Определение содержания ионов цинка, меди, свинца и кадмия в пищевых продуктах методом инверсионной вольтамперометрии. Методические указания к лабораторным работам

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Определение содержания ионов цинка, меди, свинца и кадмия в пищевых продуктах методом инверсионной вольтамперометрии Методические указания к выполнению лабораторного практикума для студентов-технологов пищевых специальностей очной формы обучения

Составители: Гомбоева С.В. Батуева Д.М.

Улан-Удэ, 2003

16

В данной работе приводятся краткие теоретические вступления и лабораторные работы по определению ионов тяжелых металлов (цинк, кадмий, свинец, медь) в пищевых продуктах инверсионным вольтамперометрическим методом. Описания работ включают вопросы для самопроверки. Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения.

исследуемых продуктов питания и продовольственного сырья.

раствора (мг/дм3); Vст – объем добавленного стандартного раствора (см3); V0 – объем раствора в полярографической ячейке (см3); V – объем пробы исходной воды, введенной в полярографическую ячейку (см3).

Краткая характеристика микроэлементов (свинец, кадмий, цинк, медь)

1. Перечислите современные методы определения тяжелых металлов. 2. На чем основаны электрохимические методы анализа 3. Расскажите об особенностях метода инверсионной вольтамперометрии 4. Требования к индикаторным электродам для инверсионной вольтамперометрии 5. Расскажите о достоинствах методов ИВА 6. Принцип метода ИВА 7. Объясните понятие ПДК и приведите значения ПДК для определяемых ионов тяжелых металлов для

Медь - один из важнейших микроэлементов, участвующий в процессе фотосинтеза и влияющий на усвоение азота растениями. Медные удобрения содействуют синтезу белков, жиров и витаминов растительными организмами. В биологических системах обнаружен ряд медьсодержащих протеинов: связанный с кислородом гемоцианин, цитохромная оксидаза, тиросиназа. Церулоплазмин (белок сыворотки крови) содержит свыше 95% всей меди, находящейся в млекопитающих. Доминирующая роль меди в биологических системах определяется ее способностью стабилизировать серные радикалы. Медь не является остротоксичной для человека, что обусловлено ее промежуточным положением между жесткими и мягкими кислотами по характеру образования связей. Медь редко связывается с серосодержащими протеинами. В некоторых случаях дефицит меди в организме человека имитирует хроническую его интоксикацию. Канцерогенные и мутагенные свойства меди не установлены. Цинк относительно широко распространен в биосфере Земли. С точки зрения физиологии цинк – необходимый элемент как для человека и животных, так и для растений. Физиологическая его активность в организме связана главным образом с деятельностью многих ферментов (например, карбоангидразы) и гормонов. Цинк является составной частью многих энзимов. Установлено его участие в процессах синтеза нуклеиновых кислот, РНК и ДНК полимераз. Таким образом, он участвует в процессах восстановления тканей у млекопитающих. Ряд других физиологических процессов – гормональный метаболизм, иммунная реакция, стабилизация рибосом и мембран клеток – также осуществляется с участием цинка. В организме цинк снижает токсичность кадмия и меди.

14

3

12.

Составление отчета

Отчет о проделанной работе должен содержать: 12.1. Введение, в котором следует отразить источники загрязнений окружающей среды тяжелыми металлами, возможные последствия такого загрязнения при превышении ПДК в пищевых продуктах и продовольственного сырья, а так же последствия недостачи исследуемых микроэлементов для человека. Изложить принцип метода ИВА и области его применения. 12.2. Привести расчеты концентрации определяемых металлов в выданной преподавателем задаче. 12.3. Отчет о проделанной работе подписывается преподавателем после собеседования. Вопросы для собеседования

Токсичность цинка для человека во многом зависит от его синергизма или антагонизма с другими металлами, особенно с кадмием. Недостаток цинка в организме человека проявляется в подавлении ферментной активности и иммунной реакции организма, а также в более медленном заживлении ран. Кадмий относится к числу редких, рассеянных элементов. По своим свойствам он близок к цинку и содержится как примесь в цинковых рудах. Соединения кадмия, независимо от их агрегатного состояния, очень ядовиты. По своей токсичности кадмий аналогичен ртути и мышьяку. Менее растворимые его соединения действуют в первую очередь на дыхательные пути и желудочно-кишечный тракт, а более растворимые – после всасывания в кровь – поражают центральную нервную систему (сильное отравление), вызывают дегенеративные изменения во внутренних органах (главным образом в печени и почках) и нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Кадмий способен замещать цинк во многих жизненно важных энзиматических реакциях, приводя к их разрыву или торможению. Свинец принадлежит к числу малораспространенных элементов. Свинец является одним из сильных токсикантов для живых организмов. Установлено, что неорганические соединения (Pb2+) нарушают обмен веществ и выступают ингибиторами ферментов. Свинец имеет сходство с кальцием в процессах отложения и ремобилизации его из скелетов организмов. Поступление свинца в организм человека происходит главным образом через дыхательные пути, что свидетельствует о высоком его содержании в атмосферных выпадениях.

характеристикой определяемого металла: Cu (-0,1 В), Cd (-0,7 В), Pb (-0,4 В), Zn (-1,0 В). Потенциалы пиков окисления определяемых металлов указаны ориентировочно и зависят от состава раствора в ячейке. 10.2. Вводят в ячейку пипеткой добавку рабочих стандартных растворов определяемых элементов с известными концентрациями металлов (например, 10 или 1000 мкг/см3), так, чтобы высоты пиков увеличились в 1,5 – 3 раза. Регистрация вольтамперограммы пробы с добавками проводится в тех же условиях и с теми же параметрами прибора, что и для пробы без добавок. Общий объем добавленных растворов не должен превышать 5% от исходного объема раствора в ячейке. 10.3. Определяют концентрации металлов в соответствии с п. 10. 10.4. После проведения серии анализов в конце работы ячейку тщательно промывают бидистиллированной водой.

4

13

11.

Обработка результатов измерений

Расчет концентрации ионов металлов в анализируемой пробе выполняют по формуле либо с помощью программного обеспечения «Анализ»: С = [(h-hx) * Cст *Vст * V0] / [(H-h) * (V0 + Vст) * V], где

мг/дм3;

С – концентрация ионов металла в пробе воды,

h – высота пика определяемого металла до добавки стандартного раствора (мм); hx - высота пика определяемого металла в растворе «холодного» опыта (мм); H - высота пика определяемого металла после добавки стандартного раствора (мм); Cст - концентрация добавляемого стандартного

постепенно (в течение 0,5-1,0 ч) повышают температуру до (450±25)0С; выдерживают 30 мин. Стаканчик (тигель) с образовавшейся золой вынимают из муфеля. Если в золе присутствуют угольные включения, повторяют обработку пробы азотной кислотой (0,5 см3). Повторно помещают стаканчик с пробой в муфельную печь и выдерживают при температуре 4500С еще в течение 20-25 мин. Для зерна допускается минерализация при 500 0С. Стаканчик вынимают из муфеля. В том случае, если зола однородна, белого, серого и рыжеватого цвета. Стаканчик (тигель) с золой охлаждают до комнатной температуры. Растворяют осадок в 1,0 см3 HCl концентрации 6,0 моль/дм3 при перемешивании и нагревании до температуры 60-80 0С. пробу упаривают при температуре 100-120 0С до влажных солей (не досуха!) и добавляют 10,0 см3 бидистиллированной воды (при анализе жидких продуктов, кроме молока) и фонового раствора (при анализе твердых и молочных продуктов). Из полученного минерализата (Vмин= 10,0 см3) для ИВ-измерения отбирают аликвоту соответствующего объема (Vал.). Объем аликвоты зависит от содержания элементов в пробе и равен, как правило, 0,2-1,0 см3. При анализе алкогольных и безалкогольных напитков для ИВ-измерений часто берут весь объем минерализата. В этом случае Vал = Vмин. 9.2. Подготовка холостой (контрольной) пробы Подготовку холостой или контрольной пробы проводят по п.8.1., приливая соответствующие реактивы в тех же количествах и в той же последовательности, но без пробы анализируемого объекта, используя вместо нее бидистиллированную воду.

Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ МЕТОДОМ ИНВЕРСИОННОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ Цель работы: экспериментальное определение содержание ионов тяжелых металлов (Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+) в пищевых продуктах методом инверсионной вольтамперометрии. 1. Определения Аттестованная смесь (АС) – средство измерения в виде смеси веществ, не предназначенное для серийного производства, метрологические характеристики которого установлены методом аттестации по процедуре приготовления. АС готовят на месте применения в соответствии с методикой, регламентированной в утвержденной документации; Основной раствор – раствор ионов компонента, приготовленный из государственного стандартного образца (ГСО) или реактива, необходимый ля приготовления аттестованной смеси; Вольтамперограмма кривая зависимости тока анодного растворения элементов от потенциала электрода. 2. Принцип метода

10.1. Регистрируют вольтамперограмму фонового раствора. Значение потенциала пика является качественной

Количественный химический анализ проб пищевых продуктов и продовольственного сырья на содержание ионов токсичных элементов (Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+) основан на инверсионно-вольтамперомерическом (ИВ) методе определения массовых концентраций элементов в растворе подготовленной пробы.

12

5

10.

Выполнение измерений

Метод ИВ-измерений основан на способности элементов электрохимически осаждаться на индикаторном электроде из анализируемого раствора при задаваемом потенциале предельного диффузионного тока, а затем растворяться в процессе анодной поляризации при определенном потенциале, характерном для каждого элемента. Процесс электроосаждения элементов на индикаторном электроде проходит при заданном потенциале электролиза в течение заданного времени электролиза. Электрорастворение элементов с поверхности электрода проводят в режиме меняющегося потенциала (линейном или

Подготовка проб анализируемых объектов к ИВизмерениям проводится по одному из представленных способов (п. 1). Способ подготовки проб продуктов пищевых и продовольственного сырья заключается в проведении минерализации путем сочетания «мокрого» и «сухого» озоления. «Мокрого» минерализация проб с помощью азотной кислоты и пероксида водорода позволяет эффективно окислить органическую матрицу, а кроме того удалить хлорид-ионы из раствора, чтобы предотвратить улетучивание в дальнейшем хлоридов металлов при «сухой» минерализации. Метод пригоден для всех трех групп объектов (см. табл. 1) При анализе твердых продуктов пробы предварительно гомогенизируют. Способы гомогенизации указаны в НД на методы отбора проб. 9.1. Подготовка проб всех трех групп продуктов к ИВ-измерениям В чистый кварцевый или фарфоровый стаканчик или кварцевый тигель вместимостью 15-20 см3 помещают навеску или объем анализируемой пробы любой из трех групп продукции в соответствии сданными. Приведенными в таблице 1 для способа 1. навеску пробы взвешивают с точностью до 0,001 г; объем измеряют пипеткой с точностью до 0,01 см3. Сухую навеску пробы смачивают бидистиллированной водой так, чтобы навеска пробы была смочена полностью. Исходный объем алкогольных и безалкогольных напитков уменьшают в 2-3 раза при помощи упаривания пробы напитка при температуре 100-1300С, избегая разбрызгивания пробы. Затем пробу обрабатывают. Добавляя 2,5-3,0 см3 перегнанной азотной кислоты. Стаканчик (тигель) с пробой нагревают на электроплитке при температуре 1201500С до влажного осадка. Повторно обрабатывают пробу, добавляя 1,5-2,0 см3 азотной кислоты. Стаканчик (тигель) помещают в муфельную печь при температуре (300±25)0С и

6

11

Общая схема анализа проб методом ИВА Подготовка прибора, электродов, растворов и т.д. Подготовка проб Проверка электрохимической ячейки ИВА-измерения при анализе пробы Съемка ВА-кривой пробы Введение добавки АС элемента Съемка ВА-кривой + добавка Расчет концентрации

7.2. Электробезопасность при работе с электроустановками по ГОСТ 12.1.019 7.3. Запрещается включать в сеть приборы и работать на низ без заземления и разрешения преподавателя. 8.

Подготовка к выполнению измерений

8.1. Отбор проб продовольственного сырья и пищевых продуктов на анализ проводят в соответствии с ГОСТ или другим конкретным нормативным документом, регламентирующим отбор проб конкретных видов и типов продовольственного сырья и пищевых продуктов. 8.2. Подготовка лабораторной посуды Стеклянную химическую посуду обезжиривают 10%м водным раствором гидроокиси натрия в течение нескольких часов и ополаскивают бидистиллированной водой. Затем посуду обрабатывают концентрированной серной кислотой и промывают бидистиллированной водой. Электроды (индикаторный, вспомогательный, сравнения) перед использование ополаскивают бидистиллированной водой, выдерживают в растворе хлористводородной кислоты концентрации 0,1 моль/дм3 в течение 2-3 мин и вновь ополаскивают бидистиллированной водой. Фарфоровые тигли (чаши) после обычной мойки обрабатывают горячим раствором азотной кислоты, затем промывают водопроводной и многократно ополаскивают дистиллированной водой, затем бидистиллированной водой. Устанавливают режим работы полярографа согласно с инструкцией по эксплуатации и по техническому описанию соответствующего прибора. Проверку работы приборов проводят согласно инструкции к прибору. 9. Подготовка проб к ИВ-измерениям

другом) при заданной чувствительности прибора. Регистрируемая вольтамперограмма содержит аналитические сигналы (максимальные анодные токи) определяемых элементов. Аналитический сигнал элемента прямо пропорционально зависит от концентрации определяемого по методу добавок аттестованной смеси определяемых элементов. Массовые концентрации элементов в испытуемом растворе пробы определяют по методу добавок аттестованная смесь (АС) определяемых элементов. Величины навесок или объемы для различных проб пищевых продуктов и продовольственного сырья приведены в таблице 1. Пищевые продукты условно разделены на группы: 1 – «твердые» продукты; 2 – молоко и молочные продукты; 3 – алкогольные и безалкогольные напитки. Таблице 1. Группа объекта

Объект анализа

1

Плоды, овощи и продукты их переработки Мяса, рыба, яйца и продукты их переработки Мука, крупа, зерно и продукты их переработки Хлеб, хлебобулочные и кондитерские изделия Чай, кофе, какао Молоко и молочные продукты Алкогольные и безалкогольные напитки

2 3

Для анализа проб пищевых продуктов и продовольственного сырья одновременно используют две параллельные и одну холостую (контрольную).

10

7

Навеска, г, или объем, см3 2 2 2-4 2-4 2-4 2 0,5-2

3.

Экспериментальная часть

3.1. Включение полярографа Загрузить программу PLS-2, включить полярограф в электросеть. Провести тестирование прибора. 3.2. Проверка работы твердого индикаторного электрода В ячейку (стеклоуглеродный тигель) наливают мерным цилиндром 20 см3 раствора фона. Устанавливают в ячейку хлоридсеребряный электрод сравнения, индикаторный и вспомогательный электроды. Включают ячейку, регистрируют вольтамперограмму и выключают ячейку. Устанавливают потенциал очистки индикаторного электрода 0,0 В и включают ячейку. По окончании времени электрохимической очистки выключают ячейку, нажимают кнопку СБРОС развертки. Измеряют высоты пиков Cu (-0,1 В), Cd (-0,6 В), Pb (0,45 В), Zn (-0,9 В). Потенциалы пиков окисления определяемых металлов указаны ориентировочно и зависят от состава раствора в ячейке. 4.

Средства измерений

поддержание заданного температурного режима от 40 до 1500С с погрешностью ± 50С. 4.7. Муфельная печь типа ПМ-8 или МР-64-02-15 по ГОСТ 9736, обеспечивающая поддержание заданного температурного режима от 150 до 6000С с погрешностью ± 250С. 5.

Посуда

5.1. Пипетки объемом 1-25 см3 5.2. Колбы мерные объемом от 50 до 1000 см3 5.3. Цилиндры мерные объемом от 25 до 100 см3 5.4. Сменные стаканчики-электролизеры из кварцевого стекла вместимостью 15-20 см3 или стакан стеклянный вместимостью 50 см3 5.5. Выпарительная чашка №3 вместимостью 100 см3 по ГОСТ 29225 (способ 2) 5.6. Тигли или чаши фарфоровые лабораторные вместимостью 20-30 см3 по ГОСТ 29225 или чашки или тигли кварцевые вместимостью 20-5- см3 по ГОСТ 19908 5.7. Палочки стеклянные по ГОСТ 21400 5.8. Эксикатор по ГОСТ 25336 6.

Реактивы, растворы

4.1. Полярограф универсальный ПЛС-1 или ПЛС-2 с твердым графитовым индикаторным электродом, платиновым вспомогательным электродом и хлоридсеребряным электродом сравнения. 4.2. Программное обеспечение «Анализ» версия 2.01 или 2.02. 4.3. Весы лабораторные аналитические 2-го класса точности типа ВЛР-200. 4.4. Центрифуга лабораторная марки ОПн-8 4.5. Плитка электрическая с закрытой спиралью по ГОСТ 14919 4.6. Шкаф сушильный, обеспечивающий

6.1. Вода дистиллированная и бидистиллированная по ГОСТ 6709 6.2. Фоновый раствор (выдается преподавателем) 6.3. Стандартные растворы металлов (выдается преподавателем)

8

9

7. Техника лабораторной работы

безопасности

выполнения

7.1. При выполнении анализов необходимо соблюдать требования техники безопасности при работе с химическими реактивами по ГОСТ 12.2.3.4.021