Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы стр. 12
1.1. Роль токсичных элементов и микотоксинов в формировании загрязнений объектов среды обитания и пищевых продуктов стр. 12
1.1.1. Токсичные элементы как важнейшие загрязнители среды обитания стр. 13
1.1.2. Микотоксины - одни из существенных загрязнителей пищевых продуктов и продовольственного сырья стр.26
1.2. Анализ применения методов контроля санитарно-гигиеническими лабораториями госсанэпидслужбы стр.31
Глава 2. Методы, объекты и объемы исследований стр.40
Глава 3 Результаты собственных исследований стр. 45
3.1 Особенности методических подходов к определению токсичных элементов в пищевых продуктах стр. 45
3.2. Разработка способов автоклавной пробо-подготовки для определения токсичных элементов в пищевых продуктах стр.55
3.3. Разработка метода электротермальной атомной абсорбции при определении свинца, кадмия, цинка, меди в пищевых продуктах стр.65
3.4. Особенности методических подходов к определению микотоксинов в продуктах питания стр. 87
3.5. Совершенствование методических аспектов твердофазной экстракции микотоксинов из пищевых продуктов стр.95
Глава 4 Обоснование методических принципов и критериальных показателей межлабораторных сравнительных испытаний стр. 108
Глава 5 Предложения по оптимизации лабораторного контроля в системе Госсанэпиднадзора стр. 144
Заключение стр. 148
Выводы стр. 151
Список литературы стр. 153
Приложения стр. 165
- Токсичные элементы как важнейшие загрязнители среды обитания
- Особенности методических подходов к определению токсичных элементов в пищевых продуктах
- Совершенствование методических аспектов твердофазной экстракции микотоксинов из пищевых продуктов
- Предложения по оптимизации лабораторного контроля в системе Госсанэпиднадзора
Токсичные элементы как важнейшие загрязнители среды обитания
Распространенность химических элементов в природе достаточно хорошо изучена. Исследования химического состава земной коры, почвы, морской воды, растений, животных, человека показали, что в живых организмах, в том числе и у человека, можно обнаружить почти все те же элементы, которые находятся в земной коре и морской воде, подтверждая предположение о сходстве химического состава земной коры и живых организмов.
В результате естественного отбора основу живых организмов ( 97,4 % ) составляют шесть элементов ( углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера), которые получили название органогенов [ 34 ].
Существуют различные классификации химических элементов, содержащихся в организме человека. Так, В. И. Вернадский в зависимости от среднего содержания ( массовой доли, %) в живых организмах разделил элементы на три группы:
1. Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме выше 10" %. К ним относятся кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, железо, натрий и хлор.
2. Микроэлементы. . Это элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10 3 до 10 "5 % .К ним относятся цинк, иод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт, хром, алюминий, молибден и др.
3. Ультрамикроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме ниже 10"5 % . К ним относятся ртуть, мышьяк, никель, селен, золото, уран, торий, радий и др.
Эта классификация отражает только содержание элементов в живых организмах, не указывая на биологическую роль и физиологическое значение того или иного элемента.
В.В. Ковальский подразделил химические элементы, исходя из значимости для жизнедеятельности [ 44,45 ] на:
- жизненно необходимые ( незаменимые ) элементы, которые постоянно содержатся в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов, их дефицит приводит к нарушению жизнедеятельности организма: Н, О, Са, N, К, Р, Na, S, Mg, СІ, С, I, Mn, Си, Co, Fe, Zn, Mo, V.
- Примесные элементы, Sb, Sr, F, B, Be, Li, Si, Se, Sn, Cs, Al, Ba, As, Rb, Pb, Cd, Cr, Ni, Ті, Ag, Hg, Se и др. Обнаружены в организме человека и животных. Данные о количестве и биологическая роль пока выяснены не для всех элементов.
Другие исследователи выделяют, так называемые биогенные элементы, которые необходимы для построения и жизнедеятельности различных клеток и организмов.
Точно перечислить все биогенные элементы в настоящее время еще невозможно из-за сложности определения очень низких концентраций микроэлементов и установления их биологических функций. Для 24 элементов биогенность установлена надежно. Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, т. е. микро- и макроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Большинство микроэлементов накапливается в печени, костной и мышечной тканях. Эти ткани являются основным депо для многих микроэлементов. Элементы могут проявлять специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержатся в них в высоких концентрациях. Хорошо известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод - в щитовидной, фтор - в эмали зубов, алюминий, мышьяк, ванадий накапливаются в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден - в почках, олово - в тканях кишечника, стронций - в предстательной железе, костной ткани, барий - в пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром - в гипофизе и т. д. [ 1, 33, 35, 60, 62 ].
В организме микроэлементы могут находиться как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм.
Десять металлов, жизненно необходимых для живого организма, получили название « металлы жизни » - это Са, К, Na, Mg, Fe, Zn, Си, Mn, Mo, Co [ 34 ].
Некоторые макроэлементы (магний, кальций) и большинство микроэлементов содержатся в организме в виде комплексов с биолигандами - аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами, гормонами, витаминами и т. д.
Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна.
Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава.
Микроэлементы ( МЭ ), входя в состав ферментов, белков, гормонов, витаминов и других биологически активных веществ в качестве комплексообразователей или активаторов, участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсических веществ [ 33,62 ]. Микроэлементы активно влияют на процессы кроветворения, окисления - восстановления, проницаемость сосудов и тканей, их ионы, как электролиты, принимают участие в диффузии, осмосе, вязкости, поверхностном натяжении, в реакции оседания эритроцитов [60] участвуют в иммунных реакциях типа агглютинации, фагоцитоза, преципитации [ 35 ].
МЭ играют большую роль в жизненно важных биохимических реакциях не только здорового организма, но и сохраняют свое значение при патологических состояниях, что показано многими научными работами [1,62].
Важнейшую роль в усвоении, транспортировке и депонировании МЭ играют органы пищеварения [8, 36, 38, 72]. В патологии пищеварительного тракта большое значение придается железу, кобальту, меди, марганцу и цинку, как известно их содержание в крови при язвенных кровотечениях заметно снижается, также доказаны эссенциальность и активное участие этих элементов в процессах кроветворения и тканевого дыхания [62,81].
Особенности методических подходов к определению токсичных элементов в пищевых продуктах
В аналитической химии пищевых продуктов можно выделить две основные проблемы:
- широкая номенклатура изучаемых показателей безопасности и пищевой ценности [ 12 ], требующая применения самых разнообразных методов анализа;
- высокие требования к чувствительности и селективности методов анализа, обусловленные очень широкими значениями установленных гигиенических нормативов, как отмечалось ранее, и необходимостью определения следовых количеств загрязнителей на сложнейшем многокомпонентном фоне матрицы пищевых продуктов.
Методы анализа пищевых продуктов являются темой большого количества обзоров [ 49, 53, 59, 83, 102, 121,122 ].
На сегодняшний день развитие аналитической химии дает возможность исследовать наличие микропримесей загрязняющих веществ, обнаружение которых казалось невозможным лишь несколько лет назад, учитывая тот факт, что концентрации этих веществ весьма близки к пределам обнаружения.
Разнообразие матриц и ширина спектра исследуемых веществ привели к появлению множества методов. Изучение сильно ядовитых веществ заставили искать способы быстрого обнаружения. Анализ остаточного содержания и примесей загрязняющих веществ в целях охраны здоровья населения сводится к определению следовых количеств и микропримесей, из-за чего потребовались многоэтапные физико-химические методы. Поэтому специалистам лабораторий требуется знание разнообразных современных приемов инструментального анализа. Анализ пищевых продуктов сводится к отработке трех основных этапов. Первым этапом является отбор исходного образца, типичного для объекта исследования. Второй этап заключается в подготовке образца к анализу (с минимальными потерями или даже с концентрированием, если речь идет о микропримесях). Третий - непосредственно анализ выделенных веществ и обработка полученных результатов.
По литературным данным интерес к совершенствованию пробо-подготовки, а особенно, к выделению и концентрированию компонентов пробы, не ослабевает [9, 37, 66,93 ]. Это связано, прежде всего, с возрастающими требованиями к чувствительности анализа и его правильности, зависящей от возможности устранения матричного эффекта [ 93 ].
Пробоподготовка, или количественный перевод определяемых элементов в раствор, для определения их в пищевых продуктах является одной из важнейших и наиболее ответственной стадией анализа. С одной стороны, она занимает от 60 до 80 % времени при анализе сложных объектов ( в первую очередь пищевые продукты ) и, тем самым, определяет его экспрессность, с другой стороны - вносит существенный вклад в погрешность полученного результата.
На сегодняшний день способы пробоподготовки для определения токсичных элементов в пищевых продуктах включают в себя традиционное разложение в открытых системах при атмосферном давлении и разложение с использованием автоклавов или микроволнового излучения [9,52,65,66,79,93]. В связи с тем, что матрица пищевых продуктов обычно содержит большую органическую составляющую, зависящую от типа продукта, необходимо минерализовать (озолить ) пробу, т.е. полностью окислить и удалить органическую часть. Классическими способами выделения элементов являются сухая или мокрая минерализация и кислотная экстракция. Способ сухой минерализации основан на полном разложении органических веществ путем сжигания пробы в электропечи при контролируемом температурном режиме. Применяется для всех видов пищевых продуктов и сырья с содержанием жира до 60 %. Это многостадийный процесс. Влажный материал высушивают, жидкие пробы упаривают, используя лабораторную посуду из кварца, фарфора, стеклоуглерода. Следующей стадией является медленное нагревание до нужной температуры (со скоростью не более 100 С в час ). При определении свинца, кадмия, цинка, меди рабочая температура озоления не должна превышать 450 0 С во избежание потерь определяемого элемента. Иногда добавляют вещества, способствующие более эффективному и быстрому окислению и предотвращающие улетучивание некоторых компонентов золы. Например, для уменьшения потерь летучих хлоридов свинца, кадмия и др. элементов добавляют серную кислоту, оксид или нитрат магния, карбонаты щелочных металлов [9,17,57 ].
Основными недостатками сухой минерализации являются большая продолжительность стадии разложения (при навесках 10-20 г - от нескольких часов до нескольких рабочих смен ), возможные потери определяемых элементов, большие затраты электроэнергии, возможность загрязнения образца из внешней среды, загрязнение воздуха рабочей зоны продуктами разложения и парами реактивов, высокое значение « холостого опыта », приводящее к повышению пределов обнаружения и ухудшению воспроизводимости результатов.
Способ мокрой минерализации основан на полном разрушении органических веществ при нагревании навески пробы продукта смесями концентрированных серной и азотной кислот с добавлением хлорной кислоты или перекиси водорода. Этот способ может использоваться при разложении всех видов пищевых продуктов, кроме масло- жировых. В последнем случае используют кислотную экстракцию.
Недостатки мокрой минерализации: большая длительность операции (6 - 20 часов) большой расход кислот, необходимость использования агрессивных сред ( серной, хлорной и др. кислот ), высокое значение «холостого опыта », возможная потеря определяемого элемента в виде легколетучих соединений.
Способ кислотной экстракции ( неполной минерализации ) применяется для масел и жиров и основан на экстракции элементов из пробы кипячением с разбавленными соляной и азотной кислотами.
Чтобы устранить выше указанные недостатки, связанные с разложением в открытых системах, разрабатываются альтернативные способы пробоподготовки с применением закрытых реакционных сосудов ( автоклавов, « бомб » и т.п. ) [65,66 ]. В последние годы перспективно развиваются направления автоклавной пробоподготовки с микроволновым или тепловым резистивным нагревом [ 52 ].
Разложение таких объектов, как продукты питания, продовольственное сырье, корма, биоматериалы, почвы и др. для определения в них токсичных элементов является сложной задачей. Матрица этих объектов содержит различные органические , кремний- и металлоор-ганические соединения. Поэтому очень важно создать условия для полного выделения анализируемого элемента. Как уже отмечалось выше традиционные методы сухого и мокрого озоления трудоемки и не отвечают этим требованиям. Эти задачи успешно решаются с помощью автоклавной техники [ 65,66,93 ].
Автоклав представляет собой герметизируемую в металлическом кожухе фторопластовую реакционную камеру, в которой исследуемые вещества подвергаются обработке реактивами под воздействием температуры и высокого давления. Для нагрева используют электропечь, снабженную терморегулятором, обеспечивающим поддержание заданного температурного режима до 250 С с погрешностью -+ 5 С. Скорость минерализации проб и полнота окисления органической матрицы обеспечивается благодаря поддержанию необходимой плотности паров окисляющих смесей и продуктов их взаимодействия на пробу.
Совершенствование методических аспектов твердофазной экстракции микотоксинов из пищевых продуктов
Как отмечалось в обзоре, процесс пробоподготовки всегда является наиболее трудоемкой и сложной стадией анализа реальных образцов. Известно, что этот процесс в среднем занимает не менее 60% суммарного времени исследования и является источником более 45% ошибок при количественном анализе проб.
Содержание микотоксинов в продуктах, а также в полученных из них экстрактах довольно низкое, поэтому для наиболее точного их определения необходимо проводить концентрирование с одновременной очисткой экстракта от мешающих компонентов (белков, липидов, пигментов и пр.).
Имеющиеся, утвержденные в виде методических указаний и ГОСТов методы определения микотоксинов [22,25,26,27,28,83,98 ] характеризуются достаточной трудоемкостью, сложностью и объемностью процесса пробоподготовки и не всегда обеспечивают достаточную степень очистки экстракта. Они требуют расхода большого количества реактивов и других расходных материалов, а также значительных временных затрат.
Учитывая актуальность этой проблемы возникла необходимость в создании нового метода пробоподготовки для определения микотоксинов в продуктах питания и продовольственном сырье, который был бы экономичен, удобен и прост, а также давал хорошую очистку экстракта пробы при минимальных потерях микотоксинов.
Наши усилия были сконцентрированы на твердофазной экстракции и совместно с ЗАО «БиоХимМак» была разработана такая методика для экстракции микотоксинов на отечественных патронах серии « Диапак ». В ходе наших исследований было проанализировано 182 образца различных групп пищевых продуктов и проведено 720 исследований на содержание микотоксинов (афлатоксин Ml- 46/138, афлатоксин В1- 76/ 228, зеараленон и вомитоксин 20/120, патулин 38 /114).
Подготовка проб методом твердофазной экстракции состоит из следующих этапов:
1. экстракция анализируемого образца, предусматривающая получение единого экстракта, содержащего все микотоксины, нормируемые в данном образце по СанПиН 2.3.256-96 ( от 1 до 4 одновременно ) [12 ].
2. Подготовка экстракта для последующего обнаружения, количественного определения и идентификации МТ, а именно :
- предварительная очистка;
- концентрирование;
- окончательная очистка на патронах Диапак.
Определяемые микотоксины извлекали экстрагентом (84% - ный раствор ацетонитрила в воде) из пробы при соотношении масса пробы - объем экстрагента 1:5. При определении афлатоксина В] и зеараленона проводили очистку водно-ацетонитрильного экстракта на патроне Диапак А-3, концентрировали микотоксины на патроне Диапак П-3, высушивали от остатков воды и после упаривания и перерастворения проводили окончательную очистку на патроне Диапак Н (Диапак С - в случае кукурузы и продуктов из нее). Фракционным элюированием получали две фракции, содержащие афлатоксин В і и зеараленон, готовые к хроматографическому анализу.
При определении дезоксиниваленола и Т-2 токсина, проводили предварительную очистку водно-ацетонитрильного экстракта на патроне Диапак АУ-3 и концентрировали упариванием досуха. После перерастворения проводили окончательную очистку на патроне Диапак Н. Фракционным элюированием получали две фракции, содержащие дезоксиниваленол и Т-2 токсин, готовые к хроматографическому анализу.
Для проверки правильности проведения пробоподготовки и уточнения степени извлечения микотоксинов проводили анализ пробы методом стандартной добавки в исходный экстракт.
Для экстракции микотоксинов вначале получали ацетонитрильный экстракт, Объем пробы зерна, орехов , растительных масел был идентичен ( 25 г), однако методика получения экстракта зависела от вида пробы.
25 г размолотой пробы зерна или зернопродуктов переносили в коническую колбу и заливали 125 см3 экстрагента (84%-ный раствор ацетонит-рила в воде). Проводили интенсивное перемешивание содержимого колбы в течение 30 мин. Экстракт отфильтровывали через бумажный фильтр "синяя лента".
25 г размолотой пробы орехов или семян масличных культур переносили в колбу Эрленмейера, добавляли 125 см3 экстрагента (84%-ный ацетонитрил в воде) и 40 см гексана. Проводили интенсивное перемешивание содержимого колбы в течение 30 мин. После перемешивания вносили в экстракт 1 г хлорида натрия и продолжали перемешивание в течение 5 мин. Отфильтровывали через бумажный фильтр "синяя лента". Отфильтрованный экстракт переносили в делительную воронку и после расслоения раствора собирали нижний водно-ацетонитрильный слой. Ацетонитрильный экстракт обезжиривали 25 см3 гексана в делительной воронке вместимостью 250 см3.
Экстракт переносили в делительную воронку, добавляли еще 25 см гептана и интенсивно перемешивали. После расслоения собирали нижний водно-ацетонитрильный экстракт. 25 г масла растительного переносили в колбу Эрленмейера, добавляли 40 см3 гексана и 125 см3 84%-ного ацетонитрила в воде. Проводили интенсивное перемешивание содержимого колбы в течение 30 мин. После перемешивания в экстракт вносили 0,2 г хлористого натрия и продолжали перемешивание в течение 3—5 мин. Экстракт переносили в делительную воронку и после расслоения смеси собирали нижний водно-ацетонитрильный слой. Ацетонитрильный экстракт обезжиривали 25 см3 гексана или гептана или петролейного эфира в делительной воронке вместимостью 250 см3.
Экстракт переносили в делительную воронку, добавляли еще 25 см3 гептана и интенсивно перемешивали. После расслоения собирали нижний водно-ацетонитрильный экстракт.
Затем проводили очистку и концентрирование проб.
Очистку и концентрирование пробы при определении афлатоксина В і и зеараленона проводили в два этапа: предварительная очистка и концентрирование пробы. 25 см3 обезжиренного экстракта пропускали через патрон Диапак А-3 со скоростью 2-гЗ капли в секунду и отбирали 20 см3 элюата. Полученный элюат объемом 20 см3 разбавляли равным объемом воды. Полученный раствор пропускали через патрон Диапак П-3 со скоростью 1—2 капли в секунду, после чего патрон промывали 5 см3 воды и продували воздухом в течение 1 мин.
Предложения по оптимизации лабораторного контроля в системе Госсанэпиднадзора
Анализ современного состояния химико-аналитического обеспечения в системе госсанэпидслужбы России свидетельствует, что за годы развития в ее структуре создана обеспеченная лабораторная база.
В последние годы планомерно проводилась работа по совершенствованию и реформированию организационной структуры и управления лабораторными подразделениями центров Госсанэпиднадзора, развития материально-технической базы, повышения эффективности лабораторного контроля за состоянием здоровья населения и средой обитания человека в соответствии с основными направлениями , определенными " Концепцией организации и развития лабораторного обеспечения в системе Государственной санитарно- эпидемиологической службы Российской Федерации " [ 7, 48 ].
За период с 1995 г. по 2000 г. произошли определнные положительные изменения в сети лабораторных подразделений службы , в приборном оснащении, нормативно-методическом и материально-техническом обеспечении.
Так количество лабораторий санитарно-гигиенических отделов возросло с 773 до 953, напротив число лабораторных групп в составе санитарно-гигиенических отделов сократилось с 972 до 874 за счет создания укрупненных межрайонных лабораторий. Возрос объем, изменилась структура и расширился перечень проводимых исследований, как уже отмечалось в обзоре.
В целях повышения эффективности деятельности санитарно-гигиенических лабораторий можно выделить следующие приоритетные направления.
1. Оптимизация организационного построения сети лабораторных подразделений , их внутренней структуры , определение основных принципов организации деятельности в соответствии с конкретными задачами .
2. Принятие действенкых мер по укреплению материально-технической базы и кадрового потенциала, оснащению лабораторных подразделений современным оборудованием, обеспечивающим выполнение необходимого объема и видов исследований. Дальнейшее приборное оснащение и техническое перевооружение.
3. Проведение лабораторных исследований при осуществлении санитарно-эпидемиологических экспертиз с количественным определением приоритетных загрязнителей, обеспечивающих полноту гигиенической оценки пищевых продуктов.
4. Расширение номенклатуры исследований объектов окружающей среды и пищевых продуктов.
5. Развитие методической базы, улучшение организации работ по аккредитации испытательных лабораторий.
6. Освоение и внедрение современных аналитических методов и технологий.
7. Обеспечение контроля качества и достоверности получаемых результатов, проведение внутрилабораторного контроля на постоянной основе, участие в межлабораторных сравнительных испытаниях.
8. Постоянное обучение и повышение квалификации специалистов.
9. Методическое , метрологическое и информационное обеспечение систем лабораторного контроля, создание банков данных.
10. Участие в обеспечение системы социально-гигиенического мониторинга с использованием новых технологий и методов.
В области оптимизации лабораторной структуры необходимо обеспечить адекватность структурной модели, ее централизацию, учитывая современную организационную структуру Службы, в которой выделяются 5 уровней:
- 1 уровень - центры Госсанэпиднадзора в сельских и городских районах, городах без районного деления;
- 2 уровень - центры Госсанэпиднадзора в городах с районным делением, имеющие центры в районах;
- 3 уровень - центры Госсанэпиднадзора в республиках, краях , областях, городах федерального значения, автономных образованиях, на транспорте (региональные);
-4 уровень - научно-исследовательские учреждения, специализированные центры, Федеральный центр Госсанэпиднадзора, противочумный центр;
- 5 уровень - департамент Госсанэпиднадзора Минздрава России.
Основной тенденцией в области оптимизации должно быть укрупнение центров, создание межрайонных центров и централизованных лабораторий.
Как уже отмечалось, большое значение в принятии решений и обоснований мероприятий по обеспечению санитарно-эпидемиологического благополучия населения приобретают адекватные методы лабораторного контроля, соответствующие требованиям единства обеспечения измерений. Одним из путей оптимизации методического обеспечения лабораторий является разработка высокочувствительных методов контроля, имеющих хорошую воспроизводимость и обеспечивающих точность определений, а также внедрение не только современного оборудования, но и использование высокоэффективных технологий в процессе пробоподготовки, снижающих потери определяемых ингредиентов.
Очень актуальным становится вопрос организации постоянного внутрилабораторного контроля количественного химического анализа, одним из элементов которого наряду с контролем сходимости, воспроизводимости и точности, является и внешний контроль, а также участие в межлабораторных сравнительных испытаниях.
В области совершенствования и развития информационного обеспечения лабораторного контроля ведущими задачами должны оставаться разработка и внедрение информационных и аналитических систем, информационных баз данных, программных продуктов, автоматизация процессов получения, обработки, анализа и передачи информации по : результатам проводимых исследований; инженерно-техническому, метрологическому обеспечению лабораторий; оценке эффективности деятельности лабораторий и использованию материально-технического обеспечения; межлабораторному контролю качества выполняемых исследований, достоверности и сопоставимости их результатов. Действенным механизмом повышения качества и достоверности проводимых исследований является аккредитация лабораторий центров ГСЭН в "Системе аккредитации лабораторий Государственной санитарно- эпидемиологической службы Российской Федерации ".
![Гигиеническая оценка влияния факторов окружающей среды на систему мать - плод и методические принципы использования антропометрических показателей при рождении в системе социально-гигиенического мониторинга [Электронный ресурс]](/i/i/4415/184480.png "Гигиеническая оценка влияния факторов окружающей среды на систему мать - плод и методические принципы использования антропометрических показателей при рождении в системе социально-гигиенического мониторинга [Электронный ресурс] Константинова Юлия Алексеевна")
