Приборное и методическое обеспечение автоматизированного определения водо- и жирорастворимых антиоксидантов
На правах рукописи
ФЕДИНА ПОЛИНА АЛЕКСЕЕВНА
ПРИБОРНОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ВОДО- И ЖИРОРАСТВОРИМЫХ АНТИОКСИДАНТОВ
Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва 2011
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "МГУИЭ" на кафедре МАСК и ОАО НПО "Химавтоматика"
Научный руководитель: профессор, д.т.н.
Латышенко Константин Павлович
Научный консультант: профессор, д.х.н.
Яшин Яков Иванович
Официальные оппоненты: профессор, д.т.н.
Бирюков Валентин Васильевич
доцент, к.т.н.
Чернякин Владимир Николаевич
Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО "МГУ пищевых производств", г. Москва
Защита состоится 22 декабря 2011 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии, 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "МГУИЭ".
Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066 г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, электронный адрес: [email protected].
Автореферат разослан 21 ноября 2011 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, доцент Мокрова Н.В.
Актуальность темы
В условиях неблагоприятной окружающей среды, социальных заболеваний в биологических жидкостях организма возрастает концентрация высокореакционных кислородных и азотных соединений в т.ч. и свободных радикалов (супероксид, гидроксильный радикал, перекись водорода и др.). В допустимых концентрациях свободные радикалы необходимы для нормального функционирования иммунной системы человека. Однако их избыточное содержание приводит к окислительному стрессу организма – причине опасных заболеваний (сердечно-сосудистых – 30 % всех заболеваний со смертельным исходом в мире, онкологических, диабета и более ста других) и преждевременному старению человека. Решить острую современную проблему – разбаланс естественной антиоксидантной системы человеческого организма, можно с помощью специальной терапии природными антиоксидантами и её внедрения в клиническую профилактическую медицину.
Для этого требуется:
– создание и разработка приборного и методического обеспечения для надёжного и экспрессного определения антиоксидантов;
– создание банка данных содержания антиоксидантов в пищевых продуктах, напитках, лекарственных препаратах, биологически активных добавках, поливитаминах, лекарствах;
– определение окислительного стресса путём измерения общего антиоксидантного статуса человека.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Проведение прикладных научно-исследовательских работ по высоким медицинским технологиям и созданию новых лекарственных форм», НИОКР «Создание II очереди реестра (кадастра) данных содержания антиоксидантов в пищевых продуктах, БАДах и экстрактах лекарственных трав» № 8/3-157н-09 от 22.06.2009.
Целью работы является решение актуальной научно-технической задачи, заключающейся в разработке приборного и методического обеспечения для автоматизированного суммарного и покомпонентного определения водо- и жирорастворимых антиоксидантов в пищевых продуктах.
Задачи работы. Достижение указанной цели требует решения следующих задач:
– разработки методического обеспечения и прибора для автоматизированного определения жирорастворимых антиоксидантов в пищевых продуктах;
– выбора оптимальных условий работы амперометрического детектора;
– модернизации существующего прибора для определения водорастворимых антиоксидантов для анализа жирорастворимых антиоксидантов;
– разработки и аттестации методики определения жирорастворимых антиоксидантов в пищевых продуктах;
– разработки портативного жидкостного хроматографа для суммарного и покомпонентного определения антиоксидантов;
– создания банка данных содержания антиоксидантов в основных пищевых продуктах, напитках, лекарственных травах, биологически активных добавках.
Научная новизна:
– на основе целенаправленных исследований амперометрического метода (АМ) и изменения конструктивно-режимных параметров прибора, определяющего водорастворимые антиоксиданты, разработан прибор для определения жирорастворимых антиоксидантов;
– впервые на государственном уровне разработана и аттестована совместно с пробоподготовкой методика определения жирорастворимых антиоксидантов (Свидетельство №120-08 от 25.11.2008);
– расширено использование АМ для решения задачи определения антиоксидантного статуса человека путём измерения антиоксидантной ёмкости сыворотки крови, слюны, мочи человека;
– впервые измерено суммарное содержание антиоксидантов в рыбных, мясных и молочных продуктах АМ;
– предложен экспресс-метод оценки качества и подлинности алкогольной продукции (вина, коньяка, пива и др.).
Практическая значимость:
– модернизирован существующий прибор «ЦветЯуза-01-АА», определяющий только водорастворимые антиоксиданты, для анализа жирорастворимых антиоксидантов;
– адаптирован для экспрессного определения суммы сахаров и лигнина после ферментативного осахаривания растительного сырья в производстве биотоплива прибор «ЦветЯуза-01-АА»;
– создан макет первого отечественного портативного жидкостного хроматографа для суммарного и покомпонентного определения антиоксидантов;
– расширен банк данных содержания антиоксидантов путём добавления разделов: специи и приправы, мясные, рыбные и молочные продукты.
Достоверность результатов работы подтверждается их согласованностью с законами физики, метрологии и результатами экспериментальных исследований.
На защиту выносятся: исследование АМ определения антиоксидантов, прибор для анализа жирорастворимых антиоксидантов, макет первого отечественного портативного жидкостного хроматографа, решение задачи определения антиоксидантного статуса человека и продуктов при производстве биотоплива.
Реализация
Серийный выпуск и поставка потребителям прибора для определения жирорастворимых антиоксидантов «ЦветЯуза-01-АА», разработанного при непосредственном участии автора.
Макет портативного жидкостного хроматографа экспонировался на Международной специализированной выставке «Аналитика Экспо» в 2011 году в г. Москве. Разработана конструкторская документация, в 2012 году планируется организация серийного производства портативного хроматографа.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Межд. н. конф. «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2008 г., Псков, 2009 г., Саратов, 2010 г.); Съезде аналитиков России «Аналитическая химия – новые методы и возможности» (Клязьма, 2010 г.); 8-ой Межд. конф. «Биоантиоксидант» (ИБХФ им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва, 2010 г.); 2-ой Межд. конф. «Роль физиологии и биохимии в интродукции и селекции овощных, плодово-ягодных и лекарственных растений» (ВНИИССОК, Москва, 2011 г.), 1-ом Межд. конгрессе «Cocoa, coffee and tea» (Новара, Италия, 2011 г.) и др.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 30 работ, четыре из которых – в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объём работы – 165 страниц, в том числе 54 рисунка и 33 таблицы, список литературы включает 101 наименование, два приложения.
В диссертации обобщены результаты исследований, выполненные соискателем в период с 2005 по 2011 годы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана необходимость и актуальность разработки методического обеспечения и аппаратуры для автоматизированного определения антиоксидантов в пищевых и биологических пробах. Сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе приведён обзор современных методов (фотометрических, хемилюминесцентных, флуориметрических, электрохимических) и приборов исследования антиоксидантов. Особенностью определения антиоксидантов является: специфика объекта исследования (пробоподготовка пищевого продукта или биологического материала), разнообразие методов определения антиоксидантов, отсутствие государственных стандартных образцов антиоксидантов, единой терминологии, размерности, модельной реакции в оценке антиоксидантов, что является нарушением ФЗ «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.2008 № 102-ФЗ (ред. от 18.07.2011). Несмотря на то, что результаты разных методов не коррелируют друг с другом, они рекомендованы в диетологии, что может нанести ущерб здоровью населения страны. Для оперативного решения данной проблемы сделана попытка унифицировать детектор для определения суммарного и покомпонентного содержания антиоксидантов на основе нормирования метрологических характеристик прибора для определения водорастворимых антиоксидантов. Результаты измерения суммарного содержания антиоксидантов предложено представлять в миллиграммах стандартного вещества на грамм или миллилитр исследуемого образца.
Из рассмотренных методов, наиболее перспективным и конкурентоспособным является АМ. Преимущества метода: без учёта пробоподготовки время отдельного определения занимает несколько минут; анализ (регистрация и обработка результатов) проходит в режиме реального времени; низкая стоимость анализа и возможность дифференцировать антиоксиданты по классам; СКО последовательных измерений анализируемых проб менее 5 %; предел обнаружения флавоноидов – основных антиоксидантов на уровне 10–9 – 10–7 г. АМ позволяет непосредственно определять антиоксидантную активность изучаемого вещества, суммарно оценивая количество легко окисляемых групп (-OH, -SH), что важно для последующего прогнозирования антиоксидантного эффекта in vitro. Установлена корреляция между АМ и известным флуориметрическим методом «Oxygen Radical Absorption Capacity» (ORAC), широко используемым в США. На большом массиве определений экстрактов ягод, овощей, фруктов коэффициент корреляции составляет 0,96.
Во второй главе рассмотрены технические решения разработки приборного и методического обеспечения для автоматизированного определения антиоксидантов на основе АМ.
В качестве базы выбран единственный в своём роде в России прибор «ЦветЯуза-01-АА» с амперометрическим детектором для определения водорастворимых антиоксидантов, включённый в Госреестр СИ. Принцип его действия основан на реализации проточно-инжекционного анализа. Основные характеристики прибора: уровень флуктуационных шумов нулевого сигнала Х < 0,5 нА; предел детектирования по галловой кислоте (концентрация С = 1 мг/дм3) – Сmin = 1·10–8 г/см3; «мягкие» требования по метрологии случайной составляющей погрешности: 80 % погрешности приходится на пробоподготовку, 10 % – на отбор пробы и химические реактивы, 10 % – на погрешность прибора.
Амперометрический детектор измеряет электрический ток в ячейке (рис. 1) при окислении анализируемого вещества на поверхности рабочего электрода с наложенным потенциалом определённого значения.
а б
Рис. 1. Амперометрическая ячейка: а – схема ячейки с электродами типа «отражающая стенка»: 1 – рабочий электрод; 2 – вспомогательный электрод; б – внешний вид ячейки
Функциональная зависимость выходного сигнала амперометрического детектора от параметров прибора и пробы:
| i = f (CAO, CНК,,, ), | (1) |
где i – ток; CAO – концентрация антиоксидантов; CНК – концентрация неопределяемых компонентов анализируемой пробы; – параметры анализируемой пробы; – конструктивные параметры ячейки и гидравлической системы прибора; – шумы;
i = nFSD µ–q  | (2) |
где n – число электронов, участвующих в окислении моля вещества; F – константа Фарадея; S – площадь рабочего электрода; D – коэффициент диффузии пробы в элюенте; µ – вязкость пробы; q – конструктивный параметр электрода; 
– скорость электрохимической реакции.
Исходя из (1) исследовано влияние параметров амперометрической ячейки (потенциал окисления на рис. 2, природа поверхности электрода, скорость элюента, состав пробы и элюента, импульсный режим работы ячейки) на предел детектирования антиоксидантов. Возможности качественного определения антиоксидантов продемонстрированы на интегральной вольтамперограмме – идентификационном коде вещества (рис. 2). Видно, что при одном и том же потенциале сигнал на разные фенольные кислоты разный. Если взять отношение сигналов при разных потенциалах, то они характеризуют природу вещества.
Рис. 2. Интегральная вольтамперограмма фенольных кислот
Гидравлическая схема прибора «ЦветЯуза-01-АА» дополнена разработанным устройством для улавливания растворённых в элюенте пузырьков воздуха, отрицательно влияющих на величину предельного тока за счёт увеличения случайной составляющей погрешности анализа с 5 до 15 – 30 %. Устройство включено в техническую документацию и теперь поставляется в составе прибора «ЦветЯуза-01-АА» (рис. 3).
а б
Рис. 3. Устройство для улавливания пузырьков воздуха: а – конструкция: 1 – корпус, 2 – штуцер, 3 – заглушка, 4 – регулировочный винт; б – результаты измерений от 0 до 50 секунд без использования «ловушки», с 75 до 95 секунд с её применением
В рамках работы «Аналитический контроль производств биотоплива (НИР)» по заказу №2042 01 362 прибор «ЦветЯуза-01-АА» адаптирован для определения содержания моносахаров, полисахаридов и лигнина в процессе производства биотоплива из соломы. Определение сахаров проведено при работе амперометрического детектора в импульсном режиме, выбраны: детектирующий потенциал золотого электрода 0,15 В, потенциал очистки поверхности электрода 0,8 В, потенциал восстановления: – 0,8 В, элюент 5 мМ NaOH, в качестве стандартного вещества – лактоза (рис. 4). Определение лигнина проведено по методике определения водорастворимых антиоксидантов (Свидетельство № 31-07 от 04.05.2007).
Рис. 4. Градуировочный график лактозы
Выбор стабильных условий работы прибора «ЦветЯуза-01-АА» с амперометрическим детектором позволил решить задачу определения антиоксидантного статуса человека по сыворотке крови, на примере больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
В третьей главе рассмотрено решение нового класса задач – определения жирорастворимых антиоксидантов, которые отличаются от водорастворимых физико-химическими свойствами (вязкостью, структурой) и воздействием на клетки человеческого организма. Исходя из функциональной зависимости (1), меняются условия определения жирорастворимых антиоксидантов (новый класс соединений с точки зрения пробоподготовки и модернизированная под анализ жирорастворимых антиоксидантов гидравлическая система прибора «ЦветЯуза-01-АА»). Были внедрены следующие инженерные решения: заменён перистальтический насос на плунжерный, установлен новый шестиходовой кран-дозатор, заменены силиконовые коммуникации на полиэфирэфиркетонновые капилляры.
Метрологическое обеспечение для модернизированного прибора «ЦветЯуза-01-АА» потребовало разработки методики определения жирорастворимых антиоксидантов, которая заключается в обоснованном выборе стандартного вещества (сильного антиоксиданта), растворителя пробы и элюента.
Учитывая условия выбора стандартного вещества (окисление на поверхности рабочего электрода при заданном потенциале; растворение в тех же органических растворителях, что и жирорастворимые антиоксиданты; доступность; химическая структура вещества – природный антиоксидант), по которому производится градуировка прибора, была выбрана галловая кислота. С её использованием были получены линейные графики с высоким значением чувствительности (отношение изменения аналитического сигнала при изменении концентрации исследуемого вещества) в отличие от других стандартов, например: синтетического ионола (рис. 5).
а б
Рис. 5. Градуировочный график: а – ионол, б – галловая кислота
В результате большой исследовательской работы в качестве элюента и растворителя пробы был выбран подкисленный ортофосфорной кислотой ацетон, с которым получаются наиболее точные и воспроизводимые результаты измерений.
Процесс измерения содержания антиоксидантов (рис. 6) согласно разработанной и аттестованной методике для жирорастворимых проб (Свидетельство № 120-08 от 25.11.2008) предусматривает: приготовление элюента и стандартного вещества (галловой кислоты); формирование пробы пищевого продукта; построение градуировочного графика и уравнения Y(Х) = aX + b, где X – площадь пика выходной переменной (галловой кислоты), нА·с; Y – концентрация галловой кислоты, мг/дм3; a и b – экспериментальные коэффициенты. Анализ (регистрация и обработка результатов) проходит в режиме реального времени. Правильность и воспроизводимость анализа обеспечивается за счёт точного дозирования шестиходовым краном (СКО дозирования < 0,11 %); СКО последовательных измерений анализируемых проб меньше 5 %, что говорит о малой случайной составляющей погрешности.
Рис. 6. Алгоритм измерения содержания антиоксидантов ССАгр. – величина содержания антиоксидантов, найденная по градуировочному графику, мг/дм3; Vп. – объём экстракта анализируемой пробы, см3; mпр – навеска анализируемой пробы, г; N – кратность разбавления пробы
По разработанной методике на модернизированном приборе «ЦветЯуза-01-АА» определено суммарное содержание жирорастворимых антиоксидантов в орехах, растительных маслах, шоколаде и какао, впервые – в молочных, рыбных и мясных продуктах. На основе проведённых измерений создан банк данных содержания антиоксидантов в пищевых продуктах, напитках, БАДах, экстрактах лекарственных трав, приведены рекомендации по суточной дозе антиоксидантов.
Четвёртая глава посвящена разработке макета портативного жидкостного хроматографа (рис. 7, 8) для суммарного и покомпонентного анализа антиоксидантов на базе прибора «ЦветЯуза-01-АА» с использованием портативного автономного плунжерного насоса на 3,5 МПа и монолитной колонки, сопротивление которой при расходе 1 мл/мин составляет 1,7 МПа.
Рис. 7. Функциональная схема портативного
жидкостного хроматографа
Рис. 8. Общий вид портативного жидкостного хроматографа
На рисунке 9 показаны возможности анализа суммарного и покомпонентного определения веществ-антиоксидантов (галловая кислота, эпикатехин, дигидрокверцетин).
а б
Рис. 9. Хроматограммы: а – разделения соединений – антиоксидантов на монолитной колонке Chromolith SpeeRod 50 – 4,6 мм, элюент: 10 % ацетонитрил, pH 3,3 (1 – галловая кислота, 2 – эпикатехин, 3 – дигидрокверцетин); б – выходные сигналы трёх последовательных анализов раствора галловой кислоты, эпикатехина и дигидрокверцетина (СКО < 3 %)
Портативный жидкостный хроматограф реализует методики определения водо- и жирорастворимых антиоксидантов, а также антоцианов. Поскольку одним из критериев подлинности и качества продуктов является, с одной стороны, сумма природных антиоксидантов, а с другой – наличие действующего вещества в продукте (например, для коньяка – это соотношение сиреневого и ванилинового альдегидов, для вина – количество ресвератрола) прибор позволяет выявлять фальсификацию пищевой продукции. Представленная задача легко решается на модернизированном комплексе: экспрессно – определением суммы антиоксидантов, детально – хроматографическим анализом.
Выводы и основные результаты работы:
– решена актуальная научно-техническая задача – разработка приборного и методического обеспечения для автоматизированного суммарного и покомпонентного определения антиоксидантов в пищевых продуктах и напитках;
– проведён анализ и систематизация современных методов определения антиоксидантов, выбран и обоснован АМ;
– выбраны оптимальные условия работы амперометрического детектора (расход, состав элюента и пробы, потенциал и расположение рабочего электрода в ячейке);
– гидравлическая схема прибора «ЦветЯуза-01-АА» дополнена разработанным устройством для улавливания растворённых в элюенте пузырьков воздуха, отрицательно влияющих на величину предельного тока;
– в рамках работы «Аналитический контроль производств биотоплива (НИР)» по заказу №2042 01 362 прибор «ЦветЯуза-01-АА» полностью адаптирован для экспрессного определения содержания моносахаров, полисахаридов и лигнина на основе импульсного режима работы амперометрического детектора для получения качественного промежуточного сырья в технологической линии производства биотоплива из соломы;
– расширены возможности применения АМ для решения нового класса задач определения антиоксидантного статуса человека по сыворотке крови, слюне, моче человека;
– осуществлена модернизация прибора, определяющего водорастворимые антиоксиданты, для анализа жирорастворимых антиоксидантов, комплекс разрешён к применению во всех медицинских учреждениях Приказом Росздравнадзора № 10169-Пр/09 от 10.12.09, испытан и выпускается серийно;
– разработана и аттестована методика определения жирорастворимых антиоксидантов в пищевых продуктах (Свидетельство №120-08 от 25.11.08);
– на основе прибора для автоматизированного определения водо- и жирорастворимых антиоксидантов «ЦветЯуза-01-АА» и внедрения хроматографического оборудования разработан макет универсального многоцелевого первого отечественного портативного жидкостного хроматографа;
– предложен экспресс-метод оценки качества и подлинности алкогольной продукции (вина, коньяка, пива и др.);
– впервые измерено суммарное содержание антиоксидантов в мясных, рыбных и молочных продуктах; расширен банк данных содержания антиоксидантов путём добавления разделов: специи и приправы, мясные, рыбные и молочные продукты; изучен вопрос об оптимальном соотношении в ежедневно употребляемых продуктах водо- и жирорастворимых антиоксидантов.
Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:
в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:
1.Федина, П.А. Портативный жидкостный хроматограф как для суммарного, так и для покомпонентного определения антиоксидантов в пищевых продуктах и БАДах / П.А. Федина, А.Я. Яшин // Приборы. – 2009. – № 9. – С. 43–47.
2.Федина, П.А. Определение антиоксидантов в продуктах растительного происхождения амперометрическим методом / П.А. Федина, А.Я. Яшин, Н.И. Черноусова // Химия растительного сырья. – 2010. – № 2. – С. 91 – 97.
3.Федина, П.А. Обработка хроматографических сигналов с применением сигма-дельта аналого-цифрового преобразования / П.А. Федина, К.П. Латышенко, Доан Ван Хоа, О.В. Свирюкова // Экологические системы и приборы. – 2010. – № 8. С. 1618.
4.Fedina, P.A. Creation of a Databank for Content of Antioxidants in Food Products by an Amperometric Method / Ya.I. Yashin, BV. Nemzer, V.Yu. Ryzhnev, A.Ya. Yashin, N.I. Chernousova and P.A. Fedina // USA.: Molecules. – 2010. – Vol. 15(10). – P. 7450 – 7466.
в журналах и на конференциях:
5.Определение содержания антиоксидантов в кофе амперометрическим методом / А.Я. Яшин, Н.И. Черноусова, П.А. Федина [и др.]. – М.: Пищевая промышленность, Пиво и напитки, 2009. – № 2. – С. 47 – 49.
6.Определение антиоксидантной активности лекарственных препаратов, витаминов и экстрактов лекарственных трав / П.А. Федина, А.Я. Яшин, Н.И. Черноусова. – 1 всероссийская конференция Современные методы химико-аналитического контроля фармацевтической продукции, 1 – 4 декабря 2009, Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова. – С. 184 – 185.
7.Диагностика окислительного стресса / Я.И. Яшин, П.А. Федина [и др.]. – М.: Курортные ведомости. – 2010. – № 5 (62).
8.Антиоксиданты в лекарственных травах / Я.И. Яшин, П.А. Федина [и др.]. – М. : Курортные ведомости. – 2011. – №1 (64).
9.Tea, coffee and cocoa as the richest sources of antioxidants for humans / B. Nemzer., Ya.I. Yashin, A.Ya. Yashin, N.I. Chernousova and P.A. Fedina, T.A. Mikhailova. – 1st International Congress CoCotea, 13 – 16 september 2011, Novara, Italy. – P. 36.
10.Основные физико-химические методы определения антиоксидантной активности. Сопоставление амперометрического метода с ORAC для определения антиоксидантов в продуктах и БАДах / А.Я.Яшин, Б.Немзер, П.А. Федина [и др.]. – М.: Мир измерений. – 2012. – №. 1. – С. 0 (в печати).
Подписано в печать 18.11.11. Формат 6084 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 100 экз.
Отпечатано на ризографе ФГБОУ ВПО МГУИЭ.
105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.
