Содержание к диссертации
Введение
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
Токсичные элементы и их физиологическое действие на организм животных и человека Закономерности аккумуляции тяжелых металлов в растениях 15
Биологически активные вещества как детоксиканты пищевых продуктов
Использование овощей в продуктах лечебно-профилактического назначения Анализ литературных данных 30
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 43
Влияние ИК-сушеных овощей на снижение концентрацииионов свинца и кадмия в опытах in vitro
Влияние ИК-сушеных овощей на детоксикацию свинца и кадмия в опытах in vivo
1. Воздействие свинца и кадмия на показатели роста и развития лабораторных животных при добавлении в рацион ИК-сушеных овощей
2. Влияние ИК-сушеных овощей на биохимические показатели крови лабораторных животных при хронической интоксикации свинцом и кадмием
3. Детоксикация свинца и кадмия в организме лабораторных животных при одновременном потреблении токсичных элементов и мясного полуфабриката
Органолептическая оценка качества и функциональных показателей мясного полуфабриката с добавлением ИК-сушеных овощей (балльная оценка)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
ВЫВОДЫ 85
ПРЕДЛОЖЕНИЯ 87
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 88
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Токсичные элементы и их физиологическое действие на организм животных и человека Закономерности аккумуляции тяжелых металлов в растениях
- Влияние ИК-сушеных овощей на снижение концентрацииионов свинца и кадмия в опытах in vitro
- Влияние ИК-сушеных овощей на биохимические показатели крови лабораторных животных при хронической интоксикации свинцом и кадмием
Введение к работе
Актуальность темы. Результатом повсеместного ухудшения экологической ситуации является загрязнение пищевых продуктов тяжелыми металлами. (Плясунов И.В., 2002; Панин М.С., 2002; Дабахов М.В., 2005; Комаров В.И., 2006).
В связи с этим актуальной является проблема снижения аккумуляции антропогенных загрязнителей с помощью специальных веществ -детоксикантов (Авцын А.П., 1991; Колесникова Е.В., 2002).
Загрязненность биосферы ставит жизненно важную задачу - поиск средств оздоровления населения страны. Одним из направлений работы является разработка продуктов лечебно-профилактического назначения, которые способствуют нейтрализации и ускоренному выведению из организма вредных веществ (Погожева А.В., 1998; Исаченко Т.А., 2006). Такими свойствами обладают, например, растительные полисахариды - пектины, каррагинаны, камеди, альгинаты (Мицык В.Е., 1994; Филиппова Л.Ю., 1996; Кондратенко В.В., 1999; Тутельян В.А.,2001; Братан Л, 2002; Колмакова Н., 2004; Шамкова Н.Т., 2006; Донченко Л.В., 2007; Кузмичева Л.В., 2008). Перспективу в данном направлении представляют биологически активные добавки на основе овощей, подвергшихся инфракрасной сушке (ИК-сушеные), так как при достаточно высоком содержании пектиновых веществ они содержат значительно высокий фон витаминного комплекса и минеральных веществ (Химический состав пищевых продуктов, 1987; Овчинников Г.А., 1987; Доценко В.А.,1993; Дадали В.А., 2001; Тараканова Г.И., 2003; Варфоломеева Т.Ф., 2007; Ломачихинский В.А., 2007).
Разработка эффективных методов выведения тяжелых металлов из
организма требует детального изучения на лабораторных животных как
модельных объектах. Это позволяет исследовать влияние ИК-сушеных овощей
на животных на фоне повышенного содержания тяжелых металлов (свинца и
кадмия) в рационе, что дает возможность их использовать при разработке
новых продуктов питания функционального назначения.
/'
\ 3
Цель работы - изучение толерантности крыс к антропогенным загрязнителям (свинцу и кадмию) на фоне применения ИК-сушеных овощей и разработка экологичного продукта питания.
Основные задачи:
1. Выявить адсорбционную способность растительных добавок по
отношению к свинцу и кадмию в опытах in vitro.
-
Изучить аккумуляцию тяжелых металлов в органах и тканях крыс на фоне применения детоксикантов.
-
Определить параметры роста и развития лабораторных животных на фоне применения антропогенных загрязнителей (свинца и кадмия).
-
Изучить биохимические показатели крови крыс при интоксикации свинцом и кадмием с применением детоксикантов.
-
Разработать новый продукт питания с использованием ИК-сушеных овощей.
Защищаемые положения.
1. ИК-сушсные овощи обладают комплексообразующей способностью по
отношению к свинцу и кадмию, что позволяет их использовать в качестве
добавок при создании продуктов лечебно-профилактического назначения.
2. Применение растительных добавок в рационе крыс приводит к
снижению аккумуляции свинца и кадмия в органах и тканях лабораторных
животных.
3. Использование ИК-сушеных овощей на фоне повышенного содержания
свинца и кадмия в рационе животных улучшает показали роста и развития и
нормализует биохимические показатели крови крыс.
Научная новизна. Впервые изучена комплексообразующая способность ИК-сушеных овощей по отношению к свинцу и кадмию в растворах.
В модельных исследованиях на крысах установлена детоксикационная способность мясного полуфабриката с растительными добавками к антропогенным загрязнителям (свинцу и кадмию).
Ч.
Впервые разработаны мясные полуфабрикаты на основе ИК-сушеных овощей. Проведена их органолептическая оценка качества, определены функциональные показатели, а также выбраны наиболее предпочтительные сочетания овощей с определенным видом мяса.
Практическая значимость работы. В модельном опыте на крысах ИК-сушеные овощи, измельченные до порошкообразного состояния, проявили свои детоксикационные свойства по отношению к свинцу и кадмию.
Мясной полуфабрикат с растительными добавками уменьшает концентрацию свинца и кадмия в организме крыс при интоксикации тяжелыми металлами. Это является предпосылкой для создания продукции функционального назначения. Материалы диссертации используются в учебном процессе по курсу «Экология» в ФГОУ ВПО Новосибирский государственный аграрный университет и других сельскохозяйственных вузах Сибирского федерального округа.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК - 1. Результаты исследований представлялись на международных, региональных научных и научно-практических конференциях: «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий», Абакан, 2006; «Современные тенденции развития АПК в России», Красноярск, 2007; «Вклад молодых ученых в реализацию приоритетного национального проекта «Развитие агропромышленного комплекса», Троицк, 2007; «Пища. Экология. Качество», Краснообск, 2008; «Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых СО РАСХН», Краснообск, 2008; «Развитие АПК азиатских территорий», Краснообск, 2008; «Инновации в агропромышленном комплексе», Новосибирск, 2009; «Инновационный потенциал молодых ученых в развитии агропромышленного комплекса Сибири», Новосибирск, 2009; «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде», Семей, 2010.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, обзора литературы, материала и методики исследований, результатов исследования и их обсуждения, заключения, выводов, предложений, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 107 страницах, включает в себя 25 таблиц и 8 рисунков. Библиографический список состоит из 200 источников, из них 17 на иностранных языках.
Токсичные элементы и их физиологическое действие на организм животных и человека Закономерности аккумуляции тяжелых металлов в растениях
Почва - объект среды обитания, дающий более 90% продовольственного сырья, предназначенного для производства пищевой продукции. Увеличение ТМ в почве ведет к возрастанию их концентрации в растениях, а система почва - растение — основное стартовое звено пищевой цепочки, в котором формируется поток минеральных компонентов, поглощаемый животными и человеком [182; 56; 60; 1]. Важную роль в защите растений от избытка поступающих из почвы тяжелых металлов выполняет корневая система. Задерживая избыточные ионы, корни тем самым способствуют сохранению в наземных органах невредных концентраций химических элементов [59; 4; 188].
Основные проблемы, связанные у человечества с кадмием, обусловлены техногенным загрязнением окружающей среды и его токсичностью для живых организмов уже при низких концентрациях.
Кадмий способен сравнительно легко поступать в растения, из почвы через корневую систему, а также из атмосферы через листья. Растения обладают разной способностью аккумулировать его в товарной (съедобной) части [187; 198; 35].
Основной причиной токсичности кадмия, для растений считается нарушение активности ферментов. Кроме того, кадмий тормозит фотосинтез, нарушает транспирацию и фиксацию С02, ингибирует биологическое восстановление N02 до N0. Фитотоксичность кадмия проявляется также в затруднении поступления и метаболизма в растениях ряда элементов питания (Zn, Си, Mg, Ni, Se, Са, Mg, Р). Этот антагонизм можно использовать, подавляя избыточное накопление кадмия в растениях путем улучшения снабжения их названными элементами [30].
Внешние симптомы кадмиевого токсикоза у растений - задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев. Естественные (фоновые) содержания кадмия в растениях невелики и составляют (мг/кг сух. в-ва): в зерне злаков - 0,013-0,22, траве - 0,07-0,27, бобовых культурах - 0,08-0,27, картофеле - 0,03-0,30, моркови - 0,07-0,35 [125; 199].
Внесение кадмия в почву негативно влияет на рост и продуктивность растений. Опыт на кресс-салате показал, что общая биомасса культуры снизилась при минимальной дозе кадмия (1мг/кг) до 84%. Резкое снижение биомассы растений отмечено при более высоких дозах - 32 и 64 мг/кг, что составило соответственно 63 и 52 % от контроля [40]. В животных организмах кадмий обладает способностью легко усваиваться из пищи и воды и проникать в различные органы и ткани. Кадмий ингибирует синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот, влияет на активность ферментов, его избыток нарушает усвоение и обмен других микроэлементов (Zn, Си, Se, Fe), может вызывать их дефицит [28; 54; 112]. Свинец также является приоритетным загрязнителем. Интерес к элементу в биологии и медицине связан исключительно с его токсичностью для всего живого. Тем не менее, установлено, что в небольших количествах он необходим растительным и особенно животным организмам.
Избыток свинца в растениях ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания кадмия и снижению поступления цинка, кальция, фосфора, серы. Вследствие этого не только снижается урожайность растений, но и резко ухудшается качество производимой продукции [104; 145].
Внешние симптомы негативного действия свинца — появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва. Устойчивость растений к избытку свинца неодинаковая: менее устойчивы злаковые, более устойчивы бобовые культуры. Поэтому симптомы токсичности у различных культур могут возникнуть при его разном валовом содержании в почве — от 100 до 500 мг/кг. Считается, что концентрация свинца свыше 10 мг/кг сухого вещества является токсичной для большинства культурных растений [199; 59].
В опытах на пшенице отмечалось наиболее выраженное угнетение роста корней при выращивании на растворах ацетата свинца (до 93%), уменьшение длины побегов (18%), массы корней по сравнению с контролем на 22% [136].
В таком крупном индустриальном центре, как Новосибирск, работают многочисленные предприятия, загрязняющие окружающую среду тяжелыми металлами. Загрязнение почвенного покрова чаще всего происходит за счет атмосферных выбросов заводов цветной и черной металлургии, ТЭЦ, предприятий по производству оборудования, станков и т.д. [171]. Попадая в почву, тяжелые металлы в основном закрепляются в ней. Их содержание есть результат накопления за годы работы местной промышленности и автотранспорта.
В 1997 г. валовой выброс загрязняющих веществ в атмосферу по Сибирскому региону составил: в Новосибирской области - 754 тыс. т (4,2 т/км ), в Томской - около 274 тыс. т (0,9 т/км ), в Омской - около 370 тыс. т (2,6 т/км") [99]. Но изучение загрязнения тяжелыми металлами ландшафтов Западной Сибири показало, что если судить по их накоплению в почвах и растениях, то площади с потенциально опасным уровнем тяжелых металлов незначительны. Так, в Новосибирской области из четырнадцати районов только в трех (Венгеровском, Коченевском и Ордынском) установлена повышенная концентрация кадмия [53]. Но нужно учитывать, что масштабы загрязнения постоянно растут.
При сильном загрязнении среды обитания поток ТМ становится столь большим, что наблюдается повышенное содержание их не только в почве, вегетативных органах растений, но и в органах запаса ассимилянтов [118].
Растения загрязняются также с поверхности в результате оседания из воздуха на листья и стебли металлосодержащих частиц. Поверхностное загрязнение может быть значительным.
В питании человека поверхностное загрязнение растений ТМ не играет существенной роли, поскольку перед употреблением их и моют и очищают. Иначе обстоит дело с животными, которые поедают загрязненный поверхностно подножный корм или заготовленное из него сено. В этом случае ТМ, осевшие в пыли, следует рассматривать как составную часть потока, поступающего в пищевую цепь [61; 89; 50; 184].
Влияние ИК-сушеных овощей на снижение концентрацииионов свинца и кадмия в опытах in vitro
В связи с развитием производительных сил с каждым годом увеличивается объем антропогенного загрязнения окружающей среды. Свинец и кадмий являются наиболее опасными загрязнителями, которые способны мигрировать в системе вода - почва — растения — животные - продукт питания - человек.
Поэтому возникла необходимость в поиске веществ, способных выводить тяжелые металлы из организма (детоксиканты).
Первая серия экспериментов была направлена на определение остаточной концентрации ионов свинца и кадмия комплексообразующей способности ИК-сушеных овощей по отношению к кадмию и свинцу на модельных растворах. Результаты статистической обработки представлены в табл. 4. В ходе эксперимента было установлено снижение концентрации ионов свинца в вариантах, где применялись ИК-сушеные овощи по сравнению с контролем. При использовании ИК-сушеной свеклы остаточная концентрация ионов свинца уменьшилась - на 24,72 (р 0,001), при добавлении ИК-сушеной тыквы - на 60,38 (р 0,001), а ИК-сушеной моркови - на 80,98% (р 0,001). Для оценки эффективности связывания полисахаридами ионов металлов используется показатель - комплексообразующая способность (КС), который характеризует число (мг) ионов металла, связанное 1 кг ИК-сушеных овощей [19; 77; 78]. Определение комплексообразующей способности ИК-сушеных овощей по отношению к ионам свинца представлено в табл. 5. Таким образом, можно сказать, что для снижения концентрации ионов свинца наиболее эффективно применение добавки на основе ИК-сушеной моркови.
Результаты остаточной концентрации ионов кадмия после взаимодействия с овощами представлены в табл. 6.
Примечание: вариант 1 - бидистиллированная вода + ацетат кадмия (контроль), вариант 2 - бидистиллированная вода + ацетат кадмия + ИК-сушеная свекла, вариант 3 - бидистиллированная вода + ацетат кадмия + ИК-сушеная тыква, вариант 4 - бидистиллированная вода + ацетат кадмия + ИК-сушеная морковь.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что добавки на основе ИК-сушеных овощей способны связывать ионы кадмия. При введении в раствор ПК-сушеной свеклы концентрация ионов кадмия снизилась на 36,83% (р 0,001). Также отмечено снижение концентрации остаточных ионов кадмия по сравнению с контрольным вариантом при использовании ИК-сушеной тыквы и моркови на 35,85 и 65,18% (р 0,001) соответственно.
Определение комплексообразующей способности ИК-сушеных овощей по отношению к ионам кадмия представлено в табл. 7. При использовании ИК-сушеных овощей в качестве детоксиканта кадмия наиболее эффективные результаты показала добавка на основе ИК-сушеной моркови.
В результате анализа данных в опыте на модельных растворах было выявлено, что добавки на основе ИК-сушеных овощей значительно снижают концентрацию свинца и кадмия (р 0,001). Наиболее эффективные результаты получены с добавкой на основе ИК-сушеной моркови.
По литературным данным, морковь является одним из видов растительного сырья, имеющего при достаточно высоком содержании пектиновых веществ (6,0 - 8,0 г на 100 г продукта) довольно значительный фон витаминного комплекса [48; 81;95]. Особенно в большом количестве в моркови содержится провитамин А (9 мг на 100 г продукта), что тоже может обеспечивать детоксикационный эффект [147]. Сравнивая собственные результаты по снижению концентрации ионов свинца и кадмия в опытах in vitro с исследованиями других авторов [113; 51], установили их эффективность. Результаты представлены в табл. 8.
По снижению концентрации ионов свинца из представленных добавок наилучший результат показала ИК-сушеная морковь (снижение на 80,98%), а кадмия - яблочный и облепиховый гомогенаты (снижение на 72,3-81,2%). Видимо, у свинца и кадмия разные механизмы взаимодействия с веществами, содержащимися в добавках. При измельчении ягод облепихи и ранета дополнительно высвобождаются биологически активные вещества из их семян, являющихся ценным источником пектиновых веществ [51], а в овощах содержится больше клетчатки.
Но нужно учитывать, что овощи сами могут быть источниками тяжелых металлов, которые способны мигрировать в растения из почвы и воды. По уровню содержания тяжелых металлов сельскохозяйственные культуры выстраиваются в следующий ряд: корни стебель (листья) органы запасания ассимилянтов (корнеплоды). То есть корнеплоды в гигиеническом отношении можно считать более безопасными, чем растения, у которых в пищу употребляются листья и стебли [170.]. Из овощных культур наибольшей «устойчивостью» к соединениям тяжелых металлов обладают морковь и капуста, а наименьшей - салат и шпинат [73].
Влияние ИК-сушеных овощей на биохимические показатели крови лабораторных животных при хронической интоксикации свинцом и кадмием
После проведения физиологического опыта на основе классических рецептур нами были разработаны рецептуры рубленых полуфабрикатов (котлеты). В качестве основы были выбраны 3 вида мяса: конина, свинина и говядина. ИК-сушеные овощи (свекла, морковь и тыква) добавлялись в дозе 3%. Установлено, что дозой, благоприятно влияющей на органолептические показатели готового продукта, является добавка ИК-сушеных овощей в количестве не более 3%. Увеличение количества вносимой добавки может повлечь ухудшение органолептических показателей и консистенции готового продукта.
Органолептические показатели продуктов нельзя выразить в привычных физических размерных шкалах. Характеристику вкуса, запаха, консистенции и других сенсорных признаков приводят в качественных описаниях.
Чтобы перевести качество в количество, при экспертной оценке используют безразмерные шкалы: обычно в баллах, реже в долях единицы или процентах. Балловая шкала - это упорядоченная совокупность чисел и качественных характеристик, которые приводятся в соответствии с оцениваемыми объектами согласно определяемому признаку.
Градацию балловой шкалы определяют в зависимости от характера поставленной задачи, качества экспертов, необходимой точности результатов и возможности словесного описания характеристики качественных уровней [115].
Балльная оценка котлет из свинины и статистическая обработка оценок семи дегустаторов по органолептическим показателям представлены в табл. 15.
Примечание: Вариант 1 - котлеты из свинины, вариант 2 - котлеты из свинины + 3% ИК-сушеной свеклы, вариант 3 - котлеты из свинины + 3% ИК-сушеной моркови, вариант 4 - котлеты из свинины + 3% ИК-сушеной тыквы, вариант 5 - котлеты из говядины, вариант 6 - котлеты из говядины + 3% ИК-сушеной свеклы, вариант 7 - котлеты из говядины + 3% ИК-сушеной моркови, вариант 8 - котлеты из говядины + 3% ИК-сушеной тыквы, вариант 9 - котлеты из конины, вариант 10 — котлеты из конины + 3% ИК-сушеной свеклы, вариант 11 - котлеты из конины + 3% ИК-сушеной моркови,, вариант 12 - котлеты из конины + 3% ИК-сушеной тыквы. Органолептическая оценка полуфабрикатов показала, что наибольшее
количество баллов набрали котлеты из свинины с добавлением 3% свеклы, свинины с тыквой (3%), котлеты из говядины со свеклой (3%), говядины с тыквой (3%) и конины с добавлением 3% тыквы. Предпочтительны следующие сочетания видов мяса и добавок: свинина с ИК-сушеной свеклой, говядина с ИК-сушеной свеклой, конина с ИК-сушеной тыквой.
Наибольшее количество баллов набрали котлеты из свинины с добавлением 3% свеклы, свинины с тыквой (3%), котлеты из говядины со свеклой (3%), говядины с тыквой (3%) и конины с добавлением 3% тыквы.
Помимо полезных питательных свойств ИК-сушеные овощи обладают существенными фукциональными преимуществами благодаря своей высокой влагосвязывающей (ВСС) и влагоудерживающей способности (ВУС) [88]. Влагосвязывающая способность не только определяет свойства мяса, на различных стадиях его технологической обработки, но и влияет на влагоудерживающую способность вырабатываемых из него различных мясопродуктов, на их качество и выход. Влагосвязывающая способность мяса существенно зависит от количества и степени связи с белком иммобилизированной и свободной воды.
Показатели функционально-технологических свойств фарша из свинины с добавлением ИК-сушеных овощей превышают показатели фарша, приготовленного по основной рецептуре. ВСС фарша с добавлением ИК-сушеной свеклы повысилась на 14,12%, ИК-сушеной моркови - на 20,78 (р 0,05), ИК-сушеной тыквы - на 43,99% (р 0,001) по сравнению с контрольным вариантом. ВУС фарша с добавками из свеклы, моркови и тыквы выше ВУС фарша без добавок на 21,67 (р 0,05), 28,79 (р 0,01) и 43,96% (р 0,001) соответственно.
Примечание: вариант 1 - котлеты из конины, вариант 2 - котлеты из конины + 3% ИК-сушеной свеклы, вариант 3 - котлеты из конины + 3% ИК-сушеной моркови, вариант 4 - котлеты из конины + 3% ИК-сушеной тыквы
Показатели функционально-технологических свойств фарша из конины также улучшились с добавлением в основную рецептуру ИК-сушеных овощей: влагосвязывающая способность повысилась на 20,19-24,17% (р 0,001), влагоужерживающая способность на 12,07-19,32% (р 0,05) (р 0,01).
На основе вышесказанного можно сделать вывод, что при добавлении в рецептуру порошков ИК-сушеных овощей значительно возросли ВСС и ВУС во всех образцах фарша по сравнению с основными рецептурами. Высокая влагосвязывающая и влагоудерживающая способности фарша с добавками на основе ИК-сушеных овощей позволяет приготовить высококачественную продукцию без значительных потерь влаги.
