Способ пробоподготовки растительного сырья с высоким содержанием масла для электротермического атомно-абсорбционного анализа

Изобретение относится к аналитической химии, а именно способу подготовки проб к электротермическому атомно-абсорбционному определению содержания токсичных элементов в орехах и семенах, бобах масличных культур. Проводят дробную минерализацию (ДМ) исследуемого образца с последующим атомно-абсорбционным анализом. Предварительно проводят разложение пробы, с использованием нейтрального этилового эфира, на жировую и обезжиренную фракции. Затем проводят их независимую минерализацию. Обезжиренной - путем сухого озоления при максимальной температуре 400°С за два полных цикла и определением металлов методом ААС-ЭТА. Жировой - растворением в биполярном растворителе н-гексан-изопропанол в соотношении 1:6:2 от массы масла, прямым вводом в аналитическую ячейку графитовой трубчатой печи электротермического атомизатора, где происходит минерализация и одновременная атомизация. Обеспечивается повышение эффективности определения содержания токсичных элементов в растительном сырье с высоким содержанием масла. 3 табл.

 

Настоящее изобретение относится к способу пробоподготовки, а именно аналитической химии, физико-химическим методам анализа, и может быть использовано для определения токсичных элементов электротермическим атомно-абсорбционным методом в растительном сырье с высоким содержанием масла (орехах, семенах и бобах масличных культур).

Сущность изобретения

Способ предусматривает пробоподготовку орехов, семян и бобов масличных культур с использованием дробной минерализации (ДМ), предполагающей разложение пробы на жировую и обезжиренную фракции, с последующим проведением их независимой минерализации: путем сухого озоления обезжиренной фракции и прямой минерализацией с одновременной атомизацией раствора жировой фракции в биполярном растворителе н-гексане-изопропаноле непосредственно в печи ААС.

Назначение и область применения

Настоящее изобретение относится к аналитической химии и применяется для повышения эффективности и точности определения тяжелых металлов в продуктах с высоким содержанием масла, таких как орехи и семена (бобы) масличных культур. Высокое содержание масла на этапе пробоподготовки создает определенные аналитические трудности, обусловленные рядом причин: во-первых, на начальном этапе деструкции жиросодержащих продуктов не удается избежать пенообразования и выбрасывания частей минерализата, что может приводить к потерям определяемых элементов; во-вторых, большим расходом минеральных концентрированных кислот, используемых при деструкции и кислотной экстракции, что существенно удорожает анализ и увеличивает риск контаминации пробы металлами; в-третьих, повышенный риск возникновения избыточного внутреннего давления при использовании закрытых систем для минерализации (Дьяченко Ю.А., Цикуниб А.Д., Чусов Т.С., 2015; Mitchell R.L, 1964; Бок Р. 1984).

Аналоги и прототипы

Известны способы сухого озоления, кислотного разложения проб, кислотной экстракции (ГОСТ 26929-94. «Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения токсичных элементов»), а также способы минерализации проб (ГОСТ 31671-2012 (EN 13805:2002) «Продукты пищевые. Определение следовых элементов. Подготовка проб методом минерализации при повышенном давлении») с использованием различных отечественных и импортных микроволновых систем (патент РФ №2165608, опубликованный 20.04.2001, М. кл G01N 1/44, и патент США №5317133, опубликованный 31.05.94, М. кл. Н05В 6/68).

Способ сухого озоления по п. 3 ГОСТ 26929-94 предполагает полное разложение органических веществ путем сжигания в электропечи при температуре 450-500°С, обработку кислотами, выпаривание и охлаждение. В зависимости от рода пробы циклы могут повторяться многократно. Для проб продуктов, содержащих 20-60% масла, рекомендуется в навеску добавлять раствор азотной кислоты (1:1) из расчета 1-1,5 см³ на каждые 10 г навески, выдерживать 15 мин, затем проводить обугливание. В связи с относительной дешевизной, простотой в исполнении, а также малым временем контактной работы, метод широко используется для подготовки проб к спектральным анализам. Однако недостатком прототипа является сложность пробоподготовки жиросодержащих продуктов. При соблюдении температурного режима по указанному НД возможно пенообразование и выбрасывание частей минерализата, а при снижении температуры озоление пробы до белых солей достигается только после 4-5 циклов.

Способ кислотного разложения проб по п. 4 ГОСТ 26929-94 проводят как одной, так и смесью различных кислот в открытых или закрытых системах (в колбах Кельдаля с обратным холодильником и сосудах с дифлегматорами), при этом отмечается большой расход концентрированных минеральных кислот, что существенно удорожает анализ на этапе пробоподготовки, а также требует постоянного строгого контроля со стороны аналитика. Вследствие неполного окисления органических веществ дальнейшее определение металлов затрудняется, применение большого числа реактивов создает предпосылки для загрязнения миенрализата, в связи с чем не всегда обеспечивается необходимая воспроизводимость и достоверность результатов. Еще одним существенным недостатком этого метода является длительность анализа (до 24 ч).

Способ по ГОСТ 31671-2012 (EN 13805:2002), основанный на использовании микроволновых систем, позволяет увеличить эффективность и сократить время разложения, уменьшить расход реактивов, однако в качестве недостатков необходимо отметить высокую стоимость и сложность в техническом и сервисном обслуживании оборудования. Наиболее распространенные отечественные СВЧ-минерализаторы по стоимости в 3-4 раза дороже муфельных печей, предполагают использование контейнеров высокого давления и разрывных мембран, которые достаточно часто выходят из строя при регулярном использовании и имеют сравнительно невысокую массу максимальной загрузки. Зарубежные микроволновые высокотемпературные печи имеют гораздо более высокую производительность, но одним из основных недостатков является дороговизна самого прибора и его комплектующих, в том числе закрытых сосудов. При использовании закрытых контейнеров возможно возникновение избыточного внутреннего давления, что для проб с высоким содержанием жира представляет наибольший риск.

Для пробоподготовки жира и масел, согласно действующим НД, используется способ кислотной экстракции или неполной минерализации по п. 5 ГОСТ 26929-94, основанный на экстракции токсичных элементов из пробы продукта кипячением с разбавленными серной или азотной кислотами. Недостатками данного способа являются длительность проведения процедуры пробоподготовки, большой расход концентрированных минеральных кислот, которые существенно увеличивают возможность контаминации минерализата токсичными элементами, а также удорожают анализ. Кислотная минерализация отличается необходимостью постоянной контактной работы аналитика с пробой.

В последнее время для определения содержания токсичных элементов в растительных маслах применяют способ прямого ААС-ЭТА, при котором масло предварительно подвергают эмульгированию с растворителем н-гексаном в соотношении 1:1 к массе пробы (М. Canar'rio and D.A. Katskov, 2005), либо в соотношении 1:4:2 - масло, н-гексан, изопропанол (Ливийская С.А., Владимирский П.В., Данильчук В.П., Паронян В.Х., 2005). Модификатором матрицы служит нитрат палладия с концентрацией палладия 10 мг/мл. Вышеописанные аналоги позволяют решить ряд проблемных вопросов, возникающих при кислотной экстракции: уменьшить количество используемых реактивов, минимизировать загрязнение проб; избежать потерь летучих форм соединений, а также увеличить чувствительность метода.

Существенные отличия

Сущностью изобретения является разработка способа пробоподготовки растительного сырья с высоким содержанием масла (орехов, семян и бобов масличных культур) для определения токсичных элементов ААС-ЭТА. Существенным признаком изобретения является предварительное разложение пробы на жировую (масло) и обезжиренную (шрот) фракции с последующей сухой минерализацией шрота и определением в масле токсичных элементов способом прямого ввода. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности определения, сокращение количества использования минеральных кислот и электроэнергии, уменьшение временных затрат на анализ содержания токсичных элементов в растительном сырье с высоким содержанием масла.

Способ реализуется следующим образом: навеску измельченных семян фракционируют нейтральным этиловым эфиром на масло и шрот с последующим определением токсичных элементов. Возможно также использование масла и шрота, полученного при определении масличности семян, т.е. совмещение этапа фракционирования с определением масличности.

В масле проводили определение содержания токсичных элементов способом прямого ААС-ЭТА. Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что в качестве растворителя используют биполярный растворитель н-гексан-изопропанол в соотношении 1:6:2 от массы пробы. Именно такое содержание образца в растворителе позволяет определять элементы с максимальными значениями доверительности.

Полученную фракцию шрота высушивают от эфира, отбирают навеску и подвергают сухой минерализации. Отличием предлагаемого способа от прототипа является то, что максимальная температура минерализации не превышает 400°С, а процедуре сухой минерализации подвергается только обезжиренная фракция исследуемого образца, в связи с чем сокращается время пробоподготовки. Расчет массовой концентрации элемента в мг/кг проводили с учетом масличности орехов, семян и бобов масличных культур.

Пример 1. Навеску измельченных семян массой 5±0,01 г помещали в колбу вместимостью 100 см³, заливали 40 см³ нейтрального этилового эфира, настаивали в течение 2 ч, периодически встряхивая, фильтровали через обеззоленный фильтр в чистую колбу, отбирали пипеткой 25 см³ фильтрата в коническую колбу, предварительно доведенную до постоянной массы, ставили ее на водяную баню и отгоняли эфир. Оставшееся в колбе масло высушивали до постоянной массы.

Полученное масло использовали для прямого определения токсичных элементов электротермическим атомно-абсорбционным методом. Для этого использовали биполярный растворитель н-гексан-изопропанол в соотношении 1:6:2 от массы пробы. Выбор компонентов биполярного растворителя основывался на их существенной разнице в полярности, определяемой по величине диэлектрической постоянной: гексан - 1,9 Ф⋅м^-1, изопропанол - 26 Ф⋅м^-1, а также, в отличие от других биполярных растворителей, возможности образовывать нераздельнокипящую жидкость, то есть азеотропную смесь, характеризующуюся равенством составов равновесных жидкой и паровой фаз. Получение такой жидкости позволяет добиться равномерного испарения пробы в аналитической ячейке и снижения фонового поглощения, являющегося источником систематических погрешностей атомно-абсорбционных измерений. Способность к образованию азеотропной смеси тем выше, чем больше разница в соотношении н-гексана и изопропанола, но до определенного предела, так как это может привести к чрезмерному разбавлению пробы масла и потере возможности обнаружения низких концентраций элементов.

Модификаторами матрицы выступил хлорид палладия с концентрацией палладия 10 мг/мл. Пиролиз масла осуществляли в течение 20-30 с. Определение элементов выполняли по методу градуировочного графика и метода стандартных добавок.

Фракцию шрота высушивали от эфира и отбирали навеску массой 2±0,01 г и подвергали сухой минерализации при температуре 400°С в течение 7 часов 30 минут.

В качестве контрольных методов сравнения использовали способ сухого озоления (ОС) и кислотной минерализации (КМ) семян подсолнечника по ГОСТ 26929-94. Полученные минерализаты от разных способов пробоподготовки разбавляли и подвергали определению токсичных элементов электротермическим атомно-абсорбционным методом.

Расчет массовой концентрации элемента по способу ДМ в семенах подсолнечника рассчитывали исходя из значений масличности для каждой пробы семян в мг/кг.

Результаты исследования содержания токсичных элементов в фракциях семян подсолнечника методом ААС с использованием ДМ пробоподготовки представлены в таблице 1.

На основании данных о содержании металлов во фракциях семян и с учетом их масличности рассчитывали содержание токсичных элементов и сравнивали значения с показателями, полученными при использовании контрольных способов подготовки проб.

В исследованных образцах, минерализованных способом ОС и КМ, мышьяк и ртуть не были обнаружены. Концентрация Cd в семенах, полученных с использованием различных способов подготовки проб, не дает достоверных различий и составляет 0,093±0,002 мг/кг. Концентрации меди, полученные КМ и ДМ минерализацией, близки и достоверно не различимы, а при использовании ОС наблюдаются достоверные (**р<0,01) отличия как от ДМ, так и от КМ подготовки. Концентрации Pb, полученные способами ОС и КМ, являются достоверными как с предлагаемым способом ДМ (**р<0.01), так и между собой (*р<0,05), что может свидетельствовать о потерях элемента в процессе минерализации.

Пример 2. Правильность предлагаемого способа ДМ проверяли методом «введено-найдено». Для исследований были выбраны семена подсолнечника урожая 2014 года с исходным низким содержанием изучаемых тяжелых металлов. Фоновое содержание тяжелых металлов определяли атомно-абсорбционным методом на приборе «КВАНТ-Z.ЭТА», Россия. Измельченные ядра семян подсолнечника контаминировали аликвотами водных растворов хлоридов ртути, свинца, кадия и меди на уровне 1.0 ПДК в семенах подсолнечника для свинца - 1,0 мг/кг, для мышьяка - 0,3 мг/кг, для ртути - 0,05 мг/кг, для меди - 30 мг/кг, для кадмия - 0,1 мг/кг (согласно TP ТС 015/2011). Содержание токсичных элементов определяли с использованием пробоподготовки заявляемым способом ДМ, сравнивали полученные результаты со значениями, полученными минерализацией способами сухого озоления (СО) и кислотной минерализацией (КМ) (табл. 3).

Полученные данные свидетельствуют о высоких показателях открываемости элементов в семенах подсолнечника при использовании ДМ в сравнении с другими способами. Наибольшие различия наблюдаются для ионов Pb на 11,6% в сравнении с СО пробоподготовкой. Менее выраженные для As, Hg, Cd и Cu - 9,3%, 8,9%, 8,8% и 4,0% соответственно. При сравнении результатов открываемое™ ДМ и способа КМ выявлена следующая динамика: Pb больше на 7,1%, As - 5,4%, а для Hg и Cd достоверной разницы не выявлено. Вместе с тем этот способ подготовки пробы позволил получить 102,8% открываемости для ионов Cu, что может говорить о возможном привнесении этого элемента в пробу.

Данные метрологических характеристик определения токсичных элементов атомно-абсорбционным методом на основе предлагаемого способа пробоподготовки в сравнении с контрольными свидетельствуют о более точных результатах сходимости (d_отн) и воспроизводимости (D_отн). Наблюдается снижение процента сходимости в среднем на 4,5% и воспроизводимости на 4,9% для каждого из исследуемых элементов.

Общее время, затрачиваемое на ОС, составляет 16 часов 30 минут (±20 мин): это время на обугливание на электроплитке - 3 ч 10 минут, озоление в муфельной печи - 12 ч, 1 час 20 минут на остывание тигля и выпаривание кислоты. При этом время контактной работы аналитика составила 4 часа 30 минут. На КМ затрачивается 14 часов 50 минут (±30 мин) общего времени, из них 11 часов 50 мин приходится на контактную работу аналитика. Общее время дробной минерализации 14 часов 20 минут с учетом проведения процедуры разделения семян на фракции. В целях экономии времени и реактивов использование ДМ рекомендуется проводить совместно с процессом определения масличности семян, учитывая, что процедура определения масличности является обязательной на предприятиях, заготовляющих и поставляющих семена масличных культур, в том числе подсолнечника. При определении масличности извлечением масла диэтиловым эфиром побочным продуктом исследования является подсолнечный шрот.

Общее время минерализации, без учета разделения фракций по способу ДМ, составило 9 часов 40 минут, что в сравнении с ОС способом меньше на 6 часов 50 минут (±35 мин) и 4 часов 40 мин (±42 мин) в сравнении с КМ. Сократить общее время пробоподготовки стало возможным за счет уменьшения времени обугливания обезжиренного шрота (с 1,5 часов до 40 мин) и продолжительности минерализации шрота в муфельной печи (2 полных цикла, вместо 4).

Область научного и практического значения

Предлагаемый способ, основанный на применении дробной минерализации, имеет большое значение для процедуры пробоподготовки в аналитической химии, в особенности для определения токсичных элементов в растительном сырье с высоким содержанием масла (орехах, семенах и бобах масличных культур) атомно-абсорбционным методом.

Данный способ позволяет снизить время пробоподготовки в среднем на 4-7 часов. При совмещении с процессом определения масличности семян. Повысить процент открываемости элементов (до 90,8%), сходимость результатов исследования (на 4,5%) и их воспроизводимость (на 4,9%), что дает возможность получать более точные и надежные результаты.

Способ рекомендуется для технохимического и эколого-гигиенического мониторинга содержания токсичных элементов в объектах окружающей среды.

Список использованной литературы:

1. Дьяченко Ю.А., Цикуниб А.Д., Чусов Т.С. Аналитические проблемы определения тяжелых металлов в пробах с высоким содержанием жира / Современные тенденции развития науки и технологий / с. 8-12 – 2015.

2. Mitchell R.L. The spectrochemical analysis of soils, plants and related materials. England, Common - wealth Agric. Bureaux №44a, 1964.

3. Бок P. Методы разложения в аналитической химии. - М.: Химия, 1984. - 427 с.

4. ГОСТ 26929-94. «Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения токсичных элементов» - Взамен ГОСТ 26929 - 86; введ. 2013-06-01. - Минск: Межгос. Совет по стандартизации, метрологии и сертификации; Москва: Стандартинформ, 2014. - 7 с.

5. ГОСТ 31671-2012 (EN 13805:2002) «Продукты пищевые. Определение следовых элементов. Подготовка проб методом минерализации при повышенном давлении» - введ. 1996-01-01. - Москва: Межгос. Совет по стандартизации, метрологии и сертификации; Москва: Изд-во стандартов, 2010. - 13 с.

6. Патент №2165608 РФ, М. кл G01N 1/44 Способ подготовки проб для химического анализа и устройство для его осуществления, опубликованный / Шипков А.Г. и др; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-техническая фирма "Вольта", заявл. 17.02.2000; опубл. 20.04.01 - 2 с.

7. Canar'rio М., Katskov. D.A. Direct determination of Cd and Pb in edible oils by atomic6absorption spectrometry with transverse heated filter atomizer // J. Anal. At. Spectrom. 6 2005.6 v. 20.6 P. 1386-1388.

8. Ливийская С.А., Владимирский П.В., Данильчук В.П., Паронян В.Х. Разработка метода подготовки проб к атомно-абсорбционному спектральному анализу для определения содержания тяжелых металлов в растительных маслах // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2005. №2. С. 38-42.

9. TP ТС 015/2011 «О безопасности зерна». Технический регламент таможенного союза от 9 декабря 2011 г. №874 - 38 с.

Способ пробоподготовки растительного сырья с высоким содержанием масла для определения токсичных элементов, включающий проведение дробной минерализации исследуемого образца с последующим атомно-абсорбционным анализом, отличающийся тем, что предварительно проводят разложение пробы, с использованием нейтрального этилового эфира, на жировую и обезжиренную фракции, а затем проводят их независимую минерализацию: обезжиренной - путем сухого озоления при максимальной температуре 400°С за два полных цикла и определением металлов методом ААС-ЭТА, жировой - растворением в биполярном растворителе н-гексан-изопропанол в соотношении 1:6:2 от массы масла, прямым вводом в аналитическую ячейку графитовой трубчатой печи электротермического атомизатора, где происходит минерализация и одновременная атомизация.