Определение содержания железа в яблоках

V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Определение содержания железа в яблоках

Кутузова А.С. 1Феткуллина Э.Р. 1
1МАОУ "Гимназия №37" Авиастроительного района г.Казани
Бухарова А.В. 1
1МАОУ "Гимназия №37" Авиастроительного района г.Казани
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Каждому человеку с раннего детства внушали, что яблоки – это кладезь витаминов и микроэлементов. И сомневаться в этом постулате вряд ли кто осмелится. В настоящее время селекционеры вывели целый арсенал разнообразных сортов яблок, которые отличаются размерами, вкусовыми качествами, ароматом и цветом. Причем одни сорта изобилуют витамином С, другие – фруктозой и сахарозой, третьи – пектином. Однако далеко не все знают, есть ли в яблоках железо. Много ли этого микроэлемента содержится в плодах яблоневого дерева?

Нас тоже заинтересовал вопрос о наличии железа в яблоках, полезны ли яблоки зимой также как и летом? Целью нашей работы является количественное определение железа в разных сортах яблок. Мы поставили перед собой следующие задачи:

- приготовить водную вытяжку из мякоти яблок разных сортов;

- определяя количественно наличие Fe(общ), Fe(+3), проследить динамику содержания железа в яблоках по месяцам – с сентября по январь;

- проверить достоверность способа увеличить содержания железа в яблоках, за счет внедрения в мякоть железных гвоздей.

1.Значение железа для человеческого организма и источники его поступления

Железо относится к микроэлементам [1]. Содержание в человеческом организме: 4,2 г; кровь – 447 мг/л; костная ткань – 0,03-3,8*10-2 %; мышечная ткань – 1,8*10–2 %. Около 20% Fe организма депонировано в печени, селезенке, костном мозге и представляет собой «физиологический резерв» железа.

Биологическая роль железа существенна:

- входит в состав гемоглобина крови, необходим для «сцепки» его с кислородом; входит в состав мышечного миоглобина, стимулируя клеточное дыхание;

- входит в состав окислительных ферментов, транспортируя электроны (каталазы, пероксидазы, цитохрома и др.); входит в активный центр ряда других ферментов (гидролаз, супероксиддисмутаз);

- стимулирует внутриклеточные процессы обмена;

- является составной частью протоплазмы и клеточных ядер;

- необходим для нормального функционирования иммунной системы: белок трансферрин входит в состав лимфоцитов;

- повышает тонус организма и потенцию.

Суточная потребность железа: 6-40 мг: 14 мг для мужчин, 18 мг для женщин, 38 мг для беременных и 33 мг для кормящих женщин. Интересен тот факт, что 10 % Fe ежедневно теряется со слущивающимся эпителием и желчью.

Недостаток железа в организме приводит к анемии; отекам; ослаблению иммунной системы и частые простудным заболеваниям; переутомлению, раздражительности, бессоннице, головной боли; «мушкам» перед глазами, онемению рук и ног; сухости кожи. Дефицит чаще наблюдается у детей в периоды интенсивного роста, при больших кровопотерях.

Избыток железа не менее опасен, так как ведет к ослаблению иммунной системы. Избыток железа откладывается в печени, поджелудочной железе и сердечной мышце; снижает усвоение Zn, вызывает аритмию. Гиперминералоз часто наблюдается у детей до 3 лет при передозировке витаминных препаратов. Токсическая доза: 150-200 мг, летальная доза – 7-35 г.

Яблоки занимают далеко не первую строчку в рейтинге продуктов, богатых железом. Гораздо больше, чем в яблоках, элемента, продуцирующего гемоглобин в организме, находится в говяжьей печени, белых грибах и гречке (приложение 1, табл.1). Считается, что организм усваивает до 35% «животного» железа. В то же время другие источники сообщают, что этот показатель составляет менее 3% [2].

Экспериментальная часть

Подготовка исследуемых образцов

Лето и осень 2017 не были богаты яблоками, но все же мы получили в свое распоряжение 5 сортов яблок (летние, осенние, зимние): Антоновка, Белый налив, Башкирская красавица, Московское позднее, Штрифель (Штрейфлинг). Фрукты каждого сорта были сняты с одного дерева, в один прием. С целью сохранить яблоки до декабря, а также для предотвращения увядания, мы «заключили» их в парафиновую оболочку.

Чтобы приготовить водную вытяжку мякоть плодов массой 5г, мы залили раствором хлорида натрия (для предотвращения преждевременного окисления), дали настояться 24 часа, отфильтровали (приложение 2, рис.1).

2.2. Определение рН яблочного сока

Для измерения кислотности в нашей работе мы пользовали датчик рН «Vernier Software & Technology» [4, 5]. Подключили датчик рН к устройству измерения и обработки данных (УИОД) LabQuest. Включили УИОД, на экране УИОД появилось значение рН (приложение 2, рис.2). В стакан объёмом 100 мл прилили 50 мл испытуемого яблочного сока. С электрода датчика сняли защитный колпачок, после чего погрузили электрод на 2—3 см в исследуемую жидкость, так, чтобы шарик электрода и электролитический ключ были погружены в воду. Подождали, пока показания на экране стабилизировались, после чего записали результат. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1

Кислотность (рН) фильтрата водной вытяжки

Образец

Антоновка

Белый налив

Штрифель

Московское позднее

Башкирская красавица

pH раствора

3,14

3,61

3,51

3,25

3,55

Обнаружение катионов железа

Железо в растительных тканях содержится в виде комплексов Fe2+ и Fe3+. Для обнаружения катионов железа могут быть использованы известные реакции [7]:

Fe3+ + 3OH-→Fe(OH)3↓ выпадение бурого осадка

Fe2+ + 2OH-→Fe(OH)2↓ выпадение зеленого осадка

Fe3+ + K+ + [Fe(CN)6]4-→KFe[Fe(CN)6]↓ выпадение осадка берлинской лазури

FeCl3 + 3KCNS ↔ 3KCl + Fe(CNS)3 образование красного раствора

Так как целью работы является определение и двухвалентного, и трехвалентного железа, мы остановили свой выбор на реакции с сульфосалициловой кислотой. Данный метод основан на способности сульфосалициловой кислоты образовывать окрашенные комплексные соединения с железом.

Сульфосалициловый метод определения железа

Сульфосалициловая кислота С7Н6О6S образует с железом комплексные ионы разной окраски: при рН=1,8-2,5 {Fe(Sal)}+ красного цвета, при рН=4-8 {Fe(Sal)2}- бурого цвета при рН=8-11 {Fe(Sal)3}3- желтого цвета (Sal- обозначает анион сульфосалициловой кислоты) [8].

Сульфосалициловая кислота как ароматическая окси - кислота особенно способна к образованию внутрикомплексных соединений. В кислой среде указанные комплексные ионы образует только окисное железо, в щелочной – окисное и закисное, поскольку в этих условиях Fe2+ легко окисляется до Fe3+. Таким образом, аммиачным вариантом сульфосалицилового метода определяют общее содержание железа-сумму ионов Fe2++ Fe3+.

В аммиачной среде (щелочной среде) Fe(II) легко окисляется до Fe(III), поэтому именно в этих условиях можно определять суммарное содержание железа.

Определение содержания железа выполняется фотометрическим методом по реакции образования желтого комплекса с сульфосалициловой кислотой в аммиачной среде.

Желтая окраска этого иона отличается большой устойчивостью, что позволяет проводить определение интенсивности её в колориметре и по цветной шкале. При малом содержании железа пользуются фотоколориметром.

2.5. Фотоколориметрическое определение железа

Определение содержания железа в яблоках количественно мы произвели фотоколориметрическим методом (приложение 2, рис.3)— по интенсивности поглощения света окрашенным раствором[6]. Интенсивность поглощения света характеризуется оптической плотностью — десятичным логарифмом отношения интенсивности падающего светового потока к интенсивности потока, прошедшего через этот слой. При неизменной толщине слоя окрашенного вещества и при определённой длине волны света оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации вещества (закон Бера). Следовательно, зная величину оптической плотности, можно определить концентрацию вещества в растворе.

Приготовление стандартных растворов

Для приготовления стандартного раствора можно использовать различные соли железа, мы использовали хлорид железа FeCl3 ∙ 6H2O (ч. д.а.), для подавления гидролиза при приготовлении раствора добавляли кислоту.

а) Основной стандартный раствор - 0,483 г соли FeCl3 ∙ 6H2O растворяли в мерной колбе вместимостью 1 л, добавляли 10 мл концентрированной HCl и доводили до метки дистиллированной водой (1 мл раствора содержит 0,1 мг железа).

б) Рабочий раствор для определения окисного железа (Fe3+) - 2 мл основного стандартного раствора FeCl3 ∙ 6H2O перенесли в мерную колбу на 50 мл, добавили 1 мл концентрированной HCl, 1 мл 25%- ного раствора сульфосалициловой кислоты, довели до метки дистиллированной водой (1 мл окрашенного в винно-красный цвет раствора содержит 0,004 мг железа).

в) Рабочий раствор для определения суммарного железа (Fe2++ Fe3+) - 2 мл основного стандартного раствора FeCl3 ∙ 6H2O перенесли в мерную колбу на 50 мл, добавили 1 мл 25%- ного раствора сульфосалициловой кислоты, 1-2 мл 25%-ного раствора аммиака (до появления устойчивой желтой окраски), довели до метки дистиллированной водой (1 мл раствора содержит 0,004 мг железа).

Построение калибровочного графика

В градуированные пробирки отбирали 1,2,3,4,5 и т.д. рабочих растворов, добавляли в каждую дистиллированной воды до объема 10 мл. Таким образом, получили серию стандартных растворов с содержанием железа (мг/л): 0,4; 0,8; 1,2; 1,6; 2,0 и т. д. (приложение 3, рис.4,приложение 4, рис.7)

Мы приготовили серию растворов окрашенного вещества разной концентрации. Произвели калибровку прибора, сняли показания спектра и зафиксировали длину волны, на которой будут производиться измерения – 485,1 нм для красноокрашшенных растворов (приложение 3, рис.5) и 400,3 нм для желтых (приложение 4, рис.8). Построили графики зависимости оптической плотности от концентрации раствора - градуировочные графики:

Для определения окисного железа в кислой среде (приложение 3, рис.6):

V(FeCl3), мл

0,5

1

2

3

4

5

6

7

8

V(H2O), мл

9,5

9

8

7

6

5

4

3

2

Оптическая плотность

0,006

0,052

0,165

0,279

0,404

0,521

0,634

0,758

0,875

C (Fe3+),

мг/л

0,2

0,4

0,8

1,2

1,6

2

2,4

2,8

3,2

Для определения общего железа в щелочной среде (приложение 4, рис.9):

V(FeCl3), мл

2

3

4

5

6

7

8

9

V(H2O), мл

8

7

6

5

4

3

2

1

Оптическая плотность

0,189

0,399

0,611

0,865

1,087

1,355

1,585

1,771

C (Fe3+),

мг/л

0,8

1,2

1,6

2

2,4

2,8

3,2

3,6

Выполнение определения.

Для определения наличия в водной вытяжке катионов трехвалентного железа в испытуемый раствор фильтровали (объем составлял 45-48 мл), добавляли в него 2 мл сульфосалициловой кислоты, доводили до метки 50 мл.

Для определения общего железа в фильтрат водной вытяжки сначала добавляли 2 мл сульфосалициловой кислоты, затем 25-%-ный раствор аммиака до появления устойчивой желтой окраски и появления слабого запаха. Добавляли ещё 1 мл концентрированного аммиака, чтобы реакция была явно щелочная, доводили раствор до 50 мл дистиллированной водой.

Колориметрирование проводили в первые 5-10 мин после прибавления всех реактивов.

Измеряли оптическую плотность анализируемой пробы и, используя градуировочный график, определили концентрацию вещества в пробе. Измерения проводились с помощью спектрофотоколориметра SpectroVisPlus (Vernier). Построение градуировочного графика и анализ данных осуществлялся с использованием программного приложения Loger Pro 3.8.6 [4,5,9] (приложение 5, рис.10,11). Результаты измерений представлены в таблицах 2,3.

Таблица 2

Определение содержание Fe(+3) в образцах

Исследуемый образец

Объем водной вытяжки, мл

Оптическая плотность

Концентрация, мг/л

Масса, мг

Fe(+3) в 100 г продукта

2 сентября

Антоновка

50

-

-

0

0

Белый налив

50

-

-

0

0

Московское позднее

50

-

-

0

0

Штрифель

50

-

-

0

0

Башкирская красавица

50

-

-

0

0

2 октября

Антоновка

50

0,006

0,238

0,0119

0,238

Белый налив

50

0,012

0,259

0,0130

0,260

Московское позднее

50

0,002

0,22

0,0110

0,220

Штрифель

50

-

-

0

0

Башкирская красавица

50

-

-

0

0

2 ноября

Антоновка

50

0,008

0,245

0,0123

0,246

Белый налив

50

0,044

0,368

0,0184

0,368

Московское позднее

50

0,07

0,457

0,0229

0,458

Штрифель

50

-

-

0

0

Башкирская красавица

50

0,015

0,269

0,0135

0,270

2 декабря

Антоновка

50

0,009

0,249

0,0125

0,250

Белый налив

50

0,056

0,409

0,0205

0,410

Московское позднее

50

0,061

0,427

0,0213

0,427

Штрифель

50

0,093

0,536

0,0268

0,536

Башкирская красавица

50

0,039

0,351

0,0176

0,352

2 января

Антоновка

50

0,046

0,375

0,0188

0,376

Белый налив

50

0,017

0,276

0,0138

0,276

Московское позднее

50

0,055

0,406

0,0203

0,406

Штрифель

50

0,093

0,536

0,0268

0,536

Башкирская красавица

50

0,035

0,338

0,0169

0,338

Таблица 3

Определение содержание Fe(общее) в образцах

Исследуемый образец

Объем водной вытяжки, мл

Оптическая плотность

Концентрация, мг/л

Масса, мг

Fe(общее) мг в 100 г продукта

2 сентября

Антоновка

50

0,706

1,722

0,086

1,722

Белый налив

50

0,883

2,028

0,101

2,028

Московское позднее

50

0,803

1,88

0,094

1,880

Штрифель

50

0,842

1,957

0,098

1,957

Башкирская красавица

50

0,726

1,767

0,088

1,767

2 октября

Антоновка

50

0,987

2,208

0,110

2,208

Белый налив

50

0,981

2,197

0,109

2,197

Московское позднее

50

0,924

2,099

0,105

2,099

Штрифель

50

0,894

2,047

0,102

2,047

Башкирская красавица

50

0,883

2,028

0,101

2,028

2 ноября

Антоновка

50

1,038

2,296

0,115

2,296

Белый налив

50

1,506

3,104

0,105

3,104

Московское позднее

50

0,954

2,151

0,107

2,151

Штрифель

50

1,252

2,665

0,133

2,665

Башкирская красавица

50

1,264

2,688

0,134

2,688

2 декабря

Антоновка

50

0,797

1,879

0,094

1,879

Белый налив

50

1,364

2,859

0,143

2,859

Московское позднее

50

1,11

2,42

0,121

2,410

Штрифель

50

0,925

2,1

0,105

2,100

Башкирская красавица

50

1,133

2,46

0,123

2,460

2 января

Антоновка

50

0,67

1,66

0,083

1,660

Белый налив

50

0,971

2,18

0,109

2,180

Московское позднее

50

0,96

2,161

0,108

2,161

Штрифель

50

1,086

2,378

0,119

2,378

Башкирская красавица

50

1,122

2,441

0,122

2,441

Содержание железа в пробе вычисляли по формуле:

N = (А*C )/H, где N – содержание железа, C – концентрация железа по калибровочному графику (мг/л), А – объем испытуемого раствора, в котором производили колориметрирование (50 мл).

По разнице между общим содержанием железа и трехвалентного определили содержание закисного (двухвалентного) железа.

Таблица 4

Результаты вычисления закисного железа

Исследуемый образец

Масса Fe (общее),

мг

Масса Fe (+3),

мг

Масса Fe

(+2),

мг

2 сентября

Антоновка

0,086

0

0,086

Белый налив

0,101

0

0,101

Московское позднее

0,094

0

0,094

Штрифель

0,098

0

0,098

Башкирская красавица

0,088

0

0,088

2 октября

Антоновка

0,11

0,0119

0,098

Белый налив

0,109

0,0130

0,096

Московское позднее

0,105

0,0110

0,094

Штрифель

0,102

0

0,102

Башкирская красавица

0,101

0

0,101

2 ноября

Антоновка

0,115

0,0123

0,1027

Белый налив

0,155

0,0184

0,1366

Московское позднее

0,107

0,0229

0,0841

Штрифель

0,133

0

0,1330

Башкирская красавица

0,134

0,0135

0,1205

2 декабря

Антоновка

0,094

0,0125

0,0815

Белый налив

0,143

0,0205

0,1225

Московское позднее

0,121

0,0214

0,0996

Штрифель

0,105

0,0268

0,0762

Башкирская красавица

0,123

0,0176

0,1054

2 января

Антоновка

0,083

0,0188

0,0652

Белый налив

0,109

0,0138

0,0952

Московское позднее

0,108

0,0203

0,0877

Штрифель

0,119

0,0268

0,0922

Башкирская красавица

0,122

0,0169

0,1051

С целью проверки гипотезы о том, что нашпигованное гвоздями яблоко содержит больше железа, мы решили воспроизвести данный эксперимент. Купили два яблока из одной партии в магазине, воткнули в одно из них очищенные железные гвозди, оставили на 24 часа (приложение 6, рис.12). Затем готовили водные вытяжки, производили определение железа указанными выше методами (приложение 6, рис.13). Результаты эксперимента в таблице 5.

Таблица 5

Результаты определения содержания железа в яблоках с гвоздями и без них

 

Яблоко с гвоздями

Яблоко без гвоздей

Объем водной вытяжки, мл

50

50

Определение окисного железа

Оптическая плотность

0,485

0,186

Концентрация, мг/мл

0,00188

0,00086

Масса железа, мг

0,094

0,043

Определение общего железа

Оптическая плотность

1,241

0,773

Концентрация, мг/мл

0,02646

0,01838

Масса железа, мг

1,323

0,919

Вывод

В ходе нашей работы мы воспользовались литературой и источниками интернета в поиске необходимой нам информации. Мы научились пользоваться современным оборудованием и программным обеспечением. Но главное – это полученные результаты.

Проведенные нами исследования показывают, что яблоки разных сортов по показателям кислотности не сильно отличаются между собой - значения рН соков из данных образцов достаточно близки от 3,25 до 3,61.

В процессе работы мы наблюдали, что с течением времени содержание, как общего железа, так и окисного сначала растет, максимальное значение зафиксировано в ноябре, а потом оно снижается (приложение 6, диаграмма 1, приложение 7 диаграммы 2,3,4). Начиная с ноября месяца понемногу железо двухвалентное окисляется, и его содержание падает.

Что касается содержания железа в разных сортах, то на примере ноябрьских показаний (максимальных в нашем случае) можно отметить, что чуть более содержат железо яблоки летних и осенних сортов, а зимние меньше (приложение 7 диаграммы 5,6).

Эксперимент с воткнутыми в яблоки гвоздями подтверждает гипотезу о повышении содержания железа таким способом, но остается открытым вопрос о усвояемости такого железа и возможности передозировки, так как содержание железа значительно повышается (приложение 7, диаграмма 7).

Список используемой литературы

  1. Химические элементы в организме человека. Справочные материалы. Под ред.Морозовой.: - Поморский государственный университет, 2001г.- 45с
  2. Наука и жизнь,№12,2004. Железа нужно столько, сколько нужно. Доктор медицинских наук В. Прозоровский
  3. Битюцкий Н.П. Необходимые микроэлементы растений. Учебник. – СПб.: Издательство ДЕАН, 2005. – 256с.
  4. Д. М. Жилин. УЕБНЫЕ ПРОЕКТЫ С AFSТМ . Химия. Методическое пособие для учителя. Москва, 2011
  5. Суранов А.Я. Исследование окружающей среды с Vernier и Lego “MINDSTORMS” NXT – ПКГ «Развитие образовательных систем». Москва, 2012
  6. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 ч.Часть 2. Физико-химические методы анализа — М.: Высш. Школа, 1989 — 384 с.
  7. О.Е.Саенко. Аналитическая химия. Учебник для средних специальных учебных заведений. – Ростов н/Д: Феникс, 2009. -309 с.
  8. Британ Е. А. Киселева С. А. Аналитическая химия: лабораторные работы, контрольные вопросы и варианты домашних заданий: Учебное пособие. Пермь: ПГСХА 2007. -117 с
  9. Logger Pro. Описание программного обеспечения. Краткое руководство пользователя. Производственно-консультационная группа «Развитие образовательных систем», 2011

Приложение 1

Таблица 1

Содержание железа в продуктах (мг/100 г продукта)

Продукт

Fe

Продукт

Fe

Продукт

Fe

Продукт

Fe

Какао-порошок

14,80

Бифидолакт

11,00

Печень говяжья

6,90

Горох

6,80

Крупа гречневая

6,65

Мин.вода «Полюстрово»

6,00

Почки говяжьи

5,95

Сердце говяжье

5,95

Грибы белые свежие

5,20

Крупа гречневая

4,90

Хлеб пшеничный зерновой

4,80

Крупа овсяная

3,92

Хлеб ржаной

3,90

Крупа «Геркулес»

3,63

Мука ржаная обойная

3,50

Хлеб столовый подовый

3,37

Мясо кролика

3,30

Дрожжи

3,18

Конина, 1 кат.

3,10

Фундук

3,00

Изюм

3,00

Говядина

2,90

Мука ржаная сеяная

2,90

Колбаса полукопченая

2,70

Крупа пшенная

2,70

Мозги говяжьи

2,60

Яйцо куриное

2,50

Консервы рыбные

2,45

Подберезовики свежие

2,40

Паста томатная

2,30

Груши

2,30

Орехи грецкие

2,30

Яблоки

2,20

Мука пшеничная, 1 с.

2,10

Колбаса вареная

2,10

Печенье

2,10

Баранина

2,09

Батон

1,98

Булка сдобная

1,97

Свинина жирная

1,94

Сухари

1,93

Печень трески

1,90

Хлеб пшеничный, 1 с.

1,86

Крупа ячневая

1,81

Крупа перловая

1,81

Сосиски молочные

1,80

Куры

1,60

Макароны, в.с.

1,58

Чеснок

1,50

Свекла

1,40

Капуста цветная

1,40

Капуста брюссельская

1,30

Повидло яблочное

1,30

Паста «Океан»

1,30

Пюре яблочное

1,30

Сыры твердые

1,20

Клубника

1,20

Мука пшеничная, в.с.

1,20

Хлеб пшеничный

1,12

Кальмар

1,10

Приложение 2

   

Рис.1. Подготовленные к анализу водные вытяжки

Рис. 2. Определение рН в исследуемых вытяжках

Рис.3. Проведение измерений

Приложение 3

Рис. 4. Серия стандартных растворов для определения Fe(+3)

Рис.5. Определение длины волны для красных растворов

Рис. 6. Калибровочный график для определения Fe(+3)

Приложение 4

Рис.7. Серия стандартных растворов для определения общего железа

Рис.8. Определение длины волны для желтых растворов

Рис.9. Калибровочный график для определения общего железа

Приложение 5

Рис.10. Пример измерений и вычислений железа (+3) от 2.11.2017

Рис.11. Пример измерений и вычислений железа общего от 2.11.2017

Приложение 6

Рис.12. Яблоко, нашпигованное гвоздями

Рис.13. Определение Fe(+3) в яблоках с гвоздями и без гвоздей

Диаграмма 1. Динамика изменения содержания железа в образце «Башкирская красавица»

Приложение 7

Диаграмма 2. Динамика изменения содержания железа в образце «Штрифель»

Диаграмма 3. Динамика изменения содержания железа в образце «Московское позднее»

Диаграмма 4. Динамика изменения содержания железа в образце «Белый налив»

Приложение 8

Диаграмма 5. Динамика изменения содержания железа в образце «Антоновка»

Диаграмма 6. Содержание железа в разных сортах яблок

Диаграмма 7. Содержание железа в яблоках в эксперименте с гвоздями.

Просмотров работы: 4677