Теоретическое и экспериментальное обоснование перехода токсичных элементов при водном и водноспиртовом экстрагировании круп

Одним из актуальных направлений развития пищевой и перерабатывающей промышленности на современном этапе является использование натурального растительного сырья для получения добавок-обогатителей.

Экстрагирование крупяного сырья позволяет получать экстракты, которые при сгущении используются в качестве подсластителей различных видов напитков, мороженого. Кроме того, сгущенные крупяные экстракты содержат в своем составе биологически активные соединения, повышающие пищевую ценность продуктов. Однако при экстрагировании сырья часть токсичных веществ переходит в экстракты, поэтому целью настоящей работы было исследование миграции токсичных веществ при водном и водноспиртовом экстрагировании крупяного сырья.

Исследование содержания токсичных элементов круп и полученных из них водных (ВЭ) и водноспиртовых (ВСЭ) экстрактов на соответствие требованиям СанПиН 2.3.2.1078-01 проводили на энергодисперсионном рентгеновском спектрометре ЕХ-23000ВU, интегрированном с растровым электронным микроскопом JEOL JSM-6390.

Содержание токсичных элементов в крупах, водных и водноспиртовых экстрактах, а также процент миграции ксенобиотиков в экстракты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Токсичные элементы круп и крупяных экстрактов

Наименование токсичного элемента	Допустимый уровень, не более,		Содержание в крупе, мг/кг	Содержание в экстрактах, мг/л		Миграция, %
	крупа, мг/кг	экстракт, мг/л		ВЭ	ВСЭ	ВЭ	ВСЭ
1	2	3	4	5	6	7	8
Гречневая ядрица
Ртуть	0,03	0,003	0,022	0,00036	0,00041	33,3	38,7
Мышьяк	0,20	0,020	0,027	0,00059	0,00057	44,4	42,9
Свинец	0,50	0,050	0,005	0,00009	0,00009	33,9	33,9
Кадмий	0,10	0,010	0,021	0,00042	0,00038	47,8	43,2

 

Продолжение таблицы 1

1	2	3	4	5	6	7	8
Овсяная крупа
Ртуть	0,03	0,003	0,035	0,00078	0,00080	44,7	45,8
Мышьяк	0,20	0,020	0,009	0,00026	0,00022	57,3	48,5
Свинец	0,50	0,050	0,009	0,00014	0,00015	31,0	33,2
Кадмий	0,10	0,010	0,011	0,00016	0,00020	29,0	36,25
Пшено шлифованное
Ртуть	0,03	0,003	0,018	0,00033	0,00036	37,1	40,3
Мышьяк	0,20	0,020	0,024	0,00035	0,00033	28,3	26,7
Свинец	0,50	0,050	0,003	0,00005	0,00005	39,5	39,5
Кадмий	0,10	0,010	0,012	0,00030	0,00028	51,5	48,1

 

Исследование содержания токсичных элементов в крупах и экстрактах показало, что их значения не превышают допустимого уровня, установленного СанПиН 2.3.2.1078-01, что свидетельствуют об экологической чистоте сырья. Общим моментом для водноспиртовых и водных экстрактов является то, что наличие в экстрагенте этилового спирта в количестве 20 % не оказывает существенного влияния на миграцию тяжелых металлов из круп в экстрагент, поэтому можно предположить, что миграция токсичных элементов осуществляется за счет наличия водной среды. В водной среде самыми распространенными лигандами являются органические кислоты и молекулы воды, поэтому гидролиз и комплексообразование – наиболее обычные реакции. Часть тяжелых металлов, адсорбированных на клеточных стенках или связанных с клеточными структурами, легко может мигрировать. При использовании лимонной кислоты, входящей в состав экстрагента, образуются гидрофильные каналы, что приводит к утечке низкомолекулярных веществ из цитоплазмы [1]. Полученные результаты согласуются с данными, полученными ранее при экстрагировании круп 20%-ным и 40%-ным водноспиртовым растворами, где было установлено, что миграция токсичных элементов осуществляется в основном за счет водной фазы экстрагента, поскольку при экстрагировании 40%-ным водноспиртовым раствором переход токсичных элементов был ниже [2].

Токсичность ртути выражается в инактивации ряда ферментов, изменении биологических свойств тканевых белков и в способности встраивания в структуру ДНК. Миграция ртути составила от 33,3 % из гречневой ядрицы до 48,5% из овсяной крупы. Известно, что ртуть в пищевых продуктах присутствует в атомарном виде и в виде соединений со степенью окислений +1 и +2. Металлическая ртуть плохо адсорбируется на поверхности продуктов и легко удаляется при их обработке. Ионы ртути могут образовывать стабильные комплексы с сульфгидрильными группами белков, алкильными соединениями [3]. Возможно, что на долю свободной ртути, локализирующейся в крупах, приходится примерно 1/3 часть от общего содержания, которая и переходит в экстракты.

Механизм токсичного действия мышьяка схож с механизмом токсичного действия ртути. Миграция этого элемента составила от 26,7% из пшена до 57,3% из овсяной крупы. Этот элемент поливалентен, образует оксиды, хлориды, арсенаты, арсениты и даже газообразное соединение арсин, поэтому его миграция в экстракты выше миграции ртути.

Свинец оказывает токсичное влияние на кроветворную, нервную, желудочно-кишечную и почечную системы. Переход свинца из круп в экстракты различался незначительно: от 31% из овсяной крупы до 39,5% из пшена. Свинец в растительном сырье накапливается в виде пиро- и ортофосфатов и связан с растворимыми и нерастворимыми белками и углеводами [4]. По-видимому, в крупах на долю свинца, локализированного в водорастворимых комплексах, приходится треть общего количества этого элемента, которая и мигрирует в эктракты.

В организме человека кадмий накапливается в почках, поражает нервную систему и, в конечном итоге, приводит к хрупкости костей и деформации скелета. Миграция кадмия составила от 29,0 % при экстрагировании овсяной крупы до 51,5 % при экстрагировании пшена. Кадмий является достаточно подвижным элементом, ионы которого легко образуют подвижные комплексные соединения с протеинами и концентрируются в протеиновых фракциях растительной клетки [5]. Логично предположить, что кадмий, содержащийся в ионной форме, переходит в экстракты.

Проведенное исследование миграции токсичных элементов при экстрагировании круп позволило выявить следующее:

- в анализируемых образцах круп и полученных из них водных и водноспиртовых экстрактах содержание токсичных элементов значительно ниже ДУ;

- миграция токсичных элементов составляет от 26,7% мышьяка из пшена до 57,3 % этого же элемента из овсяной крупы;

- миграция свинца из всех исследуемых круп различалась незначительно и составила 31,0-39,5%, по-видимому, в экстракты переходит свинец, находящийся в ионной форме;

- наибольшая миграция кадмия выявлена при экстрагировании пшена (51,5%), наименьшая – при экстрагировании овсяной крупы (29,0%), вероятно, связано с высоким содержанием сульфгидрильных групп в белковом комплексе овсяной крупы, с которыми кадмий образует устойчивые соединения;

- миграция токсичных элементов при водном и водноспиртовом экстрагировании различалась незначительно, следовательно, содержание в экстрагенте 20 % спирта не оказывает влияния на переход токсичных элементов;

Литература:

1. Кузнецова Е.А. Разработка научных основ и способов повышения безопасности зернового сырья в технологии хлебобулочных изделий. Автореф. дис. д.т.н., Орел, 2010. – 42 с.

2. Иванова Т.Н., Еремина О.Ю. Миграционные свойства токсичных элементов зернопродуктов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2001. - № 2. – С. 12-14.

3. Богомолова З.Н. Контаминация пищевых продуктов ртутью / З.Н. Богомолова, А.М.Иваницкий, М.Я. Акинчева // Металлы. Гигиенические аспекты оценки и оздоровления окружающей среды. – М.: НИИ гигиены труда и профессиональных заболеваний АМН СССР, 1983. – С.15-25.

4. Малина В.П. Свинец в окружающей среде, пищевом сырье и продуктах питания / В.П. Малина // Хранение и переработка сельхозсырья. - 1998. - № 7. – С.34-38.

5. Natsuga M. Accuracy of near-ifrared reflectance spectroscopy in determining constituent content of grain. Pt 4: Moisture, protein and ash content of buckwheat / M. Natsuga, S. Kawamura, K. Itoh // J. Japan. Soc. Agr. Mach. – 2000. – Vol. 62, N 4. – P. 154-159.

 

Н.В. Жарикова

О.Ю. Еремина

(Госуниверситет – УНПК)