---

Роль минеральных веществ в организме человека чрезвычайно разнообразна, несмотря на то, что они не являются обязательным компонентом питания. Минеральные вещества содержатся в протоплазме и биологических жидкостях, играющих основную роль в обеспечении постоянства осмотического давления, что является необходимым условием для нормальной жизнедеятельности клеток и тканей. Они входят в состав сложных органических соединений (например, гемоглобина, гормонов, ферментов), являются пластическим материалом для построения костной и зубной ткани.

В зависимости от количества минеральных веществ в организме человека и пищевых продуктах их подразделяют на макро- и микроэлементы. Так, если массовая доля элемента в организме превышает 10^-2 %, то его следует считать микроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10^-3-10^-5 %. Если содержание элемента ниже 10^-5 % , его считают ультрамикроэлементом.

К макроэлементам относят калий, натрий, кальций, магний, фосфор, хлор, серу.

Микроэлементы условно делят на две группы: абсолютно или жизненно необходимые (кобальт, железо, медь, цинк, марганец, йод, бром, фтор) и, так называемые, вероятно необходимые (алюминий, стронций, молибден, селен, никель, ванадий и некоторые другие). Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма. К наиболее дефицитным минеральным веществам в питании современного человека относятся кальций и железо, к избыточным – натрий и фосфор.

При переработке пищевого сырья, как правило, происходит снижение содержания минеральных веществ (кроме добавления пищевой соли). В растительных продуктах они теряются с отходами. Так, содержание ряда макро- и микроэлементов при получении крупы и муки после обработки зерна снижается, так как в удаляемых оболочках и зародышах этих компонентов находится больше, чем в целом зерне. Например, в среднем, в зерне пшеницы и ржи зольных элементов содержится около 1,7%, в муке же в зависимости от сорта от 0,5 (в высшем сорте) до 1,5% (в обойной).

При очистке овощей и картофеля теряется от 10 до 30% минеральных веществ. Если их подвергают тепловой обработке, то в зависимости от технологии теряется еще от 5 до 30%.

Мясные, рыбные продукты и птица в основном теряют такие макроэлементы, как кальций и фосфор, при отделении мякоти от костей. При тепловой обработке (варке, жарке, тушении) мясо теряет от 5 до 50% минеральных веществ.

Для анализа минеральных веществ в основном используются физико-химические методы – оптические и электрохимические.

Практически все эти методы требуют особой подготовки проб для анализа, которая заключается в предварительной минерализации объекта исследования. Минерализацию можно проводить двумя способами: «сухим» и «мокрым». «Сухая минерализация предполагает проведение при определенных условиях обугливания, сжигания и прокаливания исследуемого образца. «Мокрая» минерализация предусматривает еще и обработку объекта исследования концентрированными кислотами (чаще всего HNO₃ и H₂SO₄).

Наиболее часто применяемые методы исследования минеральных веществ, представлены ниже.

Фотометрический анализ (молекулярная абсорбционная спектроскопия). Он используется для определения меди, железа, хрома, марганца, никеля и других элементов. Метод абсорбционной спектроскопии основан на поглощении молекулами вещества излучений в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях электромагнитного спектра. Анализ можно проводить спектрофотометрическим или фотоэлектроколориметрическим методами.

Эмиссионный спектральный анализ. Методы эмиссионного спектрального анализа основаны на измерении длины волны, интенсивности и других характеристик света, излучаемого атомами и ионами вещества в газообразном состоянии. Эмиссионный спектральный анализ позволяет определить элементарный состав неорганических и органических веществ.

Интенсивность спектральной линии определяется количеством возбужденных атомов в источнике возбуждения, которое зависит не только от концентрации элемента в пробе, но и от условий возбуждения. При стабильной работе источника возбуждения связь между интенсивностью спектральной линии и концентрацией элемента (если она достаточно мала) имеет линейный характер, т.е. в данном случае количественный анализ можно также проводить методом градуировочного графика.

Наибольшее применение в качестве источника возбуждения получили электрическая дуга, искра, пламя. Температура дуги достигает 5000-6000⁰С. В дуге удается получить спектр почти всех элементов. При искровом разряде развивается температура 7000-10 000⁰С и происходит возбуждение всех элементов. Пламя дает достаточно яркий и стабильный спектр испускания. Метод анализа с использованием в качестве источника возбуждения пламени называют пламенно-эмиссионный анализом. Этим методом определяют свыше сорока элементов (щелочные и щелочно-земельные металлы, Cu²⁺, Mn²⁺ и др.).

Атомно-абсорбционная спектроскопия. Данный метод основан на способности свободных атомов элементов в газах пламени поглощать световую энергию при характерных для каждого элемента длинах волн.

В атомно-абсорбционной спектроскопии практически полностью исключена возможность наложения спектральных линий различных элементов, т.к. их число в спектре значительно меньше, чем в эмиссионной спектроскопии.

Уменьшение интенсивности резонансного излучения в условиях атомно-абсорбционной спектроскопии экспоненциальному кону убывания интенсивности в зависимости от толщины слоя и концентрации вещества, аналогичному закону Бугера-Ламберта-Бера

lg J/J₀ = A = klc, (3.10)

где J₀ – интенсивность падающего монохроматического света;

J – интенсивность прошедшего через пламя света;

k – коэффициент поглощения;

l – толщина светопоглощающего слоя (пламени);

с – концентрация.

Постоянство толщины светопоглощающего слоя (пламени) достигается с помощью горелок специальной конструкции.

Методы атомно-абсорбционного спектрального анализа находят широкое применение для анализа практически любого технического или природного объекта, особенно в тех случаях, когда необходимо определить небольшие количества элементов.

Методики атомно-абсорбционного определения разработаны более чем для 70 элементов.

Кроме спектральных методов анализа широкое применение нашли электрохимические методы, из которых выделяются нижеперечисленные.

Ионометрия. Метод служит для определения ионов K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mn²⁺, F^-, I^-, Cl^- и т.д.

Метод основан на использовании ионоселективных электродов, мембрана которых проницаема для определенного типа ионов (отсюда, как правило, высокая селективность метода).

Количественное содержание определяемого иона проводится либо с помощью градуировочного графика, который строится в координатах Е-рС, либо методом добавок. Метод стандартных добавок рекомендуется использовать для определения ионов в сложных системах, содержащих высокие концентрации посторонних веществ.

Полярография. Метод переменно-токовой полярографии используют для определения токсичных элементов (ртуть, кадмий, свинец, медь, железо).

Определение кислотности.

Активная кислотность характеризуется концентрацией свободных ионов водорода в растворе. Значение рН определяют как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода.

Величина рН характеризует качество большинства пищевых продуктов, этот показатель можно применять для контроля биохимических процессов, происходящих при переработке и хранении пищевых продуктов. Кроме того, с активной кислотностью среды теснейшим образом связана жизнедеятельность микроорганизмов.

Концентрацию водородных ионов можно определить по потенциалу (потенциометрический метод), который возникает на границе различных электродов, помещенных в исследуемый раствор. При погружении электрода в раствор на границе электрод – раствор возникает электрический потенциал, так как ионы электрода переходят в раствор. При этом электрод (металл) заряжается положительно, а пограничный слой раствора – отрицательно.

Возникающие пограничные потенциалы функционально связаны с активной концентрацией ионов водорода. Однако технически можно измерить лишь разность потенциалов. Поэтому прибор для измерения рН состоит из двух полуэлементов или электродов: потенциал одного из них прямо или косвенно зависит от концентрации определяемых ионов – его называют индикаторным электродом; и второй электрод, относительно которого измеряется потенциал индикаторного электрода, называется электродом сравнения.

При помощи рН-метра измеряют разность потенциалов между двумя электродами, помещенными в раствор. Основой такой системы служит электрод, потенциал которого зависит от рН. Чаще всего в качестве такой рН-зависимой ячейки используют стеклянный электрод, принцип действия которого основан на том, что некоторые типы боросиликатного стекла проницаемы для ионов Н⁺, но непроницаемы для любых других катионов или анионов.

Определение титруемой кислотности. Вкусовые свойства пищевого продукта в первую очередь обусловливает кислотность, которая и является показателем свежести и доброкачественности продукта.

Титруемая кислотность – это количество свободных органических кислот и их кислых солей, содержащихся в исследуемом продукте. Метод определения титруемой кислотности основан на нейтрализации раствором щелочи водных вытяжек кислот и кислых солей, извлеченных из навесок исследуемого продукта.

В большинстве случаев для титрования используют 0,1 н. раствор едкого натрия (раствор готовят из фиксанола, т.к. в этом случае его поправочный коэффициент равен единице). Окончание реакции нейтрализации можно определить по изменению окраски внесенного индикатора (в качестве индикатора обычно применяют 1%-ный спиртовой раствор фенолфталеина, и в этом случае титрование вытяжки ведут до устойчивого слабо-розового окрашивания).

При титровании окрашенной вытяжки какой-либо кислоты её разбавляют дистиллированной водой в 2-3 раза и титруют в присутствии фенолфталеина до изменения цвета вытяжки (изменение цвета вытяжки можно определить при сравнении её с нетитрованной на белом фоне). Окрашенные вытяжки можно также титровать щелочью в присутствии 0,1%-ного спиртового раствора тимолфталеина до получения достаточно устойчивой синей окраски.

Титрования окрашенных растворов обычно проводят потенциометрическим методом (здесь окончание нейтрализации определяют по изменению электропроводности исследуемого раствора с помощью потенциометра).

Кислотность выражается в различных единицах измерения. Например, кислотность продуктов, содержащих разные кислоты и значительное количество кислых солей, выражают в градусах. А кислотность плодово-ягодных соков (яблочная), маринадов (уксусная), квашеных овощей (молочная) выражают в процентах к преобладающей кислоте. Кислотность таких продуктов как мука, различные хлебобулочные и кондитерские изделия выражают в градусах кислотности (количество миллилитров нормальной едкой щелочи, необходимое для нейтрализации кислот, содержащихся в 100 г исследуемого продукта). Кислотность молочных продуктов выражают в градусах Тернера (количество миллилитров 0,1 н. раствора едкой щелочи, необходимое для нейтрализации кислот, находящихся в 100 миллилитрах или 100 граммах продукта). Кислотность жиров выражают в миллиграммах едкого калия, необходимых для нейтрализации свободных жирных кислот, находящихся в 1 г исследуемого жира.

Активная кислотность характеризуется концентрацией свободных ионов водорода в растворе. Значение рН определяют как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода.

Величина рН характеризует качество большинства пищевых продуктов, этот показатель можно применять для контроля биохимических процессов, происходящих при переработке и хранении пищевых продуктов. Кроме того, с активной кислотностью среды теснейшим образом связана жизнедеятельность микроорганизмов.

Концентрацию водородных ионов можно определить по потенциалу (потенциометрический метод), который возникает на границе различных электродов, помещенных в исследуемый раствор. При погружении электрода в раствор на границе электрод – раствор возникает электрический потенциал, так как ионы электрода переходят в раствор. При этом электрод (металл) заряжается положительно, а пограничный слой раствора – отрицательно.

Возникающие пограничные потенциалы функционально связаны с активной концентрацией ионов водорода. Однако технически можно измерить лишь разность потенциалов. Поэтому прибор для измерения рН состоит из двух полуэлементов или электродов: потенциал одного из них прямо или косвенно зависит от концентрации определяемых ионов – его называют индикаторным электродом; и второй электрод, относительно которого измеряется потенциал индикаторного электрода, – называется электродом сравнения.

При помощи рН-метра измеряют разность потенциалов между двумя электродами, помещенными в раствор. Основой такой системы служит электрод, потенциал которого зависит от рН. Чаще всего в качестве такой рН-зависимой ячейки используют стеклянный электрод, принцип действия которого основан на том, что некоторые типы боросиликатно-го стекла проницаемы для ионов Н⁺, но непроницаемы для любых других катионов или анионов. Если тонкий слой такого стекла поместить между двумя растворами с различными концентрациями ионов Н⁺, эти ионы будут диффундировать сквозь стекло из раствора с высокой концентрацией ионов водорода в раствор с низкой концентрацией. Стеклянный электрод содержит 0,1-молярный раствор соляной кислоты в контакте со стеклом, проницаемым для Н⁺-ионов. К измерительному прибору его присоединяют проволокой, покрытой хлоридом серебра и погруженной в соляную кислоту.

Цепь замыкается при погружении в раствор электрода сравнения, который чаще всего содержит пасту Hg/HgCl₂ в насыщенном растворе хлорида калия. Хлорид калия служит для создания контакта между Hg/HgCl₂ - полуэлементом и раствором, в котором проводят измерение.

Такой полуэлемент помещают в стеклянный корпус, непроницаемый для Н⁺-ионов (его потенциал не зависит от рН). Электрический контакт между раствором хлорида калия внутри электрода сравнения и измеряемым раствором осуществляется с помощью тонкой нити или капилляра в стеклянном корпусе. Напряжение, измеряемое такой системой, является, прежде всего, разностью потенциалов между стеклянным электродом и электродом сравнения.

Измеряя электродвижущую силу электродной системы электронным милливольтметром, шкала которого градуирована в единицах рН, определяют рН контролируемого раствора.

Экспресс-метод измерения рН основан на окрашивании индикаторной бумаги при смачивании ее испытуемым раствором и на сравнении полученной окраски со шкалой сравнения.

Данный метод обеспечивает быстроту анализа, однако его можно использовать только для установления ориентировочной величины рН. В то же время существует индикаторная бумага типа "Рифан" (пределы измерения рН 5,8-7,4), с помощью которой определяют рН непосредственно в мясных тушах. Величина отклонения рН по сравнению с потен-циометрическим методом составляет 0,4 единицы.

Измерение рН колориметрическим методом. Метод основан на свойстве индикаторов изменять свою окраску в зависимости от рН раствора. Для колориметрического определения рН можно использовать универсальный индикатор, состоящий из смеси индикаторов, охватывающих зону перехода окраски в области рН от 3,0 до 11,0.

Универсальный индикатор представляет собой смесь, состоящую из 0,1 г метилового красного, 0,2 г бромтимолового синего, 0,4 г фенолфталеина и растворенную в этаноле в мерной колбе вместимостью 500 см³.

Колориметрический метод используют для установления приближенного значения рН неизвестного раствора с погрешностью 1,0-0,5.