Зниження забруднення важких металів у різних умовах за допомогою водних зерен кефіру як захисного засобу проти токсичності

1 хімічний факультет Туринського університету, Via P. Giuria 7, 10125 Турін, Італія

Анотація

У цьому дослідженні розглядається гіпотеза про те, що зерна водяного кефіру можна використовувати як поглиначі іонів металів, і повідомляється про перше застосування зерен водяного кефіру як захисного інструменту проти токсичності іонами важких металів. Метою цього дослідження є оцінка концентрації іонів важких металів у декількох розчинах водного кефіру в процесі бродіння в різних умовах. Було використано дві колонії зерна водяного кефіру, а концентрації Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Ba та Ca вимірювались у розчинах зерна водяного кефіру в різний час контакту (0, 24, 48 та 72 години), різні значення рН у лимонному та оцтовому буферах та різні співвідношення зерен/кефіру Вода/розчин металу, із сахарозою та без неї (5%). Для вимірювання концентрацій іонів металів використовували оптичну емісійну спектроскопію. Серед перевірених експериментальних умов найкращою комбінацією для зменшення забруднення є сахароза (5%), час контакту 24 години, стартовий рН = 4,5, ацетатний буфер та співвідношення зерен/кефіру в розчині металу 1: 1. У цих умовах важкий метал зменшення кількості водних зерен кефіру особливо ефективно для Cr і Pb (70%) і корисно для Cu, Ni та Mn (50%).

1. Вступ

Водний кефір - це кислий, слабоалкогольний та ароматний ферментований напій, бродіння якого розпочинають твердими водяними зернами кефіру. Ці зерна водного кефіру містять нерозчинний полісахарид та бактерії та дріжджі, що відповідають за бродіння [1–3]. Нерозчинні водні зерна кефіру діють як інокулюм, коли їх додають до суміші води та цукру (сахарози), можливо, з додатковими інгредієнтами, такими як лимон, сушений інжир та багато інших. Через 24–48 годин інкубації одержують жовтувато-ферментований напій; він має фруктовий аромат і кислий, злегка солодкий і слабо алкогольний смак [2, 4–9].

Водний кефір доступний у всьому світі, але справжнє походження зерен досі невідоме. Було запропоновано, щоб зерна водяного кефіру походили з Опунція кактус. «Водний кефір» - типова назва в Західній Європі, але також використовуються інші найменування цього ферментованого напою, залежно від країни, наприклад, «африканські бджоли», «каліфорнійські бджоли», «насіння японського пива», «імбирне пиво рослини »,« Тібікос »,« Зерна Тібі »,« Ель-горіхи »,« Бальзам Гілеад »,« Бебе »та« Зерна кефірного цукру »[10, 11]. Загалом, напій Water Kefir використовується як харчова добавка для збалансування мікрофлори кишечника та як пробіотична добавка [12–20].

На сьогодні дослідження на зернах водяного кефіру все ще є дуже неповними, і більшість наявних наукових досліджень аналізували його біологічне різноманіття [1, 10, 21]. Була також вивчена структура та біохімічний склад полісахариду зерна Водяний кефір [22–24]. Мікробне різноманіття водного кефіру базується на постійному консорціумі головним чином молочнокислих та оцтовокислих бактерій та дріжджів; однак у різних колоніях водного кефіру є різні види мікробів [25, 26]. Тим не менше, про умови бродіння, модифікацію рН, наявність та концентрацію важких металів повідомляють погано порівняно з великим дослідженням мікробного різноманіття водного кефіру [3, 27–30].

Водні кефірні колонії могли взаємодіяти з важкими металами як фізично, так і хімічно завдяки своїй структурі та функціональним групам.

Загалом, шанс забруднення важких металів у продуктах харчування та воді високий через посилення антропної активності. З цих причин важливо визначити/встановити хімічну якість води, особливо вміст важких металів, щоб оцінити можливий ризик для здоров’я людини [31–37]. Такі метали, як цинк, мідь, залізо та марганець, є дуже важливими, оскільки вони відіграють важливу роль у біологічних системах, тоді як хром, свинець та кадмій токсичні навіть у слідах. Незамінні метали також можуть викликати отруйні ефекти, коли надмірно надходить надходження. Як наслідок, існують обмеження їх концентрації, встановлені для їжі та води у більшості країн.

Тому основною метою цієї роботи є розуміння того, чи можна використовувати зерна водної кефіру для зменшення забруднення іонів важких металів при різних умовах (час контакту, початковий рН, тип буфера та концентрація металу). Більше того, дослідження глибоко вивчає важливість процесу ферментації (у присутності сахарози) для адсорбції іонів металів і, таким чином, визначає найкращі умови для можливого застосування зерен водяного кефіру як захисного інструменту проти токсичності. З цією метою було проведено випробування двох зерен водного кефіру, а концентрації важких металів оцінювали в процесі бродіння водного кефіру як функцію часу (24, 48 та 72 год) у присутності або відсутності сахарози при різних вихідних рН значення (pH = 3,5, 4,5 та 6,0) у різних типах буферів (ацетат та цитрат). Також оцінювали співвідношення кефір/розчин металу 1: 1 і 1: 10. Аналітичний метод, який спочатку використовувався для аналізу металів у природній воді, був пристосований для визначення Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Ba, Ca, K, Mg та Na за допомогою ICP-OES (індуктивно зв'язана плазма оптична емісійна спектроскопія) у водних кефірних напоях після видалення зерен водного кефіру фільтруванням.

2. Матеріали та методи

2.1. Апарат

рН-метр Metrohm мод. 713 використовували для визначення рН. ICP-OES Optima 7000 DV PerkinElmer використовували для кількісного визначення іонів металів. Вимірювання проводили при таких довжинах хвиль: 228,802 нм для Cd, 228,616 нм для Co, 267,716 нм для Cr, 324,754 нм для Cu, 257,610 нм для Mn, 231,604 нм для Ni, 220,353 нм для Pb, 455,403 нм для Ba, 317,933 нм для Ca, 766,490 нм для K, 285,213 нм для Mg та 589,592 нм для Na.

2.2. Хімічні реагенти

Використовували багатоелементний стандартний розчин, 1000 мг/л (CertiPUR®, Merck KGaA), розведений за необхідності, для отримання робочих стандартів, підкислених азотною кислотою (приблизно 0,2% мас./Об.) Для калібрувальної кривої; використовували високоякісну концентровану азотну кислоту (70%, реагент ACS, Sigma Aldrich) та надчисту воду, отриману з використанням системи Milli-Q (Millipore, Milford, MA).

Розчин металів для колоній водної кефіру готували при різних кінцевих концентраціях Cd (100 µг/л), Co (300 µг/л), Cr (1 мг/л), Cu (5 мг/л), Mn (5 мг/л), Ni (400 µг/л), Pb (200 µг/л), а Ba 1 мг/л (як внутрішній стандарт) і підкислюють азотною кислотою (10 -2 М). Значення рН кінцевого розчину становило 1,88.

Для тестів на водному кефірі використовували комерційну мінеральну воду та комерційну сахарозу. Визначали вміст Ca, K, Mg та Na у мінеральній воді (Ca = 3,92 мг/л, K = 0,76 мг/л, Mg = 0,76 мг/л та Na = 2,21 мг/л).

Гранули гідроксиду натрію (сорт реагенту, Sigma Aldrich), крижана оцтова кислота (реагент ACS, Sigma Aldrich) та лимонна кислота (реагент ACS, Sigma Aldrich) використовувались для виготовлення буферних розчинів, отриманих від комерційних постачальників, без подальшого очищення.

2.3. Лабораторне програмне забезпечення

Ризик забруднення був зведений до мінімуму, використовуючи якнайменше скляний посуд та використовуючи нові пластикові (поліпропіленові) посудини та наконечники піпеток. Всі лабораторні засоби промивали 10% -ним розчином азотної кислоти і кілька разів промивали деіонізованою водою.