Методы определения токсичных элементов
Неорганические соединения ртути, а также свинец и кадмий, относящиеся к группе тяжелых металлов, представляют серьезную проблему загрязнения окружающей среды в связи с широким их использованием в различных отраслях народного хозяйства. Они в больших количествах могут попадать в воду с неочищенными производственными и коммунально-бытовыми сбросами промышленных предприятий, а также со сточными водами; кумулируются рыбами, зоопланктоном и водной растительностью.
Это создает потенциальную опасность включения указанных металлов в кормовую рыбную муку. Кроме того, применение соединений свинца в качестве добавок к моторному топливу приводит к загрязнению воздуха, почвы и растений. Ртуть, свинец и кадмий в форме неорганических соединений являются стойкими токсическими веществами, способными накапливаться в организме животных.
Наибольшую опасность как источник загрязнения представляет рыбная мука, через которую тяжелые металлы в виде неорганических соединений могут попадать в состав комбикормов для сельскохозяйственных животных. Неорганические соединения тяжелых металлов попадают в комбикорма и через травяную муку, зерно и зерновые продукты. Содержание неорганической ртути в фуражном зерне не должно превышать 0,1 мг/кг, кадмия - 0,3 мг/кг, свинца - 5,0 мг/кг.
В комбикормах для свиней, откормочного поголовья крупного рогатого скота, мелкого рогатого скота и птицы допускается, соответственно, не более 0,1; 0,4 и 5,0 мг/кг, а в комбикормах для молочного скота и яйценоской птицы ртути допускается не более 0,05, кадмия - 0,3 и свинца - 3,0 мг/кг. Технологические приемы - гранулирование, сушка и экструдирование - не снижают уровень органических и неорганических соединений ртути, свинец- и кадмийсодержащих веществ в сырье и комбикормах.
Отбор проб производится в соответствии с требованиями ГОСТов на отдельные виды пищевых продуктов и сырья. Средняя лабораторная проба подготавливается таким образом, чтобы ошибки, обусловленные неоднородностью образца по объему, были минимальными.
В большинстве образцов металлы невозможно определить, не разрушая органическую матрицу вещества. Удаление органических соединений из продуктов называют минерализацией образца и проводят с использованием различных методов окисления. Существует три основных способа подготовки образцов к определению токсичных элементов: сухая минерализация, мокрая минерализация и кислотная экстракция (ГОСТ 26929-94).
Способ сухой минерализации основан на полном разложении органических веществ путем сжигания пробы сырья или продукта в электропечи при контролируемом температурном режиме и предназначен для всех видов продовольственного сырья и продуктов, кроме продуктов с содержанием жира 60 % и более. Этот метод применим при определении большинства токсичных элементов, за исключением ртути и мышьяка.
Тигель с анализируемой пробой помещают на сетку из огнеупорной глины и нагревают на слабом огне для начального разложения органического вещества. Затем тигель переносят в муфельную печь, где проводят сжигание при регулируемой температуре 400-600 °С. Для ускорения разложения органических веществ, особенно с низким содержанием золы, рекомендуется использовать вещества, катализирующие процесс озоления, такие как азотная кислота или некоторые соли. Полученную золу растворяют в определенном объеме разбавленной соляной кислоты или смеси разбавленных соляной и азотной кислот. Образовавшийся раствор используют для дальнейшего определения.
Преимуществами способа сухой минерализации являются возможность анализа больших количеств вещества, что важно при анализе токсичных элементов, содержащихся в продукте на уровне ПДК, а также отсутствие опасности загрязнения анализируемого продукта реактивами. Метод не требует анализа большого количества контрольных проб и постоянного внимания рабочего персонала.
К недостаткам следует отнести возможность потерь, анализируемых элементов вследствие летучести (особенно при работе с медью, селеном, кадмием, сурьмой, мышьяком, ртутью) или взаимодействия с материалом, из которого изготовлен тигель. Чрезмерное нагревание соединений некоторых металлов, например, олова, может привести к потере растворимости, что сделает невозможным их дальнейшее определение.
Способ мокрой минерализации основан на полном разрушении органических веществ пробы продукта при нагревании с серной и азотной концентрированными кислотами с добавлением перекиси водорода или хлорной кислоты в качестве катализаторов и предназначен для всех видов сырья и продуктов, кроме сливочного масла и животных жиров.
При мокрой минерализации потери вещества за счет летучести минимальны, поэтому значительно увеличивается полнота извлечения металлов. Преимуществом также является высокая скорость процесса окисления по сравнению с сухой минерализацией.
Однако существует ряд недостатков, ограничивающих применение данного способа подготовки проб. В частности, метод позволяет сжигать только малые объемы образца. При этом расход реактивов достаточно большой, что может привести к завышению данных контрольных опытов. Кроме того, мокрая минерализация является потенциально опасным методом и во избежание взрывов требует постоянного контроля.
Способ кислотной экстракции (неполной минерализации) предназначен для растительного и сливочного масел, маргарина, пищевых жиров и сыров. Он основан на экстракции определяемых токсичных элементов из пробы продукта путем кипячения его с разбавленной соляной или азотной кислотой.
Выбор способа минерализации зависит от природы определяемого металла и анализируемого продукта, а также от метода определения элемента на конечной стадии анализа.
В настоящее время для определения токсичных элементов в лабораториях контроля качества и безопасности пищевых продуктов применяют атомную спектроскопию, полярографию и спектрофотомерию.
Метод атомной спектроскопии включает две разновидности, основанные на явлениях атомной эмиссии и атомной абсорбции. Раствор минерализата испытуемой пробы распыляют в воздушно-ацетиленовом или воздушно-пропановом пламени. Металлы, находящиеся в растворе минерализата, попадая в пламя, переходят в атомное состояние. Сталкиваясь со свободными радикалами пламени, некоторые атомы металлов переходят в возбужденное состояние. Возвращаясь в нормальное состояние, атом излучает энергию, характерную для исследуемого металла. Это явление лежит в основе атомно-эмиссионной спектрометрии.
Однако даже в высокотемпературном пламени возбуждается лишь небольшая доля атомов. Невозбужденные атомы можно заставить поглощать излучение от наружного источника с собственной резонансной длиной волны, т. е. с длиной волны, которую анализируемые атомы излучают при возбуждении. Часть этого излучения поглощается атомами исследуемого элемента, причем величина поглощения пропорциональна концентрации определяемого элемента в растворе. Это явление лежит в основе метода атомно-абсорбционной спектрометрии.
Для анализа токсичных элементов, нормируемых в пищевых продуктах и требующих подтверждения при обязательной сертификации, обычно применяют метод атомно-абсорбционной спектрометрии, так как он отличатся высокой чувствительностью, воспроизводимостью и селективностью. Данный метод наиболее удобен для определения металлов, таких как свинец, кадмий, цинк, медь, хром и др. Применение этого метода для анализа ртути и мышьяка требует небольшой модификации оборудования. Так, для определения ртути применяют технику холодного испарения. Ионы ртути Hg2+ из анализируемого раствора минерализата подвергают восстановлению хлоридом олова до молекулярной формы ртути Hg°, которая, испаряясь, накапливается в специальной абсорбционной ячейке. В данном случае измеряют интенсивность излучения, поглощенного парами ртути. Мышьяк из соединений, присутствующих в минерализате, восстанавливают до летучего производного мышьяка — арсина, после чего измеряют степень поглощения характеристического излучения парами арсина. Для реализации методов определения мышьяка и ртути разработаны специальные приставки к измерительному оборудованию, в которых в автоматическом режиме протекают процессы восстановления определяемых элементов до летучих соединений и их испарения.
Широко используются также полярографические методы определения токсичных элементов, в первую очередь из-за значительно более низкой стоимости оборудования по сравнению с оборудованием для атомно-абсорбционной спектрометрии. Полярографический метод основан на том, что различные металлы осаждаются из раствора на катоде при различных электрических потенциалах. Каждый металл имеет характеристический потенциал полуволны, который используется для идентификации. Высота волны является мерой концентрации определяемого элемента. Этот метод особенно удобен для одновременного определения нескольких тяжелых металлов, однако является более трудоемким, требует большой аккуратности при подготовке проб и выполнении анализа.
Спектрофотометрия находит широкое применение для анализа токсичных элементов, особенно в лабораториях, где не требуется проводить большое количество анализов по определению металлов, а затраты на приобретение атомно-абсорбционного спектрометра считаются неоправданными. Преимущества спектрофотометрических методов — простота, дешевизна, как правило, высокая чувствительность. К недостаткам следует отнести невысокую селективность определения в ряде случаев.
Полезные ссылки
