Исследовательская работа по химии ученицы Сидоренко Ангелины "Растительные пигменты антоцианы"

XV городская конференция

«Юность Архангельска»

                               Направление – Химия

                Растительные пигменты антоцианы  как  индикаторы

 Работу выполнила: ученица ГБНОУ АО                «Университетская Ломоносовская гимназия»                  1ОВ класса Сидоренко Ангелина Игоревна

Научный руководитель: Захарова Ирина        Германовна, учитель химии

Архангельск 2015

Оглавление

1.              Введение. Актуальность. Цели. Задачи.______________________________________  3

2.              Основная часть.

2.1. Обзор источников информации

2.1.1.Понятие пигментов. Антоцианы.____________________________________  3

2.1.2.   История изучения антоцианов._____________________________________  4

2.1.3.   Особенности строения антоцианов. _________________________________  4

2.1.4.   Содержание антоцианов в природных объектах. _______________________ 5

2.1.5.   Полезные свойства ________________________________________________ 5

3.    Экспериментальная часть.

3.1. Выделение антоцианов и изучение их индикаторных свойств. _________________ 6

4.             Заключение_______________________________________________________________ 8

5.             Библиография_____________________________________________________________ 8

6.             Приложение ______________________________________________________________9

                                    Введение.

         В 21 веке наука очень быстро развивается. Мир на пороге новых открытий. Сейчас одно из самых актуальных направлений химических и биологических исследований - это изучение пигментов растений, в частности антоцианов. Поэтому моя работа достаточно актуальна. Не удивительно!  Ведь нас окружает множество разнообразных химических соединений в качестве растворов бытовой химии. И многие из них требуют аккуратного, грамотного обращения. Для этого, немаловажно, знать водородный показатель этих веществ. А его измеряют с помощью различных индикаторов, в том числе растительных пигментов.

         Сегодня учеными изучены такие растительные пигменты, как флавоноиды, каротиноиды и беталаины. Всем известны каротиноиды моркови, а к беталаинам относятся, например, пигменты свеклы. Группа флавоноидных соединений вносит наибольший вклад в разнообразие оттенков цветов у растений. К данной группе относятся желтые ауроны, халконы и флавонолы, а также главные герои этой исследовательской работы — антоцианы, которые окрашивают растения в розовые, красные, оранжевые, алые, пурпурные, голубые, темно-синие цвета. Кстати, антоцианы не только красивы, но и очень полезны для человека: как выяснилось в ходе их изучения, это биологически активные молекулы. Несмотря на обилие научных работ, антоцианы еще остаются малоизученными.

В своей работе я использовала вытяжки с антоцианами, полученные из сока северных ягод ирги с нашего дачного участка и черники, а также краснокочанной капусты.

Цель: изучить возможность использования антоцианов в качестве веществ с индикаторными свойствами.

Задачи: Выяснить, что такое антоцианы, где встречаются, отчего изменяется их окраска. Изучить их индикаторные свойства, а также пользу для организма человека. Найти применение полученных знаний в быту.

Объект: растительные пигменты - антоцианы.

Предмет: свойства, строение и значение антоцианов

Основная часть

                      Обзор источников информации

Понятие пигментов. Биологические пигменты (биохромы) — окрашенные вещества, входящие в состав тканей организмов. Биологические пигменты играют важную роль в жизнедеятельности живых существ. Это звено, связывающее световые условия окружающей среды и обмен веществ организма. Цвет пигментов определяется наличием в их молекулах хромофорных групп, избирательно поглощающих свет в определённой части видимого спектра солнечного света.  Изменение цвета растительных пигментов в различных условиях можно использовать в аналитической химии. Такие вещества - индикаторы хорошо известны в химии. Изучение растительных индикаторов — одно из популярных направлений химических исследований в настоящее время. Несмотря на наличие большого количества научных работ, данная проблема ещё до конца не изучена. Интересную информацию химики получают при исследовании  растений.                                                                    

Антоцианы. Антоциан (от греч, «антос» - цветок, «цианос» - голубой), впервые был выделен из цветка василька синего. Их открытие было связано с одной из самых интересных и красивых историй в науке — историей изучения цвета у растений. Группа антоцианов довольно многочисленна. В отличие от хлорофилла, они не связаны внутри клетки с пластидными образованиями, а чаще всего растворены в клеточном соке, иногда встречаются в виде мелких кристаллов, [3] Поэтому, антоцианы легко извлечь из любых

синих или красных частей растения. Растительные пигменты антоцианы сыграли важную роль в открытии законов Г. Менделя, мобильных генетических элементов, РНК - интерференции — все эти открытия были сделаны благодаря наблюдениям за окраской растений. На сегодняшний день биохимическая природа антоцианов, их биосинтез и его регуляция достаточно подробно исследованы. Эти знания имеют и прикладное значение. Полученные данные позволяют создавать необычно окрашенные сорта декоративных растений и сельскохозяйственных культур [6]. В последнее время в российских и зарубежных СМИ часто появляются сообщения о чудо - фруктах, чудо - овощах и чудо - цветах с необычной окраской, которая или не встречается у данных видов растений, или встречается, но очень редко. Фурор среди российской общественности недавно произвела новость о новом сорте картофеля «Чудесник» с фиолетовой окраской мякоти, созданном селекционерами из «Уральского научно-исследовательского института сельского хозяйства». В числе овощей с непривычной для нас фиолетовой окраской можно также упомянуть капусту, перец, морковь, цветную капусту. Заметим, что все допущенные к выращиванию в коммерческих целях сорта фиолетовых овощей, фруктов и злаков были созданы в ходе селекционной работы, это не генномодифицированные сорта. Еще один пример — голубая роза, мечта не одного поколения селекционеров и садоводов. До 2004 года синие бутоны у розы можно было получить лишь с помощью химических красителей, например, индиго, которые впрыскивали в корни белой розы. В 2004 году методами генетической инженерии впервые в мире была получена настоящая голубая роза. [ 6]

Эти и другие смелые манипуляции с окраской, которые пресса называет «чудесами», стали возможными благодаря всестороннему исследованию природы антоциановой пигментации и генетической составляющей биосинтеза антоциановых соединений.

        Итак, антоцианы — растительные пигменты, которые могут присутствовать у растений как в генеративных органах (цветках, пыльце), так и в вегетативных (стеблях, листьях, корнях), а также в плодах и семенах. Они содержатся в клетке постоянно, либо появляются на определенной стадии развития растений или под действием стресса. Последнее обстоятельство навело ученых на мысль, что антоцианы нужны не только для того, чтобы яркой окраской привлекать насекомых-опылителей и распространителей семян, но и для борьбы с различными типами стрессов.

       История изучения. В 1913-1915 годах немецкий биохимик Рихард Вилыптеттер и его швейцарский коллега Артур Штоль опубликовали серию работ, посвященных антоцианам. Из цветков различных растений они выделили индивидуальные пигменты и описали их химическое строение.

Оказалось, что антоцианы в клетках находятся преимущественно в виде гликозидов. «За исследования красящих веществ растительного мира, особенно хлорофилла» в 1915 году Рихард Вилыптеттер был удостоен Нобелевской премии по химии. [ т]

А в Древней Руси, с помощью растений, красили яйца перед пасхой в различные цвета. Вот, например, синего или красного цвета можно было добиться при помощи фиолетовых растений, содержащих антоцианы. Чтобы добиться синего оттенка необходимо было добавлять золу, обеспечивающую раствору щелочность. А красный цвет яиц получался при добавлении каких-либо окрашенных кислых ягод.

        Как я уже сказала ранее - разная окраска антоцианов зависит от того, с каким ионом образован комплекс органического красящего вещества. Так, пурпурно-красная окраска получается, если в состав комплекса входит ион калия, синий цвет придают магний и кальций. Свойства антоцианов проявлять свой цвет зависят от кислотности среды: чем она ниже, тем более красный цвет получается. [5] Чтобы в условиях лаборатории различить виды антоцианов, используют хроматографию на бумаге или ИК-спектроскопию. Количество антоцианов в том или ином продукте зависит от особенностей климата и энергии фотосинтеза растения. К примеру, в винограде на скорость образования этих веществ влияет продолжительность и интенсивность освещения его листвы. В разных сортах винограда содержится различный набор антоцианов, что обусловлено месторождением и сортом растения. Высокая температура влияет на цвет красного виноградного вина, усиливая цвет. Кроме того, термическая обработка способствует длительному сохранению антоцианов в вине. [4]

         Содержание антоцианов в природных объектах. Антоцианы могут содержаться в небольших количествах в разных растениях (в горохе, грушах, картофеле), но больше всего их в кожице ягод и плодов с темно-фиолетовой окраской. Ежевика - лидер по содержанию этого пигмента среди всех ягод. Но и наши северные ягодные растения такие, как черника, ирга, клюква, голубика, содержат достаточно много антоцианов. Также в краснокочанной капусте содержится большое количество антоцианов. Можно сказать, что она является лидером среди овощей по содержанию этого пигмента. Именно поэтому я использовала краснокочанную капусту, чернику и иргу. Содержание антоцианов больше в кислых и темных сортах вишни, чем в сладких и красных. Много антоцианов в кожице винограда и в красном вине, получаемом из него. Белое вино производят из винограда без кожицы, поэтому оно менее богато этими пигментами. Содержание антоцианов определяет цвет виноградного вина и виноградного сока. Исследования показали, что бананы, хотя и не имеют темно-фиолетовой окраски, тоже являются богатым источником антоцианов.

 Полезные свойства антоцианов. Антоцианы не могут образовываться в организме человека, поэтому должны поступать с пищей. В сутки здоровому человеку необходимо не менее 200 мг этих веществ, а в случае болезни - не менее 300 мг. Они не способны накапливаться в организме, поэтому быстро выводятся из него. Антоцианы оказывают бактерицидное действие - они могут уничтожать различные виды вредоносных бактерий. Впервые этот эффект использовали при изготовлении красного виноградного вина, которое не портилось при длительном хранении. Теперь антоцианы используются в комплексной борьбе с простудными заболеваниями, они помогают иммунной системе справляться с инфекцией. [5] По биологическим эффектам антоцианы похожи на витамин Р. Так, известно о свойстве антоцианов укреплять стенки капилляров и оказывать противоотечное действие. Полезные свойства антоцианов используются в медицине при производстве различных биологических добавок, особенно для применения в офтальмологии. Ученые обнаружили, что антоцианы хорошо накапливаются в тканях сетчатки. Они укрепляют ее сосуды, уменьшают ломкость капилляров. [5] Антоцианы улучшают строение волокон и клеток соединительной ткани, восстанавливают отток внутриглазной жидкости и давление в глазном яблоке, что используют при лечении глаукомы. Антоцианы являются сильными антиоксидантами - они связывают свободные радикалы кислорода и препятствуют повреждению мембран клеток. Это тоже положительно сказывается на здоровье органа зрения. Люди, регулярно употребляющие в пищу богатые антоцианами продукты, имеют острое зрение. Также их глаза хорошо переносят высокую нагрузку и легко справляются с утомляемостью. [5]

Выводы: Проанализировав литературу я выяснила, что антоцианы - растительные биологические пигменты, обладающие комплексом полезных для человека свойств: индикаторными, антиоксидантными, бактерицидными. Особенности этих веществ важно знать, чтобы сохранить своё здоровье, а индикаторные свойства помогут в обращении с бытовой химией.

                           Экспериментальная часть.

       Первые опыты по изучению антоциановых соединений и их химической природы провел известный английский химик Роберт Бойль. Еще в 1664 году он впервые обнаружил, что под действием кислот синий цвет лепестков василька изменяется на красный, под действием же щелочи лепестки зеленеют. Я заинтересовалась этим фактом и решила провести исследование.

Исследование включало в себя:

1.        Выделение антоциана из сока краснокочанной капусты, черники и ирги.

2.      Изучение изменения цвета выделенного антоциана от рН среды раствора.

3.       Создание шкалы изменения цвета.

4.      Изготовление индикаторной бумаги.

5.Измерение рН среды средств бытовой химии и продуктов питания человека.

Методика выполнения экспериментальной части.

Приборы и материалы:       

Краснокочанная капуста, ягоды черники, ягоды ирги, вода, речной песок, соли и кислоты, чистые пробирки, ступка с пестиком, фильтровальная бумага, универсальный индикатор.

Исследование № 1

Ход работы:

1 .Чтобы извлечь антоцианы из растения, я сначала мелко натёрла листья краснокочанной капусты на терке.

2.  Затем растерла полученную кашицу в ступке с небольшим количеством речного песка.

3.    После этого в полученную смесь я добавила небольшое количество воды и
отфильтровала   в   чистую   пробирку.   Получила   вытяжку,   содержащую   антоцианы.

4.      Затем из школьной лаборатории я выбрала несколько солей и кислот. А именно: НС1, А1С1з, МgS0₄, КCNS, Na₂СОз. Приготовила 1М растворы и измерила рН среды с помощью универсального индикатора.

5.После этого, к растворам я добавила по капле вытяжку. Наблюдалось изменение цвета антоцианов в исследуемых растворах c разной величиной pH.                                  

Результаты эксперимента оформлены в таблицу:

Раствор	НС1	А1С1з	КCNS	МgS04	Na2СОз
рН	0	3	6	7	11
Цвет

(фото см. в приложении) Исследование № 2

Антоцианом, полученным из черники, были пропитаны фильтровальные бумажки, после этого с их помощью я измерила кислотность среды у средств бытовой химии. Результаты опыта помещены в таблицу:

Название	рН
«Санокс»  средство для чистки	1
«Dosiа» порошок стиральный	4
«Gillettе» пена для бритья	6
«Ворсинка» кондиционер для белья	7
«Пемос» порошок стиральный	10
«Sorti» жидкость для мытья посуды	11

Таблица. Измерение рН среды средств бытовой химии.

 Исследование №3.

С помощью антоцианов, выделенных из ирги, я исследовала рН среды продуктов питания:

Название	рН	Название	рН
Уксус	2	Арбуз	5
Сок лимона	2	Чай зеленый	6
Черника	3	Масло	6
Горчица	4	Авокадо	6
Кетчуп томатный	4	Молоко	7
Мед	4	Желток яйца	8

Таблица. Измерение рН среды продуктов питания.

Заключение.

В ходе выполнения исследовательской работы мною было выяснено:

1. Антоцианы - разновидность биохромов. Чаще всего растворены в клеточном соке, иногда встречаются в виде мелких кристаллов, поэтому, антоцианы легко извлечь из любых синих или красных частей растения. При всем их огромном многообразии антоциановые соединения — производные лишь шести основных антоцианидинов, которые отличаются боковыми радикалами в формуле молекул.

2.Антоцианы являются растительными индикаторами. Соединения антоциана с кислотами имеют розовый или красный цвет; соединения со щелочами - синий, а в нейтральной среде они фиолетовые.

3. Антоцианы очень полезны для человека, но они не могут самостоятельно синтезироваться в организме, поэтому они должны поступать с пищей. Например, с фруктами и ягодами (вишня, ирга, виноград, бананы) и овощами (краснокочанная капуста, горох, картофель).

4.При приготовлении блюд из растений, содержащих антоцианы, необходимо учитывать их индикаторные свойства. Так, если не добавить уксус или сок лимона при тушении краснокочанной капусты, то блюдо получится фантастического сине-фиолетового цвета, что понравится не всем потребителям.

При измерении рН продуктов питания оказалось, что большинство из них имеют кислую реакцию среды.

                                 Библиография.

1)      Начала современного естествознания. Тезаурус. - Ростов-на-Дону. В.Н Савченко, В.П. Смагин. 2006

2)   Бриттон Г. Биохимия природных пигментов. — Москва: Мир, 1986. — 422 с

3)     Карабанов И.А. Флавоноиды в мире растений. — Минск: Ураджай, 1981.

4)  Коровкин Олег Алексеевич - Книга: "Анатомия и морфология высших растений".

5)  http://www.neboleem.net/antociany.php

6)  http://www.elementy.ru/li,/431905

Приложение.

     Приложение 1. Василек синий

                        Приложение 2. Голубая роза.

                        Приложение 3. Краснокочанная капуста.

      Приложение 4. Ирга.

Приложение 6. Вытяжка антоциана из краснокочанной капусты.

Приложение 7. Изменение цвета индикатора.