XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение причины потемнения яблок и способов его предотвращения в бытовых условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Акобян А.А. 1Долгая М.А. 1

---

1Негосударственного (частного) общеобразовательного учреждения (НОУ) гимназии «Школа бизнеса»

Петренко Е.В. 1

---

1Негосударственного (частного) общеобразовательного учреждения (НОУ) гимназии «Школа бизнеса»

Работа в формате PDF

1 MB

Введение

Неудивительно, что яблоко популярно. Оно занимает одно из лидирующих мест в списке полезных фруктов. Дикая яблоня одна из первых, известных плодовых деревьев, которая была культивирована человеком. Из истории известно, за два века до нашей эры, уже выращивали не меньше 25 сортов яблок. В наше время яблоки считаются самыми съедаемыми в мире фруктами.

Одной из тайн является потемнение мякоти яблока после надкусывания или разрезания. Каждый школьник замечал, что сначала яблоко внутри белое и сочное, а уже через несколько минут срез покрывается некрасивым бурым налётом. На бытовом уровне это объясняют по‑разному: то «ржавеет железо», то «яблоко портится».

Тема потемнения яблок особенно интересна для школьников, потому что позволяет соединить повседневный опыт с реальной наукой. Ребёнок видит знакомый фрукт, задаёт вопрос «почему так происходит?» и с помощью простых опытов может сам проверить разные объяснения взрослых, сравнить сорта, способы нарезки и обработки яблок. Таким образом, исследование причин потемнения яблок не только расширяет знания по биологии и химии, но и формирует у младших школьников умение наблюдать, выдвигать гипотезы, проводить эксперименты и делать выводы, опираясь на результаты, а не только на «народные» объяснения.

Нам в школе на завтрак часто дают яблоки.

Откусывая сочное спелое яблоко, мы видим внутри хрустящую белоснежную мякоть. Но за перемену мы не успеваем их полностью съедать. А через урок место среза откуса становится тёмным, а фрукт теряет всякую аппетитность. Ну, почему же яблоки темнеют?

Нам стало очень интересно. ПОЧЕМУ ЯБЛОКИ ТЕМНЕЮТ?

Актуальность исследования прослеживается по нескольким направлениям.

Первое: здоровье и безопасность питания.  При потемнении меняется не только внешний вид яблока, но и частично состав.

Второе: экономика семьи. Потемневшие яблоки выбрасывают, это приводит к лишним расходам.

Третье: школьное образование. Опыты с яблоками просты, наглядны и безопасны, помогают детям понять, что такое химическая реакция и окисление, а поиск способов замедлить потемнение развивает умение выдвигать гипотезы, проводить опыты, сравнивать результаты и делать выводы.

Новизна данной исследовательской работы состоит в том, что привычное бытовое явление – потемнение яблок – рассматривается не как простой недостаток внешнего вида, а как сложный биохимический процесс, связанный с действием ферментов, полифенолами и защитными механизмами растения. Для школьного уровня важно и необычно, что авторы не ограничиваются объяснением «из-за железа», а выходят на современные научные представления о ферментативном потемнении и роли антиоксидантов.

Цель исследования: изучить причины потемнения яблок, а также найти способы предотвращения этого процесса.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

- изучить химический состав яблока и научную литературу;

- познакомиться с процессом окисления, происходящий при повреждении яблока;

- провести серию экспериментов на яблоках;

- проанализировать результаты опытов.

Объект исследования: яблоки различных сортов, подвергнутые разным видам повреждений и обработке различными веществами.

Предмет исследования: процесс потемнения мякоти яблока при

повреждении, его причины, а также способы замедления или предотвращения этого процесса.

Гипотеза исследования: если знать причины потемнения яблок, то можно предотвратить этот процесс.

В работе использованы  биологические методы исследования.
1) Наблюдение за изменением цвета мякоти яблок разных сортов, степени зрелости, возраста и при разных способах повреждения (надкусывание, разрезание, удар и т.д.).

2) Эксперименты: проведение опытов по выявлению содержания железа в яблоках и других продуктах; серия экспериментов по изучению скорости потемнения яблок в различных условиях; опыты по применению разных способов обработки для замедления потемнения.
3) Сравнение результатов опытов между собой: разных сортов и возрастов яблок; разных способов повреждения; разных способов обработки для сохранения.
4) Изучение научно‑популярной литературы, статей и материалов в сети Интернет.

Глава 1. Строение и особенности яблока

1.1. Химический состав яблока

Сначала мы стали изучать научные статьи о составе и пользе яблок, а также о содержании железа в них. Нам стало известно, что в ста граммах съедобной части яблока находится: ^[1]

Оказалось, что в ста граммах яблока содержится всего-то около двух граммов железа! Куда больше железа в чечевице (11,8 мг), зелени (майран 82,7 мг, лавровый лист – 43 мг, орегано – 36,8 мг, укроп – 6,6 мг, петрушка – 6,2 мг).

Помимо перечисленных витаминов и минералов, мякоть яблока содержит много пищевых волокон, прежде всего растворимую клетчатку пектин, которая помогает работе кишечника и участвует в выведении из организма лишнего холестерина. В составе также есть органические кислоты (главным образом яблочная), придающие фрукту освежающий кисло-сладкий вкус и влияющие на кислотность среды, в которой протекают окислительные реакции.

1.2. Полезные свойства яблока

Яблоки приносят пользу сразу по нескольким направлениям: пищеварение, сердце и сосуды, иммунитет и профилактика заболеваний.

В яблоках много пищевых волокон и пектина, которые улучшают работу

кишечника, поддерживают здоровую микрофлору и помогают нормализовать стул.

Клетчатка даёт чувство насыщения и помогает контролировать вес, а низкая калорийность (особенно у кислых зелёных сортов) делает яблоки удобным перекусом.

Растворимая клетчатка частично связывает жиры и холестерин в кишечнике, что способствует снижению уровня «плохого» холестерина в крови и уменьшает риск атеросклероза.

Калий и антиоксиданты в составе яблок поддерживают нормальное

кровяное давление и работу сердечно‑сосудистой системы.

Яблоки содержат витамины A, C, группы B, Е, а также железо, магний, фосфор,

кальций, цинк и другие микроэлементы, которые участвуют в работе нервной

системы, иммунитета, костей, кожи и крови.

Витамин C и растительные кислоты помогают организму бороться с инфекциями и усиливают усвоение некоторых минералов.

В яблоках много полифенолов, которые уменьшают оксидативный стресс, защищают клетки от повреждений и замедляют процессы старения.

Регулярное употребление яблок связывают с меньшим риском ряда сердечно‑сосудистых и некоторых онкологических заболеваний, а также с поддержанием когнитивных функций в пожилом возрасте.

1.3. Различие сортов и влияние на потемнение

Сорта яблок отличаются не только временем созревания, но и целым комплексом признаков, которые влияют на их поведение при разрезании и потемнении мякоти. У летних сортов, как правило, более тонкая кожура и рыхлая, очень сочная мякоть, поэтому при разрезе клетки легче разрушаются и быстрее контактируют с кислородом воздуха, что ускоряет ферментативное потемнение. У осенних и особенно зимних сортов кожура толще, ткани плотнее, сок выступает медленнее, поэтому такие яблоки дольше сохраняют светлый срез и «держат форму» при хранении и переработке.

Дополнительно сорта яблок различаются по вкусу, окраске кожуры, степени сочности и хрусткости мякоти. Эти отличия связаны с разным содержанием органических кислот, сахаров, а также полифенольных соединений, которые и участвуют в реакциях потемнения. Чем выше содержание полифенолов и активнее фермент полифенолоксидаза, тем быстрее и заметнее темнеет срез, а при меньшем их количестве или иной кислотности среды потемнение может быть слабым или замедленным. Именно поэтому в ваших опытах одни сорта темнели почти мгновенно, а другие сохраняли светлую

мякоть дольше, хотя условия повреждения были одинаковыми.

Глава 2. Почему темнеют яблоки: наблюдаем и проверяем

Современная наука разрабатывает всё новые технологии, направленные на замедление или предотвращение потемнения яблок. Это не только косметическая задача — от внешнего вида плодов напрямую зависит срок их хранения, привлекательность для покупателей и объём пищевых отходов. Внешнее потемнение приводит к тому, что потребители выбрасывают вполне пригодные продукты, поэтому биотехнологи, агрономы и химики по всему миру работают над тем, чтобы сохранить естественный свежий вид яблок без использования вредных консервантов.

К числу таких технологий относятся обработка фруктов натуральными антиоксидантами (аскорбиновой кислотой, лимонным соком, экстрактом зелёного чая), регулирование температуры и содержания кислорода в упаковке, а также нанесение съедобных защитных плёнок на основе пектина, хитозана или растительных масел. Эти покрытия создают невидимый барьер между мякотью плода и воздухом, предотвращая контакт фермента полифенолоксидазы с кислородом и тем самым замедляя окисление.

На переднем крае биотехнологических исследований находится работа по созданию сортов яблок, устойчивых к ферментативному потемнению. Одним из известнейших примеров стали сорта Arctic, выведенные канадскими генетиками при помощи генной инженерии. У этих яблок «выключен» ген, отвечающий за синтез фермента полифенолоксидазы. Благодаря этому при разрезании они остаются светлыми значительно дольше обычных, не теряя вкуса и питательной ценности. Такие сорта уже успешно выращиваются в Канаде и США, а результаты исследований активно обсуждаются в профессиональном сообществе. ^[3]

Такое исследование помогает школьникам увидеть, как единая цепочка «наблюдение — гипотеза — эксперимент — технология» формирует настоящую научную картину мира и ведёт к созданию полезных для человека инноваций.

2.1. Исследование содержания железа в яблоках и зелёных растениях

Эксперимент 1 «Определение наличия железа в яблоках путём выдавливания сока»

Для определения наличия железа мы взяли шесть яблок:

- летние сорта (Аркад и Китайка)

- осенние сорта (Полосатое и Спартан)

- зимние сорта (Голден и Флорика).

Потерли яблоки и с помощью марли выжали сок, который разлили в пробирки.

Затем учитель приготовила растворы из жёлтой кровяной соли и красной кровяной соли. Это опасные вещества.

После чего налили растворы к яблочному соку. Со слов учителя химии, нам стало известно, что при обнаружении железа, сок должен окраситься в голубой или синий цвет.

Такого не произошло. На основании чего можно говорить о весьма малом содержании железа.

Эксперимент 2 «Определение наличия железа в яблоках с помощью железных гвоздей»

В интернете мы нашли эксперимент. Взяли два яблока одного сорта.

Одно без гвоздей, а в другое воткнули железные гвозди. Проверили через 24 часа.

Синего оттенка мы не увидели.

Эксперимент 3 «Определение наличия железа в шпинате, укропе и петрушке»

В Интернете мы узнали, что в шпинате, укропе и петрушке железа больше,

чем в яблоках. Мы тоже решили проверить. Результат такой же!

Эксперимент 4 «Определение наличия железа в веществах с большим содержанием железа»

А для достоверности информации, что железо вступает в реакцию с солью, и вещества, содержащие железа, синеют, мы провели еще один эксперимент.

Взяли вещества с большим количеством железа и добавили растворы соли. И правда, получили синюю окраску.

2.2. Влияние различных факторов на потемнение яблок

Оказывается, в яблоках содержатся антиоксиданты, благодаря которым эти фрукты считаются полезными для нашего организма.

Антиоксиданты — это вещества, которые замедляют или предотвращают окисление других молекул, тем самым защищая клетки от повреждения. Они «перехватывают» активные формы кислорода и свободные радикалы, не давая запускаться цепным реакциям, которые разрушают клетки и ускоряют старение организма.^[4]

Проще говоря: известно, что человек растёт до 25 лет, а потом начинает

стареть. Так антиоксиданты помогают человеку замедлить процесс старения.

Антиоксидантные свойства многих растительных продуктов действительно во многом связаны с содержанием полифенольных соединений, среди которых катехины занимают важное место. Катехины относятся к флаванолам, обладают способностью нейтрализовать активные формы кислорода и свободные радикалы, поэтому их относят к одним из наиболее эффективных низкомолекулярных антиоксидантов, хотя корректнее говорить не «самый сильный», а «один из сильных» по сравнению с другими природными антиоксидантами.

Одна из самых распространённых групп природных антиоксидантов — это полифенолы: кверцетин, катехины, антоцианы и другие вещества, которые одновременно защищают клетки растений и оказывают защитное действие в организме человека. В мякоти яблок, как и других фруктов, вместе с полифенолами присутствует фермент полифенолоксидаза; его задача — окислять полифенолы с участием кислорода воздуха, превращая их в хиноны. Хиноны сами по себе бесцветны, но являются сильными окислителями и очень реакционноспособными веществами, поэтому они быстро вступают в дальнейшие реакции с белками, аминокислотами и другими полифенолами, образуя более крупные, окрашенные молекулы, которые и придают разрезанному яблоку коричневато‑«ржавый» оттенок.

Пока плод целый, полифенолоксидаза и полифенолы находятся в разных структурах клетки и практически не контактируют, а доступ кислорода внутрь тканей ограничен, поэтому окисления почти нет и мякоть остаётся светлой. Окислительный процесс запускается только после повреждения: когда яблоко разрезают, надкусывают или ударяют, клетки разрушаются, фермент смешивается с субстратом, а к ним поступает кислород из воздуха; тогда полифенолы под действием полифенолоксидазы превращаются в хиноны, затем в сложные пигменты (меланины), из‑за которых мякоть быстро темнеет. ^[5]

Эксперимент 5 «Зрелость яблок»

Мы решили понаблюдать за яблоками. Как быстро темнеют яблоки? И провели несколько экспериментов.

В июне мы сорвали с дерева еще неспелое яблоко. Оно потемнело на срезе через три минуты, а ещё через 30 секунд стало совсем «ржавым».

Эксперимент 6 «Возраст яблок»

Потом мы купили яблоко прошлогоднего урожая. Яблоко потемнело через 10 минут. Осенние яблоки нынешнего урожая потемнели так же в течение 10 минут.

Эксперимент 7 «Способ повреждения»

Затем мы решили проверить, а зависит ли потемнение яблок от способа повреждения. Первое яблоко ударили об пол, второе яблоко разломали, третье яблоко разрезали пластиковым ножом, четвертое яблоко разрезали железным ножом, а пятое яблоко откусили.

Все яблоки через 30 минут потемнели.

2.3. Как сохранить яблоки светлыми дольше

Потемневшее яблоко - это некрасиво. Оказывается, повара уже давно научились бороться с потемнением разрезанных яблок! Некоторые способы мы узнали из дополнительных источников, а некоторые способы решили попробовать сами.

Эксперимент 8 «Способы сохранения»

Приготовили материалы для сохранения яблок.

Разрезанные яблоки: залили молоком, минеральной водой, мёдом, фруктовым соком, соком лимона; засыпали цикорием, кофе «Три в одном», крахмалом, молотой корицей, пищевой содой, сахарной пудрой и замотали пищевой плёнкой.

Все обработанные яблоки мы оставили на 30 минут. А затем смыли все покрытия и сравнили результат.

Мы сравнили потемнения яблок и результаты представили в диаграмме.

Самое темное оказалось яблоко, засыпанное кофе «Три в одном». И почти не потемневшими остались яблоки, залитые мёдом и лимонным соком.

Хиноны взаимодействуют с белками, связывая их в одну большую гипермолекулу, по вкусу похожую на кусок пластмассы, чем на что-то съедобное. Нечто похожее на вкус пробовал любой, кто ел хурму или черёмуху. Вяжущий эффект во рту – это прямой результат связывания белков на поверхности вашего языка и слизистой в одну большую, невкусную, несъедобную структуру.

Природа, как всегда, изящна! Она не хранит активный фермент (хинон) в

готовом виде – это сложно и небезопасно. Она синтезирует его, когда надо. Гусеница повреждает ткань, кислород ферментативно окисляет полифенол, полученное вещество бьёт по гусенице. Например, в буквальном смысле «склеивание» жующих аппаратов насекомых, или вызывают проблемы с пищеварением у гусениц или даже просто снижают питательную ценность еды, образование невкусных, непитательных веществ с целью вызвать у вредителя устойчивое отвращение.

Ещё можно добавить создание «защитной» плёнки на надкушенной части плода и воспрепятствовать заражению «оголенных» тканей вирусами, бактериями, грибами. Т.е. хинон обладает своего рода антисептическими свойствами!

Мы выяснили, что в ненужном нам процессе окисления необходимо 3

компонента: полифенол, кислород, хинон. Если избавиться хоть от одного из них, яблоки темнеть не будут.

Мы сделали свои предположения по результатам эксперимента:

В ходе проведённого исследования мы убедились, что распространённое объяснение потемнения яблок «из‑за окисления железа» неверно. Потемнение разрезанной мякоти связано не с железом, а с ферментативным окислением полифенолов при участии фермента полифенолоксидазы и кислорода воздуха.

Наши опыты показали, что:

- содержание железа в яблоках слишком мало, чтобы вызывать заметное потемнение, а специальные реакции на железо не давали ярко выраженного эффекта;

- процесс запускается при повреждении тканей, когда фермент и полифенолы встречаются и получают доступ к кислороду;

- образующиеся хиноны и их производные дают коричневую окраску и

одновременно выполняют защитную функцию для растения, ухудшая вкус для вредителей и создавая своего рода антисептическую плёнку на повреждённой поверхности.

Мы также установили, что скорость потемнения можно замедлить. Наиболее эффективно это делают вещества и покрытия, которые либо препятствуют доступу кислорода (мёд, крахмал, молоко, плотный слой мёда или крахмала), либо содержат собственные антиоксиданты и кислоты (лимонный сок, некоторые фруктовые соки). Наименее эффективными оказались рыхлые покрытия, через которые кислород легко проникает, а также среда, где кислород уже растворён (минеральная вода, кофе «три в одном» и др.).

Таким образом, наша гипотеза подтвердилась! Вместе с тем мы убедились, что потемнение не делает яблоко вредным, а лишь меняет внешний вид и вкус, а знание механизмов этого процесса позволяет подбирать простые бытовые способы, чтобы дольше сохранять кусочки яблок светлыми и аппетитными.

Заключение

Когда яблоко целое, его мякоть остаётся светлой, потому что все вещества внутри изолированы друг от друга прочными клеточными стенками и кожурой. Внутри клеток одновременно находятся полифенолы и особый фермент – полифенолоксидаза. Пока оболочка плода цела, кислород воздуха практически не проникает внутрь, и никаких заметных изменений цвета не происходит.

Как только яблоко повредить – надкусить, разрезать ножом, разломать или сильно ударить, – клетки разрушаются. Полифенолы, фермент и кислород из воздуха оказываются в одном месте, и запускается цепочка ферментативного окисления. Полифенолоксидаза с участием кислорода превращает полифенолы в хиноны – более активные и уже окрашенные соединения. Затем хиноны соединяются друг с другом и с другими молекулами (например, аминокислотами белков), образуя крупные тёмные пигменты, похожие по природе на меланины. Именно эти пигменты и придают надрезанной мякоти яблока сначала желтовато-бурый, а затем коричневый «ржавый» оттенок.

Железо в яблоках действительно есть, но его очень мало, и при обычных

условиях оно не успевает окислиться настолько, чтобы заметно окрасить мякоть. Гораздо большую роль играют именно полифенолы и активность фермента полифенолоксидазы. Поэтому сорта, богатые полифенолами и ферментами, будут темнеть быстрее и сильнее, чем сорта с их низким содержанием, что хорошо согласуется с вашими опытами с разными яблоками.

С точки зрения самого растения потемнение – защитный механизм. Образующиеся хиноны и тёмные пигменты обладают антимикробными свойствами и могут «склеивать» или блокировать белки в организме насекомых. Тёмный слой на срезе работает как защитная плёнка: он ограничивает проникновение бактерий, грибков и вирусов в более глубокие ткани, а также частично снижает доступ кислорода. Таким образом, потемнение помогает яблоку хотя бы немного «залечить рану» и замедлить гниение.

Список использованной литературы

^[1] https://fitaudit.ru/food/

^[2] https://rastenia-biolit.ru/sroki-sozrevaniya

^[3] https://en.wikipedia.org

^[4] https://en.wikipedia.org

^[5] https://hi-news.ru/eto-interesno

6. Книга для чтения по ботанике: Для учащихся 5-6 кл. Сост. Д.И.Трайтак – 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1985. – 223 с., ил.

7. Нифантьев Э.Е. Внеклассная работа по химии с использованием хроматографии; Москва «Просвещение», 1982.

8. Я познаю мир: Детская энциклопедия, Москва АСТ, 1997.

9. Большая российская энциклопедия. «Почему яблоки темнеют на срезе?». URL:https://bigenc.ru/

10. Информационный сайт о яблоках. «Почему яблоки меняют цвет после нарезки?». URL:https://yabloki-hvalyni.ru/

11. ​Образовательный портал. «Пять причин съедать яблоко каждый день». URL:https://просвещение.рф/(раздел о питании и здоровье).

12. Статья «Польза яблок для организма человека». URL:https://elementaree.ru/