VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Химический анализ отходов переработки плодового сырья банана и перспективы применения в медицине.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Орлик В.А. 1

---

1Ресурсный Центр "Медицинский Сеченовский Предуниверсарий"

Нестерова Н.В. 1

---

1Кафедра фармацевтического естествознания ФГАОУ ВО Первый МГМУ имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет).

Работа в формате PDF

826.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность проблемы. На сегодняшний день проблема складирования отходов выходит на первое место в рейтинге самых острых проблем. Продукты переработки, попадающие на свалки, остаются лежать там очень долго. Мусор в первую очередь загрязняет почву, делая ее не пригодной для использования. Также, отходы загрязняют воздух и воду, потому что при гниении выделяются вещества, опасные как для животных, так и для людей. Ежегодно в России на свалках выделяется в атмосферу 1,5 миллиона тонн метана и 21,5 миллиона тонн углекислого газа. Помимо этого в воздух также попадает аммиак и сероводород.

В 2015 году аналитическая компания Frost&Sullivan провела анализ отходов в России. По результатам исследования было выявлено, что на свалки попало 57 миллионов тонн твердых бытовых отходов. Также, изучая полученные результаты, было составлено процентное соотношение видов мусора, попавших на свалку, в Москве и Московской области. Бытовой мусор, который попадал ежегодно на свалку, превышал по весу 11 миллионов тонн, из них : 22% это пищевые отходы, 17% бумага и картон, 16% занимает стекло, 13% приходится на пластик. Металлы, ткань и древесина занимают по 3%, остальные виды отходов оценены в 20%.

Многие исследователи и ученые на протяжении многих лет пытаются решить проблему переработки мусора. Одним из вариантов решения является вторичное использование отходов. Однако на свалки попадает лишь 94% мусора, из которых 2% сжигается, а 4%- перерабатывается. Схема использования мусора показана на рисунке 1 (рис. 1).

Рисунок 1.

Все это заставляет нас задуматься о том, как можно усовершенствовать процессы переработки и использования мусора, с целью очищения окружающей среды.

Исходя из схемы (рис. 1) можно сделать вывод о необходимости разработки методов использования отходов разных групп. В нашей работе на анализ была взята группа пищевых отходов. Данный выбор был сделан исходя из следующих причин:

Заинтересованность в разработке метода использования отходов пищевого сырья.

Доступность.

Для исследования были взяты отходы переработки растительного сырья, оставшиеся после использования растений, а конкретно бананов.

Бананы - многолетнее травянистое растение рода банан (лат. musa) семейства банановые (лат. Musaceae), привлекающее к себе внимание не только ярко-жёлтым цветом, но и мягким кремовым вкусом кожуры. Этот род объединяет около 70 видов бананов, часть из которых активно культивируется и используется в различных сферах.

Родиной банана, по мнению ученых, является регион Малайзии. Ещё в древние времена люди упоминали плоды этого растения в своих трудах. Так, самое раннее упоминание об экзотических плодах появилось в первом памятнике индийской литературы «Ригведа» (6-й век до.н.э). Также, банан упоминался в труде «История растений» древнегреческого философа Теофраста, который впервые попытался систематизировать растения. Географическое расположение произрастания бананов установил в труде «Центры происхождения культурных растений» Николай Иванович Вавилов – один из современников, ставших основоположником научной селекции.

Банан является одним из самых популярных плодов. Компания FruitNews провела исследование, согласно результатам которого было выявлено, что импорт фруктов и овощей на территорию Российской Федерации вырос на 17% и составил 7,1 млн. тонн (Сравнивались результаты, полученные в 2017-2018 годах). Из импортируемого объема фруктов 22% пришлось на бананы. В 2017 году Россия стала второй страной-импортером бананов в мире (1,5 млн т), обогнав Германию, но уступив первое место США.

Бананы не растут на территории Российской Федерации по причине неподходящих климатических условий, поэтому их доставляют из других стран. Крупнейшим импортером этих плодов является Эквадор. В июле 2018 года экспорт бананов с территории этого государства 96,5% от общего объема экспорта (106 тыс. тонн). Однако Эквадор не единственный поставщик бананов. Плоды также ввозятся с территорий Мексики, Гватемалы и Коста-Рики, но уже в меньших объемах.

С чем же связана столь высокая популярность банана среди населения? Ответ лежит на поверхности – людей привлекает яркая окраска плодов, а также неповторимый и нежный вкус. Кроме того, в банане содержится множество микро и макроэлементов, витаминов и минералов, которые нужны нашему организму. Химический состав плодов приведен в таблице 2 (табл. 2).

Таблица 2.

Плоды банана находят широкое применение в самых различных сферах:

Продукт питания - самая обширная сфера применения банана. Из этого растительного сырья получают банановые нектары, соки, пастилу, цукаты (высушенные бананы), крема, мармелад, различные коктейли и смузи. Бананы едят в сыром виде, предварительно окунув их в шоколад и посыпав орехами. Так как банан является очень калорийным фруктом с большим содержанием углеводов, то его употребляют в сыром виде перед походами в тренажерный зал, чтобы запастись энергией.

Косметология. Мякоть банана применяют в качестве различных масок для волос, а также кожи лица и тела, с целью увлажнения. Из банановой кожуры получают банановое масло, которое также используется для увлажнения и питания волос.

Домашняя медицина. Бананы активно применяют дома в качестве лекарства. Например, экзотический фрукт употребляют как средство от изжоги. Употребив несколько бананов можно прекратить расстройство желудка (понос), так как они обладают вяжущими

свойствами. С помощью кожуры банана вытаскивают занозы, устраняют синяки и бородавки.

Сельское хозяйство. Бывает так, что бананы не успевают употребить до момента их порчи, но люди нашли применение и на этот случай.

Испортившиеся бананы применяют в качестве удобрения для растений и почвы. Так как банан - органическое сырье, то срок перегнивания очень мал. Его закапывают в неплодородную землю, где он, в результате разложения, образует компост, тем самым удобряя землю и повышая ее плодородность.

Подводя итоги вышесказанного можно сделать вывод о том, что:

Банан очень калорийный, питательный и вкусный плод, с чем связана его большая популярность среди населения.

Большой объем импорта бананов в Россию порождает большое количество пищевых отходов.

Все это дает толчок к изучению отходов переработки плодов банана и поиску рационального использования отходов. В нашей исследовательской работе рассматривается возможность применения банановой кожуры в сфере медицины.

Целью данного исследования стало изучение научной и патентной литературы, отражающей возможности использование отходов переработки плодов банана, химический анализ банановой кожуры и выводы о возможности применения данного вида сырья в медицине.

Задачи исследования:

Изучение научной и патентной литературы.

Подготовка растительного сырья к химическому анализу.

Химический анализ отходов переработки плодов банана с применением качественных реакций на биологически активные вещества.

Анализ результатов, полученных после проведения химического анализа.

Выводы.

Обзор литературы

Многие ученые и исследователи в связи с проблемой загрязнения окружающей среды проводят массу опытов и исследований, которые помогли бы использовать отходы переработки в качестве вторсырья в той или иной сфере производства. Рассмотрим несколько из этих исследований.

В одной из научных статей авторы рассматривают банановую кожуру, как целлюлозосодержащий реагент, с помощью которого можно

очищать сточные воды от ионов тяжелых металлов: кобальта (Co2+), никеля(Ni2+), цинка(Zn2+). Для этого предлагается использовать почерневшую кожуру банана в качестве сорбционного материала. Отходы переработки плодов требуется очистить от мездры, обработать кислотой, а затем промыть и просушить [1. c 107].Также кожура плодов банана используется как достаточно дешевый реагент, с помощью которого можно очищать сточные воды, восстанавливая ионы хрома Cr6+ до ионов Cr2+ [2. c 243].

Еще в одном научном источнике автор рассматривает сгнившую банановую кожуру в качестве сырья, из которого можно получать муку - наполнитель для древесно-полимерных композитов [3. c 160].

Известен способ получения анодного углеродного материала для натрий-ионного аккумулятора. Из отходов переработки плодов получают твердый углерод, в который затем внедряют ионы натрия [4. c 126].

Банановая кожура используется как целлюлозосодержащее и сахаросодержащее сырье для производства этилового спирта низкой степени очистки – биоэтанола. Из 1000г получается 160 мл спирта с концентрацией 45% [5. c 226].

Еще одним из способов применения банановой кожуры является использование ее, как источника пищевых волокон. Сначала вторичные продукты отделяют от плодов (банановая кожура составляет 35% от массы плода), затем кожуру сушат, измельчают и подвергают двухэтапному ферментативному гидролизу [6. c 12].

Опираясь на информацию, полученную в ходе изучения патентной и научной литературы, можно сделать вывод о том, что растительное сырье вполне может быть использовано не только в качестве добавок к основному составу того или иного продукта, но и быть основным компонентом состава.

Объекты и методы исследования.

Объектом исследования стала банановая кожура, полученная от плодов бананов, соответствующих требованиям ГОСТР 51603-2000 «Бананы свежие. Технические условия». Результаты анализа плодов банана на соответствия требованиям ГОСТ представлены в таблице 3 (табл. 3).

Таблица 3.

Далее, была сделана спиртовая настойка банановой кожуры по следующему механизму:

1. Банановая кожура была измельчена до порошкообразного состояния.

2. Полученное сырье было смешано с 40% раствором этанола в соотношении 1:5 (1часть – порошок банановой кожуры, 4 части - раствор этанола).

3. Полученная масса настаивалась в темном холодном месте в течение недели.

Основная часть

Практическая часть

Следующим шагом нашего исследования стал химический анализ сырья и проведение качественных реакций с целью выявления биологически активных веществ. План проведения качественных реакций представлен на таблице 4 (табл. 4).

Таблица 4.

Перед началом проведения качественных реакций спиртовая настойка была отфильтрована с помощью воронки и фильтровальной бумаги, а затем разлита в 5 одинаковых пробирок. В каждой из пробирок находился одинаковый объем вещества.

Опыт 1. Первая качественная реакция была проведена для выявления в растительном сырье дубильных веществ и флавоноидов. В пробирку со спиртовой настойкой был добавлен раствор соли, содержащий в себе ионы железа (Fe3+). При наличии гидролизуемых дубильных веществ раствор в пробирке должен стать черно-синего цвета, при наличии конденсированных – черно-зеленое. При наличии в спиртовой настойке флавоноидов, цвет в пробирке может поменяться на зеленый (флавонолы), а также на коричневый (халконы, ауроны, флаванолы). Если в растворе содержатся вещества с рядовой триоксигруппировкой в кольце В, то содержимое пробирки окрасится в черно-синий цвет, выпадет осадок. В результате реакции раствор, находящийся в пробирке, поменял цвет на светло-коричневый, а следовательно данная качественная реакция не показала наличие дубильных веществ в настойке, однако было выявлено содержание в растительном сырье халконов, флаванолов и ауронов. Результат проведения качественной реакции показан на рисунке 5 (слева) (рис. 5).

Опыт 2. Вторая качественная реакция проводилась с целью выявления в спиртовой настойке флавоноидов. При добавлении в пробирку раствора, содержащего ионы свинца (Pb2+), флавоноиды должны

выпасть в осадок. Осадок может быть от желтого до оранжево-красного цвета. В результате проведения качественной реакции выпал почти невидимый белый осадок. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что данная реакция не подтвердила наличие флавоноидов в растительном сырье. Результат проведения реакции представлен на рисунке 5 (справа) (рис. 5).

Рис. 5.

Опыт 3. Третья качественная реакция проводилась с целью выявления в растительном сырье аминокислот. По-другому эта реакция называется Биуретовая реакция и используется как качественная реакция для распознавания белков. При добавлении к содержимому пробирки раствора, содержащего ионы меди (Сu2+), белки дают фиолетовое окрашивание. Цвет комплекса, получаемый при проведении реакции, может отличаться. Это обусловлено различной длиной пептидной цепи. Пептиды, имеющие от четырех аминокислотных осадков и выше, образуют комплекс красного цвета, трипептиды дают фиолетовое окрашивание, а дипептиды – синее.

Результатом проведения качественной реакции стало получение голубого раствора в пробирке (рис 6). При прогревании полученного раствора над пламенем спиртовки образовался осадок грязно-зеленого цвета (рис. 7). В конечном итоге мы не можем говорить о том, что реакция подтверждает или опровергает наличие в растительном сырье аминокислот, так как реакция не подходит ни под одно из описаний.

Рис. 6. Рис. 7.

Опыт 4. Четвертая качественная реакция была проведена, чтобы доказать наличие в растительном сырье флавоноидов. По- другому эта реакция называется Цианидиновая проба. Она основана на восстановлении водородом карбонила пиронового кольца и образовании антоцианидинов, дающих окраску раствора от оранжевого до малиново-красного цвета. При добавлении в спиртовое извлечение нескольких капель концентрированной хлороводородной кислоты, а также 20-30 г порошка магния или цинка, окрашивание наступает моментально. Реакцию дают флавоны, флавонолы и флаваноны.

В результате проведения цианидиновой пробы содержимое пробирки поменяло цвет на ярко-оранжевый цвет. Это дает нам право утверждать, что в кожуре банана находятся флавоноиды. Результат проведения качественной реакции представлен на рисунке 8 (рис. 8).

Рис. 8.

Опыт 5. Пятая реакция проводилась для определения в спиртовой настойке сапонинов. При встряхивании извлечения должна образоваться густая устойчивая пена.

В результате проведения реакции обнаружения сапонинов была получена пена, которая не была устойчива и быстро пропадала (рис. 9). Исходя из этого можно сделать вывод, что данная реакция не выявила наличия сапонинов в растительном сырье.

Рис. 9.

Итоги химического анализа представлены в таблице 10 (табл. 10).

Таблица 10.

Заключение

Результаты и обсуждения.

Исходя из результатов, полученных в ходе проведения химического анализа растительного сырья, было доказано наличие в спиртовом извлечении флавоноидов, что делает возможным рассмотреть возможности применения банановой кожуры в сфере медицины.

Для начала нужно понять, что из себя представляют флавоноиды.

Флавоноиды - фенольные соединения, содержащие в своей структуре фрагмент дифенилпропана (С6-С3-С6) и представляющие собой чаще

всего производные флавана (2-фенилхроман) или флавона (2-фенилхромон). Термин «флавоноид» был предложен в 1949 году английским ученым Гейссманом, спустя век после открытия первого флавоноида – кварцерина. В чистом виде флаваноиды представляют собой кристаллические соединения с определенной температурой плавления, имеющие светло-желтую, желтую или желтовато-зеленую (флавоны, флавонолы), оранжевую или оранжево-красную (ауроны), красную или синюю окраску (антоцианы). Довольно часто встречаются и бесцветные флавоноиды — изофлавоны, катехины, флаваноны, флаванонолы. Разделение флавоноидов по группам представлено в таблице 11 (табл. 11).

Таблица 11.

Свойства флавоноидов.

Флавоноиды активно применяются в медицине. Из растений, в которых содержится это биологически активное соединение, делают отвары, настои и другие виды препаратов. Все дело в том, что флавоноиды имеют широкий спектр действия:

Капиляроукрепляющее

Кардиотоническое

Гипотензивное

Седативное

Противовоспалительное

Мочегонное

Гипоазотемическое

Противовирусное

Противоопухолевое

Выводы:

Подводя итоги можно сделать несколько важных выводов:

На данный момент активно ведутся исследования, с помощью которых можно спасти окружающую среду.

После проведения химического анализа было установлено, что вторичные продукты переработки плодов банана содержат в себе биологически активные вещества, которые можно получать и применять в медицине.

Так как в кожуре банана содержатся флавоноиды, рациональным будет применять данный вид сырья в медицинских целях.

Список литературы

В. В. Ульянова, Н. А. Собгайда, С. В. Степанова. Адсорбенты на основе отхода машиностроительного предприятия – С. 107-110.

В. С. Чиркова, Н. А. Собгайда, Ф. А. Рзазаде, И. Г. Шайхиев. Влияние магнитного поля на процесс очистки сточных вод от ионов хрома отходами металлообработки – С. 243-247.

А. Е. Шкуро, В. В. Глухих, П. С. Кривоногов, О. В. Стоянов. Наполнители аграрного происхождения для древесно-полимерных композитов (обзор) – С. 160-163.

Т. Л. Кулова, А. М. Скундин. От литий-ионных к натрий-ионным аккумуляторам – С. 122-150.

С. Б. Чачина, А. В. Двоян. Получение биоэтанола из органического сырья – С. 224-228.

М. Е. Цибизова, Г. И. Касьянов. Фам Тхи Ми. Совершенствование технологии получения пищевых волокон из вторичных ресурсов переработки плодов манго и бананов в республике Вьетнам – С. 1-25.

ГОСТР 51603-2000 «Бананы свежие. Технические условия».

Г. Б. Володина, И. В. Якунина. Лабораторный практикум по органической химии.

Г. М. Федосеева, В. М. Мирович, Е. Г. Горячкина, М, В, Переломова. Фитохимический анализ растительного сырья, содержащего флавоноиды.

Ю. С. Тараховский, Ю. А. Ким, Б. С. Абдрасилов, Е.Н. Музафаров. Флавоноиды: биохимия, биофизика, медицина.