Влияние тяжелых металлов на качество молока и молочной продукции

                          Министерство сельского хозяйства РФ ФГОУ ВПО

‹‹Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия››

 

 

Кафедра биотехнологии  и переработки

                                                          сельскохозяйственной продукции

 

 

Реферат

на тему:

Влияние тяжелых металлов на качество молока и молочной продукции

 

                  

                                        Выполнила:

                                                                            Студентка 4 курса, 1‹‹а ›› группы

                                                                            Биотехнологического факультета

                                            Лопатина Е.А.

                                                                  Проверила: Лифанова С.П.

 

 

Ульяновск 2011

 

                                               Содержание

1. Введение

2. Тяжелые металлы. Пути их попадания в организм животных

3. Токсичность тяжелых металлов для животных

4. Влияние тяжелых металлов на получаемую продукцию

5. Предельно допустимое содержание тяжелых металлов в продуктах питания

6. Принцип действия ионов тяжелых металлов

7. Предотвращение химических  загрязнений

8. Приборы для анализа  молочных продуктов

9. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Все живые  организмы на Земле находятся  в контакте с окружающей их средой. Пищевые продукты и питьевая вода способствуют поступлению в организм почти всех химических элементов, в  том числе и тех, что в определенных концентрациях, являются токсичными. В настоящее время под токсикантами окружающей среды понимают такие вредные вещества, которые распространяются в окружающей нас среде далеко за пределы своего первоначального местонахождения и в связи с этим оказывают скрытое вредное воздействие на животных или растения, а в конечном итоге, на человека. Это могут быть природные ядовитые вещества, например те, что рассеиваются при извержении вулканов, однако, подлинные токсиканты – это, как правило, те ядовитые вещества, которые сам человек неосмотрительно включает в круговороты веществ природы. К ним относятся пестициды и тяжелые металлы. В связи с развитием промышленности, транспорта, использования минеральных удобрений, количество тяжелых металлов в окружающей среде становится опасным для человека.

Молочные продукты крайне необходимы человеку для нормального функционирования организма и поддержания своего здоровья, ведь самая первая пища, которую мы получаем – это материнское молоко. В молоке, кефире, сметане, сливках, твороге в большом количестве содержатся важнейшие микроэлементы, витамины, белки, жиры, аминокислоты, служащие для профилактики и лечения различных заболеваний.

Все химические вещества при поступлении  в организм человека в дозах, превышающих допустимый уровень, могут вызывать отравления. Они могут действовать моментально, например j аллергены (аллергическая реакция), или спустя какое-то время (отравления тяжелыми металлами). Источниками химических заражений являются сырье, различные материалы (в том числе упаковочные), машины и оборудование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        

 

 

 

 

                                     

 

                                           Тяжелые металлы

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.

Термин тяжелые металлы, характеризующий  широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время  значительное распространение. В различных  научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

 На сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см³. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.

Основным путем поступления  тяжелых металлов в организм является желудочно-кишечный тракт, который  наиболее уязвим к действию техногенных  экотоксикантов. 

Тяжелые металлы (медь, цинк, железо, свинец) попадают в организм животных с кормами (из растений) и водой, а также при слизывании коровами красок и разных элементов в коровнике и на пастбище. Соединения тяжелых металлов могут проникать в молоко из оборудования и устройств, используемых в молочном деле. Механизация дойки, использование оборудования из нержавеющей стали, устранение непосредственного контакта молока с окружающей средой привели к тому, что самым опасным источником тяжелых металлов является корм растительного происхождения. 
Слишком часто молочных коров выпасают на пастбищах вблизи дорог с интенсивным уличным движением автотранспорта. Вместе с тем медицинская статистика фиксирует только острые заболевания, вызванные потреблением больших доз тяжелых металлов. Как правило, отравления протекают нетипичным образом, и не всегда правильно ставится диагноз.

Токсические элементы могут попасть  в опасных для человека концентрациях  в пищевые продукты из сырья и  в процессе технологической обработки  только при нарушении соответствующих технологических инструкций. Так, в растительном сырье они могут появиться при нарушении правил применения ядохимикатов, содержащих в своем составе такие токсические элементы, как ртуть, свинец, мышьяк и др. Повышенное количество токсических элементов может появиться в зоне вблизи промышленных предприятий, загрязняющих воздух и воду недостаточно очищенными отходами производства.

При технологии производства пищевых  продуктов токсические элементы могут появиться при контактах  с оборудованием, выполненным из металла, не разрешенного органами здравоохранения (для пищевых целей допускается весьма ограниченное количество сталей и других сплавов). Но главным образом такие токсические элементы, как свинец и кадмий, могут появиться в консервном производстве при использовании жестяной тары с применением пайки швов в случае нарушения технологии пайки, при использовании случайных припоев или применения некачественных внутренних покрытий.   

Источниками загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами являются также используемые в сельском хозяйстве пестициды, удобрения, осадки сточных вод.

Растения  слабо усваивают многие тяжелые  металлы  – например, свинец – даже при их высоком содержании в почве из-за того, что они находятся в виде малорастворимых соединений.

Токсичность тяжелых  металлов для животных

Тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, мышьяк, ртуть, кадмий, хром, алюминий и др.) в микроколичествах необходимы организму  и в основном они находятся  в активных центрах коферментов.

Количество биологически активных химических элементов в организмах животных и тканях в основном зависит от их места обитания и особенностей потребления кормов. В большинстве случаях сельскохозяйственные животные страдают от дефицита и несбалансированности микроэлементов.

Негативное влияние экологического фактора приводит к нарушениям обмена веществ у животных, что, как правило, сопровождается снижением продуктивности, ухудшением качества молока, эндемическими болезнями. Исследованиями последних лет установлена прямая связь между поступлением тяжелых металлов с кормами и водой и их содержанием в получаемом молоке. В результате в молочном сырье накапливаются крайне нежелательные микроэлементы.

При содержании тяжелых металлов в  почве выше допустимых норм отмечают повышение поступления указанных металлов в рационы и соответственно в продукцию животноводства, ухудшение качества сельскохозяйственной продукции. Например, при содержании в рационе тяжелых металлов - свинца, никеля, хрома в 2-7 раз выше ПДК содержание их в молоке оказалось в 1,25-2 раза выше допустимых норм.

При высоком содержании тяжелые  металлы оказывают сильное токсическое действие на живые организмы и могут аккумулироваться в органах или тканях человека

 

            Влияние тяжелых металлов на  получаемую продукцию

Известные способы переработки  молока не всегда способствуют снижению уровня тяжелых металлов, а изготовление ряда ценных продуктов неизбежно  сопровождается их концентрированием . В этой связи проведение локального мониторинга природных объектов в экологически неблагополучных зонах, а также изучение влияния применяемых технологических приемов на показатели безопасности готовой молочной продукции, приобретает особую актуальность.

Тяжелые металлы не только негативно  влияют на организм, но и часто ухудшают технологические свойства растительного и животного сырья, затрудняя или делая невозможным приготовление высококачественных продуктов питания.

В пищевом сырье, богатом белком (продукты животноводства), большая  часть металлов соединена с металлотионеином, образуя белковые комплексы. В растительных продуктах тяжелые металлы содержатся в ионной форме или связаны преимущественно с растительным белком и пектином.

Кроме того, было установлено, что  молоко с содержанием кадмия, свинца и ртути в количестве ПДК и 1/2ПДК показывало высокую мутагенную активность и подострую или скрытую токсичность при значительном потреблении молочных продуктов. Другими словами, проявляя скрытую хроническую или подострую токсичность, образцы полностью соответствовали требованиям высококачественных продуктов.

   В этой связи необходимо разрабатывать и внедрять технологические приемы для снижения уровня содержания тяжелых металлов и получения безопасных, экологически чистых молочных продуктов.

   При содержании тяжелых металлов ниже ПДК (для свинца- 0,1 мг/кг, кадмия- 0,03 мг/кг) перераспределение их в ходе технологических процессов не во всех случаях обеспечит получение продуктов с безопасным уровнем токсичных металлов, а подбор определенного сорбента и изыскание оптимального сочетания дозы сорбента и технологических режимов детоксикации позволят снизить содержание тяжелых металлов в молоке- сырье.

Мы живем в атомном веке и  самым «обвиняемым продуктом» на земле специалисты пищевики-радиологи называют молоко. Эта характеристика дана молоку и всем без исключения молочным продуктам из-за самого высокого содержания в них радионуклидов, по сравнению со всеми другими продуктами. 
Особенная роль молока в уничтожении здоровья человека связана со стронцием, который сбрасывается коровами через молоко. 
В наши дни нет на земле района, где бы можно было найти для коровы, козы или кобылы чистый от радионуклидов корм и воду,  даже если это будет Антарктида или Гималаи, 
молоко животных будет содержать все, что они получили с водой и травой. 
Активные радионуклиды, и в частности стронций, заносятся в организм человека с молочными продуктами. 
Если же из молока получить творог, то концентрация радионуклидов в нем возрастет втрое против молока. 
Если из молока приготовить сыр, то концентрация радионуклидов увеличится еще на порядок. 
Примерно также можно посмотреть на йогурт, мороженое, кефир, сметану и тому подобные «ядерные мины замедленного действия». 
Его появление в организме человека немедленно включает реакции вытеснения и замещения кальция и других менее активных элементов. 
А поскольку кремния в организме не хватает, то его место быстро занимает кальций. 
К тому же, современные методы лечения от многих болезней связаны с препаратами кальция. 
Технология переработки плодов и овощей в промышленности направлена на рафинирование пищи, избавление от так называемых балластов. В отходы производства с кожурой плодов, сердцевиной уходит кремний. технология переработки зерновых предусматривает, в основном, отделение оболочки зерна, в которой и содержится кремний. по странному стечению обстоятельств особенно тщательно счищается природная кремниевая оболочка с пшеницы для производства манной крупы. она ведь предназначена для вскармливания детей. им-то как раз нужно в 3-5 раз больше кремния, чем взрослым. 
В манной крупе кремния нет. 
Когда варят манную кашу, добавляют молоко,  и тогда в организме ребенка идет злосчастная реакция замещения кремния кальцием. 
Вот отчего помолодел атеросклероз и сотни других заболеваний. 
И хронические болезни, картины которых все тяжелей с каждым днем, поражают наших детей. 
Сейчас нам мало российского стронция из молока, мы его еще импортируем из Европы с йогуртами и сырами.

Есть еще одно обстоятельство нашего времени, усугубляющее состояние здоровья человека из-за дефицита кремния.

Поставим в ряд активности элементов стронций, кальций и кремний и оценим ситуацию потери здоровья любителями молока в наши дни.

Стронций — самый активный элемент  среди названных. Его появление  в организме человека немедленно включает реакции вытеснения и замещения  кальция и других менее активных элементов. А поскольку кремния в организме не хватает, то его место быстро занимает кальций.

Процессы  перераспределения тяжелых  металлов при технологической 

переработке молочного сырья, как  показывают данные проведенных исследований,

не позволяют в большинстве  случаев обеспечить получение продуктов  с 

безопасным уровнем содержания токсикантов. Исходное молоко может  иметь 

различное содержание токсичных элементов, но при этом сохраняется тенденция 

постепенного снижения их концентрации из зоны с повышенной техногенной

нагрузкой в зону относительного благополучия. Учитывая различное сродство

токсичных элементов с составными частями молока, можно сказать, что  степень их

перехода в продукты переработки  коррелирует с количеством сухих веществ

молока и концентрацией отдельных  составных частей и прежде всего  с белковой фракцией

 

Органами санитарного надзора  установлены жесткие нормы содержания токсических элементов в пищевом  сырье и готовых продуктах  питания. Для большинства продуктов  имеются предельно допустимые концентрации токсичных элементов в основных продуктах питания.

Предельно допустимое содержание тяжелых металлов в продуктах  питания

Продукты	Свинец	Кадмий	Мышьяк	Ртуть	Медь	Цинк
Большинство зернобобовых	0,5	0,1	0,2—0,3	0,02—0,03	10	50
Сахар и конфеты	1,0	0,1	0,5	0,02—0,03	10—20	50
Молоко  и большинство жидких молочных продуктов	0,1	0,03	0,05	0,005	1,0	5
Масло растительное и изделия из него	0,1	0,05	0,1	0,05	1,0	5—10
Овощи, ягоды, фрукты свежие и свежезамороженные	0,04—0,5	0,03	0,2	0,02	5,0	10,0
Овощи, ягоды, фрукты и изделия из них в сборной жестяной таре	1,0	0,05	0,2	0,02	5,0	10,0
Мясо и птица свежие	0,5	0,05	0,1	0,03	5,0	20
Мясо и птица консервированные в сборной жестяной таре	1,0	0,1	0,1	0,03	5,0	70
Рыба свежая и мороженная	1,0	0,2	1,0—5,0	0,3—0,6	10	40
Рыба консервированная в сборной  жестяной таре	1,0	0,2	1,0—5,0	0,3—0,7	10	40
Напитки	0,1—0,3	0,01—0,03	0,1—0,2	0,005	1,0-5,0	5,0—10

 

Предельно допустимые концентрации тяжелых металлов и  мышьяка в молочной продукции

Пищевые продукты	Элементы (мг/ кг)
	Свинец	Кадмий	Мышьяк	Ртуть	Медь	Цинк	Железо	Олово
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Молоко, кисломолочные изделия Молоко сгущенное консервириванное Молоко сухое Сыры, творог   Масло сливочное   Казеин	0,1 (0,05)     0,3     0,1 (0,05) 0,3   0,1       0,3	0,03 (0,02)     0,1     0,03 (0,02) 0,2   0,03       0,2	0,05       0,15   0,05   0,2     0,1	0,005       0,015   0,005   0,02     0,03	1,0       3,0   1,0   4,0     0,5       4,0	5,0       15,0   5,0   50,0     5,0       50,0	5,0	200

 

 

 

 

 

 

 

Принцип действия ионов тяжелых металлов

 

Известно, что молекулярными мишенями, то есть объектами атаки ионов 

тяжелых металлов, служат:

- гемсодержащие белки и ферменты;

- системы перекисного и свободнорадикального окисления липидов и

белков, а также системы антиоксидантной и антипероксидной защиты;

- ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ;

- белки клеточных мембран и ионные каналы мембран.

Ионы Pb, Hg, Со, Cd образуют прочные комплексы  с аминокислотами и 

другими биомолекулами, содержащими  тио  –(HS–) или алкилтиогруппировки  –

(RS–). Многие комплексы металлов  с органическими лигандами близки  по 

параметрам (размеру, распределению  зарядов) к обычным субстратам

(аминокислотам, гормонам, нейромедиаторам)  и поэтому могут связываться  с 

соответствующими рецепторами (эффект мимикрии). Например, комплекс,

образуемый ртутью и аминокислотой  цистеином, имитирует аминокислоту

метионин, необходимую для биосинтеза адреналина и холина (6, 8).

Металлы известны своими каталитическими  свойствами, однако некоторые 

металлы, особенно это касается группы тяжелых металлов (ТМ) оказывают

противоположное – ингибирующее действие. Так, в результате замены иона Zn на

Hg или Рb происходит дезактивация  участвующих в синтезе гема  ферментов 

карбоангидразы и аминолевулинатдегидратазы. Кроме того, ионы свинца, кобальта

и кадмия активируют фермент гемокиназу, разлагающий гем.

Ингибирование процесса брожения может  происходить путем связывания

ионов ТМ с ферментами, выделяемыми  клеткой, либо путем связывания ТМ со

структурами мембраны клетки и нарушением тем самым ее транспортных

функций. В  средах с высокой  комплексообразующей способностью (с высоким 

содержанием белков) способность клетки к аккумуляция ионов металлов

проявляется слабо.  Однако в процессе молочнокислого брожения оказывается

воздействие на белки молока  –  в ходе повышения кислотности  до

изоэлектрической постоянной происходит насыщение карбоксильных, фосфатных 

групп ионами водорода, заряд на поверхности  казеиновых частиц меняется, что и 

ведет к образованию сгустка. Таким образом, ионы ТМ, адсорбированные на

поверхности казеиновых мицелл или  связанные с карбоксильными, фосфатными

радикальными группами казеина, остаются в свободном ионном состоянии, способном  к образованию соединений с ферментами молочнокислого брожения и

снижению их активности .

Проблема удаления тяжелых металлов существует во многих отраслях

промышленности. Следует заметить, что для осуществления инактивации 

загрязнителей необходимо использовать совокупность мер и приемов, методов,

направленных на создание условий для ослабления, либо полного освобождения от

токсичного действия.

Современные методы удаления тяжелых  металлов из молока

основаны на ионообменных и электродиализных процессах. В числе эффективных 

средств защиты от загрязнения ксенобиотиками как самих сельскохозяйственных

животных, так и получаемой от них  продукции,  – применение  синтетических  и 

природных сорбентов.

Исследования по использованию  сорбентов для целей детоксикации молочного сырья в основном были направлены на установление их сорбционной емкости и лишь незначительно затрагивали вопросы влияния сорбента на основные показатели качества молока и химический состав молока, а также теорию данного взаимодействия. Некоторыми авторами сорбенты были использованы для усиления потребительских свойств уже готовых продуктов (например, исследования МГУПБ по влиянию сорбента на

структурно-механические свойства кисломолочных  продуктов).

Поскольку  технологические свойства молока являются важной частью

оценки  пригодности его к  переработке в молочные продукты и в дальнейшем

определяют качество готовых изделий, изучение факторов, их определяющих,

составляет определенный интерес.  Получение  большинства  молочных продуктов 

построено  на процессах ферментации. Известно, что активность заквасочной

микрофлоры определяется комплексом факторов роста, среди которых не только

наличие питательных компонентов, но и их доступность. По некоторым  свойствам 

молока, не прибегая к выработке  самой продукции, можно судить о  его 

пригодности к переработке.  В молоке, подвергнутом детоксикационным методам

воздействия, определялись характеристики сформировавшегося после 

сквашивания сгустка по следующей  номенклатуре показателей: кислотность,

динамическая вязкость, качественный и количественный состав микрофлоры.

В качестве сорбирующего вещества был  определен Полифепан АО «Сайнтек»

– природный полимер растительного  происхождения, состоящий в основном из

лигнина (около 80%), структурными элементами которого являются производные 

фенилпропана. Адсорбционные свойства полифепана обусловлены наличием

развитой пористой структуры, причем на величины параметров пористой

структуры оказывают  влияние как  состав адсорбента, так и процессы его 

обработки. Объем микропор полифепана такой же, как и у гидролизного лигнина.

Наличие двух мезопористых структур предполагает возможную адсорбцию 

крупных олиго- и полимерных молекул (глобул) физиологически активных

веществ, наличие в составе полифепана как полярных, так и неполярных

функциональных групп может  объяснить сродство адсорбента как к гидрофильным адсорбтивам, например, к белкам, так и гидрофобным. Не исключена возможность

хемосорбции на полифепане из-за присутствия  большого количества активных

центров на поверхности адсорбента.

Данные ртутной порометрии свидетельствуют о наличии у гидролизного

лигнина мезопор, максимальный объем  которых соответствует радиусам пор 3-10

нм и 100-150 нм, и макропор с радиусами 500-5000 нм. После щелочной обработки 

гидролизного лигнина происходит резкое – в 4 раза – возрастание объема мезопор

с радиусом 3-10 нм, объем мезопор  с радиусом 100-150 нм увеличивается  в 1,5

раза. В целом результаты химического  анализа позволяют утверждать, что 

наблюдаются различия в количественных характеристиках показателей качества

сырого молока после обработки сорбентом.

Согласно данным рисунков, видно, что  массовая доля жира  и белка  в 

образцах обработанного молока изменяется, причем внесение сорбента в меньшей

концентрация (5 г/дм ) дает при малой экспозиции (выдержка не более 3 мин)

некоторое  увеличение массовой доли жира,  а затем  по мере увеличения

длительности экспозиции отмечается снижение массовой доли жира.

С увеличением дозы сорбента до 15-20 г/дм наблюдается значительное

снижение массовой доли жира уже  с первых минут воздействия сорбента и

нарастает по времени. Это может  быть обусловлено не только развитой пористой

структурой сорбента,  но и возможностью хемосорбции на полифепане из-за

присутствия большого количества активных центров на поверхности адсорбента.

Оценка бродильной пробы указывает на то, что есть существенная разница между

количеством и качеством состава  микрофлоры сгустков, полученных на основе

молока обработанного сорбентом.

Однако анализ технологических  характеристик молочного сырья  и на их

основе определение его пригодности для переработки, не может в полной мере

обеспечить необходимый уровень  качества полученных изделий, если показатели

безопасности имеют отклонение от предельно допустимых значений.

Поэтому следующий этап работы направлен  на исследование влияние

детоксикационных методов воздействия  на безопасность молочного сырья.

Исследование проводилось на усредненных  пробах молока-сырья из хозяйств,

расположенных в разных по техногенной  нагрузке зонах. Для выявления основных

тенденций влияния фактора были определены две зоны  – кризисной и

относительно удовлетворительной экологической ситуации.  Для  оценки

кумулятивных свойств белково-жировой  и водно-белковой фракций молока

усредненные опытные пробы подвергались деструкции, выделяли две фракции

коагулят и сыворотка.

При анализе каждого металла  в отдельности и сопоставлении  их содержания

в коагуляте и сыворотке, были определены следующие соотношения:

Металл Соотношение

сыворотка : коагулят

Кадмий  1:1,2

Мышьяк 1:1,8

Ртуть 1:21,3

Из данных следует, что белково-жировая (БЖ) фракция обладает более

высокой кумулятивной способностью, чем водно-белковая (ВБ). Прежде всего  это 

обусловлено различием в содержании протеинов, а также их влагоудерживающей 

способности, что, на наш взгляд, определяет силу удержания водорастворимых

контаминантов в среде. Зная фракционную  нагрузку можно прогнозировать не

только производство наименее опасных  молочных продуктов, но и выстраивать 

процесс обеззараживания с учетом химических свойств компонентов  каждой из

фракций и их взаимодействия с контаминантами. Свинец, кадмий, мышьяк и ртуть 

распределяются по фракциям молока неоднородно, что можно связать  с их