Количественное определение нитратов в продуктах растительного происхождения

Одной из важных проблем экологии является охрана агроэкосистем от негативного воздействия научно-технического прогресса: интенсификации и химизации сельского хозяйства, химического загрязнения окружающей среды, которое вызывает накопление в продуктах растениеводства и животноводства различных токсических веществ, особенно нитратов и нитритов. Наряду с поступлением азота в виде азотных удобрений, примерно такое же количество азота поступает в биосферу в виде окислов от сжигания топлива и с выбросами промышленных предприятий. Вклад нитросоединений антропогенного и техногенного происхождения в общем круговороте азота устойчиво возрастает, что обусловливает увеличение нитрат-нитритной нагрузки на человека.

Известно, что поступление нитратов в больших количествах может вызвать различные нарушения функционального состояния организма — метгемоглобинемию, тканевую гипоксию, установлена также их способность к иммунодепрессивному действию.

Таким образом, разработка мероприятий, направленных на ограничение поступления нитратов в организм человека путем регулирования и качественного контроля по содержанию нитратов в пищевых продуктах, является актуальным и перспективным.

Целью настоящих исследований явилась оценка содержания нитратов в пищевых продуктах растительного происхождения.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

* изучить литературу по данным вопросам;

* провести сравнительный анализ содержания нитратов в пищевых продуктах, приобретенных в супермаркетах города и выращенных на приусадебном участке;

* выявить способы снижения количества нитратов в пищевых продуктах.

Научная новизна и теоретическая значимость данной работы заключается в том, что ранее подобные исследования на территории Симферополя и Симферопольского района не проводились; нами были показаны методы снижения содержания нитратов в сельскохозяйственных овощных культурах.

1. Определение содержания нитратов в растениях

1.1 Превращение соединений азота в почве и растениях

Азот — важнейший элемент питания, необходимый для нормального развития растений. Он входит в состав белков (до 16−18% их массы), нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина, алкалоидов. Соединения азота играют большую роль в процессах фотосинтеза, обмена веществ, образования новых клеток. В формировании почвенного покрова и плодородия экосистем, в повышении продуктивности земледелия и улучшении белкового питания человека азот столь же незаменим, как углерод.

Для растений азот — дефицитный элемент. Если некоторые микроорганизмы способны усваивать атмосферный азот, то растения могут использовать лишь азот минеральный, а животные — только азот органического происхождения. Например, мочевина животным организмом непосредственно не усваивается.

При недостатке азота в среде обитания тормозится рост растений, ослабляется образование боковых побегов и кущение у злаков, наблюдается мелколистность. Одновременно уменьшается ветвление корней, но соотношение массы корней и надземной части может увеличиваться.

Растения для своего развития нуждаются в значительных количествах азота. Запасы азота в почве могут пополняться разными путями. При возделывании сельскохозяйственных культур много внимания уделяют внесению минеральных удобрений. В естественных же условиях основная роль принадлежит специализированным группам микроорганизмов-азотфиксаторов, а также почвенных бактерий, способных минерализовать и переводить азот в доступную для растений форму.

Большинство растений, за исключением бобовых культур, поглощают азот только в виде ионов NH4 и NO3. Рассматриваем пути и формы поступления азота в почву: минеральные удобрения представляют собой соединения, содержащие NH4 и NO3, а в органических удобрениях азот включен в белковые соединения. В такой форме азот не может усваиваться растениями и должен предварительно минерализоваться. Под минерализацией понимают процесс превращения органических соединений азота в неорганические. В общем виде этот процесс можно представить следующей схемой: белки > аминокислоты > аммиак > нитриты > нитраты > молекулярный азот.

Если для облегчения понимания принять, что в органических соединениях азот находится только в составе аминогрупп — NH2, то схема его превращения будет выглядеть следующим образом:? NH2 > NH3 > NO2 > NO3> N2.

Рассмотрим подробно каждый этап минерализации.

Первая стадия распада органических азотсодержащих веществ до аммиака называется аммонификацией. Она протекает под действием почвенных микроорганизмов (амммонифицирующие бактерии), которые выделяют необходимые протеолитические ферменты. Таким образом, аммонификацию можно отнести к каталитическим процессам. Для объяснения химической сущности этого процесса необходимо написать уравнение реакции гидролиза белка (любой дипептид); превращения аминокислоты в аммиак (схематично): взаимодействия аммиака с углекислотой почвенного раствора:

2 NН3 + Н2СО3 = (NH4) 3СО3.

Вторая стадия — нитрификация - окисление аммиака до NO3, происходящее под действием нитрифицирующих бактерий:

2 NН3 + 3О2 = 2 Н2О + 2 НNO2;

2 НNO+ О2 = 2 НNO3.

При этом важно отметить, что в почвенном растворе постоя присутствуют катионы, которые образуют соли с нитрит — и нитратанионами.

Параллельно с аммонификацией и нитрификацией в почве протекает и процесс денитрификации — восстановление нитрат — ионов под действием денитрифицирующих бактерий до молекулярного азота по схеме:

Ca (NO3) 2 >Ca (HCO3) 2+CO2+H 2O+N2.

Таким образом, очевидно, что аммонификация и нитрификация способствуют накоплению в почве доступного для растений азота и повышению урожайности сельскохозяйственных культур; а денитрификация оказывает противоположное, негативное действие.

1.2 Содержание нитратов в продукции растениеводства

Нерациональное применение удобрений, как и несоблюдение других агротехнических требований, обуславливает увеличение остаточного содержания нитратов в растениях. В сочетании с нитратами питьевой воды это увеличивает нагрузку загрязнителя на население. Кроме того, нитраты широко используются в различных отраслях промышленности (пищевой, химической, текстильной, резиновой, металлургической) и фармакологии. Нитросоединения, поступая в организм человека с пищей, водой, вдыхаемым воздухом и лекарствами могут вызывать серьезные отравления.

Одним из главных опасных явлений при отравлении нитратами является образование метгемоглобина в крови. Это вызвано тем, что нитраты, попадая в пищеварительную систему человека и восстанавливаясь до нитритов, взаимодействуют с гемоглобином крови, окисляя в нем двухвалентное железо в трехвалентное. В результате чего образуется метгемоглобин, не способный переносить кислород. Вследствие этого нарушается нормальное дыхание клеток и тканей организма, от чего накапливается молочная кислота, холестерин, резко падает количество белка в организме. Нитраты способствуют развитию патогенной кишечной микрофлоры, выделяющей токсины и приводящей к интоксикации организма.

Другая серьёзная опасность — способность нитрит-иона участвовать в реакции нитрозирования аминов и амидов, в результате чего образуются канцерогенные нитрозосоединения.

При остром отравлении нитратами у человека возникает метгемоглобиния различной степени тяжести (вплоть до летального исхода); при хроническом отравлении — рак желудка, нарушение работы нервной и сердечно-сосудистой систем. Чувствительность к нитратам повышают факторы кислородного голодания: высокогорье, повышенная концентрация угарного газа, присутствие окислов азота, алкоголь.

Ключевым ферментом, определяющим ассимиляцию нитратов, является нитратредуктаза. Для растений существует реальная опасность аммиачного отравления, приводящего к хлорозу листьев, подвяданию, угнетению роста и гибели. При усилении нитратного питания активность нитратредуктазы растет до определенного предела и часть нитратов остается невосстановленной, что предохраняет растения от накопления токсичных промежуточных продуктов ассимиляции.

Образование нитратов может быть также связано с окислением избыточного количества аммония в растении, что не только предотвращает нарушение обмена веществ, но и позволяет сохранить азот в минеральной форме для дальнейшего использования в процессах ассимиляции.

Нитраты накапливаются в различных органах растений, а так же в разных концентрациях. К примеру, у злаков отсутствуют в зерновке и сосредоточены, в основном, в листьях и стеблях. Зеленые культуры накапливают большое количество нитратов в стеблях и черешках листьев.

Одной из причин видовых и сортовых различий в накоплении нитратов является физиологическая спелость растения к моменту уборки. Количество нитратов особенно велико, когда период товарной зрелости наступает раньше физиологического созревания.

Причиной накопления нитратов в растениях служат также условия минерального питания, отличающиеся большим разнообразием. Здесь огромная роль принадлежит правильному выбору доз азотных удобрений.

В случае несбалансированного питания растений нитраты также накапливаются в различных органах и тканях, так как при этом нарушается нормальный ход ассимиляции азота. Недостаток фосфора косвенно способствует накоплению нитратов потому, что он стимулирует активность нитратредуктазы. Калий, участвуя в процессах углеводного обмена, влияет на синтез белков. В зависимости от доз, условий и содержания прочих элементов калий и фосфор могут стимулировать накапливание нитратов или наоборот подавлять.

Среди факторов внешней среды на содержание нитратов в растении сильное влияние оказывает влажность, свет, температура воздуха и почвы. Интенсивное увлажнение усиливает поглощение нитратов, что в сочетании с пониженными температурами ведет к накоплению нитратов. С другой стороны, высокий уровень нитратов в растении в засушливый период можно снизить поливами, так как они стимулируют рост и способствуют вымыванию нитратов из почвы.

Во многих странах мира были разработаны предельно допустимые концентрации (ПДК) нитратов в сельскохозяйственной продукции (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Предельно допустимые концентрации нитратов в сельскохозяйственной продукции

1.3 Современные методы анализа овощей на содержание нитратов

нитрат овощ растениеводство уменьшение В промышленных условиях определение нитратов производится с помощью экспресс анализов на специальных приборах, а так же ионометрическим и фотометрическим методом. Последний основан на экстракции нитратов из продукта, восстановлению их до нитритов на кадмиевой колонке с последующим фотометрированием раствора азотсоединения. Данный метод требует сложного технического обеспечения (колориметр фотоэлектрический, спектрофотометр, иономер и пр.).

Сущность ионометрического метода заключается в извлечении нитратов раствором алюмокалиевых квасцов с массовой долей 1% или растворомсернокислого калия и последующем определении нитратов в вытяжке с помощью ионоселективного электрода.

Определить содержание нитратов в продуктах можно с помощью индикаторной бумаги. Конечно, ее точность невысока, но необходимые сведения индикаторы дают.

Есть еще один способ. Овощи с очень большим содержанием нитратов имеют, как правило, неестественный вкус. Их неприятно жевать и глотать. Дегустаторы различают тончайшие вкусовые оттенки даже тогда, когда лабораторными исследованиями не удается уловить разницу.

Наиболее простым и эффективным, не требующим сложного материального и технического обеспечения методом определения нитратов является реакция с дифениламином, который в присутствии NO3 аниона образует синюю анилиновую окраску. По интенсивности посинения можно судить об относительном содержании нитратов в исследуемом объекте.

2. Материалы и методы исследования

Экспериментальная часть работы проводилась на базе кафедры ботаники и физиологии растений и биотехнологии Таврического национального университета имени В. И. Вернадского в период с августа по сентябрь 2011 года.

2.1 Объекты исследования

Материалом для проведения исследований служили овощи, выращенные на приусадебном участке и приобретенные в супермаркетах города (морковь, картофель, лук, капуста, свекла) (рис. 2.1).

В экспериментальной части работы использовали общепринятые в физиологии растений методы исследований и статистическую обработку полученных данных.

Рис. 2.1.

2.2 Методы исследования

Материалы и оборудование: 1) 2% раствор дифениламина в концентрированной серной кислоте в капельнице (хранить в темноте, капельницу поставить на крышку чашки Петри, чтобы предотвратить попадание на стол капель этой едкой жидкости); 2) ножницы; 3) фарфоровые ступки с пестиками; 4) стеклянная палочка; 5) стакан с дистиллированной водой; 6) фильтровальная бумага.

Ход работы.

Помещаем в фарфоровую ступку фрагмент исследуемого объекта, измельчаем его при помощи стеклянной палочки или пестика. Поместить содержимое ступки на предметное стекло, прилить 4−5 капель дифениламина из капельницы (Рис. 2.2).

Рис. 2.2.

Согласно методике наблюдали появление синей анилиновой окраски (рис. 2.3).

Рис. 2.3.

Интенсивность окрашивания исследуемой ткани сравниваем с цветной шкалой и таблицей (табл. 2.2) и определяем концентрацию нитрат-ионов. Результаты вносим в таблицу (табл. 3.1).

Таблица 2.2. Относительное содержание нитратов (в баллах)

3. Результаты и их обсуждение

3.1 Определение нитратов в овощах

В ходе проведенных исследований нами было установлено, что количественное содержание нитратов в продукции растениеводства превышают предельно допустимые нормы (Табл.1.1).

Таблица 3.1. Относительное содержание нитратов в исследуемых растениях

Исходя из результатов, представленных в таблице, можно судить о том, что максимальная концентрация нитрат-ионов сосредоточена в свекле и моркови, приобретенной в супермаркете. Овощи, выращенные на приусадебном участке содержат незначительное количество нитратов, не превышает предельно допустимые нормы.

Экспериментальные данные показывают, что содержание нитратов в разных частях исследуемых растений различно. Так, в кожице огурца и свеклы нитратов содержится больше, чем в сердцевине. У моркови нитраты локализованы в срединной части корнеплода.

3.2 Практические советы по уменьшению содержания нитратов в пищевых продуктах

1. Тщательное промывание овощей и фруктов уменьшает содержание нитратов на 10%, а механическая очистка на 15 — 20%.

2. Зелень (петрушка, укроп, салат и др.) необходимо поставить, как букет в воду на прямой солнечный свет. В таких условиях нитраты в листьях в течение 2−3 ч полностью перерабатываются и потом практически не обнаруживаются. После этого зелень можно без опасения употреблять в пищу.

3. Свеклу, кабачки, капусту. Тыкву и другие овощи перед приготовлением необходимо нарезать мелкими кубиками и 2 -3 раза залить водой, выдерживая по 5 -10 мин. (Нитраты хорошо растворимы в воде (особенно теплой) и вымываются из овощей).

4. Варка овощей снижает содержание нитратов на 50 -8-%.

5. Квашение, соление, консервирование и маринование способствуют снижению нитратов на 60 -70%.

6. Нейтрализовать поступившие в организм нитраты могут ягоды черной и красной смородины, зеленый чай, а также аскорбиновая кислота (по 0,3 -0,4 г в сутки).

7. У огурцов, свеклы, редьки следует срезать оба конца.

8. Хранить овощи нужно в холодильнике.

Рекомендации по предотвращению отравления нитратами:

1) варка овощей;

2) очистка от кожуры;

3) удаление участков наибольшего скопления нитратов;

4) вымачивание.

1. Растениевод должен грамотно вносить азотные удобрения:

а) в строго рассчитанных дозах и в оптимальные сроки;

б) под овощи доза вносимого азота не должна превышать 20 г./мІ.

Известкование кислых почв способствует снижению в них нитратов в течение четырех последующих лет.

2. Выращивать овощи, особенно зеленые культуры, надо при хорошей освещенности, оптимальных показателях влажности почвы и температуры.

3. Минеральные удобрения лучше вносить вместе с органическими в оптимальных соотношениях, не забывая и о микроэлементах.

4. Отрицательные воздействия на природу обусловлены не самими удобрениями, а неумелым их применением.

Выводы

1. Проведен анализ литературных данных по вопросам превращения азотистых соединений в почве и растениях, а так же их накоплении в продукции растениеводства.

2. Проведен сравнительный анализ количественного содержания нитратов в пищевых продуктах, приобретенных в супермаркетах города и выращенных на приусадебном участке. Показано превышение предельно допустимых концентраций нитратов в овощах, приобретенных в супермаркетах в 1,5−2 раза.

3. Предложены методы уменьшения содержания нитратов в пищевых продуктах.

1. Полевой В. В. Физиология растений — М.: Высшая школа, 1989. — 464 с.

2. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений /Н.Н. Третьяков, Е. И. Кошкин, Н. М. Макрушин и др.; под ред. Н. Н. Третьякова. — М.: Колос, 2000

3. Айвазян, JI.K. Морфологические исследования в токсико-гигиенической оценке нитратов / JI. K // Гигиена и санитария. 1986. — № 11.-С. 72−73.

4. Большая Советская Энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1973. — Т. 13. — С. 105−112.

5. Габович, Д. Принципы гигиенических основ охраны продуктов питания от вредных химических веществ / Д. Габович, Л. С. Припутина Киев: Здоров’я. — 1997.

6. Жукова, Г. Ф. Методы определения нитратов и нитритов в пищевых продуктах: обзорная информация / Г. Ф. Жукова М.: ВНИИТЭИ Агропром, 1989. — 34 с.

7. Кушаковский, М. С. Клинические формы повреждения гемоглобина / М. С. Кушаковский JL: Медицина, 1968. — 325 с.

8. Митченков, В. Т. Минеральные удобрения и качество растительных сельскохозяйственных продуктов / В. Т. Митченков // Вопросы питания. № 6. — 1991. — С. 38−41.