Применение скрининг-метода для определения качества овощной продукции в домашних условиях

Управление образования Гродненского облисполкома

Отдел образования Ошмянского райисполкома

Государственное учреждение образования «Новоселковский

учебно- педагогический комплекс ясли- сад- средняя школа»

Применение скрининг-метода

для определения качества овощной продукции в домашних условиях

Секция «Экология»

Выполнил Амбражевич

Александр, ученик 11 класса

Руководитель Кавытина

Наталья Романовна

Новосёлки 2010 год

Аннотация

Тема: Применение скрининг-метода для определения качества овощной продукции в домашних условиях

Цель: Разработать тест-системы для скрининга качества овощной продукции в домашних условиях

Задачи:

1. Изучить научную литературу об экспрессных методах анализа качества пищевых продуктов и источниках загрязнения овощей вредными для здоровья человека веществами

2. Определить вещества, которые можно использовать в качестве индикаторов в тест-системах

3. Подобрать необходимую концентрацию карбамида для определения наличия вредных веществ в продуктах питания

4. Разработать методику скрининга качества продуктов питания в домашних условиях и исследовать качество овощей и фруктов, используемых жителями нашего города

5. Апробация и пропаганда полученных результатов

Гипотеза:

Одна из важных проблем, которые возникают при попытке обеспечить безопасность питания человека — это проведение сложного анализа на содержание тех или иных компонентов в лабораторных условиях специально обученным персоналом. Поскольку такие анализы недоступны населению, то возможно ли в домашних условиях быстро и достаточно достоверно определить пригодность пищевых продуктов к употреблению?

Этапы исследования:

1. Изучение литературы об экспресс-методах определения качества продуктов питания

2. Планирование эксперимента по разработке тест-метода и его применение для определения качества овощей и фруктов в домашних условиях

3. Проведение эксперимента по применению экспресс-метода

4. Анализ полученных данных

5. Описание проведенного эксперимента

6. Формулирование выводов

Методы исследования

1. Анализ

2. Построение мысленного эксперимента

3. Эксперимент

4. Наблюдение

Научная новизна исследования заключается в разработке тест-метода для скрининга продуктов питания на наличие в них вредных веществ и применение его в домашних условиях. Экспериментально определен индикатор и концентрация рабочего раствора карбамида, применяемых для быстрого анализа (скрининга) качества овощей и фруктов в домашних условиях. Разработан простой и эффективный способ, который можно применить для определения качества каждого овоща.

Содержание

Введение

Исследовательская часть

Глава 1. Аналитический обзор литературы

§ 1.1 Применение тест- систем для скрининга пищевых продуктов

§ 1.2 Источники загрязнения овощей

§ 1.3 Биологические тест-методы

§ 1.4 Скрининг

Глава II. Экспериментальная часть

§ 2.1 Методика определения качества продуктов питания

§ 2.1.1 Методика определения активности уреазы

§ 2.1.2 Приготовление экстракта уреазы

§ 2.1.3 Исследование возможности использования индикаторов

§ 2.1.4 Методика приготовления раствора мочевины

§ 2.1.5 Исследования влияния ионов тяжёлых металлов и нитратов

§ 2.1.6 Исследование качества овощей, бахчевых культур и фруктов

Заключение и выводы

Использованная литература

Введение

Мировой опыт показывает, что важнейший фактор, влияющий на здоровье населения страны, — это шаги государства по предотвращению заболеваний, с одной стороны, и стимулирование здорового образа жизни, с другой. Предотвращение заболеваний подразумевает использование чистой воды и здоровой пищи, наличие очистительных систем, сокращение объектов, загрязняющих окружающую среду и наносящий экологический вред, аналогичные меры по снижению других факторов риска»[1]. Обеспечение населения страны разнообразными рационами питания, содержащими все необходимые вещества, и повышение уровня образованности по вопросам здорового питания является долгосрочной программой. Вряд ли какой-нибудь предмет, служащий для удовлетворения потребностей человека, в такой степени нуждается в контроле за чистотой и качеством, как пища. В настоящее время задача состоит в том, чтобы уметь быстро оценивать качество сельскохозяйственных продуктов. Важно знать, не содержатся ли в пищевом сырье и продуктах питания токсические вещества. В связи с широким применением агрохимикатов — пестицидов, гербицидов, загрязнением сельскохозяйственных угодий отходами производств, содержащих ионы тяжелых металлов, люди обеспокоены возможной угрозой для здоровья, связанной с присутствием в пищевых продуктах различных загрязнений и токсических веществ: соединений хрома, марганца, меди, ртути, свинца и других токсикантов. Однако, при рассмотрении вопросов анализа состава пищевых продуктов, возникает много проблем:

1) невозможность отследить качество каждого овоща, употребляемого нами в пищу;

2) методики определения качества пищевых продуктов достаточно громоздки, требуют специальных аппаратов, обученного персонала.

В соответствии с вышесказанным в данном проекте разработан тест-метод, с помощью которого можно провести быстрый анализ (скрининг) овощей в домашних условиях. Тест-методы — это экспрессные, простые и дешевые приемы обнаружения и определения вещества на месте. В большинстве случаев служат для оценки присутствия и содержания определенных компонентов в анализируемых образцах. В идеальном случае роль этих аналитических средств должна быть такой, чтобы любая хозяйка, используя их на кухне, смогла быстро определить качество продуктов питания. Предлагаемый метод и используемые при этом препараты доступные, не представляют опасности для здоровья людей, а методика определения пригодности овощей в пищу — простая, выполняется быстро, является достоверной.

Исследовательская часть

Глава I. Аналитический обзор литературы

1.1 Применение тест- систем для скрининга пищевых продуктов

Общий принцип большей части химических тест-методов заключается в использовании реакций с так называемыми хромогенными (цветообразующими) реагентами. Реакции проводят в таких условиях, чтобы можно было визуально зафиксировать их результат. Этим результатом могут быть интенсивность окрашивания, цвет бумажной полоски или длина окрашенной части индикаторной трубки. Большинство используемых тест методов служит измерительным средством однократного применения.

Одна из важных проблем, которая возникает при попытке обеспечить безопасность среды обитания человека, при диагностике различных заболеваний, контроле в воздухе производственных помещений за содержанием взрывоопасных примесей, токсичностью вдыхаемого персонала воздуха,- это необходимость проведения анализа большого количества проб сложного состава (воздуха, водных сред, биологических жидкостей) на содержания тех или иных компонентов. Кроме того, на практике часты случаи, когда соответствующие процедуры должны проводиться в условиях дефицита времени или в местах, где сложное и громоздкое лабораторное оборудование недоступно. Такая ситуация возникает, например, при массовом таможенном досмотре багажа в аэропортах с целью выявления наркотических или взрывоопасных веществ. Инспектор дорожного движения, выполняющий свои обязанности вдали от аналитической лаборатории, также должен принять правильное решение о состоянии опьянения водителя за считанные минуты.

Тест-методы — это экспрессные, простые и дешёвые приёмы обнаружения и определения вещества на месте. Они, как правило, не требуют сложных приёмов подготовки пробы к анализу (например, разделения и концентрирования). При их использовании резко сокращается и во многих случаях отпадает необходимость в использовании дорогостоящего и сложного лабораторного оборудования и самих аналитических лабораторий. Естественно, что при этом уменьшается потребность в высококвалифицированных специалистах, нехватка которых ощущается во всех странах.

1.2 Источники загрязнения овощей

Как почва, так и растения в садах загрязняются в результате работы транспорта (автомобильного, железнодорожного, авиационного), а также предприятий машиностроительной, металлообрабатывающей, химической и энергетической промышленности. Так, свинец поступает в атмосферу и почву из выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания. Кадмий, медь, цинк, свинец — в результате истирания покрышек. Цинк и медь — вместе с атмосферными осадками, то есть из промышленных и транспортных выбросов. Кадмий, марганец, никель, свинец (до 80%) — с органическими удобрениями (в частности, с осадками сточных вод, по «удобрительной» ценности не уступающими подстилочному навозу), а также с известковыми удобрениями (каменноугольной, сланцевой золой). В больших количествах кадмий может содержаться в фосфорных удобрениях, например в суперфосфате. Фосфорные удобрения в качестве примесей «богаты» и другими тяжелыми металлами (свинцом, хромом, кобальтом, никелем, ванадием, цинком, медью). Меньше всего примесей в суперфосфате, полученном из апатитов Кольского полуострова.

Фосфорные и органические удобрения, а так же известь, содержат тяжёлые металлы (свинец, медь, цинк).

В черте городе основными источниками вредных выбросов являются промышленные предприятия и транспорт. И если в районе их влияния расположены дачи, то в почве этих садов может находиться достаточное количество соединений металлов, в первую очередь, свинца. Многие горожане выращивают на этих дачных участках все необходимые для себя овощи, которые затем используют в качестве продуктов питания. По этой пищевой цепочке вредные, токсичные соединения тяжелых металлов попадают в организм человека, накапливаются в нем и вызывают тяжелые заболевания. Именно здесь необходим экспресс-метод, с помощью которого можно быстро определить безопасность используемого овоща.

1.3 Биологические тест-методы

Особую роль в оценке состояния окружающей среды играют биологические тесты. Это связано с тем, что результаты химического анализа, проводимого с помощью самого сложного оборудования, во многих случаях не позволяют оценить истинную опасность тех или иных загрязнителей на среду обитания, прогнозировать последствия их воздействия на живые организмы. Многообразные органические вещества, попадая в окружающую среду, могут претерпевать в ней различные превращения, усиливая при этом свое токсическое воздействие. По этой причине оказались необходимыми методы оценки качества среды (воды, почвы, воздуха, пищевых продуктов). Огромную роль при этом играют методы биотестирования и биоиндикации.

Под биотестированием понимают приемы исследования, при котором о качестве среды, факторах, действующих самостоятельно или в сочетании с другими, судят по выживаемости, состоянию и поведению специально помещенных в эту среду организмов — тест- объектов Биоиндикация — родственный биотестированию прием, использующий для этих же целей организмы, обитающие в исследуемой среде. Биоиндикацию можно проводить на уровне молекул, клеток, органов, организмов, популяций и даже биоценоза. В качестве биотестов выбирают наиболее чувствительные к исследуемым загрязнителям организмы.

Использование биохимических реакций (молекулярный уровень индикации) связано с тем, что они наиболее чувствительны к воздействию внешних загрязнителей. В присутствии загрязнителей окружающей среды, например, происходит уменьшение содержания хлорофилла в мембранах хлоропластов растений или понижается способность фитопланктона к продуцированию кислорода в процессе фитосинтеза. Это может служить индикаторным признаком воздействия на живую природу газопылевых выбросов предприятий или токсичных компонентов сточных вод.[7].

Биохимической индикацией, очень чувствительной на присутствие ионов тяжелых металлов, является уреаза [8]. Уреаза- фермент достаточно распространенный в растительном мире. Особенно активна уреаза в семенах некоторых овощей (семена кабачков, арбузов). фермента сохраняется в. Уреаза катализирует гидролиз мочевины с образованием оксида углерода (IV) и аммиака:

H₂N — C — NH₂ + H₂O ^уреаза СО₂ + 2 NH₃

Метод определения активности уреазы основан на тестировании выделяющегося аммиака индикатором. Наглядность данного опыта обеспечивается быстрым появлением интенсивной окраски индикатора.

1.4 Скрининг

Тест-системы можно использовать для решения разнообразных задач. Одна из них — скрининг , т.е. оценка наличия нужного компонента, предусматривает, если это необходимо, дальнейшее, более детальное исследование. Методология скрининга заключается в следующем:

· в результате теста возможно два ответа — «положительный» (наличие искомого компонента) и «отрицательный» (его отсутствие).

· отрицательные результаты считаются окончательными, к соответствующим пробам больше не возвращаются.

Допускается возможность неправильных положительных результатов, поэтому пробы, дающие положительный результат, можно анализировать затем другим методом в том случае, если использованная для скрининга тест-система не является высокочувствительной.

Скрининг с помощью тестов позволяет резко сократить объем аналитических работ, экономить время анализа и часто является единственной возможностью контролировать ситуацию. Применение скрининга возможно в случае контроля качества и безопасности некоторых пищевых продуктов, например при оценке содержания нитратов в бахчевых культурах (арбузах, дынях) картофеле, огурцах и других овощах и фруктах, часто продаваемых на рынках и за чертой города прямо с машин.[9]

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Методика определения качества продуктов питания

Для определения качества овощей в настоящей работе разработана методика с использованием доступных в домашних условиях реагентов: арбузные семечки (они содержат фермент уреазу, индикатором может быть сок черной смородины или фурацилин, мочевина (карбамид) — продается в магазине как минеральное удобрение.

Методика данного опыта заключается в следующем. Уреаза катализирует гидролиз мочевины с образованием аммиака. В водной среде аммиак превращается в гидроксид аммония, который окрашивает индикатор в синий цвет. Если уреаза не катализирует мочевину, цвет раствора не изменяется. Подавить действие уреазы могут нитраты и соли тяжелых металлов и тогда примеси, если они есть в овощах, подавляют действие уреазы, аммиак не образуется и раствор индикатора не изменяет окраску.

2.1.1 Методика определения активности уреазы

Уреаза- фермент достаточно распространенный в растительном мире. Особенно активна уреаза в семенах некоторых овощей. Для проведения эксперимента мною была выбрана уреаза арбузных семечек. В них активность этого фермента сохраняется в течение трех лет. Уреаза катализирует гидролиз мочевины с образованием оксида углерода (IV) и аммиака:

H₂N — C — NH₂ + H₂O ^уреаза СО₂ ^ + 2 NH₃ ^

||

O

Метод определения активности уреазы основан на тестировании выделяющегося аммиака индикатором. Наглядность данного опыта обеспечивается быстрым появлением интенсивной окраски индикатора.

2.1.2 Приготовление экстракта уреазы

Очистить 3-4 арбузных семечка от кожуры и растереть ядра с небольшим количеством воды (10 мл). Полученный экстракт использовать для проведения опытов.

Ход опыта

Для опыта взять 2 мл суспензии ферментативного препарата. В пробирку добавить 1 мл воды, встряхнуть, добавить 2 мл раствора мочевины, затем исследуемый реагент. Следует подчеркнуть, что необходимо добавлять реагенты в той последовательности, о которой сказано выше. Затем в пробирку добавить 2-3 капли спиртового раствора универсального индикатора, оставить при комнатной температуре на 3-5 минут. По интенсивности появляющейся окраски индикатора судят об ингибировании индикатора. Если окраска изменяется (становится синей), значит, уреаза сохраняет свою активность, так как выделяется аммиак (он дает щелочную среду и изменяется окраска универсального индикатора), а если окраска индикатора не изменяется (остается желтой), значит, реагент ингибирует фермент.

Фото 1. Приготовление уреазы из арбузных семечек

2.1.3 Исследование возможности использования сока черной смородины, черники, свеклы, раствора фурацилина в качестве индикаторов щелочной среды

При проведении опытов в домашних условиях необходимо применять доступные индикаторы, которые легко приготовить в бытовых условиях из доступного сырья. Такими, на наш взгляд являются соки ягод, овощей, таблетки фурацилина, применяемые для полоскания горла при ангинах [10].

Были приготовлены растворы соляной кислоты и гидроксида натрия с различными значениями рН (от 1 до 14). Сначала определялась среда с помощью полосок универсального индикатора. Затем в эти растворы были добавлены как индикаторы сок черники, черной смородины, сок свеклы. Были проведены три параллельных опыта. Результаты на рисунках 1-4.

Фото 2

Окраска универсального индикатора в растворах в рН <7, рН=7, рН >7

Фото 3

Изменение окраски смородинового сока (1)и черничного сока (2) в щелочной среде

Фото 4

Изменение окраски смородинового (1) и черничного (2) сока в кислой среде

Таким образом, данный опыт показывает, что соки черники и черной смородины можно использовать в домашних условиях в качестве индикаторов щелочной среды. А сок свеклы хорошо показывает кислую среду, но не очень яркий в щелочной среде. Поэтому он малопригоден для определения щелочной среды. Фурацилин изменяет достаточно хорошо окраску в щелочном растворе, но только при высоких значениях рН. Таким образом, для использования в качестве индикатора определения рН среды рекомендуем использовать сок черной смородины и черники. В домашних условиях и в школьной химической лаборатории изготавливаются индикаторные полоски из пенопласта или ватные шарики, смоченные спиртовыми растворами этих соков. В таком виде их можно хранить в плотно закрытой банке долго и использовать по мере необходимости.

2.1.4 Методика приготовление раствора мочевины

В бутылке из-под физиологического раствора (объем 200 мл) растворили чайную ложку мочевины (что соответствует концентрации 2.5 % ), раствор №1. В такой же бутылке растворили столовую ложку мочевины (что соответствует 5 % концентрации), раствор №2. В результате взаимодействия уреазы арбузных семечек с мочевиной в холостом опыте по описанной выше методике в опыте с большей концентрацией мочевины (5%) реакция дала ожидаемый результат — произошло изменение окраски индикатора с розовой окраски на синюю. Использовался в качестве индикатора сок черной смородины. В опыте с раствором мочевины № 1 (2.5 %) реакция не пошла. Таким образом, для исследования подходит раствор №2 (массовая доля карбамида 5%).

Для экспресс-метода удобно использовать, специальные таблетки из пенопласта и поролона, пропитав их раствором мочевины. Для техники безопасности удобнее хранить в банке или коробке, при необходимости/

Фото 5. Таблетки из пенопласта, пропитанные карбамидом (мочевиной) и раствор карбамида 5%

2.1.5 Исследование влияния ионов тяжелых металлов и нитратов на активность уреазы

В качестве источников ионов тяжелых металлов для исследования используемой в тест-методе биохимической реакции использовались растворы ацетата свинца, сульфата марганца (II), хлорида хрома (III), сульфата меди (II), нитрата калия в различных концентрациях. Подбирали минимальные концентрации, которые подавляли активность фермента. Были приготовлены 0,01 М растворы этих солей в мерной колбе 50 мл. Затем брали аликвоту 10 мл, и разбавляли до 100 мл. Так повторяли несколько раз, пока не получили требуемую концентрацию. Эксперимент проводился по вышеприведенной методике. Значения ПДК из литературы [13].Результаты занесены в таблицу № 2

Таблица № 2 Концентрации растворов солей металлов, нитрата калия, ингибирующие активность уреазы

«+» — реагент ингибирует фермент;

« — » — реагент не ингибирует фермент

Исследование чувствительности биохимической реакции уреазы показывает, что эта реакция показывает наличие вредных веществ в дозах, соответствующих их значениям в предельно-допустимых концентрациях.

2.1.6 Исследование качества овощей, бахчевых культур и фруктов

Для исследования активности уреазы использовались овощи, выращенные на приусадебных участках и приобретенные в магазине, куда они поступили с колхозных полей или были привезены из других областей (арбузы). Овощи, яблоки, арбузы измельчались, помещались в реакционную среду (Для опыта взять 2 мл суспензии ферментативного препарата. В пробирку добавить 1 мл воды, встряхнуть, добавить 2 мл раствора мочевины, затем исследуемый реагент. Следует подчеркнуть, что необходимо добавлять реагенты в той последовательности, о которой сказано выше. Затем в пробирку добавить 2-3 капли спиртового раствора смородинового сока, оставить при комнатной температуре на 3-5 минут.)

По каждому овощу проведены по три параллельных анализа. Результаты сведены в таблицу № 3

Таблица № 3 Исследование влияния овощей на активность фермента уреазы арбузных семечек

«+» — реагент ингибирует фермент;

« — » — реагент не ингибирует фермент

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что овощи, поступающие в продажу, были выращены с использованием удобрений, и могут быть небезопасны для нашего здоровья.

Фото 6 Определения качества томатов (1), арбузов (2), яблок (3)

На снимке видно, что индикатор окрасился в пробирках №2 и №3, значит, в данных продуктах не содержится примесей в виде нитратов. В пробирке №1 раствор не окрасился в синий цвет, значит, уреаза была ингибирована одним из вредных веществ, находящихся в томатах.

Заключение и выводы

Многочисленные факты пищевых отравлений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, выбросы промышленных предприятий, по пищевой цепочке попадающие в наши организмы, заставляют нас искать экспресс- методы анализа качества пищевых продуктов. И в домашних условиях, обладая минимальными знаниями и умениями в области химии, можно провести тест-анализ используемых овощей, бахчевых культур и фруктов. Для этого возможно применять самые доступные реактивы, которые можно запасти летом и использовать круглый год. Для разработанного в данном проекте тест-метода используются семечки арбуза, сок черной смородины, карбамид (минеральное удобрение, которое можно приобрести в магазине). На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы.

1. С помощью экспресс- метода можно выявить наличие в овощах нитратов и солей металлов.

2. Для экспресс- анализа следует использовать раствор карбамида в концентрации 1 столовая ложка на 200 мл воды (5%)

3. Рекомендуем применять в качестве тест-реактива ядра арбузных семечек. Эти семечки можно хранить в домашних условиях три года.

4. В качестве индикатора можно использовать использовать спиртовые растворы сока черной смородины или черники или ватные шарики, пропитанные данными растворами.

5. Данный метод можно использовать для определения качества не только овощей, но и других продуктов.

Использованная литература

1. Золотов Ю.А. Тест-методы // Журнал аналитической химии. 1994.Т.49 с.149

2. Евгеньев М.И. Тест-методы и экология // СОЖ, 1999, №11, с. 29-34

3. Муравьева С.И., Буковский М.И. и др. Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны: Справ. изд. М.: Химия, 1991, с. 398

4. Соколов О.А. Удобрение и качество продукции// Картофель и овощи, 1987, № 5, с.18-19

5. Энхольм Э. Окружающая среда и здоровье человека:-М., Прогресс, 1990

6. Биоиндикация загрязнителей наземных экосистем / Под ред. Р. Шуберта М.№ Мир, 1988. 350 с.

7. Варфоломеев С.Д. Биосенсоры // Соровский Образовательный журнал, 1997, т.1, с. 45

8. Биохимия // Учебник, М.; 2004

9. Сенновская Т. Наука на марше // Человек и природа, 2006, № 5

10. Бойко Е.И. Импровизированный урок химии для семиклассников// Химия в школе, 2007, №4, с.27

11. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде.- Л., Химия, 1985