Науково-дослідницька робота "Визначення концентрації нітратів у харчових продуктах"

Визначення концентрації нітратів у харчових продуктах

Науково-дослідницька робота

 учнів 11 – А класу КЗШ №117

Ткаченка Олександра

Соловйова Сергія

Науковий керівник

Серьогіна Лілія Володимирівна

учитель фізики

Вступ

Для відновлення життєвої енергії і сил людині необхідне харчування. Сучасне перепрофілювання сільського господарства на промислову основу дозволяє цілий рік мати на столі свіжу зелень, огірки, помідори, редис, полуницю. Але часто, прагнучи до стійких врожаїв і високого прибутку, виробник порушує технологію вирощування, і продукція виявляється отруйною.

Азот - речовина необхідна для росту всіх рослин. В основному рослини його отримують з ґрунту, який з часом може виснажуватися. Тому для відновлення його складу вносять різні добрива, в тому числі й азотні. Неправильне використання азотних добрив може призвести до накопичення нітратів в овочах і фруктах.

Що таке нітрати?

Нітрати — це солі азотної кислоти, багато з яких під назвою «селітри» широко використовуються як мінеральні добрива в сільському господарстві а також у промисловості. Крім того, нітрати є природним продуктом кругообігу азоту в біосфері та головною формою неорганічного азоту в ґрунті. На жаль, в результаті нераціональної і необдуманої діяльності людини виникло порушення його екологічного балансу, яке спричинило накопичення нітратів в рослинних продуктах, питній воді, що в свою чергу  призвело до різкого збільшення нітратного навантаження на організм людини.

Визначення концентрації нітратів у сільгосппродукції є злободенною проблемою. Для вирішення цієї проблеми необхідний хороший експрес - аналіз, що дозволяє відрізнити екологічно чисту продукцію від неякісної, ще далеко від столу споживача.

У хімії існує спосіб визначення вмісту нітратів за допомогою дифеніламіному (C₆H₅NHC₆H₅). Даний спосіб ґрунтується на інтенсивності фарбування лакмусового паперу, при занурюванні її в дифеніламін. Але цей метод не дозволяє визначити концентрацію нітратів, тобто судити про безпеку даного продукту.

Азотні добрива, будучи солями азотної кислоти, в більшості своїй добре розчиняються у воді, тому вони можуть проводити електричний струм, величина якого залежить від концентрації розчину. Значить, якщо вдасться виміряти величину електричного струму, що пройшов через електроліт певної відомої концентрації і порівняти з величиною струму, що пройшов через сік овочів і фруктів, можливо, можна буде судити про концентрацію нітратів у сільгосппродукції.

Тому об’єктом нашого дослідження ми вибрали азотні добрива, які будучи нітратами, є проміжною ланкою в утворенні нітритів, токсичних речовин для людини і тварин. І мета роботи - виміряти вміст нітратів в овочах і фруктах, використовуючи закон Ома для ділянки кола.

 Ця мета передбачає наступні завдання:

1) вивчити роль нітратів у житті рослин і визначити їх вплив на здоров’я людини;

2) розглянути принцип електролітичної дисоціації розчинів даних солей та їх електропровідність в залежності від концентрації;

3) провести вимірювання сили струму, що пройшов через електроліт відомої концентрації і порівняти з величиною струму, що пройшов через сік овочів та фруктів;

4) проаналізувати отримані результати і припустити використання даного методу вимірювання на практиці.

1. Роль сполук азоту в житті рослин

та його вплив на здоров’я людини.

Азот - це один з самих найважливіших хімічних елементів в житті рослин, оскільки він необхідний для синтезу амінокислот, з яких утворюються білки. Азот отримує рослина з ґрунту у вигляді мінеральних азотних солей (нітратних і аміачних).

Добрива - органічні та мінеральні речовини, що містять елементи живлення рослин (N, Р, К) - породжують екологічну тривогу там, де їх застосування не збалансовано або виконується з порушенням показань і регламентів.

Інтенсивне застосування в багатьох регіонах азотних і калійних добрив призвело до появи проблеми нітратів, що забруднюють харчові продукти. Спостерігається різкий стрибок концентрації їх у сільськогосподарській продукції в нашій країні. Верхня межа норми нітратів на одну людину в день, встановлена Всесвітньою організацією охорони здоров’я (ВООЗ), дорівнює 325мг. При вживанні екологічно чистих продуктів людина в добу без шкоди для здоров’я споживає приблизно 100 - 200мг нітратів, причому 60 - 70% - з овочами, а 10 - 20% - з водою. У зерні, ягодах, фруктах, м’ясі, рибі нітратів мало. Якщо ж продукція вирощена на «переудобренних» нітратами ґрунтах, то ми можемо отримати дозу, що перевищує норму в 2-5 разів. Це найбільш небезпечно, тому що в організмі надлишкові нітрати не встигають виводитися, або йти на синтез біомолекул (білків, амінокислот), а перетворюються в нітрити. Саме вони і являють загрозу здоров’ю.

2. Довідка

Нітрати - це природні продукти обміну всіх рослин (так само, як сульфати, хлориди, карбонати та ін.) Нітрати життєво необхідні рослинам - без них неможливий їхній нормальний ріст і розвиток. Однак неконтрольоване використання азотних добрив (в Україні близько 20 млн. т. на рік) призвело до накопичення необмеженого рівня їх у продуктах рослинного походження. Нітрати добре всмоктуються в шлунково-кишковому тракті, швидко потрапляють в кров і розносяться по всьому організму. Саме тому при надходженні в організм людини нітратів в дозах, які перевищують допустимі, виникає клінічна картина гострого або хронічного нітратного отруєння. Безпечною для дорослої людини дозою нітратів є 150 - 200мг на добу, гранично допустимою - 500мг, токсичною може бути доза більша за 600мг.

Які ж ознаки гострого отруєння нітратами?

Це:

• виражена синюшність шкіри та слизових оболонок (дуже рідко може бути різка блідість); різка загальна слабкість, сонливість, (у дітей неспокійна поведінка);
• запаморочення голови, сильні головні болі, потемніння в очах;
• задишка;
• порушення координації;
• зниження артеріального тиску, збільшення частоти серцевих скорочень;
• у важких випадках – судоми, втрата свідомості, коматозний стан.

Гостре отруєння, як правило, виникає при одноразовому попаданні в організм високих доз нітратів.

При тривалому вживанні забрудненої нітратами води і овочів розвивається хронічна нітратна інтоксикація. Тоді в організмі людини виникає цілий ряд порушень:

• підвищується концентрація метгемоглобіну крові - більше 2%, а це спричинить кисневе голодування органів і тканин;
• можливий розвиток хронічних гастритів, гастродуоденітів, виразкової хвороби, захворювань печінки і жовчовидільних шляхів;
• дистрофічні зміни в серцевому м’язі; захворювання і порушення функції нирок; порушення зі сторони нервової і серцево-судинної систем;
• дратівливість, швидка втомлюваність, зниження працездатності та розумової активності тощо.

Нітрати також сприяють розвитку алергічних хвороб. Особливо небезпечна дія нітратів в період вагітності, оскільки вони можуть спричинити загрозу переривання вагітності і бути причиною вроджених вад розвитку у немовлят.

Крім цього:

1. Нітрати знижують вміст вітамінів в їжі, які входять до складу багатьох ферментів, стимулюють дію гормонів, а через них впливають на всі види обміну речовин.

2. При тривалому надходженні нітратів в організм людини (хай навіть у незначних дозах) зменшується кількість йоду, що приводить до збільшення щитовидної залози.

3. Встановлено, що нітрати сильно впливають на виникнення ракових пухлин в шлунково-кишковому тракті у людини.

4. Нітрати здатні викликати різке розширення судин, в результаті чого знижується кров’яний тиск.

Різні рослини мають неоднакову здатність до накопи­чення нітратів. Найбільше їх акумулюють кріп, салат, пет­рушка, потім буряки, значно менше - капуста та морква, ще менше - картопля. Концентруються нітрати в рослинах теж по-різному. В капусті їх найбільше в центральній, кореневій частині та верхніх листках, у огірках, патисонах - у шкірці, в картоп­лі - всередині, у моркві, буряках, кабачках - у нижній час­тині плоду.

Якщо очищену картоплю тримати деякий час у воді, кількість нітратів у ній значно зменшується. У відвари переходить 50% і більше (у капусти — 70%) початкової кількості нітратів, особливо якщо овочі поріза­ні. Корені й шкірку овочів завжди варто викидати. Наполо­вину зменшують вміст нітратів у овочах соління, маринування, квашення.

Однією з ознак присутності залишкових кількостей нітратів можна вважати відсутність в партіях фруктів (яблук, груш, слив та ін.) червоточин. При чищенні картоплі серед значної кількості плодів з білою м’якоттю зустрічаються плоди з жовтою м’якоттю, які не слід вживати. Нітратні плоди апельсинів і лимонів мають товсту шкіру. У гарбуза за наявності нітратів на поверхні плодів - нерівні хвилясті смужки. Наліт на червоному винограді свідчить про вміст у ньому нітратів. Морква при наявності нітратів має яскраво - помаранчевий колір.

При всьому вищевикладеному слід пам’ятати, шкоду наносять організму людини не самі нітрати, а нітрити, в які вони перетворюються за певних умов.

3. Фізичний принцип методу дослідження

1.          Використання закону Ома для ділянки кола в електролітичній дисоціації розчину.

При розчиненні електролітів під впливом електричного поля полярних молекул води відбувається розпад молекул електролітів на йони. Цей процес називається електролітичної дисоціацією.

Ступінь дисоціації, тобто частка молекул в розчиненій речовині, що розпалися на йони, залежить від температури, концентрації розчину і електричних властивостей розчинника. Зі збільшенням температури ступінь дисоціації зростає і, отже, збільшується концентрація позитивних і негативних заряджених йонів.

Йони різних знаків при зустрічі можуть знову об’єднуватися в нейтральні молекули - рекомбінувати. При незмінних умовах в розчині встановлюється динамічна рівновага, при якому число молекул, що розпадаються за секунду на йони, дорівнює кількості пар йонів, які за той же час знову об’єднуються в нейтральні молекули.

Якщо посудину з розчином електроліту включити в електричне коло, то негативні йони почнуть рухатися до позитивного електрода - анода, а позитивні - до негативного - катода. У результаті встановиться електричний струм.

Якщо стан електроліту (його температура і ін.) стабільний, то між прикладеною до електродів напругою та силою струму, яка виникає, існує однозначний зв’язок. Він називається Закон Ома і записується так:

I - сила електричного струму, що протікає через розчин електроліту, величину якого можна виміряти за допомогою амперметра або міліамперметра;

U - напруга, прикладена до електродів, які зануренні в розчин;

R - електричний опір електроліту, який залежить від електричних властивостей розчину речовини і від геометричних розмірів посудини.

2.          Визначення залежності сили струму

від концентрації розчину.

Здатність речовини проводити електричний струм можна характеризувати або електричною провідністю, або опором. Електрична провідність тим вище, чим більше концентрація йонів і чим більше їх абсолютна швидкість, так як передача електрики через розчин здійснюється рухом йонів. Однак коли концентрація розчину стає досить великою, то зі збільшенням її, ступінь дисоціації сильно падає, тому що в розчинах сильних електролітів зростає вплив взаємного притягання йонів. Вплив цей може бути більш сильним, ніж вплив збільшення загальної концентрації електроліту в розчині. У такому випадку підвищення концентрації електроліту буде викликати зменшення питомої електропровідності.

4. Методи дослідження.

Обладнання: пластмасовий прозорий стакан, два електроди (цинковий, мідний), джерело живлення з вихідною напругою 4,5 В, міліамперметр, ключ, важільні терези, важки по 10, 20, 50, 100, 200, 300, 400 мг, вода водопровідна кип’ячена фільтрована.

Хід експерименту:

1.                Зберемо електричне коло, що складається з джерела постійного струму, ключа, міліамперметра, стакана з електродами, відстань між якими встановимо 1см, мідний електрод буде катодом, а цинковий - анодом. Все з’єднаємо послідовно.
2.                Наллємо 100мл профільтрованої кип’яченої води в пластмасовий стакан.
3.                Замкнемо ключ і виміряємо силу струму за допомогою міліамперметра.
4.                Приготуємо розчини нітрату натрію різної концентрації в 100 мл фільтрованої кип’яченої води.

5.Замкнемо ключ кола і повторимо дослід з розчинами різної концентрації нітрату натрію, вимірюючи силу струму за допомогою амперметра.

6. Занесемо всі отримані результати в таблицю № 1, побудуємо графік.

7. Замкнемо коло і виміряємо значення сили струму в різних розчинах соків фруктів і овочів. Користуючись таблицею №1 та графіком, визначимо концентрацію нітратів у розчинах (таблиця № 2).

Таблиця № 1.

Сила струму в розчинах

з різною концентрацією нітратів.

Таблиця № 2.

Сила струму в соку овочів і фруктів

Аналізуючи результати, визначили, наприклад, що в соці з моркви міститься близько 330 мг нітратів, а в буряковому та капустяному соках - 550мг. За даними експерименту в яблучному соці «Садочок», виробник ТОВ «Сандора», міститься нітратів менше, ніж у соці, виготовленому зі свіжих яблук, зірваних на дачі. Ймовірно, це пов’язано з тим, що даний сік пройшов ряд процесів, які усувають шкідливі сполуки, але через пастеризацію частково втратив вітаміни і корисні мікроелементи, які містяться в ньому. Тому необхідно довести, що нітрати в соці все-таки є, але визначимо це іншим методом. Наприклад, при взаємодії з міддю концентрована азотна кислота відновлюється до оксиду азоту (IV):

Cu + 4HNO₃ (конц) = Cu (NO₃) ₂ + 2NO₂ + 2H₂O

а розбавлена - до оксиду азоту (II):

3Cu + 8HNO₃ (разб) = 3Cu (NO₃) ₂ +2NO + 4H₂O

При проведенні реакції ми звернули увагу на появу пухирців газу з запахом, що свідчить про наявність нітратів у соках. Аналогічне спостерігається і в соках овочів.

Висновок
 

Проблема токсичного накопичення нітратного азоту в сільськогосподарській продукції і шкідливого впливу його на людину і сільськогосподарських тварин на сучасному етапі є однією з найбільш гострих і актуальних.

       Рішенням цього завдання зайняті багато науково-дослідних установ всього світу, але, незважаючи на пильну увагу до цієї проблеми до цих пір радикального рішення поки не знайдено. Існують лише деякі способи зниження шкоди нітратів на організм людини, тому можна запропонувати ряд цінних порад:

1.                Знижується кількість нітратів при термічній обробці овочів (миття, варіння, бланшування). Так, при вимочуванні - на 20-30%, а при варінні на 60-80%.

Наприклад:

• у капусті - на 58%;
• у буряку - на 20%;
• в картоплі - на 40%.

При цьому слід пам’ятати, що при посиленому митті та бланшуванні (парою, окропом) овочів у воду йдуть не лише нітрати, а й цінні речовини: вітаміни, мінеральні солі та ін.

2) Щоб знизити кількість нітратів у старих бульбах картоплі, їх необхідно залити 1%-вим розчином кухонної солі.

3) У патисонів, кабачків і баклажанів необхідно зрізати верхню частину, яка примикає до плодоніжки.

4) Оскільки нітратів більше в шкірці овочів та плодів, то їх (особливо огірки і кабачки) треба очищати від шкірки, а у пряних трав треба викидати їх стебла і використовувати тільки листя.

5) В огірках, буряках, редьці до того ж треба зрізати обидва кінці, тому що тут найвища концентрація нітратів.

6) Зберігати овочі і плоди треба в холодильнику, тому що при температурі +2 ° С неможливо перетворення нітратів у більш отруйні речовини - нітрити.

Запропонований метод дозволяє оцінювати кількість нітратів, набраних при прийомі їжі людиною за добу, варіювати і урізноманітнювати свій харчовий раціон в залежності від сезону, віку, стану здоров’я і смаку.

Але даний метод має і ряд недоліків:

1. Розчини, приготовані на основі води, вже містять невелику кількість нітратів, яка, ймовірно, залежить від місця проживання, і врахувати їх для аналізу продукції, привезеної з інших районів, практично неможливо.

2. Зафіксований електричний струм, носіями якого в соках фруктів і овочів, можливо, можуть бути і домішки інших розчинних солей, які ніякого відношення не мають до нітратів, не є справжнім показником досліджуваних речовин.

3. Запропонована експериментальна установка не може в такому вигляді бути мобільною, яка  дозволяла б покупцеві біля прилавку проводити виміри, тому ми пропонуємо компактний і зручний прилад для дослідження електропровідності розчинів, що містять нітрати, безпосередньо біля прилавка на ринку.

У нашому дослідженні ми використовували обладнання фізичного кабінету. Але всю установку з собою на ринок не понесемо, тому можна запропонувати компактний і зручний прилад для дослідження електропровідності розчинів електролітів. Харчування даного пристрою здійснюється від двох вбудованих «пальчикових» батарейок. Як датчик використовується світлодіод.

При цьому слід відзначити високу чутливість приладу. Він реагує навіть на незначні кількості розчинених речовин. Наприклад, він показує електропровідність питної води.

Література

1. Лісіцин Ю.П. Спосіб життя і здоров'я / / Рад. Охорона здоров'я. - 1992 - № 7 - с. 2 - 9.
2. Освітні технології з досвіду розвитку глобального мислення учнів / /За ред. Ю. Ю. Кулюткіна, Є.В. Спасской.-СПб.: КАРО, 2003.-152 с.
3. Покровська С.Ф. Шляхи зниження вмісту нітратів в овочах. 1988 рік, з 42 - 46.
4.  Черпяева І.І., Екологічні проблеми використання азотних добрив. Хімізація сільського господарства, 1990 рік, № 4, с. 20 - 21.
5. Евенштейн З. Нітрати, нітрити, нітрозаміни. Громадське харчування, 1989 рік, № 3.