Исследовательская работа по теме: "Получение инулина из различных видов растительного сырья"

2

МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ МОЛОДЕЖНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ГОРИЗОНТЫ БИОФАРМАЦЕВТИКИ»

Проектно-исследовательская работа

по теме:

«Получение инулина из различных видов растительного сырья и изучение его свойств»

Автор: Данилова Мария

МБОУ «Гимназия №44», 10 класс

Научный руководитель:

Минакова Алла Петровна

учитель химии

МБОУ «Гимназия №44»

Курск 2017 г

Содержание

Введение

Одной из важных проблем питания людей является рациональное употребление углеводов, особенно сахарозы. В связи с повышенным уровнем потребления сахара в последние десятилетия массовое распространения приобрело заболевание взрослого населения и детей сахарным диабетом и другими формами нарушения обмена веществ и кариесом зубов. По неполным данным, в мире сахарным диабетом болеет более 200 млн человек. Чрезмерное употребление сахара приводит также к таким заболеваниям, как атеросклероз, ожирение, кариес зубов и другие. С целью преодоления и ограничения этих, крайне отрицательных явлений проводились многочисленные исследования.
В результате решения проблемы получения сахарозаменителей химическим путем, осуществленного в 50-е годы XX века, был синтезирован ряд препаратов, которые приобрели широкое распространение, среди них особое место занимают фруктозные сиропы и кристаллическая фруктоза. Фруктоза встречается в растениях и в виде полимеров - полисахаридов инулина и полифруктанов.

1.1. Цели и задачи исследования

Цель исследования – из одинакового количества различных видов растительного сырья (клубни георгина, топинамбура и корни цикория) получить инулин, исследовать его химические свойства.

Задачи:

● изучить необходимую литературу по данному вопросу;

● выделить инулин из растительного сырья;

● сравнить количество полученного инулина из различного растительного сырья;

● провести исследование химических свойств инулина;

● из полученного в ходе эксперимента инулина выделить фруктозу.

1.2. Объекты исследования, методы исследования, гипотеза

Объект исследования – клубни топинамбура, георгинов, корни цикория.

Методы исследования – изучение соответствующего теоретического материала по данному вопросу, практический эксперимент, наблюдения, анализ.

Гипотеза: инулин, используемый для изготовления ряда диетических продуктов, может быть получен из недорогого растительного сырья.

1.3. Актуальность темы

Инулин – природный компонент, который получают из корней растений. Инулин применяется в виде биологически – активных добавок (капли, таблетки) для профилактики и лечения различных заболеваний. Он не имеет противопоказаний. Особенно ценны препараты с содержанием инулина для диабетиков. Инулин снижает уровень сахара, предотвращает осложнения при сахарном диабете. Также инулин применяется при ожирении, болезнях почек, артрите и других видах заболеваний. Природная фруктоза, которую содержит инулин, является уникальным сахаром, который полностью заменяет глюкозу в случаях, когда глюкоза не усваивается. Поэтому диетическая ценность инулина велика. Инулин положительным образом влияет на обмен веществ, выводит из организма массу вредных веществ (тяжелые металлы, токсины), снижает риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний, опухолевых образований, укрепляет иммунную систему, поэтому поиск легкодоступного и дешевого растительного сырья для его получения является актуальной проблемой сегодняшнего дня.

1.4.Обзор литературы

У некоторых растений продукты фотосинтеза запасаются в виде полифруктозанов – полимеров фруктозы. Впервые подобное вещество было обнаружено в экстрактах клубней Inula helenium немецким ученым Розе в 1804 г. В 1818 г. Томпсон назвал выделенное вещество инулином. Инулин – единственный природный полисахарид, состоящий на 95% из фруктозы.

Его молекула построена из остатков D-фруктофуранозы, связанных 2,1-бета связями.

Рис 1. Химическая формула инулина.

Инулин – белый порошок, легко растворимый в горячей воде и трудно в холодной. Молекулярная масса (162,14)n. Имеет сладкий вкус. Инулин не обладает восстанавливающими свойствами. При гидролизе под действием кислот и фермента инулазы образует 94-97% D-фруктозы и 3-6% глюкозы.

С точки зрения химиков инулин относится к группе фруктанов. О наличии фруктанов в высших растениях известно с 1805 года, но только в последние два десятилетия к ним стали проявлять повышенный интерес. Применение фруктанов началось в Японии в 80-х годах в качестве сахарозаменителей, но в дальнейшем благодаря своим функциональным свойствам они приобрели более важное значение. Среди фруктанов наиболее ценится инулин – резервный полисахарид, накапливающийся в растениях семейства сложноцветных, а также колокольчиковых, лилейных, лобелиевых и фиалковых [3]. Инулин содержится в клубнях георгины, нарцисса, гиацинта, цикория и топинамбура. Поиск новых источников для получения фруктозы из растительного сырья продолжается.

Что касается медицинской классификации инулина, вопрос нельзя считать окончательно решенным, однако в большинстве публикаций инулин относят к группе растворимых волокон. Кроме того, способность инулина избирательно стимулировать бифидо- и лактобактерии, являющиеся представителями нормальной микрофлоры кишечника, позволяет назвать данное вещество пребиотиком. Инулин и олигофруктоза составляют значительную часть дневного рациона большей части населения США и Европы. Безопасность использования инулина в питании была оценена многими известными авторами. И, как результат, инулин был признан во многих странах как пищевой ингредиент, который может быть использован без ограничений в пищевых продуктах.

Ценность инулина

Одним из уникальных свойств инулина является его фундаментальное влияние на обмен веществ. Дело в том, что инулин оказывает благотворное действие, в течение всего времени нахождения в организме человека, начиная от попадания в желудок, и заканчивая выделением. Инулин, попадая в желудочно-кишечный тракт, расщепляется соляной кислотой и ферментами на отдельные молекулы фруктозы и короткие фруктозные цепочки, которые проникают в кровеносное русло. Оставшаяся нерасщепленной часть инулина быстро выводится, «прихватив» с собой ненужные организму вещества, такие как тяжелые металлы, радионуклиды, кристаллы холестерина, жирные кислоты, различные токсические химические соединения.

Кроме того, инулин стимулирует сократительную способность кишечной стенки, что заметно ускоряет очищение организма от шлаков, не переваренной пищи и вредных веществ. Всосавшиеся в кишечнике короткие фруктозные цепочки, в крови продолжают выполнять антитоксическую, очищающую функцию, обезвреживая и облегчая выведение из организма вредных продуктов обмена веществ и попавших из внешней среды химических соединений.

1.5. Краткая характеристика растительных объектов

Цикорий обыкновенный - многолетнее травянистое растение из семейства сложноцветных, с мясистым корнем и прямостоячим стеблем, высотой 30 - 120 см. Листья прикорневые перистонадрезные, собраны в розетку; листья стеблевые очередные, сидячие, ланцетовидные. Корзинки сидят поодиночке на концах ветвей, а также по две-три в пазухах листьев. Цветки язычковые, с голубым, реже розовым или белым венчиком. Цветет с июля по сентябрь. Хороший медонос. Дает много нектара и пыльцы. Распространен в Европейской части России, Западной Сибири до Алтая, Средней Азии, на Кавказе. Растет в диком виде по краям дорог, около канав, на сорных местах. Культивируется как пищевое растение. В корне цикория содержится 60% (на сухой вес) инулина – полисахарида, который широко применяется в питании диабетиков как заменитель крахмала и сахара. В медицине часто используют противомикробные и вяжущие свойства цикория. Отвары и настойки из корней усиливают аппетит, улучшают пищеварение, успокаивают нервную систему, помогают работе сердца. В народной медицине цикорий применяют при болезнях печени, селезенки, почек. Цикорий обладает общеукрепляющими свойствами. При экземе, опухолях и застарелых ранах применяют обтирания спиртовой настойкой или обмывания остуженным отваром корня цикория.

Цикорий является прекрасным заменителем кофе. Однако цикорий не просто заменяет кофе, но и в большей степени обогащает его целебными свойствами.

Фото 1-4. Цикорий

Топинамбур Многолетнее клубненосное растение семейства астровых известно земледельцам уже не одну тысячу лет. Его родиной является Северная Америка. В Европу эта овощная культура была завезена в 17 веке, вначале во Францию, одновременно с бразильскими индейцами племени Тупинамбус. Отсюда и название овоща - топинамбур. В Россию же топинамбур попал в 18 веке. Надземная часть этого многолетнего овоща напоминает подсолнечник, близким родственником которого и является топинамбур. Ученые, исследовавшие состав и пищевую ценность топинамбура, были поражены разнообразием витаминов и микроэлементов, содержащихся в его клубнях. Установлено, что в них витаминов С и В1 в 2 раза больше, чем в картофеле. В них много калия, цинка, железа (по содержанию железа земляная груша существенно превосходит картофель, свеклу, морковь). Кроме того, топинамбур содержит белки, сахара, различные аминокислоты, а также углеводы, основным из которых является инулин. Инулин - вещество, которое в организме человека расщепляется до фруктозы, столь необходимой людям, страдающим сахарным диабетом.

Фото 5-7. Топинамбур

Георгины — это многолетнее клубневое растение с ежегодно отмирающей надземной частью и мощными многолетними клубнями, имеющими запас питательных веществ для начального роста почек. Относятся они к семейству сложноцветных. Их родина — Северная Америка (Мексика и Гватемала). Вскоре после открытия Америки, георгины попали в Европу, и начался их победный марш по всем странам. Во всем мире они называются Далия-по имени известного шведского ботаника Андреаса Даля. Принятое в России имя -Георгина, они получили в честь профессора Петербургской академии наук Иоганна Готлиба Георги. В России георгины появились в середине девятнадцатого века. Впервые были показаны на выставке цветов в Москве в 1844 году. В настоящее время насчитывается более 10 тысяч сортов георгинов. Соцветия их имеют разнообразную окраску, за исключением синей, черной и голубой. Кроме однотонных есть много сортов с пестроокрашенными соцветиями. Клубни георгинов содержат достаточно большое количество (до 50%) инулина.

Фото 8-10. Георгины

II. Практическая часть работы

2.1. Выделение инулина из клубней георгина, топинамбура и корней цикория

d-Фруктоза (левулоза) часто встречается в растениях как в свободном, так и в связанном состоянии. Она придает особенно сладкий вкус многим фруктам и меду. Фруктоза—составная часть молекул сахарозы и инулина. В виде порошка или 80-процентного сиропа фруктоза используется как лечебное питательное средство.

Получение инулина

Способ 1

Сырье и реактивы: а) клубни георгина, топинамбура и корни цикория; б) известковая вода (0,15%-ный раствор гидроокиси кальция Са(ОН)г); в) щавелевая кислота, 1%-ный раствор; г) активированный уголь или силикогель.

100 г измельченных клубней георгина, топинамбура и цикория заливают 250 мл нагретой до 60º С воды.

Настаивание продолжают в течение 3 ч, все время поддерживая температуру воды и помешивая настой. Фильтруют. К фильтрату добавляют известковую воду до щелочной реакции на лакмус (избегать избытка реактива). Выделившийся осадок отделяют фильтрованием. Фильтрат нагревают до 60—65°С и нейтрализуют щавелевой кислотой до рН 7, прибавляют немного активированного угля, перемешивают и фильтруют. Фильтрат охлаждают до температуры +2—3°С: выделяется аморфная масса инулина, которую отфильтровывают и выдерживают в ацетоне (в соотношении 1:8) 12—16 ч, а потом высушивают на воздухе. Инулин используют для аналитических целей.

Способ 2

Сырьё и реактивы: 1) клубни георгина, топинамбура, корни цикория (по 100 г);

2) серная кислота (0,2-процентный раствор) 30мл (по 8-10 мл); 3) карбонат бария 0,75 мг

4) абсолютный спирт 40 мл.

Клубни и корни растений измельчают на терке, загружают в коническую колбу, заливают 100 мл горячей воды и, перемешивая, нагревают 15-20 минут при температуре 85º-90º С. Содержимое колбы быстро отфильтровывают через складчатый фильтр, осадок промывают небольшой порцией горячей воды. Фильтрат пропускали через слой угля, а затем силикагеля. При охлаждении из фильтрата выпадает инулин в виде порошка. Его промывают холодной водой, подсушивают на фильтре и взвешивают. Выход - до 3—5 г.

1 г инулина смешивают с 4 мл 0,2-процентной серной кислоты и нагревают 1 час на кипящей водяной бане, периодически помешивая. К гидролизату порциями добавляют 0,25 мг карбоната бария. Получившийся осадок отфильтровывают. Фильтрат проверяют на наличие фруктозы реакцией Селиванова (описание см ниже).

При экстракции инулина по 1 способу выход продукта был значительно ниже, чем во втором случае.

Отсюда можно сделать следующий вывод: повышение температуры способствует ускорению и более полному протеканию процесса экстракции, однако при более высокой температуре возможен гидролиз целевого продукта.

После проведения 2-х экспериментов подсчитали общую массу полученного инулина. Получили следующий результат:

1. масса инулина, полученного из клубней топинамбура – 4,68 г

2. масса инулина, полученного из клубней георгина – 3,92 г

3. масса инулина, полученного из корней цикория – 4,29 г

Эксперимент повторили с использованием кухонного комбайна и электрического пресса.

Получили следующий результат:

1. масса инулина, полученного из клубней топинамбура – 44,18 г

2. масса инулина, полученного из клубней георгина – 34,73 г

3. масса инулина, полученного из корней цикория – 42,57 г

Результат:

Наибольший выход продукта наблюдался при использовании в качестве сырья клубней топинамбура (4.68 % от сырой массы растительного сырья весом 100 г при ручном отжиме и 44,18% при автоматическом )

Полученный инулин представлял собой порошок, имеющий окраску от темно-серого (у георгина) до кремовой (у топинамбура). При растворении в горячей воде образовывался коллоидный слабомутный раствор. (Этапы работы по экстрагированию растительного сырья см. в приложении).

2.2. Гидролиз инулина

10 г инулина смешивают с 40 мл 0,2-процентной серной кислоты и нагревают 1 час на кипящей водяной бане, периодически помешивая. К гидролизату порциями добавляют 1 г карбоната бария. Получившийся осадок отфильтровывают. Раствор сгущают до сиропа в выпарительной чашке на водяной бане. Остаток воды удаляли высушиванием в вакуум-эксикаторе в течение суток на кафедре химии ЮЗГУ.

2.3. Выделение фруктозы

Из сиропа, полученного в предыдущем опыте, осаждали инулин 96% спиртом в соотношении экстракт - спирт 1:3. Для этого к сиропу добавляют в 3 приема по 5 мл подогретого абсолютного спирта, размешивают, каждый раз быстро сливая спиртовой раствор в коническую колбочку. Из этого раствора отгоняли спирт до половины объема.

Концентрированный раствор ставили на кристаллизацию в холодильник. Для затравки добавляя несколько кристалликов фруктозы. После выпадения в осадок кристалликов фруктозы, сироп слили, а оставшийся раствор с кристалликами фруктозы профильтровали. Выход фруктозы — 450 - 600 мг; т. пл. после повторной кристаллизации из абсолютного спирта 100°. К сожалению, нам удалось выделить в виде кристаллов лишь очень небольшое количество фруктозы (чуть больше 320 мг).

2.4. Обнаружение фруктозы в составе инулина

Реактивы: а) инулин, 0,25%-ный раствор; б) соляная кислота, 10%-ный раствор; в) реактив Селиванова

Проба Селиванова

Качественное обнаружение фруктозы. При нагревании пробы с фруктозой в присутствии резорцина и соляной кислоты появляется вишнево-красное окрашивание. Проба также применима для обнаружения других кетоз. Альдозы в этих же условиях взаимодействуют медленнее и дают бледно-розовую окраску или вообще не взаимодействуют. Открыта Ф. Ф. Селивановым в 1887 году.

(Можно использовать раствор, состоящий из 0,05 г резорцина в 50 мл воды и нескольких капель концентрированной соляной кислоты плотностью 1,19 г/мл.)

Фруктозу, полученную в опыте 2.3 растворили в 2 мл дистиллированной воды, добавили 2 мл 10%-но-го раствора соляной кислоты и нагревают 8—10 мин. на горячей водяной бане, после чего прибавляют 8—10 капель реактива Селиванова (или несколько кристалликов резорцина). Появляется вишнево-красное окрашивание, характерное для фруктозы. Для чистоты эксперимента пробу Селиванова провели, с имеющейся в школьной химической лаборатории, фруктозой и глюкозой.

Результат: фруктоза, полученная нами и химически чистая, взятая в химической лаборатории, практически показали одну и туже окраску раствора. Глюкоза реагировала на пробу Селиванова гораздо хуже фруктозы (см приложение).

2.5. Получение озазона фруктозы

Озазоны (фенилозазоны) — производные моносахаридов и фенилгидразина.

К 2 мл 10-процентного раствора фруктозы, (т.к., полученная нами фруктоза была израсходована в предыдущем опыте, мы использовали фабричный препарат) прибавили раствор 0,5 г фенилгидразина в 3 мл разбавленной уксусной кислоты (1:5). Смесь нагревали полчаса на водяной бане. При охлаждении выпали желтовато-коричневые кристаллы озазона ( см приложение) Образование О. используют для идентификации углеводов. Для каждого углевода характерна определенная скорость образования О., напр.: О. фруктозы выделяется из р-ра за 2 мин, О. глюкозы-за 4-5 мин, О. ксилозы-за 7 мин и т. д. Впервые О. синтезированы Э. Фишером в 1887.

III. Общие выводы

Изучив теоретический материал и выполнив эксперименты можно сделать следующие выводы:

1. ИНУЛИН — это органическое вещество из группы полисахаридов, полимер D-фруктозы.

2. ИНУЛИН можно получать из различного недорогого растительного сырья.

3. В составе ИНУЛИНА действительно содержится большое количество фруктозы, что подтверждают эксперименты.

4. В связи с тем, что ИНУЛИН легко усваивается организмом человека, он широко применяется в медицине как заменитель крахмала и сахара при сахарном диабете. Так же используется в производстве разнообразных пищевых продуктов для диетического и профилактического питания.

5. Наиболее перспективное для промышленного использования ИНУЛИН-содержащее растение — топинамбур (земляная груша).

IV. Литература

1. Ананьина Н.А. и др. Полисахариды клубней георгины простой. Химия растительного сырья. 2008. №2. С.135-136

2. Оленников Д.Н. и др. Методика количественного определения суммарного содержания полифруктанов в растительном сырье. Химия растительного сырья. 2008. №1.

3. А.Я. Рево Практикум по органической химии. М., Высшая школа, 1971 г.

4. Голубев В.Р. и др. Топинамбур. Состав, свойства, способы переработки, области применения. М. - 1995.

5. Методы химии углеводов./Пер. с англ. Под. ред. Н.К. Кочеткова. Изд. Мир, 1967. - С. 370 – 371

6. Лазуревский Г.В. и др. Практические работы по химии природных соединений. Изд. Высшая школа. М. - 1966. - С. 68 - 69.

V. Приложение

1. Этапы работы по экстрагированию растительного сырья

Фото 1-3. Измельченное растительное сырье Фото 4. Полученные экстракты

Фото 5-6. Очистка и фильтрование экстрактов

Фото 7-8. Полученный инулин Фото 9. Коллоидный р-р инулина

Рисунок 2 Молекула инулина

2. Гидролиз инулина, выделение глюкозы

Фото 10. Сироп для получения фруктозы

3. Проба Селиванова

Фото 11. Слева – фруктоза, справа – глюкоза Фото 12. Проба на реакцию Селиванова, полученного экстракта георгина

4. Получение озазона фруктозы

Фото 13. Кристаллы озазона

Рисунок 3