Гимназия №32.
Научная работа по химии:
«Обнаружение ионов Cu2+ и Fe3+
в продуктах питания»
Работа учащихся 11 «В» класса
Лобода Анастасия
Полищук Наталья
Научный руководитель: доцент кафедры неорганической и аналитической химии Калининградского Государственного Университета
Калининград
2004
Введение
В условиях нарастающего загрязнением окружающей нас среды важным является вопрос о здоровье человека. Ведь здоровье каждого из нас зависит от чистоты продуктов, которые мы ежедневно употребляем в пищу. При правильном питании мы должны получать с пищей достаточное количество и в правильном соотношении необходимые организму вещества: белки, жиры, углеводы, минеральные соли, витамины и т. д. В здоровом организме всегда поддерживается оптимальное соотношение всех веществ, участвующих в обмене. Превышение количества тех или иных компонентов вызывает токсический эффект.
В Калининградской области качество продуктов питания и продовольственного сырья остается стабильным, но часто критике подвергается качество молочных продуктов. Мясо и мясные продукты, кондитерские и сахарные изделия, биологически активные добавки, пиво и безалкогольные напитки не отвечают стандартам качества значительно реже.
Продукты зарубежного производства такие как, консервы, птица и птицеводческие продукты, кондитерские изделия, мясо и мясные продукты, растительные жиры также иногда подвергаются забраковке. Почти 5 % импортных продуктов не соответствовали санитарным требованиям по микробиологическим показателям, 2,6 % импортных продуктов не прошли проверки по санитарно-химическим показателям, то есть содержали нитриты, нитраты, аммиак, соли тяжелых металлов в концентрации, превышающих предельно допустимые уровни. Таким образом, необходимо осуществлять мониторинг за состоянием продовольственной продукции, поступающей в магазины города и области и контролировать поступление с продуктами питания в организм человека солей тяжелых металлов, таких как медь, железо, цинк, ртуть, а также соединений азота (нитратов).
Целью настоящей работы является исследование содержания железа и меди в продуктах питания, употребляемых нами ежедневно.
Микроэлементы в организме человека.
В организме человека содержится более 80 химических элементов периодической системы . Химический состав организма есть выражение химического состава окружающей среды и количественного содержания тех или иных химических элементов в продуктах питания. Большинство микроэлементов накапливаются в печени, костной и мышечных тканях.
Металлы способны вступать во взаимодействие с белками организма и образовывать с ними металлорганические соединения. Ионы металлов играют очень важную роль в биохимических процессах. В функции ионов металлов входят: стимулирование обмена веществ в организме, роста, размножения, активизация иммунной системы организма и регуляция продолжительности жизни, участие в процессах кроветворения, окислительно-восстановительных процессах; они стабилизируют и активизируют ферменты (образуют их активные центры). Однако избыточное поступление металлов в организм недопустимо вследствие возникновения токсического эффекта.
Вредное воздействие загрязняющего вещества на организм обусловлено несколькими факторами: так, токсичность вещества зависит от химической формы его существования (валентность, заряд иона, растворимость, способность к комплексообразованию). При попадании в одну из трех сред обитания (вода, воздух, почва) в результате химических превращений относительно безвредное вещество может перейти в высокотоксичное соединение. В природной среде токсичное вещество постепенно накапливается в цепи питания и его концентрация в высших звеньях этой цепи может в тысячи раз превышать концентрацию данного в вещества в окружающей среде.
В процессе эволюции организмы выработали систему защиты от повреждающего воздействия металлов как на уровне генома, так и на уровне тканевых регуляторных механизмов. Система защиты представлена вырабатываемыми организмом специфическими белками, которые действуют на регулярные участки ДНК И РНК; синтез таких белков приводит к появлению устойчивых (толерантных) к токсическому действию металлов популяций. Белки обладают несколькими центрами связывания, что дает возможность нейтрализовать одновременно большое количество поступающих в организм излишних металлов.
По содержанию в живом веществе металлы делят на три категории: макроэлементы, концентрация которых превышает 10-3 % (K, Ca, Mg, Fe, Na); микроэлементы, доля которых составляет от 10-3 до 10-6 % (Mn, Zn, Cu, Sr, Ni, Ba, Co, Cr, Al, V и др.); ультрамикроэлементы, содержание которых не превышает 10-6 % (Hg, Au, Pb, Ag и др.).
В своей работе мы остановили свой выбор на металлах первой и второй группы, а именно: железе и меди.
Медь
Физические свойства. Красноватый металл, ковкий и пластичный, с высокой электро - и теплопроводностью. Устойчив к действию воздуха и воды, но подвержен атмосферным воздействиям - медленно покрывается зеленой патиной (карбонат). Используется в виде проволоки для электрических проводов, для изготовления монет, в сплавах и т. д.
Биологическая роль. Важен для всех форм жизни.
Содержание в человеческом организме:
Мышечная ткань, %: 1х10-3
Костная ткань, %: (1-26)х10-4
Кровь, мг/л: 1,01
Ежедневный прием с пищей: 0,50 – 6 мг
Токсическая доза: > 250 мг
Содержание в организме среднего человека (масса кг): 72 мг
Таблица 1
Содержание меди в некоторых продуктах питания
Наименование продукта | Содержание меди в мкг/ на 100 г съедобной части |
Картофель | 140 |
Морковь | 80 |
Свекла | 140 |
Яблоки | 110 |
Мясо: говядина | 182 |
Свинина | 96 |
Телятина | 228 |
Печень говяжья | 3800 |
Антропогенные источники. В настоящее время трудно найти область промышленности, где бы не использовалась медь, её сплавы или соединения. Масштабы использования меди и ее соединений необходимо учитывать при анализе влияния содержания меди в окружающей среде на живые организмы.
Опасность отравления для человека возникает в процессе производственной деятельности, связанной с использованием меди и её соединений. Так, при обработке изделий из меди, плавке медного лома в воздух в виде пыли попадают медь и оксид меди (II) в концентрации 0,22-14,0 мг/м3. Через 1-2 ч работы у людей наблюдаются раздражение слизистых, сладкий привкус во рту, а через несколько часов – головная боль, слабость, тошнота, боль мышцах, высокая температура. Среднее содержание меди в растениях около 0,2 мг/ кг, но 2/3 её находится в листьях. В растительном организме соединения меди участвуют в азотном обмене. Источником меди в растительных организмах служат почвообразующие породы, почва, природные воды, атмосферный воздух.
Токсическое действие. Влияние меди на живые организмы неоднозначно, так как, с одной стороны, она важный микроэлемент, участвующий в обменных процессах, а с другой – её соединения токсичны (в высоких концентрациях). Ярко выраженная способность к комплексобразованию, взаимодействие с кислородом, подверженность обратимому восстановлению – вот особенности меди, которые определяют её биологическую роль в живых организмах.
В клетке ионы меди находятся в виде комплексных соединений с биологически активными веществами: нуклеиновыми кислотами, аминокислотами, биогенными аминами, гормонами – или входят в состав белков.
В организме медь проходит следующие этапы метаболизма: взаимодействие с эндогенными лигандами желудочно-кишечного тракта; транспорт в кровеносном русле; включение в состав специфических биологических структур; выведение из организма.
Поглощенная медь всасывается в кровь в желудке и в верхних отделах тонкого кишечника. Затем она транспортируется сывороточным альбумином. Больная часть меди поступает в печень, где связывается церулоплазамином (90-96%). Около 80% меди выводится через печень с желчью, 16% - через кишечник, 4 -% через почки. Период биологической полужизни меди в организме человека и животных составляет около четырех недель. В таблице 3 приведено распределение меди в организме.
Таблица 2
Распределение меди в организме.
Органы и ткани | Содержание меди мг % на сырую массу. |
Печень | 0,3-1,3 |
Мозг | 0,1-0,6 |
Сердце | 0,1-0,6 |
Почки | 0,17-0,3 |
Селезенка | 0,26 |
Легкие | 0,25 |
Кости | 0,1-0,6 |
Мышцы | 0,54 |
Если поступление меди в организм превышает его суточную потребность, то это может привести к отравлению (соединения меди повышают проницаемость мембран митохондрий). Острая интоксикация сопровождается гемолизом эритроцитов, могут возникать нарушения метаболизма моноаминов. Установлено, что медь обладает канцерогенными свойствами. Ионы Сu+2 образуют комплексы с пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, это влечет за собой изменения в структуре и свойствах ДНК и РНК, приводящие к бесконтрольному делению клеток (образованию опухоли)
В то же время в необходимых дозах медь способствует поступлению железа в костный мозг, стимулирует функцию кроветворения. Недостаточность меди в организме значительно задерживает созревание красных кровяных телец и может послужить причиной малокровия, анемии. Малокровие может развиваться от различных причин, и одна из самых коварных его форм – злокачественная анемия. Эта болезнь развивается медленно, исподволь подтачивая жизненные силы человека. В тяжелых случаях у больного нет сил даже подняться с постели, наступает апатия и неподвижность. При этом количество красных кровяных телец в крови катастрофически снижается. Врачам удалось установить, что при этой болезни количество меди в печени снижается по сравнению с нормой почти в 4 раза. При этом количество ее в крови возрастает, и это является грозным сигналом о притаившемся недуге. Есть сведения, что нехватка меди в организме снижает эластичность кровеносных сосудов.
При дефиците меди нарушается передача нервного импульса, что приводит к нарушению деятельности центральной нервной системы; увеличивается содержание холестерина в крови, что чревато развитием, причем ранним, атеросклероза и ишемической болезни сердца.
C нарушением обмена меди в организме связаны такие заболевания, как шизофрения, эпилепсия, красная волчанка и некоторые другие. Отмечено также снижение участия меди в обменных процессах на ранних стадиях развития злокачественных опухолей.
Для меди ПДКв (по иону меди) установлена 1 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - органолептический), ПДКвр - 0,001 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - токсикологический).
Физические свойства. Чистое железо весьма пластичный металл серебристо-белого цвета, достаточно сказать, что железо может быть мягким, как свинец (монокристалл чистого железа), и твердым, как алмаз (специальная сталь). Плотность – 7,87 г/см3, температура плавления 1539 0С. В отличие от многих металлов обладают магнитными свойствами.
Биологическая роль. Существенно важен для всех форм жизни.
Содержание в человеческом организме:
Мышечная ткань, %: 1,8▪10-2
Костная ткань, %: (0,03-3,8) ▪10-2
Кровь, мг/л: 447 мл/л
Ежедневный прием с пищей: 6 – 40мг
Токсическая доза: 200 мг
Летальная доза: 7–35 г
Содержание в организме среднего человека (масса кг): 4,2 мг
Таблица 3
Наименование продукта | Содержание железа в мкг/ на 100 г съедобной части |
Рыба | 1000 |
Молоко | 70 |
Хлебные изделия | 4000 |
Фрукты и ягоды | 600 |
Мясо | 3000 |
Картофель | 900 |
Таблица 4
Распределение железа в организме
Органы и ткани | Содержание железа мг % на сырую массу. |
Мышечная ткань | 1,8▪10-2 |
Костная ткань | (0,03-3,8) ▪10-2 |
Кровь | 447 мл/л |
Антропогенные источники. Известно с глубокой древности (Древний Египет, Индия, Персия); железный век – эпоха в развитии человечества, наступившая в начале 1-го тысячелетия до н. э. В связи с распространением выплавки железа и изготовления железных орудий труда и оружия; железный век пришел на смену бронзовому веку. Сталь появилась впервые в Индии (X в. до н. э.), чугун – только в средние века. Восточные мастера (в Сирии) умели выплавлять особо стойкую литую сталь (булат), упоминаемую еще Аристотелем (IV в. до н. э.). указание на железо как на определенный металл имеется в Ветхом завете и у Гомера. Первое железо, использованное человеком, имело метеоритное происхождение. По-видимому, в Древнем Египте (VI в. до н. э.) появились первые горны (обычные ямы) для выплавки стали, лишь во II в. они были заменены шахтными печами. Доменные печи для выплавки чугуна известны с XVI в. во Франции и Фландрии. Тогда же возникли способы передела чугуна в сталь сильным продуванием воздуха. Современные методы выплавки стали из чугуна (процессы Бессемера, Мартена и Томаса) изобретены во 2-й половине XIX в. Секрет булата, утерянный в XIII – XIV вв., раскрыл в середине XIX в. .
Токсическое действие: Железо – элемент, участвующий в образовании гемоглобина и некоторых ферментов. Содержание железа в пищевых продуктах колеблются в пределах 70 – 4000 мкг %. Особенно много железа в печени, почках и бобовых (6000 – 20000 мкг %). Относительно беден железом белый хлеб из пшеничной муки высшего (9000 мкг %). Потребность взрослого человека в железе 14 мг в день, она с избытком удовлетворяет обычным рационом. Однако при использовании в пище хлеба из муки тонкого помола, содержащего мало железа, у городских жителей весьма часто наблюдается дефицит железа. При этом следует учесть, что зерновые продукты, богатые фосфатами и фитином, образуют с железом труднорастворимые соли и снижают его усвояемость организмом. Так, если, из мясных продуктов усваивается около 30 % железа, то из зерновых – всего %. Чай также снижает усвояемость железа из-за связывания его с дубильными веществами в труднорасщепляемый комплекс. Поэтому люди, страдающие железодефицитной анемией, должны потреблять больше мяса и не злоупотреблять чаем.
ПДКв железа составляет 0,3 мг Fe/дм3 (лимитирующий показатель вредности — органолептический), ПДКвр — 0,1 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности — токсикологический).
Исследовательская работа
Обнаружение Cu и Fe в продуктах питания экспресс - методом
бумажной хроматографии.
Цель работы:
1. Освоение методов обнаружения катионов металлов с помощью бумажной хроматографии.
2. Определение содержание металлов в продуктах белкового происхождения.
Материалы:
Для исследования на присутствие металлов (Cu и Fe) послужили пробы продуктов: сосиски, фарш, рыба, печень, детское питание.
Приготовление реактивов:
1) Раствор K4[Fe(CN)6]- Гексацианофератт калия.
2) Фильтровальная бумага. Реактивную бумагу готовят путем пропитки обычной фильтровальной бумаги размером 2х20см, 4-5 процентным раствором K4[Fe(CN)6]. Приготовленную бумагу просушивают на воздухе в течение двух часов. Проделывают отверстие «О» на оси полоски на расстоянии 4мм от более широкого конца. Это отверстие служит для подвешивания полоски. Каплю исследуемого раствора наносят на оси полоски на расстоянии 10мм от нижнего края. Смоченный участок обводят карандашом и высушивают в течение 5мин. Вливают в измерительный цилиндр 10мл дистиллированной воды и вводят в него полоску с нанесенным раствором. Полоску укрепляют так, чтобы стенок цилиндра касалась только верхняя часть полоски. Цилиндр плотно закрывают пробкой и оставляют на 20-30мин. Когда фронт растворителя поднимается на 10см, полоску вынимают, подвешивают на проволочной скрепке и высушивают в течение 2 часов. Окрашенные зоны указывают на присутствие исследуемого иона.
3) Построение градуировочного графика. 0,1 мл раствора с определенной концентрацией исследуемых ионов наносят на подготовленные полоски фильтровальной бумаги и проводят хроматографирование как указано выше. Измеряют с помощью линейки высоту поднятия зоны для каждой концентрации. Строят градуировочный график зависимости высоты поднятия зоны от концентрации определяемого иона.
Таблица 5
Определение ионов железа и меди по окраске зоны
Катион | Реагент | Цвет зоны |
Fe3+ | K4[Fe(CN)6] | Синяя |
Cu2+ | Буро-красная |
Подготовка материала для исследования
Из материала отделялиг для исследования. Разрушение материала проводили концентрированной серной кислотой и пергидролем (H2Oг материала помещали в колбу Кьельдаля объемом 250-300 мл и заливали 10-12,5 мл пергидроля (H2O2), 1-2 минуты перемешивали и прибавляли 6-7 мл концентрированной серной кислоты. Содержимое колбы разогревали до наступления бурной реакции. Когда реакция затихала, колбу осторожно нагревали на плитке и прибавляли 1-2 мл пергидроля (H2O2) до тех пор, пока содержимое колбы не сделалось прозрачным (полного разрушения органического материала при этом не происходит – остаются не разрушенными жир и продукты распада белков).
Определение ионов меди и железа
1 мл минерализата нейтрализуют концентрированным раствором аммиака. Каплю нейтрализованного раствора наносят на полоску фильтрованной бумаги, пропитанной 4-5 % раствором K4[Fe(CN)6] и предварительно высушенной. Полоску помещают в камеру для хроматографирования. Полученную хроматограмму высушивают и измеряют высоту поднятия зоны пятна. По градуировочному графику определяют содержание исследуемых ионов.
Первым этапом работы явилось качественное обнаружение исследуемых ионов. В результате проведенных исследований были получены данные, представленные в таблице 7. Как видно из таблицы железо было обнаружено во всех исследуемых продуктах, а медь обнаружена в сосисках, фарше и детском питании.
Вторым этапом работы было количественное определение содержания ионов меди и железа в исследуемых продуктах. Полученные данные представлены в таблице 7 и на рисунке 1. Анализ полученных данных свидетельствует, что содержание железа во всех мясных продуктах не превышает допустимые нормы, а в рыбе норма содержания железа превышена в 1,7 раз. Содержание меди несколько превышает нормы только в сосисках, а в фарше и рыбе находится в допустимых количествах.
Таблица 6.
Качественное обнаружение железа и меди в исследуемых продуктах.
Продукты | Исследуемый ион | |
Cu | Fe | |
Сосиски | обнаружена | обнаружено |
Фарш | обнаружена | обнаружено |
Печень | не обнаружена | обнаружено |
Рыба | обнаружена | обнаружено |
Детское питание | не обнаружена | обнаружено |
Таблица 7
Количественное содержание железа и меди в исследуемых продуктах.
Продукты | Содержание в мкг на 100 г продукта | |
Cu | Fe | |
Сосиски | 340 | 3000 |
Фарш | 150 | 2000 |
Печень | 0 | 2400 |
Рыба | 200 | 3700 |
Детское питание | 0 | 2100 |
Рисунок 1.
Выводы:
1. Освоена методика качественного определения Cu и Fe в белковых продуктах питания.
2. Освоены методики подготовки пробы к анализу.
3. Определено содержание исследуемых металлов в 5 видах продуктов. Анализ полученных данных свидетельствует, что содержание железа и меди практически во всех мясных продуктах не превышает допустимые нормы.
Содержание меди несколько превышает нормы только в сосисках, а в рыбе норма содержания железа превышена в 1,7 раз.
Используемая литература
1. , , Экология на уроках химии: –Мн.: Изд. ООО "Красико-принт", 1996
2. , Аналитическая химия:–М.: Просвещение,1970.
3. Справочник по гидрохимии (интернет: http:/cci. Glasnet. ru/mc/refbooks/Hydrochem/ch4-1. html)
4. Практикум по экологической химии:–К: Калинингр. ун-т, 1999
5. Эмси Дж. Элементы: Пер. с англ.-М.: Мир,1993
6. Лабораторные исследования в ветеринарии. Под ред. и . Изд-во «Колос», М., 1971