Витамины

План

1. Введение

Витамины необходимы человеку, животным и растениям для нормального роста и поддержания жизни, так как они участвуют в процессах обмена веществ, деятельности органов чувств, нервной системы и т.д.  В настоящее время известно около 30 соединений, которые могут быть отнесены к витаминам. Некоторые витамины представлены не одним, а несколькими соединениями, обладающими сходной биологической активностью (витамеры), например витамин В6 включает пиридоксин, пиридоксаль и пиридоксамин^[1]. Одним из наиболее широко распространенных в природе витаминов является витамин С(аскорбиновая кислота). Он синтезируется растениями. Животные продукты в более бедны витамином С, хотя отдельные органы содержат относительно высокие концентрации.

История открытия витаминов

Русский ученый Н.И. Лунин в 1880 году опубликовал данные опытов на мышах. Если белых мышей вскармливать цельным молоком, то они развиваются и растут нормально. Но если мышей кормить пищей, состоящей из основных частей молока: казеина, молочного жира, сахарозы и дистиллированной воды, то они быстро гибнут. Из этого Лунин сделал вывод, что в молоке, помимо казеина, жира, молочного сахара и солей, содержатся ещё и другие вещества, незаменимые для питания.
Позже накопилось много данных о связи некоторых болезней с недостатком в пище каких-то специфических веществ. В 1912 году польский учёный К. Функ назвал существующие в продуктах питания жизненно важные вещества витаминами(от лат. vita – «жизнь»).

Витамины (от лат. «vita» - жизнь) - низкомолекулярные органические соединения различного химического строения, необходимые для осуществления жизненно важных биохимических и физиологических процессов в живых организмах^[2].

Актуальность исследования  Иммунная система защищает нас от воздействия внешних неблагоприятных факторов. Без здоровой и эффективно работающей иммунной системы организм ослабевает и чаще страдает от вирусных и бактериальных инфекций. Иммунная система защищает организм от его собственных клеток, у которых нарушена организация и которые утратили свои нормальные характеристики и функции. Она находит и уничтожает такие клетки, являющиеся потенциальными источниками рака. Давно известно, что витамины необходимы для образования иммунных клеток, антител и сигнальных веществ, участвующих в иммунном ответе. Суточная потребность в витаминах может быть небольшой, но именно от обеспеченности витаминами зависит нормальная работа иммунной системы и энергетический обмен.
Результаты популяционных исследований, проведенных Институтом питания РАМН, свидетельствуют о весьма тревожной ситуации, сложившейся в последние годы в России. Отмечаются крайне недостаточное потребление и все более нарастающий дефицит витаминов.
Так, дефицит витамина С выявился у 70-90% обследуемых. При этом витаминный дефицит носит сочетательный характер и обнаруживается не только зимой и весной, но и в летне-осенний период. Общую ситуацию можно рассматривать как массовый круглогодичный гиповитаминоз С. Больше всего витаминов, в том числе витамина С, содержат свежие фрукты и овощи. Ценным природным источником витамина С  являются яблоки(10мг витамина на 100гяблок), кислые яблоки более богаты этим витамином. Поэтому  целью исследования стало определение в динамике содержания витамина С в условиях школьной лаборатории в яблоках  сорта «ренет Симиренко», реализуемых через торговую сеть.

Была выдвинута гипотеза : если хранить яблоки длительное время, то содержание витамина С в них во время хранения уменьшается.
Для реализации поставленной цели были сформулированы задачи: 

1. Изучить имеющуюся литературу по витаминам, витамину С, яблокам;
2. изучить основные методы анализа определения витамина С;
3. определить экспериментальным путем содержание аскорбиновой кислоты в яблоках одного сорта во время хранения;
4. обработать результаты исследования и сделать выводы.

Предмет исследования: содержание витамина С.

Объект исследования : яблоки сорта «ренет Симиренко», реализуемые через торговую сеть.

Методы исследования: 

• эмпирические  (эксперимент, сравнение)
• общие (анализ)
• математический

Научной новизной  исследования является то, что существуют данные о содержании витамина С в разных фруктах, овощах  но мало экспериментальных данных о динамике его содержания в них.  Кроме того в исследовании  методы окислительно-восстановительного титрования рассматриваются как наиболее  дешевые, безопасные и несложные в исполнении и могут быть использованы даже в домашних условиях.

Практическая значимость  исследования  состоит в том, что результаты его показывают содержание витамина С в яблоках, которые продаются в наших магазинах и как изменяется его содержание во время хранения. Практическая значимость работы также связана с возможностью использования применяемого метода для определения качественного состава овощей, фруктов, фруктовых соков.

2. Основная  часть

2.1. Классификация витаминов

Важнейший признак классификации витаминов - это способность витаминов растворяться в воде или жирах. По этому признаку различают два класса витаминов: 1) водорастворимые витамины: к ним относятся витамины C, РР, группы В и др.; 2) жирорастворимые витамины: к ним относятся витамины групп А, Д, Е и К.

Водорастворимые витамины. Основным источником этого класса витаминов служат овощи и фрукты.

Жирорастворимые витамины. Витамины этого класса усваиваются организмом только в присутствии жиров и желчи; способны накапливаться в организме при поступлении в больших количествах, что приводит к развитию гuпервuтамuноза. Эти витамины относят к липидам^[3].  

2.2.Авитаминоз, гиповитаминоз

Витамины должны поступать в организм человека ежесуточно, так как в организме они не синтезируются или синтезируются в недостаточном количестве. Поступая с пищей, витамины усваиваются (ассимилируются) организмом, соединяясь с белком, многие витамины образуют ферменты.

Недостаточное поступление витамина ведёт к его дефициту в организме и развитию витаминной недостаточности. Различают две основные степени такой недостаточности: авитаминоз и гиповитаминоз. Авитаминоз характеризуется глубоким дефицитом витамина в организме и развёрнутой клинической картиной его недостаточности (цинга, рахит, бери-бери, пеллагра, злокачественная анемия и др.). Авитаминоз может быть вторичными, т. е. происходить не от недостаточного поступления витаминов, а от нарушения процессов их усвоения и использования в организме^[4].                                                Гиповитаминоз- это состояние умеренного дефицита со стёртыми неспецифическими проявлениями (потеря аппетита, усталость, раздражительность) и отдельными микросимптомами (кровоточивость дёсен, гнойничковые заболевания кожи и др.). Приём витаминов в дозах, существенно превышающих их физиологическую потребноcтъ, может давать побочные эффекты, а в ряде случаев даже привести к гипервитаминозам. Особенно опасны в этом отношении витамины D и А.

Для того чтобы обеспечить организм достаточным количеством витаминов надо знать какие продукты богаты тем или иным витамином и как их сохранить, так как неправильное хранение, транспортировка, кулинарная обработка может резко снизить содержание витаминов в продуктах, вплоть до полного исчезновения. Например, витамин А легко окисляется при доступе воздуха, витамин D выдерживает продолжительное кипячение в кислой среде, а в щелочной быстро разрушается. Витамин В2 чувствителен к свету, длительное хранение и высушивание губительно действуют на витамины А, С, но не разрушают витамины D, Е, В1, B2.  

К гиповитаминозу может привести и недостаточное поступление других питательных веществ, кроме витаминов. Например, при углеводном питании (каши, макароны, хлеб, сахар, кондитерские изделия) увеличивается потребность в витамине В1 (тиамине), при избыточном количестве белка в пище (мясо, рыба, яйца) — в витаминах B6 (пиридоксине) и В2 (рибофлавине). Отсутствие в рационе жиров делает невозможным нормальный обмен жирорастворимых витаминов, цинк необходим для активизации витамина А и т. д.Отсутствие полноценных белков и минеральных веществ (железа, меди, кальция, кобальт и т. д.) может вызвать витаминную недостаточность.

2.3.Значение, свойства и распространение витамина С

Аскорбиновая кислота была открыта 1927 г. венгерским учёным А. Сент-Дьёрдьи, выделившим её из апельсинового и капустного соков, а также красного перца. Он назвал это кристаллическое вещество гексуроновой кислотой, а когда в 1932 г. были доказаны его противоцинготные свойства - аскорбиновой «против скорбута»^[5]. Самые богатые витамином С являются  апельсины, смородина черная, шиповник, перец, капуста (приложение 1). Витамин С- это важнейший водорастворимый витамин, в природных условиях встречается в трех формах: в виде аскорбиновой кислоты, дегидроаскорбиновой кислоты и аскорбигена. Больше всего (до 70 %) в растениях аскорбигена. Он наиболее устойчив к окислению.

Витамин С быстро окисляется, весь витамин в организме может окислиться за 14-16 дней. Витамин С стимулирует рост, участвует в процессах тканевого дыхания, обмене белков, способствует усвоению углеводов, повышает сопротивляемость организма к инфекциям, интоксикациям химическими веществами, перегреванию, охлаждению, кислородному голоданию. Одна из важнейших функций витамина С — синтез и сохранение коллагена. Коллаген скрепляет сосуды, костную ткань, кожу, сухожилия, зубы. Витамин С нормализует уровень холестерина в крови, способствует усвоению железа из пищи, требуется для нормального кроветворения, влияет на обмен многих витаминов. Важнейшая функция витамина С — антиоксидантная. Он противодействует токсическому действию свободных радикалов — агрессивных элементов, образующихся в
организме при многих отрицательных воздействиях и заболеваниях. Аскорбиновая кислота участвует в выработке адреналина. В организме человека аскорбиновая кислота не образуется.
Авитаминозом является цинга, которая проявляется точечными кровоизлияниями на теле, на внутренних органах, кровоточивостью десен, выпадением зубов, одышкой, болями в области сердца и др^[6].  Дефицит в пище белков, витамина А и витаминов группы В ускоряет развитие С-гиповитаминоза. Симптомы его: общая слабость, утомляемость, вялость, сонливость, сердечная недостаточность, снижается устойчивость к различным заболеваниям, замедляется заживление ран и выздоровление, увеличивается содержание холестерина в крови, происходят частые  кровоизлияния из носа. Появляются синие пятнышки на коже (синяки без ушибов). Усиливается гипертония.

Витамин С является наименее стойким из всех витаминов.  Доступ воздуха, солнечного света, повышение влажности способствуют разрушению его. Длительная термическая обработка овощей и фруктов, хранение их в воде, варка в открытой посуде или в присутствии следов железа и меди, которые активизируют окисление витамина С, приводит к его разрушению (начинает разрушаться при нагревании до 60°С).
Большое значение для сохранения имеет посуда, в которой готовится пища. В случае соприкосновения продуктов с медными и железными частями посуды разрушение витаминов значительно ускоряется.
При хранении лимонов, апельсинов, черной смородины витамин С сохраняется длительное время (6 месяцев и более), в яблоках содержание витамина С при хранении быстро уменьшается. Особенно усиливается окисление его при повреждении структуры растений (при резке, и т. п.), повышении температуры, в щелочной и нейтральной среде. В кислой среде, напротив, устойчив и выдерживает нагревание до 100 °С, поэтому хорошо сохраняется в кислой капусте, яблоках и т. д. Его содержание снижается при хранении в связи с наличием в овощах и фруктах фермента аскорбиназы, разрушающего аскорбиновую кислоту, меньше всего его в черной смородине и цитрусовых, поэтому в них дольше сохраняется витамин С.
Большие дозы витамина С (более 1 г) могут снизить способность организма усваивать витамин В12 из пищи. Это может привести к дефициту этого витамина.
При попадании болезнетворных бактерий в организм количество витамина С уменьшается. В ходе обезвреживания ядовитых веществ витамин распадается.
Около 25 мг аскорбиновой кислоты теряется при выкуривании 1 сигареты.
Суточная потребность человека в витамине С зависит от ряда причин:

• возраста, пола, выполняемой работы, состояния беременности или кормления грудью, климатических условий, вредных привычек.

• Болезни, стрессы, лихорадка и подверженность токсическим воздействиям (таким, как сигаретный дым) увеличивают потребность в витамине С.
• В условиях жаркого климата и на Крайнем Севере потребность в витамине С повышается на 30-50 процентов. Молодой организм лучше усваивает витамин С, чем пожилой, поэтому у лиц пожилого возраста потребность в витамине С несколько повышается.

Рекомендуемая суточная потребность в витамине С представлена в таблице (приложение 2).

2.4.Состав яблок .

Яблоки -это ценный витаминно-минеральный комплекс, они содержат много клетчатки, пищевых волокон. Они являются ценным природным источником витамина С, кислые яблоки более богаты этим витамином. Яблоки содержат  фитонциды, которые губительно воздействуют на возбудителей вируса гриппа, золотистый стафилококк, уничтожают возбудителей дизентерии. Более подробный химический состав яблок представлен в таблице (приложение 3). Для исследования были выбраны яблоки сорта «ренет Симиренко». Автором этого широко известного сорта является Лев Платонович Симиренко (украинский селекционер-плодовод). Происхождение сорта неясное, он был выявлен им в саду своего отца Л. П. Симиренко в с. Млееве Черкасской области. Зимний сорт, плоды светло-зелёные или ярко-зелёные, с многочисленными светлыми круглыми подкожными точками. По своим вкусовым, товарным и потребительским качествам является лидером среди всевозможных сортов зеленых яблок. По распространенности на Украине, Молдавии,  Краснодарском крае и других районах южной зоны принадлежит первое место.

ренет Симиренко                        Л.П. Симиренко

2.5.Методы определения содержания витамина С

Витамины  содержатся в растениях в исключительно малом количестве, поэтому методы определения их должны отличаться высокой  чувствительностью, точностью. Достигается это применением физико-химических методов анализа (хроматография, колориметрия, спектрофотометрия,  флюорометрия и т.д.).

2.5.1. Титриметрический метод анализа

Методика титриметрического анализа состоит в следующем. Берется строго определенный объем исследуемого раствора. Готовится раствор вещества, который может вступать в химическую реакцию с исследуемым веществом, определяется точная концентрацию (титр) раствора. Полученный раствор называют титрантом. К раствору исследуемого вещества небольшими порциями прибавляют титрант. Этот процесс называется титрованием (поэтому объемный анализ называют титриметрическим). Для приготовления растворов используют мерные колбы и пипетки, а титрование производят с помощью бюретки. Титрование производят до достижения точки эквивалентности, т. е. момента, когда количество добавленного титранта эквивалентно количеству определяемого вещества. Необходимым условием является возможность фиксировать конечную точку титрования, которая  должна быть близка к точке эквивалентности^[7].

2. Хроматография

 Хроматографический метод разделения и очистки органических веществ был открыт М. С. Цветом в 1903 г.

Благодаря высокой эффективности в настоящее время широко применяется в органической химии.

Хроматографией - это физико-химический метод разделения смеси веществ, заключающийся в перемещении смеси потоком подвижной фазы вдоль слоя сорбента (неподвижная фаза).

Различают два вида хроматографии: жидкостную и газовую. В первом случае подвижной фазой является жидкость, во втором - газ. По природе адсорбента различают: адсорбционную, распределительную (абсорбционную) и ионообменную хроматографии. В случае адсорбционной хроматографии сорбция происходит на поверхности твердого тела - адсорбента. В распределительной хроматографии компоненты абсорбируются жидкостью, нанесенной на твердый носитель.   В ионообменной хроматографии сорбентом являются ионообменные смолы. Ионообменная хроматография существует только в жидкостном варианте.

Наиболее распространена жидкостная хроматография. Газовая хроматография сложна в аппаратурном оформлении.

С помощью жидкостной хроматографии решаются следующие задачи:

1. препаративное разделение сложной смеси на компоненты;
2. анализ смеси и идентификация отдельных компонентов;
3. очистка продуктов от примесей.

В зависимости от характера задачи используются различные методики проведения хроматографического разделения^[8].

2.5.2.1.Тонкослойная хроматография

Тонкослойная хроматография (ТСХ) представляет собой одну из разновидностей адсорбционной хроматографии. В качестве твёрдой адсорбирующей фазы обычно используется силикагель, глинозем или целлюлоза, содержащая какое-либо связующее вещество, например крахмал^[9].

2.5.2.2Бумажная хроматография

Для бумажной хроматографии используют специальные сорта фильтровальной бумаги. В этом случае стационарной фазой является вода, адсорбированная бумагой, или органическая жидкость, которой бумага пропитана^[10].

Поток элюента может перемещаться вверх по полоске бумаги благодаря капиллярным силам (восходящая хроматография) или вниз самотеком (нисходящая хроматография). Зоны отдельных компонентов проявляются в виде пятен. Для идентификации форм витамина С применяется метод восходящей хроматографии на бумаге. Определяемые компоненты извлекают из анализируемого продукта,  разделяют на хроматографической бумаге и проявляют реактивами, приводящими к образованию интенсивно окрашенных органических красителей.  

При работе с неокрашенными веществами приходится «проявлять» хроматограмму обработкой соответствующим реактивом, дающим цветную реакцию с компонентами смеси. В случае люминесцирующих веществ зоны можно наблюдать, освещая хроматограмму ультрафиолетовым светом.

Бумажная хроматография может быть использована и для препаративных целей. Однако этот метод выделения веществ из смеси трудоёмок и малопроизводителен^[11].

     Преимущество бумажных хроматограмм заключается в том, что их легче хранить для последующего сопоставления или исследования.

2.6.Экспериментальное определение содержания аскорбиновой кислоты. Обработка результатов

При хранении витамина С его содержание быстро снижается. Аскорбиновая кислота легко окисляется и переходит в дегидроаскорбиновую.  
Для определения содержания аскорбиновой кислоты используют различные методы окислительно-восстановительногo титрования. Наиболее часто в качестве окислителя применяют натриевую соль 2,6-дихлорфенолиндофенола (краску Тильманса), которая одновременно является индикатором^[12]. Поскольку в школьном кабинете химии такой реактив отсутствует, то для определения содержания аскорбиновой кислоты использовали методику окисления аскорбиновой кислоты йодом (титриметрический метод анализа).

 Взаимодействие аскорбиновой кислоты с йодом происходит по уравнению: С6Н8О6 + I2 = С6Н606 + 2 НI.        

Эксперимент проводился в период с ноября 2011г по январь 2012г включительно.  Для исследования были взяты яблоки сорта «ренет Симиренко». В эксперименте использовали следующие реактивы :

1. Раствор йода 0,125 %. Готовят разведением аптечной йодной настойки в 40 раз. 1 мл такого раствора соответствует 0,875 мг аскорбиновой кислотой
2. Коллоидный раствор крахмала. Готовят разведением 1 г крахмала в небольшом количестве холодной воды. Смесь выливают в ½ стакана горячей воды и перемешивают. Такой раствор годен в течение недели.
3. Соляная кислота 10%. Кислота необходима для замедления процесса окисления витамина С кислородом воздуха.

Оборудование, использованное при проведении эксперимента: химические стаканы, коническая колба, штатив, бюретка на 50мл, ступка с пестиком, весы и набор гирь.

Последовательность работы

1. Взвесили взятое для исследований яблоко, занесли данные в таблицу.
2. Ножом из нержавеющей стали вырезали ломтик яблока от кожуры до самой сердцевины.
3. Взвесили остаток яблока и вычислили массу пробы. Занесли данные в таблицу.
4. Ломтик яблока поместили в ступку, измельчили, залили 20-30 мл соляной кислоты и тщательно растерли пестиком. Полученную смесь количественно переносим в коническую колбу.
5. Добавили 4-7 мл раствора крахмала. Перемешали содержимое стеклянной палочкой.
6. Титровали смесь раствором йода до появления устойчивого синего окрашивания, не исчезающего в течение 10-15 с. Занесли данные в таблицу.
7. Рассчитали массу аскорбиновой кислоты в яблоке, занесли данные в таблицу.
8. Рассчитали (в %) содержание аскорбиновой кислоты в яблоке, занесли данные в таблицу.

Обработка результатов:

Массу пробы(mпробы) рассчитывали по формуле : mпробы=mяблока – mломтика

Массу витамина С(m C)  в яблоке  находили  по формуле:

m C(г) = (mяблока *Vтитр. /mпробы) *0,875/1000

Содержание аскорбиновой кислоты в яблоке (w) рассчитывали по формуле:

w(%) = Vтитр*0,875/10mпробы,    где

Vтитр – объем раствора потраченного на титрования, mпробы – масса ломтика.

Результаты исследований  в динамике представлены на  диаграммах

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что

•  Яблоки  сорта «ренет Симиренко»,  реализуемые через торговую сеть,  содержат небольшое количество витамина С. Содержание витамина С в яблоках других сортов для сравнения представлены в таблице  (приложение4)
• Содержание витамина С  в яблоках уменьшается при их хранении : за 2,5 месяца эксперимента его содержание уменьшилось в 4 раза.
• Используемая методика определения витамина С несложна в использовании и может быть использована при исследовании других фруктов и овощей, а также овощных и фруктовых соков

3. Заключение

Были исследованы яблоки сорта «ренет Симиренко», реализуемых через торговую сеть, на предмет содержания витамина С и динамики его содержания на протяжении 2,5 месяцев(ноябрь-январь).
Поставленные задачи исследования были реализованы, подтверждена выдвинутая нами гипотеза.

 Витамины играют большую роль в процессах жизнедеятельности организма и синтезируются главным образом в клетках растений и микроорганизмов. В малых количествах витамины входят в состав тканей животного организма. Источником большинства витаминов для человека служит пища. Поэтому питание человека может быть рациональным лишь в том случае, если оно удовлетворяет потребностям организма не только в белках, жирах, углеводах, минеральных солях и воде, но и в различных витаминах^[13].

Изучив литературу и проведя соответствующий эксперимент, мы пришли к выводу, что витамин С легко разрушается при нагревании,  кислая среда служит благоприятным условием для хранения витамина, он легко окисляется кислородом воздуха. Известны три формы витамина С, для идентификации форм витамина С применяется метод хроматографии на бумаге. Для нас этот метод не приемлем, так как для его проведения необходимо специальное оборудование и труднодоступные реактивы, что невозможно в условиях школьной химической лаборатории. Поэтому эксперимента проводили титриметрическим методом и в качестве окислителя использовали раствор йода. Полученные результаты свидетельствуют о снижении содержания этого витамина в яблоках выбранного сорта за время проведения эксперимента в 4 раза за 2,5 месяца. При проведении исследования допускаются погрешности, связанные с установлением концентрации титранта, субъективные трудности при обнаружении изменения цвета индикатора, объем добавляемого нами индикатора – крахмала, так как крахмал изначально уже присутствует в яблоке. Используемая нами методика определения витамина С несложна и может быть использована при исследовании других фруктов и овощей, а также овощных и фруктовых соков.

 С результатами исследования выступала на уроках химии в 8 и 9 классах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гельфман М. И., Юстратов В. П. Химия для высшей школы. – С.-Пб.: Лань, 2001.
2. Добринская М.А., Павлович Н.А. Учебник биологической химии. – Л.: Медгиз, 1961.
3. Коренман Я. И. Практикум по аналитической химии: анализ пищевых продуктов. Хроматографические методы анализа. – М.: КолосС, 2005.
4. Кролевец А. А. Витамины с пользой для здоровья. // Химия в школе. – 2008. - №1.
5. Кролевец А. А. Витамины с пользой для здоровья. // Химия в школе. – 2008. - №3.
6. Солодова В. И., Волкова Л. А., Волков В. Н. Определение витамина C в овощах и фруктах. // Химия в школе. – 2002. - №6.
7. Шаршунова М., Шварц В., Михалец. Тонкослойная хроматография в фармации и клинической биохимии. Т.2. – М.: Мир, 1980.

РИСУНКИ ЯБЛОК СОРТА «РЕНЕТ СИМИРЕНКО»

Приложение 3

Таблица  «Химический состав яблок»

В 100 г яблок содержатся питательные вещества:

Приложение 1

Таблица «Содержание витамина С в некоторых пищевых продуктах (в мг на 100 г)» 

Приложение 2

Таблица  «Рекомендуемая суточная потребность в витамине С»

Приложение 4

Таблица «Содержание витамина С в  яблоках».