление в это время года нитритов в воде, содержание которых достигало 0,9 мг/л.
Таким образом, по уровню содержания нитратов пищевые продукты можно условно подразделить на следующие группы: 1) продукты с низким содержанием нитратов ( 48 мг/кг): ягоды, фрукты, зерновые продукты; 2) продукты с высоким содержанием нитратов: зеленные, свекла, редис, редька, брюква, содержание нитратов, в которых выше 690 мг/кг; 3) уровень нитратов в остальных продуктах обычно не превышает 590 мг/кг, для некоторых овощей: помидоров, картофеля, моркови он еще ниже.
В настоящее время в рационе жителей России высокий удельный вес занимают овощи с высоким содержанием в них нитратов: картофель, капуста, свекла столовая, морковь, редька, в то время как потребление овощей с низким содержанием в них нитратов, фруктов и ягод -недостаточное. Изменение структуры питания с включением в рацион разнообразных овощей и фруктов будет также способствовать снижению поступления этих соединений в организм человека.
Полученные результаты фактического содержания нитратов и нитритов в пищевых продуктах были использованы при расчете поступления с пищевым рационом этих соединений в организм человека.
На основании результатов анализа нитратов и нитритов в продуктах питания и воде, а, также учитывая суточное потребление пищевых продуктов (согласно рекомендуемым нормам потребления пищевых продуктов детьми первого года жизни) предпринята попытка рассчитать возможное суточное поступление нитратов и нитритов с рационом питания и водой в организм четырех групп населения: 1) студентов, 2) людей трудоспособного возраста, 3) пенсионеров, и 4) детей первого года жизни, находящихся на естественном и искусственном вскармливании. При расчете использовали следующие характеристики: среднеарифметическое значение (X), медианный уровень (М), 90 процентильный уровень (Род) величину максимального значения концентрации нитратов (Смаке.) и предельно допустимых концентраций нитратов в воде [24, 31, 40]. При расчетах учтено также количество несъедобной части продукта [151] и величины снижения количества нитратов при кулинарной обработке [116]. Следует отметить, что используемый нами расчетный метод дает возможность получить лишь усредненные величины суточного потребления нитратов с рационом питания, не отражая изменчивости рациона, связанной с сезонностью, индивидуальными особенностями питания и другими факторами [121].
Полученные результаты расчетов суточного потребления нитратов и нитритов взрослыми и детьми приведенные в табл. 16-18 показывают, что суточное поступление нитратов и нитритов с рационом питания и водой составляет для студентов - 2 мг/кг в сутки, людей трудоспособного возраста -1,9 мг/кг в сутки, пенсионеры - 1,6 мг/кг в сутки, что близко к результатам, полученным другими исследователями [10, 93, 96]. При этом необходимо отметить, что поступление нитритов в организм может увеличиться в весенне-летний период вследствие увеличения в эти периоды года содержания нитритов в воде.
Возможное суточное поступление нитратов в организм студентов, пенсионеров, в том числе и населения трудоспособного возраста (табл.16), рассчитанное по среднеарифметическому и 90% уровнях содержания нитратов в пищевых продуктах и в воде, не превышает допустимую суточную дозу (ДСД) нитратов, которая равна 5,0 мг/кг массы тела в пересчете на нитрат-ион. В то же время, если расчет проводить, основываясь на максимальных значениях концентраций нитратов в пищевых продуктах и воде, то суточное поступление нитратов в организм взрослых в 1,2-1,8 раз превышает допустимую суточную дозу, что подтверждается и другими авторами [23, 51,123].
