Arzén a rizsben – élelmiszerbiztonsági jótanácsok Mihucz Viktor Gábor ELTE TTK, Kémiai Intézet, Analitikai Kémiai Tanszék Környezetkémiai és Bioanalitikai Laboratórium
Alkímia Ma előadássorozat, 2011. február 3.
Az arzénről • Vegyjele: As • Elnevezés: ός, jelentése: férfias. • Relatív atomtömege 74,9. • Egyetlen stabil izotópja van. • Jelentős affinitás S iránt. • Vegyületeiben: +3 és +5 oxidációs szám. • A földkéregben < 0,0002 % mennyiségben van jelen. • 100-300 mg/nap mennyiségben halálos. Kedvelt méreg, mert szervetlen vegyületeinek vizes oldata színtelen, szagtalan.
Arzenopirit (FeAsS)
Az „arzénkúra” • Kis mennyiségben serkenti a vérképzést, a növekedést és fokozza az ellenálló képességet. • Az arzénnal szemben tolerancia alakulhat ki az élő szervezetekben: fokozatosan emelve az adagot, a halálos dózis többszöröséhez is hozzá lehet szokni. • Fénylő haj, szem, telt idomok érhetőek el, ezért a lovakat is kúrálták arzénnal (Tirol, Stájerország). • Csak fokozatosan lehet abbahagyni, ellenben vészes gyengülés!!!
Magyarország esete az arzénnel I.: A tiszazugi arzénes asszonyok pere (1929)
Arzénsókkal bevont légyölő papírokkal (légypapír) tettek el embereket láb alól! Ez az arzénsókkal telített, preparált papiros, amelyet vízzel öntöttek le és megcukroztak, hogy a rászálló legyeket elpusztítsa, az 1880-as évektől terjedt el az országban.
Magyarország esete az arzénnel II. • Európai Unió 98/83/EK Irányelve Az emberi fogyasztásra szánt víz minőségéről, amely 2003. december 25-ei hatállyal előírja az ivóvizekben az arzén 10 µg/L-es határértékét.
• Magyarország, földrajzi adottsága miatt, ennek az előírásnak csak nagyon nehezen tud megfelelni. Köztudott, hogy az arzénes ivóvíz komoly probléma Magyarországon: az Alföld ivóvízkútjainak mintegy harmada 15 µg/L fölötti koncentrációban tartalmaz arzént. • Magyarország a csatlakozási szerződéskor 2009. december 25.ig haladékot kapott, de sajnos így sem sikerült e követelésnek teljes mértékben megfelelni.
Az arzén előfordulása ivóvíz kutakban Magyarországon (Forrás: ÁNTSZ)
Arzén-tartalmú víztározók
Forrás: Smedley PL, Kinniburgh DG (2002) Applied Geochemistry 17: 517-568
Az arzén körforgása a környezetben Eső felhő Természetes arzén források
Emberi tevékenység Erdőtüzek, tarló égetés Fák
Hegyek Vulkánok Elfolyó
Gomba, baktérium
Forrásvíz
Magma
Metil-arzinek Szemét Szél
Vízoldható arzén
Műtrágyák és növényvédő szerek
Kőolaj, szén, ásványok
Talajvíz
Kis oldhatóságú szerves anyagot adszorbeáló sók
Néhány természetes közeg arzéntartalma a Világon • • • • • •
kőszén 5–45 g/t, (pernye, korom kb. 440 g/t-ig) kőolaj 0,2–0,3 mg/L folyóvíz: átlagban 1,7 µg/L tengervíz: átlagban 3,7 µg/L ásványvizek: 1 –190 µg/L levegő (európai átlag): 16 ng/m3
• A növények — fitotoxikus hatása miatt — viszonylag kevés arzént tartalmaznak, így a gabonafélék kb. 0,04 g/t-t (szárazanyagra számítva). • Állati szervezetek: pl. édesvízi halak 0,15–0,38 g/t (élősúlyra számítva). Tengervízben élő halak, rákok és kagylók - akár 10 mg/kg - arzént is képesek felhalmozni károsodás nélkül. Forrás: MÁFI
Arzén specieszek Speciesz = egy elem specifikus formája, amit izotópösszetétel, oxidációs állapot, és/vagy komplex- vagy molekuláris szerkezet határoz meg. Speciáció = elemforma megoszlás
Speciációs analízis = elemformák azonosítására és meghatározására irányuló analitikai (elemzési) Biometiláció szerepe! tevékenység
Arzén-vegyületek toxicitása Vegyület
LD50 mg/kg
As2O3
20
Na3AsO3
60
Na3AsO4
120
CH3AsO(OH)2 (MMA)
700
CH3AsO(ONa)2
1800
(CH3)2AsO(OH) (DMA)
1600
(CH3)2AsO(ONa)
2600
(CH3)3As+CH2COO- (As-betaine; AsB)
4500
Toxicitás • A szervetlen As vegyületek általában toxikusabbak • Toxicitási sorrend: As(III) > As(V) > MMA > DMA • A szerves formák stabilak és kevésbé toxikusak (tengeri élőlények „becsomagolják”) • Toxicitás függ: – oldhatóságtól és a felvétel módjától – életkortól, nemtől, testsúlytól, egészségi állapottól – tolerancia alakulhat ki • Az arzén főként a szaruképletekben (köröm, hajszál), illetve a csontban halmozódik fel nagyobb mennyiségben.
Arzénakkumuláló növények: Pteris Vittata (páfrányok) Mechanizmus: - arzenát-felvétel: AsO43- ↔ PO43- analógia felborul az energiaháztartás - arzenát arzenit - csökkent arzenit-tiol komplexképződés - szállítás xilémnedven keresztül a (pl. régi) levelekbe, vakuólumokban csapdázódik.
Miért fontos a speciációs analízis? A minta teljes elemtartalma nem ad pontos tájékoztatást egy elem toxicitásáról. Néhány példa: 1. Biológiai eredetű minta teljes As koncentrációja nagyobb, mint az egészségügyi határérték, de ha sok benne a szerves arzénvegyület, aggodalomra kisebb az ok! 2. Biológiai eredetű minta Hg koncentrációjának ismerete nem elég, mert a biometilált Hg-formák még toxikusabbak! 3. Króm specieszek: Cr(III) esszenciális elem, Cr(VI) toxikus.
A speciációs analízis fő lépései - minta-előkészítés (kritikus lépés!) - a specieszek elválasztása (pl. HPLC-oszlopon) - detektálás (pl. ICP-MS) Eluens tartó
HPLC-ICP-MS-csatolás
Buboréktalanító ICP-égő Pumpa
Porlasztó
Automata mintaadagoló
Kromatográfiás oszlop
Turbomolekuláris pumpák Nyomásszabályozó
Vákuumszivattyú
Kettősfókuszálású induktív csatolású plazma tömegspektrométer (ICP-SF-MS) detektor
Kettősfókuszálású Nier-Johnson-féle elrendezés elektrosztatikus analizátor
vákuumszivattyú
mágnes
m/z szerinti elválasztás!
transzfer optika
plazma (ionizált gáz)
Az ICP-SF-MS kimutatási határai elemekre
Sokelemes kimutatás, fő- és mellékalkotók, valamint nyomelemek egyidejűleg meghatározhatók!
Ar-plazma • Plazma: ionizált gáz, T= 6500 – 7500 K. • Argon alkalmas plazma előállítására, de nem csak azért mert nemesgáz. A meghatározást zavaró molekulaionok is keletkezhetnek a plazmában. • A minta aeroszolként lép be a plazmába, ahol ionizálódik – többnyire egyszeres töltésű ionok keletkeznek.
Molekulaionok zavarásának kiküszöbölése
nagyfelbontás
közepes 16 µm
kis
nagy 5 µm
felbontás Azonban a speciációs analízisnél az anioncserélő kromatográfiás oszlop a plazmába jutás előtt elválasztja az arzén specieszeket (pl. HAsO42-, HAsO32- stb.) a Cl--tól!
Miért éppen rizs? • Ázsiában sokszor arzéntartalmú vízzel árasztják el a rizsföldeket, így a rizsöntözéshez használt talajvíz Askoncentrációja 0,05-2 µg/mL Kínában. • A Dél-Alföldön is termesztenek rizst. • Kedvelt táplálék, gyors elkészítés. • Egészségügyi határérték As-re rizsben: 0,3 µg/g (magyar jogszabály, 1995) and 0,7 µg/g (kínai jogszabály, 1990). • Az As-felvétel és –transzlokáció rizsben viszonylag nagy.
A Világ vezető rizstermelő országai (mennyiség köbtonnában kifejezve) Kína India Indonézia Banglades Vietnám Thaiföld Mianmar Fülöp-szigetek Brazília Japán Forrás: FAO (2003)
166.000.000 133.513.000 51.849.200 38.060.000 34.605.400 27.000.000 21.900.000 13.171.087 10.219.300 9.863.000
• Barna rizs: a hántolás után nem koptatják le a pelyvás héj alatti úgynevezett „ezüsthártyát” (korpa és csíra) nagyobb a tápértéke, viszont lassabban fő és keményebb marad. A legkönnyebben emészthető gabona. • A hántolt és koptatott fehér rizs kevésbé jellegzetes ízű. Előállítása során megfosztják a vitaminoktól, ásványi anyagoktól és a rostoktól üres kalóriaforrás. • A fényezetlen fehér rizsből fényező anyagok hozzáadásával készül a fényezett rizs.
Beri-beri betegség (B1-vitamin hiány kialakulása hántolt rizs fogyasztása miatt)
Christiaan Eijkman (1858 – 1930);
Nobel-díj (1929)
Minták • Fehérrizs: Oryza sativa L. ssp. Indica: Zhenshan97 (Wuhan, Hubei, Kína) Oryza sativa L. ssp Japonica: Risabell (MVK, Szarvas) • Barnarizs: Oryza sativa L. ssp Japonica: Kőrőstáj 333 (MVK, Szarvas) NIST 1568a rizspor As-tartalomra is hitelesített anyagminta.
A kísérleti eljárás diagramja rizsminta (~50 g) 3 x 100 mL ioncserélt víz 2 perc +
dekantálás + fagyasztva szárítás
ICP-SF-MS
főzés +100 mL desztillált víz 15 perc dekantálás + fagyasztva szárítás
extrakció + centrifugálás HPLC-ICP-MS
forró vizes extraktum ICP-SF-MS
HPLC-ICP-MS
főtt rizs ICP-SF-MS
HPLC-ICP-MS
Extrakció speciációhoz: 0,3 g minta + 10 mg -amiláz; ultrahangos kezelés (1 perc); + 30 mg proteáz; ultrahangos kezelés (2 perc); centrifugálás 4500 rpm, 10 perc, tárolás 4 °C.
Az arzén megoszlása a különböző mintákban Forró vizes extraktum:
Hideg vizes extraktum:
rizsminta (~50 g)
Zhenshan97: 8%
3 x 100 mL ioncserélt víz 2 perc +
Risabell: 15% Kőröstáj 333: 17% dekantálás + fagyasztva szárítás
ICP-SF-MS
Zhenshan97: 29%
Risabell: 26% Kőröstáj 333: 41%
főzés +100 mL desztillált víz 15 perc dekantálás + fagyasztva szárítás
extrakció + centrifugálás HPLC-ICP-MS forró vizes extraktum
főtt rizs
Főtt rizs: Zhenshan97: 63%
Risabell: 59% Kőröstáj 333: 42%
ICP-SF-MS
HPLC-ICP-MS
ICP-SF-MS
HPLC-ICP-MS
Elemek eltávolításának vizsgálata rizsből hideg és forró vizes extrakcióval Zhenshan97
90 80
100
60
%
50 40
90
80
80
70
70
60
60
50
50
40
40
30
30
30
20
20
20
10
10
10
0
0
0
Ti
Mn
Ni
Cu
Elem
Zn
As
Cd
hideg vizes extrakció forró vizes extrakció fõtt rizs
100
hideg vizes extrakció forró vizes extrakció fõtt rizs
90
70
%
Kõröstáj333
Risabell
hideg vizes extrakció forró vizes extrakció fõtt rizs
%
100
Ti
Mn
Ni
Cu
Zn
As
Cd
Ti
Mn
Elem
Ni
Cu
Zn
Elem
A vizsgált elemek kb. 50%-át lehetett eltávolítani egyszerű konyhatechnológiai eljárások szimulációjával fehér rizsminták esetén! Átlagos kémiai összetétel vizsgálata!
As
Cd
Reprezentatív kromatogramok anioncserélő HPLC-oszlopon NIST 1568a standard 50000
e
m/z = 75
40000
40000
30000
30000
I / cps
I / cps
50000
Risabell
20000
20000
DMA
As(III)
As(III) 10000
As(V) AsC
10000
MMA
As(V)
100
200
300
400
500
0
600
0
t / sec 50000
Zhenshan97
m/z = 75
100
200
300
400
500
600
t / sec
50000
b
m/z = 75
Kőröstáj 333
d
40000
40000
I / cps
30000
I / cps
DMA
AsC
0 0
c
m/z = 75
As(III) 20000
AsB
30000
As(III) 20000
10000
As(V) AsC
10000
As(V)
DMA
AsC
DMA
0 0
100
200
300
t / sec
400
500
600
0 0
100
200
300
t / sec
400
500
600
180 160 140
AsB AsC DMA As(III) As(V)
175 ng/g
Zhenshan97
120
c / ng/g
98 ng/g 100
A = hideg vizes; B = forró vizes extrakció; C = főtt rizs; D = nyersrizs
80
53 ng/g
60 40 20
As-specieszek megoszlása hideg vizes mosással és főzéssel
12 ng/g
0 A
120
100
B
AsC DMA As(III) As(V)
C
D
Risabell
130 120 110
ng/g
Kőröstáj 333
123 ng/g
100
80
90 80
59 ng/g
60
c / ng/g
c / ng/g
AsC DMA As(III) As(V)
70 60
ng/g
ng/g
50
40
40
ng/g 20
30
ng/g
ng/g
20 10
0
0
A
B
C
D
A
B
C
D
Röntgen fluoreszcencia 1. A mintát röntgensugarakkal gerjesztjük. 2. Belső héjről származó elektront távolítunk el. 3. Karakterisztikus foton bocsátódik ki.
Készülék felépítése
polikapilláris Röntgen-lencsék Si(Li) detektor minta
Röntgennyaláb
3D-képalkotás konfokális technikával (Mikro-Röntgentomográfia)
Másodlagos Röntgennyaláb
b. a.
Szinkrotronsugárzás
Elemek eltávolításának vizsgálata egyedi rizsszemeken Kőröstáj Nyers
Zhenshan Főtt
Nyers
Főtt
Voxel spektrumok nyers és főtt magyar, illetve kínai rizsszemekre Nyers magyar barnarizs
Főtt magyar barnarizs
K K Ca
P SCl
Mn Fe
Ca Zn
PS Cl
Cu
Mn Zn Fe Cu
As Br Rb Sr Se
As Br Rb
Főtt kínai fehérrizs
Nyers kínai fehérrizs
K S Cl P
K Ca
S Ca Mn Fe
Zn
Cl
Zn Cu Mn Fe
P
Cu
Rb
Rb
As Br
Se Ni
Se
Ni
Ni
As Br Se Ni
Sr
Jótanácsok? • Mossuk a rizst bő hideg vízzel! • Főzzük a rizst bő vízben! - de: • Nem minden rizsétel igényel sok vizet az elkészítéséhez. • Egyéb fontos ásványi anyagokat is eltávolítunk a rizsből, hiszen a vizes extrakció nem szelektív. • Más országokban sokszor a főzéshez használt víz kis mennyiségben áll rendelkezésre és esetleg arzénnel is szennyezett. Kísérletekkel igazolták, hogy a rizs fel tud szívni arzént e vizekből.
: változatos étrend!!
Köszönetnyilvánítás •Záray Gyula •Fodor Péter •Izsáki Zoltán •Sugár Éva •Szalóki Imre •Tatár Enikő •Virág István
• • • • • • •
Sergio Caroli Bjorn de Samber Gerald Falkenberg Geert Silversmit Tom Schoonjans Jun Yao Vincze László
Köszönöm a figyelmet!
tejberizs
rizottó
rizibizi
rizses hús (piláf)
paella
