V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение белковых веществ и фосфора в зернах злаковых, бобовых, орехах и семенах масличных

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Нургалиева А.И. 1Погрешаева Е.О. 1Никифорова А.Д. 1

---

1МАОУ "Гимназия №37" Авиастроительного района г.Казани

Бухарова А.В. 1

---

1МАОУ "Гимназия №37" Авиастроительного района г.Казани

Работа в формате PDF

2.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мы все окружены изобилием информации о продуктах питания из различных источников (реклама продуктов, массивный маркетинг, доступность промышленных продуктов питания и современный, интенсивный образ жизни) и не всегда знаем, что полезно для нас. Между тем среди населения растет интерес к «здоровой» пище и возвращению к традициям. Всем известно такое понятие как пищевая пирамида. Основание ее содержит три группы продуктов. К ним относят овощи и фрукты, цельнозерновые продукты - источники так называемых «длинных углеводов», и растительные жиры, содержащие полиненасыщенные жирные кислоты (оливковое масло, подсолнечное, рапсовое и другие). Продукты из этих групп следует по возможности употреблять с каждым приёмом пищи. На второй ступени пирамиды находятся белоксодержащие продукты растительного происхождения: орехи, бобовые, семечки (семена подсолнуха, тыквы и др.).

Мы решили обратить наше внимание именно на эти продукты, так как они (как показывают справочные данные) содержат много полезных веществ и макроэлементов, такие как белок и фосфор. Последний нам особенно необходим в период усиленной подготовки к экзаменам. Мы поставили перед собой цели:

- определить колориметрическим методом содержание фосфора и азота (белковых веществ) в злаковых, бобовых, орехах и семенах масличных представленных на рынке;

- сравнить полученные данные с данными из источников;

- составить приблизительный рацион питания с учетом полученных данных.

Пищевая ценность злаковых, бобовых, орехов и масличных

Злаки сопровождают человека с момента появления на Земле. Это его самая первая и самая естественная пища, не только дающая силы, но и положительно влияющая на здоровье. Польза злаковых обусловлена их высокой энергетической ценностью в сочетании со сбалансированным витаминно - минеральным набором. В этом плане особо ценными считаются оболочки и зародыши зерен. Кроме растительной клетчатки, все злаковые культуры содержат крахмалистые углеводы, протеины и жиры. Крупы хороши еще и тем, что все блюда на их основе превосходно перерабатываются и отлично усваиваются.

Основная пищевая ценность бобовых культур заключается в высоком содержании в них белков. Они не имеют равных среди овощных растений. Бобы содержат необходимые организму витамины, а также такие важные минеральные вещества, как фосфор и железо. Бобы используют для приготовления супов, салатов, гарниров и для консервирования. Бобы могут долго храниться, не теряя своих качеств.

Орехи - богатейший источник белков и жиров растительного происхождения, поэтому некоторые народы по праву относят их к отличному заменителю мяса. Примечательно, что в составе орехов содержится приблизительно 60-70 процентов жиров, которые очень полезны и питательны. Они отличаются от животных жиров практически полным отсутствием холестерина и содержат жирные кислоты, поддерживающие в норме жировой обмен. Обладая повышенной калорийностью, орехи способны надолго насыщать человека, устраняя чувство голода. Помимо этого, состав орехов просто изобилует полезными минералами – магнием, калием, кальцием, железом, фосфором и другими.

Анкетирование

С целью определения ситуации, связанной с потреблением рассматриваемых нами продуктов, мы провели небольшое анкетирование среди 297 учащихся старших классов нашей гимназии. Мы попросили ответить респондентов на следующие вопросы:

1. Знаете ли вы о пользе употребления в пищу злаковых, орехов, семечек?__________

2. Считаете ли вы свой рацион питания сбалансированным?_________

3.Сколько раз в неделю в вашем рационе каша из злаковых или бобовых?

4. Какая каша ваша любимая?________________

Результаты опроса показали (приложение 1, диаграммы 1-4):

- более 90% старшеклассников знают о пользе злаков, орехов, семечек;

- при этом только 64% считают свой рацион сбалансированным (очевидно, понимая недостаточное потребление круп);

- совсем не едят каши 11%, тех, кто ест их 1-2 раза в неделю – около 55%, лишь треть опрошенных едят каши более 2-х раз в неделю;

- самыми любимыми крупами являются – овсяная, гречневая, манная, рисовая.

3. Экспериментальная часть

Из большого числа питательных веществ зерновых, бобовых и орехов в условиях школьной лаборатории возможно определить только белковый азот и фосфор. Для проведения экспериментов нами были взяты следующие образцы, купленные в крупном сетевом супермаркете:

Все образцы были подвергнуты мокрому озолению.

3.1. Мокрое озоление растительной навески

Перед озолением мы размололи зерна и орехи, предварительно подсушенные. Для размола мы использовали бытовую кофемолку, далее пропустили материал через сито. Отбор производили методом квартования.

Принцип метода[2]. Навеску вещества озоляют концентрированной серной кислотой и перекисью водорода. В полученном растворе после озоления можно определить азот и фосфор.

Ход анализа. Для сжигания навеску анализируемого вещества (около 0.2 г) перенесли в плоскодонную колбу емкостью 50 мл, прилили 1 мл перекиси водорода, затем через несколько минут, когда навеска намокла, добавили точно 2 мл серной кислоты (уд. вес 1.84) и перемешали круговыми движениями. Затем мы поставили колбу на заранее подогретую плитку и нагрели до побурения жидкости и выделения белых паров. При этом началась бурная реакция, в результате которой навеска полностью растворилась, а содержимое колбы стало слабоокрашенным. После сняли ее с плитки, немного охладили и добавили 2 капли перекиси водорода (до обесцвечивания жидкости) (приложение 2, рис.1,2,3) . После сжигания мы охладили колбу и разбавили ее содержимое дистиллированной водой до 50 мл.

Реакции при сжигании. При взаимодействии концентрированной серной кислоты с органическим веществом происходит отщепление воды и обугливание с выделением углерода, а также гидролиз белков на пептиды и аминокислоты. Одновременно, взаимодействуя с растительным веществом, серная кислота распадается: 2H₂SO₄→2SO₂+2H₂O+2O

Выделившийся атомарный кислород окисляет углерод органических веществ до углекислоты, а водород до воды: C+2O→2CO₂ 2H+O→2H₂O

Аналогичным образом взаимодействует и перекись водорода: в присутствии растительного материала она распадается на воду и атомарный кислород H₂O₂→H₂O+O, а последний окисляет органические соединения до воды и углекислоты: C₂H₁₂O₆+12O→6H₂O+6CO₂

Азотистые соединения (белки, аминокислоты и другие) окисляются атомарным кислородом, выделяющимся при разложении серной кислоты и перекиси водорода до углекислоты, воды и аммиака, который связывается свободной серной кислотой по схеме:

R∙CH∙NH₂∙COOH+nO→nCO₂+nH₂O+nNH₃

2NH₃+H₂SO₄→(NH₄₎₂SO₄

Выделяющийся в процессе озоления растительного вещества сернокислый газ, оксид углерода и вода улетучиваются.Фосфор органического вещества превращается в ортофосфорную кислоту.

3.2. Фотоколориметрическое определение

Концентрацию окрашенных веществ очень удобно определять фотоколориметрическим методом — по интенсивности поглощения света. Интенсивность поглощения света характеризуется оптической плотностью. 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 [3], [4]. Сделать это можно используя метод градуировочного графика. Для этого готовят серию растворов окрашенного вещества разной концентрации и строят график зависимости оптической плотности от концентрации раствора (градуировочный график). Измеряют оптическую плотность анализируемой пробы и, используя градуировочный график, определяют концентрацию вещества в пробе. Для фотоколориметрического метода подбирают такую длину волны, чтобы поглощение было максимальным[5].

3.2.1.Определение азота [2], [6]

Азотистые вещества, содержащиеся в растениях, представлены преимущественно белком. Кроме того, азот входит в состав нуклеиновых кислот, хлорофилла, алкалоидов и фосфатидов. Количество небелковых веществ в растениях обычно не превышает 10% от общего содержания азотистых веществ.

Принцип метода. При взаимодействии солей аммония с реактивом Несслера образуется комплексная соль желтого цвета. Интенсивность окраски раствора пропорциональна концентрации аммония и может быть измерена колориметрически. Реактив Несслера – щелочной раствор йодистой ртутнокалиевой соли – образует с аммонийными солями в сильнощелочной среде йодистый меркураммоний.

(NH₄₎₂SO₄ + 8KOH + 4K₂(HgI₄) = 2HgOHg(NH₂)I + 14KI + K₂SO₄ + 6H₂O

Ход анализа.

1 мл раствора, получившегося озолением, перенесли в мерную колбу емкостью 50 мл. Для нейтрализации избытка серной кислоты в эту колбу добавили 1 мл 2,5%-ного NaOH (KOH). Налили в колбу дистиллированной воды до 45 мл, взболтали, добавили 1 мл реактива Несслера, долили водой до метки, перемешивали и колориметрировали (приложение 3, рис.4,5).

Одновременно готовили образцовые растворы для построения калибровочной кривой.

После приготовления серии растворов окрашенного вещества разной концентрации (приложение 3, рис.6) произвели калибровку прибора и зафиксировали длину волны, на которой будут производиться измерения – 396,9 нм (приложение 4, рис.7).

Построили график зависимости оптической плотности от концентрации раствора - градуировочный график (приложение 4, рис.8).

Измеряли оптическую плотность анализируемой пробы и, используя градуировочный график, определили концентрацию вещества в пробе. Измерения проводились с помощью спектрофотоколориметра SpectroVisPlus (Vernier) (приложение 4, рис.9). Построение градуировочного графика и анализ данных осуществлялся с использованием программного приложения Loger Pro 3.8.6 [7]. Значения оптической плотности растворов выводился на монитор с точностью до 0,001, концентрация вещества с точностью до 0,00001. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты фотоколориметрического определения азота в бобовых

Таблица 2

Результаты фотоколориметрического определения азота в орехах и семенах масличных

Таблица 3

Результаты фотоколориметрического определения азота в злаках

Формула для определения содержания аммонийного, элементарного азота, а также пример вычислений в приложении 8.

3.2.2.Вычисление содержания белковых веществ в образцах

Азот, входящий в состав белка, называют белковым азотом; азот, входящий в состав других веществ – небелковый. Суммарный азот – общий. Небелковых веществ в растениях ≈ 10%. Кроме белка в растениях содержатся и другие азотсодержащие вещества – аминосахара, нуклеиновые кислоты, мочевина, свободные орг. кислоты и т.д.

На долю небелковых форм азота приходится в вегетативных органах 10-30% от общего азота, а в зерне - не более 10%. Содержание небелковых веществ к концу вегетации снижается, поэтому при анализе часто долей небелковых веществ пренебрегают. Определяют в этом случае общий азот (в процентах) и его содержание пересчитывают на белок [6].

Расчет количества белковых веществ ведут по количеству общего азота, умноженному на коэффициент, экспериментально установленный для различных видов белковых веществ в зависимости от содержания в них азота. Т.е. расчет содержания белка в образце выглядит следующим образом:

X% белка=(mбелка/mобразца)*100%

mбелка = mазота в образце/Wазота в молекуле белка = mазота в образце*K

X%белка=(mазота в образце*K/mобразца)*100%

Коэффициенты пересчета белковых веществ для различных пищевых продуктов взяты на основе ГОСТ Р ИСО 16634-1-2011 [10]. Физический смысл коэффициента - это величина обратная массовой доли азота в молекуле белка (не в продукте или образце, а в белке).

Таблица 4

Содержание белковых веществ в исследуемых образцах

3.2.3. Определение фосфора

Метод основан на частичном восстановлении Mo⁶⁺ фосфорномолибденовой гетерополикислоты до низших степеней валентности, в результате чего образуется «молибденовая синь», интенсивность окраски которой пропорциональна содержанию фосфорной кислоты в растворе.

PO₄^3- + 12MoO₄^2- + 3NH₄⁺ +24H⁺→(NH₄₎₃[PMo₁₂O₄₀]↓+ 12H₂O

Восстановление молибдена может быть произведено различными восстановителями: хлоридом олова (+2), аскорбиновой кислотой. Синяя окраска раствора пропорциональна содержанию фосфатовлишь в узких пределах кислотности и при определенном соотношении молибденовокислого аммония и восстановителя (в нашем случае хлористого олова). Оптимальная кислотность при восстановлении молибдена хлористым оловом соответствует 0,2 – 0,5 н. концентрации кислоты. При содержании кислоты, равном 0,8 – 1,0 н. окраска слабеет, а при концентрации выше 1,0 н. не появляется вообще. Окрашивание раствора проводят в сернокислой среде как более индифферентной по отношению к молибденовой сини по сравнению с растворами других кислот [6], [8], [9].

Мы приготовили серию эталонных растворов окрашенного вещества разной концентрации. Взяли 10 мерных пробирок емкостью 10 мл и в каждую из них прилили бюреткой нижеследующие количества рабочего (т. е. разбавленного) раствора KH₂PO₄ (приложение 5, рис.11).

Произвели калибровку прибора и зафиксировали длину волны, на которой будут производиться измерения – 844 нм (приложение 6, рис. 12). Построили график зависимости оптической плотности от концентрации раствора - градуировочный график (приложение 6, рис.13). Измеряли оптическую плотность анализируемой пробы и, используя градуировочный график, определили концентрацию вещества в пробе. Измерения проводились с помощью спектрофотоколориметра SpectroVisPlus (Vernier) (приложение 6, рис.14). Построение градуировочного графика и анализ данных осуществлялся с использованием программного приложения Loger Pro 3.8.6. Значения оптической плотности растворов выводился на монитор с точностью до 0,001, концентрация вещества с точностью до 0,00001.

Выполнение определения[9]. С помощью пипетки мы взяли 4 мл раствора и поместили в химический стаканчик емкостью 50 мл. Затем добавили 1 мл 2,5%-ного раствора молибденовокислого аммония в серной кислоте и перемешали раствор круговыми движениями, после чего внесли 2 капли свежеприготовленного раствора хлористого олова, долили дистиллированной водой до метки, закрыли сухими чистыми пробками и снова перемешали раствор 3–4-х-кратным перевертыванием колбы (приложение 7, рис.15). Вследствие того, что испытуемые растворы содержат разное количество фосфатов, интенсивность окраски была различной. Сравнения окрасок испытуемых и эталонных растворов произвели через 5 – 10 мин после прибавления олова.

Результаты измерений представлены в таблицах 5,6,7.

Таблица 5

Результаты фотоколориметрического определения фосфора в бобовых

Таблица 6

Результаты фотоколориметрического определения фосфора в злаках

Таблица 7

Результаты фотоколориметрического определения фосфора в орехах и семенах масличных

Пример измерений и вычислений содержания фосфора для образца «Чечевица красная» (приложение 7, рис.16).

Выводы

В ходе выполнения нашей работы мы выяснили, что достаточно высокий (>90%) процент учащихся знает о важности использования в своем рационе питания злаковых, бобовых и орехов. Тем не менее, лишь 33,5% употребляют регулярно каши, хотя многие любят. Мы постараемся их переубедить, так как результаты наших измерений показывают, что исследованные образцы круп из бобовых и злаковых, а также орехи и масличные, богаты содержанием белка и фосфора. Содержание белковых веществ в бобовых- 13,38% - 21,25%. Эти значения меньше, найденных нами в литературе данных (приложение 8, диаграмма 1). Содержание белковых веществ в орехах от 8,0% до 14,1%. Значения отличаются от справочных в меньшую сторону (приложение 8, диаграмма 2). Богаты содержанием белковых веществ и семена масличных культур: от 12,35% до 20,72%. Полученные значения также меньше справочных данных (приложение 8, диаграмма 3). Несколько меньше содержание белковых веществ в крупах из злаковых: от 7,12% -до 14,17%. Однако в данном случае почти все найденные нами значения выше справочных показателей (приложение 9, диаграмма 4). Анализ исследуемых образцов на содержание такого макроэлемента как фосфор показал, что его содержание высоко в красной чечевице – 0,62% (620 мг в 100 г продукта), семенах кунжута – 1,39% (1390 мг в 100г продукта), кукурузной крупе – 0,98% (980 мг в 100 г продукта). Это превышает значения, найденные нами в справочной литературе (приложение 9, диаграммы 5,6, приложение 10, диаграммы 7,8).

Учитывая, что вкусовые пристрастия формируются в детском возрасте, и что приготовлением еды занимаются взрослые члены семьи, необходимо уже в подростковом возрасте закладывать основы здорового питания, чтобы воспитать здоровую нацию.

Список литературы

Приложение 1

Результаты анкетирования старшеклассников

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

N = (a*C* А *100)/(H* b *1000), где

N – содержание аммонийного азота, %

a – количество раствора, полученного озолением, мл (50 или 100 мл)

C – концентрация азота по калибровочному графику, мг/л (приложение 5, рис.10)

b – количество раствора, взятого в колбу для колориметрирования, мл (1 мл)

А – количество раствора, в котором производили колориметрирование

H – навеска вещества, взятая для озоления, г (0,2г)

100 – для выражения в процентах

1000 – для пересчета граммов в миллиграммы

Пример вычислений по указанной выше формуле для образца «Перловая крупа»:

N = (0,05л*0,0019г/л*50мл*100)/0,2г*1мл=2,375 %

Диаграмма 5. Содержание фосфора в бобовых

Диаграмма 6. Содержание фосфора в семенах масличных.

Приложение 10

Диаграмма 7. Содержание фосфора в злаках

Диаграмма 8. Содержание фосфора в орехах