XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Содержание макро и микроэлементов в фруктах и овощах

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пудовинникова Е.В. 1

---

1Негосударственное учреждение "Школа "Престиж", 10 класс

Сокол О.В. 1

---

1КазНУ им. Аль-Фараби

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы: экспериментально определить содержание макро и микроэлементов в отдельных продуктах питания и наиболее богатые рекомендовать для регулярного употребления.

Объектом исследования является макро и микроэлементы (магний, фосфор, кальций, железо, цинк).

Предмет исследования – продукты (фрукты, овощи).

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- проанализировать и изучить научную, популярную, учебную литературу по данному вопросу;

- проанализировать влияние макро и микроэлементов на организм человека, его биологическую роль;

- ознакомиться с методикой проведения эксперимента - и экспериментально определить содержание макро и микроэлементов;

- проанализировать полученные результаты и выяснить в каком количестве содержатся макро и микроэлементы в фруктах и овощах, и сравнить полученные результаты с литературными данными.

Выполняя данную работу, были использованы следующие методы исследования:

теоретические методы: сбор и анализ информации по данной теме с использованием различных литературных источников;

эмпирические методы: наблюдение, сравнение, эксперимент;

методы измерения: отмерять определённый объём продукта, проводить взвешивание.

приготовление растворов, растворение;

метод микроволнового разложения

метод инструментального химического анализа - масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС).

РАЗДЕЛ 1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Макро и микроэлементы - это химические элементы, необходимые живым организмам для обеспечения нормальной работы всех главных систем: иммунной, нервной, эндокринной, пищеварительной, сердечно-сосудистой, мышечной (участвуют в процессе сокращения мышц). Их нехватка или полное отсутствие могут привести как к серьезным заболеваниям, так и к гибели организма [1].

Макроэлементы - это элементы, которые слагают основу тел живых организмов. Содержатся в теле взрослого человека в значительных количествах, от десятков граммов (хлор, магний) до десятков килограммов (кислород, углерод); другими словами, к макроэлементам относятся все биоэлементы, содержание которых в организме превышает 0,1 % массы тела.

К макроэлементам, необходимым для нормальной жизнедеятельности нашего организма, относятся кальций, фосфор, калий, сера, натрий, хлор, магний.

К микроэлементам относятся все элементы, содержание которых меньше 0,1 % массы тела. Содержание микроэлементов в организме мало, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы живым организмам. Поддержание их содержания в тканях на физиологическом уровне необходимо для поддержания постоянства внутренней среды (гомеостаза) организма [2].

К микроэлементам, необходимым для нормальной жизнедеятельности нашего организма, относятся железо, медь, селен, йод, хром, цинк, фтор, марганец, кобальт, молибден, кремний, бром, ванадий, бор [3].

1.1. Влияние макро и микроэлементов на организм человека 

Магний - это макроэлемент, который играет важную роль в организме человека. Без него невозможно нормальное функционирование сердечно-сосудистой (поддерживает постоянный сердечный ритм) и нервной системы, органов пищеварения, незаменим он для мышц и костей (вместе с другими минералами укрепляет кости и зубы). Хроническая усталость, перепады настроения, ночные судороги – все это признаки дефицита магния [4].

Фосфор - это макроэлемент, жизненно необходимый для нормального функционирования организма, а именно почек, печени, сердца и мозга. Фосфор необходим для здоровья внутренних органов, суставов и зубов. Также, этот микроэлемент принимает участие в регуляции уровня гормонов.

Недостаток фосфора может привести к слабым костям, склонности к переломам и трещинам, боли в суставах и мышцах, зубному кариесу, изменению аппетита и веса (в любую сторону), онемению, звону в ушах, повышенному уровню беспокойства, проблемам с концентрацией внимания, а также задержки роста и развития.

Кальций – макроэлемент, который регулирует работу нервной системы и мышц, укрепляет кости, повышает иммунитет и снижает аллергические реакции, регулирует работу сердца. Организм не вырабатывает минерал самостоятельно[5].

Железо - важнейший микроэлемент, участвующий в биологических процессах организма. У железа много функций, основные из которых: участие в делении кровяных клеток; доставка кислорода к тканям (в составе гемоглобина); вхождение в структуру ферментов; регуляция образования клеточной энергии; участие в синтезе стероидных гормонов, переработке и расщеплении лекарств; модификация иммунного ответа; замедление процессов старения; стимуляция роста и заживления тканей [6].

Цинк - микроэлемент, который снабжает организм энергией, поддерживает иммунную систему, улучшает пищеварение и обмен веществ и положительно влияет на состояние мозга. Еще одна важная роль цинка — в восстановлении организма, а также поддержании здоровья кожи и слизистых оболочек, способствующих быстрому заживлению ран [7].

Как уже было сказано выше, цинк поддерживает иммунную систему, а значит прием цинка служит защитой против вирусных заболеваний. In vitro выявлена способность этого минерала подавлять размножение SARS-коронавируса (SARS-CoV), а также вируса гриппа H1N1. Данные исследований по коронавирусу позволяет рекомендовать цинк в схеме лечения COVID-19 [8].

1.2. Суточная потребность организма в макро и микроэлементах

Для нормального функционирования организму человека необходимо ежедневно пополнять запас минералов. В литературных источниках фигурируют следующие нормы потребления минералов [9].

1.3. Источники макро и микроэлементов для организма

В современном мире, если организм человека испытывает недостаток минеральных веществ, пополнить его можно употребляя из витаминно-минеральных комплексов. Однако, существует ряд природных источников макро и микроэлементов.

Продукты, содержащие магний: темный шоколад; авокадо; орехи; бобовые; тофу; семена; цельно зерновые продукты; рыба; бананы; листовая зелень [10].

Продукты с высоким содержанием фосфора: семена; орехи; рыба и морепродукты; мясо; молоко; яйца [11].

Продукты, богатые кальцием: молочные продукты; консервированный лосось и сардины; семена, орехи и сухофрукты; фасоль и бобы; зеленые овощи и травы; злаки и зерновые; растительное молоко и апельсиновый сок; сывороточный белок; яичная скорлупа [12].

Продукты, содержащие железо: фрукты (сушёные яблоки, сушёные груши и чернослив, курага, гранат, персик, виноград, яблоки); овощи (морская капуста (ламинария), шпинат, вяленые помидоры, петрушка, укроп); продукты животного происхождения (свиная печень, говяжья печень, говяжьи почки, устрицы, мидии, крольчатина); крупы (чечевица, ячневая крупа, гречка, киноа, перловая крупа) [13].

Продукты, содержащие цинк: моллюски (устрицы, крабы, омары, мидии); мясо (свинина, баранина, говядина, курица, индейка) и яйца; бобовые культуры (чечевица, нут, фасоль); орехи разных видов и семена тыквы; грибы; цельно зерновые культуры (киноа, овес, коричневый рис); некоторые овощи (свекла, капуста, спаржа, горох); молочные продукты (сыр, творог, йогурт, молоко) [14].

РАЗДЕЛ 2

Достоверность анализа определяется многими факторами, наиболее существенными из которых являются подготовка образцов, а также чистота используемых реагентов и посуды. Этапами пробоподготовки для спектрального анализа являются: пробоотбор, измельчение и уменьшение пробы, взятие навески, разложение пробы.

2.1. Пробоподготовка

2.1.1. Измельчение

Для физико-химических исследований пищевых продуктов пробы превращают в однородную массу, для этого применяют разные способы, в зависимости от структуры: хрупкие, крошимые - растирают в ступке или измельчают на лабораторной мельнице (кофемолке); пастообразные и легко разминающиеся - растирают в ступке, а при более плотной консистенции пропускают через мясорубку; сырые овощи измельчают на терке [15].

2.1.2. Уменьшение

Для получения лабораторной пробы (пробы, предназначенной для проведения лабораторных испытаний) объединенную пробу (пробу, полученную путем объединения всех точечных проб, отобранных из различных мест партии) последовательно сокращают таким образом, чтобы масса или объем соответствовали требованиям, предъявляемым к лабораторным и контрольным пробам [16].

Квадратование. Квадратование заключается в том, что перемешанная тем или иным способом проба разравнивается на столе, покрытом линолеумом или клеенкой, и с помощью линейки (или специально изготовленной решетки) делится на квадраты. Затем из квадратов в шахматном или ином порядке отбирается проба (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема квадратования пробы.

2.1.3. Взвешивание

В лабораторной работе для проведения химического анализа используют аналитические весы с точностью взвешивания
± 0,0002 г.

Взвешивание на весах проводят следующим образом:

1. Включить весы. Проверить нулевую точку (на дисплее: «0,0000»).
2. Поместить на чашку весов емкость для взвешивания.
3. Обнулить показания весов (нажать клавишу «тара»).
4. Снять емкость для взвешивания с чашки весов, поставить на
лист чистой бумаги, поместить в него взвешиваемое вещество и вернуть обратно на весы.

5. Записать показания дисплея весов.

2.1.4. Разложение проб

Для разложения проб при пробоподготовке для методов атомной абсорбции и атомной эмиссии с индуктивно-связанной плазмой применяют метод кислотного разложения с нагреванием. Использование метода микроволнового разложения позволяет значительно ускорить процесс, избежать потерь летучих элементов образца и загрязнения пробы извне. Удобно и то, что процесс протекает в автоматическом режиме без контроля оператора

При выполнении данной работы использовали печь с микроволновым нагревом SpeedWaveFore (Berghof, Германия) и автоклавы, изготовленные из фторопласта TFM.

В основе микроволновой технологии пробоподготовке Berghof лежит высоконадежный самогерметизирующийся автоклав для разложения третьего поколения. Автоклавы устанавливаются в специальный ротор и герметизируются с помощью калиброванного тензометрического ключа. При этом предельно допустимое давление во всех автоклавах ротора будет одинаковым. Если давление превысит предельно допустимое для данного типа автоклава значение, то специальное пружинное устройство немедленно сбросит внутреннее давление до допустимых значений, приоткрыв и сразу закрыв ячейку: сбрасывается только давление, при этом образец (включая летучие элементы) остается внутри автоклава [17].

2.2. Метод анализа индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС)

Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) — эторазновидность масс-спектрометрии, отличающаяся высокой чувствительностью и способностью определять ряд металлов и нескольких неметаллов в концентрациях до 10⁻¹⁰%, т. e. одну частицу из 10¹².

Основной областью применения ИСП-МС является анализ жидких образцов, которые образуют ультрадисперсный аэрозоль, ионизирующийся в плазменном разряде [18].

2.3. Проведение эксперимента

Для проведения экспериментальной части была использована посуда: мерные колбы на 50 мл, воронки, химические стаканы, пипетки. Так же в работе использовалось следующие оборудование: механическая терка, электро-измельчитель (блендер), аналитические весы, вакуумная микроволновая печь Berghof, автоклавы из фторопласта.

Для разложения образцов применяли растворы 65 %-ной азотной кислоты и 30 %-ной перекиси водорода.

Содержание металлов в водной фазе определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на квадрупольном масс-спектрометре ICP-MS Agilent 7500a (США). Это современный комплекс определения концентрации элементов с высокой чувствительностью.

Объекты исследования: в качестве объектов исследования нами взяты овощи и фрукты, реализуемые в торговых сетях города Алматы (Рисунок 2). Продукты были куплены в супермаркете «Магнум» и в овощном ларьке «У дома». Для формирования представительной части объединенной пробы были взяты по три точечных пробы каждого сорта из торговых контейнеров.

Рисунок 2 - объекты исследования (овощи и фрукты).

Ход эксперимента:

Измельчаем пробы с помощью терки (рисунок 3);

Рисунок 3 – измельчённые пробы.

Уменьшаем пробы способом квадратования (в 8 раз) (рисунок 4а);

Взвешиваем на аналитических весах пробы массой 0,2 г с точностью 0,0001 г (рисунок 4б, таблица 3). Для каждого образца продукта берется три навески, для проведения необходимых статистических расчетов;

Рисунок 4 – Подготовка образца

а) уменьшение пробы способом квадратования;

б) взвешивание пробы на аналитических весах.

Таблица 3 – Массы навесок проб продуктов

Помещаем пробы в автоклавы (рисунок 5);

С помощью пипетки измеряем и добавляем в автоклавы по 3 мл азотной кислоты и 1 мл пероксид водорода;

Ставим автоклавы в микроволновую печь (программа: vegetable, leaves) (рисунок 6);

Через 45 минут (время разложения), оставляем автоклавы остыть, так как в микроволновой печи автоклавы нагреваются до 200 градусов;

Перемещаем пробы из автоклавов в колбу (рисунок 7).

Рисунок 5 – Тефлоновые автоклавы.

Рисунок 6 - Использование микроволновой печи.

а - программа разложения; б - выбор количества автоклавов и расположения автоклавов; в - закрытие внешней крышки микроволновой печи.

Рисунок 7- Получение жидких проб.

9) Проводим ипытания образцов на ИСП-МС. Прибор выдает содержание элементов в микрограммах на литр раствора (рисунок 8).

10) Проводим математическую обработку результатов. Учитываем массу навесок и разбавление. Для возможности сравнения с литературными данными все результаты пересчитываем в мг на 100 грамм продукта.

Quantitation Report - Summary

File Name : 1M-M1.D

Method : c:\ICPCHEM\ICPSETUP\METHODS\MUL27.M

Calibration : C:\ICPCHEM\1\CALIB\MUL27.C

Acq Time : Mar 7 2022 03:06 pm

Sample Name : morkov 1

Sample Type : Sample

Operator Name: EV

Acq Mode : Spectrum

Cal Type : External Calibration Method

Weighting Method: 1/(SD*SD)

Element Mass ISTD CPS Conc. RSD(%) Time(sec) Rep

Mg 24 3,251,415 A 459.4 ug/l 2.63 0.30 3

P 31 1,056,107 A 1.887E+03 ug/l 4.08 0.30 3

Ca 43 36,873.50 P 1.052E+03 ug/l 4.19 0.30 3

Fe 57 25,735.42 P 43.50 ug/l 6.97 0.30 3

Zn 66 60,034.97 P 43.40 ug/l 19.49 0.30 3

EndofReport

Рисунок 8 - Образец автоматического отчета ИСП-спектрометра

Раздел 3

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ

Мы провели эксперимент. Полученные результаты, представлены в таблицах ниже.

Таблица 3. Содержание минералов в яблоках

Рисунок 11 – содержание минералов в яблоках.

Поскольку, яблоки считаются богатым источником железа, было интересно определить его содержание в исследуемых образцах. Полученные результаты только в одном образце, в яблоках сорта ФУДЖИ (Казахстан), было обнаружено значимое содержание железа, которое соответствует данным литературы [19]. В двух других образцах железо присутствует в разы меньше (Таблица 3).

Проведя сравнение нескольких образцов, мы определили, что содержание Mg и Ca во всех исследованных образцах идентично и соответствует литературным данным [19].

Содержание фосфора, также одинаково во всех образцах, однако не соответствует данным указанным в литературе [19].

Таблица 4. Содержание минералов в луке

Рисунок 12 – содержание минералов в луке.

Проведя сравнение нескольких образцов, мы определили, что содержание Mg и Zn во всех исследованных образцах идентично и соответствует литературным данным [20].

Содержание фосфора, также одинаково во всех образцах, однако не соответствует данным указанным в литературе [20].

Исходя из проведённого исследования можно сделать вывод, что красный лук богаче по содержанию минералов чем белый, а соответственно полезней [20].

Таблица 5. Содержание минералов в моркови

Рисунок 13 – содержание минералов в моркови.

Проведя сравнение нескольких образцов, мы определили, что содержание Zn во всех исследованных образцах идентично и соответствует литературным данным [21].

Содержание остальных исследуемых минералов, одинаково во всех образцах, однако не соответствует данным указанным в литературе [21].

В результате проведённого исследования мы узнали, что морковь из «дворового магазина» содержит больше магния, чем морковь из «Magnum» [21].

Таблица 6. Содержание минералов в свекле

Рисунок 14 – содержание минералов в свекле.

Проведя сравнение нескольких образцов, мы определили, что содержание Fe и Zn во всех исследованных образцах идентично и соответствует литературным данным [22].

Содержание фосфора и кальция, также одинаково во всех образцах, однако не соответствует данным указанным в литературе [22].

Таблица 7. Содержание минералов в бананах

Рисунок 15 – содержание минералов в бананах.

Проведя сравнение нескольких образцов, мы определили, что содержание Ca, Fe и Zn во всех исследованных образцах идентично и соответствует литературным данным [23].

Содержание фосфора, также одинаково во всех образцах, однако не соответствует данным указанным в литературе [23].

В результате проведённого исследования известно, что бананы из «дворового магазина» содержат больше фосфора, чем бананы из «Magnum» [23].

Результат проведенных исследований отличается от данных в литературе, потому что плоды выросли на разных почвах, следовательно, микро- и макроэлементы, которые плоды берут из земли и также из удобрений, которыми могли воспользоваться при выращивании, распределяются неравномерно, что привело к разным результатам.

ВЫВОДЫ

Подводя итоги можно сделать вывод, что богатыми источниками магния являются красный лук и морковь, также красный лук и свекла содержат много железа, а свекла в свою очередь больше всех богата кальцием, тем временем как банан является единственным продуктом, содержащим фосфор, а больше всего цинка можно получить от яблок сорта ФУДЖИ Казахстан и моркови.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

https://chudo.tomsk.ru/news/events/lekcia-roli-makro-i-mikroelementov-v-podd

https://ru.wikipedia.org/wiki/

http://cgon.rospotrebnadzor.ru/content/sostav-pitaniya/mikroelementy

https://shop.evalar.ru/health/item/dlya-chego-nuzhen-magniy-organizmu-cheloveka/

https://style.rbc.ru/health/5f1592d79a79472a56c19423

https://www.amway.ru/sovety/poleznye-sovety-dlya-zdorovya/v-kakih-produktah-soderzhitsya-zhelezo

https://rsport.ria.ru/20210203/tsink-1595866437.html

https://amclinic.ru/novosti/vitamin_D_i_cink_-_schit_ot_COVID-19?ref=tjournal.ru

http://www.multivitarf.ru/useful/Normy-potrebleniya-mineralov-v-sutki

https://style.rbc.ru/health/607542b19a79476382e978ee

https://milkalliance.com.ua/blog/ru/statya/chem-grozit-nedostatok-fosfora-i-gde-ego-brat-bogatykh-fosforom-produktov

https://style.rbc.ru/health/5f1592d79a79472a56c19423

https://www.amway.ru/sovety/poleznye-sovety-dlya-zdorovya/v-kakih-produktah-soderzhitsya-zhelezo

https://www.apteka24.ua/blog/zdorove-semi/chem-polezen-tsink-i-pochemu-on-nuzhen-kazhdomu-9-poleznykh-svoystv-tsinka-dlya-immuniteta/

Методические указания по лабораторному контролю качества продукции общественного питания

Межгосударственный стандарт ГОСТ 34125-2017 "Фрукты и овощи сушеные. Правила приемки, отбор и подготовка проб"

https://www.ccsservices.ru/catalog/sistemy-mikrovolnovogo-kislotnogo-razlozheniya-milestone/pochemu-vam-nuzhna-sistema-mikrovolnovoy-podgotovki-prob/

https://ru.wikipedia.org/wiki/

https://distiller.kiev.ua/himicheskij-sostav-jablok/

https://rio-restoran.ru/eda-i-napitki/luk-repchatyj-sostav.html

https://nakachajsa.ru/tablica_soderzanija_makro_i_microelementov_v_ovowchax_i_zeleni.php

https://nakachajsa.ru/tablica_soderzanija_makro_i_microelementov_v_ovowchax_i_zeleni.php

https://fitaudit.ru/food/114679