Помощь студентам в учебе
МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА ВОДОРОДА, КИСЛОРОДА, УГЛЕРОДА И АЗОТА В ПРОДУКТАХ ПЧЕЛОВОДСТВА
|
Введение 4
1 Обзор научно-технической литературы 9
1.1 Экологическая безопасность продуктов питания 9
1.2 Состояние рынка медовой продукции: качество и безопасность 9
1.3 Общие методы и задачи оценки качества меда 12
1.3.1 Органолептический метод 14
1.3.2 Общие физико-химические и микробиологические методы 14
1.3.3 Современные методы исследования качества меда 16
1.4 Метод изотопной масс-спектрометрии. Теоретические основы фракционирования
стабильных изотопов легких элементов в биологических системах 18
1.4.1 Стабильные изотопы углерода 18
1.4.2 Стабильные изотопы азота 20
1.4.3 Стабильные изотопы водорода и кислорода 21
1.4.3.1 Изотопы водорода 21
1.4.3.2 Изотопы кислорода 23
1.4.4 Применение изотопной масс-спектрометрии для продуктов пчеловодства 24
2 Предмет и объект исследования. Метод изотопной масс-спектрометрии легких элементов (С,
N, Н, О) продуктов пчеловодства 27
2.1 Предмет и объект исследований 27
2.2 Отбор проб 30
2.3 Пробоподготовка 30
2.3.1 Пробоподготовка образцов продуктов пчеловодства 30
2.3.2 Выделение белковой фракции меда 36
2.4 Измерение отношений стабильных изотопов 36
2.5 Контроль качества результатов анализа изотопного состава 40
2.6 Метрологическая оценка точности измерений 41
2.7 Предварительная метрологическая аттестация методики 45
2.8 Программное обеспечение. Методы обработки данных 47
3 Изотопные характеристики продуктов пчеловодства 49
3.1 Изотопные характеристики воска 49
3.2 Изотопные характеристики прополиса 51
3.3 Изотопные характеристики подмора пчел 53
3.4 Изотопные характеристики пыльцевой обножки 57
3.5 Изотопные характеристики растений-медоносов 63
3.6 Изотопные характеристики меда 67
3.6.1 Мед 67
3.6.2 Белковая фракция меда 69
3.7 Анализ взаимосвязей 71
3.7.1 Эффект лесного полога 72
3.7.2 Географическое происхождение 75
3.7.2.1 Углерод 75
3.7.2.2 Водород и кислород 80
4 Проверка подлинности меда на предмет фальсификации сахарными сиропами 89
4.1 Экспериментальное исследование изменения изотопного состава меда при разбавлении
меда инвертным сахарным сиропом 89
4.2 Обнаружение поддельных образцов меда, фальсифицируемых сахарными сиропами,
методом сравнения изотопного состава углерода меда и экстрагированной из него белковой фракции 93
Заключение 104
Благодарности 106
Список используемых сокращений и условных обозначений 107
Список литературы 108
Приложение А 128
Приложение Б 140
Приложение В
1 Обзор научно-технической литературы 9
1.1 Экологическая безопасность продуктов питания 9
1.2 Состояние рынка медовой продукции: качество и безопасность 9
1.3 Общие методы и задачи оценки качества меда 12
1.3.1 Органолептический метод 14
1.3.2 Общие физико-химические и микробиологические методы 14
1.3.3 Современные методы исследования качества меда 16
1.4 Метод изотопной масс-спектрометрии. Теоретические основы фракционирования
стабильных изотопов легких элементов в биологических системах 18
1.4.1 Стабильные изотопы углерода 18
1.4.2 Стабильные изотопы азота 20
1.4.3 Стабильные изотопы водорода и кислорода 21
1.4.3.1 Изотопы водорода 21
1.4.3.2 Изотопы кислорода 23
1.4.4 Применение изотопной масс-спектрометрии для продуктов пчеловодства 24
2 Предмет и объект исследования. Метод изотопной масс-спектрометрии легких элементов (С,
N, Н, О) продуктов пчеловодства 27
2.1 Предмет и объект исследований 27
2.2 Отбор проб 30
2.3 Пробоподготовка 30
2.3.1 Пробоподготовка образцов продуктов пчеловодства 30
2.3.2 Выделение белковой фракции меда 36
2.4 Измерение отношений стабильных изотопов 36
2.5 Контроль качества результатов анализа изотопного состава 40
2.6 Метрологическая оценка точности измерений 41
2.7 Предварительная метрологическая аттестация методики 45
2.8 Программное обеспечение. Методы обработки данных 47
3 Изотопные характеристики продуктов пчеловодства 49
3.1 Изотопные характеристики воска 49
3.2 Изотопные характеристики прополиса 51
3.3 Изотопные характеристики подмора пчел 53
3.4 Изотопные характеристики пыльцевой обножки 57
3.5 Изотопные характеристики растений-медоносов 63
3.6 Изотопные характеристики меда 67
3.6.1 Мед 67
3.6.2 Белковая фракция меда 69
3.7 Анализ взаимосвязей 71
3.7.1 Эффект лесного полога 72
3.7.2 Географическое происхождение 75
3.7.2.1 Углерод 75
3.7.2.2 Водород и кислород 80
4 Проверка подлинности меда на предмет фальсификации сахарными сиропами 89
4.1 Экспериментальное исследование изменения изотопного состава меда при разбавлении
меда инвертным сахарным сиропом 89
4.2 Обнаружение поддельных образцов меда, фальсифицируемых сахарными сиропами,
методом сравнения изотопного состава углерода меда и экстрагированной из него белковой фракции 93
Заключение 104
Благодарности 106
Список используемых сокращений и условных обозначений 107
Список литературы 108
Приложение А 128
Приложение Б 140
Приложение В
Актуальность выбранной темы исследования. Перед аналитической химией стоит задача совершенствования методов и методик контроля качества продуктов питания с учетом современного и постоянно совершенствуемого аналитического оборудования. Сочетание метода изотопной масс-спектрометрии с использованием определенных биоиндикаторов состояния среды позволяет количественно выявлять тонкие градации изменений состояния и выводит исследования на новый уровень, поскольку изотопный анализ конкретных индикаторов предоставляет новые возможности в области аналитического контроля качества пищевой продукции растительного происхождения.
Стабильные изотопы встречаются в окружающей среде в естественных условиях, обладают способностью к фракционированию в различных физико-химических процессах, что определяет их уникальность как объекта исследований и позволяет использовать в качестве природных индикаторов при изучении биогеохимических циклов, пищевых цепей и изменений, происходящих в экосистемах, т.е. всех факторов, влияющих на качество растительного сырья и продуктов питания. Кроме того метод изотопной масс-спектрометрии позволяет доказать фальсификацию или подмену пищевых продуктов, так как стабильные изотопы в составе пищевой продукции выступают в качестве средства регистрации критериев качества. Согласно Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации одним из положений Стратегии национальной безопасности нашей страны является обеспечение населения качественной и безопасной пищевой продукцией. Возможность отслеживать происхождение пищевых продуктов с помощью надежных аналитических методов является важной составляющей комплексного подхода к безопасности пищевых продуктов. Отслеживание происхождения пищевых продуктов и подтверждение их подлинности с использованием метода изотопной масс-спектрометрии легких элементов является актуальным направлением развития сферы обеспечения безопасности продуктов питания, так как изотопные сигнатуры в глобальном масштабе имеют значительные естественные вариации и совпадения. Поэтому для анализа пищевых продуктов необходимо развивать методику исследования изотопных сигнатур и соответствующих референсных баз данных с показателями, соответствующими аутентичным продуктам питания.
Для развития таких референсных баз данных по продуктам питания в рамках данного исследования выбраны мед и другие продукты пчеловодства: воск, прополис, подмор пчел и пыльцевая обножка. Мед является одним из самых чистых продуктов нашей планеты и одновременно наиболее часто фальсифицируемым. Пчелиный мед является очень популярным продуктом, поскольку используется не только как пищевой продукт, но и как лекарственное средство.
Ввиду того, что на территории Российской Федерации подобные работы не проводились, для решения задач комплексного исследования изотопного состава продуктов пчеловодства необходима разработка новой методологии, обеспечивающей понимание механизмов фракционирования изотопов, включающей стадии пробоподготовки и методики исследования, которая гарантирует достоверность и объективность полученных результатов, а также способы интерпретации полученных новых данных.
Степень разработанности выбранной темы исследования. Изучение изотопного состава меда проводилось во многих зарубежных странах: Италия [1], Словения [2, 3], Польша [4], Турция [5], Африка [6], Бразилия [7, 8], Новая Зеландия [9], Корея [10]. Множество работ посвящено вопросам исследования аутентичности меда [11-16]. Работы по исследованию изотопного состава пчел проводились во Франции [17] и Японии [18]. Ряд работ [19, 20] рассматривает пчел в контексте изучения трофических цепей. Данные по изотопному составу водорода воска представлены в работе [21]. Работ по изучению изотопного состава пыльцевой обножки не найдено, однако существует множество работ по исследованию изотопного состава пыльцы растений [22, 23]. Исследования факта фальсификации российских образцов меда единичны [24, 25], работы по исследованию других продуктов пчеловодства в России не проводились, поэтому получение оригинальных данных по изотопному составу меда и других продуктов пчеловодства актуально.
Цель и задачи. Цель работы - разработка методических подходов к определению подлинности и выявлению фальсификации продуктов пчеловодства на основе метода масс- спектрометрического анализа стабильных изотопов водорода, кислорода, углерода и азота.
Для достижения цели решены следующие задачи:
- Получить оригинальные данные по изотопному составу кислорода, водорода, азота и углерода продуктов пчеловодства российского рынка.
- Исследовать зависимость изотопного состава водорода и кислорода образцов меда, подмора пчел, пыльцевой обножки и воска от изотопного состава метеорных вод регионов производства продукции пчеловодства для выявления географической принадлежности на основе корреляционного анализа.
- Экспериментально исследовать изменение величины изотопного состава углерода на модельных образцах при разбавлении натурального меда инвертными тростниковым и свекловичным сахарными сиропами.
- Разработать критерии выявления фальсифицированных образцов российского меда на основе сравнения изотопного состава углерода меда и его белковой фракции и провести анализ аутентичности образцов меда на основе разработанных критериев.
- Разработать, апробировать и аттестовать методику измерений отношений стабильных изотопов углерода, водорода и кислорода в меде.
Научная новизна исследования. Исследование вносит вклад в развитие метода изотопной масс-спектрометрии и демонстрирует потенциал использования стабильных изотопов легких элементов (О, Н, С и N) в области анализа продуктов пчеловодства. Работа основана на большом количестве новых изотопных данных, полученных с применением современного метода изотопной масс-спектрометрии, интерпретация которых впервые проведена с использованием разработанных оригинальных подходов, что обусловило получение новых научных результатов:
1) Впервые проведены исследования изотопного состава легких элементов (Н, О, С и N) для продукции пчеловодства российских производителей и выявлена зависимость изотопного состава водорода и кислорода образцов меда, подмора пчел и пыльцевой обножки от изотопного состава метеорных вод регионов производства для выявления географической принадлежности.
2) Впервые предложено использовать значение изотопного состава тростникового сахара в формуле для расчета содержания сахара, полученного из растений с С4 типом фотосинтеза, при выявлении фальсификации меда российских производителей.
3) Разработаны критерии оценки натуральности состава российского меда по изотопному составу углерода для выявления разбавления образцов натурального меда инвертными сахарными тростниковыми сиропами. Мед считается сфальсифицированным, если: 1) величина 613С меда больше -24,0%о; 2) разница между величиной 613С белковой фракции меда и величиной 613С меда составляет более +1,3%о или менее -1,3%о; 3) процент содержания сахара, полученного из растений с С4 типом фотосинтеза, более 9,1% или менее -9,1%.
4) Разработан алгоритм определения изотопного состава водорода, углерода, кислорода и азота в продуктах пчеловодства, воплощенный в аттестуемую методику «Методика измерений отношений стабильных изотопов углерода, водорода и кислорода в меде».
Теоретическая и практическая значимость диссертации. Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 19-34-90016-а «Апимониторинг для пространственно-временного анализа состояния окружающей среды».
Разработанная методика исследования изотопного состава легких элементов продукции пчеловодства позволяет провести идентификацию медовой продукции, используя соотношения 2ТТ/1ТТ 13^,12^ 18^/16^
Н/ H, С/ C, О/ O, с оценкой ее географического происхождения и для проверки подлинности на факт фальсификации. Стабильные изотопы азота более действенны в качестве экологических индикаторов (маркеров) азотосодержащих соединений и могут быть использованы для анализа степени обогащения почвенного покрова и произрастающих на нем растений тяжелым изотопом азота (15N).
Поскольку имеются значительные естественные вариации и совпадения изотопных сигнатур в глобальном масштабе, база данных значений изотопного состава продуктов пчеловодства российских производителей внесет вклад в создание глобальных референсных баз данных по пищевым продуктам, подобных Глобальной сети «Изотопы в осадках», с показателями, соответствующими аутентичным продуктам.
Практическая значимость подтверждена актами внедрения результатов диссертационной работы, полученными от ООО «МС-Аналитика» и ООО «Городской супермаркет» (Азбука вкуса). На стадии аттестации находится разработанная на основе исследуемых образцов меда методика «Методика измерений отношений стабильных изотопов углерода, водорода и кислорода в меде». Аттестацию проводит Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева» (ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»).
Методология и методы исследования. Методологической основой интерпретации данных выступили работы отечественных и зарубежных ученых в области изотопной масс- спектрометрии и основ фракционирования стабильных изотопов. При выполнении работы применялись аттестованные стандартные образцы МАГАТЭ и Геологической службы США, руководства и рекомендации к измерениям, установленные за рубежом.
Исходные данные о величинах изотопного состава образцов продуктов пчеловодства получены с применением современного метода изотопной масс-спектрометрии. Обработка и анализ данных проводились с использованием статистических и графических программ.
Личный вклад соискателя. Автором проведен поиск и анализ научных данных по тематике исследования, проведены научные эксперименты с использованием разработанных методологий масс-спектрометрических исследований изотопного состава углерода, водорода, кислорода и азота в образцах меда и продуктов пчеловодства, осуществлена обработка и оценка полученных результатов, подготовлены публикации по результатам исследований, а также принято участие в разработке и аттестации методики измерений изотопного состава углерода, кислорода и водорода в меде методом масс-спектрометрии стабильных изотопов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты анализа изотопного состава углерода меда, его белковой фракции и продуктов пчеловодства, способы подготовки проб, условия проведения измерений и интерпретация результатов.
2. Закономерность изменений изотопного состава водорода, кислорода продуктов пчеловодства от изотопного состава водорода и кислорода метеорных вод, характерных региону происхождения.
3. Рекомендации к масс-спектрометрическому исследованию изотопного состава водорода 2H/1H, углерода 13С/12С, кислорода 18О/16О и азота 15N/14N в продуктах пчеловодства (воск, прополис, подмор пчел, пыльцевая обножка, мед и его белковая фракция), включающие предварительную метрологическую оценку точности измерений, критерии выявления фальсификации образцов российского меда.
4. Методика «Методика измерений отношений стабильных изотопов углерода, водорода и кислорода в меде», аттестуемая в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».
Степень достоверности и апробация работы. Работа основана на фактическом материале (более 2000 анализов), полученном современными методами с применением сертифицированного оборудования с высокой точностью определения, а также анализе и обобщении исследовательского материала с помощью статистической обработки при помощи языка R в программе RStudio. Основные результаты работы представлены на научных конференциях различного уровня: XI Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2015), XXI Всероссийская студенческая научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы безопасности современного мира» (Иркутск, 2016), Международная конференция и школа молодых ученых по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды ENVIROMIS- 2018 (Томск, 2018), IX Сибирская конференция молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2018), III Всероссийская конференция по аналитической спектроскопии с международным участием (Краснодар, 2019), XI Всероссийская научная конференция и школа «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Новосибирск, 2021).
Публикации. По тематике диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 статьи в научных журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, 2 статьи в зарубежных научных журналах, входящих в Web of Science и Scopus), 6 статей в сборниках материалов международных и всероссийских (в том числе с международным участием) научных конференций, совещаний.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора отечественной и зарубежной научно-технической литературы, семи глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы. Работа изложена на 141 странице основного текста, включает 37 таблиц и 44 рисунка, список литературных источников содержит 206 наименований.
Стабильные изотопы встречаются в окружающей среде в естественных условиях, обладают способностью к фракционированию в различных физико-химических процессах, что определяет их уникальность как объекта исследований и позволяет использовать в качестве природных индикаторов при изучении биогеохимических циклов, пищевых цепей и изменений, происходящих в экосистемах, т.е. всех факторов, влияющих на качество растительного сырья и продуктов питания. Кроме того метод изотопной масс-спектрометрии позволяет доказать фальсификацию или подмену пищевых продуктов, так как стабильные изотопы в составе пищевой продукции выступают в качестве средства регистрации критериев качества. Согласно Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации одним из положений Стратегии национальной безопасности нашей страны является обеспечение населения качественной и безопасной пищевой продукцией. Возможность отслеживать происхождение пищевых продуктов с помощью надежных аналитических методов является важной составляющей комплексного подхода к безопасности пищевых продуктов. Отслеживание происхождения пищевых продуктов и подтверждение их подлинности с использованием метода изотопной масс-спектрометрии легких элементов является актуальным направлением развития сферы обеспечения безопасности продуктов питания, так как изотопные сигнатуры в глобальном масштабе имеют значительные естественные вариации и совпадения. Поэтому для анализа пищевых продуктов необходимо развивать методику исследования изотопных сигнатур и соответствующих референсных баз данных с показателями, соответствующими аутентичным продуктам питания.
Для развития таких референсных баз данных по продуктам питания в рамках данного исследования выбраны мед и другие продукты пчеловодства: воск, прополис, подмор пчел и пыльцевая обножка. Мед является одним из самых чистых продуктов нашей планеты и одновременно наиболее часто фальсифицируемым. Пчелиный мед является очень популярным продуктом, поскольку используется не только как пищевой продукт, но и как лекарственное средство.
Ввиду того, что на территории Российской Федерации подобные работы не проводились, для решения задач комплексного исследования изотопного состава продуктов пчеловодства необходима разработка новой методологии, обеспечивающей понимание механизмов фракционирования изотопов, включающей стадии пробоподготовки и методики исследования, которая гарантирует достоверность и объективность полученных результатов, а также способы интерпретации полученных новых данных.
Степень разработанности выбранной темы исследования. Изучение изотопного состава меда проводилось во многих зарубежных странах: Италия [1], Словения [2, 3], Польша [4], Турция [5], Африка [6], Бразилия [7, 8], Новая Зеландия [9], Корея [10]. Множество работ посвящено вопросам исследования аутентичности меда [11-16]. Работы по исследованию изотопного состава пчел проводились во Франции [17] и Японии [18]. Ряд работ [19, 20] рассматривает пчел в контексте изучения трофических цепей. Данные по изотопному составу водорода воска представлены в работе [21]. Работ по изучению изотопного состава пыльцевой обножки не найдено, однако существует множество работ по исследованию изотопного состава пыльцы растений [22, 23]. Исследования факта фальсификации российских образцов меда единичны [24, 25], работы по исследованию других продуктов пчеловодства в России не проводились, поэтому получение оригинальных данных по изотопному составу меда и других продуктов пчеловодства актуально.
Цель и задачи. Цель работы - разработка методических подходов к определению подлинности и выявлению фальсификации продуктов пчеловодства на основе метода масс- спектрометрического анализа стабильных изотопов водорода, кислорода, углерода и азота.
Для достижения цели решены следующие задачи:
- Получить оригинальные данные по изотопному составу кислорода, водорода, азота и углерода продуктов пчеловодства российского рынка.
- Исследовать зависимость изотопного состава водорода и кислорода образцов меда, подмора пчел, пыльцевой обножки и воска от изотопного состава метеорных вод регионов производства продукции пчеловодства для выявления географической принадлежности на основе корреляционного анализа.
- Экспериментально исследовать изменение величины изотопного состава углерода на модельных образцах при разбавлении натурального меда инвертными тростниковым и свекловичным сахарными сиропами.
- Разработать критерии выявления фальсифицированных образцов российского меда на основе сравнения изотопного состава углерода меда и его белковой фракции и провести анализ аутентичности образцов меда на основе разработанных критериев.
- Разработать, апробировать и аттестовать методику измерений отношений стабильных изотопов углерода, водорода и кислорода в меде.
Научная новизна исследования. Исследование вносит вклад в развитие метода изотопной масс-спектрометрии и демонстрирует потенциал использования стабильных изотопов легких элементов (О, Н, С и N) в области анализа продуктов пчеловодства. Работа основана на большом количестве новых изотопных данных, полученных с применением современного метода изотопной масс-спектрометрии, интерпретация которых впервые проведена с использованием разработанных оригинальных подходов, что обусловило получение новых научных результатов:
1) Впервые проведены исследования изотопного состава легких элементов (Н, О, С и N) для продукции пчеловодства российских производителей и выявлена зависимость изотопного состава водорода и кислорода образцов меда, подмора пчел и пыльцевой обножки от изотопного состава метеорных вод регионов производства для выявления географической принадлежности.
2) Впервые предложено использовать значение изотопного состава тростникового сахара в формуле для расчета содержания сахара, полученного из растений с С4 типом фотосинтеза, при выявлении фальсификации меда российских производителей.
3) Разработаны критерии оценки натуральности состава российского меда по изотопному составу углерода для выявления разбавления образцов натурального меда инвертными сахарными тростниковыми сиропами. Мед считается сфальсифицированным, если: 1) величина 613С меда больше -24,0%о; 2) разница между величиной 613С белковой фракции меда и величиной 613С меда составляет более +1,3%о или менее -1,3%о; 3) процент содержания сахара, полученного из растений с С4 типом фотосинтеза, более 9,1% или менее -9,1%.
4) Разработан алгоритм определения изотопного состава водорода, углерода, кислорода и азота в продуктах пчеловодства, воплощенный в аттестуемую методику «Методика измерений отношений стабильных изотопов углерода, водорода и кислорода в меде».
Теоретическая и практическая значимость диссертации. Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 19-34-90016-а «Апимониторинг для пространственно-временного анализа состояния окружающей среды».
Разработанная методика исследования изотопного состава легких элементов продукции пчеловодства позволяет провести идентификацию медовой продукции, используя соотношения 2ТТ/1ТТ 13^,12^ 18^/16^
Н/ H, С/ C, О/ O, с оценкой ее географического происхождения и для проверки подлинности на факт фальсификации. Стабильные изотопы азота более действенны в качестве экологических индикаторов (маркеров) азотосодержащих соединений и могут быть использованы для анализа степени обогащения почвенного покрова и произрастающих на нем растений тяжелым изотопом азота (15N).
Поскольку имеются значительные естественные вариации и совпадения изотопных сигнатур в глобальном масштабе, база данных значений изотопного состава продуктов пчеловодства российских производителей внесет вклад в создание глобальных референсных баз данных по пищевым продуктам, подобных Глобальной сети «Изотопы в осадках», с показателями, соответствующими аутентичным продуктам.
Практическая значимость подтверждена актами внедрения результатов диссертационной работы, полученными от ООО «МС-Аналитика» и ООО «Городской супермаркет» (Азбука вкуса). На стадии аттестации находится разработанная на основе исследуемых образцов меда методика «Методика измерений отношений стабильных изотопов углерода, водорода и кислорода в меде». Аттестацию проводит Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева» (ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»).
Методология и методы исследования. Методологической основой интерпретации данных выступили работы отечественных и зарубежных ученых в области изотопной масс- спектрометрии и основ фракционирования стабильных изотопов. При выполнении работы применялись аттестованные стандартные образцы МАГАТЭ и Геологической службы США, руководства и рекомендации к измерениям, установленные за рубежом.
Исходные данные о величинах изотопного состава образцов продуктов пчеловодства получены с применением современного метода изотопной масс-спектрометрии. Обработка и анализ данных проводились с использованием статистических и графических программ.
Личный вклад соискателя. Автором проведен поиск и анализ научных данных по тематике исследования, проведены научные эксперименты с использованием разработанных методологий масс-спектрометрических исследований изотопного состава углерода, водорода, кислорода и азота в образцах меда и продуктов пчеловодства, осуществлена обработка и оценка полученных результатов, подготовлены публикации по результатам исследований, а также принято участие в разработке и аттестации методики измерений изотопного состава углерода, кислорода и водорода в меде методом масс-спектрометрии стабильных изотопов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты анализа изотопного состава углерода меда, его белковой фракции и продуктов пчеловодства, способы подготовки проб, условия проведения измерений и интерпретация результатов.
2. Закономерность изменений изотопного состава водорода, кислорода продуктов пчеловодства от изотопного состава водорода и кислорода метеорных вод, характерных региону происхождения.
3. Рекомендации к масс-спектрометрическому исследованию изотопного состава водорода 2H/1H, углерода 13С/12С, кислорода 18О/16О и азота 15N/14N в продуктах пчеловодства (воск, прополис, подмор пчел, пыльцевая обножка, мед и его белковая фракция), включающие предварительную метрологическую оценку точности измерений, критерии выявления фальсификации образцов российского меда.
4. Методика «Методика измерений отношений стабильных изотопов углерода, водорода и кислорода в меде», аттестуемая в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».
Степень достоверности и апробация работы. Работа основана на фактическом материале (более 2000 анализов), полученном современными методами с применением сертифицированного оборудования с высокой точностью определения, а также анализе и обобщении исследовательского материала с помощью статистической обработки при помощи языка R в программе RStudio. Основные результаты работы представлены на научных конференциях различного уровня: XI Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2015), XXI Всероссийская студенческая научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы безопасности современного мира» (Иркутск, 2016), Международная конференция и школа молодых ученых по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды ENVIROMIS- 2018 (Томск, 2018), IX Сибирская конференция молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2018), III Всероссийская конференция по аналитической спектроскопии с международным участием (Краснодар, 2019), XI Всероссийская научная конференция и школа «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Новосибирск, 2021).
Публикации. По тематике диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 статьи в научных журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, 2 статьи в зарубежных научных журналах, входящих в Web of Science и Scopus), 6 статей в сборниках материалов международных и всероссийских (в том числе с международным участием) научных конференций, совещаний.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора отечественной и зарубежной научно-технической литературы, семи глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы. Работа изложена на 141 странице основного текста, включает 37 таблиц и 44 рисунка, список литературных источников содержит 206 наименований.
По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
1. Анализ литературных данных по разным регионам Земли показал, что для оценки географического происхождения наибольшей индикаторной значимостью обладают изотопные сигнатуры: для воска - 6D, 618О, для подмора пчел - 6D, 618О, для пыльцевой обножки - 613С, 6D, 618О, для меда - 613С, 6D, 618О, для белковой фракции меда - 6D, 618О; для определения натуральности состава - изотопные сигнатуры (613С) меда и его белковой фракции.
2. Диапазоны оригинальных изотопных сигнатур для восков разных регионов России широко варьируют (величина 613С - от -30,3 до -27,4%; величина 6D - от -308,6 до -202,3%; величина 618О - от -70,8 до -24,0%о) и сходны с данными из Северной Америки и Германии.
3. Изотопные сигнатуры для прополиса из разных регионов России (величина 613С - от -28,5 до -24,4%о; величина 615N - от +0,4 до +11,2%о) имеют низкую индикаторную значимость, так как сложный состав затрудняет интерпретации данных.
4. Изотопные сигнатуры водорода и кислорода (величина 6D - от -140,4 до -75,8%о; величина 618О - от -3,2 до +12,5%) в подморе пчел различаются в разных регионах России в отличие от изотопов углерода и азота (величина 613С - от -28,1 до -25,1 %о; величина 615N - от +2,7 до '9,8%). Диапазоны вариаций изотопных сигнатур подмора пчел в целом сходны с опубликованными данными по другим регионам Земли.
5. Изотопные сигнатуры для пыльцевой обножки варьируют в следующих диапазонах: величина 613С - от -31,2 до -24,3%; величина 615N - от -2,8 до +8,5%; величина 6D - от -124,9 до -47,2%; величина 618О - от +11,1 до +26,6%. Наибольшую индикаторную значимость изотопные сигнатуры пыльцевой обножки показали в сравнительном анализе с медом - для оценки локальных условий мест производства. Выявлена зависимость содержания тяжелого изотопа азота от локальных условий мест кормодобычи медоносных пчел (наиболее вероятно, по причине усиленной аккумуляции азотсодержащих соединений отдельными видами медоносных растений).
6. Диапазоны оригинальных изотопных сигнатур меда разных регионов России широко варьируют (величина 613С - от -29,5 до -22,3%; величина 615N - от -1,0 до +12,0%; величина 6D - от -126,2 до +4,2%; величина 618О - от +12,7 до +26,0%). При сравнении с общемировыми данными наибольшее сходство наблюдается для регионов с похожими климатическими условиями.
7. Пространственное распределение изотопных сигнатур О, Н и С в меде показало, что: низкие значения величин изотопного состава меда характерны для регионов Сибири (613С: от -30 до -25%, 3D: от -130 до -40% и 318О: от +12 до +22%), средние значения - для образцов меда европейской части России (313С: от -28 до -24%, 3D: от -80 до -40% и 318О: от +16 до +28%), высокие - для черноморского региона (313С: от -27 до -24%, 3D: от -80 до 0% и 318О: от +20 до +28%). Это подтверждается высоким уровнем корреляции между величинами 3D и 318О меда и метеорных вод регионов происхождения (0,93 для изотопного состава водорода и 0,86 - для кислорода).
8. Экспериментально установлено, что для образцов натурального российского меда верхний предел значений величины 313С не превышает -24%. В случае, когда величина 313С меда ниже -24%, для выявления факта разбавления меда сиропом из тростникового сахара необходимо сравнить величину 313С меда с величиной 313С белковой фракции меда. Если разница между величиной 313С протеина и величиной 313С меда более 1,3% и процента содержания С4-сахара, рассчитанный по предложенной в нашем исследовании формуле, более 9,1% по модулю, то образец меда можно считать разбавленным.
9. Апробация критериев выявления факта разбавления меда сиропом из тростникового сахара, предложенных для российского рынка, показала, что во всей выборке образцов меда (и=115) обнаружено 10 фальсифицированных образцов меда с рассчитанным процентом содержания С4-сахара до 17,1%.
10. Разработаны рекомендации к масс-спектрометрическому исследованию изотопного состава водорода 2H/1H, углерода 13С/12С, кислорода 18О/16О и азота 15N/14N в продуктах пчеловодства (воск, прополис, подмор пчел, пыльцевая обножка, мед и его белковая фракция), включающие предварительную метрологическую оценку точности измерений, способы подготовки проб, условия проведения измерений и интерпретацию результатов.
11. На заключительной стадии аттестации находится разработанная на основе исследуемых образцов меда методика «Методика измерений отношений стабильных изотопов углерода, водорода и кислорода в меде» во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева.
1. Анализ литературных данных по разным регионам Земли показал, что для оценки географического происхождения наибольшей индикаторной значимостью обладают изотопные сигнатуры: для воска - 6D, 618О, для подмора пчел - 6D, 618О, для пыльцевой обножки - 613С, 6D, 618О, для меда - 613С, 6D, 618О, для белковой фракции меда - 6D, 618О; для определения натуральности состава - изотопные сигнатуры (613С) меда и его белковой фракции.
2. Диапазоны оригинальных изотопных сигнатур для восков разных регионов России широко варьируют (величина 613С - от -30,3 до -27,4%; величина 6D - от -308,6 до -202,3%; величина 618О - от -70,8 до -24,0%о) и сходны с данными из Северной Америки и Германии.
3. Изотопные сигнатуры для прополиса из разных регионов России (величина 613С - от -28,5 до -24,4%о; величина 615N - от +0,4 до +11,2%о) имеют низкую индикаторную значимость, так как сложный состав затрудняет интерпретации данных.
4. Изотопные сигнатуры водорода и кислорода (величина 6D - от -140,4 до -75,8%о; величина 618О - от -3,2 до +12,5%) в подморе пчел различаются в разных регионах России в отличие от изотопов углерода и азота (величина 613С - от -28,1 до -25,1 %о; величина 615N - от +2,7 до '9,8%). Диапазоны вариаций изотопных сигнатур подмора пчел в целом сходны с опубликованными данными по другим регионам Земли.
5. Изотопные сигнатуры для пыльцевой обножки варьируют в следующих диапазонах: величина 613С - от -31,2 до -24,3%; величина 615N - от -2,8 до +8,5%; величина 6D - от -124,9 до -47,2%; величина 618О - от +11,1 до +26,6%. Наибольшую индикаторную значимость изотопные сигнатуры пыльцевой обножки показали в сравнительном анализе с медом - для оценки локальных условий мест производства. Выявлена зависимость содержания тяжелого изотопа азота от локальных условий мест кормодобычи медоносных пчел (наиболее вероятно, по причине усиленной аккумуляции азотсодержащих соединений отдельными видами медоносных растений).
6. Диапазоны оригинальных изотопных сигнатур меда разных регионов России широко варьируют (величина 613С - от -29,5 до -22,3%; величина 615N - от -1,0 до +12,0%; величина 6D - от -126,2 до +4,2%; величина 618О - от +12,7 до +26,0%). При сравнении с общемировыми данными наибольшее сходство наблюдается для регионов с похожими климатическими условиями.
7. Пространственное распределение изотопных сигнатур О, Н и С в меде показало, что: низкие значения величин изотопного состава меда характерны для регионов Сибири (613С: от -30 до -25%, 3D: от -130 до -40% и 318О: от +12 до +22%), средние значения - для образцов меда европейской части России (313С: от -28 до -24%, 3D: от -80 до -40% и 318О: от +16 до +28%), высокие - для черноморского региона (313С: от -27 до -24%, 3D: от -80 до 0% и 318О: от +20 до +28%). Это подтверждается высоким уровнем корреляции между величинами 3D и 318О меда и метеорных вод регионов происхождения (0,93 для изотопного состава водорода и 0,86 - для кислорода).
8. Экспериментально установлено, что для образцов натурального российского меда верхний предел значений величины 313С не превышает -24%. В случае, когда величина 313С меда ниже -24%, для выявления факта разбавления меда сиропом из тростникового сахара необходимо сравнить величину 313С меда с величиной 313С белковой фракции меда. Если разница между величиной 313С протеина и величиной 313С меда более 1,3% и процента содержания С4-сахара, рассчитанный по предложенной в нашем исследовании формуле, более 9,1% по модулю, то образец меда можно считать разбавленным.
9. Апробация критериев выявления факта разбавления меда сиропом из тростникового сахара, предложенных для российского рынка, показала, что во всей выборке образцов меда (и=115) обнаружено 10 фальсифицированных образцов меда с рассчитанным процентом содержания С4-сахара до 17,1%.
10. Разработаны рекомендации к масс-спектрометрическому исследованию изотопного состава водорода 2H/1H, углерода 13С/12С, кислорода 18О/16О и азота 15N/14N в продуктах пчеловодства (воск, прополис, подмор пчел, пыльцевая обножка, мед и его белковая фракция), включающие предварительную метрологическую оценку точности измерений, способы подготовки проб, условия проведения измерений и интерпретацию результатов.
11. На заключительной стадии аттестации находится разработанная на основе исследуемых образцов меда методика «Методика измерений отношений стабильных изотопов углерода, водорода и кислорода в меде» во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева.
