ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В МУКЕ И МУЧНЫХ ИЗДЕЛИЯХ

АННОТАЦИЯ

Проведено определение содержания свинца, кадмия, цинка и меди в образцах муки и наиболее распространённых мучных изделий, реализуемых в г. Джизак и Джизакской области (Республика Узбекистан). Анализ выполняли методом анодной инверсионной дифференциально-импульсной вольтамперометрии после сухой минерализации образцов при 500 °C. Для каждого аналита построены калибровочные зависимости, рассчитаны пределы обнаружения и количественного определения, среднеквадратическая и относительная погрешности. Показано, что концентрации Pb²⁺ и Cd²⁺ в муке находятся ниже пределов обнаружения, а в готовых изделиях не превышают 0,07 и 0,024 мг/кг соответственно, что существенно ниже национальных и международных нормативных значений. Максимальные концентрации свинца и кадмия составили 0,0261 мг/кг и 0,0238 мг/кг соответственно. Концентрации Cu²⁺ и Zn²⁺ соответствуют типичным уровням для зерновых продуктов и также находятся в безопасном диапазоне. Сделан вывод о хорошем санитарно-гигиеническом качестве исследованных продуктов и продемонстрирована целесообразность использования анодной инверсионной вольтамперометрии для регулярного мониторинга тяжёлых металлов в пищевых матрицах.

ABSTRACT

The contents of lead, cadmium, zinc, and copper were determined in samples of flour and the most commonly consumed flour-based products sold in Jizzakh city and the Jizzakh region (Republic of Uzbekistan). The analysis was carried out by anodic stripping differential pulse voltammetry after dry mineralization of the samples at 500°C. Calibration curves were constructed for each analyte, and limits of detection and quantification, as well as standard and relative errors, were calculated.

It was shown that the concentrations of Pb²⁺ and Cd²⁺ in flour were below the detection limits. At the same time, in finished products, they did not exceed 0.07 and 0.024 mg/kg, respectively, which is significantly lower than national and international regulatory values. The maximum concentrations of lead and cadmium were 0.0261 mg/kg and 0.0238 mg/kg, respectively. The concentrations of Cu²⁺ and Zn²⁺ were typical for grain-based products and within the safe range.

The study concludes that the analyzed products possess good sanitary and hygienic quality, and it demonstrates the feasibility of using anodic stripping voltammetry for routine monitoring of heavy metals in food matrices.

Ключевые слова: мука, мучные изделия, инверсионная вольтамперометрия, тяжёлые металлы, электрохимические методы.

Keywords: flour, flour-based products, anode inversion voltammetry, heavy metals, lead, cadmium, copper, zinc, food safety.

Введение

Качество пищевых продуктов напрямую влияет на здоровье человека. Мука и изделия из неё являются основным источником углеводов и широко потребляются в Узбекистане.

Наличие тяжёлых металлов в пищевых продуктах обусловлено главным образом загрязнением окружающей среды, включая загрязнение почвы, воды и воздуха промышленными, сельскохозяйственными и городскими источниками [1-2]. Основными путями поступления тяжёлых металлов, таких как свинец (Pb), кадмий (Cd) и цинк (Zn), в пищевую цепочку являются загрязнение почвы и воды промышленными выбросами, автомобильными выхлопами, а также применение удобрений и пестицидов [3-4-5-6]. Тяжёлые металлы накапливаются в растениях, которые могут усваивать их из загрязнённой почвы и атмосферных осадков, что приводит к их попаданию в организм человека при употреблении таких продуктов [7-8]. Тяжёлые металлы, такие как свинец (Pb²⁺), кадмий (Cd²⁺), цинк (Zn²⁺) и медь (Cu²⁺), при превышении допустимых концентраций оказывают токсическое воздействие на организм человека [2-9]. Кадмий также является высокотоксичным элементом, способствующим развитию хромосомных аберраций, повреждению почек и минеральному остеодистрофии, а его превышение в пище связано с канцерогенными рисками [10-11]. Цинк, будучи необходимым микроэлементом в следовых количествах, при избыточном поступлении становится токсичным, вызывая желудочно-кишечные расстройства и нарушения иммунитета [12].

Учитывая высокую долю потребления мучных изделий в регионе и ограниченность данных по содержанию тяжёлых металлов в этих продуктах в Узбекистане, целью настоящей работы является: определение концентраций Pb²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ и Cu²⁺ в муке и ряде мучных изделий, реализуемых в Джизакской области, методом анодной инверсионной вольтамперометрии с оценкой метрологических характеристик метода и сравниванием полученных значений с действующими нормативами.

Вольтамперометрия — это современный электрохимический метод с высокой чувствительностью и точностью, широко применяемый для определения ионов тяжёлых металлов в пищевых продуктах [13–16]. В данном исследовании с использованием этого метода были определены концентрации Pb²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ и Cu²⁺ в муке и мучных изделиях, потребляемых в г. Джизак, а также изучено их соответствие гигиеническим нормативам.

Материалы и методы

В исследовании использовали метод анодной инверсионной дифференциально-импульсной вольтамперометрии (АИ-ДИВ) для определения концентраций Pb²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ и Cu²⁺ в образцах муки и мучных изделий, реализуемых в г. Джизак и Джизакской области. Образцы включали 8 наиболее потребляемых продуктов: мука-1 (район Дустлик), мука-2 (г. Джизак), хлеб «лепёшка», хлеб «буханка», хлеб «teshik patir», курабье, коржик и пряник.

Навески муки массой 4,000 ± 0,005 г и мучных изделий по 2,000 ± 0,005 г подвергали сухой минерализации: обугливание на открытом пламени в течение 25–30 мин, затем прокаливание в муфельной печи при 500 °C в течение 10–12 часов до получения светло-серой золы. Золу растворяли в 0,1 М HCl с последующим доведением до объёма фоновым раствором (раствор KCl с добавлением Hg(NO3)2 для формирования ртутной плёнки на электроде) [17-18]. Объёмы растворов для каждого образца приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Растворы и их объёмы, использованные при химической обработке образцов

Измерения проводили на вольтамперометрическом анализаторе Volta ABC 1.1 с трёхэлектродной ячейкой: стеклоуглеродный рабочий электрод с in situ формируемой ртутной плёнкой, платиновый вспомогательный электрод и электрод сравнения Ag/AgCl. Параметры измерений соответствовали установленным режимам.

Калибровочные зависимости строили по стандартным растворам концентрацией 1–20 мкг/л. Рассчитывали пределы обнаружения (LOD), количественного определения (LOQ), стандартные и относительные погрешности [19].

Результаты

По вольтамперограммам определяли пиковые токи ионов Pb²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ и Cu²⁺, переводя их в концентрации с помощью калибровочных графиков. Результаты представлены в Таблице 2.

Таблица 2.

Нормативные значения (ПДК) и определённые

Концентрации свинца и кадмия, мг/кг

В муке свинец и кадмий не обнаружены, остальные продукты содержат эти металлы в низких концентрациях, не превышающих гигиенические нормы [20].

На рисунках 1–4 представлены вольтамперограммы исследованных образцов муки, хлебобулочных и кондитерских изделий. Как видно из графиков, амплитуда пиков свинца (Pb) и кадмия (Cd) коррелирует с фактическими концентрациями, приведёнными в таблице.

Рисунок 1 (образцы муки) демонстрирует низкоамплитудные участки в потенциалах, соответствующих Pb и Cd. Это согласуется с табличными данными: в образцах мука-1 и мука-2 содержание свинца и кадмия не обнаружено (ниже предела определения метода). Поэтому на графике практически отсутствуют выраженные аналитические пики для данных металлов.

Рисунок 2 (пряник) показывает появление отчётливых пиков по кадмию и свинцу, что согласуется с наибольшей среди всех образцов концентрацией Cd — 0,0238 мг/кг, а также сравнительно высокой концентрацией Pb — 0,0208 мг/кг. Более высокая амплитуда пиков на графике объясняется тем, что фактическое содержание металлов превышает уровни, наблюдаемые в остальных изделиях.

Рисунок 3 (коржик) также демонстрирует заметный пик свинца, что соответствует концентрации Pb = 0,0250 мг/кг, одной из самых высоких среди образцов. При этом пик кадмия выражен значительно слабее, что согласуется с его крайне низкой концентрацией — 0,00001 мг/кг.

Рисунок 4 (для сравнения изделий) позволяет визуально сопоставить уровни тяжёлых металлов во всех образцах. Как видно, наиболее интенсивные пики Pb наблюдаются в образцах слоёного патира (0,0261 мг/кг), коржика (0,0250 мг/кг) и пряника (0,0208 мг/кг), что полностью совпадает с данными таблицы. В то же время образцы муки не демонстрируют выраженных пиков, так как содержание металлов в них находится ниже предела обнаружения.

Таким образом, форма и высота вольтамперных пиков полностью отражают фактические концентрации тяжёлых металлов, определённых в ходе исследования. Несмотря на различия в амплитуде сигналов, все значения Pb и Cd во всех образцах находятся в пределах санитарных нормативов, что свидетельствует о безопасности исследуемой продукции.   

Сравнение с нормативами

Согласно нормативам СанПиН N 0366-19 и международным стандартам, максимальные концентрации свинца и кадмия в муке и мучных изделиях не должны превышать 0,5 мг/кг и 0,1 мг/кг соответственно (Таблица     Все образцы соответствуют этим требованиям, что подтверждает безопасность продукции.

Таблица 3.

Определённые концентрации свинца и кадмия и их нормативные значения

Сравнение с нормативами, действующими в Европе и России, также подтверждает безопасность исследованных образцов (Таблица 4) [21].

Таблица 4.

Нормативные концентрации свинца и кадмия в некоторых документах

Контроль содержания свинца и кадмия в муке и мучных изделиях осуществляется во всём мире. В Таблице 4 приведены нормативные значения для свинца и кадмия в муке и продуктах из неё, установленные в Российской Федерации, Европейском Союзе и Узбекистане.

Низкие концентрации тяжёлых металлов обусловлены контролем экологической чистоты сырья и технологических процессов производства. Отсутствие свинца и кадмия в муке и обычном хлебе свидетельствует о высоком качестве продукции и соблюдении гигиенических норм. Результаты согласуются с международными и национальными данными по безопасности пищевых продуктов [22, 23]. Постоянный мониторинг необходим для поддержания пищевой безопасности и предотвращения накопления токсичных элементов в продуктах питания [24].

Заключение

Концентрации Pb²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ и Cu²⁺ в муке и мучных изделиях, потребляемых в Джизаке, находятся в пределах нормативных значений и не представляют угрозы здоровью населения. Свинец и кадмий отсутствуют в муке и обычном хлебе, а в остальных продуктах их содержание соответствует гигиеническим стандартам. Исследование подтверждает соблюдение экологических и технологических требований при выращивании пшеницы и производстве мучных изделий, создавая научную основу для дальнейшего контроля качества и обеспечения пищевой безопасности.

Список литературы:

1. Никоненко Е. С. Об основных источниках загрязнения атмосферного воздуха //Инновации в технологиях и образовании: сб. ст. участников XI Между. – 2018. – С. 116.
2. World Health Organization (WHO). Safety Standards for Heavy Metals in Food. 2021.
3. Yaradua A. I. et al. Evaluation of health effect of some selected heavy metals in maize cultivated in Katsina state, North west Nigeria //Asian Plant Research Journal. – 2019. – Т. 2. – С. 1-12.
4. Rahman MH et al. Tracing Sources and Stage-Specific Impacts of Heavy Metal Contamination in Farmed Tilapia. Vet Med Sci. 2025;11(5):e70562.
5. Waseem, A., Arshad, J., Iqbal, F., Sajjad, A., Mehmood, Z., & Murtaza, G. (2014). Pollution Status of Pakistan: A Retrospective Review on Heavy Metal Contamination of Water, Soil, and Vegetables. BioMed Research International, 2014(2), 1–29. https://doi.org/10.1155/2014/813206.
6. Boahen, E. (2024). Heavy metal contamination in urban roadside vegetables: origins, exposure pathways, and health implications. Discover Environment, 2(1). https://doi.org/10.1007/s44274-024-00182-7).
7. Alves, L. R., Gratão, P. L., & Dos Reis, A. R. (2016). Heavy metals in agricultural soils: From plants to our daily life. Científica, 44(3), 346. https://doi.org/10.15361/1984-5529.2016v44n3p346-361.
8. Nagajyoti, P. C., Lee, K. D., & Sreekanth, T. V. M. (2010). Heavy metals, occurrence and toxicity for plants: a review. Environmental Chemistry Letters, 8(3), 199–216. https://doi.org/10.1007/s10311-010-0297-8.
9. Huang M, Zhou S, Sun B, Zhao Q. Heavy metals in wheat grain: assessment of potential health risk for inhabitants in Kunshan, China. Sci Total Environ. 2008;405(1-3):54-61.
10. Abubakar, M. Y., Adam, A. B., Kaugama, A. A., Ahmad, K. B., Idris, S. A., Japhet, A. T., & Ataitiya, H. (2024). Effects and remediation of heavy metals contamination in soil and vegetables from different areas: A review. Earthline Journal of Chemical Sciences, 445–456. https://doi.org/10.34198/ejcs.11324.445456;
11. Real, M. I. H., Azam, H. M., & Majed, N. (2017). Consumption of heavy metal contaminated foods and associated risks in Bangladesh. Environmental Monitoring and Assessment, 189(12). https://doi.org/10.1007/s10661-017-6362-z) .
12. (Vanegas, C., Villanueva, S., Espina, S., & Botello, A. V. (1997). Acute Toxicity and Synergism of Cadmium and Zinc in White Shrimp, Penaeus setiferus, Juveniles. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 58(1), 87–92. https://doi.org/10.1007/s001289900304)
13. Tuğba Özer et al. Determination of some heavy metal deposits in gluten-free foods in Turkish market with ICP-OES. J Chem Metrol. 2022.
14. Joseph I., David B.C. Investigation of Heavy Metal Contamination in Bread Baked and Sold in Makurdi Metropolis, Nigeria. Asian J Sci Tech Eng Art. 2024;2(1):109-128.
15.  Wang J. Analytical Electrochemistry, 4th ed. Wiley, 2022.
16. Bard AJ, Faulkner LR. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. 2001.
17. GOST 26929–94. Сырьё и продукты пищевые. Минерализацию для определения содержания тяжёлых металлов. – Москва: Стандартиформ, 1994.
18. GOST 31262–2004. Зерно и продукты его переработки. Методы определения содержания тяжёлых металлов. – Москва: Стандартиформ, 2004.
19. Ershadi, S. va Shayanfar, A. (2018). LOD va LOQ spektroskopik usullarning sezgirligini baholash uchun ishonchli parametrlarmi? AOAC INTERNATIONAL jurnali , 101 (4), 1212–1213. https://doi.org/10.5740/jaoacint.17-0363.
20. Xabibullaev B. Voltammetric Determination of Lead in Flour Products. Uzbek Chem J. 2020;4:39–44.
21. "Санитарным правилам и нормам СанПиН 2.3.2.1078-01", Источник: https://mantikor.ru/blog/faq/kolicestvo-metalloprimesei-v-muke-normativy-i-predelnye-znaceniya.
22. Karimov R., Tursunova M. Investigation of Heavy Metals in Uzbek Bakery Products. J Anal Chem Cent Asia. 2023;7(1):55–62.
23. Wahab M.E., Jamil D.M. Determination of some heavy metals in different wheat flour brands in Sulaimani, Kurdistan Region – Iraq. Czech J Food Sci. 2023.
24. Ran J et al. Heavy metal contents, distribution, and prediction in a regional soil-wheat system. Sci Total Environ. 2016; 544:422-31.