Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Химический состав зерна пшеницы и кукурузы и их питательная ценность 6.
1.1 Химический состав зерна и его питательная ценность 7
1.2 Определение микроэлементов эмиссионно-спектральным атомно абсорбционным и
кинетическим методами 21..
1.3 Методы контроля качества зерновых культур и их аналитические возможности 40.
ГЛАВА 2. Исходные растворы реагенты и применяемая аппаратура.
2.1 Объекты исследования 67
2.2. Исходные растворы и реагенты 68
2.3. Применяемая аппаратура 69
ГЛАВА 3 Химико-экологический мониторинг состояния почв на территории Республики Ингушетия 71.
3.1 Атомно-абсорционное определение Микроэлементов в почвах 72
ГЛАВА 4 Исследование содержания микроэлементов в зерновых культурах, произрастающих в республике Ингушетия
4.1 Эмиссионно-спекральный метод 76
4.2 Определение молибдена в зерновых культурах кинетическим методом 87
4.3 Подбор состава основы для изготовления эталонов 92
4.4 Влияние условий озоления зерна на результаты определения в нем микроэлементов 107
ГЛАВА 5. Определение белковых фракций, содержащихся в зерновых культурах и муке методом гель-проникающей хроматографии 113
ВЫВОДЫ 114
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 115
- Химический состав зерна и его питательная ценность
- Исходные растворы и реагенты
- Атомно-абсорционное определение Микроэлементов в почвах
Введение к работе
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Тенденция ухудшения экологической обстановки в
южных районах России под влиянием антропогенных факторов в последнее время имеет ярко выраженный характер. Содержание токсических веществ неорганического и органического происхождения в различных природных экосистемах превышает их предельно допустимые концентрации. Исключением не являются и почвы способные биоаккумулировать в себе различные формы тяжелых металлов.. Содержание тяжелых металлов в почвах определяет не только критерий их токсичности, но и критерий токсичности зерновых культур, произрастающих на них. Поэтому чрезвычайно важным для выяснения миграционного механизма тяжелых металлов в почвах, являющихся накопительным резервуаром загрязнителей, которые впоследствии поступают из него в зерновые культуры, разработка методов, позволяющих получить достоверную оценку о реальном загрязнении почв и произрастающих на них зерновых культурах.
В почвенном и растительном мониторинге в основном применяются химические и реже физико-химические методы, каждый из которых в отдельности не может достоверно оценить фактический уровень загрязнения почв и зерновых культур, произрастающих на них, определяющий экологическую их чистоту и показатели безопасности. Достоверность такой оценки может достигаться только за счет аналитических возможностей комплекса воспроизводимых методов, позволяющих определять микроконцентрации веществ- загрязнителей с высокой чувствительностью.
Цель работы. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темами « Комплексный экологический мониторинг объектов окружающей среды» и « Разработка методов аналитического контроля приоритетных загрязнителей в объектах окружающей среды», входящими в план научно-исследовательских работ кафедры неорганической и аналитической химии Московского государственного университета технологий и управления.
Цель работы состояла в разработке высокочувствительных и воспроизво-
димых методов анализа ингредиентного состава зерновых культур, произрастающих на территории Республики Ингушетия для оценки показателей их качества и безопасности.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Проведение критического анализа существующих методов контроля качества зерновых культур и их аналитических возможностей.
Оптимизировать условия пробоподготовки для анализа почвенных и растительных образцов..
Осуществление химико-экологического мониторинга почв Джей-рахского, Сунженского, Назрановского, Малгобекского районов Республики Ингушетия с целью оценки их реального экологического состояния и прогнозирования динамики его изменения под воздействием антропогенных факторов
Разработка высокочувствительных и воспроизводимых методов определения меди, марганца, алюминия, кобальта, железа, молибдена и белковых фракций, содержащихся в почвах, зернах кукурузы и пшеницы, муке.
Научная новизна работы. Впервые исследовано экологическое состояние почв на территории Джейрахского. Назрановского , Малгобекского. Сунженского районов Республики Ингушетия и получен банк аналитических данных, позволяющих оценить динамику загрязнения почв тяжелыми металлами.
Оптимизированы условия пробоподготовки для анализа почвенных и растительных образцов.
Изучены аналитические возможности атомно—абсорбционного и эмис-сионно-спектрального анализа для определения микроэлементов в почвах и зерновых культурах, произрастающих на них.
Установлены оптимальные условия определения молибдена кинетическим методом.
Разработан метод определения белковых фракций, содержащихся в зерновых культурах и муке методом гельпроникающей хроматографии.
Практическая ценность работы. Проведен химико-экологический мониторинг состояния почв на территориях Джейрахского, Сунженского, Назра-новского, Малгобекского районов Республики Ингушетия с применением атомно-абсорбционного метода анализа с беспламенной атомизацией.
Разработаны высокочувствительные и воспроизводимые методы определения микроэлементов в зернах кукурузы и пшеницы произрастающих на исследуемых территориях. Для определения в них меди, марганца, алюминия, кобальта и железа предложен эмиссионно-спектральный метод, а для молибдена -кинетический метод. Для определения белковых фракций, содержащихся в зерновых культурах и муке разработан метод гельпроникающей хроматографии
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, главы литературного обзора, четырех глав экспериментальной части, выводов, списка используемой литературы, включающего 169 наименований. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста и содержит 33 таблицы и 34 рисунков.
Апробация работы.. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно -практической конференции ИнгГУ (г.Магас 1999), на научно практической конференции ИнгГУ (г.Магас 2000-2002), на Международной научно-практической конференции (г.Казань 2005)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Химический состав зерна и его питательная ценность
Культивированные человеком злаки являются основным источником белка в пище человека и кормах сельскохозяйственных животных. Исследование белковых веществ злаков представляет особый интерес для биохимиков-технологов. Поскольку именно белковый состав является основополагающим фактором влияния на процесс переработки зерна в готовые пищевые продукты.
При рассмотрении общего химического состава зерна следует учесть, что он колеблется в широких пределах в зависимости от внешних и внутренних факторов. Большое внимание на процесс накопления белка оказывают почвен-но-климатические условия в широком смысле этого понятия , агротехника, количество осадков, выпадающих в период полива зерна. [I].
По величине и устойчивости урожая пшеница и кукуруза занимает первое место среди зерновых и выполняют роль страховой культуры. Зерно их широко используют как пищевой продукт для человека, как корм для животных и как важное сырье для промышленности. Из пшеницы и кукурузы готовят муку, крупу, различные алкогольные напитки, крахмал, получают сырье для приготовления суррогатов кофе. Кукурузный крахмал используют для приготовления декстрина, легкоусвояемого виноградного сахара и разнообразных сиропов.
Широко используется для пищевых и промышленных целей кукурузное масло, превосходящее по своим качествам многие другие растительные масла.
Пшеница и кукуруза относится к растениям, не дающим ни каких отходов, в них все может быть использовано. Даже после намачивания, зерно перед его переработкой в промышленности антибиотиков, дрожжевом и бродильном производстве, служит ценной средой для микроорганизмов. Продукты питания, приготовленные из кукурузы и пшеницы отличаются хорошей усвояемостью и высокими вкусовыми качествами. Установлено, что кукуруза, особенно масло, изготовленное из ее зародышей, обладает ценными лечебными свойствами. В кукурузном масле содержатся жирные непредельные кислоты, полностью усвояемые организмом человека. Эти кислоты помогают также лучшему усвоению углеводов, белков, жиров, улучшают обмен веществ. [2]
Велико агротехническое значение кукурузы. Как пропашная культура она способствует очищению полей от сорняков и тем самым значительному повышению урожайности других культур и в первую очередь озимой пшеницы, предшественником которой она нередко является. В районах с неблагоприятными условиями перезимовки озимых культур кулисные кукурузные ряды способствуют снегозадержанию, лучшей перезимовке озимых хлебов и повышению их урожайности. [3]
Зерна пшеницы и кукурузы являются хорошими источниками энергии, т.е. они обладают высокой питательной ценностью как при использовании их в качестве пищевого продукта, так и корма. Это обусловлено высокой усвояемостью всех питательных веществ, содержащихся в зерне.
В зерне пшеницы и кукурузы содержится почти все необходимые питательные вещества, основными из них являются углеводы, белки. На их долю приходится до 95% веса сухого вещества зерна. [4]. Содержание углеводов, белка и масла зависит от сортовых особенностей пшеницы и кукурузы, что, в конечном счете, определяет ее питательную ценность и характер использования.
Количество белка находится в тесной связи с морфологическими особенностями зерна. Стекловидный слой эндосперма этих злаков значительно богаче белком, чем мучнистый [5]. В зависимости от соотношения стекловидного и мучнистого слоя в эндосперме меняется и содержание белка.
Вызревшие семена для лопающейся и сахарной кукурузы характеризуются повышенным содержанием белка (14,3-17,8%), так как эндосперм их поч ти полностью состоит из стекловидного слоя.
У семян же кремнистой и зубовидной кукурузы толщина стекловидного слоя сконцентрированного по бокам эндосперма, незначительна, и поэтому содержание белка у них составляет соответственно 12,94; 12,33; 12.17;%
Зерно восковидной кукурузы по сравнению с зерном зубовидной содержит больше белка (на 0,5-1%), жира (на 0,5-0,7%) несколько больше водорастворимых и зольных веществ и на 2-3% меньше крахмала. [6]
У крахмалистой кукурузы мучнистый эндосперм зерна обычно мягкий. В нем почти полностью отсутствует стекловидный слой, и содержание белка у него самое низкое (11,38%).
Исследования показали, также, что наиболее высоким содержанием белка отличается так называемый субалейроновый слой эндосперма. Субалейроновый слой зерновки пшеницы состоит из одного ряда клеток прямоугольной формы, размерами 55x62 мкм2, тогда как прилегающие к нему клетки внутренних слоев эндосперма имею многогранную форму и большие размеры (60х120х200мкм3).
Субалейроновый слой зерновки пшеницы мучнистой консистенции по строению и составу отличается от внутренних, но он менее богат белком, чем аналогичный компонент стекловидной пшеницы . [7,1].
Исходные растворы и реагенты
Объектами исследования являлись почвы районов Республики Ингушетия и зерновые культуры, произрастающие на них. Почва , являясь частью литосферы, представляет собой один из консервативных компонентов окружающей среды в отношении миграции загрязняющих веществ. Поверхностный слой почвы является одним из природных планшетов, в котором в результате выпадений накапливаются выбрасываемые в атмосферу вредные вещества. При интенсивном антропогенном воздействии в частности, на территориях с развитой промышленностью и транспортом формируются зоны с повышенным содержанием загрязняющих веществ в почвах. Обследование загрязнения почв позволяет оценить уровни содержания в них вредных веществ и установить зоны техногенного загрязнения.
Степень загрязнения почвенного покрова микроэлементами, с одной стороны характеризует интенсивность антропогенной нагрузки на территорию и может указывать на неблагополучие экологической обстановки на различных участках. С другой стороны, для ряда микроэлементов содержание их в почве является нормируемой величиной и в определенной мере характеризует степень опасности загрязнения, если оно имеет место. Поэтому для оценки фактического загрязнения почв микроэлементами на территории Республики Ингушетия под воздействием природных и антропогенных факторов для нас важным представилось проведение химико-экологического мониторинга в четырех крупных районах республики Ингушетия (Сунженского, Малгобекского, Назрановского и Джейрахско-го). Работы по обследованию загрязнения микроэлементами почвенного покрова на территории республики выполнялись в соответствии с требованиями и методическими рекомендациями принятыми в системе Росгидромета. [144-146]. Пробы почвы отбирались на всей территории Республики Ингушетия по равномерной квадратной сетки. Расстояние между точками отбора проб составляло 1.4 км, что соответствует одной ото-бранной пробе на 2 км . Проба почвы для каждой точки представляла собой объединенную пробу из 5 единичных проб, отобранных по схеме «конверт» со стороной квадрата 50 м., как правило, на задернованных участках с ненарушенным (по визуальным оценкам) слоем почвы. Отклонения от этого требования допускались в единичных случаях при отсутствии в конкретной точке ненарушенного почвенного покрова.[147] Отобранные на исследованной территории пробы почв представлены, главным образом, черноземами преобладающими в Республике Ингушетия в частности в Назрановском районе, подзолистые и лесные почвы, встречаются в Джейрахском районе, песчаные почвы в Сунженском районе. В значительной части проб были почвы смешанных типов в частности в Малгобекском районе.
В пробах почвы определялась кислотно-растворимая форма микроэлементов, которая в значительной мере определяет антропогенную составляющую загрязнения. Пробы почвы тщательно перемешивали освобождали от инородных включений, и высушивали на воздухе до воздушно-сухого состояния или сушильном шкафу при температуре 40-50С. Образец растирали в фарфоровой ступке и просеивали через почвенное сито 0,5 мм. Из образца почвы отбирали средние пробы. Для анализа на микроэлементы 50 г почвы помещали в полиэтиленовые заполненные пакеты. Средние пробы перед анализом дополнительно измельчали до размера 0.1 мм. Извлечение микроэлементов из воздушно-сухих проб почвы осуществлялось с применением разбавленной азотной кислоты (1:1). 5 г воздушно - сухой пробы почвы помещали в кварцевую чашку, заливали 50 мл концентрированной азотной кислотой, осторожно упаривали до объема приблизительно 10 мл, добавляли 2 мл 1Н раствора азотной кислоты. Затем пробу охлаждали и отфильтровывали. Фильтрат разбавляли бидистиллированной водой в мерной колбе вместимостью 50 мл.
Атомно-абсорционное определение Микроэлементов в почвах
Уже во введении мы указывали, что по ряду признаков одним из наиболее многообещающих аналитических методов для определения очень малых концентраций микроэлементов является кинетический.
Учитывая, что существенное влияние на точность получаемых данных оказывает точность измерения времени, строго устанавливали начало отчета времени, приурочивая его к началу протекания химической реакции, т.е. к моменту смешивания всех реагентов.
Оптическую плотность раствора измеряли на фотоэлектроколориметре марки «ZAL» с синим светофильтром (Араб= 470 нм).
Для наблюдения за измерением скорости реакции во времени использовали оптический метод контроля, так как в процессе реакции появляются окрашенные продукты.
Скорость реакции определяли методом фиксированного времени, известным из теории кинетических методов анализа.
При спектральном определении микроэлементов в зерне кукурузы, в основном, используется сухое о золение- наиболее распространенное и простое. К его недостаткам относят: а) частичные потери при температуре выше 450 С некоторых микроэлементов ; б) щелочные и щелочноземельные элементы образуют при прокаливании трудно растворимые соли кислородных кислот переходных элементов, которые могут удерживать медь, марганец, молибден, кобальт, железо и другие элементы; в) о золение в фарфоровой ( или кварцевой) посуде, вызывает их разъедание, что может привести к загрязнению пробы.
Основные потери - вследствие улетучивания, можно исключить применяя мокрое озоление. В результате проведенных исследований, нами был предложен для определения Мо в зерне кукурузы метод мокрого озоления зерна. При мокром озолении необходимо особо строго следить за чистотой реактивов, посуды, применять кварцевое стекло.
Навеску зерна размалывали, брали от нее 1 г и сжигали на газовой горелке в кварцевой чашке с 20 мл конц. НС1. Затем добавляли 25 мл конц. HNO3. Упаривали раствор приблизительно до 5 мл. Полученный раствор фильтровали через беззольный фильтр в мерную колбу на 100 мл, доводили рН раствором NaOH до 5 по универсальной бумаге и добавляли бидистиллированную воду до метки.
После озоления зерна проводили определение содержания молибдена в зерне кукурузы. При этом в отростки кварцевого смесителя помещали: в первый - 1 мл 1% раствора гидрохинона; во второй - 1мл 0.01% раствора оксала-та калия; в третий - 1 мл насыщенного раствора иодата калия 1 мл исследуемого раствора 6 мл воды доведенной до рН=4.0 0.1N раствором НС1 на ЛПУ -01. Растворы термостатировали в сосуде - смесителе в течение 15-20 минут при температуре 20С. в момент смешивания растворов включали секундомер. Через 10 минут после смешивания измеряли оптическую плотность раствора на фотоэлектроколориметре марки ZAL с синим светофильтром (Хоф= 470 нм). Затем строили калибровочный график по методу фиксированного времени в координатах: оптическая плотность на десятой минуте - концентрация молибдена. Найденное содержание молибдена в пробах пересчитывали на абсолютно сухое вещество. Содержание молибдена в зерне кукурузы. Полученное кинетическим методом. Было проверена двумя другими методами -химическим и спектральным
