VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование химического состава чая

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чалов И.С. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №8"

Парамонова Л.А. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №8"

Работа в формате PDF

680.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность темы исследования. Чай – один из самых древних напитков, употребляемых человеком. По примерным подсчетам он является основным напитком почти для 2,5 млрд людей на земле.

Созданию чайного напитка мир обязан древней цивилизации Китая, ставшей географической и культурной родиной этого волшебного напитка.

Россия впервые знакомится с чайным напитком в 1618 году, когда послы из Китая преподносят российскому царю Михаилу Федоровичу Романову несколько ящиков превосходного китайского чая. А в 1679 году Россия заключает первый торговый договор, согласно которому чай поставлялся из Китая в Россию караванами через юго-восточную Сибирь и Среднюю Азию. Массовому употреблению чая в России способствовал Петр I, со времен которого чай стал традиционным русским напитком.

История отечественного чая берет свое начало с чайного куста, который был впервые высажен в 1817 году в Никитском ботаническом саду в Крыму. Первые плантации были заложены в 1884 году в Грузии, а немного позже - в 1900 году - в Краснодарском крае.

Чай - самым традиционный напиток в России. Вместе с тем, для некоторых людей его употребление крайне нежелательно.

Свойства чая зависят от химических веществ, входящих в его состав. Это и определяет актуальность нашего исследования.

Постановка проблемы. Можно ли в домашних условиях или в обычной школьной лаборатории выделить некоторые составные компоненты чая и провести с ними опыты?

Цель исследования: изучение химического состава чая.

Задачи исследования:

1) изучить литературу о самом распространенном напитке в мире: происхождении, свойствах, химическом составе;

2) провести мини-социологическое исследование с целью определения уровня знаний о чае;

3) изучить и сравнить по таблице химический состав черного и зеленого чая;

4) провести химические эксперименты с чаем.

5) проанализировать полученные результаты, сформулировать выводы.

Краткий обзор используемой литературы и источников.

Информацию по теме исследования я нашел в следующих изданиях: «Наш друг чай» грузинского публициста и большого энтузиаста исследования чая М. Д. Давитошвили, в Биологическом энциклопедическом словаре, книге Коробкина З.В. «Товароведение и экспертиза вкусовых товаров». Степкин Б.Д., Аликберова Л.Ю. в своей книге «Занимательные задания и эффектные опыты по химии» предложили методику проведения опытов для исследования чая. Так же были прочитаны и изучены книги, указанные в списке литературы, которые познакомили с неизвестными фактами о чае.

Степень изученности данного вопроса. Вопрос о химическом составе чая достаточно изучен.

Характеристика личного вклада автора работы в решение избранной проблемы. В результате проведенного нами исследования были изучены теоретические аспекты самого известного и древнего напитка - чая.

В домашних условиях и химической лаборатории были проведены опыты по выделению некоторых составных частей чая.

Глава 1. Теоретические аспекты изучения традиционного напитка.

1.1 Чай, как напиток

Чай – это один из самых древних напитков, употребляемых человеком. Чай имеет высокие вкусовые качества и тонкий изысканный аромат, обладает хорошим стимулирующим и лечебным действием на организм человека. Основная его ценность обусловлена содержанием в нем алкалоида кофеина и дубильных веществ (танинно-катехиновой смеси). Кроме того, в чае содержатся белковые вещества, пигменты, эфирные масла, витамины и минеральные вещества.

Одним из важных показателей качества готового чая является содержание в нем водорастворимых экстрактивных веществ, переходящих при заваривании в настой. Их количество зависит от вида и сорта чая: чем выше сорт, тем больше их содержание (28-40%).

Чай получают путем специальной переработки верхних частей побегов (флешей) вечнозеленого чайного растения семейства чайных. Чайное растение имеет блестящие темно-зеленые овальные листья с короткими черешками. На нижней стороне листа находятся серебристо-белые волоски, называемые по китайски байхоа (белая ресничка), откуда и произошло название рассыпного чая. Больше всего волосков бывает на верхних нежных листках и почке. При скручивании чайного листа выделяющийся клеточный сок оседает на волосках и ферментируется, придавая почке и верхнему нежному листку золотистый цвет. Чем выше в чае содержание золотистых чаинок – типсов, тем выше его качество.

Все многообразие чая делят на четыре основных типа: черный, зеленый, красный и желтый. Такое деление отнюдь не обусловлено чисто внешним видом, различной окраской чая, как в сухом виде, так и особенно в настое. Цвет является лишь внешним отражением различий в биохимических процессах обработки чайного листа, что, в конечном счете оказывает влияние на химический состав и основные вкусовые и ароматические признаки каждого типа чая.

Если при производстве черных чаев чайный лист проходит такие стадии обработки, как завяливание, скручивание, ферментация и сушка (или укороченная ферментация плюс термическая обработка), то при производстве зеленого чая две стадии - завяливание и ферментация - исключены. При этом специально стремятся к тому, чтобы избежать какой-нибудь случайной или попутной ферментации во время других стадий обработки.

Таким образом, черный (ферментированный) и зеленый (неферментированный) чаи являются как бы полюсными типами. Красный и желтый чаи являются промежуточными типами между черным и зеленым.

Оба они испытывают ферментацию, но в неполной, не доведенной до конца форме, поэтому их называют недоферментированными или полуферментированными чаями – и это их характерный признак.

1.2 Биологические свойства чая

Чай представляет собой уникальный концентрат ценнейших вкусовых, диетических и лекарственных веществ.

Наряду с алкалоидами (кофеин, теобромин и теофиллин), которые придают напитку стимулирующее свойство, в листьях чая содержатся биологически ценные вещества: танин, разнообразные витамины, микроэлементы, эфирные масла, растворимые азотистые соединения и все незаменимые аминокислоты.

В нем много различных фенольных соединений, которые придают напитку уникальные целебные свойства.

В большей или меньшей степени все они сохраняются в готовом чае и вместе с другими полезными соединениями при правильной заварке переходят в настой, тогда как балластные и вредные вещества чая остаются нерастворенными.

Ни один напиток не имеет такого богатого комплекса биологически ценных, целебных качеств. Лечебное и профилактическое действие чая делает его одним из важных средств современной медицины.

Сок свежих листьев, отвар, настой или экстракт различных сортов и видов чая применяются при различных патологиях.

Чай является прекрасным капилляроукрепляющим средством из-за содержания в нем разных витаминов и комплекса катехинов, обладающих витаминными свойствами.

Чай усиливает деятельность нервной системы и рассеивает сонливость, полезен как при дневной, так и при ночной работе, улучшает зрение, помогает человеку сосредоточить внимание, оказывает мочегонное, антитоксическое действие, повышает общий тонус организма.

1.3. Химический состав чая (Приложение 1, табл.1)

Чай изучают на протяжении веков, а над раскрытием его химического состава ученые трудятся по меньшей мере полтораста лет, только за последние десятилетия стало возможным получить сравнительно полное представление о том, какие химические вещества входят в состав чая. Но и сегодня некоторые химические вещества остаются в чае нераскрытыми либо распознанными лишь в самом общем виде.

Если еще в конце XIX века считали, что чай состоит из четырех-пяти основных веществ, то теперь в чае насчитывают десятки одних лишь крупных групп веществ, каждая из которых включает множество сложных и простых элементов. Общее число входящих в чай химических веществ и соединений пока еще невозможно подсчитать, десять – пятнадцать лет тому назад их насчитывалось около 130, а в настоящее время обнаружено уже около 300, причем 260 из них уже удалось идентифицировать, т. е. раскрыть их формулу.

Следовательно, чай – сложнейшее и разнообразнейшее по своему химическому составу растение.

Следует обратить внимание на шесть самых важных групп или составных частей чая: это дубильные вещества, эфирные масла, алкалоиды, аминокислоты, пигменты и витамины.

Дубильные вещества – один из существенных компонентов чая и чайного настоя. Они составляют 15-30% чая и представляют собой сложную смесь более трех десятков полифенольных соединений, состоящую из танина и различных (по крайней мере семи) катехинов, полифенолов и их производных.

Ферменты, или энзимы, содержатся в чае в основном в нерастворимом, связанном состоянии. Это биологические катализаторы. С их помощью происходят все химические превращения как в живом чайном растении, при его росте, так и в процессе фабричного приготовления чая. Основных ферментов чая три, а всего свыше десяти. Главные из них – полифенолоксидаза, пероксидаза и каталаза.

Эфирные масла имеются как в зеленом листе, так и в готовом чае. Несмотря на их крайне незначительное количество, они более других веществ, привлекали внимание человека: именно им справедливо приписывали неповторимый чайный аромат. От них, следовательно, зависит и качество чаев. Теперь установлено, что эфирных масел в зеленом листе чая содержится всего лишь около 0,02%. Это значит, что для получения 100 г этих масел в чистом виде надо переработать свыше полутонны чайного листа. Хотя при переработке чайного листа потеря эфирных масел достигает 70-80%, при этом происходит и другой процесс – возникновение новых эфирных масел.

Белковые вещества вместе со свободными аминокислотами составляют от 16 до 25% чая. Белки – важнейшая составная часть чайного листа. Белками являются все ферменты. Кроме того, белки служат источником тех аминокислот, которые возникают в процессе переработки чайного листа в готовый чай. По содержанию белков и их качеству, а, следовательно, по питательности чайный лист не уступает бобовым культурам. Особенно богаты белками зеленые чаи (среди них более всего японские).

Другую группу растворимых органических соединений в чае образуют органические кислоты (около 1%), в состав которых входят щавелевая, лимонная, яблочная, янтарная, пировиноградная, фумаровая и еще две-три кислоты. В составе чая они еще слабо исследованы, но ясно, что в целом они повышают пищевую и диетическую ценность чая.

Углеводы в чае содержатся разнообразные – от простых сахаров до сложных полисахаридов. Чем выше в сахаре процент содержания углеводов, тем ниже его сорт. Поэтому углеводы являются своего рода балластом для чая. К счастью, большинство их нерастворимы. Причем нерастворимы как раз ненужные человеку полисахариды – крахмал, целлюлоза, гемицеллюлоза, составляющие от 10 до 12% чая. Зато полезные углеводы – сахароза, глюкоза, фруктоза, мальтоза (их в чае от 1 до 4%) – растворимы.

Пигменты, входящие в состав чая, играют также немаловажную роль. Способность чайного настоя принимать разную окраску, давая всевозможные оттенки, от светло-зеленого до темно-оливкового и от желтоватого и розоватого, до красно-коричневого и темно-бурого, давно была замечена людьми и связывалась с наличием в чае различных красителей. Более тщательные исследования последних лет показали, что цветность настоя связана главным образом с двумя группами красящих веществ – теарубигинами и теафлавинами.

Первые, дающие красновато-коричневые тона, составляют 10% сухого чая; вторые, золотисто-желтую гамму, - лишь 2%.

Пектиновые вещества – это коллоидные вещества со сложным составом. Содержание их в чае колеблется от 2 до 3%. В присутствии сахаров и кислот они могут образовывать студенистые массы – желе. Пектины имеют немаловажное значение для сохранения качества чая: с ними связано такое физическое свойство чая, как его гигроскопичность.

При недостатке в чае пектиновой кислоты его гигроскопичность резко повышается, а, следовательно, чай портится быстрее. Дело в том, что пектиновая кислота покрывает каждую чаинку тонкой, слабопроницаемой для влаги желатиновой пленкой и таким образом играет для чая роль «дождевого плаща».

В чае присутствует чуть ли не весь алфавит витаминов. В нем имеется провитамин А – каротин, важный для нашего зрения. В чае представлена и обширная группа витамина В. Имеется и витамин С. В свежем чайном листе его в 4 раза больше, чем в соке лимона и апельсина. Но основным витамином чая является витамин Р. Витамин Р (или С2) в комплексе с витамином С резко усиливает эффективность аскорбиновой кислоты, способствует ее накоплению и задержанию в организме.

Глава 2. Практическая часть.

Экспериментальные аспекты исследования

2.1. Мини – социологическое исследование.

Определение уровня знаний о чае

Цель проведения:

1. С целью определения уровня знаний о чае было проведено анкетирование. (Приложение 2). В анкетировании принимали участие обучающиеся 9а, б, в классов - 91 чел.

Выводы:

2.2 Изучение по таблице химического состава черного и зеленого чая.

Из научной литературы были взяты и изучены сведения о химическом составе чая, отражающие состав черного и зеленого чая.

Химический состав чая

Выводы: Состав зеленого чая немного отличается от черного чая по содержанию дубильных веществ и кофеина. Чай представляет собой уникальный концентрат ценнейших вкусовых, диетических и лекарственных веществ.

2.3 Химический эксперимент. Химический состав чая и опыты с ним.

Цель эксперимента: провести химические опыты, подтверждающие качественный состав чая.

Опыт №1. Обнаружение кофеина. Качественная реакция на кофеин.

Методика проведения эксперимента. Содержимое чайного пакетика смешать с 2-3 каплями концентрированной азотной кислоты. Нагревал смесь на спиртовке. Данные анализа сравнивал с эталоном, полученным из таблетки цитрамона, содержащего 43% кофеина.

Вывод. Кофеин присутствует во всех образцах чая, в большем количестве в «Лисме», а в меньшем – в «Акбаре». (Приложение 3, фото 1, 2, 3, 4)

Опыт №2. Определение витамина С в чае.

Методика проведения эксперимента. Это определение проводил с помощью йодометрического метода. Поместил в колбу 2 мл чая и добавил воду до объёма 10 мл, а затем немного раствора крахмала. Далее по каплям добавлял раствор йода до появления устойчивого синего окрашивания, не исчезающего 10-15 с. Техника определения основана на том, что молекулы аскорбиновой кислоты легко окисляются йодом. Как только йод окислит всю аскорбиновую кислоту, следующая же капля, прореагировав с йодом, окрасит его в синий цвет.

Вывод. Большое количество витамина С содержится и в черном, и в зеленом чае, и в «Каркадэ», но в зелёном больше. (Приложение 3, фото 5,6,7)

Опыт №3. Определение кислотно-щелочного баланса.

Методика проведения эксперимента. В пробирку с чаем опускал индикаторную бумажку для определения рН, а затем сравнивал её с эталоном. Я заваривал чай в течение 5 минут и измерял значение рН с помощью универсального индикатора.

Вывод. Все исследуемые чаи имеют слабо-кислую среду, значит, людям с повышенной кислотностью желудка они не представляют опасности. (Приложение 3, фото 8)

Опыт №4. Определение танина в чае визуально-колориметрическим методом.

Методика проведения эксперимента. К 1 мл раствора черного и зеленого чая добавлял 1-2 капли хлорида железа (Ш). Наблюдал появление тёмно-фиолетового окрашивания.

Выводы. Тёмно-фиолетовое окрашивание раствора чая означает наличие танина в чае. Танин есть и в черном и в зеленом чае, но большее количество его - в зеленом. (Приложение 3, фото 9)

Опыт №5. Изменение окраски чая в зависимости от рН среды.

Заваренный чай имеет различную окраску. Особенно насыщенным цветом обладает чай «Каркадэ», т.к. он приготовлен из ярких цветков растения гибискус. Окраска зависит от содержания антоцианов - красящих веществ клеточного сока цветков, плодов и овощей. Окраска антоцианов может меняться в зависимости от реакции среды.

Наиболее интересные опыты по изменению окраски с чаем «Каркадэ».

Методика проведения эксперимента. К напитку добавлял небольшие количества щелочи и наблюдал изменения окраски от ярко-красного до ярко зеленого. Универсальной индикаторной бумажкой измерял рН среды.

Изменение окраски чая «Каркадэ» в зависимости от рН среды.

Выводы: Опыт показал, что окраска чая (антоцианов - красящих веществ) изменяется в зависимости от реакции среды от ярко-красного – в щелочной среде до коричнево-черного в нейтральной и ярко-зеленого – в кислой. Чай «Каркадэ» можно использовать в качестве индикатора.

Наиболее интересные опыты по изменению окраски я провел с чаем «Каркадэ». (Приложение 3, фото 10)

Изменение окраски чая «Каркадэ» в зависимости от среды.

Опыт 6. Наличие красителей.

Методика проведения эксперимента. В исследуемые образцы при комнатной температуре опускал одинаковые кусочки лимона. Лимон вступает в реакцию с красящими веществами самого чая, в соответствии с этим можно судить о том, что чем больше произошло обесцвечивание чая по сравнению с исходной, тем более вероятно, что чай присутствует.

Вывод: в исследуемых образцах («Каркадэ» и «Лисма») красители присутствуют в огромном количестве, видимо, самого чая в исследуемом образце минимально. (Приложение 3, фото 11, 12)

Опыт №7. Получение экологически чистого кипятка.

Для приготовления ароматного, вкусного, полезного чая нужна достаточно чистая вода. Водопроводная вода, как известно, содержит много нежелательных и даже токсичных примесей. Это могут быть ионы металлов, прежде всего железа, меди и цинка. Ионы железа попадают в воду за счет коррозии стальных труб, медь – за счет коррозии различной запорной арматуры, а цинк – из оцинкованных водопроводных труб. Содержание железа в водопроводной воде не должно превышать 0,3 мг/л, содержание меди – 1,0 мг/л, цинка- 1,0 мг/л. Кроме того, за счет хлорирования воды образуются очень токсичные хлорорганические соединения – диоксины. Регулярное использование неочищенной водопроводной воды может нанести существенный вред здоровью.

Предлагаю дополнительный способ очистки воды в электрочайниках с помощью таблеток активированного угля.

Методика проведения эксперимента. Для этого понадобится активированный уголь в таблетках, который продается в аптеках и очень дешев. Одноразовые пакетики можно изготовить из одноразовых пакетиков для заваривания чая. Для этого использованный пакетик высушивают, вскрывают его нижнюю кромку ножницами, высыпают использованную заварку и помещают туда 2 таблетки активированного угля (на 1л). Кромку пакета заворачивают и герметизируют с помощью степлера. Полученный фильтр на ниточке помещают в электрочайник, включают его и как обычно получают кипяток для чая. При нагревании воды до температуры кипения происходит интенсивное поглощение активированным углем ионов металлов и вредных органических веществ. В результате получают 1л экологически чистого кипятка. (Приложение 3, фото 13, 14)

Заключение

Целью данного исследования было изучение химического состава чая.

Цель была достигнута в результате решения поставленных задач:

изучена различная литература о самом распространенном напитке в мире: о происхождении, свойствах, химическом составе; проведено мини-социологическое исследование с целью определения уровня знаний о чае;

изучен и сравнен по таблице химический состав черного и зеленого чая;

проведены химические эксперименты с чаем, проанализированы полученные результаты и сделаны соответствующие выводы.

Химический состав чая очень разнообразен и сложен.

Проблема, поставленная в работе, решена: в обычной школьной лаборатории можно выделить некоторые составные компоненты чая и провести с ними опыты.

Я узнал много интересного о самом распространенном и полезном напитке - чае. Эти знания пригодятся мне в дальнейшей жизни.

Список использованных источников и литературы

Биологический энциклопедический словарь. Гл. ред. М.С.Гиляров., А.А.Баев –М.:Сов. Энциклопедия, 1989;

Л.А. Боровикова. Товароведение продовольственных товаров.- М.: Экономика, 1988;

Коробкина 3. В. Товароведение и экспертиза вкусовых товаров. — М.: КолосС, 2003;

К. С. Ладоло, Э.Г. Щербакова, В.В. Гаврюшов и др. Биологические активные добавки и возможности их использования в питании./ Педиатрия. 1988, №9;

А.М. Новикова, Т.С. Голубкина, Н.С Никифорова. Товароведение и организация торговли продовольственными товарами. – М.: Профобриздат, 2001;

Ольхин О. Опыты без взрывов. — М.: Химия, 1986;

В.В Похлебник. Чай. – М.: Центрополиграф, 1997;

Смоляр В. И. Рациональное питание. — Киев: Наукова думка, 1991;

Стёпин Б. Д., Аликберова Л. Ю. Занимательные задания и эффектные опыты по химии. — М.: Дрофа, 2002;

Тюкавкина Н. А. Органическая химия. — М: Дрофа, 2008;

Цоциашвили И. И. Химия и технология чая. — М.: Агропромиздат, 1989;

Химия в школе. №6,2011г, Л.А Яковишин «Химические опыты с чаем каркадэ»;

Химия в школе. №8, 2011, В.К, Половняк «Как получить экологически чистый кипяток»;

Интернет-ресурсы:

http://cstea.ru/

http://www.tea.ru/272-2383.html

http://www.tea4you.ru/useful3.html

Приложение 1

Таблица №1: Химический состав чая

Приложение 2

Вопросы для анкетирования:

Нравится ли вам чай?

Какой чай вы употребляете: А) черный, Б) зеленый В) «Каркадэ»

Предпочитаете пить чай: А) крепкий, Б) некрепкий

Количество стаканов в день: А)1-2, Б)3-5 В) более 5

Какой химический состав имеет чай?

Какое влияние оказывает на организм чай?

Приложение 3