Минеральные элементы
щелочного характера
(катионы)
Минеральные элементы
кислотного характера
Биомикроэлементы
Стронций
Марганец
Сурьма и др.
Физиологическое значение минеральныхэлементов определяется их участием:
в образовании структур и осуществлении функции ферментных систем;
в пластических процессах в организме;
в построении тканей организма, особенно костной ткани;
в поддержании кислотно-основного состояния и нормального солевого состава крови;
в нормализации водно-солевого обмена.
Минеральные элементы щелочногохарактера (катионы).
Кальцийявляется наиболеераспространенным минеральным элементом,который содержится в организмечеловека в количестве 1500 г. Около 99%кальция находится в костях, участвуетв процессах свертывания крови истимулирует сократительную способностьсердечной мышцы.
Источниками кальция являются молоко имолочные продукты: 0,5 л молока или 100 гсыра обеспечивают суточную потребностьвзрослого человека в кальции (800 мг). Длябеременных и кормящих матерей — 1500 мгв сутки. Дети должны получать 1100-1200мг кальция в сутки в зависимости отвозраста.
Магнийиграет существенную роль вуглеводном и фосфорном обмене, обладаетантиспастическими и сосудорасширяющимисвойствами.
Основными источниками магния являютсязлаковые: крупы, горох, фасоль. Продуктыживотного происхождения содержаточень мало магния.
Потребность взрослого человека в магнии- 400 мг в сутки. Детей — 250-350 мг в суткив зависимости от возраста.
Натрийучаствует в процессахвнеклеточного и межтканевого обмена,в поддержании кислотно-основногоравновесия и осмотического давления.Натрий в основном поступает в организмс поваренной солью. Потребление натриясоставляет 4-6 г в сутки, что соответствует10-15г хлорида натрия. Потребность внатрии повышается при тяжелом физическомтруде, обильном потоотделении, рвотахи поносе.
Калий.Значение калия заключаетсяпрежде всего в его способности усиливатьвыведение жидкости из организма. Высокимсодержанием калия отличаются сухиефрукты – курага, урюк, сушеная вишня,чернослив, изюм. Значительное количествокалия содержится в картофеле. Суточнаяпотребность взрослых людей в калиисоставляет 3-5 г.
Минеральные элементы кислотногохарактера (анионы) —фосфор, хлор,сера.
Фосфор, так же как и кальций, участвуетв образовании костной ткани, имеютзначение в функции нервной системы имозговой ткани, мышц и печени. Соотношениекальция и фосфора в пище не должнопревышать 1: 1,5.
Наибольшее количество фосфора находитсяв молочных продуктах, яйцах, рыбе.Содержание фосфора в сыре — до 600, яичномжелтке — 470, фасоли — 504 мг в 100 г продукта.
Потребность взрослого человека в фосфоре- 1200 мг в сутки.
Хлорпоступает в организм в основномс хлористым натрием. Принимает участиев регуляции осмотического давления,нормализации водного обмена, а также вобразовании соляной кислоты железамижелудка
Содержится хлор преимущественно впродуктах животного происхождения:в яйце — 196, молоке — 106, сыре — 880 мгв 100 г продукта.
Потребность в хлоре составляет 4-6 г всутки.
Серавходит в состав некоторыхаминокислот — метионина, цистина,цистеина, витаминов — тиамина ибиотина, а также в состав ферментаинсулина.
Источниками серы служат преимущественнопродукты животного происхождения: всыре содержится 263, рыбе-175, мясе-230,яйцах-195 мг в 100 г продукта.
Потребность взрослых людей в сереориентировочно определена в количестве1 г/сут.
Биомикроэлементыпредставлены впищевых продуктах в небольшихколичествах, но характеризуютсявыраженными биологическими свойствами.К ним относятся железо, медь, кобальт,йод, фтор, цинк, стронций и т. д.
Железоиграет важную роль вкроветворении, нормализации составакрови. Около 60% железа в организме,сосредоточено в гемохромогене -основной части гемоглобина. Наибольшееколичество железа находится в печени,почках, икре, мясных продуктах, яйцах,орехах.
Потребность взрослого человека в железесоставляет 10 мг/сут для мужчин и 18 мг/сутдля женщин.
Медьявляется вторым (после железа)кроветворным биомикроэлементом.Медь способствует переносу железа вкостный мозг.
Содержится медь в печени, рыбе, яичномжелтке и зеленых овощах. Суточнаяпотребность — около 2,0 мг.
Кобальтявляется третьимбиомикроэлементом, участвующим вкроветворении, он активирует процессыобразования эритроцитов и гемоглобина,является исходным материалом дляобразования в организме витаминаB 12 .
Кобальт содержится в печени, свекле,землянике, в крупе овсяной. Потребностьв кобальте 100-200 мкг/сут.
Марганецактивирует процессыкостеобразования, кроветворения,способствует обмену жиров, обладаетлипотропными свойствами, влияет нафункцию эндокринных желез.
Основные источники его — растительныепродукты, особенно листовые овощи,свекла, черника, укроп, орехи, бобовые,чай.
Потребность в марганце составляет около5 мг в сутки.
Биомикроэлементами, являются йод, фтор,они связаны с эндемическими заболеваниями.
Йодучаствует в образовании гормонащитовидной железы — тироксина. Онраспространен в природе неравномерно.В районах с низким природным содержаниемйода в местных продуктах возникаетэндемический зоб. Это заболеваниехарактеризуется увеличением щитовиднойжелезы, нарушением ее функции.
Профилактика эндемического зоба включаетспецифические и общие мероприятия.К специфическим мероприятиям относитсяпродажа населению йодированной солис целью обеспечить ежедневное поступлениев организм человека около 200 мкг йода.
Фториграет существенную роль впроцессах развития зубов, формированиядентина и зубной эмали, а такжекостеобразования. Следует заметить,что основным источником фтора длячеловека являются не пищевые продукты,а питьевая вода.
ВИТАМИНЫ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ В ПИТАНИИ
Витамины представляют собойнизкомолекулярные органическиесоединения, различные по своей химическойструктуре. В организме витамины несинтезируются или синтезируются в малыхколичествах, поэтому должны поступатьс пищей. Они принимают участие в обменевеществ, оказывают большое влияние насостояние здоровья, адаптационныеспособности, трудоспособность. Длительноеотсутствие в пище того или иного витаминавызывает авитаминоз (гиповитаминоз).Для всех гиповитаминозов характерныобщие признаки, которые проявляютсяслабостью, повышенной утомляемостью,сниженной трудоспособностью,подверженностью различным простуднымзаболеваниям. Повышенное поступлениевитаминов в организм человека приводиткгипервитаминозам(например,гипервитаминозы витаминовAиDу детей).
В основу современной классификациивитаминов положен принцип растворимостиих в воде и жире.
Классификация минеральных веществ
Как правило, изучение любых биологически активных веществ (включая минералы) начинается с их классификации.
Простейшая классификация минеральных элементов основана на количественном признаке. Суммарное количество каждого из элементов может быть очень разным, поэтому различают так называемые макроэлементы и микро- (или ультрамикро)-элементы. Микроэлементы (МЭ) — это группа химических элементов, которые содержатся в организме человека и животных в очень малых количествах, в пределах 10-3-10-12%. По определению Н.А. Агаджаняна и А.В. Скального (2001), «МЭ — это не случайные ингредиенты тканей и жидкостей живых организмов, а компоненты закономерно существующей очень древней и сложной физиологической системы, участвующей в регулировании жизненных функций организмов на всех стадиях развития». Деление минералов по количественному признаку достаточно условно, так как один и тот же элемент может выступать в организме и как макроэлемент, и как микроэлемент. Примером этого может служить кальций, который содержится в огромных количествах в костях, и в этом случае он — безусловно — макроэлемент. Но тот же кальций выполняет в клетках роль вторичного посредника гормонального сигнала, в этом случае его количество измеряется в микрограммах, и он, безусловно, — микроэлемент.
Хотя классификация по количественному признаку проста и удобна, она не помогает ответить на вопрос о биологической роли каждого конкретного элемента в организме. Еще меньше этот способ разделения минеральных элементов на группы по их количеству может быть полезен при определении сочетанного действия минералов в организме, будь то синергическое или антагонистическое действие. Поэтому исследователи разных биологических и медицинских специальностей предлагают свое видение этого вопроса.
Минералы резко отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам и биологическому действию. Функции биоминералов в организме чрезвычайно разнообразны и зависят от множества факторов: концентрации в биологических субстратах, от свойств самого биосубстрата, от взаимодействия их между собой и с другими биологически активными веществами в организме. В этом случае они могут выступать как «неорганические витамина» — (в составе ферментов, с гормонами, с другими биологически активными соединениями).
Начало серьезного изучения роли макро- и микроэлементов для жизнедеятельности организма относится в концу 19 века. Уже тогда встал вопрос о классификации минеральных элементов применительно к особенностям питания человека (цит. по: Петровский К.С., Ванханен В.Д., 1981). В основу этого варианта классификации положено свойство минералов изменять кислотно-щелочное равновесие.
Изучение минерального состава пищевых продуктов показало, что одни из них характеризуются преобладанием состава минеральных элементов, обусловливающих в организме электроположительные (катионы), другие вызывают преимущественно электроотрицательные (анионы) сдвиги. В связи с этим пищевые продукты, богатые катионами, имеют щелочную ориентацию, а пищевые продукты, богатые анионами, — кислотную ориентацию. Учитывая важность поддержания в организме кислотно-щелочного состояния и возможное влияние на него кислотных и щелочных веществ пищи, авторы этой классификации посчитали целесообразным разделить минеральные элементы пищевых продуктов на вещества щелочного и кислотного действия. Кроме того, как самостоятельная группа биомикроэлементов выделены минеральные элементы, встречающиеся в пищевых продуктах в небольших количествах, проявляющих в организме высокую биологическую активность.
Минеральные элементы щелочного характера (катионы): Кальций, Магний, Калий, Натрий.
Минеральные элементы кислотного характера (анионы): Фосфор, Сера, Хлор.
На современном уровне знаний приведенная выше классификация уже несколько устарела, т.к. метаболизм любого минерального элемента нельзя рассматривать только с точки зрения его щелочности или кислотности.
Наибольший интерес для физиологов, биохимиков и специалистов в области питания человека представляет классификация, основанная на биологической роли элементов. Согласно этой классификации из 81 элемента, обнаруженного в организме человека выделяют 15 жизненно необходимых или эссенциальных элементов: кальций, фосфор, калий, хлор, натрий, цинк, марганец, молибден, йод, селен, сера, магний, железо, медь и кобальт. При «абсолютном дефиците» (по Авцыну А.П. с соавт., 1991) эссенциальных веществ наступает смерть.
Кроме того, различают условно эссенциальные элементы: фтор, кремний, титан, ванадий, хром, никель, мышьяк, бром, стронций и кадмий.
Выделяют также достаточно большую группу элементов, которые достаточно часто накапливаются в организме, поступая с пищей, вдыхаемым воздухом или питьевой водой, но их биологически полезная функция пока не определена. Напротив, некоторые из этих элементов являются, несомненно, токсическими. К общеизвестным токсическим веществам относятся свинец, ртуть, кадмий, бериллий и некоторые другие. Подразделение элементов на эссенциальные и токсичные в значительной степени условно. Так, некоторые в основном токсичные элементы (мышьяк, свинец и даже кадмий) некоторыми авторами относятся к эссенциальным, по крайней мере, для лабораторных животных. С другой стороны такие сугубо эссенциальные МЭ как медь, марганец селен, молибден, йод, фтор, кобальт при определенных условиях могут вызвать симптомы интоксикации.
Классификация элементов по их биогенной активности также не лишена недостатков. Прежде всего, она не отражает изменений биологических свойств биоминералов в зависимости от их дозы, сочетанности с другими элементами, их синергизма или антагонизма. Кроме того, биологическая роль биоминералов может изменяться от целого ряда других факторов: условий жизни, возраста, вредных привычек и т.д.
В.И. Смоляр (1989) выделил пять критериев биогенности химического элемента или МЭ:
1) присутствие в тканях здорового организма;
2) небольшие различия в относительном содержании в различных организмах;
3) При исключении из рациона четко воспроизводятся морфологические изменения, обусловленные его недостаточностью;
4) специфические нарушения биохимических процессов при гиперэлементозе;
5) обнаруженные изменения устраняются путем введения недостающего элемента.
В нашей стране по предложению академика РАМН А.П. Авцына и его коллег (1983г.) для обозначения всех патологических процессов, вызванных дефицитом, избытком или дисбалансом макро- и микроэлементов, введено понятие микроэлементозов и предложена рабочая классификация микроэлементозов человека, в основу которой был положен принцип первоочередного выделения этиологического фактора химической природы. Отсюда каждый микроэлементоз следует именовать в соответствии с названием МЭ, дефицит или токсическое действие которого вызвало заболевание. Микроэлементозы могут быть явными, т.е. клинически выраженными, либо латентными или потенциальными.
Согласно его классификации (Авцын А.П. с соавт., 1991), все микроэлементозы можно разделить на природные эндогенные, природные экзогенные и техногенные. Если природные микроэлементозы не связаны с деятельностью человека, то техногенные связаны с производственной деятельностью человека. Это: 1)промышленные (профессиональные), связанные с производственной деятельностью человека. При этом болезни и синдромы, вызванные избытком определенных микроэлементов (МЭ) и их соединений непосредственно в зоне самого производства. 2)Так называемые «соседские» микроэлементозы, развивающиеся по соседству с производством. 3)Трансгрессивные микроэлементозы развиваются в значительном отдалении от производства за счет воздушного или водного переноса МЭ.
В независимости от многообразия и значения той или иной классификации, для простоты и удобства чаще используют простейшую — основанную на количественном признаке.
2. Общие понятия о макроэлементах, их роль и влияние на организм человека
Кальций
«Без кальция клетка жить не может…, но при его избытке она мгновенно погибает», И.П. Павлов.
Из всех элементов в человеческом организме кальций содержится в максимальном количестве: на каждый килограмм массы тела приходится около 20 г кальция. Таким образом, в организме взрослого человека находится 1-1,5 кг этого крайне полезного элемента.
Биологическая роль кальция весьма многообразна. Основное его физиологическое значение — пластическое. Кальций служит основным структурным компонентом в формировании опорных тканей и оссификации костей. В костях скелета сосредоточено 99% общего его количества в организме. Оставшаяся часть постоянно присутствует в крови и других жидкостях организма. Поскольку старые костные клетки распадаются, для своевременного образования новой костной ткани запасы кальция должны постоянно пополняться, в противном случае организм будет восполнять нехватку из собственных зубов и костей, разрушая их и ослабляя.
Кальций является постоянной составной частью крови. Он участвует в процессе свертывания крови. Действие тромбокиназы в превращении протромбина в тромбин осуществляется только в присутствии ионов кальция. Кальций входит в состав клеточных структур: он присутствует в мембранных системах, играя важную роль в функции клетки, снижает проницаемость сосудов, усиливает сопротивляемость организма к токсинам и инфекциям, обладает противовоспалительным действием.
Нельзя переоценить значение этого элемента для полноценного внутриутробного развития плода: соли кальция закладывают основу жизненно-важных систем и процессов организма ребенка.
Кальций относится к трудноусвояемым веществам. Его усвояемость в значительной степени зависит от сопутствующих ему веществ в составе пищи. На усвояемость кальция оказывает отрицательное влияние избыток фосфора и магния. В таких случаях ограничивается образование усвояемых форм кальция, а образующиеся неусвояемые формы выводятся из организма.
Оптимальное усвоение кальция происходит при соотношении кальция и фосфора 1: 1,3 и соотношении кальция и магния 1: 0,5. В последнее время высказываются предложения о принятии более физиологически соответствующего соотношения кальция и фосфора 1: 1. В возрасте от 1 до 6 мес в качестве оптимального предлагается соотношение кальция и фосфора 1,5: 1, от 6 до 12 мес — соответственно 1,3: 1 и в возрасте 1 год и старше 1:1.
Это соотношение может быть сохранено и во взрослом состоянии. На усвояемость кальция оказывает влияние и калий, избыток которого ухудшает его всасывание. Некоторые кислоты (инозитфосфорная, щавелевая) образуют с кальцием прочные нерастворимые соединения, которые не усваиваются организмом. В частности кальций хлеба, крупы и других злаковых продуктов, содержащих значительное количество инозитфосфорной кислоты, плохо усваивается. Отрицательное влияние на усвояемость кальция оказывает избыток или недостаток жира в суточном пищевом рационе.
Лучшим источником кальция в питании человека являются молоко и молочные продукты. Кальций является наиболее важным макроэлементом молока. Он содержится в легкоусваиваимой форме и хорошо сбалансирован с фосфором. Содержание кальция в коровьем молоке колеблется от 100 до 140 мг%. Его количество зависит от рационов кормления, породы животного, стадии лактации и времени года. Летом содержание Са ниже, чем зимой.
Са присутствует в молоке в трех формах: В виде свободного или ионизированного кальция — 10 % от всего кальция (8,5ч11,5 мг%); В виде фосфатов и цитратов кальция — около 68 % ;Кальция, прочно связанного с казеином — около 22 %
Пол-литра молока или 100 г сыра обеспечивают суточную потребность взрослого человека в кальции (800 мг). Беременные и кормящие матери нуждаются в повышенном обеспечении кальцием—1500 мг в сутки. Дети школьного возраста должны получать 100—1200 мг кальция в сутки. Также он встречается в зеленых овощах: чесноке, петрушке, капусте, сельдерее и в некоторых ягодах и фруктах.
Ряд продуктов, например шпинат, щавель, злаковые, напротив, мешают усвоению кальция из продуктов питания, поэтому стоит учитывать это взаимодействие при составлении пищевого рациона.
В таблицах отдела Приложение приводится содержание кальция в некоторых продуктах питания.
Магний
Человек не может быть полностью здоровым без магния. Любой процесс, происходящий в организме, не обходится без солей и ионов магния. Этот элемент контролирует процессы деления и очищения клеток, формирование белка и обмен веществ. Взрослому человеку следует употреблять 400-600 мг магния. Рекомендуемое употребление магния в сутки (мг в сутки) приводится в таблице №15 отдела Приложение.
Эта норма потребления вполне может быть удовлетворена при сбалансированном правильном питании. Полезно знать, что при гиперфункции щитовидной железы, псориазе, артрите, нефрокальцинозе и дислексии у детей содержание магния в организме повышено.
Физиологическое значение и биологическая роль магния изучены недостаточно, однако хорошо известна его роль в передаче нервного возбуждения и нормализации возбудимости нервной системы. Магний обладает антиспастическими и сосудорасширяющими свойствами, а также свойствами стимулировать перистальтику кишечника и повышать желчевыделение. Имеются данные о снижении уровня холестерина при «магниевой» диете. Принимает активное участие в иммунных процессах, обладает противоаллергическим, противовоспалительным, противострессовым, противотоксичным действием, способствует усвоению кальция из кишечника, а также всасыванию калия, фосфора, витаминов группы B, C, и E является неотъемлемым участником многих биохимических процессов организма и регуляции жизненно-важных функций, поддерживает в норме активность клеточных мембран. Магний обладает антиспастическими и сосудорасширяющими свойствами, а также свойствами стимулировать перистальтику кишечника и повышать желчевыделение. Имеются данные о снижении уровня холестерина при «магниевой» диете.
Применение магния очень эффективно при лечении многих заболеваний: нервных расстройств, инфаркта миокарда, лейкемии, мышечной слабости, склерозе. Магний незаменим при борьбе с раком.
При недостатке магния в стенках артерий, сердца и мышцах увеличивается содержание кальция. При дефиците магния в почках развиваются дегенеративные изменения с нефротическими явлениями, болезненные мышечные сокращения, ускоряются процессы старения, в крови повышается уровень холестерина, снижается иммунитет, в результате ухудшения эластичности капилляров нарушается микроциркуляция и возникает анемия.
Содержание магния в организме сверх нормы встречается крайне редко, так как почки незамедлительно выводят избыток этого элемента. Поэтому опасность отравления магнием даже при повышенном его поступлении с продуктами питания маловероятна. Такие отравления возникают в основном при избыточном внутривенном введении магнийсодержащих препаратов либо при нарушении работы почек.
Магний в продуктах питания
Магний содержится в хлорофилле, который является зелёным фотосинтетическим пигментом, содержащимся в большинстве растений, в морских и сине-зелёных водорослях. Хлорофилл также содержится в зелёных овощах, например в шпинате и брокколи.
Много магния находится в таких продуктах питания как фасоль (103 мг), горох (88 мг), шпинат (82 мг), арбуз (224 мг), молоко сухое (119 мг), халва тахинная (153 мг), орехи фундук (172 мг).
Вполне возможно обеспечить суточную потребность в магнии с помощью хлеба ржаного (46 мг) и хлеба пшеничного (33 мг), чёрной смородины (31 мг), кукурузы (36 мг), сыра (50 мг), моркови (38 мг), салата (40 мг), шоколада (67 мг).Содержание магния в мясе и мясных продуктах следующее: свинина — 20 мг, телятина — 24 мг, кролик — 25 мг, ветчина — 35 мг, колбаса любительская — 17 мг, колбаса чайная — 15 мг, сосиски — 20 мг.
Картофель содержит магний в количестве 23 мг на 100 г продукта, капуста белокочанная — 16 мг, свекла — 22 мг, томаты — 20 мг, лук зелёный и лук репчатый — 18 мг и 14 мг соответственно.
Относительно небольшое количество магния содержится в яблоках и сливах — всего лишь по 9 мг на 100 г продукта.
Меньше всего магний усваиваются из таких продуктов, как пшено, мясо и рыба.
Раньше люди получали часть магния с водой, особенно если вода была из подземных скважин. Но современные методы очищения и смягчения воды резко сокращают уровень содержания магния в водопроводной воде. Воду, в которой содержится много минералов, в том числе и магний, называют «жёсткой», и её обычно смягчают.
Достаточное количество различных бобовых, злаковых, орехов или овощей в нашем ежедневном рационе, вероятно, могло бы удовлетворить нашу необходимую среднесуточную потребность в магнии. Однако полностью полагаться на данное утверждение нельзя, и на это есть следующие веские причины:
1. Чем больше возраст человека, тем меньше питательных веществ он может усвоить из еды. Соляная кислота в нашем желудке, которая является основным компонентом, помогающим нам усваивать питательные вещества, с возрастом производится в организме всё меньше.
2. В наших продуктах питания намного меньше питательных веществ, чем 50 лет назад. Почвы постепенно истощаются, и поэтому всё меньше полезных питательных веществ содержится в продуктах. В почву вносятся дополнительные удобрения, но в них содержатся только 3 минеральных вещества: азот, фосфор и калий. Как правило, выращиваемые продукты подбираются по урожайности и финансовой привлекательности, но никак не по содержанию питательных веществ в них. В то время как, нашему организму необходимо получать из еды питательные вещества и минералы, фермер стремится вырастить максимальный урожай с минимальными финансовыми затратами. Да и при покупке продуктов мы чаще всего исходим из стоимости, чем из содержания в них питательных веществ.
Калий
Калий — очень важный внутриклеточный элемент, который необходим для нормальной деятельности мягких тканей организма. Железы внутренней секреции, капилляры, сосуды, клетки нервов, мозга, почек, печени, сердечные и другие мышцы не могут полноценно функционировать без этого элемента. Калий составляет 50% всех жидкостей в организме.
Значение калия в жизнедеятельности организма заключается прежде всего в его способности усиливать выведение жидкости из организма. «Калиевые» диеты могут использоваться при необходимости повышения диуреза и усиления выведения натрия. Калий играет важную роль в процессе внутриклеточного обмена. Он участвует в ферментативных процессах и в превращении фосфопировиноградной кислоты в пировиноградную. Важное значение имеет калий в образовании буферных систем (бикарбонатная, фосфатная и др.), предотвращающих сдвиги реакции среды и обеспечивающих ее постоянство. Ионы калия играют большую роль в образовании ацетилхолина и в процессах проведения нервного возбуждения к мышцам.
Основная роль калия в организме (совместно с натрием) — поддержание функционирования клеточных стенок. Еще одна крайне важная обязанность элемента — сохранение концентрации основного питательного вещества для сердца (магния) и его физиологических функций.
Калий нормализует сердечный ритм, сохраняет кислотно-щелочной баланс крови, является противосклеротическим средством: предотвращает накопление солей натрия в клетках и сосудах.
Калий способствует снабжению мозга кислородом, повышая умственную активность, снижает кровяное давление, очищает организм от токсинов и шлаков, помогает при лечении аллергических заболеваний.
Калий поддерживает энергетический уровень организма, повышает выносливость и физическую силу.
Нехватка элемента в организме приводит к дисфункциям почек и надпочечников, нарушению сердечного ритма и обменных процессов в миокарде, быстрой утомляемости, физическому и эмоциональному истощению, провоцирует возникновение эрозии в слизистых оболочках, снижает скорость заживления ран. Ломкие и тусклые волосы, сухая кожа — также признаки дефицита калия. У беременных возникают патологии развития плода и осложнения при родах.
Калий хорошо представлен в пищевых продуктах как растительного, так и животного происхождения. Значительное количество калия содержится в картофеле (568 мг на 100 г продукта), за счет которого в основном и удовлетворяется потребность в калии. Обычные сбалансированные пищевые рационы обеспечивают поступление калия в количестве, удовлетворяющем потребность организма. Суточная потребность взрослых людей в калии составляет 3—5 г.
Как видим, значение калия для поддержания здоровья и нормальной работоспособности человека просто неоценимо.
Калий в продуктах питания
Первым шагом к достижению минерального равновесия в нашем организме должно стать уменьшение доли соли в нашем повседневном рационе. Следующим шагом должно стать увеличение потребления калия. Самыми богатыми источниками калия являются культурные растения: свежие фрукты, свежие овощи, проросшее зерно, бобовые и недробленное зерно — именно эти продукты являются основой нашей системы здорового питания. Для того чтобы добиться оптимальных результатов, вам следует употреблять в пищу продукты, богатые калием, на протяжении всего дня. Все фрукты и большая часть овощей содержат калия в десятки, а то и в сотни раз больше, чем натрия. Поэтому каждому из нас должна быть очевидна важность увеличения в нашем рационе доли именно этих продуктов питания.
Апельсины, бананы и печеный картофель издавна являются общепризнанными источниками калия. Поэтому регулярно включайте их в свой ежедневный рацион.
Дыня является ещё одним превосходным источником калия. Почаще включайте её в свое меню. Для разнообразия можно употреблять её сок или готовить из неё пюре — мякоть у этого плода достаточно нежная.
Очень велико содержание калия в арбузах. Используйте на все сто процентов сезон созревание этих плодов и ешьте их как можно больше. Опять же, для разнообразия вкусовых ощущений можно изготавливать из них сок или пюре — очистите их от корки и все.
Бобовые, такие как фасоль обыкновенная, фасоль лима и чечевица, также содержат много калия, а кроме того ещё и белок. Из всех бобовых получаются замечательные супы.
Вы можете повысить содержание калия в супах домашнего приготовления, если добавите в них пастернак, брюкву или тыкву. Например, употребление в пищу такого широко известного и доступного калийсодержащего продукта питания как картофель в количестве 500 грамм в день полностью обеспечивает суточную потребность человека в данном элементе. Однако следует помнить, что избыточное потребление картофеля может привести к появлению «лишних килограммов» из-за большого количества содержащегося в нём крахмала.
Всегда добавляйте тертую морковь к салатам и сандвичам собственного приготовления — этим вы ещё более увеличите содержание калия в собственном рационе.
Плоды авокадо содержат очень много калия и служат превосходным дополнением к различным салатам и сандвичам. Кроме того, авокадо содержит высококачественный белок и весьма важные для организма жирные кислоты.
Употребляя только что приготовленные соки из свежих овощей, вы не только испытаете подлинное наслаждение, но к тому же снабдите свой организм существенным количеством калия. К примеру, один стакан свежеприготовленного морковного сока содержит приблизительно 800 мг этого элемента.
Вы можете смешать в миксере несколько видов свежих фруктов и приготовить себе богатый калием завтрак или закуску. Такое ароматное пюре будет непревзойденным «калиевым коктейлем» для удовлетворения потребностей организма в этом элементе.
Для того чтобы сохранить в продуктах питания максимальное количество калия, рекомендуется готовить их на пару либо отваривать в минимальном объеме воды.. Ни в коем случае не употребляйте калий в виде каких-либо химических соединений или лекарственных форм: это приведет к раздражению пищеварительного тракта, а при больших дозах это даже может стать опасным для жизни.
Цифровые данные содержания калия в зерновых и зернобобовых, муке и крупах, хлебе и хлебобулочных изделиях, макаронных изделиях, овощах и бахчевых, фруктах и ягодах, молочных продуктах, твороге и сыре, мясе, птице и яйцах, рыбе представлены в отделе Приложение.
Роль калия при занятиях физической культурой и спортом
Калий является очень важным микроэлементом, необходимым для нормального обеспечения многих физиологических реакций в организме человека. При занятиях физической культурой и спортом тренирующимся людям требуется дополнительное количество этого элемента. Удовлетворить такую возрастающую потребность в калии можно с помощью специальной диеты, предусматривающей обязательное включение в рацион достаточного количества калийсодержащих продуктов питания.
Организм взрослой женщины содержит в среднем около 225 грамм калия (это примерно на 10% меньше, чем в организме мужчины). Суточная потребность человека в калии составляет 2 — 4 грамма. При интенсивных физических нагрузках в организм должно поступать не менее 5 грамм этого микроэлемента в день. Обеспечить такое количество калия вполне можно за счёт употребления в пищу калийсодержащих продуктов питания.
Почему же калийсодержащие продукты особенно полезны именно для людей, активно занимающихся физической культурой и спортом? Дело в том, что при выполнении различных физических упражнений во время тренировок значительно увеличивается нагрузка на сердечно-сосудистую систему. А калий как раз обеспечивает нормальную работу данной системы органов человека, регулируя артериальное давление и сердечный ритм. Кроме того, калий участвует в процессах мышечного сокращения и расслабления, обеспечивает прохождение импульсов в нервных волокнах, регулирует распределение жидкости в организме. Если при составлении рациона калийсодержащим продуктам уделять должное внимание, то все вышеперечисленные физиологические процессы в организме тренирующегося человека будут постоянно протекать на нужном уровне. Калий также способен предотвращать инсульты, уменьшать усталость и нервозность.
Недостаточное количество этого элемента в организме приводит к возникновению пониженного давления, аритмии, увеличению в крови уровня холестерина, мышечной слабости, повышению хрупкости костей, нарушению работы почек, развитию бессонницы и депрессии. При этих патологиях дальнейшие тренировки становятся опасными для здоровья. Для снятия вышеперечисленных симптомов зачастую применяют не только включение в рацион необходимых продуктов питания, но и назначают приём специальных калийсодержащих препаратов. Такие патологические состояния возникают в основном при использовании мочегонных средств (чем часто грешат многие спортсмены для того чтобы за счёт потери влаги быстро снизить вес тела и попасть на соревнованиях в желаемую весовую категорию) и некоторых гормональных препаратов (в частности, гормонов коры надпочечников). Усиленное потоотделение, которое обязательно происходит у человека при выполнении физических упражнений во время тренировок, а также частые поносы или рвота также ведут к недостатку калия в организме. В этих случаях для восстановления нормального баланса данного элемента также не обойтись без употребления калийсодержащих продуктов.
Натрий
Биологическое действие натрия многообразно. Он играет важную роль в процессах внутриклеточного и межтканевого обменов. Соли натрия присутствуют преимущественно во внеклеточных жидкостях — лимфе и сыворотке крови. Исключительно важная роль принадлежит соединениям натрия (гидрокарбонаты, фосфаты) в образовании буферной системы, обеспечивающей кислотно-щелочное состояние. Соли натрия имеют большое значение для создания постоянства осмотического давления протоплазмы и биологических жидкостей организма. Постоянство содержания натрия в организме поддерживается путем выделительной регуляции, благодаря которой при недостаточном поступлении натрия с пищей его выделение сокращается.
Натрий принимает активное участие в водном обмене. Ионы натрия вызывают набухание коллоидов тканей и таким образом способствуют задержке в организме связанной воды.
Природное содержание натрия в пищевых продуктах незначительно. В основном он поступает в организм за счет хлорида натрия, добавляемого в произвольных количествах в пищу.
Нормальное потребление натрия взрослыми людьми составляет 4 — 6 г в сутки, что соответствует 10—15 г хлорида натрия. Такое количество натрия при систематическом потреблении может быть признано безвредным. Во время тяжелых физических нагрузок, в условиях жаркого климата, при усиленном потоотделении потребность в натрии повышается (иногда в два раза). Количество пищевой соли в питании человека должно рассчитываться индивидуально. При заболеваниях сердца и почек рекомендуют ограничить ее потребление — эти органы перегружаются при переработке крови с излишком натрия.
Излишек этого макроэлемента вызывает отеки лица и ног: ионы натрия провоцируют набухание коллоидов тканей, что, в свою очередь, способствует задержке и накоплению воды в организме. При большом количестве соли в пищевом рационе, при дисфункции коры надпочечников, склонности к гипертонии, сахарном диабете, неврозах, при нарушении водно-солевого обмена и выделительной функции почек количество натрия в организме повышается. Симптомы избытка: гиперактивность, впечатлительность, быстрая возбудимость, потливость, повышенная жажда.
Продукты питания (не соленые!) содержат различное количество натрия и представлены в разделе Приложение в виде таблиц.
Фосфор
Фосфор — очень важный для жизнедеятельности организма элемент. Как и кальций, фосфор в значительном количестве содержится в костной ткани, вместе с кальцием отвечает за прочность и устойчивость костной ткани, также входит в состав нуклеиновых кислот и белков.
Потребность организма в солях фосфора — даже больше, чем в солях кальция: 1,6-2 г в сутки. Беременные и кормящие женщины должны потреблять 3-3,8 г ежедневно, дети — 1,5-2,5 г.
Однако не менее важно соотношение фосфора и кальция (примерно 2 к 3), поскольку эти два элемента находятся в неразрывной связи друг с другом. Вследствие нарушения этого баланса могут возникать различные патологии: излишек кальция приводит к возникновению мочекаменной болезни, избыточное количество фосфора провоцирует выведение кальция из костей. Впрочем, в организме присутствует весьма полезный элемент, контролирующий фосфорно-кальциевый обмен — это витамин D.
Фосфору принадлежит ведущая роль в функции центральной нервной системы. Обмен фосфорных соединений тесно связан с обменом веществ, в частности жиров и белков. Фосфор играет важную роль в обменных процессах, протекающих в мембранных внутриклеточных системах и мышцах (в том числе в сердечной).
Соединения фосфора являются самыми распространенными в организме компонентами, активно участвующими во всех обменных процессах.
При усиленной физической нагрузке, как и при недостаточном поступлении белка с пищей, резко увеличивается потребность организма в фосфоре.
Многие соединения фосфора с белком, жирными и другими кислотами образуют комплексные соединения, отличающиеся высокой биологической активностью. К ним относятся нуклеопротеиды клеточных ядер, фосфопротеиды (казеин), фосфатиды (лецитин) и др.
Неправильное питание и влияние других неблагоприятных факторов, вследствие которых возникает дефицит соединений фосфора в организме, приводит к частым переломам, разрушению зубов, суставным и костным заболеваниям. Возможно также появление нервных расстройств и болезней кожи.
Усвояемость фосфора связана с усвоением кальция, содержанием белка в пищевом рационе и другими сопутствующими факторами. Некоторые соединения фосфора плохо всасываются. Это прежде всего фитиновая кислота, которая в виде фитиновых соединений содержится в злаках.
Суточная потребность взрослого человека в фосфоре составляет 1200 мг.
В таблицах отдела Приложение приводится содержание магния в некоторых продуктах питания.
Хлор
Физиологическое значение и биологическая роль хлора заключается в его участии в регуляции осмотического давления в клетках и тканях, в нормализации водного обмена. Хлор в организме содержится в соляной кислоте — главной составляющей желудочного сока, совместно с натрием поддерживает водно-электролитный баланс организма, способствует накоплению воды в тканях, принимает участие в формировании плазмы крови, помогает выводить токсины и шлаки из организма, улучшает деятельность печени, способствует нормальному пищеварению, активизирует некоторые ферменты, принимает участие в процессе расщепления жиров, контролирует состояние эритроцитов, способствует своевременному выведению из организма углекислого газа.
Хлор обладает способностью выделяться с потом, однако основное выделение хлора происходит с мочой. Хлор в составе гипертонических растворов хлорида натрия уменьшает потоотделение как при мышечной работе, так и при высокой температуре окружающей среды.
Значительная часть хлорида натрия при этом задерживается в коже, следствием чего являются повышение набухаемости белков кожи и увеличение количества связанной воды. Одновременно увеличивается количество воды, необходимой для растворения электролитов. Все это приводит к снижению отдачи воды кожей и уменьше-нию потоотделения. Дополнительное введение хлорида натрия в составе газированной воды широко применяется в горячих цехах промышленных предприятий. Однако результаты некоторых исследований не подтверждают снижения потоотделения под влиянием дополнительных количеств хлора, поступающих в составе хлорида натрия.
Природное содержание хлора в пищевых продуктах незначительно. В основном хлор поступает в организм за счет хлорида натрия, добавляемого в пищевые продукты согласно рецептуре их производства, или за счет добавления хлорида натрия в пищу потребителями по собственному усмотрению.
Суточная безвредная доза хлора для взрослого человека составляет 5—7 г.
Симптомы дефицита хлора: мышечная слабость, сонливость, вялость, ослабление памяти, потеря аппетита, сухость во рту, выпадение зубов и волос. Резкое и значительное снижение количества хлора в организме может вызвать кому и даже летальный исход.
Повышенное содержание хлора в организме вредно, так как приводит к задержке воды в тканях и органах, что, прежде всего, влечет повышение кровяного давления. Другие симптомы избытка хлора: боли в голове и груди, диспепсические расстройства, сухой кашель, слезотечение, резь в глазах. В более тяжелых случаях возможно возникновение токсического отека легких и бронхопневмонии с повышением температуры.
Причины возникновения избытка хлора: вдыхание концентрированных паров с содержанием хлора на вредных производствах (текстильное, фармацевтическое, химическое), прием некоторых лечебных препаратов, а также ряд заболеваний: гиперфункция коры надпочечников, повреждение гипоталамуса и другие. Дезинфекция питьевой воды с помощью хлора, в результате чего образуются соединения, приводящие к респираторно-вирусным заболеваниям, гастритам, пневмонии, и по некоторым данным, даже к онкозаболеваниям. Предполагают также, что есть большая опасность отравления хлором при вдыхании концентрированных токсичных веществ во время длительного приема горячего душа.
В таблицах отдела Приложение приводится содержание хлора в некоторых продуктах питания.
Сера
Сера — минеральный компонент, порошок желтого цвета, который при соединении с водородом имеет запах тухлых яиц.
Значение серы в жизнедеятельности организма выяснено недостаточно. Известно, что сера является необходимым структурным компонентом некоторых аминокислот (метионин, цистин), витаминов (тиамин и др.), а также входит в состав инсулина и участвует в его образовании. Сера необходима для поддержания нормальной деятельности печени и процессов очищения организма.
Сера играет важную роль в образовании ферментов — активных веществ, ускоряющих химические реакции в организме. Результаты некоторых исследований говорят о том, что возможным результатом действия серосодержащих соединений является снижение кровяного давления, уровня сахара и холестерина в крови.
Негативные последствия избыточного содержания элемента в литературе не описаны. Нехватка серы приводит к нарушению обменных процессов, в частности пигментного обмена. Предполагают, что возможными симптомами недостатка элемента могут быть повышенное содержание сахара и триглицеридов в крови, а также болезненность суставов.
Количество этого макроэлемента в продуктах питания пропорционально содержанию белков. Больше серы присутствует в продуктах животного происхождения: птице, мясе, морепродуктах, яичном желтке. Из продуктов растительного происхождения стоит отметить лук, спаржу, бобы, чеснок, хрен, орехи, редьку, редис, капусту, шпинат, сливу, крыжовник.
В таблицах отдела Приложение приводится содержание серы в некоторых продуктах питания.
3. Методы определения качественного и количественного содержания макроэлементов в продуктах питания
В наше время технологического бума существует множество методов определения состава продуктов питания, от давно известных, и до самых инновационных. В данном разделе рассмотрим наиболее популярные и сравнительно не сложные с точки зрения их проведения методы, а именно физико- химические.
Эти методы получили наиболее широкое распространение при оценке качества потребительских товаров. Эти методы отличаются тем, что исследование товаров осуществляется с помощью измерительных приборов, а результаты выражаются в объективных величинах, поэтому определение отличается достоверностью и может быть проверенно повторным анализом. Физико-химические методы устанавливают зависимость между физическими свойствами и химическим составом продукта. Принцип определения химического состава любыми методами один и тот же: состав вещества определяется по его свойствам.
3.1 Эмиссионный спектральный анализ
Эмиссионный спектральный анализ является физико-химическим методом анализа, а точнее оптическим методом.
Каждое вещество, отличающееся от других веществ своим составом и строением, обладает некоторыми индивидуальными, присущими только ему свойствами. ПР, спектры испускания, поглощения и отражения веществом излучений имеют характерный для каждого вещества вид. По растворимости и форме кристаллов также можно узнать данное вещество.
При использовании ф-х методов нас интересует концентрация анализируемого вещества, т. е. Его содержание в единице объема исследуемого раствора. Концентрацию веществ определяют пользуясь тем, что между ней и значением исходящих от вещества сигналов всегда существует зависимость. Независимо от метода анализа способы расчета содержания искомого компонента в продукте едины для всех физико-химических методов.
3.2 Атомно-эмиссионный спектроскопия: самый популярный многоэлементный метод анализа
Устройство спектрометра для измерения интенсивности излучения света, используемого возбужденными атомами — отдельный внешний источник излучения как токовой, отсутствует: сама проба,ее возбужденные атомы, служат источником излучения. Атомизация и возбуждение атомов происходит в атомизаторе одновременно. Атомизатор представляет собой источник низкотемпературной или высокотемпературной плазмы.
Метод основан на изучении спектров излучения, получаемых при возбуждении проб в жестком источнике возбуждения. Для получения спектра эмиссии частицам анализируемого вещества необходимо придать дополнительную энергию. С этой целью пробу при спектральном анализе вводят в источник света, где она нагревается и испаряется, а попавшие в газовую фазу молекулы диссоциируют на атомы, которые при столкновениях с электронами переходят в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атомы могут находится очень недолго (10-7 сек). Самопроизвольно возвращаясь в нормальное или промежуточное состояние, они испускают избыточную энергию в виде квантов света.
Интенсивность спектральной линии или мощность излучения при переходе атомов из одного энергетического состояния в другое определяется числом излучающих атомов Ni (числом атомов, находящихся в возбужденном состоянии i) и вероятностью Aik перехода атомов из состояния i в состояние k.
Оптимальная температура, при которой достигается максимальная интенсивность линии, зависит от потенциала ионизации атомов и энергии возбуждения данной спектральной линии. Кроме того, степень ионизации атомов, а следовательно, и интенсивность спектральной линии зависят также от химического состава и концентраций других элементов.
Интенсивность спектральной линии зависит от температуры источника света. Поэтому в атомно-эмиссионный спектральный анализе принято измерять интенсивность аналитической линии относительно интенсивности некоторой линии сравнения. Чаще всего это линия, принадлежащая основному компоненту пробы.
В практике атомно-эмиссионного спектрального анализа в качестве источников возбуждения спектров применяют электрические дуги постоянного и переменного тока, пламя, низко- и высоковольтную конденсированную искру, низковольтный импульсный разряд, микроволновой разряд и др.
Для регистрации спектра используют визуальные, фотографические и фотоэлектрические устройства. В простейших приборах — стилометрах и стилоскопах оценка интенсивности спектральных линий производится визуально через окуляр. В спектрографах в качестве приемника излучения используют фотопластинки. В квантометрах и фотоэлектрических стилометрах приемником излучения служит фотоэлимент.
Для количественного анализа необходимо выполнить еще одну операцию: измерить интенсивность спектральных полос, принадлежащих макроэлементам, и по предварительно построенным калибровочным графикам или по эталонам вычислить их концентрацию, т. е. установить количественный состав пробы. Для количественного анализа методом атомно-эмиссионной спектроскопии плазма как источник возбуждения предпочтительнее, чем дуговой или искровой разряд. Вследствие колебаний условий возбуждений при определении концентрации элемента следует для сравнения использовать линию еще какого-нибудь элемента, называемого внутренним стандартом.
Качественный анализ продуктов питания методом атомно-эмиссионной спектроскопии включает следующие операции: получение спектра, определение длин волн спектральных линий. По этим данным с помощью справочных таблиц устанавливают принадлежность спектральных линий к определенным макроэлементам, т. е. Определяют качественный состав пробы.
С использованием плазменных атомизаторов также возможен качественный анализ на металлы и те неметаллы, энергия возбуждения которых лежат в УФ-видимой области.
Все методы атомно-эмиссионной спектроскопии являются относительными и требуют градуировки с использованием подходящих стандартов.
Измерение интенсивности спектральных линий в эмиссионном спектральном анализе могут осуществляться визуальным, фотографическим и фотоэлектрическими способами.
В первом случае проводят визуальное сравнение интенсивностей спектральных линий определяемого макроэлемента и близлежащих линий из спектра основного компонента пробы.
Фотографические способы регистрации спектров применяют в атомно-эмиссионном спектральном анализе наиболее широко. Их преимуществом является документальность анализа, одновременность регистрации, низкие пределы обнаружения многих элементов и возможность многократной статистической обработки спектров
В случае фотографической регистрации градуировочные графики претерпевают сдвиг из-за колебаний свойств фотоэмульсии от одной пластинки к другой и недостаточно точного воспроизведения условий проявления.
Для получения данных с высокой скоростью и точностью широкое применение находят фотоэлектрические способы регистрации и фотометрии спектров. Сущность этих способов заключается в том, что световой поток нужной аналитической линии отделяют от остального спектра пробы с помощью монохроматора и преобразуют в электрический сигнал. Мерой интенсивности линии служит значение этого сигнала (сила тока или напряжение).
Современные спектрометры снабжены базами данных, содержащими до 50000 важнейших линий различных элементов. Путем последовательного сканирования всей области длин волн на таких приборах можно провести полный качественный анализ за достаточно небольшое время — 45 мин.
Атомно-эмиссионная спектроскопия находит применение везде, где требуется многоэлементный анализ: в медицине, при исследовании состава руд, минералов, вод, анализе качества продуктов питания и содержании в них макроэлементов.
3.3 Атомно-абсорбционный спектральный анализ
ААА — это метод определения концентрации по поглощению слоев параметров элемента монохроматического света, длина волны которого соответствует центру линии поглощения. Анализ проводят по наиболее чувствительным в поглощении спектральным линиям, которые соответствуют переходам из основного состояния в более высокое энергетическое состояние. В большинстве случаев эти линии являются также и наиболее чувствительными и в эмиссионном анализе. Если молекулы вещества поглощают свет полосами в широких интервалах волн, то поглощение парами атомов происходит в узких пределах, порядка тысячной доли нанометра.
В ААА анализируемое вещество под действием тепловой энергии разлагается на атомы. Этот процесс называется атомизацией, т. е. переведение вещества в парообразное состояние, при котором определяемые элементы находятся в виде свободных атомов, способных к поглощению света. Излучение и поглощение света связаны с процессами перехода атомов из одного стационарного состояния в другое. Возбуждаясь атомы переходят в стационарное состояние k с энергией Ek и затем, возвращаясь в исходное основное состояние i с энергией испускают свет определенной частоты.
Излучательные переходы осуществляются спонтанно без какого-либо внешнего воздействия.
В зависимости от условий твердения минеральные вяжущие вещества подразделяются на три группы:
1. Воздушные
2. Гидравлические
3. Вяжущие автоклавного твердения.
Воздушные вяжущие.
Они твердеют и набирают прочность только на воздухе. Эти вяжущие обладают низкой водостойкостью и могут эксплуатироваться только в сухих условиях.
По химическому составу разделяются на 4 подгруппы:
1. Известковые вяжущие, в основном состоящие из оксида кальция (CaO).
2. Гипсовые вяжущие, в основном состоящие из сульфата кальция (CaSO 4)
3. Магнезиальные,
4. Вяжущие на основе жидкого стекла, представляющие собой силикаты натрия или калия (NaO cdot m SiO_2 или K_2 O cdot m SiO_2)
Гидравлические вяжущие.
Они представляют собой вещества, способные твердеть и набирать прочность не только на воздухе, но и в воде. Они обладают высокой прочностью и водостойкостью и могут эксплуатироваться в любых условиях.
По химическому составу представляют собой сложные соединения. В основном содержат 4 оксида — CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 -Fe 2 O 3 .
В зависимости от состава (каких оксидов больше), гидравлические вяжущие подразделяются на 2 подгруппы:
1. Силикатные цементы, в основном состоящие из силикатов кальция.
◦ Портланд-цемент и его разновидности.
2. Аллюминатные цементы, в основном состоящие из аллюминатов кальция.
◦ Глиноземистый цемент и его разновидности
Вяжущие автоклавного твердения.
Они представляют собой вещества, способные образовывать прочный камень в атмосфере автоклавного синтеза при температуре 175-200 градусов и давлении от 0,8 до 1,3 мегапаскалей. К ним относятся известково-кремнеземистые вяжущие, состоящие из извести и кремнеземистого компонента (песка, шлака или золы).
Воздушные вяжущие.
1.Гипсовые вяжущие вещества.
Гипсовыми называют получаемые из минерального сырья, путем его обжига и помола и содержащие в основном сульфат кальция.
Сырьем для производства гипсовых вяжущих являются горные породы (гипсовый камень CaSO 4 *2H 2 0) и ангидрит (CaSO 4), а также отходы промышленности (фосфогипс). В зависимости от температуры тепловой обработки, гипсовые вяжущие подразделяются на низкообжиговые и высокообжиговые.
1.1. Низкообжиговые гипсовые вяжущие.
Их получают термической обработкой гипсового камня при температуре от 110 до 180 градусов. При этом образуется так называемый полуводный гипс (CaSO 4 *0,5H 2 0). Они обладают невысокой прочностью и водостойкостью. К достоинствам можно отнести хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства, экологическую чистоту и способность регулировать влажность в помещении.
1.1.1.К ним относятся следующие разновидности:
1.1.1.1 Строительный гипс
Его получают тепловой обработкой гипсового камня в открытых варочных котлах или печах. При этом образуется %beta — модификация полуводного гипса с мелкими и плохо сформированными кристаллами, поэтому прочность строительного гипса невысока. Она выражается маркой строительного гипса Г, которая представляет собой предел прочности при сжатии (R сж) половинок гипсовых балочек, размером 4х4х16 сантиметров. Строительный гипс выпускают трех марок: Г3, Г4 и Г5. Это означает, что прочность при сжатии = 3-5 МПа.
Время перехода гипсового теста в камнеподобное состояние называется сроками схватывания. Различают начало и конец схватывания. Начало схватывания — это время, за которое система, вяжущее-вод только начинает терять свою подвижность. Для строительного гипса не ранее 4 минут. Конец схватывания — это время, за которое системой вяжущее-вода подвижность теряется полностью, т.е. система превращается в камень. Для строительного гипса от 6 до 30 минут.
1.1.1.2. Высокопрочный гипс.
Его получают термической обработкой гипсового камня в автоклавах при повышенном давлении. Полуводный гипс образует крупные и правильно сформированные кристаллы — альфа-модификация полуводного гипса. Это приводит к тому, что прочность высокопрочного гипса гораздо выше, чем строительного.
1.1.1.3. Формовочный гипс.
По составу такой же, как и строительный гипс (бета-модификация), но содержит меньше примесей и более тонко размолот. Используется в керамической промышленности для изготовления форм.
1.1.2. Твердение низкообжиговых гипсовых вяжущих.
Происходит при их взаимодействии с водой. Половинка поды становится двойной нормальной водой. Твердение можно регулировать — замедлять и ускорять. Ускоряют твердение введением электролитов (CaCl, NaCl), или вводят частицы молотого гипсового камня, которые служат дополнительными центрами кристаллизации. Замедляют твердение гипса введением пленкообразующих веществ, затрудняющих доступ воды, например водный раствор столярного клея.
1.1.3. Применение.
Низкообжиговые гипсовые вяжущие используют для штукатурных строительных растворов, изготовления гипсовой плитки и лепнины. Кроме того, из них изготавливают композиционные материалы — гипсоволокнистые листы (ГВЛ) из гипса и распушенной на волокна бумаги и гипсокартон из гипса и плотного картона. Кроме того, изготовляют сухие смеси для отделки стен и потолков, а также клея и затирки гипса.
1.2. Высообжиговые гипсовые вяжущие
Их изготавливают обжигом гипсового камня при температуре 600-1000 градусов. Они обладают более высокой прочностью и водостойкостью в сравнении с низкообжиговыми, но очень медленно твердеют.
К высокообжиговым гипсам относятся:
а) ангидритовый цемент, его получают либо высокотемпературным обжигом гипсового камня, либо помолом горных пород ангидрита.
Это вяжущее крайне медленно твердеет и для ускорения процесса вводят от 3 до 5% извести CaO. Сроки схватывания: начало не ранее 30 минут, конец не позднее 24 часов. Rсж от 5 до 20 Мпа.
б) эстрих-гипс. Его получают обжигом гипсового камня при температуре 800-1000 градусов. 
9Катализатор твердения CaO образуется в процессе обжига, т.е. Исключается технологическая операция его введения. В остальном эстрих-гипс имеет те же свойства и марки, что и ангидритовый цемент.
Применение: для штукатурных растворов, изготовления отделочного материала искусственного мрамора, а также для устройства бесшумных наливных полов.
{известковые, магнезиальные и вяжущие на основе жидкого стекла самостоятельно}
Попыткисистематизацииминералов на различной основепредпринимались еще в античном мире.Первоначально (от Аристотеля до ИбнСины и Бируни) минералы систематизировалисьпо внешним признакам. Со 2-ой половиныXIXв. исключительное распространениеполучили химические классификации, ав ХХ в. – кристаллохимические. В настоящеевремя наиболее распространенаклассификация минералов, в основукоторой положен химический принцип(химический состав, тип химическихсоединений,характер химической связи). Более мелкиетаксоны внутри классов выделяют с учетомструктурных особенностей минералов(таблица 1.1).
Краткая характеристика классов минералов
Самородныеэлементы.В самородном состоянии в природе известнооколо 40 химических элементов, нобольшинство из них встречаются оченьредко. Нахождение элементов в самородномвиде связано со строением их атомов,имеющих устойчивые электронные оболочки.Химически инертные в природных условияхэлементы называются благородными.
В виде самородныхметаллов встречаются Au,Pt,Ag,Cu,Fe,Pb,Sn,Hg,Zn,Al,типичны в природном состоянии и сплавынескольких металлов, например (Pt+Fe),(Pt+Fe+Ni),(Au+Ag)и др. Из самородных полуметаллов наиболеераспространены As,Sb,Se,Te,из неметаллов – различные модификацииС (графит, алмаз) и S.Графит и сера часто образуют крупныеместорождения.
Халькогениды(сернистые соединения)представляют собой соединения катионовс серой (сульфиды). В природе известнооколо 200 сернистых соединений, но только20 из них встречаются в значительныхколичествах. Наиболее распространенысоединения с Fe,Cu,Pb,Zn,Sb,Hg.
Цвет сульфидовразнообразный (свинцово-серый, черный,латунно-желтый, медно-желтый, оранжевый,желтый, красный). Твердость варьируетот 1 до 6-6,5, плотность меняется от среднейдо высокой.
Основная массасульфидов образуется гидротермальнымпутем, известны также сульфидымагматического и метаморфическогогенезиса, некоторые являются результатомэкзогенных процессов.
Сульфиды – важныерудные минералы, сырье для полученияцветных, тяжелых и некоторых редких ирассеянных металлов, их сплавов.
Таблица 1.1
Классификацияминералов
Основные типы минералов
Классы
Подклассы
Группы
I.Простые
вещества
1.Самородные элементы
1.Самородные металлы
2.Самородные неметаллы
3.Самородные полуметаллы
Гр. платины, гр. меди
Гр. серы, гр. графита
Гр. мышьяка
II.Халькогениды сернистые соединения)
1.Сульфиды
1.Простые сульфиды
2.Сложные сульфиды
Гр. пирита
Гр. халькопирита
III.Кислород-ные соединения
1.Оксиды и гидрооксиды
1.Сульфаты
2.Фосфаты
3.Карбонаты
4.Силикаты
1.Простые ок-сиды и гидрооксиды
2.Сложные оксиды
1.Островные
2.Цепочечные
3.Ленточные
4.Листовые
5.Каркасные
Гр. гематита, гр. корунда, гр. кварца
Гр. магнетита
Гр. гипса, гр. ангидрита, гр. барита
Гр. апатита
Гр. кальцита, гр. доломита
Гр. оливина
Гр. пироксенов
Гр. амфиболов
Гр. слюд, гр. талька, гр. глин, гр. хлорита, гр. серпентина
Гр. полевых шпатов, гр. фельдшпатоидов
IV.Галогениды (галоидные соединения)
1.Хлориды
2.Фториды
Гр. галита
Гр. флюорита
Кислородныесоединения.Оксиды игидрооксиды– соединенияэлементов с кислородом, в гидрооксидахприсутствует также вода. В земной корена долю этих минералов приходится около17%, из них на долю кремнезема (SiO 2)– 12,6%, на долюоксидови гидрооксидов Fe– 3,9%. К числу распространенных минераловотносятся также окислы и гидроокислыалюминия, марганца и окислы титана.
Физические свойстваэтих минералов различны, для большинстваиз них характерна высокая твердость.Происхождение магматическое, пегматитовое,гидротермальное, но большинство окисловобразуется в результате экзогенныхпроцессов в верхних частях литосферы.Многие эндогенные минералы привыветривании разрушаются и переходятв окислы и гидроокислы, как болееустойчивые соединения в условияхповерхности. Будучи физически и химическиустойчивыми, многие окислы накапливаютсяв россыпях.
Сульфаты– природныесоли серной кислоты. В природе известнооколо 190 минеральных видов, которыепредставляют собой простые безводныесоли или сложные соли с конституционнойи кристаллизационной водой. Основнаяструктурная единица – анионный радикал 2 ,среди катионов видообразующими являютсяCa 2+ ,Ba 2+ ,Mg 2+и др.
Цвет сульфатовобусловлен примесями ионов-хромофорови наличием структурных дефектов.Характерны низкая твердость (2-3,5), хорошаярастворимость в воде.
Сульфаты формируютсяв окислительных условиях на участкахраспространения сульфидных месторождений,в корах выветривания, а также какхемогенные отложения содовых, сульфатных,соляных озер и крупных водных бассейнов.Эндогенные сульфаты типичны для средне-и низкотемпературных гидротермальныхжил, реже отмечаются как продуктывулканической деятельности.
Фосфаты– солиортофосфорной кислоты. В природе известносвыше 230 простых и сложных, водных ибезводных соединений. Основная структурнаяединица – анионный радикал 3- ;среди катионов видообразующими являютсяCa 2+ ,Fe 2+ ,Fe 3+ ,Mg 2+ ,TR 3+и др. Встречаются фосфаты в виделистовато-уплощенных и таблитчатыхкристаллов или в виде чешуйчатыхагрегатов. Характерные свойства:бесцветны или интенсивно окрашены всиний цвет различных оттенков;люминесценция; твердость – 3-5, плотность– 1,6-7,0 г/см 3 .Происхождение: магматическое,гидротермальное, экзогенное.
Карбонаты– соли угольной кислоты. Ведущие катионыCa 2+ ,Fe 2+ ,Na + ,Mg 2+ ,Ba 2+ ,Cu 2+ ,Zn 2+и др. Это многочисленная группа (около120 минеральных видов), из которых многиеимеют значительное распространение.Встречаются карбонаты в виде хорошоограненных кристаллов значительныхразмеров; плотных, зернистых масс,слагающих мощные мономинеральные толщи;радиально-лучистых, игольчатых, натечных,почковидных агрегатов и тонких смесейс другими минералами.
Большая частькарбонатов белые или бесцветные; окраскукарбонатам придают хромофорные ионытипа Fe 2+ ,Mn 2+ ,TR 3+ ,Cu 2+и тонкодисперсные механические примеси(гематит, битум и т.д.). Твердость около3-4,5, плотность невелика, за исключениемкарбонатов Zn,Pb, Ba.
Важным диагностическимпризнаком является действие на карбонатыкислот (HCl,HNO 3),от которых они в той или иной степенивскипают с выделением углекислого газа.
По происхождениюкарбонаты осадочные (биохимические илихимические осадки), осадочно-метаморфические;поверхностные, характерные для зоныокисления; низко- и среднетемпературныегидротермальные; метасоматические.Иногда они кристаллизуются из кальцитовыхи содовых вулканических лав магматическогопроисхождения.
Карбонаты –важнейшие неметаллические полезныеископаемые, а также ценные руды на Zn,Pb, Fe,Cuи др. металлы. Известняки, доломиты,мраморы – почти мономинеральные горныепороды, сложенные карбонатами.
Силикаты– соликремниевой кислоты. На долю силикатовприходится до 75% массы земной коры иоколо 25% минеральных видов. В природеизвестно свыше 700 природных силикатов,включая важнейшие породообразующиеминералы (полевые шпаты, пироксены,амфиболы, слюды и др.).
Основная структурнаяединица – одиночные изолированныететраэдрические радикалы 4- .Ведущие катионы Na + ,Mg 2+ ,Al 3+ ,Ca 2+ ,Fe 2,3+ ,К + ,Мn 2+ .
Структурноеразнообразие силикатов определяетсястроением кремнекислородных радикалов.Различают силикаты с островными,цепочечными, ленточными, листовыми,каркасными радикалами.
Островныесиликаты,т.е. силикаты с изолированными тетраэдрами 4-и изолированными группами тетраэдров.В силикатах с изолированными тетраэдрами 4-каждый из четырех кислородов имеет однусвободную валентность. Между собойтетраэдры непосредственно не связаны,связь происходит через катионы Mg,Fe,Al,Zrи др. Силикаты с островной структуройимеют изометрический облик и характеризуютсяповышенной твердостью и плотностью(оливин).
Цепочечныесиликаты характеризуютсяструктурой, в которой тетраэдрысочленяются в виде непрерывныхобособленных цепочек. Радикалы 4- , 6- ,катионы Ca 2+ ,Mg 2+ ,Fe 3+ ,Al 3+ ,Na +(пироксены).
Ленточныесиликаты имеюттетраэдры в виде сдвоенных цепочек,лент, поясов. Радикал 6- ,катионы Ca 2+ ,Mg 2+ ,Fe 3+ ,Al 3+ ,Na + ,(амфиболы). Часто содержат ионы (OH) ‾ 2.
Силикаты цепочечнойи ленточной структур обычно вытянуты,для них характерны призматические истолбчатые кристаллы, игольчатые иволокнистые агрегаты.
Листовыесиликаты –силикаты с непрерывными слоямикремнекислородных тетраэдров. Радикалтакой структуры 2- . Слоитетраэдровобособлены друг от друга и связаныкатионами Mg 2+ ,Fe 3+ ,Al 3+ ,Ni +и др.Содержат ионы (OH) 2 ,(OH,F) 2(тальк, серпентин, глинистые минералы,слюды, хлориты).
Листовые силикатыхарактеризуются весьма совершеннойспайностью и листоватым обликомминералов. Это объясняется тем, что самислои кремнекислородных тетраэдровявляются очень прочными, а связь междуними, осуществляемая через катионы,менее прочная.
Каркасныесиликаты –силикаты с непрерывными трехмернымикаркасами из алюмо- и кремнекислородныхтетраэдров. В этом случае все кислородыу тетраэдров являются общими, ихвалентности использованы на связь скатионами, каркас нейтрален. Радикалтакого каркаса 0 .Именно такой каркас отвечает структурекварца (кварц по этой причине можноотносить к силикатам с каркаснойструктурой).
Алюмокислородныерадикалы m-образуются в результате замещениячетырехвалентного кремния трехвалентнымалюминием, что вызывает появление однойсвободной валентности и влечет за собойнеобходимость вхождения других катионов.Видообразующими катионами силикатовявляются Na + ,K + ,Ca 2+(полевые шпаты, фельдшпатиды).
Большинствосиликатов бесцветные или белые. СиликатыFe,Mn,Ni,Zrи др. элементов окрашены в различныецвета. Блеск стеклянный до алмазного.Спайность совершенная по двум-тремнаправлениям, весьма совершенная,плотность от 2,0 до 6,5 г/см 3 ,твердость 1-8.
Силикаты –полигенные минералы. Они кристаллизуютсяиз магмы, образуются в процессеметаморфизма, типичны для зон окислениярудных месторождений.
Галогениды(галоидные соединения).Хлориды– солисоляной кислоты. Известно порядка 100минеральных видов. Собственная окраскахлоридов белая; чистые кристаллыбесцветны и прозрачны. Желтые, бурые,серые, красные и др. цвета галоиднымсоединениям придают механическиепримеси: гидроокислы железа, органическиевещества и др. Хлориды имеют невысокуютвердость – 1,0-3,5; плотность варьируетот 1,5-2,5 до 6,5-8,3 г/см 3 ,хорошо растворяются в воде, гигроскопичны.
Образуютсяхлориды преимущественно хемогенно-осадочнымпутем – при испарении воды соляных исодовых озер или морских бассейнов илагун.
Фториды–природные соединения элементов Na,K,Ca,Mgи др. элементов с фтором. Известно до 59минеральных видов, большая часть изкоторых распространена ограничено.Наиболее ценным минералом являетсяфлюорит, встречающийся в месторожденияхгидротермального, пневматолитового игрейзенового типов.
В таблице 1.2приведена характеристика основныхпородообразующих минералов и минералов,наиболее широко распространенных вприроде и имеющих практическую ценность.
Вопросы длясамопроверки
Дайте определение понятию минерал.
Какое состояние могут иметь минералы в природных условиях?
Чем отличаются минералы с кристаллическим и аморфным строением?
Что называется минеральным агрегатом? Какие бывают агрегаты?
Перечислите важнейшие физические свойства минералов.
Что такое спайность? Ее причины.
Какие методы существуют для определения твердости?
Назовите минералы шкалы твердости Мооса.
Каким бывает излом минералов?
Каковы причины окраски минералов?
Что такое побежалость? Для каких минералов она характерна?
Как отличаются минералы по блеску?
Как определяются магнитные свойства минералов?
По каким признакам можно систематизировать минералы? Какой признак для классификации минералов является наиболее научно обоснованным?
Какие процессы минералообразования относятся эндогенным и какие к экзогенным?
Задание:
Используя табл. 1.2, бисквиты, стекла, реактивы и пр. определить образцы из коллекции, предоставленной преподавателем.
Минеральные добавки по степени эффективности в экономии цемента (Эд): неэффективные с Эд70%.
Комитетом 73- ВС РИЛЕМ предложена классификация минеральных добавок техногенного происхождения (табл. 1) по их пуццолановой и гидравлической активности. Минеральные добавки различной эффективности в представленной классификации имеют близкий вещест-венный состав (оксид кремния, алюминия, железа, кальция и т.д.). Различия заключаются в со-отношении компонентов, их минералогическом составе и степени дисперсности, обусловли-вающих преобладающий механизм их действия в цементных системах. Положение каждого ви-да техногенных материалов, представленных в рассматриваемых классификациях определяет совокупность физико-химических факторов.
Табл.1. Классификация и характеристики минеральных добавок
техногенного происхождения
Минеральная добавка Критерии эффективности Основной хими-ческий и минерало-гический составы Физические характеристики 1. Быстроохлаж-денные шлаки Вяжущие свойства Силикатное стекло (аморфный кремне-зем), содержащее оксиды кальция, магния, алюминия. В небольшом коли-честве могут при-сутствовать крис-таллические компо-ненты. Не полностью подготов-ленный к применению материал представляет собой гранулы и содер-жит 5 -15% влаги. Перед применением высушива-ется и измельчается до частиц размером менее 45 мкм, частицы имеют шероховатую поверх-ность. Удельная поверх-ность – 350-500 м 2 /кг 2.Высококаль-циевые золы уноса(Са>10%) Вяжущие и пуццолановые свойства Силикатное стекло (аморфный кремне-зем), содержащее оксиды кальция, магния, алюминия. В небольшом коли-честве могут при-сутствовать крис-таллические компо-ненты в виде кварца и СзА, а также сво-бодная известь и пе-риклаз. Содержание углерода — обычно меньше 2%. Содержит 10-15% частиц размером более 45 мкм. Больший процент частиц имеют сферическую фор-му с диаметром менее 20 мкм. Поверхность частиц в основном гладкая, но не такая чистая, как у низкокальциевых зол-уноса. Удельная поверх-ность – 300-400 м 2 /кг. 3.Микрокремнезем; золы рисо-вой шелухи Высокая пуццолановая активность Микрокремнезем некристаллической (аморфной) модификации. Представляет собой ультрадисперсный поро-шок, состоящий, в основ-ном, из сферических час-тиц диаметром менее 0,5 мкм. Удельная поверх-ность около 20000 м 2 /кг. Кремнезем некрис-таллической (аморф -ной) модификации Содержит, в основном, частицы размером менее 45 мкм, имеющие порис-тую поверхность. Удель-ная поверхность – около 60000 м 2 /кг 4.Низкокальцие- вые золы-уноса (СаО Нормальная пуццолановая активность Силикатное стекло (аморфный кремне-зем), содержащее окислы алюминия и железа. В неболь-шом количестве мо-гут присутствовать кристаллические компоненты в виде кварца, муллита, магнетита. Содержание углеро-да менее 5%, но иногда может быть 10% Содержит 10 — 15% час-тиц более 45 мкм. Большая часть частиц имеет сферическую фор-му с диаметром около 20 мкм. Удельная поверх-ность – 250-350 м 2 /кг 5. Медленно-охлажденные шлаки; золы гидроудаления, шлаки котель-ных. Слабо выраженные пуццолановые и вяжущие свойства Кристаллические силикатные мине-ралы и небольшое количество некрис-таллических компо-нентов. Дополнительно измель-чаются для придания вяжущих и пуццолано-вых свойств. Измельченные частицы имеют шероховатую поверхность
Приложение 9
Марк микрокремнезёма
Техническими условиями на микрокремнезем конденсированный (ТУ 5743-048-02495332-96) в зависимости от содержания в нем диоксида кремния (SiO2) устанавливаются следующие мар-ки: неуплотненный — МК-85, МК-65, уплотненный — МКУ-85, МКУ-65, в виде суспензии — МКС-85. Цифровой индекс в маркировке указывает на минимально допустимые количества SiO 2 . По физико-химическим показателям микрокремнезем должен удовлетворять требованиям и нормам, приведенным в табл1.
Нормируемые показатели для микрокремнезема
Показатель Нормы для марок микрокремнозема Неуплотненного Уплотненного успензии (пасты) МК-85 МК-65 МКУ-85 МКУ-65 МКС-85 Внешний вид Ультрадисперс-ный порошок се- рого цвета Мелкозернистый по-рошкообразный мате-риал серого цвета с размером агрегатов до 0,5мм Текучая жидкость темносерого цвета Массовая доля микро-кремнезема конденсиро-ванного в пересчете на сухой продукт, %, не ме-нее Массовая доля воды, %, не более Массовая доля потерь при прокаливании (п.п.п.), %, не более Массовая доля диоксида кремния (SiCh), %, не менее Массовая доля свободных щелочей (Na20, КзО), %, не более Массовая доля оксида кальция, %, не более Массовая доля серного ангидрида, %, не более 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 Удельная поверхность микрокремнезема конденсированного, м2/г, не менее Индекс активности К, %, не менее Насыпная плотность микрокремнезема конденсированного сухих форм, кг/м 3 150 — 250 150 — 250 280 — 500 280 — 500 — Плотность водной суспензии (пасты), кг/м 3 , не менее — — — — рН 5%-ной водной суспензии, не менее — — —
Примечания: 1.В пунктах 4,5,6,7,8 нормы для суспензии (пасты) приведены в пересчете на сухое вещество. 2. Индекс активности К микрокремнезема определяют по формуле: К=К»cж/К»сж*100, где К»сж прочность на сжатие растворных образцов с использованием 90% цемента и 10% микрокремнезема (по массе вяжущего), МПа; К»сж — прочность на сжатие раст-ворных образцов с использованием 100% цемента, МПа.
Литература
1. ГОСТ 24211-91 и Межгосударственный ГОСТ 24211-2993 стран СНГ. Общие технические требования.
2. Пособие по применению химических добавок при производстве сборных железобетонных конструкций и изделий (к СНиП 3.09.01 – 85). М, Стройиздат, 1989.
3. ГОСТ25818-91 Золы- уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия.
4. Указания по повышению морозостойкости бетона транспортных сооружений ВСН 159-93.
Москва 1993.
5.Б.А. Усов, И.Б. Аликина, Т.А.Чарикова. Физико- химические процессы строительного мате-риаловедения в технологии бетона и железобетона. М, Изд-во МГОУ, 2009.
6. Б.А. Усов. Химизация бетона. М, Изд-во МГОУ, 2007.
7. Б.А. Усов, Е.Н. Ипполитов.Долговечность бетона. М, Изд-во МГОУ, 2007.
8. Б.А. Крылов, С.А. Амбарцумян, А.И. Звездов. Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях. М, 2005, РААСН, НИИЖБ.