Загрязнение пищевых продуктов тяжелыми металлами

Металлами являются 80 из 104 элементов, представленных в настоящее время в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Еще 17 относятся к неметаллам, остальные — небольшая промежуточная группа — металлоиды. Физические и химические свойства металлов и неметаллов приведены в табл. 13.

Свойства металлов и неметаллов Таблица 13.

Основные различия химических свойств металлов и неметаллов заключаются в том, что электроны неметаллов легко заполняют валентные уровни, образуя общие электронные пары или принимая электроны других атомов. С ростом числа валентных электронов свойства металлов ослабевают, а неметаллов — усиливаются. Свойства металлов усиливаются также с увеличением количества электронных уровней. Таким образом, свойства элементов периодической системы изменяются с увеличением количества валентных электронов слева направо по рядам и с ростом числа электронных уровней сверху вниз по группам.

Следовательно, четкой границы между металлами и неметаллами не существует. Элементы, находящиеся на границе, обладают амфотерными свойствами. Элементы этой промежуточной группы — металлоиды (бор, кремний, германий, мышьяк, селен, сурьма и теллур).

В тканях человеческого организма присутствует большинство металлов в различных количествах. Это неудивительно, так как в нашей пище содержатся самые разнообразные металлы, что обусловлено их наличием в окружающей среде.

В почве, где выращиваются растения, содержатся металлы различного происхождения, они попадают из почвообразующих горных пород, а также из удобрений, сточных вод и других веществ, вносимых в почву в процессе сельскохозяйственной деятельности. Металлы вносятся и с обломками горных пород, промышленными отходами, с пылью и дымом от сгорания топлива и другими видами атмосферных загрязнений. Вода также может быть источником загрязнения почвы. Количество металлов в почве зависит от ее вида, степени минерализации и других факторов.

Распределение металлов в атмосфере чаще отражает промышленную деятельность людей, ч€:м геологическую структуру, хотя в некоторых случаях, например, близость к морю, приводит к повышению содержания натрия в воздухе.

В Великобритании было изучено содержание тридцати микроэлементов в атмосфере. Выяснилось, что даже отдаленные промышленные районы влияют на содержание металлов в воздухе сельских местностей. Например, в воздухе промышленного Ноттингемшира содержится 380 мг/кг свинца, а у сельского озера Виндермер — 139 мг/кг свинца, 0,09 и 415 мг/кг соответственно ртути и цинка содержится в Ноттингеме и 0,13 и 132 мг/кг — у озера Виндермер.

Результаты исследований показали, что в Японии и США концентрация многих металлов более чем в 10 раз превышает их концентрацию в Англии. Однако атмосфера в Виндермере, в свою очередь, по уровню содержания различных металлов превосходит сельские районы Канады.

Концентрация металлов в воде может быть обусловлена как наличием промышленных предприятий, так и составом горной породы и почвы местности. Содержание металлов в воде может возрастать в результате контакта с трубами.

Содержание металлов в пищевых продуктах животного и растительного происхождения зависит от многих факторов: условий обитания и произрастания, их приготовления и обработки. В пищевых продуктах одного происхождения вариации содержания металлов могут быть значительными. Например, в гидробионтах количество цинка может изменяться от 5 мг/кг до 1000 мг/кг, а никеля в мясе может быть от 0 до 4,5 мг/кг.

Содержание металлов может быть различным в отдельных частях одного и того же продукта. Например, пшеничный зародыш содержит 7,4 мг/кг меди, а эндосперм — менее 2 мг/кг. Уровень цинка в желтке яйца может достигать 35,5 мг/кг, а в белке — только 0,3 мг/кг. Подобные различия могут быть обусловлены способом обработки продукта. Так, нешлифованный рис содержит 0,16 мг/кг хрома, а шлифованный — только 0,04 мг/кг. При помоле пшеницы содержание железа уменьшается почти на 76%, марганца — на 86 и кобальта — на 89%.

Технологическая обработка может привести к существенным изменениям содержания металлов в пищевых продуктах. Например, способ обезвоживания молока и детских смесей влияет на содержание железа. В молоке его содержание варьирует от 0,66 до 1,88 мг/кг, в смесях — от 0,82 до 19,01 мг/кг. Пределы содержания других металлов не так велики, но все же существенны.

Поскольку окружающая среда, воздух, вода, пища, содержат большое разнообразие металлов, то не удивительно, что все эти металлы в различных концентрациях попадают в организм человека. Большая часть металлов поступает с пищей. Однако не все металлы остаются в организме. Одна часть выделяется с калом, мочой и потом, а другая часть концентрируется в волосах и коже.

Количество металла, адсорбированного человеческим организмом из пищи, зависит от общего состояния здоровья, генетической природы, содержания витаминов в пищевых продуктах и частично от выбора диеты. Не учитывая широкие колебания концентраций металлов, можно проанализировать данные по среднему поступлению металлов с пищей в человеческий организм и их выведению (табл. 14).

В организме металлы распределяются неравномерно. Одни аккумулируются только в определенных тканях и органах, другие — сразу в нескольких частях организма. Например, в организме человека массой 55 кг кадмий аккумулируется преимущественно в почках (12 мг) и меньше в крови (0,76 мг); свинца в почках будет содержаться 0,12 мг, а в крови — 1,3 мг. Хром концентрируется преимущественно в мышцах (2,4 мг), а в почках едва достигает 0,019 мг.

Из металлов, содержащихся в человеческом организме, лишь некоторые необходимы для нормальной жизнедеятельности. Отсутствие этих металлов приводит к появлению характерных патологических симптомов. Необходимые для человеческого организма металлы можно разделить по их количественному содержанию на два класса (табл. 15). Калий, магний, кальций и натрий относят к макроэлементам, остальные — к микроэлементам.

Среднее потребление и выделение металлов Таблица 14.

Классификация металлов, содержащихся в организме Таблица 15.

В последнее время точка зрения на состав второй группы микроэлементов изменилась. Двадцать лет назад только 5 или 6 микроэлементов рассматривались как жизненно необходимые. Но после разработки современных методов анализа, проведения исследований стало известно, что значительно большее количество металлов является жизненно необходимыми.

Недостаток макроэлементов ведет к нарушению обмена веществ, однако доказать необходимость микроэлементов не так просто. Нельзя исключать определенные металлы из пищи человека, чтобы экспериментально установить, к каким последствиям это приведет. Подопытные животные, над которыми проводят эксперименты с пищевыми веществами, очень чувствительны к содержанию макрои микроэлементов в пище. Поэтому очень трудно получить очищенную и сбалансированную пищу с достаточным, но довольно низким содержанием металла, что позволило бы исследовать его роль.

Окружающая среда, металлические клетки, в которых содержат опытных животных, и неизбежные следы микроэлементов в реактивах аналитической степени чистоты приводят к загрязнению пищи в количестве, удовлетворяющем суточную потребность животного в этом металле.

Таким образом, процесс установления того факта, является ли металл действительно необходимым макрои микроэлементом, может быть очень длительным, а иногда эта проблема становится неразрешимой Поэтому классификация металлов, приведенная в табл. 15, не является общепринятой. Вероятно, некоторые перевели бы никель и олово в третью группу, а ванадий — во вторую.

Кроме жизненно необходимых, есть металлы, которые присутствуют в небольших количествах в живой ткани. Вероятно, некоторые из них участвуют в жизнедеятельности организма, однако их отсутствие не вызывает видимых симптомов болезни. Некоторые диетологи называют их «благотворными элементами». Возможно, что необходимость этих металлов для организма будет доказана, однако может оказаться, что потребность в них настолько мала, что их количество очень трудно определить.

Макрои микроэлементы в организме выполняют три основные функции:

• — входят в состав костей и зубов;
• — в виде растворимых солей участвуют в регулировании состава жидкостей и клеток организма;
• — являются кофакторами многих ферментов и входят в состав функциональных белков.

Макроэлементы необходимы при выполнении первых двух функции, а микроэлементы в основном выполняют третью функцию.

Некоторые белки являются биологическими катализаторами и обладают каталитическими свойствами сами по себе. Большинство становятся таковыми в присутствии небелковых компонентов. Если небелковый компонент отделяется, то он называется коферментом.

Кофермент может представлять собой органическую молекулу, в состав которой входит микроэлемент, или она может состоять из одного микроэлемента. В последнем случае, если металл способен отделяться от белковой части, он называется активатором.

Например, железо и медь содержатся в коферментах многих ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. В других ферментах внутриклеточного окисления коферментом является молибден. Цинк и марганец функционируют как активаторы некоторых ферментов. Большинство микроэлементов имеет аналогичную функцию, поэтому их часто называют металлоферментами.

Неорганические микроэлементы найдены также и в других соединениях организма, в том числе гормонах и витаминах. Так, цинк входит в состав инсулина. Гемоглобин, участвующий в транспорте кислорода в крови, содержит железо. Атомы кобальта образуют молекулы кобаламина (витамина В12).

Не всегда возможно установить различие между жизненно необходимыми и токсичными металлами. Воз металлы могут проявить токсичность, если они потребляются в избыточном количестве. Действительно, иногда грань между токсичностью и нетоксичностью очень мала, как, например, для селена. Кроме того, трудно рассматривать токсичность металла, взятого отдельно.

Обычно металлы в организме взаимодействуют между собой. Например, физиологическое воздействие кадмия на организм, в том числе его токсичность, зависит от количества присутствующего цинка, а функции железа в клетках определяются присутствием меди, кобальта и в некоторой степени молибдена и цинка. Поскольку известны и другие подобные взаимодействия металлов в организме, следует осторожно подходить к вопросу о токсичности того или иного микроэлемента. Тем не менее можно отличить жизненно необходимые элементы от тех, которые проявляют сильно выраженные токсикологические свойства при самых низких концентрациях и не выполняют какой-либо полезной функции.

К токсичным элементам относятся ртуть, кадмий и свинец. Это наиболее часто встречающиеся в пищевых продуктах токсичные металлы. Другие металлы, особенно радиоактивные, такие, как искусственный плутоний, также не выполняют полезной функции в человеческом организме и являются чрезвычайно опасными даже при низких концентрациях.

Токсичные металлы не являются жизненно необходимыми и благотворными, но способны даже в малых дозах приводить к нарушению нормальных метаболических функций организма, не всегда объяснимому. Патологические последствия и опасная доза ионно-металлического отравления трудно определимы, изменчивы и зависят от многих факторов, особенно от таких, которые могут влиять на уровень потребления металла и регулировать вызываемый металлом метаболизм.

Изготовители и поставщики пищевых продуктов должны учитывать, чтобы в продуктах отсутствовали токсичные металлы, а жизненно необходимые — были в безопасных количествах. Кроме того, они должны гарантировать, что пищевые продукты полностью соответствуют требованиям нормативных документов, следить за тем, чтобы в продуктах не содержались металлы, которые вызывают прогоркание или другие дефекты. Поскольку следы металлов могут влиять на цвет, консистенцию и качество продуктов, следует учесть возможность случайного загрязнения металлами из непищевых источников, например упаковки.

Под действием микроэлементов во время приготовления пищевых продуктов происходит изменение цвета. Даже при концентрациях в несколько миллиграмм на килограмм образуются комплексы между ионами металлов и растительными пигментами, вызывая изменения цвета, что не всегда желательно.

Например, по традиции зеленые овощи готовили в медной посуде, при этом пища имела ярко-зеленый цвет. Однако вишня от меди темнеет и даже чернеет. Потемнение пищевых продуктов может быть вызвано присутствием в них железа, олова и алюминия. Например, железо реагирует с антоцианами некоторых фруктов, придавая им черный цвет.

Следствием загрязнения микроэлементами может быть прогоркание жиров. Следы меди, железа и некоторых других металлов действуют как катализаторы в реакции окисления ненасыщенных связей в липидах, что вызывает резкое ухудшение качества масел, используемых при приготовлении пищи и самих пищевых продуктов, если они содержат жиры.