Определение тяжелых металлов в семенах подсолнечника атомно-абсорбционным методом на основе дробной минерализации

В настоящее время одной из актуальных проблем является загрязнение окружающей среды и пищевых продуктов тяжелыми металлами [1–5], определение которых, согласно нормативным документам, проводится различными инструментальными методами, такими как вольтамперометрия, инверсионная потенциометрия, спектрофотометрия, атомно-абсорбционная и атомно-эмиссионная спектроскопия, а также масс-спектроскопия [6–8]. Все эти методы предполагают пробоподготовку с переведением исследуемых элементов в растворимую форму [9] с использованием способов сухой или мокрой (кислотной) минерализации [12]. Анализ нормативно-технической и патентной информации в области элементного определения содержания

токсичных элементов в пищевых продуктах и продовольственном сырье выявил, что особенные аналитические трудности возникают в процессе подготовки проб с высоким содержанием масла (бобах, орехах и семенах масличных культур), обусловленные рядом причин: во-первых, на начальном этапе деструкции жиросодержащих продуктов не удается избежать пенообразования и выбрасывания частей минерализата, что может приводить к потерям определяемых элементов; во-вторых, большим расходом минеральных концентрированных кислот, используемых при деструкции и кислотной экстракции, что существенно удорожает анализ и увеличивает риск контаминации пробы металлами; в-третьих, повышенным риском возникновения избыточного внутреннего давления при использовании закрытых систем для минерализации [10, 11, 15].

Вышеуказанные причины делают актуальным разработку новых подходов к технологии подготовки пробы с высоким содержанием жира, в частности семян подсолнечника – важнейшей масличной культуры во многих странах мира, в том числе России и ее регионов, которые могли бы повысить эффективность и существенно нивелировать основные аналитические сложности анализа.

В связи с этим целью нашего исследования явилось разработка способа определения тяжелых металлов в семенах подсолнечника атомноабсорбционным методом на основе дробной минерализации.

Материалы и методы

Объектом исследования выступили сортовые семена подсолнечника кондитерских сортов с исходным фоновым содержанием токсичных элементов (свинца, мышьяка, ртути, кадмия) менее 0,25 ПДК каждого.

Подготовку контрольных проб к анализу проводили согласно ГОСТ 26929-94 [12] с применением сухой минерализации (СМ) и мокрой минерализация (ММ).

Для подготовки опытных проб использовали разработанный способ дробной минерализации, предполагающий разложение пробы на жировую (масло) и обезжиренную фракции, с последующей сухой минерализацией шрота и прямым определением металлов в масле методом электротермической атомной-абсорбции (ААС-ЭТА). Способ реализовывали следующим образом: навеску измельченных семян массой 5 ±0,01 г. помещали в колбу вместимостью 100 см3, заливали 40 см3 нейтрального этилового эфира, настаивали в течение 2 ч, периодически встряхивая, фильтровали через обеззоленный фильтр, отбирали 25 см3 фильтрата в колбу, предварительно доведенную до постоянной массы и отгоняли эфир на водяной бане. Фракцию масла высушивали до постоянной массы и определяли тяжелые металлы методом ААС способом прямого ввода [16], модифицированным нами использованием биполярного растворителя н-гексан–изо-пропанол в соотношении 1:6:2 от массы пробы, что позволило повысить способность раствора к образованию нераздельнокипящей азеотропной смеси, а также минимизировать разбавление пробы масла без потери возможности обнаружения низких концентраций элементов. В качестве модификатора матрицы использовали хлорид палладия с концентрацией палладия 10 мг/мл. Определение элементов выполняли по методу градуировочного графика с использованием балласта для снижения фоновых явлений.

Фракцию шрота освобождали от эфира, отбирали навеску массой 2,0 ±0,01 г. и подвергали сухой минерализации при температуре 400 ºС в течение7 ч. 30 мин.

Расчет суммарной массовой концентрации элемента в пробе семян подсолнечника по способу ДМ вели исходя из значений масличности в мг/кг следующим образом:

m = ( m i w i ) + ( m 2 w 2 ), (1)

где m – массовая концентрация элемента в пробе; m 1 – масса элемента в шроте, мг/кг, w 1 – выход шрота, в единицах, m 2 – масса элемента в масле, мг/кг, w 2 – массовая доля масла, в единицах.

Правильность предлагаемого способа проверяли методом добавок «введено-найдено», для этого измельченные ядра семян подсолнечника контаминировали аликвотами водных растворов стандартных образцов металлов на уровне 1,0 ПДК согласно ТР ТС 015/2011: свинца – 1,0 мг/кг, мышьяка – 0,3 мг/кг, ртути – 0,05 мг/кг, кадмия – 0,1 мг/кг. Содержание токсичных элементов в контаминированных пробах определяли с использованием различных способов пробоподготовки.

Определение токсичных элементов проводили на базе Центра коллективного пользования научным оборудованием НИИ комплексных проблем АГУ с использованием следующего основного оборудования и реактивов: атомноабсорбционного спектрометра «КВАНТ-Z.ЭТА», муфельной печи SNOL, сушильного шкафа ПЭ-4610, кислот азотной, серной, соляной и хлорнойx.ч., ГСО металлов 7998-93, 7012-93, 6690-93, 7264-96.

Результаты и обсуждение

Результаты исследования содержания токсичных элементов в фракциях семян подсолнечника, полученные ААС методом с использованием пробоподготовки ДМ представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Содержание токсичных элементов в фракциях семян, определенных ААС методом с применением ДМ

Table 1.

The maintenance of toxic elements in fractions of the seeds determined by AAS by method with application of FM

Элемент Еlеmеnt	Содержание элементов во фракциях, мг/кг The maintenance of elements in fractions, mg/kg
	шрот| oilcake	масло | oil
Pb	0,33 ±0,07	0,55 ±0,02
Cd	0,14 ±0,01	0,05 ±0,01
Cu	18,2 ±0,25	9,8 ±0,08
As	<0,001
Hg	<0,001

На основании данных о содержании металлов во фракциях семян и с учетом масличности семян рассчитывали содержание токсичных элементов в семенах подсолнечника и сравнивали значения с показателями, полученными при использовании контрольных способов подготовки проб (таблица 2).

Таблица 2.

Содержание токсичных элементов в семенах подсолнечника, в зависимости от способа минерализации

Table 2.

The maintenance of toxic elements in sunflower seeds, depending on a way of a mineralization

Элемент Еlеmеnt	Содержание элементов при разных способах минерализации, мг/кг The maintenance of elements at different ways of a mineralization, mg/kg
	СМ (DM)	ММ (WM)	ДМ (FM)
Pb	0,31 ±0,043*	0,38 ±0,031*	0,45 ±0,065
Cd	0,091 ±0,015	0,093 ±0,02	0,095 ±0,01
Cu	11,76 ±0,06*	13,1 ±0,062	13,62 ±0,015

Примечание: * –р ≤0,05 с ДМ способом пробоподготовки

Как видно из полученных данных, в исследованных образцах, минерализованных способом СМ и ММ мышьяк и ртуть, не были обнаружены. На концентрацию Cd в семенах, которая составила в среднем 0,093 ±0,002 мг/кг, способ подготовки проб не оказал достоверных различий. Концентрации меди, полученные ММ и ДМ минерализацией близки и достоверно не различимы, а при использовании СМ наблюдаются достоверные (**р ≤0,01)отличия как от ДМ, так и от ММ подготовки. Концентрации Pb, полученные способами СМ и ММ показываю достоверные отличия от ДМ (**р ≤0,05), что может свидетельствовать о потерях элемента в процессе минерализации контрольными способами.

Контроль открываемости токсичных элементов с использованием пробоподготовки ДМ проверяли методом добавок «введено-найдено» (таблица 3).

Таблица 3.

Результаты определения токсичных элементов в семенах подсолнечника методом добавок «введено-найдено» с использованием разных способов пробоподготовки (n = 5, P = 0,95)

Table 3.

The results of the determination of toxic elements in sunflower seeds by the "introduced-found" additives method using different methods of sample preparation

Элемент Еlеmеnt	Фоновое содержание, мг/кг Background content, mg/kg	Введено, мг/кг Аddеd, mg/kg	Найдено, мг/кг Found, mg/kg			R (открываемость), (openability)%
			СМ (DM)	ММ (WM)	ДМ (FM)	СМ (DV)	ММ (WM)	ДМ (FM)
Pb	0,12 ±0,03	1,0	0,97 ±0,08	1,06 ±0,02	1,1 ±0,06	86,6	94,6	98,2
Cd	0,07 ±0,006	0,1	0,135 ±0,07	0,15 ±0,001	0,15 ±0,07	79,4	90,0	88,2
As	0,035 ±0,004	0,3	0,279 ±0,04	0,29 ±0,03	0,31 ±0,07	83,3	87,2	92,5
Hg	0,006 ±0,001	0,05	0,04 ±0,017	0,04 ±0,002	0,045 ±0,003	71,4	78,6	80,4

Как видно из таблицы 3, наибольшие различия в результатах ДМ пробоподготовки в сравнении с СМ наблюдаются для ионов Pb (11,6%), менее выраженные – для As, Hg и Cd, – 9,3%,

• 8,9% и 8,8% соответственно. При сравнении ДМ и ММ больший процент открываемости показали мышьяк и свинец на 5,3% и 3,6% соответственно, а для Hg и Cd достоверных различий не выявлено.

Таким образом удалось повысить общий процент открываемости элементов в среднем до 90,8%. Данные метрологических характеристик определения токсичных элементов методом атомноабсорбционной спектроскопии на основе предлагаемого способа пробоподготовки в сравнении с контрольными, свидетельствуют о более высоких показателях сходимости (dотн) и воспроизводимости (Dотн) для кадмия и свинца. Допустимые нормативными документами погрешности в измерении кадмия dотн – 22% и Dотн – 36% удалось снизить при использовании ДМ на 4,6% и 5,1%, а для свинца dотн – 28% и Dотн – 42% на 4,4% и 4,7% соответственно.

Одним из важных показателей эффективности метода является показатель общей продолжительности определения, в особенности, учитывается время непосредственного контакта аналитика с пробой. Результаты хронометража проведения пробоподготовки разными способами представлены на рисунке 1.

I 500

СМ (DM)   ММ (WM)   ДМ (FM)

• ■ Общее время Тotal time ■ Контное время Сontact time

Рисунок 1. Временные затраты на проведение пробоподготовки

• Figure 1. Time spent on sample preparation

Общее время, затрачиваемое на СМ, составило 16 ч 30 мин(±20 мин): это время на обугливание на электроплитке – 3 ч 10 мин, озоление в муфельной печи – 12 ч, на остывание тигля и выпаривание кислоты – 1 ч 20 мин, время контактной работы аналитика составило 4 ч 30 мин. При ММ затрачивается 14 ч 50 мин (± 30 мин) общего времени, из них 11 ч 50 мин