VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Химический состав чая
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Чай — это настоящий химический склад. Причем, склад с постоянно меняющимся ассортиментом, если можно так сказать. Химический состав чая меняется — на всех этапах своего превращения из растения в глоток подлинного наслаждения. Чай уникален, полезные свойства чая — это настоящий подарок природы человеку. Вряд ли найдется еще один продукт, который может синтезировать столь разные вещества и растворять самые полезные из них.
Теоретическая часть
История появления чайного напитка
Чай – обычный и ежедневный для многих напиток. О нем много написано и сказано. Свое название чай получил от китайского слова «чай», что в переводе означает «молодой листочек». Созданию чайного напитка мир обязан древней цивилизации Китая, ставшей географической и культурной родиной этого волшебного напитка. По началу чайное растение используется как ритуальное и лекарственное средство, употребляемое буддийскими монахами ( 770 - 476 гг. до н. э.). Несколько веков спустя чайные листья начинают употреблять в пищу. Существовало множество рецептов блюд с использованием чайного растения, существенно отличающихся от современных представлений о чайном напитке. Так, согласно одному и самых известных способов приготовления, чайные листья сминались в своеобразные лепешки, подсушивались на огне, а затем заливались кипятком и смешивались со специями, рисом, солью и другими компонентами в зависимости от традиций. Результатом подобных экспериментов становится возникновение плиточного чая, который получает распространение в Китае с VII в. н. э. Плиточный чай представлял собой измельченный спрессованный в небольшие пилюли чайный лист, который в процессе приготовления разогревался над паром, растирался в порошок, а затем варился в подсоленной воде. На смену плиточному чаю приходит традиция порошкового чая. Чай приобретает статус элитного национального напитка и распространяется исключительно в кругу китайской аристократии. В этот же период Китай начинает вести чайную торговлю по Шелковому пути. Так о существовании чая впервые узнают жители Индии, Турции, Средней Азии.
Химический состав чая
Состав чая – это сложный комплекс питательных веществ, которые положительно влияют на человеческий организм, а в целом представляют собой очень полезный и вкусный напиток. Около 200 лет люди занимаются исследованиями состава чая. Но до сих пор нет полной ясности, и не все его ингредиенты познаны и даже обнаружены. Чай - это сложнейшее по своему химическому составу растение. Оно содержит более 300 химических веществ и соединений.
Вода — главная составная часть чайного листа и та среда, в которой происходит взаимодействие веществ. Высокое содержание воды способствует энергичному протеканию биохимических реакций, а её дефицит приводит к снижению активности ферментных систем и, следовательно, к замедлению скорости протекания реакций.
Сухие вещества можно условно разделить на растворимые в горячей воде и нерастворимые. К первой группе относятся вещества, положительно влияющие на качество чая: фенольные соединения (танин, катехины, фенолкарбоновые кислоты и т. д.), эфирные масла и альдегиды, кофеин, теобромин и теофиллин, аминокислоты, витамины, ферменты, водорастворимые углеводы, микро- и макроэлементы и др.. Ко второй группе относятся балластные вещества, т. е. отрицательно влияющие на качество чая: высокомолекулярные полимеры (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, протопектин, пектиновая кислота), хлорофиллы, нерастворимые белки и т. п. При огрублении чайного сырья содержание веществ первой группы постепенно уменьшается, а второй — увеличивается. Экстрактивными веществами или экстрактом называют водорастворимую фракцию сухого вещества. Нерастворимую фракцию, состоящую из балластных веществ, которые остаются в чае после заваривания, называют заваркой. Чем больше экстрактивных веществ, тем выше качество и биологическая ценность чая.
Алкалоиды — азотсодержащие вещества, широко распространённые в растительном мире. В чайном листе содержатся также алкалоиды, которые принадлежат к гетероциклическим соединениям и представляют собой органические основания, поэтому они дают соли с кислотами (винной, яблочной, лимонной и др.). В чайном растении образуется и накапливается преимущественно кофеин, содержание которого может достигать 2-3%. Высокое содержание кофеина в чае указывает на его качество. Кофеин широко применяется в медицине как стимулятор ЦНС, вызывает повышение жизнедеятельности всех тканей организма, усиливает обмен, дыхание и кровообращение, возбуждение корковых процессов, обладает также диуретическим действием. Субъективно общий эффект от физиологического воздействия кофеина на организм человека часто связывают с подъёмом активности, бессонницей и способностью сосредоточиться на утомительных работах. Такой эффект длится примерно 30 мин. Несмотря на то что кофеин в организме не накапливается, чрезмерное потребление чая (более 600 мг кофеина в день, что соответствует примерно 6 чашкам чая) может привести к своеобразному наркологическому заболеванию — «кофеизму» (беспокойство, сердцебиение, бессонница, головная боль и т. д.). Смертельная доза кофеина для человека составляет около 10 г (примерно 200 чашек чая). Поэтому отравления кофеином не происходит. Как показывают последние исследования, кофеин способствует уничтожению в организме энзима — вещества, которое может вызвать некоторые виды рака и образование тромбов.
Фенольные соединения - эта группа составляет наиболее ценную часть зелёного чайного листа и представлена в основном катехинами и их галловыми эфирами. Фенольные соединения включают в себя свыше 30 близких по природе соединений, их содержание достигает 25% сухой массы чайного листа. Они принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, которые протекают при ферментации чайного листа, и тем самым влияют на вкус, цвет настоя и частично — аромат готового чая.
Углеводы — важная группа химических соединений, входящих в состав чайного растения. Водорастворимые углеводы — глюкоза и фруктоза имеют одинаковую эмпирическую формулу С6H12О6. Они отличаются тем, что в глюкозе содержится альдегидная группа, а во фруктозе — кетонная. Со временем в чайном листе увеличивается содержание моносахаридов и сахарозы. Среди полисахаридов в чае обнаружены целлюлоза, гемицеллюлоза и крахмал.
Целлюлоза — основной структурный полисахарид клеточной стенки растения. В зависимости от вегетационного периода содержание целлюлозы составляет от 6 до 10%. По мере старения листа её количество резко увеличивается.
Азотсодержащие вещества не алкалоидной природы представляют собой белковые вещества, аминокислоты и амиды чая. Белки — сложные высокомолекулярные природные соединения (полипептиды), построенные из остатков А-аминокислот. Антоцианы — пигменты, объединяющие группу красящих веществ растений, которые участвуют в окраске плодов, листьев, цветков и других органов растений.
Лейкоантоцианы — вещества, которые накапливаются в органах чайного растения в сравнительно меньшем количестве, чем другие гликозиды.
Органические кислоты выполняют в жизни растения весьма важные и многообразные функции. В чае содержатся такие кислоты, как лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная, а также уксусная, пировиноградная, щавелево-уксусная и ряд кислот фенольной природы. Минеральные вещества содержатся как в чайном листе, так и в готовой продукции. В состав минеральных веществ входят калий, фосфор, кальций, магний, сера, железо, марганец, фтор и др.
Калий - содержание в чайном листе составляет 50-60% от массы минеральных веществ. Калий играет огромную роль в жизнедеятельности чайного растения. Его значение в общем обмене веществ, так и в синтезе углеводов и белковых соединений.
Фосфор - содержание в чайном листе составляет 15-20% от массы всех минеральных веществ. В почке и в первом листе этого элемента больше, чем в нижних и грубых листьях чайного побега. Магний - входит в состав молекулы хлорофилла.
Медь и железо - незначительное содержание этих элементов, они входят в состав некоторых физиологически важных органических соединений, таких, как ферменты ортодифенолоксидазы (медь) и пероксидазы (железо).
Марганец- существенная роль в окислительно-восстановительных процессах, содержание которого составляет 1-4% от общей массы минеральных веществ.
Эфирное масло — сложная смесь веществ, относящихся к самым разнообразным классам соединений, растворимых в органических растворителях и обладающих способностью улетучиваться с водяным паром. Один из важнейших показателей качества чая — аромат, который обусловлен наличием эфирного масла и смолистых веществ. В образовании аромата чая существенную роль играют ароматические альдегиды. С учетом специфики потребления чая в виде водного экстракта особое внимание уделено водорастворимым витаминам в составе сырья и готовой продукции. Витамины — это группы сравнительно низкомолекулярных органических соединений разнообразной химической природы. По растворимости они подразделяются на две большие группы: растворимые в жирах и растворимые в воде. К жирорастворимым относятся витамин А, отсутствие которого связывается с нарушением роста; витамин D — антирахитический фактор; витамин К, необходимый для нормального свёртывания крови; витамин Е (токоферолы) — антигеморрагический фактор. К водорастворимым относятся витамины группы В, С, биотин, инозит, фолиевая кислота, витамин U (метилметионин). С учётом того, что потребление чая осуществляется в виде водного экстракта, особое внимание уделено водорастворимым витаминам в составе чая.
Витамин С - чайный лист богат витамином С (L-аскорбиновая кислота). Однако в процессе переработки чайного листа содержание этого витамина резко уменьшается, особенно при ферментации и сушке. Это происходит вследствие того, что витамин С принимает самое активное участие в окислительно-восстановительных процессах.
Витамин B - играет важную роль в процессах превращений углеводов. Содержание витамина В, в чае в среднем составляет 0,3-10 мг на 1 кг сухого сырья. Витамин В2 - это азотистое основание жёлто-оранжевого цвета, которое содержит остаток пятиатомного спирта. Рибофлавин вместе с фосфорной кислотой входит в состав окислительно-восстановительных ферментов — оксиредуктаз. В процессе переработки чайного листа рибофлавин не разрушается и почти полностью переходит в готовый чай. Таким образом, знакомство с химическим составом чая показывает, что природа создала в чайном листе своеобразный химический склад.
3.Искусство заваривания чая
Полезные свойства чая, которые в нем содержатся, напрямую зависят от искусства заваривания чая и его хранения. Известно, например, что в железной посуде получается «ржавая» заварка — неприятного бурого цвета. Таким образом чай реагирует на железо. Китайцы активно и давно экспериментируют с материалом заварочников — их тончайшие фарфоровые сосуды созданы не только красоты ради. Правильно заваривать чай — не только красивое искусство, но условие, при котором полезные свойства чая раскрываются в полной мере. Кстати, количество полифенолов можно проверить следующим образом: если после охлаждения напитка он мутнеет, значит, все в порядке, поскольку полифенолы растворяются в достаточной степени только в горячей воде.
Экспериментальная часть
Объекты исследования.
Черный и зеленый чай — это напитки, «собранные» не с разных кустов, как думают многие, а с одного и того же — чайного. И тот, и другой — ЧАЙ, просто по-разному обработанный. Другими словами, хоть и одно растение-кустарник, да два продукта, достаточно сильно разнящихся по вкусу и химическому составу. И по полезности, кстати, тоже — зеленый чай полезнее черного. Фруктовый чай – по сути и не чай, так как он содержит листья и плоды фруктовых деревьев и не содержит кофеина в виду отсутствия чайного листа. Является хорошей альтернативой компотам. Подавать такие чаи можно и в горячем виде, и в холодном. Полезные свойства фруктового чая и вкус при этом сохраняются. Смесь разнообразных листьев, ягод, фруктов и цветов содержит полный набор полезных веществ и витаминов, утоляет жажду и укрепляет организм. Ассортимент огромен, что позволяет выбрать чай на любой вкус.
Результаты исследования
Во время выполнения работы было получено много полезной и интересной информации о чае. По научным данным, зеленый чай обладает более выраженными целебными свойствами, чем черный, но его употребляют реже. С целью проверки знаний учащихся о чае было проведено анкетирование.
В анкетировании участвовало 90 человек, ученики 6-9 классов.
Вопросы анкеты: 1. Нравится ли вам чай?
2. Какой чай вы употребляете: А) черный, Б) зеленый В) фруктовый
3. Предпочитаете пить чай: А) крепкий, Б) некрепкий
4. Количество стаканов в день: А)1-2, Б)3-5 В) более 5
5. Какой химический состав имеет чай?
6. Какое влияние оказывает на организм чай?
|
Предпочтение к употреблению чая |
Результат опроса, количество учащихся в процентах |
|
|
Разновидность чая |
Черный |
77 |
|
Зеленый |
10 |
|
|
«Фруктовый» |
13 |
|
|
Крепость чая |
Крепкий |
35 |
|
Не крепкий |
65 |
|
|
Количество стаканов в день |
1-2 |
18 |
|
3-5 |
70 |
|
|
Более5 |
12 |
|
|
Химический состав чая |
Знаю |
6 |
|
Не знаю |
94 |
|
|
Влияние на организм |
Полезное |
76 |
|
Вредное |
6 |
|
|
Не знаю |
18 |
Как показало анкетирование, предпочтение отдают черному чаю, т.к. этот напиток более привычный и традиционный (77%).Оказывается, о полезных свойствах зеленого чая знают не многие (10%), а чай «Фруктовый» пробовали всего лишь (13%) опрошенных. Не крепкий чай пьют 65% участников опроса и это правильно. От 3до 5чашек в день выпивают 70% ,это говорит о популярности напитка, более 5 -12%,совсем мало пьют чая от1до2 чашек- 18% опрошенных. Химический состав чая знают единицы(6%). Большинство учащихся (76%)считают чай полезным для организма, указывают на его вредное влияние (6%) .
Для исследования было взято три вида чая: пакетированные черный, зеленый и чайный напиток «Фруктовый».
2. Исследование состава чая - химический эксперимент (приложение А)
Цель: провести химические опыты, подтверждающие качественный состав чая.
Опыт №1 Качественная реакция на кофеин
На фарфоровую пластину поместили 0,1 г чая, добавляли 2-3 капли концентрированной азотной кислоты. Смесь осторожно выпарили досуха. В результате окисления кофеина образуется вещество оранжевого цвета. При реакции с концентрированным раствором аммиака это вещество превращается в пурпурат аммония.
Опыт №2 Определение витаминаС в чае
Помещаем в колбу 2 мл чая и добавляем воду до объёма 10 мл, а затем немного раствора крахмала. Далее по каплям добавляли раствор йода до появления устойчивого синего окрашивания, не исчезающего 10-15 секунд. 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 йод в синий цвет.
Опыт №3 Определение кислотно-щелочного баланса
В пробирку с чаем, опускали индикаторную бумажку для определения рН, а затем сравнивали её с эталоном.
Опыт №4 Определение танина в чае
К 1 мл раствора чая добавляли 1-2 капли хлорида железа (Ш). При наличии танина в чае наблюдали появление тёмно-фиолетового окрашивания.
Опыт №5. Изменение окраски чая в зависимости от рН среды
Заваренный чай имеет различную окраску. Особенно насыщенным цветом обладает чай
« Фруктовый», т.к. он приготовлен из ярких цветков растения гибискус. Окраска антоцианов может меняться в зависимости от реакции среды.
Опыт №6 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. Предлагаем дополнительный способ очистки воды в электрочайниках с помощью таблеток активированного угля. 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.). 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.
Правила употребления чая:
Не пить чай натощак – это может быть вредно для пищеварительной системы;
Не пить слишком горячий или слишком холодный чай. Горячим можно обжечься, а от холодного банально застудить горло;
Не пить чересчур крепкий чай. Высокая концентрация кофеина в таком напитке плохо влияет на самочувствие человека. Особенно, не рекомендуется пить крепкий чай людям, страдающим гипертонией, глаукомой, при обострении язвы желудка;
Не заваривать чай слишком долго – это ухудшает его вкусовые и питательные качества;
Не запивать чаем лекарства, так как они могут плохо усваиваться. Лекарства вообще лучше всего запивать чистой водой.
Не заваривать многократно черный чай;
Не пить вчерашний чай – он не только не содержит полезных веществ, но и может навредить организму.
Чай и здоровье.
С давних времён чай славился своими целебными свойствами. Недаром изначально его использовали исключительно в качестве лекарственного средства, позже — как ритуальный напиток, и лишь потом он вошёл в повседневное употребление. Чай препятствует развитию сердечнососудистых заболеваний. Результаты научных исследований позволяют предположить, что потребление чая снижает риск развития сердечнососудистых заболеваний. В чём же причины такого воздействия? Во-первых, чай способствует нормализации кровяного давления. Во-вторых, чай обогащает кровь витаминами, делает стенки сосудов более упругими и эластичными и, кроме того, эффективно снижает уровень сахара и холестерина в крови. Регулируя углеводный и холестериновый обмен, этот напиток уменьшает риск развития атеросклероза — одного из наиболее распространённых заболеваний сердечнососудистой системы. Чай снижает вероятность развития онкологических заболеваний. С 70-х гг. XX в. учёные исследовали антираковое действие чая. Результаты исследований показали, что любители чая гораздо реже страдают раковыми заболеваниями, чем люди, практически не употребляющие этот напиток. Это уникальное свойство чая напрямую связано с высоким содержанием в нём полифенольных веществ. Не случайно у многих народов обильные трапезы традиционно завершаются чаепитием. Чай усиливает активность пищеварительного тракта и нормализует микрофлору кишечника. Крепкий чайный настой очищает органы пищеварения — желудок, почки и печень — от различных вредных веществ. Многие сорта чая благотворно влияют на слизистые оболочки пищевода и желудка, обволакивая их и создавая своеобразный защитный слой. Чай замедляет старение организма
Заключение
Чайоказывает на организм тонизирующее воздействие. Его по праву называют эликсиром бодрости. Благодаря содержанию кофеина и некоторых других полезных веществ чай активизирует деятельность центральной нервной системы, в частности головного мозга. Чайный напиток бодрит, поднимает настроение, повышает работоспособность и снимает усталость. Научные исследования показали, что чай способствует улучшению умственных способностей, внимания и памяти. Многие ароматизированные цветочные чаи, например с жасмином или с лепестками розы, обладают антистрессовым и расслабляющим действием. Благодаря содержанию целого ряда витаминов и микроэлементов чай оказывает на организм комплексное оздоравливающее действие, укрепляет зубы и улучшает зрение. Безусловно, чай не стоит считать панацеей от всех болезней, однако многовековой опыт и современные исследования доказывают его эффективность как натурального оздоровительного средства. Все перечисленные свойства относятся только к качественному и правильно заваренному чаю, который употреблён в нужное время и в должной мере. Не следует пить недоброкачественный чай, полученный в результате неправильной обработки или подвергавшийся неправильному хранению. Кроме того, не рекомендуется пить слишком крепкий и обжигающе горячий чай, а также злоупотреблять чайным напитком (4-5 чашек не очень крепкого свежезаваренного чая в день вполне достаточно для здорового взрослого человека). Содержание в чае важнейших биологически активных веществ, а, следовательно, и полезные свойства напитка зависят от многих факторов. Только качественный чай, собранный и обработанный по всем правилам чайного искусства, а затем хранившийся при оптимальных условиях, поможет укрепить здоровье и подарит заряд жизненной энергии.
Литература
1.Биологический энциклопедический словарь. Гл.ред. М.С.Гиляров, А.А.Баев –М.:Сов.Энциклопедия, 1989
2.Смоляр В. И. Рациональное питание. — Киев: Наукова думка, 1991.
3.Стёпин Б. Д., Аликберова Л. Ю. Занимательные задания и эффектные опыты по химии. — М.: Дрофа, 2002.
4.Тюкавкина Н. А. Органическая химия. — М: Дрофа, 2008.
5.Цоциашвили И. И. Химия и технология чая. — М.: Агропромиздат, 1989.
6.Химия в школе.№6,2011г.,Л.А Яковишин «Химические опыты с чаем»
7. Химия в школе №8.2011.,В.К, Половняк «Как получить экологически чистый кипяток»
8. Интернет сайты.