XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разделение растительных пигментов и изучение их свойств
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Природа одарила нас уникальным даром — цветовым зрением, благодаря которому мы можем наслаждаться красотой растительного мира. С надеждой мы любуемся нежной зеленью весенней листвы и с ностальгией воспринимаем желто-оранжевую палитру осеннего леса. Кто из нас не восхищался яркими красками цветущего луга, лесной опушки или осенней листвы, не радовался дарам сада и поля?
Но далеко не всем известно, откуда у природы такая богатая палитра цветов. Всей этой красотой обязаны мы специальным красящим веществам – пигментам, которых в растительном мире известно около 2 тысяч.
Актуальность
Задумывались ли вы: отчего зеленые листья осенью желтеют или краснеют? Почему лепестки ромашки белые, а первые весенние листочки тополя красноватые? Почему окружающие растения окрашены именно так, а не иначе, как возникает огромное богатство цветов и оттенков? Мы можем предположить, что различная окраска растений зависит от пигментов.
Растительные пигменты выполняют множество функций, например, их окраска привлекает насекомых-опылителей и птиц, распространяющих семена. Многие природные пигменты принимают участие в фотохимических процессах.
Проект направлен на выделение пигментов из органов растений и изучение их свойств, что позволит ответить на множество интересующих нас вопросов и расширить наши знания о мире растений.
Цель работы: получение экстрактов пигментов из растительного сырья и исследование их физико-химических свойств.
Задачи:
1.подобрать и проанализировать научную и научно- популярную литературу по теме;
2. систематизировать сведения о классификации, строении и физико-химических свойствах пигментов;
3. приготовить вытяжки хлорофиллов и каротиноидов и фитоцианидов из растительного сырья;
4. в ходе эксперимента изучить физико-химические свойства пигментов;
5. используя методы Крауса и хроматографии, получить фракции хлорофиллов и коратиноидов;
6. использовать вытяжкуантоцианов из краснокочанной капусты для определения pH растворов;
7. провести анализ результатов.
Гипотеза: получив экстракт пигментов, можно выделить отдельные виды пигментов из смеси и изучить их строение и проанализировать их физико-химические свойства.
Объект исследования: растительные пигменты.
Предмет исследования: получение экстрактов растительных пигментов и изучениеихфизико-химические свойств.
Методы исследования
-
Изучение и анализ литературы;
-
эксперимент;
-
наблюдение;
-
анализ;
-
сравнение.
Глава 1. Теоретическая часть. Обзор литературы
1.1. Что такое пигменты
Пигменты растений — это органические соединения, присутствующие в клетках и тканях растений и окрашивающие их. Они отвечают за цвет растений и помогают им адаптироваться к окружающей среде. Пигменты не только придают растениям эстетическую привлекательность, но и выполняют важные функции, такие как поглощение света, защита от ультрафиолетового излучения и привлечение опылителей.
Окраска пигментов растений (и самих растений) зависит от химического строения пигмента, pH среды, температуры, наличия в структуре ионов металлов.
1.2. Классификации и функции пигментов растений
В зависимости от окраски пигменты делятся на:
-
хлорофилл - зелёный пигмент, самый главный пигмент растений. Придаёт хлоропластам и всему растению зелёную окраску;
-
бетулин - белый красящий пигмент;
-
антоцианы - розовые, сиреневые, синие, фиолетовые пигменты;
-
флавоны и флавонолы — жёлтые пигменты.
-
каротиноиды - жёлтые, оранжевые, красно-коричневые цвета.
-
меланины - чёрно-коричневые пигменты [4].
1.2.1. Хлорофиллы
Пигменты хлорофиллы — это зеленоватые пигменты с порфириновым кольцом. Это стабильная кольцевая молекула с беспрепятственной миграцией электронов. Поскольку электроны свободно перемещаются, кольцо может легко получать или отдавать электроны и, следовательно, передавать заряженные электроны другим молекулам. Это основной способ, с помощью которого хлорофилл «улавливает» солнечную энергию.
Хлорофилл наиболее эффективно излучает свет в сине-фиолетовой части спектра и усиливает воздействие электромагнитного излучения, отражая при этом зелёный свет, который придаёт растениям характерный зелёную окраску. Этот пигмент необходим для преобразования солнечной энергии в форму, которую могут использовать живые организмы, поддерживая энергетический поток в экосистемах.
Рис.1. Строение молекулы хлорофилла
Структура хлорофилла сложна и состоит из нескольких отдельных компонентов (рис.1).
Порфириновое кольцо: основная структура хлорофилла - большое стабильное кольцо, состоящее из атомов углерода и азота.
Ион магния (Mg²⁺): в центре порфиринового кольца находится ион магния. Он имеет решающее значение для способности молекул хлорофилла влиять на интенсивность света.
Фитоловый хвост: к порфириновому кольцу прикреплён длинный гидрофобный фитольный хвост. Этот хвост прикрепляет молекулы хлорофилла к тилакоидной мембране внутри хлоропласта, благодаря чему они становятся частью фотосинтетических комплексов.
Боковые цепи: порфириновое кольцо имеет различные боковые цепи, включая метильные (CH₃), этильные (C₂H₅) и формильные (CHO) группы. Эти боковые цепи влияют на абсорбционные свойства хлорофилла, позволяя ему эффективно улавливать свет.
Наиболее распространённый хлорофилл, встречающийся в растениях, хлорофилл а, имеет следующую химическую формулу: C₅₅H₇₂O₅N₄Mg
Виды хлорофилла
Существует четыре основных вида хлорофиллов: a, b, c и d.
Хлорофилл А. \Он содержится во всех высших растениях и является основным пигментом, используемым в фотосинтезе. Он также присутствует в некоторых водорослях, цианобактериях и анаэробных фототрофах. Хлорофилл a поглощает фиолетово-синий и оранжево-красный свет, отражая сине-зелёный.
Хлорофилл В. Этот пигмент содержится в зелёных растениях и действует как вспомогательный пигмент для хлорофилла a. Он поглощает оранжево-красный свет и отражает жёлто-зелёный свет.
Хлорофилл С. В основном встречается в морских водорослях, таких как бурые водоросли, диатомовые водоросли и динофлагелляты. Он имеет уникальное порфириновое кольцо.
Хлорофилл D.Присутствует в красных водорослях и цианобактериях, которые живут на большой глубине и используют красный свет для фотосинтеза.
Хлорофилл Е. Редкий пигмент, обнаруженный в некоторых золотистых водорослях. Он был обнаружен в ксантофитах (жёлто-зелёных водорослях).
Хлорофилл F. Недавно было обнаружено, что хлорофилл F поглощает инфракрасный свет, который находится за пределами видимого диапазона. Его функция всё ещё изучается [6,7].
1.2.2. Каротиноиды
Каротиноиды — жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого, красного цвета - присутствуют в хлоропластах всех растений. Они входят также в состав хромопластов в незеленых частях растений, например в корнеплодах моркови. В зеленых листьях каротиноиды обычно незаметны из-за присутствия хлорофилла, но осенью, когда хлорофилл разрушается, именно каротиноиды придают листьям характерную желтую и оранжевую окраску. В настоящее время известно около 400 пигментов, относящихся к этой группе.
Каротиноиды классифицируют на две основные группы:
- каротины. Это углеводороды, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода. Примеры: бета-каротин, альфа-каротин и ликопин.
- ксантофиллы. Содержат атомы кислорода в дополнение к углероду и водороду. Примеры: лютеин, зеаксантин и виолаксантин.
Каротиноиды не могут напрямую передавать энергию солнечного света в процессе фотосинтеза, а вместо этого должны транспортировать её через хлорофилл. Поэтому они известны как вспомогательные пигменты.
Они выполняют ряд функций, главные из которых: 1) участие в поглощении света в качестве дополнительных пигментов, 2) защита молекул хлорофиллов от необратимого фотоокисления. Возможно, каротиноиды принимают участие в кислородном обмене при фотосинтезе[4].
1.2.3. Фикобилины
Синезеленые водоросли (цианобактерии), красные морские водоросли и некоторые морские криптомонады помимо хлорофилла и каротиноидов содержат пигменты фикобилины. Наиболее известные представители фикобилинов - фикоэритробилины и фикоцианобилины. Первые преобладают у красных водорослей и определяют их цвет, вторые - у сине-зеленых.
Максимумы поглощения света у фикобилинов находятся между двумя максимумами поглощения у хлорофилла: в оранжевой, желтой и зеленой частях спектра.
Основная функция фикобилинов, как и каротиноидов, заключается в дополнении способности хлорофилла поглощать свет, поглощая энергию там, где хлорофилл неэффективен. Фикобилины поглощают свет в диапазоне от зелёного до красного, тогда как каротиноиды поглощают в основном в сине-зелёной области[2].
1.2.4. Антоцианы
Антоцианы — это антиоксиданты, которые содержатся во фруктах и овощах красного, фиолетового или синего цвета. Они относятся к семейству флавоноидов. Флавоноиды — это антиоксиданты, которые являются частью более широкой группы, известной как полифенолы.
Антоцианы не только придают яркую окраску частям растений. Эти пигменты, появляющиеся в листьях и стеблях при воздействии пониженных температур, служат своего рода "ловушкой" солнечных лучей. В молодых побегах и листьях растений антоцианы ранней весной превращают световую энергию в тепловую и защищают их от холода. Усиленное образование антоцианов в клетках растений происходит при остановках синтеза хлорофилла, при интенсивном освещении ультрафиолетовыми лучами. К осени они накапливаются в листьях, изменяя (совместно с каротиноидами) зеленый наряд природы на красно-желтый. Считается, что антоцианы защищают растения и от вредного воздействия солнечного цвета на цитоплазму. Антоцианы предохраняет растения и окружающую среду от кислотных газов промышленных предприятий[2].
Глава 2. Практическая часть
Пигменты как объект химического эксперимента
2.1. Методы разделения пигментов
При работе с реактивами и нагревательными приборами необходимо соблюдать правила техники безопасности. В ходе эксперимента мы использовали два метода разделения пигментов.
Разделение пигментов по Г. Краусу
Метод разделения пигментов по методу Грегора Крауса основан на различной растворимости пигментов в спирте и гептане (бензине). Эти растворители при сливании не смешиваются и образуют две фазы: верхнюю – гептановую (бензиновую), нижнюю – спиртовую, поэтому и происходит разделение компонентов смеси[3].
Хроматографический метод
Хроматографический метод — это аналитическая техника, используемая для разделения, идентификации и количественного анализа компонентов смеси. Основная идея хроматографии заключается в том, что компоненты смеси распределяются между двумя фазами: подвижной и неподвижной. Хроматографический метод разделения пигментов, впервые предложенный русским ученым Михаилом Семёновичем Цветом, заключается в пропускании раствора, содержащего смесь пигментов через слой адсорбента. Различные пигменты, обладая неодинаковой растворимостью в данном растворителе и разной адсорбируемостью, передвигаются по мере движения растворителя с различной скоростью и располагаются на адсорбенте в разных местах. Чем выше растворимость пигмента в растворителе, тем быстрее он будет передвигаться, и тем дальше от старта будет располагаться зона этого пигмента. С этим методом разделения пигментов познакомила и помогла освоить кандидат химических наук, доцент кафедры химии Сурова И.И.
2.2. Экстракция пигментов из зелёного растительного сырья
Методика проведения. Несколько свежих неповрежденных зелёных листьев измельчаем, добавляем мел для нейтрализации кислот клеточного сока и 10 мл этилового спирта. Растираем в фарфоровой ступке до однородной зеленой массы. Приливаем 20 мл этилового спирта и осторожно продолжаем растирание (рис.2). [1].
Рис.2, 3. Приготовление спиртовой вытяжки пигментов из листьев герани
Полученную спиртовую вытяжку фильтруем (рис.3).
Наблюдения. Спирт окрашивается в интенсивно зеленый цвет.
Вывод. Хлорофилл растворяется в этиловом спирте.
2.3. Эксперимент с хлорофиллом
2.3.1. Доказательство влияния магния на цвет хлорофилла
Методика проведения. Приливаем по 2–3 мл спиртовой вытяжки пигментов в три чистые пробирки. Одна из пробирок контрольная, в две другие добавляем по 2–3 капли 10% - ного раствора соляной кислоты [3,5].
Наблюдения. Цвет раствора меняется на жёлто-бурый: в результате взаимодействия с кислотой магний в молекуле хлорофилла замещается двумя атомами водорода и образуется вещество бурого цвета – феофитин (рис.4,5).
Вывод. Нарушение структуры приводит к изменению цвета хлорофилла.
Рис. 4. Вытяжки хлорофилла Рис.5. Образование феофитина
2.3.2 . Получение хлорофиллоподобных производных цинка и меди (II)
М етодика проведения. Феофитин разливаем в четыре пробирки. Одну из пробирок с феофитином оставляем для контроля, в другую вносим на шпателе немного кристаллогидратов сульфата цинка ZnSO4, в третью кристаллогидрат сульфата меди (II) CuSO4, а в четвёртую – хлорида меди (II) CuCl2. Пробирки помещаем в стакан с горячей водой (80 - 90 0С). (Можно нагреть на водяной бане до кипения 5 минут).
Наблюдение. Бурый цвет раствора вновь меняется на зелёный (рис.6).
Вывод. Атом цинка и меди замещает атомы водорода (заместившие ранее магний) в молекуле хлорофилла. Цвет хлорофилла зависит от наличия металлоорганической связи в его молекуле.
Рис.6. Восстановление окраски хлорофилла под действии солей цинка и меди
2.3.3. Действие щёлочи на хлорофилл (щелочное омыление)
М етодика проведения. Наливаем в пробирку 2 – 3 мл спиртовой вытяжки пигментов, добавляем 4 – 5 капель 20%-ного раствора щёлочи и встряхиваем смесь.
Наблюдения. Цвет раствора не изменился.
Вывод. Цвет раствора не изменился, так как соли хлорофиллина имеют зеленую окраску (ри.7.)
Рис. 7. Образование натриевой соли хлорофиллина
В пробирку добавляем бензин, чтобы общий объем жидкости в пробирке увеличился в 2 раза, взбалтываем и даём отстояться.
Наблюдение. Нижний спиртовой слой окрашивается в зеленый цвет образовавшейся натриевой солью хлорофиллина, нерастворимой в бензине (в отличие от хлорофилла). Верхний слой бензина окрашен в жёлтый цвет пигментом каротином (рис.8).
Рис.8. Разделение хлорофиллина и каротиноидов
Вывод. Спиртовая вытяжка листа содержит два жёлтых пигмента: каротин и ксантофилл. В спиртовом слое находится и пигмент ксантофилл, но его окраска маскируется интенсивно зелёным цветом натриевой соли хлорофиллина.
2.4. Разделение фотосинтетических пигментов методом бумажной
хроматографии
Методика проведения. На хроматографической бумаге отмечаем линию. Не менее 5 раз по каплям наносим пипеткой с тонко оттянутым концом спиртовой вытяжки листьев герани на бумагу.
На дно хроматографической камеры наливаем уайт-спирит – это чистый бензин. Опускаем хроматографическую бумажку в камеру так, чтобы нижний край бумажки был слегка погружён в бензин. После завершения разделения вынимаем бумажку и обводим линию финиша и границы получившихся полос с оттенками зелёного, жёлтого цветов.
Наблюдения. В парах бензина начинается разделение пигментов на отдельные слои (полосы –пятна). Через несколько минут на бумаге появилась зеленая полоска хлорофилла, а выше нее — оранжеватые полосы каротина и светло-желтые ксантофилла. В зеленой зоне можно различить две полосы: сине-зеленую (хлорофилл а) и зеленую (хлорофилл b). Медленнее всех поднимается зеленый хлорофилл b, быстрее – ксантофилл и еще быстрее сине-зеленый хлорофилл а.
Вывод. Спиртовая вытяжка листа содержит хлорофилл а и b, два желтых пигмента – каротин и ксантофилл и различным поглощением их хроматографической бумагой.
2.5.Разделение пигментов по Краусу
М етодика проведения. В пробирку приливаем 2 мл вытяжки листьев герани, 3 мл бензина и закрываем пробкой. Встряхиваем пробирку в течение 2 - 3 минут и даём отстояться. Модно добавить 2 капли воды для лучшего разделения.
Наблюдения. Происходит разделение жидкости на 2 слоя: верхний зелёный бензиновый (как более легкий), нижний –жёлтый спиртовой. Жёлтый цвет спиртовому раствору придает пигмент ксантофилл. В бензиновом слое находятся 2 пигмента: хлорофилл и каротин, который не заметен из-за интенсивно-зеленого цвета хлорофилла (рис.9).
Рис.9. Разделение пигментов по Краусу
Вывод. В спиртовой вытяжке наряду с хлорофиллом присутствуют жёлтые пигменты: жёлто-оранжевый каротин и золотисто-жёлтый ксантофилл. Растворимость хлорофилла и каротина в бензине выше, чем в спирте. Ксантофилл в бензине не растворяется.
2. 6. Экстракция каротиноидов из биомассы и опыты с ними
Экстракция каротиноидов
М етодика проведения. Исходное сырье (морковь) измельчаем, добавляя гидрокарбонат натрия в массовом соотношении 1:10 с целью нейтрализации органических кислот; кроме того, колбы оборачиваем черной бумагой для уменьшения воздействия света, т.к. каротиноиды являются светочувствительными соединениями. Приливаем 95% раствор спирта. Полученный экстракт фильтруем (рис.10) [1].
Рис.10. Экстракция каротиноидов
Наблюдения. Спирт окрашивается в оранжевый цвет.
Вывод. Каротиноиды растворяются в этиловом спирте.
Определение групп каротиноидов в корнеплодах моркови
Методика проведения.Разделение спиртовой вытяжки пигментов по методу Крауса. Основано 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.
Н аливаем в пробирку 3 мл спиртовой вытяжки пигментов из сока корнеплодов моркови, столько же бензина и 2 капли воды. Энергично перемешиваем содержимое пробирки в течение двух минут и даём смеси отстояться.
Наблюдения. Жидкость в пробирке разделилась на два слоя: бензин, как более лёгкий, оказался наверху, спирт – внизу. Оба слоя имели различную окраску: бензиновый – бесцветную , спиртовой – жёлтую (рис.11).
Рис.11. Разделение каротиноидов
Вывод. В нижнем спиртовом слое содержится ксантофилл.
2. 7. Экстракция антоцианов из биомассы и опыты с ними
Получение водной вытяжки
Методика проведения.50 г растительного сырья (листья краснокочанной капусты) помещаем в ступку и измельчаем с небольшим количеством мела, добавляем около 50 мл воды и фильтруем получившийся раствор.
Наблюдения. Получается вытяжка фиолетового цвета.
Исследование изменения окраски антоцианов в различных средах
М етодика проведения. Полученную вытяжку антоцианов разливаем по 2 мл в три пробирки. Пробирка под номером 2 – контроль, в первую пробирку добавляем по каплям 10% раствор соляную кислоты HCI (кислая среда), в третью 10% раствора гидроксида натрия NaOH(щелочная среда).
Наблюдение. Происходит изменение окраски вытяжки в первой и второй пробирках (рис.12).
Вывод. В кислой среде антоцианы окрашиваются в красный цвет, в щелочной – в жёлтый[3].
Рис. 12. Окраска антоцианов в кислой и щелочной среде
Выводы
В ходе выполнения работы все поставленные задачи были решены.
1.Подобрали и проанализировали научную и научно- популярную литературу по теме исследования;
2. систематизировали сведения о классификации, строении и физико-химических свойствах пигментов;
3. приготовили вытяжки хлорофиллов и каротиноидов и антоцианов из растительного сырья;
4. в ходе эксперимента изучили физико-химические свойства пигментов;
5. используя метод бумажной хроматографии и Крауса, научились разделять растительные пигменты;
6. использовали вытяжкуантоцианов из краснокочанной капусты для определения pH растворов.
Подтвердили гипотезу: получив экстракт пигментов, можно выделить отдельные виды пигментов из смеси и изучить их строение и проанализировать их физико-химические свойства.
Заключение
Исследование пигментов растений представляет собой важную область, обладающую значительным потенциалом, как для науки, так и для практического применения. Пигменты, такие как хлорофилл, каротиноиды и антоцианы, не только играют ключевую роль в фотосинтезе и защите растений, но и имеют широкий спектр применения в промышленности, медицине и экологии.
Понимание свойств и функций растительных пигментов открывает новые горизонты для разработки экологически чистых натуральных красителей, фармацевтических препаратов и косметических средств.
Кроме того, исследования в этой области могут служить основой для образовательных программ, повышающих осведомленность о значении растительного мира и его роли в экосистемах. В конечном счете, изучение пигментов растений не только углубляет наши знания о биологии и экологии, но и предоставляет практические решения для современных вызовов в области здоровья, экологии и устойчивого развития.
Таким образом, дальнейшие исследования пигментов растений имеют большое значение для будущих научных открытий и внедрения инновационных технологий, способствующих улучшению качества жизни и сохранению природы.
Используемые источники
-
Батурицкая Н. В., Фенчук Т. Д. Удивительные опыты с растениями: Книга для учащихся. – Мн.: Народная Асвета, 1991. – 208 с.: ил.
-
Корулькин Д.Ю. Природные флаваноиды /Д.Ю. Корулькин, Ж.А. Абилов, Г.А. Толстиков. – Новосибирск: Наука, 2007. – 296с.
-
Быкова Е. Физиология растений. Практикум в ЦПМ. Часть 4. Методы определения пигментов [электронный ресурс]
URL:https://www.youtube.com/watch?v=c8od-Hli6VI
-
Грищенко А., Кодацкая С.В.Игра цветов, или Пигменты в нашей жизни
[электронный ресурс] URL: ttp://bio.1september.ru/view_article.php?ID=201000604
5. Занимательные опыты по химии. Опыты с природными объектами/ Яковишин Л.А. СевХимПортал - Севастопольский химический портал. URL: http://www.sev-chem.narod.ru/opyt.files/priroda.htm
6. Пигменты растений публичная лекция Института цитологии и генетики. [электронный ресурс] URL: https://www.youtube.com/watch?v=x2fn1kVulG0
7. Порфирины. ХиМиК. Сайт о химии. [электронный ресурс] URL: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3649.htm
Приложение 1
Знакомство с методом бумажной хроматографии
Занятие учащимися МБОУ «Гимназия №13» г. Алексин проводит кандидат химических наук, доцент кафедры химии ТГПУ Ирина Игоревна С.