XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение содержания железа в продуктах питания

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гололобова Д.А. 1

---

1АНОО Ломоносовская школа Зелёный мыс

Сивопляс Е.А. 1

---

1АНОО Ломоносовская школа Зелёный мыс

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Железо в нашей жизни имеет "огромную" роль. Оно стало известно человеку ещё много тысяч лет назад, может существовать как металл, так и как микроэлемент. Железо очень важный и ценный металл как для промышленности, так и для жизнедеятельности живых организмов.

Цель работы: Определение содержания железа в продуктах питания

Задачи:

1. Провести анализ литературных данных по железу как микроэлементу

2. Узнать какие существуют заболевания при дефиците железа

3. Определить методы для определения содержания железа

4. Провести анализ продуктов питания на наличие железа

Актуальность: Все мы должны беречь своё здоровье. Знание содержания количества железа в разных продуктах питания необходимо для отслеживания уровня гемоглобина в крови. Нормальноесодержание гемоглобина позволяет качественно усваивать кислород, необходимый для нормального функционирования организма. Поэтому нам необходимо знать продукты, в которых содержится микроэлемент железо, чтобы постоянно включать его в рацион питания. А также необходимо учитывать правильный набор других микроэлементов, ведь совместное употребление некоторых микроэлементов может приводить к их неусвоению.

1. Анализ литературных данных

Простое вещество железо представляет собой ковкий металл с серебристо-белым оттенком. Благодаря специфическим свойствам металла и его сплавов, железо характеризуют как один из наиболее важных металлов для человека. Поскольку этот металл обладает высокой прочностью и твердостью, его с древности использовали для изготовления оружия, доспехов и других военных и бытовых инструментов. Но в нашей работе мы говорим о железе как микроэлементе.

1.1 Железо как микроэлемент

Основными функциями железа, как микроэлемента в организме являются стимулирование иммунитета в ответ на инфекцию, регулирование роста и нормального развития ребенка, поддержка работы щитовидной железы и другие. Железо играет важнейшую роль в образовании крови и ее циркуляции. Так, гемоглобин (Hb - haemoglobinum; от греч. haima - кровь + лат. globus - шарик), входящий в состав эритроцитов (красных кровяных телец) состоит большей частью из железа, благодаря которому кровь и окрашена в красный цвет. Основная функция гемоглобина – связываться с кислородом и доставлять кровь ко всем органам и тканям, питая их. После отдачи кислорода гемоглобин связывается с углекислым газом, который доставляет назад, к легким, что и является продуктом, выдыхаемым человеком или позвоночным животным [5].

Среди биоэлементов, важных для жизнедеятельности всех живых существ, железо играет доминирующую роль, так как оно является активатором многих каталитических процессов в организме и участвует в транспортировке газов кровью. В организме взрослого человека содержится около 3,5 г железа.

Средний пищевой рацион человека должен содержать не менее 20 мг железа. Всасывание железа происходит преимущественно в 12-перстной кишке, но в условиях дефицита железа в организме может всасываться уже в желудке, а также кишечнике. Железо выделяется с мочой (около 0,5 мг в сутки), а также потовыми железами.

Кроме того, в процентном соотношении, железо в организме присутствует в следующих видах — гемоглобин (68%), ферритин (27%), миоглобин (4%), трансферрин (1%). Концентрации железа (III) отражены в таблице 1:

Синтез железа в организме происходит в клетках печени (гепатоцитах), а в клетках селезенки оно освобождается при постоянном распаде эритроцитов.

1.2 Норма потребления железа

Железо входит в состав различных по своей функции белков, в том числе ферментов. Участвует в транспорте электронов, кислорода, обеспечивает протекание окислительно-восстановительных реакций и активацию перекисного окисления. Недостаточное потребление ведет к гипохромной анемии, повышенной утомляемости, атрофическому гастриту.

Среднее потребление в разных странах 10-22 мг/сут., в Российской Федерации -17 мг/сут. Установленные уровни потребностей для мужчин 8-10 мг/сут. и для женщин 15-20 мг/сут. Верхний допустимый уровень потребления не установлен.

Физиологическая потребность для взрослых - 10 мг/сут. (для мужчин) и 18 мг/сут. (для женщин).

Физиологическая потребность для детей – от 4 до 18 мг/сут.

Нормы отражены в таблице 2.

Таблица 2. Рекомендуемая суточная норма потребления железа в зависимости от возраста (мг):

1.3 Гемоглобин

Основная масса железа сконцентрирована в дыхательном пигменте эритроцитов - гемоглобине. Это сложный белок, молекула которого состоит из двух частей (рис. 1): белковой (глобин) и железосодержащей (гем). Гем - комплекс железа с порфирином (замкнутым циклом из четырех пиррольных колец). В составе молекулы гемоглобина четыре гема, и в каждом по атому железа. И хотя на долю этих атомов приходится всего 0,35% массы огромной молекулы, именно железо придает ей уникальное свойство - способность захватывать молекулярный кислород и отдавать его там, где он нужен [6].

Рисунок 1. Структура гемоглобина Рисунок 2. Последовательность белка гемоглобина

Гемоглобин человека гетерогенен, что обусловлено различием полипептидных цепей, входящих в его состав. Так, гемоглобин взрослого человека, составляющий 95—98% гемоглобин крови (HbA), содержит две α- и две β-цепи (рис. 2). Малая фракция гемоглобин (HbA2), достигающая максимального содержания 2,0—2,5%, содержит две α- и две σ-цепи. Гемоглобин плода (HbF), или фетальный гемоглобин, составляющий в крови взрослого человека 0,1—2%. состоит из двух α- и двух γ-цепей [8].

При врожденных аномалиях и заболеваниях кроветворного аппарата появляются аномальные типы гемоглобин, например, при серповидно-клеточной анемии. Наиболее часто встречается замещение единственной аминокислоты в одной паре полипептидных цепей.

Значительная часть железа содержится в мышечном белке — миоглобине, который также способен обратимо связывать молекулярный кислород. При недостатке железа в организме человека (или большой потере его) развивается железодефицитная анемия. Даже незначительный дефицит железа ведет к утомлению, ухудшению способностей к обучению, ослаблению иммунной системы, снижению температуры тела, поседению волос, повышению ломкости ногтей, потере физической силы и выносливости, а также уменьшению выработки тиреоидного гормона. Рак желудка также связан с истощением запасов железа в организме.

1.4 Железо в продуктах питания

Таблица 3. Содержание железа в продуктах животного происхождения

Продукты животного происхождения, содержащие железо, называются – гемовые (табл. 3). Продукты с Fe растительного происхождения – негемовые. Врачи и многие диетологи утверждают, что гемовые продукты усвояются организмом лучше (почти в 2 раза), нежели растительные источники, однако другая часть тех же самых диетологов опровергают этот факт. «Негемовое железо» лучше задерживается в организме. Кроме того, железо содержится в ферритине – белке, в составе которого железо запасается в тканях и гемосидерине - тёмно-жёлтый пигмент, состоящий из оксида железа. Гемосидерин образуется при распаде гемоглобина и последующем изменении структур молекул белка ферритина [9].

Продукты, содержащие железо:

1) печень, красное мясо

2) рыба, морепродукты

3) растительная пища (шпинат, бобы, орехи)

4) яйца

5) тёмный шоколад

Таблица 4. Содержание железа в продуктах питания [10]

При выборе пищевого рациона следует ориентироваться не на общее содержание железа в продуктах, а на форму, в которой оно представлено. Из продуктов растительного происхождения наиболее богаты железом шиповник, гречневая крупа, геркулес, груша, яблоки, слива, абрикосы (табл. 4). Но несмотря на высокое содержание железа в некоторых из этих продуктов, они не в состоянии обеспечить потребности организма. Необходимо отметить, что продукты из мяса, рыбы, печени увеличивают усвоение железа из овощей и фруктов при одновременном их применении.

Компенсировать дефицит железа без лекарственных железосодержащих препаратов невозможно [1]. К таким препаратам относятся: «Феррум Лек», «Фенюльс», «Ферлатум» и другие.

Гемовое железо входит в состав гемоглобина [3]. Оно содержится в мясе (особенно много его в печени и почках), а негемовое - в растительной пище. Если гемовое железо усваивается хорошо, то негемовое значительно хуже. Чтобы организм лучше усвоил его, железо должно быть обязательно двухвалентным (Fe²⁺), трёхвалентное не усваивается вообще. А для преобразования трёхвалентного железа в двухвалентное нужен специфический окислитель, например, витамин С. Поэтому усвоению железа способствуют витамин В12, пепсин, медь и витамин С [4], особенно если они поступают из источников животного происхождения. В тоже время избыток кальция (молочные продукты), избыток танинов (чай, кофе, красное вино, какао, кока-кола), а также фосфаты, входящие в состав яиц, сыра и молока, ухудшают его усвоение (табл. 5). Витамин Е и цинк в высоких концентрациях также снижают усвоение железа. Некоторые продукты (например, содержащие фитин и разные пищевые волокна) «связывают» железо и выводят его из организма через кишечник. В рафинированных же продуктах (очищенных или подвергшихся длительной кулинарной обработке) образуются плохо растворимые соединения железа, которые практически не усваиваются [12, 13].

Таблица 5. Вещества, влияющие на всасывание негемового железа

1.5 Железодефицитная анемия

Железодефицитной анемией называют состояние, при котором в организме наблюдается дефицит железа, что провоцирует уменьшение количества эритроцитов. Также анемия характеризуется снижением уровня гемоглобина, уменьшением средней концентрации гемоглобина в одном эритроците при снижении сывороточного железа и повышенной железосвязывающей способности сыворотки крови (ЖСС). В результате развиваются различные нарушения в работе организма, в первую очередь связанные с неполноценным протеканием газообмена. Поэтому для железодефицитной анемии характерна слабость, головокружения и даже потеря сознания, а также ряд других изменений в состоянии. Подобное может быть следствием как недостаточного поступления железа с пищей, так и нарушением его усвоения в организме или чрезмерного расходования [11].

Поэтому железодефицитная анемия не может быть первичным заболеванием. Она всегда является следствием возникновения тех или иных нарушений. При этом на нее приходится порядка 80% всех анемий, что требует внимательного отношения к этой проблеме и ее детального рассмотрения. Установление диагноза анемии проводится на основании общеклинического анализа крови и исследования показателей, характеризующих скорость образования ферритина. ЖДА является гипохромной, то есть цветовой показатель крови, вследствие недостатка гемоглобина, меньше 0,8, как правило, в виде лёгкой и среднетяжёлой форм. Решающим методом диагностики ЖДА является определение показателей обмена железа, так называемых феррокинетических показателей [7].

Рисунок 3. Структура крови человека с железодефицитной анемией

В норме железо поступает в организм вместе с растительной и животной пищей (рис. 4). Часть железа накапливается в слизистой оболочке тонкого кишечника, а остальное всасывается в кровь. Причем в сутки может всасываться не более 2,5 мг железа. В крови его связывает белок трансферрин, за продукцию которого отвечает печень. Количество всасываемого и депонированного в кишечнике железа регулируется в зависимости от его уровня в организме. Если с пищей поступает избыток железа, оно в большем объеме задерживается в клетках слизистой оболочки тонкого кишечника, которые впоследствии естественным образом слущиваются и выводятся вместе с каловыми массами.

Из-за снижения способности образования гемоглобина и других железосодержащих белков происходит развитие железодефицитной анемии и других обменных нарушений [2]. В результате снижения продукции гемоглобина образующиеся молодые эритроциты имеют меньшие размеры, а их общее количество уменьшается.

Рисунок 4. Распределение железа в организме Рисунок 5. Симптомы анемии

4 причины развития ЖДА:

1) недостаточное поступление железа в организм с пищей;

2) увеличение потребности организма в железе;

3) нарушение его всасывания;

4) нарушение транспортировки железа по организму

Симптомы ЖДА представлены на рисунке 5.

Появление железодефицитной анемии можно представить в виде нескольких стадий, в ходе которых идет изменение концентраций железа (III). Так, например, в составе красного мозга содержание железа (III) снижается до нуля. Красный костный мозг является центральным звеном иммунной системы, главным органом кроветворения и скоплением (депо) крови. Здесь созревают клетки крови из стволовых клеток красного мозга, которые попадают в общий кровоток организма.

Остальные значения на различных стадиях развития железодефицитной анемии представлены в таблице 6.

Таблица 6. Стадии развития железодефицитной анемии

(Danielson с соавт., 1996)

1.6 Серповидно-клеточная анемия

Генная мутация полипептидной цепочки гемоглобина наследуется по аутосомно-рецессивному и кодоминантному типу [14]. В результате наблюдается преждевременное разрушение эритроцитов с выбросом гемоглобина в плазму крови и распад эритроцитов, обусловленный низкой способностью гемоглобина связывать и переносить кислород.

Изменённая последовательность аминокислотных остатков в гемоглобине приводит к:

повышению вязкости крови,

гемолизу (разрушению эритроцитов, сопровождающемуся выбросом железа в кровь),

приступам болей в суставах, скелете, мышцах,

расстройству кровообращения в мозге, почках и селезёнке вследствие образования тромбов.

Серповидно-клеточная анемия весьма распространена в регионах мира (рис. 6), эндемичных по малярии (болотной лихорадки) – острой инфекции, передающаяся через кровь комарами рода Anopheles. Характеризующаяся периодическими лихорадочными приступами, чередующимися с безлихорадочными периодами, закономерность появления которых соответствует циклу развития возбудителя, с преимущественным поражением эритроцитов, анемией, увеличением печени и селезенки. Малярию вызывают некоторые виды малярийного плазмодия – паразитические одноклеточные организмы (рис. 7). Переносчиками малярийного плазмодия являются: позвоночные и комар. Причём больные серповидно-клеточной анемией обладают повышенной (хотя и не абсолютной) врождённой устойчивостью к заражению различными штаммами малярийного плазмодия. Заболевание носит семейный характер и проявляется в тяжёлой и лёгкой форме. Тяжёлая форма обусловлена гомозиготным рецессивным состоянием аномального гена.

Рисунок 6. Распространение малярии среди Рисунок 7. Малярийный плазмодий в клетках

стран мира крови.

Больные погибают в раннем детстве или при достижении половой зрелости от тяжёлой гемолитической анемии с низким гемоглобином [15]. Лёгкая форма наблюдается при гетерозиготном носительстве того же гена. Ведь у лиц гетерозиготных по гену гемоглобина в эритроцитах содержится как аномальный, так и нормальный гемоглобин, поэтому заболевание у них проявляется в очень лёгкой форме лишь в условиях кислородной недостаточности.

2. Материалы и методы

Материалы:

m (Fe³⁺) = 100 мг, ʋ (Fe³⁺) = 100/56 = 1,785 ммоль; ʋ (FeCl₃) = 1,785 ммоль;

m (FeCl₃) = 1,785*162,5 = 290 мг. Взвесили 290 мг (0,29г) хлорида железа (III) и растворили в 1л дистиллированной воды. Путём разбавления данного раствора (в 2 раза, в 3 и т.д.) получили остальные концентрации. Например, брали 500мл исходного раствора с концентрацией 100 мг/л и добавляли 500 мл дистиллированной воды. В каждый раствор был добавлен роданид калия. Получили колориметрическую шкалу:

Рисунок 11. Колориметрическая шкала Рисунок 12. Колориметрическая шкала в

пробирках.

Для удобства были отобраны аликвоты каждого раствора и разлиты по пробиркам:

Аликвоты - точно измеренные кратные части объёма раствора, взятые для анализа, которые сохраняют концентрацию основного образца.

Рисунок 13. Взвешивание и фильтрование. Рисунок 14. Растирание навески в смеси

азотной кислоты и перекиси водорода.

Затем мы готовили пробы для анализа. Продукты были взяты из дома и из школьной столовой. Для этого взвешивали на весах по 10г продуктов, растирали их в ступке пестиком с добавлением азотной кислоты и перекиси водорода (рис. 13). После фильтрации полученную вытяжку (рис.14) наливали в отдельную пробирку и проводили качественную реакцию с роданидом калия.

Полученную в экспериментальной пробирке окраску сравнивали со стандартной колориметрической шкалой.

3. Результаты

Для анализа полученных данных произвели перерасчет, используя пропорцию. Например, расчет для лесного ореха:

В 10 г навески – 0,3 мг железа (III),

В 100 г - Х мг железа (III).

Х = 0,3*100 / 10 = 3 мг.

Рисунок 15. Результаты анализа

Аналогично получаем значения для остальных продуктов питания. Составляем таблицу 7 на основе полученных данных:

При анализе полученных данных значения содержания железа в таких продуктах как куриная грудка, чернослив, курага, грецкий орех, лесной орех, миндаль и яблоко, почти полностью совпало с литературными данными. В говядине содержание железа несколько меньше средних значений, а в свинине, шпинате, кешью и говяжьей печени – выше значений, полученных из источников. Все исследуемые продукты содержат железо. При этом содержание железа в продуктах по колориметрической шкале колеблется от 0,2 до 2 мг/л.

Таблица 7

Содержание железа (III) в продуктах питания

В целом, по результатам исследования содержание железа в продуктах, взятых для анализа, численно соответствует данным из литературных источников. Наибольшее содержание железа Fe³⁺ наблюдается в говяжьей печени, черносливе и кураге.

Выводы:

1. Провели анализ литературных данных по железу как микроэлементу и узнали связанные с ним заболевания.

2. В качестве метода для определения содержания железа была выбрана колориметрия с роданидом калия.

3. По результатам исследования содержание железа в продуктах, взятых для анализа, численно соответствует данным из литературных источников. Наибольшее содержание железа Fe³⁺ наблюдается в говяжьей печени, черносливе и кураге.

Заключение

Железо - важный металл для промышленности, а в виде иона - для жизнедеятельности живых организмов, ведь без него организм человека не может нормально функционировать.

Дефицит данного микроэлемента связан с такими заболеваниями как железодефицитная, серповидно-клеточная и ряда других видов анемий. Во избежание развития дефицита железа нужно обязательно включать в свой рацион питания продукты, содержащие данный микроэлемент.

Также, нам необходимо знать содержание количества железа в разных продуктах питания для отслеживания уровня гемоглобина в крови. Нормальное содержание гемоглобина позволяет качественно усваивать кислород, важный для нормального функционирования организма. Поэтому нам обязательно надо знать продукты, в которых содержится микроэлемент железо, чтобы постоянно включать его в рацион питания.

Нами было проанализировано содержание железа в наиболее популярных продуктах питания, которые были взяты из дома и школьной столовой. Во всех них в той или иной степени содержалось железо. Наиболее богатыми по содержанию Fe³⁺ оказались говяжья печень, чернослив и курага. Данные продукты обязательно должны присутствовать в рационе для предотвращения дефицита железа. А также необходимо учитывать правильный набор других микроэлементов, ведь совместное употребление некоторых микроэлементов может приводить к их неусвоению.

Список использованной литературы:

Антонова, М. Как повысить гемоглобин: моногр. / М. Антонова. - М.: Вектор, 2012. - 510 c.

Дворецкий Л.И. Сульфат железа в лечении железодефицитной анемии: позиции сохраняются // Терапевтический архив. 2017. №10. С.108-112.

Евлаш В.В., Погожих Н.И., Акмен В.А. Научные аспекты технологий продуктов антианемической направленности со стабилизированным гемовым железом [Электронный ресурс]: монография. – Харьков: ХГУПТ, 2016. – 215 с.

Ильина И.Ю., Доброхотова Ю.Э. Эффективность применения железа сульфата с аскорбиновой кислотой у беременных // Медицинский совет. 2019. №7. С.76-80.

Ковалева А.С., Кубалова Л.М. биологическая роль железа и его соединений // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 7-2. – С. 89-89;

Козинец Г. И. Гемоглобин и спорт / М.: Практическая медицина, 2016. - 444 c.

Константинова С.А. Гигиеническая оценка качества питания и риска железодефицитной анемии у студентов-девушек. // Формы и методы социальной работы в различных сферах жизнедеятельности: материалы IV Международной научно-практической конференции, посвященной 10-летию открытия первого в Бурятии кабинета медико-социальной помощи в поликлиническом звене. ВСГУТУ. 2015. – С.179-181

Коржуев, П. А. Гемоглобин. Сравнительная физиология и биохимия / П.А. Коржуев. - М.: Наука, 2017. - 288 c.

Кривенцев Ю. Гетерогенная система гемоглобинов: / М.: Palmarium Academic Publishing, 2012. - 104 c.

Методические рекомендации MP 2.3.1.2432-08 "Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации" (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 18 декабря 2008 г.)

Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 16 сентября 2003 г. N 148 «О дополнительных мерах по профилактике заболеваний, обусловленных дефицитом железа в структуре питания населения».

Распоряжение Правительства РФ от 25 октября 2010 г. N 1873-р Об утверждении Основ государственной политики РФ в области здорового питания населения на период до 2020 г.

«Стратегическая программа исследований Технологической платформы «Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания» на 2014 – 2020».

Румянцев А.Г. с соавт. Распространенность железодефицитных состояний / Мед. совет, 2016. - №6 - С.62-66

Филатов. Л.Б. Анемии: Метод. пособие для врачей / Екатеринбург., 2006. - 91 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

1. Приготовление навески 2. Результаты эксперимента