1.АКТУАЛЬНОСТЬ И СТЕПЕНЬ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ

1.1 понятие ОВП применительно к воде и пищевым продуктам

Учеными установлено, что процесс жизнедеятельности человеческого организма - это совокупность окислительно-восстановительных реакций [1]. Под окислительно-восстановительными реакциями в химии понимают процесс отдачи электронов окисляемого вещества и присоединения их к восстанавливаемым веществам.

При этом электрические потенциалы и того и другого вещества изменяются: вещество, которое окисляется, отдает свои электроны и приобретает положительный заряд называется восстановителем; вещество, которое восстанавливается, присоединяет электроны, получая отрицательный заряд, называется окислителем.

Разность электрических потенциалов между этими двумя веществами получила название окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). Иными словами, окислительно-восстановительный потенциал - мера химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, которые связаны с изменением зарядов ионов в растворах.

ОВП также известен под названием редокс-потенциал, так как на английском языке обозначается как Reduction/Oxidation, обозначается латинскими буквами Eh и имеет размерность милливольт (мВ).

Таким образом, окислительно-восстановительный потенциал показывает, насколько активно отдаются электроны одного химического вещества и присоединяются другим.

Значение ОВП любого химического соединения тем больше, чем больше концентрация компонентов, отдающих свои электроны, по отношению к концентрации компонентов принимающих эти электроны.

При проведении специальных измерений, было установлено, что кислород является самым активным восстановителем и имеет высокий электрический потенциал, а водород - напротив, обладает низким электрическим потенциалом и является ярким представителем элементов с большой восстановительной способностью.

Как известно, вода - сложное химическое соединение, состоящее из атомов водорода и кислорода, а также других химических элементов, содержащихся в воде в виде примесей.

Все эти примеси также обладают различными электрическими потенциалами и выступают менее активными окислителями либо восстановителями.

Значение ОВП природной воды находится в пределах от -400 до +700 мВ, столь широкий диапазон значений ОВП объясняется наличием в воде различных окислительно-восстановительных процессов.

Внутренняя среда здорового организма человека

-70

Вода природная в местах проживания долгожителей

+30 - +70

Вода водопроводная

+220 - +380

Вода бутилированная

+210 - +400

Оптимальная среда для подвижности сперматозоидов

-130

Оптимальная среда для роста полезных бактерий (кишечная палочка, бифидобактерии)

+50 - -200

Молоко матери

-70

Значение показателя ОВП в некоторой степени характеризует химический состав воды.
Значение окислительно-восстановительного потенциала веществ часто используется в биохимии, где оно выражается в условных единицах rH (от английского reduction Hydrogenii).

Для перевода единиц rH в милливольты разработана формула Нернста:

rH=(Еh+200)/30+2pH,

где Еh - окислительно-восстановительный потенциал, мВ;
рН - показатель кислотно-щелочного равновесия.
Также вычислить значение rH можно, используя специальную диаграмму:


Данные диаграммы показывают, что значение 0 имеет чистый водород, а значение 42 имеет чистый кислород, нормальной среде соответствует соответствует значение 28.
Необходимо установить связь между показателем кислотно-щелочного равновесия и окислительно-восстановительного потенциалом. Доказано, что чем выше значение rH, тем ниже показатель рН, то есть при окислении показатель кислотно-щелочного равновесия уменьшается, а при восстановлении, напротив, увеличивается.
В результате окислительно-восстановительных реакций, которые постоянно протекают в организме человека, высвобождается энергия, которая впоследствии используется для поддержания гомеостаза.

Гомеостаз (в переводе с древне греческого гомео означает одинаковый, подобный, а стаз - состояние) - это способность организма сохранять относительное динамическое постоянство своего внутреннего состояния путем проведения скоординированных реакций. Другими словами, энергия, полученная в ходе окислительно-восстановительных реакций, расходуется для обеспечения процессов жизнедеятельности организма человека, а также для регенерации его клеток.
Учеными была проведена серия экспериментов, направленная на установление величины окислительно-восстановительного потенциала человеческого организма методами электрохимии.

Для измерения был использован платиновый электрод, а для сравнения взяли хлорсеребряный электрон. В ходе эксперимента было выяснено, что в нормальном состоянии окислительно-восстановительный потенциал человека колеблется от -100 до -200 милливольт.

Таким же способом был измерен и окислительно-восстановительный потенциал употребляемой нами питьевой воды, при это было выявлено, что вода, напротив, всегда имеет положительный ОВП в пределах значений от +100мВ до +400 мВ.

При этом, не имеет значения, какая вода используется для питья или в пищу: водопроводная, купленная в магазинах в бутылках, очищенная при помощи различных фильтров, или с использованием установок обратного осмоса. То есть, проведенные измерения ОВП человека и воды, позволяют сделать вывод, что активность электронов питьевой воды значительно уступает активности электронов человеческого организма. От активности присутствующих в человеческом организме электронов зависят все процессы обеспечивающие его жизнедеятельность. Известно, что все имеющие биологическое значение системы, которые отвечают за накопление и потребление энергии, репликацию и передачу различных наследственных признаков, а также системы организма, вырабатывающие различные ферменты, содержат определенные молекулярные структуры с разделенными зарядами, между которыми образуется напряженность электрического поля в пределах 104-106 В/см. Эти поля определяют передачу зарядов в биологических системах, что в свою очередь обуславливает осуществления выбора и автоконтроля на некоторых стадиях сложнейших биохимических превращений. Активность электронов, которую и выражает окислительно-восстановительный потенциал-ОВП, оказывает большое влияние на функциональные свойства электроактивных компонентов биологических систем.
Из-за разности ОВП человеческого организма и питьевой воды, при попадании воды в ткани и клетки организма, происходит окислительная реакция, в результате которой клетки изнашиваются и разрушаются.

В условиях равновесия значение ОВП определенным образом характеризует водную среду, и его величина позволяет делать некоторые общие выводы о химическом составе воды. В зависимости от значения ОВП различают несколько основных ситуаций, встречающихся в природных водах:

Окислительная:

Характеризуется значениями ОВП > + (100 - 150) мВ, присутствием в воде свободного кислорода, а также целого ряда элементов в высшей форме своей валентности (Fe³⁺, Mo⁶⁺, As^5-, V⁵⁺, U⁶⁺, Sr⁴⁺, Cu²⁺, Pb²⁺). Такая ситуация, наиболее часто встречается в поверхностных и водах.

Вода, обладающая ярко выраженными кислотными свойствами называется «мертвой» водой. Ее ОВП может достигать +800+1000 мВ. Вода с положительными значениями ОВП называется «мертвой» водой и является сильнейшим окислителем, чем и объясняются ее дезинфецирующие и бактерицидные свойства.

«Мертвая» вода используется для лечения и профилактики простудных заболеваний, ангины, гриппа. «Мертвая» вода имеет широкий спектр воздействия на организм: снижает кровяное давление, улучшает сон, успокаивает нервную систему. «Мертвая» вода растворяет камни на зубах, прекращает кровотечение десен, помогает при лечении пародонтоза. Снижает боли в суставах, помогает при расстройствах кишечника.

Переходная окислительно-восстановительная:

Определяется величинами ОВП от 0 до + 100 мВ, неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием сероводорода и кислорода. В этих условиях протекает как слабое окисление, так и слабое восстановление целого ряда металлов.

Восстановительная:

Характеризуется значениями ОВП < 0. Типична для подземных вод, где присутствуют металлы низких степеней валентности (Fe²⁺, Mn²⁺, Mo⁴⁺, V⁴⁺, U⁴⁺), а также сероводород. Это типично для подземных горных источников, талой воды.

Вода с отрицательными значениями ОВП получила название «живой» воды. «Живая» вода (щелочная) является отличным стимулятором, тонизатором, источником энергии, придает бодрость, стимулирует регенерацию клеток, улучшает обмен веществ, нормализует кровяное давление. «Живая» вода способна заживлять раны, ожоги, язвы (в т.ч. желудка и 12- перстной кишки). «Живая» вода используется для лечения и профилактики остеохондроза, атеросклероза, аденомы предстательной железы, полиартрита и других заболеваний.

Окислительно-восстановительный потенциал также зависит от температуры, количества растворённого в воде кислорода и значения рН водной среды.

Обычно ОВП организма человека колеблется от -70 мВ до -200 мВ, а ОВП обычной питьевой воды практически всегда значительно выше нуля:

• водопроводная вода от +80 мВ до +300 мВ;

• вода в пластиковых бутылках от +100 мВ до +300 мВ;

• колодезная, родниковая вода от +120 мВ до +300 мВ.

Отрицательный ОВП природной воды - явление не частое и характерно для вод подземных горных источников, где присутствуют металлы низких степеней валентности (Fe²⁺, Mn²⁺, Mo⁴⁺, V⁴⁺, U⁴⁺), а также сероводород и талой воды.

Cчитается, что отрицательный ОВП питьевой воды дает энергетическую зарядку клеткам, органам, системам. Электрическая энергия клеточных мембран не расходуется на коррекцию активности электронов воды и вода тотчас же усваивается, т.к. обладает биологической совместимостью по этому параметру. Именно поэтому питьевая вода с отрицательным ОВП - идеальный антиоксидант.

Вода с отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП) и обладающая восстановительными свойствами обычно называется "активированной". Активированной называется также вода с большим положительным ОВП, обладающая заметно выраженными окислительными свойствами. Основной технологией получения таких видов воды является электролиз. Католит и анолит обладают соответственно отрицательным и большим положительным ОВП.

Можно ли уменьшить или замедлить такое клеточное разрушение организма человека? Это возможно, при условии, что вода, которая поступает в организм, будет иметь свойства внутренней среды, а именно окислительно-восстановительный потенциал воды должен иметь значения соответствующие значениям ОВП человеческого организма.

Чем больше разность ОВП человека и воды, тем больше требуется затрат клеточной энергии для достижения соответствия воды и внутренней среды организма. При условии, что ОВП питьевой воды соответствует ОВП внутренней среды человека, вода усваивается клетками организма без использования электрической энергии мембран клеток. В случае, если окислительно-восстановительные потенциал воды имеет большее отрицательное значение, нежели ОВП внутренней среды человека, то при ее усвоении выделяется энергия, расходуемая клетками в качестве энергетического запаса антиоксидантной защиты, которая является основным щитом организма от отрицательного влияния, которое оказывает на него окружающая внешняя среда.

Чтобы понять, в чем заключается польза АО, надо ответить на несколько вопросов. Что такое АО и какова их химическая природа? Что такое свободные радикалы (СР) и откуда они берутся? В чем заключается вред СР, с которыми борются АО? Каков химизм их взаимодействия?

АО - вещества, способные тормозить окисление органических соединений. Окисление - сложный процесс, идущий по радикально-цепному механизму, который может быть представлен следующим образом: свободный радикал R•, образовавшийся, например, из жирной кислоты, под влиянием ряда факторов, взаимодействуя с кислородом, образует пероксид-радикал, способный к взаимодействию с другой ненасыщенной жирной кислотой. При этом образуется новый СР и гидропероксид. Реакции, вначале медленно протекающие, по мере накопления гидропероксидов и их распада с образованием новых радикалов резко ускоряются.

Введение АО приводит к образованию новых радикалов А•, отличающихся значительно большей стабильностью, чем радикалы R•, что приводит к замедлению реакции, а при определенных условиях к ее резкому торможению.

СР - это атомные или молекулярные частицы, способные находиться в несвязанном состоянии и содержащие один или несколько неспаренных электронов. Поскольку электрон один занимает атомную или молекулярную орбиталь, то эти соединения обладают повышенной химической активностью, т.к. им необходимо «найти» еще один электрон для восполнения равновесия. И они находят их, вырывая из органических соединений, разрушая при этом их структуру, нарушая их функции и образуя при этом множество других СР.

Наиболее типичные и часто встречающиеся СР представляют собой активные формы кислорода, активные формы азота, продукты окисления липидов, к которым относятся: синглетный кислород (1О2), супероксидный анион-радикал (О2•-), гидроперекисный радикал (НО2•), гидроксильный радикал (НО•), свободный алкильный радикал (R•), алкоксильный радикал (RO•), пероксирадикал (RОO•), нитроксид (NО•), никтроксильный радикал (NО2•), пероксинитрит (ОNОО-), липидный алкильный радикал (L•), липидный алкоксильный радикал (LO•), липидный пероксирадикал (LOO•) и ряд других [7-12].

Надо сразу отметить, что не все АО действуют одинаково и полезны в любой концентрации, и не все СР одинаково опасны для живых клеток [1]. Так, например, показано, что аскорбиновая кислота (витамин С) выступает в роли АО лишь при низких концентрациях, а при высоких концентрациях она является уже прооксидантом, т.е. способствует накоплению СР в организме [2]. Теория и практика лечения раковых заболеваний Лайнуса Полинга высокими концентрациями витамина С (в сотни раз превышающими физиологические потребности организма человека) [3] связана, по-видимому, не с анти-, а с прооксидантными свойствами витамина, под действием которого СР накапливаются в раковых клетках и затем разрушают их.

Еще 2 млрд. лет назад в атмосфере Земли практически не было свободного молекулярного кислорода. По мере его накопления благодаря фотосинтезирующим растениям начали появляться биологические виды, использующие кислород для окисления потребляемой ими пищи (органических соединений) с целью извлечения энергии. Эти процессы окисления с образованием СР (и энергии, необходимой для функционирования организма) осуществляются под строгим контролем ферментных систем. Образующиеся в этом случае СР не опасны, т.к. в итоге нейтрализуются.

Однако окружающий нас кислород пытается окислить нашу органику в силу своей химической активности с образованием множества различных СР. Организм борется с этим, создавая АО барьер. Соответственно, выживание организмов в среде кислорода зависит от предотвращения окислительных повреждений в организме.

Для снижения интенсивности свободнорадикальных процессов и уровня окислительного стресса в живых организмах в ходе эволюции возникла особая АО система, обеспечивающая окислительный (или антиоксидантный) гомеостаз, которая состоит из низко- и высокомолекулярных соединений. К низкомолекулярным соединениям, взаимодействующим с диоксидными, гидроксильными и алкилдиоксильными радикалами и образующим малоактивные продукты относятся стероиды, убихиноны, фосфолипиды, некоторые аминокислоты, полиамины, мочевина, мочевая кислота, глутатион, аскорбат, билирубин, токоферолы, каротиноиды, полифенолы и др.. К высокомолекулярным соединениям относятся антиоксидантные ферменты (супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза и др.), утилизирующие пероксид водорода в организме, и некоторые белки (альбумин, трансферрин и ферритин), способные связывать ионы Fe и Cu, являющиеся катализаторами свободнорадикальных процессов. При различных отклонениях от нормального функционирования организма может развиться дисбаланс между интенсивностью СР процессов и функциональной активностью АО системы. Указанный дисбаланс вызывает окислительное повреждение биомолекул, клеток и тканей и, в конечном итоге, гибель организма, а также играет ключевую роль в развитии большого количества опасных заболеваний, включая онкологические.

Таким образом, в основе процессов старения и окисления организма находится антиоксидантная активность (АОА) употребляемой человеком воды, а также других напитков и продуктов.

В этой связи, целью предложенной работы является определение величины окислительно-восстановительного потенциала и расчет антиоксидантной активности воды и некоторых напитков.

Задачи :

1. Освоение методики определения окислительно-восстановительного потенциала и основ электрохимии;

2. Овладение навыками работы с вольтметром - прибором для измерения ОВП;

3. Изучение методики расчета антиокислительной активности АОА по методу Х.Брайниной.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Установка для измерения ОВП

2.2 реактивы и оборудование:

Раствор калия железосинеродистого К₃[Fe(CN)₆] - 0.01M(красная кровяная соль)

Раствор калия железистосинеродистого К₄[Fe(CN)₆] - 0.0001M(желтая кровяная соль)

Буферный раствор Na₂HPO₄ \ KH₂PO₄ рН 6,88

Вода дистиллированная

Ячейка электрохимическая , объемом 100 мл

Электрод платиновый (сравнения)

Электрод хлоридсеребряный (рабочий)

Пипетки объемом 2,5 мл

Цилиндр 100 мл

Объекты измерений : свежеприготовленные растворы чая, кофе, вина

2.2 методика измерений антиоксидантной активности растворов АОА:

В электрохимическую ячейку вносится 40 мл буферного раствора, 10 мл медиаторной системы (окисленная форма - восстановленная форма С_ох/С_red в соотношении 0,01М /0,0001М)

Измеряем начальный потенциал медиаторной системы - Е₁ (мВ)

Добавляем 0,2мл исследуемого раствора и измеряем конечный потенциал -Е₂ (мВ).

Расчет АОА проводим по формуле :

АОА =

2.2 Результаты измерений

N/N

Наименование объекта

Величина ОВП (результат не менее 3-х измерений)

Антиоксидантная активность по отношению к медиаторной системе

1

Вода дистиллированная,

обработанная магнитным полем

+53

-

2

Вода водопроводная, обработанная магнитным полем

+83

3

Свежий сок ягод

+30 - +70

4

Свежевыжатый сок после суток хранения плодов

+50 - +100

5

Чай зеленый свежезаваренный

+126-+135

6

Вода водопроводная

+220 - +380

7

Вода «Красный ключ»

+210 - +400

8

Кофе молотый свежезаваренный

+ 95-+120

9

Вино красное столовое

+100-+140

3.ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные экспериментальные данные показывают, что окислительно-восстановительный потенциал большинства напитков, используемых в быту человеком, имеют положительные значения окислительно-восстановительного потенциала. Это свидетельствует о том, что гомеостаз человеческого организма постоянно находится на грани нарушения окислительно-восстановительного равновесия и снижения иммунного статуса.

Вместе с тем, данные измерений показывают, что наиболее низкие положительные значения ОВП имеют соки, красное вино, зеленый чай и, особенно, вода, которая находилась под воздействием электромагнитного поля. Антиоксидантная активность их значительно превышает аналогичную характеристику напитков с ОВП +150-+380 мВ. Как известно, в составе указанных продуктов содержатся фенольные соединения, обладающие значительными восстановительными свойствами: это танины чая, кофе, пирокатехиновые и пирогаллоловые группировки красного виноградного вина и свежих ягод. Все они, проявляя высокую антиоксидантную активность, являются восстановителями, защищают организм человека от вредного воздействия свободных радикалов, ослабляя и нейтрализуя их действие.

Известно, что среди природных антиоксидантов, присутствующих в различных живых системах и пищевых продуктах помимо ряда ферментов, наиболее важными являются токоферолы (витаминЕ), аскорбиновая кислота и ее производные, фенольные и полифенольные соединения (в т.ч. биофлавоноиды, антоцианы, проантоцианидины), тирозол и его производные, каротиноиды, убихинон, фосфолипиды, мочевая кислота, глутатион, селен, фуллерены и др.

Из синтетических антиоксидантов применяемых в пищевой промышленности (особенно в жировых продуктах) основными являются бутилоксианизол (БОА), бутилокситолуол (БОТ) и трет-бутилгидрохинон (ТБГХ). Одной из основных причин опасных заболеваний является накопление свободных радикалов в организме человека.

Именно это часто является причиной мутагенеза и канцерогенеза, сердечно-сосудистых заболеваний, ослабления иммунитета, преждевременного старения и ряда других заболеваний и дисфункций.

Возникновение ряда радикалов в организме связано с процессами биохимического обмена веществ в клетках тканей, а увеличение их содержания в организме обусловлено снижением активности ферментов естественной антиоксидантной защиты организма человека (супероксиддисмутазы, каталазы, пероксидазы), снижением концентрации других АО под влиянием неблагоприятных внешних факторов (загрязнение окружающей среды, радиация, курение, стрессы, алкоголизм, УФ-облучение, инфекционные болезни, некачественное питание и др.) [7-12].

В такой ситуации СР начинают повреждать стенки сосудов и мембраны клеток, что приводит к серьезным патологическим заболеваниям (сердечно-сосудистым, неврологическим, онкологическим), в организме нарушаются звенья в цепи обмена веществ и активизируются процессы старения [7-13].

Профилактика таких заболеваний, как правило, связывается с характером питания, составом рациона, являющимся существенным экзогенным фактором, оказывающим специфическое биологическое влияние как на разнообразные функции метаболических систем, так и на функционирование защитной АО системы организма в целом [6,17,21,22,25,27].

Следует отметить, что за рубежом проводятся комплексные и систематические исследования, направленные на количественную оценку как антиоксидантной активности, так и содержания различных классов фенольных соединений в наиболее часто употребляемых населением продуктах питания, прежде всего, растительного происхождения [27,31-37]. На основе полученных результатов создаются обширные базы данных, регулярно обновляемые новыми данными, полученными при мониторинге данных показателей, формируются рекомендуемые уровни потребления различных классов фенольных соединений (например, база данных Департамента сельского хозяйства США, в которой содержатся данные об антиоксидантной активности 277 наименований пищевых продуктов) [32-36].

ТАКИМ ОБРАЗОМ, полученные данные по величине ОВП различных напитков, позволяют сделать вывод о приоритетности использования воды омагниченной, воды бутилированной, воды колодезной и воды водопроводной в пользу воды, обработанной магнитным полем. Кроме того

ВЫВОДЫ:

1. Окислительно-восстановительный потенциал воды и различных напитков зависит от условий подготовки: для воды использование магнитного поля приводит к снижению ОВП в 2 и более раза.

2. ОВП воды водопроводной, воды бутилированной «Красный Ключ» и воды из скважины имеет сравнимый (+200-+400мВ) потенциал.

3. Омагниченная вода имеет более высокую антиокислительную активность (АОА).

4. Напитки, наиболее часто употребляемые в быту имеют различный ОВП, их антиоксидантная активность напосредственно связана с величиной их ОВП,

5. Наиболее полезными по результатам проведенных исследований являются: свежезаваренный черный чай марки «Бета-чай» , а также сухое красное столовое вино марки «Мерло». Свежезаваренный молотый кофе по результатам измерений имеет АОА на 25% ниже, чем вышеуказанные напитки, как и чай зеленый марки «Гринфилдс».

Список использованной литературы

1.Диплок Э. Антиоксиданты, питание и здоровье. // Пища и пищевые добавки. Роль БАД в профилактике заболеваний. Под ред.Дж. Ренсли, Дж. Доннелли, Н. Рида. - М.: «Мир», 2004. - 312 с.

2.Камерон И., Полинг Л. Рак и витамин С. - М.: «Кобра Интернэшнл», 2001. - 332 с.

3.Булдаков А.С. Пищевые добавки. Справочник. - СПб.: Ut. - 1996. - 240 с.

4.Спиричев В.Б., Шатнюк Л.Н., Позняковский В.М. Обогащение пищевых продуктов витаминами и минеральными веществами. - Новосибирск: Сиб. Унив. Изд-во, 2004. - 548 с.

5.Рациональное питание. Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ. - МР 2.3.1.1915-04.

6. В Осипов А.Н., Азизова О.А., Владимиров Ю.В. Активные формы кислорода и их роль в организме. // Успехи биол. химии, 1990, т.31, вып.5. С.180-207.

ПРИЛОЖЕНИЕ

В нашей стране для различных групп фенольных соединений установлены как адекватные уровни их потребления, так и верхние допустимые. В этой связи, показатель АО, тесно связанный с содержанием различных классов фенольных соединений [26,29,34-38], благотворно влияющих на различные физиологические функции организма, выступает в качестве одной из существенных потребительских характеристик, как продуктов питания, так и напитков, а разработка и применение методов изучения данного показателя - важной и актуальной задачей.

Появление данных о ощелачивающей и окисляющей функции напитков и продуктов питания позволяет проводить профилактику болезней, связанных с появление в организме условий, способствующих образованию свободных радикалов и связанных с ними болезней.

1. 
   • - слабое окисление или ощелачивание,
   • • - среднее,
   • • • - сильное,
   • • • • - очень сильное.

2. Идеальная диета, по Полю Брэггу, - это рацион питания, состоящий из:
   • 1/5 белковой пищи (растительного и животного происхождения);
   • 1/5 крахмалистой (необдирных злаков и круп) и натуральных соков и сахаров (мед, сухофрукты), а также нерафинированных масел;
   • 3/5 фруктов и овощей, сырых и правильно приготовленных.

3. Или в процентном соотношении:
   • 60 - фрукты и овощи;
   • 20 - белковая пища;
   • 7 - крахмалистые продукты;
   • 7 - натуральные сахара;