II Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИССЛЕДОВАНИЕ АГРОХИМИИ КАРОТИНОИДОВ
Тютрина Д.Г.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Когда употребляем в пищу обыденные нам продукты, мы не часто задумываемся на сколько нам важно количество содержащихся в них полезных веществ, например, каротиноидов. При расщеплении и окислении каротиноидов образуется витамин А1, обладающий максимальной биологической активностью. Они широко распространены в мире растений. Обычно растения содержат несколько различных каротиноидов: каротин, ксантофилл и ликопин. У растений каротиноиды содержатся практически во всех органах: в цветках, листьях, плодах и семенах. Больше всего богаты каротиноидами корнеплоды моркови.

В связи с большим практическим значением каротиноидов для организма человека, мне захотелось более подробно узнать о них, а также выявить способы увеличения процентного содержания каротиноидов в корнеплодах моркови, так как эта овощная культура широко распространена в Сибири.

Объект исследования: корнеплоды разных сортов моркови, выращенные в различных агротехнических условиях.

Предмет исследования: содержание каротиноидов в корнеплодах моркови.

Цель исследования: определить сорта моркови с высоким содержанием каротина и выявить зависимость его содержания от агротехнических условий выращивания данного овоща.

Гипотеза: Если выращивать морковь в разных агротехнических условиях, то содержание каротина в корнеплодах будет изменяться.

Задачи:

  1. Теоретически изучить состав, свойства и значение каротиноидов.

  2. Провести полевые опыты по изучению эффективности агротехнических условий выращивания моркови.

  3. Выявить группы каротиноидов, присутствующих в корнеплодах моркови.

  4. Определить содержание каротина в выращенных корнеплодах моркови.

  5. На основе полученных данных установить зависимость содержания каротина от сорта овощной культуры и условий выращивания.

Методы исследования: теоретический анализ и синтез, обобщение;полевые опыты, химический эксперимент (колориметрическое сравнение вытяжки пигментов с образцовым; качественная реакция на кратные связи в молекуле каротина; метод Крауса по разделению пигментов).

Глава I. Теоретические сведения о каротиноидах

1.1.Состав, строение и свойства каротиноидов

Каротиноиды – природные пигменты (красящие вещества), содержащиеся в моркови и многих растениях, а также в животных жирах. Каротиноиды обычно встречаются в виде сложных смесей и для получения их в индивидуальном состоянии часто необходим хроматографический метод М.С. Цвета. Молекулы каротиноидов содержат ряд сопряженных двойных связей, т. е. они относятся к полиенам. Как упоминалась, этенильная группа >C=C< является одной из хромофорных групп; наличие многих этенильных групп и обуславливает красную или жёлтую окраску каротиноидов. Наличие многих двойных связей также объясняет лёгкую окисляемость каротиноидов. К каротиноидам относят свыше 60 веществ, являющихся углеводородами, кето- и окиспроизводными, эфирами окиспроизводных, а также кислотами.

Каротин – полиеновый углеводород C40H56 – был выделен впервые в 1‍831 г. из моркови в виде красных кристаллов. М.С. Цвет, пользуясь хроматографическим анализом, выделил его из зелёных листьев. Красная окраска листьев осенью обусловлена каротином, который становится заметным вследствие разрушения зелёного пигмента. Каротин содержится во многих плодах, корнеплодах моркови, молоке, сливочном масле. В последствии оказалось, что каротин представляет собой не индивидуальное вещество, а смесь трёх изомеров:-каротина (т. пл. 187С), -каротина (т. пл. 183С) и -каротина (т. пл. 178С). -Каротин составляет 85 этой смеси.

Формула -каротина была принята на основании изучения его окисления (в частности, озонирования): два триметилциклогексеновых кольца связаны в молекуле -каротина длинной цепью из 18 атомов углерода, представляющей единую сопряжённую систему с чередующимися одинарными и двойными связями и имеющей ответвления в виде четырёх метильных групп: (см. Приложение, структурная формула -каротина ).Триметилциклогексеновые кольца в молекуле каротина тождественны кольцу -иона – вещества, обладающего сильным запахом фиалок: (см. Приложение,структурная формула -иона – вещества).

Этот запах, ощущаемый при окислении -каротина кислородом воздуха, по-видимому, обусловлен образованием -ионона. Обе половины молекулы -каротина совершенно симметричны (в приведённой формуле эти половины разделены длинной вертикальной пунктирной линией).

Легко заметить, что в молекуле -каротина восемь раз повторяется разветвленная цепь из пяти атомов углерода: ( CHCCHCH= )

CH3

В большинстве случаев эта цепь содержит чередующиеся одинарные и двойные связи; в формуле каротина эти группировки отделены короткими пунктирными линиями; только в кольцах, при сохранении того же разветвлённого углеродного скелета, содержится меньше двойных связей. Такая же многократно повторяющаяся группировка атомов содержится в каучуке – полимере изопрена. В связи с этим и каротин можно рассматривать как полимер изопрена (обладающий в отличие от каучука наряду с длинной цепью ещё двумя циклами). В последнее время каротиноиды объединяют с природными каучуками и некоторыми другими веществами, как, например, терпены, в одну группу изопреноидов.

-Каротин, содержащийся обычно в смеси каротинов в количестве около 15, отличается от -каротина лишь иным положением двойной связи в одном циклогексеновом кольце. -Каротин (около 0,1) отличается от -каротина тем, что имеет лишь одно циклогексеновое кольцо, другое же кольцо в нём разомкнуто.

1.2. Витамин А1-биологически активное вещество

Значение каротинов очень велико, так как из них образуется витамин А1; в связи с этим часто каротины называют провитамином А. Витамин А1 представляет собой продукт расщепления и окисления каротинов. Молекула витамина А1 соответствует половине молекулы -каротина – как будто центральная двойная связь каротина претерпела расщепление и по месту разрыва ее присоединились H и OH.

В связи с возможностью цис-транс-изомерии у каждой пары углеродных атомов, соединённых двойной связью, возможно большее число стереоизомеров каротинов и каротиноидов. Природный витамин А1 на всём протяжении боковой цепи имеет транс-конфигурацию: (см. Приложение, структурная формула витамина А1).

Именно этот стереоизомер обладает максимальной биологической активностью. Витамин А1 в готовом виде в растениях не содержится. Он содержится в молоке, сливочном масле, яичном желтке; особенно много витамина А1 в рыбьем жире и печени животных, которые способны образовывать его из каротина. Чистый витамин А1 – кристаллическое вещество, жёлтого цвета, с т. пл. 63-64C, легко растворимое в жирах. При недостатке в пище витамина А1 наступает задержка роста, убыль в весе, высыхание роговицы глаза, понижение сопротивляемости организма человека к инфекционным заболеваниям. Витамин А1 имеет непосредственное отношение к функции зрения и поэтому одним из ранних проявлений недостатка его в организме является куриная слепота.

1.3. Морковь – источник каротина

Морковь – двулетняя травянистая овощная культура семейства зонтичных. В Сибири культивируется повсеместно. Культурная морковь создавалась в течение многих столетий.

При дворе императора Карла Великого в V III в. морковь считали деликатесом и подавали в качестве праздничного блюда. Лишь в XVII в. она «завоевала» европейские огороды. Главное достоинство моркови – обилие каротина, который и окрашивает её корни в «морковный» оранжевый цвет.

Корнеплоды моркови содержат следующие биоактивные вещества: витамины В1, В2, никотиновую кислоту, аскорбиновую кислоту, витамин Д, фолиевую кислоту, пантотеновую кислоту, каротин, сахар, флавоноиды и антоцианы, жирное масло, соли – калия, кальция, натрия, марганца, фосфора; фитонциды. Также витамин В2 и каротиноиды присутствуют в ботве моркови. В качестве лекарственного сырья используют её корнеплоды, ботву и семена.

В XVI веке в России морковным соком лечили болезни сердца, печени и носоглотки.

1.4. Методы исследования каротиноидов

Для изучения свойств и способов получения каротиноидов из корнеплодов моркови, использовались многие методы исследования. Проводился опыт по определению групп каротиноидов в корнеплодах моркови, основанный на различной растворимости каротина и ксантофилла в бензине. Обнаружение кратных связей в молекуле каротина, способом их окисления разбавленным раствором перманганата калия, а также с помощью йодной воды; разделение пигментов корнеплодов моркови хроматографическим методом; извлечение каротина из навески бензином и колориметрическое сравнение.

Глава II «Практическая часть исследовательской работы»

2.1. Организация и проведение полевого опыта по выращиванию моркови (май 2016-сентябрь2016)

2.1.1.Приобретение для исследовательской работы следующих сортов моркови (см.Приложение, сорта моркови):

  1. Леандр

  2. Болтекс

  3. Морковь Мо

  4. Лосиноостровская – 13

  5. НИИОХ – 336

  6. Витаминная – 6

  7. Нантская – 4

  8. Канада F1

  9. Морковь без сердцевины

  10. Королева Осени

2.1.2. Выращивание моркови на опытных участках с разными агротехническими условиями

Проведение полевого опыта (см. Приложение, фото №1) проводилось на трёх экспериментальных площадках с разными агротехническими условиями: по освещенности, поливу, прополке, внесению удобрений (см. Приложение, таблица №1). Собранный урожай корнеплодов моркови был расфасован по сортам с учётом агротехнических условий выращивания. Всего для химического исследования было отобрано 90 корнеплодов (10 сортов моркови × 3 опытных полевых участка × 3 корнеплода для точности эксперимента).

2.2. Проведение химических экспериментов по исследованию каротиноидов, содержащихся в корнеплодах моркови

2.2.1. Определение групп каротиноидов в корнеплодах моркови

Для обнаружения групп каротиноидов провела разделение спиртовой вытяжки пигментов по методу Крауса. Метод основан на различной растворимости каротина и ксантофилла в спирте и бензине. Оба каротиноида растворяются в спирте, но растворимость каротина в бензине выше, чем в спирте; ксантофилл в бензине не растворяется.

Для проведения опыта в пробирку налила 3 мл спиртовой вытяжки пигментов из сока моркови, столько же бензина и 2 капли воды. Энергично взболтала содержимое пробирки в течение двух минут и дала смеси отстояться.

Наблюдения: жидкость в пробирке разделилась на два слоя: бензин, как более лёгкий, оказался наверху, спирт – внизу. Оба слоя имели различную окраску: бензиновый - жёлтую, спиртовой – бесцветную (см.Приложение, фото № 2).

Вывод: из группы каротиноидов в корнеплодах моркови содержится каротин.

2.2.2. Качественное определение двойных связей в молекуле каротина

Провела качественное определение наличия двойных связей в молекуле каротина способом их окисления разбавленным раствором перманганата калия, а также с помощью йодной воды.

Прилила к спиртовой вытяжке каротина раствор перманганата калия. Наблюдалось обесцвечивание раствора перманганата калия и выделение коричневых хлопьев оксида марганца (IV). При приливании йодной воды к спиртовой вытяжке каротина наблюдалось исчезновение её жёлтой окраски (см. Приложение, фото №3).

Обесцвечивание раствора перманганата калия и йодной воды каротином позволяет сделать вывод о наличии в его молекуле кратных связей. Реакционная способность каротина объясняется тем, что двойные связи в его молекуле расщепляются с образованием простых связей. При этом за счёт свободных валентностей присоединяются атомы кислорода или брома.

2.2.3. Проведение качественной реакции на каротин

Приготовила гомогенат из корнеплода моркови, тщательно промыла осадок водой, к растительному осадку добавила глицерин. Наблюдалось появление оранжево-красных кристаллов с перламутровым отливом.

По выпадению кристаллов можно сделать следующий вывод, что в корнеплодах моркови содержится каротин.

2.2.4.Разделение пигментов корнеплодов моркови хроматографическим методом М. С. Цвета

Получила спиртовую вытяжку пигментов моркови. Нанесла пипеткой каплю вытяжки на расстоянии три сантиметра от одного конца хроматографической бумаги. Дала высохнуть. Повторяла так до тех пор, пока пятно не становилось интенсивно окрашенным. В пробирку наливала 2 мл бензина и опускала в него полоску бумаги так, чтобы пятно пигментов находилось на расстоянии 0,5 – 1 см над поверхностью растворителя.

Наблюдала, как растворитель поднимается по бумажной полоске вверх, увлекая за собой пигменты. Через несколько минут на бумаге появлялась жёлто-оранжевая полоса на высоте 14 см.

Вывод: полоса пигментов жёлто – оранжевого цвета на хроматорафической бумаге подтверждает результаты опыта по методу Крауса, что из группы каротиноидов в корнеплодах моркови содержится каротин. Так как каротин высоко передвигается по бумаге, можно сделать заключение о его хорошей растворимости в бензине и плохой адсорбции на хроматографической бумаге.

2.2.5.Определение содержания каротина в моркови

Данный метод анализа основан на извлечении каротина из навески бензином и колориметрическом сравнении полученного окрашенного испытуемого раствора с образцовым.

Для данного эксперимента использовала реактивы: бензин авиационный, дихромат калия K2Cr2O7 для образцового раствора, этиловый спирт.

Приготовила шкалу образцовых растворов. Для этого3,6 г K2Cr2O7 растворила в 1 литре дистиллированной воды. Взяла 20 пробирок. В первую пробирку налила 0,2 мл данного раствора, в каждую следующую наливала на 0,2 мл раствора K2Cr2O7 больше, доливая до 10 мл дистиллированной водой (см. Приложение, таблица №2, фото. №4). Пробирки закрыла пробками и пронумеровала. Исследовала 90 корнеплодов моркови, выращенных летом на опытных полевых участках. Каждый корнеплод моркови мыла и вытирала насухо, натирала на мелкой тёрке, массу перемешивала и брала навеску 1г. Переносила её в фарфоровую ступку и добавляла 10 г предварительно промытого и прокаленного песка, приливала 2 мл этилового спирта. Тщательно перетирала массу песком. Наливала 5 мл бензина и вновь растирала. Полученный жёлтый раствор сливала в мерный цилиндр, придерживая твёрдую массу пестиком. Операцию с обработкой бензином (без прибавления этилового спирта) повторяла до тех пор, пока в цилиндре не набиралось 30 мл вытяжки (см. Приложение, фото. №5).

Из вытяжки брала в пробирку 10 мл и сравнивала ее окраску с пробирками шкалы образцовых растворов на фоне белой бумаги (см.Приложение, фото № 5, Таблица № 3). Определив соответствующий номер пробирки по шкале образцовых растворов, вычисляла содержание каротина в свежей моркови и заносила полученные данные в сравнительную таблицу. (см. Приложение, таблица №4).

Данные таблицы №4 позволяют сделать вывод, что внесение органических удобрений оказывает отрицательное влияние на образование и накопление каротина в корнеплодах моркови. Повышенное содержание каротина в корнеплодах моркови, выращенных на опытном участке с неблагоприятными агротехническими условиями, позволяет предположить, что каротин играет роль в устойчивости растений к неблагоприятным условиям.

Данные таблицы № 5 позволяют сделать вывод, что наиболее ценными сортами моркови с повышенным содержанием каротина в корнеплодах являются: Лосиноостровская-13, Нантская-4, Морковь Мо, Витаминная -6. На мой взгляд, сорта с низким содержанием каротина (Королева Осени, Морковь без сердцевины) были выведены селекционерами, чтобы получить морковь устойчивую к болезням и вредителям.

Заключение

В заключении, необходимо сказать, что в процессе изучения первоисточников я почерпнула много новой, научной и полезной для меня информации о каротиноидах: составе, строении, свойствах, нахождении в природе и значении для организма человека, а также о химических методах их исследования. Эти знания помогли мне реализовать исследование на практике.

Данные полевых и химических исследований позволяют сделать вывод, что содержание каротина в корнеплодах моркови зависит от сорта моркови; при неблагоприятных агротехнических условиях (недостаточное водоснабжение и освещённость) выращивания моркови наблюдается небольшое повышение содержания каротина в корнеплодах в сравнении с его содержанием в корнеплодах того же сорта, но выращенного при достаточном освещении и водоснабжении. Внесение органических удобрений вызывает снижение содержания каротина в корнеплодах моркови. Следовательно, если изменять агротехнические условия выращивания моркови, то можно в незначительной степени влиять на содержание каротина в корнеплодах данного овоща.

Данная исследовательская работа способствовала расширению моих знаний об органических веществах, приобретению навыков проведения научного исследования.

Данные, полученные в результате проведённой исследовательской работы, буду использовать сама на своем приусадебном участке, и пропагандировать сорта моркови с высоким содержанием каротина.

Литература

1. Батурицкая Н. В., Фенчук Т. Д. Удивительные опыты с растениями: Кн. Для учащихся. – Мн.: Нар. асвета, 1991. – 208 с.: ил.

2. Бацанов С. С. Структурная рефрактометрия. Учебное пособие. Изд. 2-е, перераб. и доп. 16 л. С ил., 81 к. В пер.

3. Дзятковская Е. Н.Сборник экологических задач, лабораторных работ и деловых игр по химии, биологии, физике. – Иркутск: издательство «Папирус», 1994. – 64 с.

4. Лившиц И. А.Спутники нашего здоровья. – Иркутск: Восточно-Сибирское книжное издательство, 1989. – 352 с.

5. Сударкина А. А. и др.Химия в сельском хозяйстве: (Основы агрохимии). Учебн. Пособие по факультатив. Курсу для учащихся X кл./А. А. Сударкина, И.И. Евсеева, А.Н. Орлова. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 1981. – 144 с., ил

Приложение

Структурная формула -каротина

Структурная формула -иона – вещества

Структурная формула витамина А1

Сорта взятых для опытов морковей

Фото №1.Экспериментальная полевая площадка

Таблица №1. Сравнительные условия выращивания моркови на опытных полевых участках

Условия выращивания

Опытные поля.

№1

№2

№3

освещенность

свет

свет

тень

полив

регулярный

регулярный

По мере выпадения осадков (природный)

прополка

По мере появления сорняков

По мере появления сорняков

1 раз после появления всходов моркови

Использование удобрений

Не использовались

Органические удобрения

Не использовались

Фото №2. Определение групп каротиноидов

Фото №3. Качественная реакция на двойные связи в молекуле каротина

Фото №4. Приготовление шкалы образцовых растворов для

колориметрического сравнения

Фото №5. Извлечение каротина из навески с бензином

Таблица № 2. Шкала образцовых растворов

№ пробирки

Объём

Каротина

(в мг %)

Стандартного раствора K2Cr2O7 (в мл)

Воды (в мл)

1

0,2

9,8

1,08

2

0,4

9,6

2,15

3

0,6

9,4

3,22

4

0,8

9,2

4,29

5

1,0

9,0

5,37

6

1,2

8,8

6,44

7

1,4

8,6

7,52

8

1,6

8,4

8,58

9

1,8

8,2

9,65

10

2,0

8,0

10,73

11

2,2

7,8

11,81

12

2,4

7,6

12,88

13

2,6

7,4

13,95

14

2,8

7,2

15,02

15

3,0

7,0

16,10

16

3,2

6,8

17,17

17

3,4

6,6

18,25

18

3,6

6,4

19,32

19

3,8

6,2

20,39

20

4,0

6,0

21,47

Фото №4. Колориметрическое сравнение вытяжки каротина из корнеплода моркови с образцовым раствором

Таблица №3. Результаты колориметрического сравнения окрашенных испытуемых растворов с образцовыми

сорт моркови

опытный

полевой участок №1

опытный

полевой участок №2

опытный

полевой участок №3

номера соответствующих пробирок по шкале образцовых растворов.

Леандр

7

4

7

Болтекс

6

6

8

Морковь Мо

9

7

10

Лосиноостровская - 13

12

10

11

НИИОХ - 336

5

5

6

Витаминная - 6

8

6

8

Нантская - 4

10

10

11

Канада F1

8

7

8

Морковь без сердцевины

3

3

5

Королева Осени

5

5

5

Таблица №4.Содержание каротина в корнеплодах моркови

сорт моркови

опытный

полевой участок №1

опытный

полевой участок

№2

опытный

полевой участок

№3

каротин (мг %)

Леандр

7.52

4,29

7,52

Болтекс

6,44

6,44

8,58

Морковь Мо

9,65

7,52

10,73

Лосиноостровская-13

12,88

10,73

11,81

НИИОХ-336

5,37

5,37

6,44

Витаминная - 6

8,58

6,44

8,58

Нантская - 4

10,73

10,73

11,81

Канада F1

8,58

7,52

8,58

Морковь без сердцевины

3,22

3,22

5,37

Королева Осени

5,37

5,37

5,37

Таблица №5.Рейтинговый список сортов моркови по содержанию каротина в корнеплодах

Сорт моркови

Содержание каротина (мг. %)

Лосиноостровская-13

12,88

Нантская - 4

10,73

Морковь Мо

9,65

Витаминная - 6

8,58

Канада F1

8,58

Леандр

7,52

Болтекс

6,44

НИИОХ-336

6,44

Королева Осени

5,37

Морковь без сердцевины

5,37

23