Качественное и количественное определение содержания сахаров в топинамбуре

Качественное и количественное определение содержания сахаров в топинамбуре

Исследовательская работа

Выполнили:

Некрасова Анастасия Анатольевна,

10 класс, МБОУ «Шелеховский лицей», г. Шелехов,

Белоусова Ирина Аркадьевна,

11 класс, МБОУ «Шелеховский лицей», г. Шелехов

Руководители:

Карпова Елена Геннадьевна, учитель биологии,

МБОУ «Шелеховский лицей», г. Шелехов,

Зенина Елена Васильевна, учитель химии,

МБОУ «Шелеховский лицей», г. Шелехов

Научный консультант:

Мякина Ирина Анатольевна,

кандидат химических наук,

 доцент кафедры химии и пищевых

технологий

Шелехов – 2013

Содержание

Введение

Часть 1.  Литературный обзор

1.1. Описание топинамбура

1.2. Сорта топинамбура

1.3. Химические свойства

1.4. Биологически активные вещества – основа целебных свойств топинамбура

Часть 2. Исследовательская часть

2.1. Общая характеристика спектрофотометрического метода и газо-жидкостной хроматографии.

2.2. Определение общего содержания сахаров спектрофотометрическим методом

2.3. Определение индивидуального содержания сахаров методом газо-жидкостной хроматографии.

2.4. Определение массовой доли пектиновых веществ  карбазольным методом.

3. Выводы

Список использованной литературы

Приложение

Введение

В последние годы в связи с осложнившейся экологической и экономической обстановкой в стране произошел рост заболеваемости населения. Для повышения устойчивости организма к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды большое внимание должно уделяться профилактике различных заболеваний, к примеру, таких как сахарный диабет, заболевания сердечнососудистой системы и т.д

        В настоящее время отмечается резкий рост заболеваний, вызванных нарушением углеводного обмена, в частности вследствие чрезмерного употребления сахарозы, поэтому актуальность данной работы заключается в рассмотрении топинамбура на содержание фруктозы и пектиновых веществ.

Цель: изучение топинамбура как источника фруктозы методом кислотного гидролиза, выбор оптимальных условий гидролиза с использованием в качестве катализатора лимонную кислоту.

Задачи:

• Изучить литературу по исследуемой проблеме.
• Изучить методы, позволяющие определить  содержание сахаров и пектиновых веществ в топинамбуре.
• Определение общего содержания сахаров спектрофотометрическим методом
• Определение индивидуального содержания сахаров методом газо-жидкостной хроматографии.
• Определение массовой доли пектиновых веществ  карбазольным методом.

Объект исследования: топинамбур, произрастающий на территории Шелеховского района.

Предмет исследования: содержание фруктозы и пектиновых веществ в топинамбуре.

Гипотеза: экспериментальное исследование  топинамбура методом кислотного гидролиза, позволит  определить процентное содержание фруктозы и пектиновых веществ в топинамбуре.

Часть 1. Литературный обзор

1.1. Описание топинамбура

Топинамбур (Heliantnus tuberosus) т. е. «подсолнечник клубненосный» – многолетнее клубненосное растение семейства астровых. Растение это очень напоминает масличный подсолнечник: высотой до 2-х и более метров, прямой стебель, мелкие листья, жёлтые цветки и цветочная корзинка диаметром примерно 3-4 см. На концах подземных побегов – так называемых «столонов» – образуются клубни, весьма разнообразные по форме, размерам и цвету.

1.2. Виды сортов топинамбура

В мире известно более 300 сортов и гибридов топинамбура. Одни отличаются большим урожаем клубней, другие — зелёной массы (при небольших клубнях), третьи — особой декоративностью и т. д. В России наиболее известны ныне сорта топинамбура 'Киевский белый', 'Красный', 'Веретеновидный', 'Патат', 'Майкопский', 'Белый', 'Скороспелка', 'Находка', 'Волжский 2', 'Вадим', 'Ленинградский', 'Северокавказский', 'Интерес'.

 Промышленно в России возделываются только 2 сорта: 'Скороспелка' и 'Интерес'. 'Скороспелка' — скороспелый сорт, дающий урожай клубней уже к концу сентября, что позволяет возделывать его в средней полосе России.

Интерес - выведен на Майкопской опытной станции ВНИИР. Автор Пасько Н.М. Куст прямостоячий. Стебель средиеветвистмй. Лист крупный, темно-зеленый. Клубни белые, кожура гладкая, глазки средние, глубокие.Позднеспелый. Рекомендован для возделывания в южных районах России и СНГ.

Находка - выведен на Майкопской опытной станции ВНИИР. Автор Щибря Н.А., Щибря М.Л., Чесноков П.И. Стебель слабоветвистый со слабым опушением. Лист крупный, округло-треугольный с равнозубчатым краем, светло-зеленый. Расположение на стебле очередное, но неустойчивое. Клубни некрупные, белые, грушевидной формы с розовым окаймлением вокруг глазков. В почве располагается компактно. Вегетационый период от исходов до уборки клубней 165-193 дня. Рекомендован для возделывания в южных районах России и СНГ.

1.3. Химический состав

Содержит достаточно большое количество сухих  веществ (до 20%), среди которых до 80% содержится полимерного гомолога фруктозы-инулина. Микроэлементы - железо (до 12 мг%),  калий (до 200 мг%), кальций (до 40 мг%), кремний (до 8 мг%), магний (до 30 мг%), марганец (до 45мг%), фосфор (до 500 мг%),  цинк (до 500 мг%).

По содержанию витаминов группы В (BI, В2 и В6), С, РР топинамбур богаче картофеля, моркови и свеклы более чем в 3 раза. Высокое содержание органических кислот, к которым относятся: лимонная кислота, яблочная кислота, малеиновая кислота, янтарная кислота, фумаровая кислота.

В комплексе с витамином С, они обладают ярко выраженными антиоксидантными свойствами.

Относительно высокое содержание белка (3,2% на сухое вещество), представленного 16 аминокислотами, в том числе незаменимыми, которые не синтезируются в организме человека: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.

Пектиновые вещества - полисахариды, присутствующие в топинамбуре в количестве 11 % от массы сухого вещества. Пектины адсорбируют на своей поверхности и выводят из организма ядовитые вещества, холестерин, триглицериды.

1.4. Биологически активные вещества – основа целебных свойств топинамбура

От других овощей топинамбур отличает уникальный углеводный комплекс на основе фруктозы и ее полимеров.
В отличие от других растений топинамбур обладает способностью накапливать в клубнях большое количество инулина — природного полисахарида, на 95% состоящего из фруктозы. Имеет сладкий вкус. Молекула инулина — цепочка из 30- 35 остатков фруктозы в фуранозной форме. Инулин оказывает благотворное влияние в течение всего времени нахождения в организме человека, значительно ускоряя очищение организмов от шлаков, не переваренной пищи и вредных веществ. Антитоксический эффект инулина усиливается за счет действия клетчатки, также содержащейся в топинамбуре.

Использование инулина как пищевой добавки стимулирует синтез витаминов и активизирует иммунные механизмы защиты.
        Фруктоза – диетический сахар, который способен участвовать в тех же обменных процессах, что и глюкоза, замещая ее в случаях относительной или абсолютной нехватки инсулина. Преимущества фруктозы заключается в безвредности для организма человека, что позволяет использовать ее в рецептуре продуктов лечебно-профилактического питания
Фруктоза является непременной составной частью топинамбура. Содержание ее может быть различным в зависимости от времени сбора, урожая, продолжительности хранения и других факторов. Образуется она из инулина в результате биохимических процессов, происходящих в корнях и клубнях.
    Пектиновые вещества или пектины - полисахариды, присутствующие в топинамбуре в количестве 11 % от массы сухого вещества. Пектины адсорбируют на своей поверхности и выводят из организма ядовитые вещества, холестерин, триглицериды.

В пищевой промышленности пектин используют в производстве начинок для конфет, производстве фруктовых начинок, кондитерских желейных и пастильных изделий (зефир, пастила, мармелад и пр.), молочных продуктов, десертов, мороженого, спредов, майонеза, кетчупа, сокосодержащих напитков. Приложение 1, рисунки 1-3.

Часть 2. Исследовательская часть

2.1. Общая характеристика спектрофотометрического метода и газо-жидкостной хроматографии.

Спектрофотометрический метод – это метод исследования  растворов и твёрдых веществ, основанный на изучении спектров поглощения в ультрафиолетовой (200—400 нм), видимой (400—760 нм) и инфракрасной (>760 нм) областях спектра. Основан на спектрально-избирательном поглощении монохроматического потока световой энергии при прохождении его через исследуемый раствор. Метод позволяет определять концентрации отдельных компонентов смесей окрашенных веществ, имеющих максимум поглощения при различных длинах волн, он более чувствителен и точен, чем фотоэлектроколориметрический метод. Спектрофотометрия широко применяется при изучении строения и состава различных соединений (комплексов, красителей, аналитических реагентов и др.), для качественного и количественного определения веществ (определения следов элементов в металлах, сплавах, технических объектах). Приборы спектрофотометрии — спектрофотометры.

Газо-жидкостная хроматография - разделение газовой смеси вследствие различной растворимости компонентов пробы в жидкости или различной стабильности образующихся комплексов. Неподвижной фазой служит жидкость, нанесенная на инертный носитель, подвижной — газ. Газожидкостная хроматография имеет следующие преимущества: узкие проявительные полосы в отличие от широких размытых полос газо-адсорбционной хроматографии; большие скорости потока, что ускоряет цикл анализа; широкий выбор неподвижных фаз, что позволяет разделять смеси с близкими температурами кипения; линейность изотерм адсорбции. Метод газожидкостной хроматографии имеет и свои недостатки. Верхний предел температуры хроматографической колонки определяется летучестью и стабильностью неподвижной фазы.

2.2. Определение общего содержания сахаров спектрофотометрическим методом

Для  проведения экспериментальной части исследования было взято два измельченного в порошок топинамбура сортов: «Интерес» и «Находка». К образцам топинамбура массой 10 грамм добавили 1 грамм лимонной кислоты, концентрацией 0,75%  и поместили в круглодонные колбы. Гидролиз проводили на водяной  бане при температуре 65-70 градусов, охлаждали с помощью обратного холодильника. Гидролиз первого образца проводили 1 час, второго -  2 часа.

Полученный экстракт методом фильтрования отделили от твердой нерастворимой части (твердого остатка топинамбура). Остаток топинамбура исследовала на содержание пектиновых веществ. Раствор водорастворимых веществ исследовали на общее содержание редуцирующих сахаров спектрофотометрическим методом.  Данные анализа приведены в таблице 1.

Таблица 1. Общее содержание сахаров исследуемых спектрофотометрическим методом

Результаты исследования позволяют сделать вывод: при кислотном гидролизе в течение одного часа экстракция сахаров выше, чем при двухчасовом гидролизе.

2.3. Определение индивидуального содержания сахаров методом газо-жидкостной хроматографии.

Концентрирование  водного раствора сахаров проводили на роторном испарителе IKA RVIO digital. Из экстракции раствора водорастворимого вещества для количественного анализа углеводов применяли фенол-сернокислотный метод. Схема метода:

                                                                                                       10’

0,5 мл исслед.р-ра + 0,5 мл 5% фенола + 2,5 мл.конц. H2SO4       ОП480

                                                                                                водяная баня

                                                                                              (необязательна)

Водный  раствор сахаров выпаривали  на роторном испарителе IKA RVIO digital. При температуре выше 80 oС. Концентрация сахаров высушивалась до постоянного веса, с помощью вакуумного шкафа. А далее, состав экстрактов анализировали методом газо-жидкостной хроматографии  на газовом хроматографе 7820 А с селективным масс-спектрометрическим детектором Agilent 8453, фирмы Agilent Technologies. Данные приведены в таблице 2.

Таблица 2. Индивидуальное содержание сахаров исследуемое газо-жидкостной хроматографией.

 В литературных источниках приводятся данные только щелочного гидролиза сахаров. По  результатам нашего  экспериментального исследования сахара подверглись гидролизу и в кислой среде.  Следует отметить, что в ходе кислотного гидролиза фруктоза полностью изомеризовалась в глюкозу.

2.4. Определение массовой доли пектиновых веществ  карбазольным методом.

Экстракт остатка топинамбура исследовали на процентное содержание пектиновых веществ. Взяли 10 г остатка топинамбура, поместили в круглодонную колбу, залили этиловым спиртом в соотношении 1:10 и нагревали на водяной бане с обратным холодильником в течение 20-30 минут. После этого профильтровали через бумажный фильтр в мерную колбу. Данную операцию проводили 4 раза для полного удаления сахаров из остатка топинамбура. Затем, фильтр вместе с остатком топинамбура подсушивали при температуре 50 oС до исчезновения запаха спирта. Остаток перенесли в экстракционную колбу, залили 50 мл 0,3 раствора соляной кислоты и нагревали 0,5 часа на кипящей водяной бане с обратным холодильником. Затем содержимое колбы профильтровали в мерную колбу на 200 мл, остаток промыли 3 раза горячей водой. Фильтр вместе с остатком снова вернули в экстракционную колбу, прилили 50 мл 1%-ного раствора цитрата аммония и поставили на кипящую водяную баню на 0,5 часа, а затем, профильтровали в ту же мерную колбу, где находится фильтрат солянокислой вытяжки. Фильтр промыли горячей водой и после охлаждения колбу довели водой до метки.

В полученной вытяжке определили массовую долю пектина, которая составила 5 %

3. Выводы

По результатам  исследования, можно сделать следующие выводы:

1. Изучены спектрофотометрический метод, метод газо-жидкостной хроматографии.
2. Общее содержание сахаров составило: в сорте «Интерес» - 6,450 г, в сорте «Находка» - 6,850 г. Экстракция сахаров в водном растворе и при кислотном гидролизе отличается незначительно.
3. При определении количества индивидуальных сахаров,  данные показали, что в ходе кислотного гидролиза фруктоза полностью изомеризовалась в глюкозу. Гидролиз может проходить как в кислотной, так и в щелочной среде.
4. Массовая доля пектиновых веществ составила 5 %.

4. Список используемой литературы

1. Устименко, Г.В. «Земляная груша»  / Г.В. Устименко. – М.: Сельхозгиз. 1960.
2. Болтасов, Н.М. Земляные груши./ Н.М.  Болтасов.- М.: Вдохновение, 1991
3. Кочнев, Н.К. топинамбур биоэнергетическая культура XXI века./ Н.К. Кочнев, М.В. Калиничева. – М.: Типография  «Арес», 2002, 76 с.
4.  Калер, Л.С. Земляная груша/ Л.С. Калер. – М.: Сельхозгиз,1930,45 с
5. Зеленков, В.Н. Многоликий топинамбур в прошлом и настоящем./ В.Н. Зеленков,С.С. Шаин. – Н.: Арис,2000,242 с

Интернет ресурсы:

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Топинамбур
7. http://www.polezno.com/material/214
8. http://www.bioforma.ru
9. http://www.xumuk.ru/encyklopedia
10. http://www.prodobavki.com/dobavki
11. http://stgetman.narod.ru/topinambur02.html
12. http://www.ngpedia.ru/id148133p1.html

5. Приложение

Схема 1. Общая схема проводимых исследований

Рисунок 1. Структурная формула инулина

Рисунок 2. Структурная формула фруктозы

Рисунок 3. Структурная формула пектиновых веществ

Рисунок 4. Структурная формула глюкозы

Рисунок 5. Структурная формула арабинозы

Рисунок 6. Структурная формула ксилозы

Рисунок 7. Структурная формула маннозы

Рисунок 8. Структурная формула галактозы