Исследовательская работа «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БУМАЖНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ФРУКТОВЫХ СОКОВ»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕСРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА

Исследовательская работа

«ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БУМАЖНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ФРУКТОВЫХ СОКОВ»

 Введение

Вряд ли какой-нибудь другой предмет, служащий для удовлетворения потребностей человека, в такой степени нуждается в контроле за чистотой и качеством, как пища. Поэтому и не является неожиданным, что законы, регулирующие производство и продажу пищевых продуктов, были разработаны еще в древние времена. Известно, что более 3600 лет тому назад вавилонский царь Хаммурапи в своем законодательстве предусмотрел наказания за подделку пива и наживу на пищевых продуктах низкого качества. В Древнем Риме, да и в Древней Греции существовали специальные учреждения для контроля за продуктами питания.

В настоящее время задача состоит в том, чтобы уметь быстро оценивать состав сельскохозяйственных продуктов: содержание белка, масла, крахмала, воды и пигментов. Важно знать, не содержатся ли в пищевом сырье и продуктах питания токсические вещества.

В связи с широким применением агрохимикатов -пестицидов, гербицидов, люди обеспокоены возможной угрозой для здоровья, связанной с присутствием в пищевых продуктах различных загрязнений и токсических веществ. В подавляющем большинстве стран мира разработано соответствующее законодательство, ограничивающее допустимые количества таких соединений в продуктах питания, организована необходимая система контроля, обеспечивающая выполнение этого законодательства.

При рассмотрении вопросов анализа состава пищевых продуктов возникает много проблем:

1. Существуют традиционные методы, замена которых на новые будет достаточно нелегкой.
2. Современные хроматографические и спектрометрические методы позволяют определить почти все компоненты пищевых продуктов, однако, они сложны и дороги, а порой и «слишком» чувствительны,  в результате чего возможность ошибок может возрастать.

Необходимо свести к минимуму возможность возникновения ошибки и привести в соответствие результаты анализов, полученные в разных лабораториях, путем введения официальных методов анализа в общенациональном масштабе.

4. Выбор аналитических методов зависит от законодательства, действующего в данной конкретной стране.

Очень серьезным является вопрос согласования аналитических методов на международной основе, поскольку в этом случае решающее слово принадлежит не специалистам-химикам, а соответствующим государственным учреждениям.

Объектом нашего исследования стали фруктовые соки марок «Сады Придонья», «Я».

Предметом нашего исследования является хроматографический метод.

В соответствии с вышесказанным, мы определились с задачами своего исследования:

1.        Изучить методику проведения хроматографического эксперимента как наиболее дешевого для определения состава пищевых продуктов.

2. Выявить наиболее значимые для здоровья человека компоненты пищевых продуктов и их влияние на биохимические процессы в организме.
3. Определить экспериментальным путем возможность использования хроматографии для определения качественного состава фруктовых соков.

Хроматография как физико-химический метод разделения и определения веществ

Хроматографический метод разделения и очистки органических веществ был открыт М. С. Цветом в 1903 г. М. С Цвет (1872-1919) -русский ботаник, физиолог и биохимик растений. Ранние годы провел в Асти (Италия) и Швейцарии. Был доктором естественных наук Женевского университета, но первые шаги в науке сделал в Петербурге. Затем стал магистром ботаники Казанского университета, доктором ботаники Варшавского университета, профессором Юрьевского университета. Оставил 74 труда, из них 5 - посмертных издания, 386 литературных публикаций. Он изучал состав хлорофилла и сумел разделить его на слои с различной окраской, пропуская раствор хлорофилла через трубку с порошком мела. Цветовая гамма подсказала ему вероятно, название метода (по-гречески «хрома» - «цвет», «графо» - «пишу»). В большинстве современных методик анализа цвет исследуемых образцов не играет никакой роли, но название этого способа исследования сохранилось.

Бурный расцвет метода приходится на середину XX века, когда была создана газожидкостная хроматография. Благодаря высокой эффективности в настоящее время широко применяется в органической химии.

Хроматографией называется физико-химический метод разделения смеси веществ, заключающийся в перемещении смеси потоком подвижной фазы вдоль слоя сорбента (неподвижная фаза). Вследствие различия коэффициентов распределения для отдельных компонентов смеси подвижной и неподвижной фазы происходит селективное замедление движения компонентов, что приводит при достаточной длине сорбента к образованию зон отдельных компонентов смеси.

По агрегатному состоянию подвижной фазы 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 - полиэлектролиты, содержащие основные

 (-NН2; -NН-; -N=) или кислотные (-SО3; -СООН; -SН) группы, и процесс разделения основан на обратимом ионном обмене между ионообменной смолой и компонентами смеси. Ионообменная хроматография существует только в жидкостном варианте.

Наиболее проста и широко распространена жидкостная хроматография в обоих вариантах - жидкостно-адсорбционная и распределительная. 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.

Жидкостно-адсорбционная хроматография. В качестве сорбентов в адсорбционной хроматографии наиболее часто используются окись алюминия и силикагель. В зависимости от количества адсорбированной воды окись алюминия имеет различную адсорбционную активность. Чем больше воды содержится в окиси алюминия, тем меньше ее активность. Активность окиси алюминия определяется по шкале, предложенной Брокманом; высший номер активности по Брокману соответствует самой малой активности окиси алюминия.

Активность        1    2345

Содержание воды, в %        0   3    6  10    15

Для того чтобы активность сорбента не изменялась, применяемые в качестве элюента растворители должны быть хорошо высушены. Обычно в качестве элюентов используют следующие растворители: петролейный эфир, четыреххлористый углерод,  циклогексан, сероуглерод,  эфир,  ацетон,  бензол,  толуол, хлороформ,  спирты,  пиридин и органические кислоты. В этом ряду растворители расположены по мере возрастания их сорбируемости, и каждый из них вытесняется из сорбента последующим. Успех разделения зависит от правильного выбора сорбента и элюента.

Распределительная хроматография. В качестве сорбентов в распределительной хроматографии применяются силикагель, целлюлоза, шамотная мука и т. п., на которые нанесена жидкая стационарная фаза. В случае целлюлозы и силикагеля стационарной фазой является, как правило, адсорбированная вода. Процесс распределительной хроматографии принципиально не отличается от многократной экстракции. Элюенты и стационарные фазы должны как можно меньше растворяться друг в друге.

Бумажная  хроматография. Этот вариант распределительной  хромотографиии чрезвычайно широко применяется для аналитических целей.   Для бумажной хроматографии используют специальные сорта фильтровальной бумаги. В этом случае стационарной фаза является вода,адсорбированная бумагой, или органическая жидкость, которой пропитана бумага. Иногда бумагу модифицируют, например, обрабатывают уксусным ангидридом. При этом гидроксильные группы целлюлозы превращаются в  сложноэфирные, что приводит к изменению сорбционных свойств 6умаги.

Поток элюента может перемешаться вверх по полоске бумаги  благодаря капиллярным силам (восходящая хроматография) или вниз самотеком (нисходящая хроматография). Зоны отдельных компонентов проявляются в виде пятен.

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.

Положение пятна каждого компонента характеризуется фактором замедления Rf,величина которого зависит от методики разделения, системы и природы вещества.

Фактор  замедления рассчитываются формуле Rf=a/b,

Где а - расстояние от линии нанесения веществ (линия старта)до центра, обнаруженного на хроматограмме;  b- расстояние от линии старта до линии фронта элюента.

Величина  Rf, как правило, хорошо воспроизводится. Значения Rf  приводятся в литературе для характеристики веществ. Бумажная хроматография может быть использована и для препаративных целей. Однако этот метод выделения веществ из смеси трудоемок  и малопроизводителен.

Тонкослойная хроматография. В последнее время широкое применение  получила хроматография в тонких слоях  сорбента (тонкослойная хроматография). Различия в гидродинамическом режиме процесса тонкослойной хроматографии по сравнению с колоночной и бумажной хроматографией приводит к значительному уменьшению размывания зон отдельных компонентов разделяемой смеси, что обусловливает значительно большую эффективность разделения. Тонкослойная хроматография позволяет довольно быстро разделять очень малые количества вещества, причем для этого требуется значительно меньшая длина слоя сорбента, чем в колоночном варианте.

Техника тонкослойной хроматографии заключается в следующем: на стеклянную пластинку при помощи специального приспособления наносят слой сорбента (окись алюминия, силикагель и т. д.) толщиной от 0,25 до 2 мм. В простейшем случае слой сорбента насыпают на пластинку и выравнивают при помощи стеклянной палочки, на концы которой надеты кусочки резиновой трубки. После нанесения на слой сорбента исследуемого вещества (смеси веществ), пластинка помещается под небольшим углом к горизонту в ванночку с элюентом, причем стартовая линия не должна соприкасаться с элюентом, после чего ванночку герметично закрывают. Угол, под которым располагают пластинку, должен быть таким, чтобы сорбент не сползал с пластинки.

Как и в случае бумажной хроматографии, положение пятна на тонкослойной хроматограмме характеризуется фактором замедления Rf. Слой сорбента может быть закреплен на пластинке при помощи вяжущих веществ. Такую пластинку с закрепленным слоем можно использовать не только для восходящей, но и для нисходящей хроматографии.

Тонкослойная хроматография применяется главным образом для аналитических целей - для определения числа компонентов в смеси и их идентификации. Влияние железа, аскорбиновой кислоты, лимонной кислоты на биохимические процессы в организме

 Аскорбиновая кислота. Витамин  С имеет следующее строение:

НО-СН2-СНОН-СН-СОН=СОН-С=О

       └      О       ┘

Это вещество представляет собой бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде, оно довольно неустойчиво, легко разрушается при кипячении водных растворов. Витамин С - прекрасный восстановитель, именно на этом свойстве и основано его участие в биологических процессах. Он принимает участие в синтезе гормонов, предохраняет важное биологическое соединение - адреналин от окисления, необходим для синтеза белка соединительной ткани животных - коллагена. Аскорбиновая кислота входит в состав некоторых ферментов. 

Витамин С является средством против цинги, его полезно принимать при усиленной физической и умственной работе. Растения и многие виды животных «умеют» сами воспроизводить аскорбиновую кислоту. А вот, например, человек и морская свинка утратили эту способность в ходе эволюции. Так что нам всем необходимо получать витамин С вместе с пищей по 50-100 мг в сутки. «Аскорбинкой» богата растительная  пища,  особенно  цитрусовые.  На  восстановительных свойствах аскорбиновой кислоты основаны многие реакции. К примеру. Приготовьте вытяжку из шиповника, обогащенную витамином С. Для этого разотрите мякоть шиповника с водой и чистым речным песком. Полученную жидкость отфильтруйте через вату или промокательную бумагу и используйте в следующих опытах.

В стакане к нескольким каплям раствора йода прибавьте вытяжку из шиповника. Раствор йода обесцвечивается - йод восстанавливается, а аскорбиновая кислота окисляется в дегидроаскорбиновую. В пробирке к очень разбавленному раствору красителя метиленового синего прибавьте каплю - другую раствора соды и несколько капель шиповниковой вытяжки. При нагревании краситель обесцвечивается. В пробирке или в стакане к капле раствора красной кровяной соли добавьте каплю вытяжки из шиповника. Выпадает синий осадок берлинской лазури. 

ЗFе°+ 2[Fе(СN)6]²⁺ = Fе3[Fе(СN)6]2 ³⁻ 

Разумеется, все эти опыты можно провести с раствором чистой аскорбиновой кислоты.

Железо. Химические свойства железа обусловлены строением электронных оболочек его атомов. Железо - d-элемент, электронная формула атома имеет окончание: 3d4s Железо проявляет в соединениях главным образом степени окисления +2, +3. Максимальная степень окисления +6. Она наблюдается в ферратах - солях несуществующей железной кислоты. Например, Nа2FеО₄ - феррат натрия.

Аналитический реактив на трехвалентное железо - роданид калия КСNS. При добавлении его к раствору соли жидкость окрашивается в кроваво-красный цвет из-за образования роданида железа: FеСI3 +ЗКСNS= Fе(СNS)3 + ЗКСI Эта реакция крайне чувствительна и позволяет обнаружить даже следы ионов железа (+3).

Железо имеет громадное значение для биологии животных организмов, так как является основным катализатором дыхательных процессов. Организм взрослого человека содержит около 3 г Fе, из которых приблизительно 75 % входит в состав гемоглобина. В случае большого недостатка железа в организме возникает заболевание - железодефицитная анемия (малокровие), так как основная часть входящего в состав организма железа сосредоточена в красных кровяных клетках (эритроцитах), каждая из которых содержит 280 млн. молекул гемоглобина - дыхательного пигмента. Железо содержится в мышечном белке, во многих ферментах. Главное дело железа - печень: здесь у взрослого человека может быть запасено до 1 г железа. В организме взрослого человека всего 3,5 г железа. Избыточное количество железа приводит к образованию нерастворимого в воде железосодержащего белка. Этот белок уже не может быть использован организмом и, откладываясь в тканях и органах, вызывает нарушение их функций и приводит заболеванию.

Другие органические соединения, содержащие Fе, катализируют процессы дыхания в клетках. Из отдельных частей организма наиболее богаты железом печень и селезенка.

Лимоннаякислота

НООС-СН2-С(ОН)(СООН)-СН2-СООН - представитель оксикарбоновых кислот, широко распространена в природе (в некоторых ягодах, фруктах, особенно в цитрусовых). В лимоне содержится 6-8 % лимонной кислоты, в гранате -9 %, в махорке - 15 %. Одним из промышленных способов получения кислоты является выделение ее из махорки, получают также из хвои ели, плодов лимона. Бесцветные кристаллы хорошо растворимы в воде. Проявляет химические свойства карбоновых кислот и спиртов. Из хроматограммы видно, что лимонной кислоты в соке граната больше, чем в соке лимона. При нагревании в кислой среде она отщепляет молекулу муравьиной кислоты и образует ацетондикарбоновую кислоту, которая, в свою очередь, декарбоксилируясь, дает ацетон:

НООС-СН2-С(ОН)(СООН)-СН2-СООН   → НСООН + НООС-СН2-СО-СН2-СООН →СНз-СО-СНз +2СО2↑

Мягкая дегидротация лимонной кислоты приводит к цисактановой кислоте, которая играет важную роль в цикле Кребса:

ноос-сн2-с(он)(соон)-cн₂-cоо→ НООН-СН2-С(СООН) = СН-СООН+Н2О

Использование   бумажной   хроматографии   для   определения содержания ионов железа в соках различных марок

Для проведения анализа методом бумажной хроматографии обычно - используют хроматографическую бумагу, отличающуюся высокой Степенью чистоты, одинаковыми размерами волокон и равномерностью их расположения. При отсутствии такой бумаги используют фильтровальную бумагу, так поступили и мы. Для начала мы провели серию экспериментов для того, чтобы получить наглядную картину хроматографии и практические умения по использованию данного метода.На бумагу нанесли капилляром каплю 1-5 %-ного раствора хлорида железа (III) и рядом, на расстоянии 2-3 см от первого пятна, нанесли другим капилляром пробу на стартовую линию сока яблока и поместили эту бумагу в прибор, содержащий смесь растворителей: спирт и соляной кислоты в отношении 1:4.

Тот же самый эксперимент проделали и для гречневой крупы: чайную ложку гречневой крупы размельчили в ступке, прокипятили с 10 мл воды и отфильтровали. Фильтрат упарили до объема 2 мл, и каплю нанесли на фильтровальную бумагу. Далее поместили бумагу в прибор, содержащий ту же смесь растворителей.

Через час вынули обе бумаги из прибора и обнаружили ионы железа опрыскиванием из пульверизатора 10 %-ным раствором гексациано-II-феррата калия. Появилось синее окрашивание - образование берлинской лазури. 4Fе +3[Fе(СN)6]³⁺ = Fе4[Fе(СN)6] ⁴⁻ 3

Такой же сравнительный эксперимент мы провели и с яблочными соками марок «Сады Придонья», «Я». На стартовую линию наносили несколько фаз по капле каждого сока для увеличения концентрации. Результаты хроматограммы показали, что во всех указанных марках сока присутствуют ионы железа.

Причем интенсивность и величина области окрашивания указывала на то, что концентрация ионов железа в соке «Сады Придонья» больше чем в соке «Я».

Использование бумажной хроматографии для определения содержания аскорбиновой кислоты в соках различных марок

Вначале мы провели контрольный эксперимент: половину таблетки витамина С растворилив 3 мл воды. Нанесли пробу на фильтровальную бумагу и опустили в           систему растворителей спирт - гексан (3:1).Величина хроматографической подвижности (Rf,) аскорбиновой кислоты =0,71.Ввиду того что витамин С, или аскорбиновая кислота, является нестойким, соблюдали меры предосторожности при хромафировании (т.е. при мягком свете, с постоянной температурой 20-23 °С ,применяя дважды перегнанные растворители. Обнаружение проводили парами иода. Была получена хроматограмма.

  Такую же методику использовали для обнаружения аскорбиновой кислоты яблочных соках марок «Сады Придонья», «Я». На стартовую линию наносили несколько раз по капле каждого сока для увеличения концентрации и рядом по капле раствора витамина С. Результаты хроматограммы показали, что во всех указанных марках сока не присутствует витамин С, что подтверждало полученные ранее данные литературы о нестойкости витамина С.

Использование бумажной хроматографии для определения содержания лимонной кислоты в соках различных марок

При определении лимонной кислоты в яблочных соках марок «Сады Придонья» и «Я» мы использовали систему растворителей: спирт-гексан (3:1). Свидетелем выступала лимонная кислота. Обнаружение проводили парами йода. Полученные хроматограммы указывали на наличие в соках обеих марок лимонной кислоты. Однако в соке «Сады Придонья» лимонной кислоты содержалось больше чем в соке «Я».

Заключение

Применение хроматографического метода на практике началось еще в XVIII в. На фильтровальную бумагу или ткань помещали каплю раствора красителя. Если он был однородным, получалось одно пятно, а если смесь, то несколько пятен. Метод проверки качества красителей явился прямым предшественником хроматографии на бумаге.

Без хроматографического метода сейчас не обходится химическая, фармацевтическая, текстильная, цветная металлургия и другие отрасли промышленности. Хроматографический метод положен в основу многих химико-технологических процессов производства. На его принципе основан ряд простых переносимых приборов для определения состава природных газов при разведке нефти и газовых месторождений, а также для установления степени продуктивности нефтяных и газовых пластов. Хроматография интенсивно используется для анализа различных ископаемых в полевых условиях, почвенно-мелиоративных исследованиях.

Широко применяется этот метод в пищевой промышленности как для определения микроэлементов (Со, Ni, Си, Zn), так и при идентификации липидов и жиров, а также стабильности витаминов и т. д.

В сельском хозяйстве и в биологической химии он применяется для разделения аминокислот, cахаров, нуклеиновых кислот, стероидов. Этот метод позволяет быстро и точно анализировать пестициды, особенно в сельскохозяйственных культурах, а также состав растений, почв и удобрений.

 В настоящее время хроматографический метод анализа широко применяется при анализе воды и воздуха, магнитной фракции космической пыли, им удается быстро и четко разделить и идентифицировать очень малые количества смесей неорганических веществ (от десятых, а иногда и сотых долей микрограмма до нескольких десятков мкг). Были разделены некоторые радиоактивные элементы, пары трудноразделимых элементов, идентифицированы вещества при анализе их навесок до 0,000001 г; комплексные соединения ионов металлов.

В клинической диагностике метод нашел применение для быстрого определения лекарств в крови, анализе мочи. Он помогает контролировать ход синтеза лекарственного препарата, оценивать его чистоту, определять его стабильность. Нельзя не отметить использование хроматографии в криминалистике.

Целью нашего исследования было определить возможность использования бумажной хроматографии для определения качества фруктовых соков. Изучив литературу и проведя соответствующий эксперимент, мы пришли к следующим выводам:

1.Проведение хроматографического эксперимента является наиболее дешевым способом определения состава и качества пищевых продуктов (фруктовых соков).

2.Наиболее значимыми для здоровья человека компонентами пищевых продуктов (фруктовых соков) являются ионы железа, аскорбиновая кислота, лимонная кислота. Витамин С принимает участие в синтезе гормонов, предохраняет важное биологическое соединение - адреналин от окисления, необходим для синтеза белка соединительной ткани животных - коллагена, входит в состав некоторых ферментов, является средством против цинги, его полезно принимать при усиленной физической и умственной работе. Железо является основным катализатором дыхательных процессов, содержится в мышечном белке, во многих ферментах. Лимонная кислота участвует в цикле Кребса.

3. Экспериментальным путем доказана возможность использования хроматографии для определения качественного состава фруктовых соков. При этом было установлено, что содержимое упаковки «Сады Придонья» соответствует составу, указанному на упаковке. Сок «Я», кроме железа, не содержит ни аскорбиновой кислоты, ни лимонной кислоты. Аскорбиновая кислота не может содержаться ни в каком соке, поскольку является нестойким соединением, а совместное пребывание с лимонной и яблочной приводит к увеличению скорости ее распада. Поступление в организм аскорбиновой кислоты, так необходимой для здоровья, возможно только при употреблении свежих овощей или фруктов.

Приложение 1

Список литературы по теме

1. Гинзбург, О. Ф. Лабораторные работы по органической химии /О. Ф. Гинзбург. - М.: Высшая школа, 1970. - С. 45-51.
2. Грандберг, И. И. Органическая химия / И. И. Грандберг. - М.:Высшая школа, 1974.
3. Некрасов, Б. Н. Курс общей химии / Б. Н. Некрасов. - М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1948. - С. 793.
4. Нифантьев, Э. Е. Внеклассная работа по химии с использованием хроматографии / Э. Е. Нифантьев, М. К. Верзилина, О. С. Котляро-
   ва. М; 1983. -С. 11-29.
5. Шульпин, Г. Б. Химия для всех // Основные понятия и простейшие опыты / Г. Б. Шульпин. - М.: Знание, 1987. - С. 125.
6. Эммануэль, Н. М. Химия и пища / Н. М. Эмануэль, Г. Е. Заикова. - М.: Знание, 1986.
7. Крицман, В. А. Книга для чтения по неорганической химии. Ч. II/ В. А. Крицман. - М.,1984.
8. Третьякова, Ю. Д. Химия. Справочные материалы / Ю. Д. Третьякова. - М., 1984.
9. Жиряков, В. Г. Органическая химия / В. Г. Жиряков. - М.: Химия, 1974.