Работы обучающихся

Районная учебно-исследовательская конференция

«Юность Поморья»

Направление: Химия

Химический состав чая

Исследовательская работа

                                                                               Выполнена ученицей 11 класса

                                                                               муниципального бюджетного    

                                                                               образовательного  учреждения

                                                                              «Каменская общеобразовательная школа

                                                                               Мезенского района»

                                                                               Рогачевой Галиной Николаевной

                                                                               Научный руководитель учитель                    

                                                                               муниципального бюджетного

                                                                               образовательного  учреждения  

                                                                               «Каменская общеобразовательная школа

                                                                               Мезенского района»

                                                                               Фуфаева Ольга Васильевна

                                                            г. Мезень, 2012

                                                       Оглавление

Введение                                                                                                                    3                                                                                                                                                  

Глава 1. Обзор литературы                                                                                      4                                                                                                      

1. История чая                                                                                              4                                                                                                            

1.2.Переработка чая                                                                                        5

1.3.Химический состав чая                                                                            6

1.4. Методика определения химических веществ в чае                              8                    

Глава 2. Химический эксперимент                                                                         11

          2.1. Объекты исследования                                                                            10

          2.2. Результаты химического эксперимента и их обсуждение                   11

Заключение                                                                                                                12

Библиографический список                                                                                     12                                                                                                          

Приложение 1. Классификация чая                                                                         13

Приложение 2.  Влияние чая на организм человека                                              14      

Приложение 3. Переработка чая                                                                              15

Введение

Восточное изобретенье -

 К нему желательно варенье.

 Но, если такового нет,

 Сойдет и парочка конфет.

 Напитка и в жару нет лучше,

 Да и на Севере зимой:

 Он в зной облегчит Вашу душу,

 Согреет зимнею порой.

     Чай - самый распространенный напиток на земном шаре. По общим подсчетам он является основным для двух миллиардов человек на земле.

     Чай – один из древнейших напитков, употребление которого неразрывно связано с национальной культурой, хозяйством и историческими традициями многих народов.

     Но чай – не просто напиток в ряду других напитков. Для некоторых народов и народностей, в том числе и в нашей стране, он является продуктом первой необходимости. Есть народы, которые буквально живут чаем, ценят его наравне с хлебом. Поэтому надо заботиться о том, чтобы потребление чая приносило максимум пользы, было основано не только на привычках и традициях, но, прежде всего на знаниях, на современных научных представлениях о продукте. Более чем за 5000 лет существования культуры чая о нем написано огромное число книг, статей, исследований. Чай изучали и по сей день продолжают изучать как растение, требующее специфических условий произрастания; как пищевое сырьё, требующее сложной, разнообразной и тщательной обработки; как готовый продукт питания, требующий особых условий хранения и транспортировки. Выращиванием, изготовлением и торговлей чая заняты сотни тысяч людей на земле. [4]

Цель  работы: изучение химического состава чая.

Задачи:

1. Проанализировать литературу по теме: «Химические элементы в чае».
2. Рассмотреть методику производства чая, изучить классификацию чая.
3. Изучить методы определения веществ в чае.
4. Описать объекты исследования.
5. Провести химические эксперименты по определению веществ в разных видах чая.

Предмет исследования: компоненты чая.

Объект исследования: чай.

                                 Глава 1 . Обзор литературы

1. История чая

    Под словом «чай» мы обычно подразумеваем и напиток (чашку чая), и сухой чай (пачку или цыбик чая), и само чайное растение (куст чая).

Родина чая – Юго-Западный Китай и примыкающие к нему районы Верхней Бирмы и Северного Вьетнама.

 Интересно, что само слово "чай" пришло к нам через тюркские языки из северокитайского cha, в то время как источником названия в Западной Европе послужило южнокитайское te. Как это получилось, проследить так же трудно, как и установить точное время появления напитка в разных регионах.

 Первое упоминание о чае восходит к глубокой древности. О том, как был обнаружен дикорастущий чай, рассказывают легенды Китая, Индии, Японии. По одной из них, чай возник во времена творения Земли и Неба, его связывают с именем Государя Солнца Янь-ди. По другой, император Южного Китая Чен Нунг (III тысячелетие до н.э.) однажды попробовал напиток, который случайно получился из листьев, нечаянно попавших в кипяток. Напиток оказался настолько ароматным и вкусным, что император приказал собрать и сохранить эти листья и издал указ о применении его по всей стране.

 Исторические памятники подтверждают, что чай был известен в Китае уже в период троецарствия (220 - 280 годы). Возделывание его как культуры относится к 350 году. Индусы считают, что чайный куст случайно обнаружил принц Бадхидхарма, путешествуя по Южному Китаю.

 По японской легенде чайный куст вырос на том месте, куда упали веки принца Дарумы, которые он обрезал, чтобы не заснуть во время медитации. С этого куста последователи Дарумы собрали листья и приготовили бодрящий напиток.

 В 1763 году один шведский мореплаватель привез известному естествоиспытателю Карлу Линнею из Китая живой чайный куст. Ученый, будучи уверен в уникальности этого растения, присвоил ему в своей классификации название thea sineusis – "чай китайский". И лишь в XIX веке в индийской провинции Ассам, в Бирме и Лаосе были открыты чайные деревья. Ботаникам пришлось признать, что чай имеет и другой вид, которому было дано название thea assamica – "чай ассамский". Чем дальше на север, тем мельче чайные кусты, а ближе к экватору это уже большие деревья. Первенство и превосходство дикого китайского кустового чая по сравнению со всеми известными его разновидностями было доказано и путем биохимического анализа советским химиком К.М. Джемукадзе.[3]

Китайские философы говорили, что чай лучше вина, так как, укрепляя и взбадривая, он не вызывает опьянения, и лучше воды, так как не является переносчиком инфекции.

 Вначале чай употребляли правители и священнослужители как целебное питье, снимающее усталость, укрепляющее силы и зрение, или в составе мазей, например от ревматизма. Использовать чай как напиток на его родине начали в V веке. Чай ценился очень высоко – императоры дарили его своим сановникам в знак поощрения. В VI веке это любимый напиток знати. Но к Х веку чай уже стал национальным напитком в Китае и, соответственно, предметом торговли.

 В Европу чай был ввезен в XVI - XVIII веках португальцами и голландцами. Укоренившись в Нидерландах, употребление этого напитка превратилось в традицию послеобеденного чаепития и распространилось через Атлантику до Нью-Амстердама.

 Индия, бывшая тогда колонией Британской империи, активно развивала производство чая. В 1860 году было реализовано уже около 2 тыс. тонн. Теперь встал вопрос о темпах перевозки.

 По бескрайним морским просторам неслись чайные клиперы – быстроходные парусники с ценным грузом. Традиционными стали чайные гонки, сулившие приз победителю. Известен случай, когда три клипера – "Ариэль", "Тайпинг" и "Серика" – синхронно прошли всю дистанцию длиной 25744 км и борт о борт вошли в гавань.

 На Яве, Суматре, во Вьетнаме чай начинают разводить в первой половине XIX века, во второй половине – в Африке и Южной Америке, в начале ХХ века – в Северной Италии и Южной Швейцарии. В настоящее время разведение чая освоено и в Австралии.

В 1638 г. было прислано в Москву четыре пуда чая в подарок царю Михаилу Федоровичу от монгольского Алтын-хана «ради варения чая». Русским чай понравился. В Туле были изобретены самовары для чая. Но, несмотря на широкое распространение этого напитка, выращивание чайных растений и изготовление чая было секретом Китая, который стал известен в России в конце XIX в. Первый чайный куст как диковинка был посажен в 1814 г. в Крыму в Никитском ботаническом саду. Оттуда в 1833 г. несколько чайных кустов переправили в Закавказье. Широкое культивирование чая началось только после установления Советской власти. Основная площадь чайных плантаций была сосредоточена в Грузии, Азербайджане, Краснодарском крае и в других районах бывшего СССР. Чай можно выращивать на всех почвах, пригодных для сельскохозяйственных культур.[5]

1.2. Переработка чая

Переработка чая включает в себя несколько стадий:

1. Сбор чая.  

2. Завяливание.

3. Скручивание.

           4. Ферментация.

          5. Сушка.

          6. Сортировка.

          7.Упаковка. [3] (См. приложение 3).

1.3.Химический состав чая

Как показали исследования, чай состоит на 30-50% из экстрактивных, т.е. растворимых в воде частей. На практике растворимость никогда не осуществляется полностью. Зеленые чаи содержат больше растворимых веществ (40-50%), а черные – меньше (30-45%). Кроме того, чем моложе, выше качеством листья чая, тем богаче экстрактивными веществами полученный из них сухой чай. И наоборот, чем старее, грубее листья, тем менее выходят в настой растворимые вещества, тем менее вкусен чай.

 Из растворимых веществ прежде всего 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.

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).

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%.

 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.

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.

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».

Углеводы в чае содержаться разнообразные – от простых сахаров до сложных полисахаридов. Чем выше в сахаре процент содержания углеводов, тем ниже его сорт. По этому 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.

     В чае присутствует множество витаминов. В нём имеется провитамин А - каротин, важный для нашего зрения (особенно для людей пожилого возраста, склонных к заболеванию глаз кератитом) и обеспечивающий нормальное состояние нежнейших слизистых оболочек - носа, глотки, гортани, легких, бронхов, мочеполовых органов.

     В чае представлена и обширная группа витамина В. Витамин B1 (тиамин) способствует нормальному функционированию всей нашей нервной системы, а также принимает участие в регулировании деятельности большинства желёз внутренней секреции (надпочечников, щитовидной железы и половых желёз). Неплохо действует этот витамин и на больных диабетом, язвой желудка и подагрой. Витамин В2 (рибофлавин) делает нашу кожу красивой, эластичной, предотвращает или снижает её шелушение, сухость, а также облегчает излечивание экземы. Но, кроме того, рибофлавин применяют для лечения тяжёлых заболеваний печени: бронзовой болезни, циррозов, гепатитов, диабета, а также при дистрофии миокарда. К группе витаминов В принадлежит и пантотеновая кислота - витамин В15, препятствующий развитию кожных заболеваний (дерматитов), и крайне важный для нашего организма как катализатор всех процессов усвоения поступающих веществ. Наконец, близка к этой группе и никотиновая кислота (витамин РР) противоаллергический витамин, очень устойчивый к высоким температурам и хорошо растворимый в воде.

    Имеется в чае и витамин С. В свежем чайном листе его в 4 раза больше, чем в соке лимона и апельсина, во при фабричной обработке часть витамина С, естественно, теряется. И тем не менее его остается не так уж мало, особенно в зелёных и жёлтых чаях, где аскорбиновой кислоты в 10 раз больше, чем в черных.  Но основным витамином чая является витамин Р. Витамин Р (или С2) в комплексе с витамином С резко усиливает эффективность аскорбиновой кислоты, способствует её накоплению и задержанию в организме, а также помогает усвоению витамина С. Витамин Р укрепляет стенки кровеносных сосудов, предотвращает внутренние кровоизлияния. По содержанию витамина Р чай не имеет себе равных в растительном мире, он в этом отношении гораздо богаче гречихи (85 единиц в чае, 61 -в гречихе). Наибольшей Р-витаминной активностью обладает зеленый чай. Однако не только зелёный, но и чёрный чай, особенно высокотанинные сорта, содержит витамин Р. Выпивая 3-4 стакана чая хорошей крепости, мы обеспечиваем свой организм суточной профилактической дозой витамина Р.[5]

1.4. Методика определения веществ в чае

1. Качественная реакция на кофеин

        На фарфоровую пластину поместили 0,1 г чая, добавили 2-3 капли концентрированной азотной кислоты. Смесь осторожно выпарили досуха. В результате окисления кофеина образовался тетраметилаллоксантин оранжевого цвета. При реакции с концентрированным раствором аммиака это вещество превратился в пурпурат аммония.

2. Определение витамина С в чае (мг/100 мл)

       Определение проводили с помощью йодометрического метода.

       Поместили в колбу 2 мл чая и добавили воду до объема 10 мл, а затем немного раствора крахмала. Далее по каплям добавляли раствор йода до появления устойчивого синего окрашивания, не исчезающего 10-15с.

        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.

Расчеты проведем по формуле:

3)Определение кислотно-щелочного баланса

         В пробирку с чаем опускали  индикаторную бумажку для определения рН , а затем сравнивали её с эталоном.

4 . Определение танина в чае

К 1 мл раствора чая добавили 1-2 капли хлорида железа(III). При наличии танина в чае появляется темно-фиолетовое окрашивание. Содержание танина в чае определяли визуальным методом.[1]

5) Определение углеводов

        В пробирку поместили 1 мл чая и каплю реактива Фелинга (щелочной раствор медного алкоголята сегнетовой соли). Держа пробирку наклонно, осторожно нагревали верхнюю часть раствора. При этом нагретая часть раствора окрашивалась в оранжево-жёлтый цвет вследствие образования гидроксида меди(I) СиОН, который в дальнейшем переходит в красный осадок оксида меди(1).[2]

Глава 2. Химический эксперимент

                                         2.1. Объекты исследования

 В качестве объектов исследования были выбраны следующие виды чая:

Принцесса Нури. Высокогорный. Чай черный байховый в пакетиках по 2 г для разовой заварки; Принцесса Ява. Зеленый чай. Китайский чай зеленый байховый в пакетиках по 2 г.;  Принцесса Канди Медиум. Цейлонский черный чай.

               2.2. Результаты химических экспериментов и их обсуждение

Методику определения химических веществ см. приложение.1

1. Определение кофеина в чае

Проведя необходимые исследования выяснили, что содержание кофеина в черном чае выше, чем в зеленом.

2. Определение витамина С.

В качестве реагента использовали 5%-ный спиртовой раствор йода.

Витамина С много и в зеленом, и в черном чае, но в зеленом его больше.

3. Определение рН чая.

Проведя исследования выяснили, что у всех видов чая слабощелочная среда.

4. Определение танина

Танин содержится и в черном, и в зеленом чае.

          Зеленый чай содержит танина больше, чем черный.

     5. Углеводы обнаружены и в зеленом и в черном чае в небольшом количестве

Заключение

В ходе написания данной работы было  проанализировано 6 литературных источников. В работе подробно рассмотрены такие вопросы:

- химический состав чая;

- влияние чая на организм (см. приложение 2);

- классификация чая (см. приложение 1);

- переработка чая.

Была отработана методика по обнаружению химических веществ в чае. Проведен анализ чая по выбранной методике. Были проанализированы образцы чая разных торговых марок на содержание витамина С в чае.

     Следует отметить, что настоящий чай уместен всегда, в уединении он поможет собраться с мыслями и сконцентрироваться, придать ясность, в компании друзей поможет чувствовать себя непринужденно, расслабленно. В одном случае вдыхание аромата свежезаваренного настоящего чая способно вызвать массу положительных эмоции, в другом — чувство созерцательного умиротворения. Каждый хороший чай создает свое уникальное пространство. Какое? Зависит от Вашего диалога с ним.

Библиографический список

1. Ольхин О. Опыты без взрывов. — М.: Химия, 1986.
2. Ольгин О.М. Давайте похимичим! Занимательные опыты по химии. М.: Детская литература, 2002, с.67;
3. В.В Похлебник. Чай. – М.: Центрополиграф, 2005.
4. Лам Кам Чуэн. Путь чая. Секреты древних традиций.- М: Издательство ФАИР, 2007.- 140 с.

Интернет-ресурсы:

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

6. www.teasophia.ru

Приложение 1

Классификация  чая

   Классификация чая – вопрос очень обширный и непростой, не зря она строилась на протяжении 2-х последних веков. На сегодняшний день существует достаточно много разных факторов и моментов, которые можно учитывать при классификации чая. Это, в свою очередь, позволяет с определенной вероятностью узнать где именно собирался урожай чайного листа (равнинная или высокогорная местность), какие листья при этом использовались и каким способом обрабатывались. Поэтому мы рассмотрим классификацию чая её в зависимости от тех или иных факторов.

       1)По типу чайного растения это может быть китайская разновидность (юньнаньский чай, улун японский сенча, дарджилинг, формозский, вьетнамский, индонезийский, грузинский), ассамская (индийский, цейлонский, кенийский, угандийский) и камбоджийская разновидности.

2) Классификация чая по происхождению зависит от места производства и выращивания чайного листа. На рынке есть крупные игроки, которые производят большую часть всего чая, сюда входят: китайский (более четверти мировых объемов), индийский(второй в мире), цейлонский(9-10%, Шри – Ланка), японский(только зеленый чай), индокитайский( Вьетнам и Индонезия), африканский(больше всего – в Кении) и турецкий(исключительно черный) чаи, а также несколько десятков других государств.

3. Ещё есть классификация чаев по продолжительности и способу окисления. Здесь представлены 2 полярные разновидности – зеленый и черный чай. Первый является слабо окисленным, второй – соответственно сильно. Данная характеристика в значительной степени влияет на внешний вид, вкус, аромат чая. Между двумя полярными значениями степени окисления выделяют ещё несколько видов: белый, желтый чаи, а также Улун и Пуэр. Белый чай производится из молодых листьев и нераспустившихся почек с минимальными стадиями обработки чайного листа. Желтый выделяется тем, что проходит процедуру томления перед сушкой. Улун (красный чай) окисляется в течение 2-3-х дней, а производится процесс ферментации.

       4)  По типу чайного листа и его механической обработке – выделяют цельно листовой (от больших скрученных листьев до чая высочайшего качества с большим содержанием молодых листков), ломаный (состоит из кусочков чайных листков), высевки (маленькие обломки листьев) и пыль(что часто фасуется в бумажные пакетики).

5. Также по качеству чаи можно классифицировать на высокосортные (цельные молодые листочки – типсовый, пекой, оранж), среднесортные (листья порезанные или ломанные), низкосортные (специально измельченные или отходы при сортировке).
6. Классификация чая по добавкам (цветами, сушеными ягодами). Можно выделить чай с ароматом бергамота, цветами жасмина, мятой, жареным рисом (Гэммайтя), ароматом лимона, вишни, земляники, есть даже искусственные ароматизаторы сливок и шоколада.[3]

Приложение 2

                                 Влияние чая на организм человека

                Польза чая состоит в специфическом влиянии на человеческий организм, Вместе со здоровым образом жизни чаепитие вносит ощутимый вклад в укрепление здоровья.

Адепты китайской медицины уверены, что свои полезные свойства чай проявляет в значительном улучшении циркуляции внутренней энергии человека «ци», что оказывает влияние на его сознание, делая его проясненным и уравновешенным, а состояние здоровья более крепким.

      Чай  богат минеральными веществами. Список минералов содержащихся в чае внушителен. Можно встретить марганец, калий, фтор, фосфор, фенольные соединения и другие вещества, оказывающие определенное воздействие чая на здоровье человека. Марганец способствует росту костей, телесные жидкости и ритм сердцебиения регулируются калием. Фтор благоприятно влияет на здоровье зубов, снижая вероятность кариеса.

     В современном мире особый акцент в исследовании продуктов питания ставится на выявлении в их содержании веществ с антиоксидантными свойствами. Связано это с тем, что потребление антиоксидантных веществ играет значительную роль в профилактике ряда опасных заболеваний, основным из которых является рак.

    Кроме этого, особенностью чая является снижение риска получения сердечного приступа. Данное утверждение не является голословным. Сотрудниками Гарвардского медицинского колледжа было установлено, что риск сердечных заболеваний значительно снижен у людей употребляющих чай (почти на 50%!!!). Чай благотворно влияет на здоровье человека.

    Чай способствует пищеварению, а также расщеплению канцерогенных веществ попадающих в организм. Кроме того правильно приготовленный напиток служит естественным регулятором температуры тела. Как уже известно, в холодную погоду чай согревает, а в жару утоляет жажду, этого он добивается за счет легкого поднятия температуры после употребления чая, в связи, с чем на коже проступает пот и организм охлаждается естественным образом.

    Отрицательные эффекты чая способны выявиться при чрезмерном его употреблении. Так, чай неправильно или крепко заваренный чай может вызвать бессонницу, раздражение желудка, изменение цвета зубов, тошноту. Однако, согласно положениям китайской медицины,  эти болезненные симптомы сможет устранить, как бы это удивительно не звучало, именно чай, однако с очень слабой заваркой, вот такая еще одна отличительная особенность данного напитка.[6]

Приложение 3

Переработка чая

Переработка чая включает в себя несколько стадий:

1. Сбор чая.   Для сбора элитных сортов чая подходит только зеленый чай побег, на конце которого не более 3 листьев и почка, которая может быть или только завязавшейся или полураспустившейся. Чайные почки называются типсами, а чай с добавлением типсов относится к категории элитных. Сам же побег носит название «флешь». Единственный способ получить высококачественный чай – это процесс ручной сборки.

     Людям, занимающимся ручной сборкой, запрещено перед работой употреблять в пищу чеснок, лук и пряности – чтобы оставшийся на руках запах не испортил аромат побегов. Существует так же машинная сборка чая, но побеги собранные таким образом идут преимущественно на дешевые сорта чая, так как, во – первых, машинная сборка неудобна в высокогорных районах, а во – вторых, чайное сырьё получается низкокачественным.

2. Завяливание. Основной целью завяливания является обезвоживание чайного листа. Подвяливают чай обычно в тени, в хорошо проветриваемых помещениях или под навесами. Зеленые листья чая помещают в специальные барабаны, окруженные проволочной решеткой, через которую продувают горячий воздух.

 Увядая, листья теряют около 30-40% влаги, становятся мягкими и поддаются скручиванию. При машинном способе завяливания сам процесс занимает от 3 до 8 часов, а в Индии или Шри – Ланке, от 18 до 22 часов, поскольку проводится естественным способом.

3. Скручивание. Основной задачей скручивания является выжимка чайного сока. Помимо этого при скручивании происходит перемешивание чайных полифенолов с чайными энзимами, что является обязательным условием для нормальной ферментации. Скручивание осуществляется как ручным, так и машинным способом. Естественно, что чаи, скрученные вручную, ценятся гораздо больше. Скрутка бывает следующих видов:

А) Слабоскрученный лист – это чай, скрученный таким образом, при котором чаинки почти не поменяли форму, обычно со стороны смотрится как куча травинок.

Б) Сильноскрученный по поперечной оси лист чаще всего носит название Gunpowder. Такой чай имеет форму плотных шариков, за что в Китае получил название «жемчужный чай». Сильноскрученный по продольной оси лист отличается чаинками, имеющими форму сильно закрученных спиралек и «палочек».

 Отдельно стоит отметить раскрывающиеся чаи, которые скручиваются и перевязываются хлопковой нитью по особой технологии. Внутрь такой скрутки помещают цветок или цветочную гирлянду, которые очень красиво распускаются при заваривании. Подобный чай можно заваривать от 3 до 7 раз, и с каждым разом его вкус будет меняться, становясь всё глубже, но при этом он не начнет горчить. Эти чаи относятся к категории элитных, высшего сорта.

4. Ферментация. После того, как лист потерял часть влаги в процессе завяливания, имеющиеся в нем компоненты вступают в реакцию с воздухом и начинают окисляться. Ферментация проводится во влажных, темных помещениях. Процесс ферментации один из самых сложных в изготовлении качественного чая, так как требует в идеале соотношения температуры около 15 градусов по Цельсию и влажности 90% , добиться чего весьма проблематично в местах произрастания чая. После ферментации чаи подразделяют на:

• Неферментированный чай – это белый и зеленый;
• Полуферментированный чай – это желтые, красные(оолонги), и синие(фиолетовые) чаи (сильноферментированные улуны);
• Ферментированный чай – это черный;
• Другие – это ароматизированные чаи, фруктовые, травяные, цветочные, этнически и прочее…

5. Сушка. Единственный способ остановить ферментацию – это сушка. Процесс сушки весьма ответственный. Если лист пересушить – он обуглится и приобретет жженый вкус, а если недосушить – то испортится прямо в пачке. Идеальным результатом является лист, в котором осталось не более 2 – 5% влаги.

  Процесс сушки продолжается около получаса. В результате, лист приобретает темный цвет.  Во время заваривания происходит повторное выделение соков, а мы получаем освежающий, бодрящий напиток цвета янтаря.

6. Сортировка. Первичная сортировка чайного листа проходит непосредственно после этапа сбора. Отбираются целые листья хорошего качества. Вторичная сортировка происходит после сушки для получения чая однородного свойства. Первым этапом является просеивание: то есть разделение крупных и мелких листьев. Далее отсеивают черенки и другие ненужные частички. Затем его продувают, чтобы избавится от чайной пыли и получить наивысшее качество продукта.

  Для сортировки чая используют как ручной труд (при производстве высококачественных чаев), так и огромное множество разнообразных механизмов – от простых сит до сложнейших электронных цветосепараторов.

7. Упаковка. Поскольку чай крайне гигроскопичен (может впитать до 13% влаги) и очень активно впитывает окружающие запахи – процесс упаковки стараются производить максимально быстро. Готовый чай тут же пакуют в фирменные коробки, оббитые снаружи оцинкованной жестью. Внутри для сохранения аромата чая ящики выложены алюминиевой фольгой и бумагой. Дополнительно такие ящики укладываются в короба из лиственных пород дерева, а при транспортировке морем закрывают джутовым покрытием. [3]

РАЙОННАЯ  УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

"ЮНОСТЬ ПОМОРЬЯ"

Направление:  Химия

Исследование свойств целлюлозы

Исследовательская работа

Выполнена ученицей 9 класса  муниципального бюджетного образовательного учреждения «Каменская общеобразовательная средняя школа Мезенского района»

Митькиной Екатериной Петровной

Научный руководитель - учитель муниципального бюджетного  образовательного учреждения «Каменская общеобразовательная средняя школа Мезенского района»

Фуфаева Ольга Васильевна

г. Мезень, 2015

Введение

Целлюлоза используется человеком с очень древних времен. Сначала применяли древесину как горючий и строительный материал; затем хлопковые, льняные и другие волокна стали использовать как текстильное сырье. Первые промышленные способы химической переработки древесины возникли в связи с развитием бумажной промышленности.

Бумага - это тонкий слой волокон клетчатки, спрессованных и проклеенных для создания механической прочности, гладкой поверхности, для предотвращения растекания чернил. Первоначально для изготовления бумаги употребляли растительное сырье, из которого чисто механически можно было получить необходимые волокна, стебли риса (так называемая рисовая бумага), хлопка, использовали также изношенные ткани. Однако по мере развития книгопечатания перечисленных источников сырья стало не хватать для удовлетворения растущей потребности бумаги. Особенно много бумаги расходуется для печатания газет, причем вопрос о качестве (белизне, прочности, долговечности) для газетной бумаги значения не имеет. Зная, что древесина примерно на 50% состоит из клетчатки, к бумажной массе стали добавлять размолотую древесину. Такая бумага непрочна и быстро желтеет (особенно на свету). Для улучшения качества древесных добавок к бумажной массе были предложены различные способы химической обработки древесины, позволяющие получить из нее более или менее чистую целлюлозу, освобожденную от сопутствующих веществ - лигнина, смол и других. Именно такая бумага необходима для проведения химических экспериментов. Это фильтровальная бумага. А так как  фильтровальная бумага – это 100%-ная целлюлоза, то для исследования свойств целлюлозы ей очень удобно пользоваться.

        Многие вопросы, касающиеся целлюлозы, меня очень  заинтересовали, и я попыталась найти на них ответы.  Хотя по химии я не изучала ещё тему «Углеводы», но мне захотелось проверить какими химическими свойствами обладает целлюлоза. В настоящее время производится огромное количество бумаги и большая часть ее не перерабатывается, поэтому проводя  исследование свойств целлюлозы  в лаборатории, мы будем не просто так использовать бумагу, а для лучшего усвоения учебного материала

Целью данной работы является изучение свойств целлюлозы.

Были поставлены следующие задачи:

1. Сделать литературный обзор по целлюлозе.

2. Определить,  какими свойствами обладает целлюлоза.

3. Провести химический эксперимент по определению  

Объект исследования: целлюлоза

Предмет исследования: свойства целлюлозы

Глава.1. Обзор литературы

1.1. Нахождение в природе и строение целлюлозы

Целлюлоза является основной составной частью оболочки растительных клеток; отсюда происходит ее название целлюлоза («целлула» — клетка) [6]. В природе целлюлоза сильно распространена и занимает первое место среди органических веществ. В растительных материалах целлюлоза не встречается в чистом виде и всегда сопровождается нецеллюлозными или, как их называют, инкрустирующими веществами. В наиболее чистом виде целлюлоза находится в волокнах хлопка, в которых содержание ее достигает 85—90%. В древесине содержится только около 50—60% целлюлозы, причем в хвойных породах дерева оно несколько выше, чем в лиственных. Элементарный анализ чистых сортов целлюлозы дает около 44,4% С, 6,17% Н и 49,39% О при 0,03—0,05% золы. Целлюлоза является высокомолекулярным соединением, обладающим свойством коллоида и состоящим из остатков глюкозы (С6Н10О5)n, соединенных между собой глюкозидоподобно эфирными кислородными мостиками в положении 1,4.
Целлюлоза представляет собой длинные нити, содержащие 300—10 000 остатков глюкозы, без боковых ответвлений. Эти нити соединены между собой множеством водородных связей, что придает целлюлозе большую механическую прочность, при сохранении эластичности. Целлюлоза состоит из длинных цепных молекул. Существуют две теории строения целлюлозы: мицеллярная теория и теория аморфного строения. Мицеллы представляют собой пучок правильно расположенных, параллельных друг другу цепных молекул и имеют форму и свойства кристаллов. Мицеллы группируются в мицеллярные ряды, которые состоят из кристаллических участков (мицелл), чередующихся с участками аморфного вещества между ними. Современная мицеллярная теория предполагает существование в целлюлозе не только кристаллических областей, но и аморфных. Теория аморфного строения целлюлозы отвергает наличие мицелл и предполагает дезориентированное расположение цепей. Проведенные в последнее время с помощью электронного микроскопа исследования природного волокна рами показали, что в природной целлюлозе этой породы имеются геометрически упорядоченные области с микрокристаллическим строением [12].

Несмотря на широкое промышленное применение целлюлозы и ее производных, принятая в настоящее время химическая структурная формула целлюлозы была предложена (У.Хоуорсом) лишь в 1934. Благодаря работам Г.Штаудингера и К.Фройденберга было известно также, что это длинноцепная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся глюкозидных остатков. Каждое звено имеет три гидроксильные группы – одну первичную (– CH2  OH) и две вторичные (>CH  OH). К 1920 Э.Фишер установил структуру простых сахаров, и в том же самом году рентгенографические исследования целлюлозы впервые показали четкую дифракционную картину ее волокон. Рентгенограмма волокна хлопка указывает на четко выраженную кристаллическую ориентацию, но волокно льна еще более упорядочено. При регенерации целлюлозы в форме волокна кристалличность в значительной мере теряется [8].

1.2. Получение целлюлозы.

Выделение технической целлюлозы из растительного сырья, главным образом древесины, осуществляется ее варкой с различными химическими реагентами. Под их воздействием происходит удаление из природного материала лигнина, гемицеллюлоз и других нецеллюлозных компонентов. Получаемые целлюлозы в зависимости от выхода (% от массы исходного сырья) делятся на полуцеллюлозу (60-80), целлюлозу высокого выхода (50-60), целлюлозу нормального выхода (40-50).

Технологическая схема производства целлюлозы из древесины включает: распиловку сырья, удаление коры, рубку в щепу и ее сортировку, варку целлюлозы в щелоке, удаление отработанного щелока, очистку, сушку и резку готового продукта. Основные методы варки целлюлозы: сульфатный (преимущественный), сульфитный, натронный, азотнокислый; кроме того, используют комбинированные методы (содово-сульфитный и содово-сульфитно-сульфатный), а также кислородно-щелочную делигнификацию древесины [12].

Получение целлюлозы связано с механической переработкой древесины и затем проведение химических реакций с опилками. Хвойные деревья измельчают до мелких опилок. эти опилки помещают в кипящий раствор, содержащий NaHSO4 (гидросульфат натрия) и  SO2 (сернистый газ). Кипячение проводят при высоком давлении 0,5 МПа и в течении длительного времени (около 12 часов). При этом в растворе протекает химическая реакция, в результате которой получается гемицеллюлоза и вещество лигнин (лигнин – это вещество представляющее смесь ароматических углеводородов), а также основной продукт реакции – чистая целлюлоза, которая выпадает в виде осадка в емкости, где проводится реакция. Дальнейший процесс получения целлюлозы связан с измельчением осадка при помощи роллов, в результате чего получаются частицы целлюлозы около 1 мм. А когда такие частицы попадают в воду, то сразу набухают и образуют бумагу. На этом этапе бумага ещё не похожа на себя и выглядит, как взвесь волокон целлюлозы в воде.

На следующем этапе бумаге придают её основные свойства: плотность, цвет, прочность, пористость, гладкость, для чего в ёмкость с целлюлозой добавляют глину, оксид титана, оксид бария, мел, тальк и дополнительные вещества, связывающие волокна целлюлозы. Дальше волокна целлюлозы обрабатывают специальным клеем на основе смолы и канифоли. В его состав входят резинаты. Если добавить в этот клей алюмокалиевые квасцы, то происходит химическая реакция и образуется осадок резинатов алюминия. Это вещество способно обволакивать целлюлозные волокна, что придаёт им влагонепроницаемость и прочность. Получившаяся масса равномерно наносится на движущуюся сетку, где она отжимается и высыхает. Здесь уже формирование бумажное полотно. Для придания бумаге большей гладкости и блеска её пропускают сначала между металлическими, а затем между плотными бумажными валами (проводят каландрирование), после чего бумагу режут на листы специальными ножницами[3].

1.3. Химические свойства целлюлозы

Целлюлоза — белое твердое, стойкое вещество, не разрушается при нагревании (до 200 °C). Является горючим веществом, температура воспламенения 275 °С, температура самовоспламенения 420 °С (хлопковая целлюлоза). Целлюлоза не растворяется в воде, диэтиловом эфире и этиловом спирте, она не расщепляется под влиянием разбавленных кислот, устойчива к действию щелочей и слабых растворителей [2].

Целлюлоза участвует во многих химических реакциях. Среди них, можно выделить следующие реакции:

             1. Целлюлоза как  полисахарид, подвергается гидролизу с образованием глюкозы:

(C6H10O5)n + nН2О → nС6Н12О6 [9].

2. Структурные звенья целлюлозы (С6H10O5)n содержат гидроксильные группы, поэтому целлюлозу относят к многоатомным спиртам.  За счет этих групп целлюлоза может давать простые и сложные эфиры. Большое значение имеют азотнокислые эфиры целлюлозы.

(С6Н7О2(ОН)3)n + 3nCH3COOH → 3nH2O + (С6Н7О2(ОCOCH3)3)n     [7].

                                                                           триацетат целлюлозы

3. Из повседневной жизни известно, что целлюлоза хорошо горит.

4. При нагревании древесины без доступа воздуха происходит термическое разложение целлюлозы. При этом образуются летучие органические вещества, вода и древесный уголь. В числе органических продуктов разложения древесины – метиловый спирт, уксусная кислота, ацетон. [10].

5. Аммиачный раствор гидрата окиси меди (реактив Швейцера), а также раствор хлористого цинка, горячий насыщенный раствор роданистого калия и другие растворы минеральных солей растворяют целлюлозу[1].

1.4. Применение целлюлозы:

1. Благодаря своей механической прочности в составе древесины используется в строительстве.

2. Из нее изготавливают разного рода столярные изделия.

3. В виде волокнистых материалов (хлопка, льна) используется для изготовления нитей, тканей, канатов.

4. Выделенная из древесины (освобожденная от сопутствующих веществ) целлюлоза идет на изготовление бумаги[9].

5. Тринитроцеллюлоза (пироксилин) используется как взрывчатое вещество и для производства бездымного пороха. Для этого тринитроцеллюлозу растворяют в этил-ацетате или в ацетоне. После испарения растворителей компактную массу размельчают и получают бездымный порох[11].

6. Целлюлоза-  первый полимер, из которого была изготовлена промышленная пластмасса — целлулоид. Ранее пироксилин использовался для изготовления кино- и фотопленки и лаков. Его главный недостаток — легкая горючесть с образованием токсичных оксидов азота.

7. Целлюлоза растений служит питательным веществом для травоядных животных.
В организмах многих животных и человека нет фермента, способного гидролизовать целлюлозу, поэтому она, в отличие от крахмала и гликогена, не усваивается и не может служить продуктом питания. Но такой фермент вырабатывает некоторые микроорганизмы, живущие в желудках жвачных животных, пищеварительном тракте некоторых насекомых, а также в почве. Поэтому жвачные животные и насекомые могут питаться целлюлозой.

8. Целлюлоза применяется для получения метана, древесного угля, уксусной кислоты, смолы, глюкозы

9. Производные целлюлозы (главным образом эфиры) применяют как загустители печатных красок, шлихтующие и аппретирующие препараты, стабилизаторы суспензий при изготовлении бездымного пороха.

10. Микрокристаллическую целлюлозу используют в качестве наполнителя при изготовлении лекарственных препаратов, как сорбент в аналитической и препаративной хроматографии [4].

1.5. Методика проведения исследования свойств целлюлозы

1.5.1. Растворение целлюлозы

  В пробирку налить 5 мл реактива Швейцера и опустить мелко разорванной фильтровой бумаги. Тщательно перемешать содержимое пробирки стеклянной палочкой до полного растворения  целлюлозы. В стакан налить 100 мл теплой воды и 2 мл концентрированной серной кислоты: в нее вылить тонкой струйкой раствор целлюлозы.

1.5.2. Кислотный гидролиз целлюлозы

   В сухую коническую колбу поместить мелко разорванной фильтрованной бумаги,  смочить концентрированной серной кислотой, перемешать. Добавить небольшими порциями при перемешивании 15-20 мл воды. Закрыть обратным холодильником и кипятить раствор на плитке 20-30 минут,  помешивая. Отлить 2-3 мл жидкости и нейтрализовать сухим карбонатом натрия.  

1.5.3. Получение растительного пергамента

Поставить 3 фарфоровые чашки в ряд, очень близко:1. раствор серной кислоты, 2. дистиллированная вода, 3.раствор аммиака.  Держа полоску фильтрованной  бумаги за концы, окунуть середину в кислоту на 8-10 с, затем промыть в воде и  растворе аммиака. Просушить между листами фильтрованной бумаги. Нанести по капле раствора йода на обработанную и необработанную части полоски.

1.5.4. Взаимодействие со щелочью

 В чашку налить концентрированный  раствор щелочи, во вторую -  воду. В каждую чашку опустить полоску фильтрованной бумаги. Через 5-7 минут вынуть полоску из воды и отжать в фильтрованной бумаге, а со 2 слить раствор щелочи и промыть  водой (не вынимая из чашки). В чистую чашку налить 10 %-ный раствор соляной кислоты и промыть полоску, затем снова промыть водой и отжать в фильтрованной бумаге. Подсушить полоски.

1.5.5. Получение и свойства динитрата целлюлозы

  В колбу налить 4 мл концентрированной азотной кислоты  и при перемешивании 8 мл концентрированной серной кислоты, немного охладить смесь и погрузить в нее небольшое количество фильтрованной бумаги. Нагреть смесь на водяной бане (t=600 C), перемешивать палочкой в течении 5-6 минут. Осторожно слить с бумаги жидкость, промыть водой сначала в колбе, а затем, смотав в комочек, в струе водопроводной воды. Избыток воды отжать в фильтрованной бумаге, обработав бумагу распушить и высушить в выпарной чашке на кипящей водяной бане. Разделить на 2 части: положить на асбестовую сетку одну часть полученного материала, а рядом такое же количество фильтрованной бумаги. Поджечь образцы лучинкой. Вторую часть поместить на дно сухой пробирки и нагреть на спиртовке, повернув отверстие пробирки к стене. [5].

Глава 2. Химический эксперимент

2.1. Результаты химического эксперимента и их обсуждение

В качестве объекта исследования взята фильтровальная бумага.

1. Растворение в медно-аммиачном растворе

При опускании фильтровальной бумаги в реактив Швейцера, происходит потемнении  раствора. Идет растворение бумаги на волокна. При добавлении воды и серной кислоты, волокна становятся отчетливо видны.

2. Кислотный гидролиз целлюлозы

При опускании фильтровальной бумаги в концентрированную серную кислоту, происходит образование раствора бурого цвета, т.к. кислота обугливает бумагу. Концентрированная серная кислота – водоотнимающее средство, катализатор реакции гидролиз. При разбавлении водой раствор светлеет, при кипячении становится прозрачным желтого цвета.  при нейтрализации карбонатом натрия выделяется углекислый газ.

3.  Получение растительного пергамента

При  проведении реакций полоски фильтровальной бумаги становятся тоньше, уже, прозрачнее. При нанесении раствора йода на полоски происходит образование синего окрашивания, это говорит о том, что произошло образование крахмала.

4. Взаимодействие со щелочью

При взаимодействии целлюлозы со щелочью происходит уплотнение полоски фильтровальной бумаги и ее укорачивание.

5. Получение и свойства динитрата целлюлозы

Фильтровальная бумага обугливается при взаимодействии с кислотами. При нагревании происходит разделение бумаги на отдельные волокна целлюлозы.  Высушенная бумага горит со вспышкой.

Заключение

В ходе написания данной работы проанализировано   12 литературных источников. В работе подробно рассмотрены такие вопросы как:

- строение целлюлозы;

- химические свойства целлюлозы;

- получение целлюлозы;

- применение целлюзы.

Была отработана методика по определению реакционной способности целлюлозы.

Целлюлоза вступает в реакции: щелочной и кислотный гидролиз, разложение, растворение, получение эфиров.

В дальнейшем можно определить, какие еще эфиры можно получить, попробовать выделить целлюлозу из древесины.

Данную работу можно использовать на уроках химии при изучении темы "Полисахариды»".

Библиографический список

1. Даванков А.Б. Лабораторные работы по химии целлюлозы и целлюлозным пластикам.-М.: Редакция химической литературы ГОНГИ НКТП, 1939.

2. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. – 27-е изд., стереотипное/ Под ред. В.а. Рабиновича. – Л.: Химия,1988.- 704 с ил.

3. Иванов Ю.С. Производство сульфатной целлюлозы. Часть 1: учебное пособие/ ГОУВПО СПбГТУРП.-СПб., 2010

4. Краткий справочник школьника. 5-11 классы /Е.П. Новикова и др.-М.: Филологическое общество «СЛОВО»: ОЛМА-ПРЕСС, 2003.

5. Лабораторный журнал по прикладной химии.

6. Новошинский И.И., Новошинская Н.С. Органическая химия.11(10) класс. Базовый уровень: учебник для общеобразовательных учреждений / И.И. Новошинский, Н.С. Новошинская. – 7-е изд. – М.: ООО «Русское слово - учебник», 2013. – 176 с.

7. Новошинский И.И., Новошинская Н.С. Органическая химия.11(10) класс. Профильный уровень: учебник для общеобразовательных учреждений / И.И. Новошинский, Н.С. Новошинская. – 6-е изд. – М.: ООО «Русское слово - учебник», 2013. – 368 с.

8.http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/biologiya/TSELLYULOZA.html
9. http://biofile.ru/bio/19877.html
10. http://www.plam.ru/phimia/shpargalka_po_organicheskoi_himii/p69.php
11. http://www.chemicals-el.ru/chemicals-126-6.html
12. http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_4320.html

Районная учебно-исследовательская конференция

«Юность Поморья»

Направление: Химия

Определение содержания хлорид-ионов в молоке

Исследовательская работа

Выполнена ученицей 10 класса  муниципального образовательного учреждения «Каменская общеобразовательная школа Мезенского района»

Рогачевой Галиной Николаевной

Научный руководитель учитель муниципального образовательного учреждения «Каменская общеобразовательная школа Мезенского района»

Фуфаева Ольга Васильевна

г. Мезень,2011

Оглавление

Введение                                                                                                                                    3

Глава  1. Обзор литературы                                                                                                     4

1. . Содержание и роль  хлорид-иона в организме                                                  4
2. . Поступление хлорид-иона в организм                                                                5
3. . Содержание хлорид-иона в молоке                                                                     6
4. . Методика определения хлорид-иона в молоке                                                   6

1.4.1.Сущность метода                                                                                            6

1.4.2. Методика определения хлорид-ионов в молоке                                         7                                                                                                                                  

                  1.4.3.Подготовка реагентов к анализу                                                                   7

Глава 2. Химический эксперимент                                                                                          8

           2.1.  Объекты исследования                                                                                           8

           2.2. Результаты химического эксперимента и их обсуждение                                   9

Заключение                                                                                                                                11

Библиографический список                                                                                                     12

Приложение 1 Содержание Cl-  (мг/мл) в  молоке                                                                  13

Приложение 2 Оборудование и реактивы  для анализа                                                        14

Введение

Каждый младенец начинает свой жизненный путь с употребления молока. Молоко матери вместе с её заботой является основными факторами адаптации в новом для ребенка мире и наилучшей гарантией его быстрого и правильного развития. Молоко всегда рассматривалось в обществе как очень полезный продукт, недаром о здоровом человеке говорили «кровь с молоком». Каждый из нас знает слова детской песни: «Пейте дети молоко – будете здоровы!»

Человек открыл для себя молоко примерно 7–8 тысяч лет назад, о чем свидетельствуют раскопки археологов, предания, легенды, сказки и мифы. Редкий народ не сложил о нем свою историю.

         Древние люди не могли судить о химическом составе молока, но путем систематических наблюдений пришли к заключению о его невероятной пользе. Они называли его «белой кровью» и «соком жизни». Гиппократ назначал молоко больным туберкулезом, и считал также, что оно чрезвычайно полезно при нервных расстройствах. Активно врачевал различные болезни молоком Авиценна. Он называл молоко не иначе «как лучший продукт для  детей и людей, подвинутых в годах». По мнению Авиценны, самым целебным является молоко тех животных, которые вынашивают плод примерно столько же, сколько и человек. В связи с этим он полагал, что для человека наиболее подходит коровье молоко.

     Выдающийся русский ученый С. П. Боткин называл молоко «драгоценным средством» для лечения болезней сердца и почек. Целебные свойства молока высоко ценил и автор «русского способа» лечения кумысом больных туберкулезом Г. А. Захарьин.

      Во все времена молоко ценилось главным образом за свои удивительные питательные свойства. По меткому выражению И. П. Павлова, «молоко — это и изумительная пища, приготовленная самой природой».  

В  настоящее время большое внимание уделяется молоку и питанию им детей. Сейчас во всех школах России реализуется программа «Молоко». Всем известно, что в нем содержится большое количество полезных организму веществ. Все говорят о содержании в молоке таких элементов как кальций, калий, фосфор, но и о хлоре забывать не стоит. Он в организме человека выполняет огромное количество функций.

Целью  данной работы является   определение хлорид-иона в молоке различных торговых марок и натурального молока титриметрическим методом.

Были поставлены следующие задачи:

1. Сделать литературный обзор данных по содержанию хлорид-иона в организме человека.
2. Изучить  титриметрический метод определения хлорид-иона в молоке.
3. Описать объекты исследования.
4. Провести химический эксперимент по определению хлорид-иона в молоке различных торговых марок и в натуральном молоке.
5. Сравнить полученные данные в зависимости от пастеризации.
6. Определить наиболее богатый  хлором  вид молока.

Глава 1. Обзор литературы

1. Содержание и роль хлорид-иона в организме

В организме взрослого человека содержится около 100 г хлора (0,14% от массы тела).  Хлор находится в организме в основном в ионизированной форме: в виде анионов солей натрия, калия, кальция и магния. Наряду с перечисленными катионами анионы хлора являются наиболее важными осмотически активными ионами плазмы крови, лимфы, спинномозговой жидкости, клеточного содержимого. Хлорид-ион занимает первое место среди анионов по содержанию в плазме. За ним следуют гидрокарбонат-ионы.[9]

Равновесие, которое поддерживает хлор – это баланс между эритроцитами и плазмой, кровью и тканями организма, а также водный баланс. Если этот баланс нарушен, то появляются отёки.

Вместе с калием и натрием хлор обеспечивает нормальный водно-солевой обмен, и может снимать отёки различного происхождения, приводя в норму артериальное давление. Соотношение этих элементов всегда должно быть сбалансированным, так как они поддерживают нормальное осмотическое давление межклеточной жидкости. Кислотно-щелочной дисбаланс, который может появиться вследствие нарушения равновесия между этими элементами, вызывает различные заболевания.

Хлор важен для нормального пищеварения, так как он участвует в образовании соляной кислоты, являющейся основным компонентом желудочного сока, а также стимулирует активность амилазы – фермента, способствующего расщеплению и усвоению углеводов. При некоторых заболеваниях желудочно-кишечного тракта, сопровождающихся воспалительными процессами, количество хлора в организме уменьшается.

Улучшая работу печени, хлор помогает клеткам и тканям избавляться от шлаков, а также своевременно выводит из организма углекислый газ.

Для спортсменов важно, чтобы в их организме всегда соблюдался баланс хлора, так же, как натрия и калия: хлор необходим суставам – он позволяет им дольше сохранять гибкость, а мышцам помогает оставаться сильными. [1].

Хлор накапливается в висцеральной ткани, коже и скелетных мышцах. Всасывается хлор, в основном, в толстом кишечнике. В клетках аккумулируется 10-15 % всего хлора, из этого количества от 1/3 до 1/2 — в эритроцитах. Около 85 % хлора находятся во внеклеточном пространстве. Хлор выводится из организма в основном с мочой (90-95 %), калом (4-8 %) и через кожу (до 2 %). [10]

Хлорид натрия необходим для выработки в желудке соляной кислоты, которая способствует пищеварению и уничтожению болезнетворных бактерий. В настоящее время участие хлора в возникновении отдельных заболеваний у человека изучено недостаточно хорошо, главным образом из-за малого количества исследований. Настоящее время не разработаны рекомендации по норме суточного потребления хлора. Рекомендаций множество, все они сводятся к тому, что хлор всегда употребляется излишне. Мышечная ткань человека содержит 0,20-0,52 % хлора, костная — 0,09 %; в крови — 2,89 г/л. [9]

Минимальная потребность человека в хлоре составляет около 800 мг в сутки. Младенец получает необходимое количество хлора через молоко матери, в котором содержится 4г в 1л молока [3].

Основное количество хлора поступает  с  такими продуктами питания, как поваренная соль и молоко. К продуктам с высоким содержанием хлора относятся также оливки, водоросли. Потребность в хлоре полностью удовлетворяет обычная пища, так как в ней всегда избыток поваренной соли.

1.2. Влияние хлорид-иона на организм

Повышенное содержание хлора в организме

Избыток хлора может привести к накоплению воды в тканях организма, а потом к резкому повышению кровяного давления. При резком увеличении количества хлора в организме появляется резь в глазах и кашель, текут слёзы, возникает головная боль и боли в груди, расстройства пищеварения; возможно развитие тяжёлого воспаления бронхов, высокая температура и токсический отёк лёгких. [1]

Хлор и его соединения очень токсичны.

Пониженное содержание хлора в организме

Дефицит хлора в организме может возникнуть в случае обезвоживания – так бывает довольно часто. Это может быть сильное потоотделение; рвота и понос при отравлениях; нефропатия, при которой человек теряет соли; адренокортикальная недостаточность – состояние, при котором снижается функция коры надпочечников; нарушения кислотно-основного равновесия. Некоторые лекарства, даже обычные слабительные или мочегонные препараты, тоже вызывают уменьшение содержания этого элемента в организме.

Если нехватка хлора умеренная, то человек чувствует вялость и сонливость, у него ухудшается память, слабеют мышцы, появляется сухость во рту, снижается аппетит и теряется способность различать вкус продуктов. Хронические заболевания, обусловленные недостатком хлора, обычно сопровождаются поражениями кожи, выпадением волос и зубов.

Острый дефицит этого элемента, о важности которого многие века учёные даже не подозревали, может вызвать тяжелейшие состояния, вплоть до комы, и даже закончиться смертью, если вовремя не восстановить его баланс в организме. [1]

Основные причины дефицита хлора:

• недостаточное поступление хлора с пищевыми продуктами;
• нарушение регуляции обмена хлора.

Коррекция дисбаланса хлора в организме

Необходимо поддерживать поступление в организм хлора и натрия в пропорции 1:2.

1.3. Содержание хлорид-иона в молоке

Хлор вместе с кальцием, фосфором, магнием, калием, натрием, серой являются основными  элементами молока.[7]

 Содержание хлорид-ионов в натуральном молоке колеблется от 90 до 120 мг в 100 мл. [6]

1.4.  Количественное определение хлорид-иона в молоке, или  метод Мора

1.4.1. Сущность  метода

Анализ выполняется методом титрования. Этот метод заключается в постепенном добавлении известного количества одного из реагентов к другому до тех пор, пока определяемое вещество не прореагирует полностью. В этот момент происходит изменение цвета добавляемого индикатора. Зная количество одного из реагентов, можно рассчитать количество другого [5]

 Метод  определения хлорид-иона в молоке основан на титровании хлорид-ионов раствором нитрата серебра в нейтральной или слабощёлочной среде (рН=7-10) в присутствии индикатора К2СrO4.

CI-+Ag+=AgCI [4]

Индикатор метода Мора – раствор K2CrO4 даёт с нитратом серебра красный осадок хромата серебра Ag2CrO4, но растворимость осадка(0,65*10 г/л) гораздо больше растворимости хлорида серебра (1,25*10  г/л). Поэтому при титровании раствором нитрата серебра в присутствии хромата калия красный осадок хромата серебра появляется лишь после добавления избытка ионов Ag+,когда все хлорид-ионы уже осаждены. При этом всегда к анализируемой жидкости приливают раствор нитрата серебра, а не наоборот.

2AgNO3+K2CrO4=Ag2CrO4+2KNO3

              Возможности применения этого метода довольно ограничены.[2]

1.4.2. Методика определения хлорид-иона в молоке

В коническую колбу вместимостью 250 мл отмеривают 10 мл анализируемого молока и доводят объём дистиллированной водой до 100 мл, рН  анализируемой пробы должен составлять от 7 до 10.

Далее приливают 5 капель 5% раствора хромовокислого калия и титруют 0,2 н AgNO3 до перехода цвета раствора из жёлтого в оранжевый.

Массовую концентрацию хлорид-ионов (Х) в мг/мл вычисляют по формуле

где

V - объём азотнокислого серебра, израсходованного на титрование, мл;

н – нормальность комплексона, мг/мл

35,5 – грамм – эквивалент хлорид-ионов;

V1 – объём молока, взятый на анализ, мл;

За окончательный результат принимают средне арифметическое двух параллельных определений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать 2%.[9]

1.4.3. Подготовка реагентов к анализу

 Для приготовления всех растворов необходимо применять химические реагенты квалификации «чистый для анализа»  ими дистиллированную воду. Оборудование и реактивы   (Приложение 2)

1. 0,1 н AgNO3 

16, 9873 г азотно кислого серебра взвешивают с погрешностью не более 0, 0002 г, растворяют в дистиллированной воде в мерной колбе вместимостью 1000 мл и объём раствора доводят дистиллированной водой до метки.

         2)0,2 н   AgNO3

Отмеривают 200 мл 0,1 н раствора нитрата серебра в мерную колбу вместимостью 1000 мл и объём дистиллированной водой доводят до метки.

            3) Приготовление 5% раствора K2CrO4

5 г хромовокислого калия взвешивают с погрешностью не более 0,01 г и растворяют в 95 мл дистиллированной воды.

            4). Приготовление 0,1 н NaOH

Раствор готовят из фиксанала.

Содержимое ампулы переносят в мерную колбу вместимостью 1000 мл, растворяют в дистиллированной воде и объём раствора доводят дистиллированной водой до метки[9]

Глава 2. Химический эксперимент

2.1.Объекты исследования

         В качестве объектов исследования были выбраны следующие торговые марки молока:

1. Молоко питьевое пастеризованное «Вологжанка» с массовой долей жира 2,5 % Производитель : ПК «Вологодский молочный комбинат»

Дата производства 30.01 .2011

Годен до 06.02.2011

2. Молоко питьевое пастеризованное «Белозорие», массовая доля жира 3,2%

Производитель : ОАО «Молоко», Россия, 163002 г.Архангельск, ул.Октябрят,42

Дата производства 30.01 .2011

Годен до 06.02.2011

3. Молоко питьевое ультрапастеризованное «Домик в деревне» с массовой долей жира 3,2;

Производитель: ОАО «Вимм-Билль-Данн», Россия, г.Москва, Дмитровское шоссе , д.18

Дата производства 22.07.10

Годен до 22.01.2011

4. Молоко питьевое ультрапастеризованное «Простоквашино», массовая доля жира 3,5%

Производитель: ОАО «Юнимилк», Россия, г.Москва, ул.Вятская, д.27 корп. 13-14

Дата производства 20.12.10

Годен до 16.09.2011

5. Молоко натуральное

2.2. Результаты химического эксперимента и их обсуждение

Исследуемое молоко находилось в помещении, температура в котором была = +130С.

Анализ молока проводился в двукратной повторности. Экспериментальные данные  (Таблица 1. и таблица  Приложение 1).

Таблица 1

Содержание хлорид-иона в молоке

Рис.1. Содержание хлорид-ионов (мг/мл)  в разных торговых марках молока

В натуральном молоке содержание хлорид-ионов выше, чем в молоке различных торговых марок, так как оно не подвергалось никакой обработке (Рисунок 1).

Рассмотрена зависимость содержания хлорид-иона от степени обработки молока.

Рис.2. Зависимость содержания хлора в динамике экспозиции молока

При проведении исследования выявлена следующая зависимость: наименьшее содержание хлора в пастеризованном молоке, наибольшее – в натуральном.(Рисунок 2)

Пастеризация – это обработка молока при температуре 74—76°С. При пастеризации гибнут 90% микроорганизмов и сокращается содержание основных компонентов молока. Снижение содержания хлорид-иона связано с его взаимодействием с  кальцием и магнием.  Срок хранения такого молока от 24 ч до нескольких дней.

Ультрапастеризация заключается в нагревании молока до 135-150 °C  в течение 2-3 сек. Сразу же после нагревания молоко охлаждают до 4-5 °C .При этом также микроорганизмы уничтожаются, но питательные вещества в основном сохраняются. Молоко после такой обработки пригодно для употребления 6 недель и дольше. Поэтому содержание хлора в таком молоке больше, чем в пастеризованном, но меньше, чем в натуральном.

 Натуральное сырое молоко не подвергается никакой обработке, кроме грубой фильтрации и охлаждения до -1-8°С и содержание хлора в нем остается неизменным.

В Каменской средней школе учащимся выдают ультрапастеризованное молоко. Мы убедились, что содержание хлорид-иона выше, чем в пастеризованном и,  следовательно, оно полезнее. 

Заключение

В ходе написания данной работы проанализировано 9 литературных источников. В работе подробно рассмотрены такие вопросы как:

- содержание и роль хлорид-иона в организме человека;

- содержание хлорид-иона в молоке;

Сделано описание объектов исследования.

Была отработана методика по определению содержания хлорид-ионов в молоке титриметрическим методом. Проведен анализ молока по выбранной методике. Были проанализированы образцы молока разных торговых марок и натуральное молоко в зависимости от пастеризации.

Наибольшее содержание хлоридов характерно для натурального, не обработанного молока.

Библиографический список

1. Гатаулина Г. Хлор: потребность и где содержится. Избыток и недостаток хлора в организме: чем опасен и зачем нужен хлор. Статья с сайта inmoment.ru
2. Курсовая работа «Методы определения хлорид-ионов» http://www. allbest.ru/
3. Сайт независимого дистрибьютора компании «Vision international People Group» Огневского Тимофея Александровича http://timofeys.narod.ru/madefrom.html#Сhlorum
4. Фрумина Н.С., Лисенко Н.Ф., Чернова М.А.Аналитическая химия хлора. – М: Академия наку,1983.-197 с.
5. Харитонов. Ю. Я. Аналитическая химия. Количественный анализ. – М.: Высшая школа, 2003.
6. Химический состав пищевых продуктов, под ред. И.М.Скурихина и М.Н.Волгарева, кн. 1-2, М.,1987.
7. Шарманов А.Т. Пищевые вещества и функционирование клеток иммуносистемы//Вопросы питания. - 1990. - № 1.
8. http://gazpromschool.by.ru/ 
9. www.labmto.kspu.ru/
10. http://www.calorizator.ru/

ОБЛАСТНАЯ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

"ЮНОСТЬ ПОМОРЬЯ"

Направление Химия

Влияние различных факторов на активность амилазы слюны

Исследовательская работа

Выполнена ученицей 10 класса  муниципального бюджетного образовательного учреждения «Каменская общеобразовательная средняя школа Мезенского района»

Дудкиной Елизаветой Эдуардовной

Научный руководитель - учитель муниципального бюджетного  образовательного учреждения «Каменская общеобразовательная средняя школа Мезенского района»

Фуфаева Ольга Васильевна

г. Архангельск ,2014

Оглавление

Введение

В основе всех жизненных процессов лежат тысячи  химических реакций. Они идут в организме без применения высокой температуры и давления, т.е. в мягких условиях. Вещества, которые окисляются в клетках человека и животных, сгорают быстро и эффективно, обогащая организм энергией и строительным материалом. Возможность быстрого переваривания продуктов в живом организме осуществляется благодаря присутствию в клетках особых биологических катализаторов – ферментов. Если посмотреть внимательно, можно заметить, что еда современного человека слишком насыщена крахмалистыми веществами. Поступающие в организм человека сложные углеводы пищи имеют иную структуру, чем углеводы человеческого тела. Так полисахариды, составляющие растительный крахмал, представляют собой линейные или слаборазветвленные полимеры глюкозы, а крахмал человеческого тела – гликоген, - имея в основе те же глюкозные остатки, образует из них иную – сильноразветвленную – полимерную структуру. Поэтому усвоение пищевых полисахаридов начинается с их гидролитического расщепления в процессе пищеварения до моносахаридов.

        Гидролитическое расщепление углеводов в процессе пищеварения происходит под действием ферментов гликозидаз.Расщепление крахмала начинается в полости рта под действием амилазы слюны.

Содержание амилазы в слюне различно у разных людей; поэтому переваривание слюной одного и того же количества крахмала у разных людей занимает разное время. Исходя из этого для исследования мы взяли слюну  одного человека.

Многие вопросы, касающиеся амилазы слюны, меня очень  заинтересовали, и я попыталась найти на них ответы. Хотя по химии я не изучала ещё тему «Ферменты», но мне захотелось проверить действие некоторых факторов  на деятельность амилазы слюны.

Целью данной работы являетсявыявление влияния различных факторов на гидролиз крахмала под действием фермента -  амилазы слюны.

 Были поставлены следующие задачи:

1. Сделать литературный обзор по слюне и ферментам.

2. Определить,  какие условия влияют на гидролиз крахмала.

3. Провести химический эксперимент по определению влияния температуры, рН, отдельных веществ на активность амилазы слюны

Глава  1. Обзор литературы

1.1.Слюна

   Слюна – это сложная биологическая жидкость, участвующая в поддержании гомеостаза полости рта. В полости рта находится не чистый секрет слюнных желез, а так называемая смешенная слюна или ротовая жидкость. Она представляет с собой суммарный секрет всех слюнных желез, включает также микрофлору, содержимое десневых карманов, десневую жидкость, лейкоциты, остатки пищевых продуктов. Ротовая жидкость - это лабильная среда, и на ее количественный и качественный состав влияет множество факторов и условий, но в первую очередь - состояние организма. С возрастом секреторная функция больших и малых слюнных желез уменьшается. Нарушение слюноотделения происходит также при острых и  хронических  заболеваниях. [1]Отделение слюны уменьшается при стрессе, испуге или обезвоживании и практически прекращается во время сна и наркоза. Усиление выделения слюны происходит при действии обонятельных и вкусовых стимулов, а также вследствие механического раздражения крупными частицами пищи и при жевании.

             Слюна является физиологической жидкостью. Благодаря присутствию в слюне пищеварительных ферментов и, прежде всего амилазы, во рту происходит первичное пищеварение, расщепление крахмала до простых сахаров. Пропитываясь слюной, пищевой комок делается скользким, благодаря обволакиванию частиц пищи слизистым веществом слюны муцином, и легко проходит по пищеводу в желудок. Кислотность (или основность) среды физиологических жидкостей определяет биологическую активность клеток организма, которая, в свою очередь, определяется «работой» действующих в них ферментов. Каждая из физиологических жидкостей имеет определенное значение рН, и отклонение от нормы может быть причиной тяжелых заболеваний:  рН слюны 6,8,   возможные отклонения  рН  =  5,6  - 7,9.  [2]

Слюна содержит белки: амилазу, лизоцим, альбумины, глобулины и муцин. Содержащийся в слюне фермент амилаза может превращать полисахарид крахмал в дисахарид мальтозу. В среднем за сутки выделяется 1—2,5 л слюны. Слюноотделение находится под контролем вегетативной нервной системы. Центры слюноотделения располагаются в продолговатом мозге. Стимуляция парасимпатических окончаний вызывает образование большого количества слюны с низким содержанием белка. Наоборот, симпатическая стимуляция приводит к секреции малого количества вязкой слюны. Без стимуляции секреция слюны происходит со скоростью около 0,5 мл/мин.[5]

Большое влияние на состав и свойства ротовой жидкости оказывает гигиеническое состояние полости рта. Ухудшение ухода за полостью рта приводит к увеличению налета на зубах, повышению активности ряда ферментов (фосфатазы, аспарагиновой трансаминазы), увеличению осадка слюны, быстрому размножению микроорганизмов, что создает условия, особенно при частом приеме углеводов, для продуцирования органических кислот и изменения рН.

1.2. Ферменты и пищеварение

Ферменты – необходимые участники процесса пищеварения. Только низкомолекулярные соединения могут проходить через стенку кишечника и попадать в кровоток, поэтому компоненты пищи должны быть предварительно расщеплены до небольших молекул. Это происходит в ходе ферментативного гидролиза  белков до аминокислот, крахмала до сахаров, жиров до жирных кислот и глицерина. Гидролиз белков катализирует фермент пепсин, содержащийся в желудке. Ряд высокоэффективных пищеварительных ферментов секретирует в кишечник поджелудочная железа. Это трипсин и химотрипсин, гидролизующие белки; липаза, расщепляющая жиры; амилаза, катализирующая расщепление крахмала. [5]

Ферменты — высокоэффективные катализаторы. Они повышают скорость катализируемой реакции в 1012 раз и более. При приеме пищи продукты после пережевывания смешиваются со слюной и затем после проглатывания поступают в желудок, где смешиваются с желудочным соком. Именно здесь начинается химическое переваривание пищи.

Соляная кислота желудочного сока важна для пищеварения. Она активирует пепсиногены в пепсины, создает оптимальный для их действия рН (около рН= 2), денатурирует пищевые белки, которые вследствие этого лучше расщепляются протеиназами, и убивает микроорганизмы. [7]

Скорость любой ферментативной реакции непосредственно зависит от концентрации фермента. Существующая линейная зависимость между этими величинами, когда скорость реакции прямо пропорциональна количеству присутствующего фермента, справедлива только в определенных условиях, например в начальный период ферментативной реакции, так как в этот период практически не происходит обратной реакции, а концентрация продукта оказывается недостаточной для обратимости реакции. Именно в этом случае скорость реакции (точнее, начальная скорость реакции) будет пропорциональна концентрации фермента.[5]

  Ферменты являются белками, поэтому любые агенты, вызывающие денатурацию белка (кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов, нагревание), приводят к необратимой инактивации фермента. Однако подобное инактивирование относительно неспецифично, оно не связано с механизмом действия ферментов. Гораздо большую группу составляют так называемые специфические ингибиторы, которые оказывают свое действие на какой-либо один фермент или группу родственных ферментов, вызывая обратимое или необратимое ингибирование. [8]

          Значение ферментов невозможно переоценить. Только в человеческом организме ежесекундно происходит тысячи и тысячи ферментативных химических реакций.           Гидролитическое расщепление углеводов в процессе пищеварения происходит под действием ферментов гликозидаз. К гликозидазам относятся амилаза слюны, поджелудочного и кишечного соков, мальтоза слюны и кишечного сока, конечная декстриназа, сахараза и лактаза кишечного сока. [8].

           Сейчас химикам известно более 2000 ферментов. Все они обладают рядом специфических свойств, отличающих их от неорганических катализаторов. Все  ферменты можно разделить на 6 классов См. приложение 1.

1.3. Амилаза

Амилаза (от латинского amylum — «крахмал» и -asa — окончание, обозначающее ферменты) — фермент, расщепляющий крахмал до мальтозы, глюкозы и декстринов. Именно амилаза приводит к появлению сладковатого вкуса при длительном пережёвывании крахмалосодержащих продуктов (например, из риса или картофеля), но без добавления сахара. Амилаза присутствует в слюне, где начинает процесс пищеварения. Существует три типа амилаз, обозначаемых альфа, бета и гамма.

α-Амилаза (1,4-α-D-глюкан-глюканогидролаза) является кальций-зависимым ферментом. К этому типу относятся амилаза слюнных желез и амилаза поджелудочной железы. Она способна гидролизовать полисахаридную цепь крахмала и других длинноцепочечных углеводов в любом месте. Таким образом, процесс гидролиза ускоряется и приводит к образованию олигосахаридов различной длины. У животных α-амилаза является основным пищеварительным ферментом. Активность α-амилазы оптимальна при нейтральной pH 6,7-7,0. Фермент обнаружен также у растений (например, в овсе), в грибах (в аскомицетах и базидиомицетах) и бактериях (Bacillus).

β-Амилаза (1,4-α-D-глюкан-мальтогидролаза) присутствует у бактерий, грибов и растений, но отсутствует у животных. Она отщепляет вторую с конца α-1,4-гликозидную связь, образуя, таким образом, дисахарид мальтозу. При созревании фруктовβ-амилаза расщепляет плодовый крахмал на сахара́, что приводит к сладкому вкусу зрелых плодов. В семенах β-амилаза активна на стадии, предшествующей прорастанию, тогда как α-амилаза важна при непосредственно прорастании семени.β-Амилаза пшеницы является ключевым компонентом при образовании солода. Бактериальная β-амилаза участвует в разложении внеклеточного крахмала.

γ-Амилаза (1,4-α-D-гликан-глюкогидролаза) отщепляет последнюю α-1,4-гликозидную связь, приводя к образованию глюкозы. Кроме этого, γ-амилаза способна гидролизовать α-1,6-гликозидную связь. В отличие от других амилаз γ-амилаза наиболее активна в кислых условиях при pH= 3. [9].

На активность амилазы влияют: рН среды, температура, введение активаторов и ингибиторов. См. приложение 2.

1.4.Методика определения влияния различных факторов на активность амилазы слюны

1.4.1 Сущность методов

Амилаза слюны катализирует реакцию гидролиза крахмала (расщепляет α-гликозидную связь)

(С6Н10О5)n + nH2O → декстрины → С12Н22О11→ С6Н12О6

                    мальтоза                                                           глюкоза

При реакции с йодом жидкость в пробирках окрашивается в жёлтый (мальтоза), оранжевый (ахродекстрины), красный (эритродекстрины), фиолетовый (амилодекстрины) и синий (крахмал) цвета. Если окраска синяя – гидролиз не идет.

1.4.2. Открытие амилазы в слюне

 Приготовление  разбавленной  слюны.  Рот ополаскивают  2—3  раза  водой  для  удаления остатков пищи. Отмеряют цилиндром 50 мл дистиллированной воды и ополаскивают ею  рот в течение 3—5 мин в несколько приемов. Собранную жидкость (примерно 50—60 мл)  фильтруют через вату и фильтрат используют для работы. Гидролиз крахмала под действием амилазы слюны. В две пробирки наливают по 5 мл  крахмального клейстера и в одну из них — 5 мл воды, а в другую — 5 мл раствора слюны.  Обе пробирки со стеклянными палочками, погруженными в них, одновременно помещают  в водяную баню при 40°С. Через 1 мин от каждой смеси отбирают с помощью стеклянной палочки по капле жидкости и смешивают их по отдельности с каплей йода, заранее  нанесенной на пластинку. Повторяют взятие проб через 2, 4, 6 и 8 мин. Окраска с йодом  проб из пробирки, содержащей слюну, меняется от синей к сине-фиолетовой, буро-красной, красной и, наконец, желтой.

1.4.3 Влияние pH среды на активность амилазы слюны.

В пробирки (рН = 5,91; 6,98; 7,38; 8,04)  добавить по 1 мл 0,5% раствора крахмала и 1 мл раствора слюны. Содержание пробирок перемешать и поставить в водяную баню при 40°С. Через 3-5 минут на стеклянную пластину нанести по капле смеси рядом с предварительно нанесенным на нее каплями раствора йода. В каждую из пробирок добавить по 3-4 капли раствора йода в иодиде калия, перемешать.инкубацию продолжать до тех пор, пока не исчезнет синяя окраска раствора, что означает окончание амилолитического расщепления.

1.4.4.Действие активаторов и ингибиторов  на активность амилазы слюны

В 2 штативах  располагают тремя рядами 30 пробирок (10 пробирок в каждом ряду). Пробирки каждого ряда нумеруют и во все вносят по 1 мл воды. Затем в первую пробирку каждого ряда добавляют по 1 мл профильтрованной неразбавленной слюны, содержимое хорошо перемешивают. Далее в каждом ряду 1 мл смеси из пробирки 1 перенести в пробирку 2 и перемешать, из пробирки 2 перенести 1 мл в пробирку 3, перемешать и т.д. до 10-й пробирки, из которой после перемешивания удалить 1 мл.

Во все пробирки первого ряда наливают по 1 мл воды (контрольный ряд), в пробирки второго ряда – по 1 мл раствора с массовой долей хлорида натрия 1 % и в пробирки 3-го ряда – по 1 мл раствора с массовой долей сульфата меди 1 %. Затем во все пробирки приливают по 2 мл раствора с массовой долей крахмала 0.5 % в следующем порядке: сначала в первые пробирки всех рядов, после этого во вторые пробирки всех рядов и т.д. Содержимое перемешивают встряхиванием и штатив с пробирками ставят в термостат при 400С на 15 мин. После охлаждения в каждую из них добавить по капле раствора йода  и отметить в каждом ряду номер пробирки, в которой реакция на крахмал отрицательная (желтое окрашивание).

1.4.5. Влияние температуры на активность амилазы слюны

В четыре пронумерованные пробирки налить по 2 мл 1% раствора крахмала. Первую пробирку поместить в кипящую водяную баню, вторую – в баню при 40°С, третью – оставить при комнатной температуре, а четвертую – поместить в снег. Через 10 минут во все пробирки добавить по 0,5 мл раствора слюны, перемешать с помощью стеклянной палочки и оставить при тех же условиях.наблюдение за ходом гидролиза крахмала вести по реакции с йодом. Для этого нанести на стеклянную пластинку несколько капель раствора йода и смешать их с каплями гидролизуемой смеси из каждой пробирки, беря пробы через 1,2,4,5,8,10 и т.д. минут.[6]

Глава 2. Химический эксперимент

2.1. Результаты химического эксперимента и их обсуждение

В качестве объекта исследования была взята слюна человека.

1. Для определения амилазы использовали реакцию крахмала  с йодом.

Таблица 1. Определение амилазы в слюне

Прим: с-синий, сф – сине-фиолетовый, б – бурый, ж - желтый

В пробирке с крахмалом, в которую добавили воду,  окраска синяя, не меняется, соответственно амилазы нет. В пробирке со слюной окраска меняется от синей до желтой, что говорит об образовании мальтозы (амилаза присутствует)

2. Влияние среды

Таблица 2. Влияние рН на активность амилазы слюны

При значении pH 5,91 и 8,04 окраска синяя, значит гидролиз не идет, а при значении 6,98 и 7,38 амилаза расщепляет крахмал, следовательно pH-оптимум амилазы слюны 6,98-7,38

3. Проведя опыты по определению действия активаторов и ингибиторов  на активность амилазы слюны, получили следующие результаты:

Таблица 3. Влияние активаторов и ингибиторов на активность амилазы слюны

Гидролиз крахмала идет в пробирках с водой и хлоридом натрия, с сульфатом меди - реакции нет. Следовательно, ион меди является ингибитором амилазы, хлорид- ион стимулирует действие амилазы.

4. Температура влияет на активность амилазы

Таблица 4. Влияние температуры на активность амилазы

Рис. 1.Зависимость времени гидролиза от температуры.

Из полученных результатов видно, что при100 0С и 0 0С  гидролиз не идет  (синяя окраска йода), при 20 0С гидролиз начинает идти только через 20 минут после начала гидролиза. При температуре 400С гидролиз начинается уже через 4 минуты и расщепление идет до мальтозы (желтое окрашивание). Температурный оптимум действия амилазы 400С.

Заключение

В ходе написания данной работы проанализировано  9 литературных источников. В работе подробно рассмотрены такие вопросы как:

- ферменты;

- слюна;

- амилаза;

Была отработана методика по определению влияния различных факторов на активность амилазы слюны. Проведен анализ слюны по выбранным методикам.

На активность амилазы слюны влияет рН среды, температура и введение ионов меди и хлора.

В дальнейшем можно определить, какие еще ферменты содержатся в слюне, как влияют другие факторы на активность амилазы (например, концентрация).

Данную работу можно использовать на уроках биологии при изучении темы "Ферменты" и как дополнительный материал на уроках химии.

Библиографический список

1. Артюхина А.И. Амилаза слюны как объект научного исследования.  Химия в школе №8. 2006г.
2. Воскресенский П.И. Неймарк А.М. Основы химического анализа. Москва. Просвещение. 1972г
3. Егоров А.С.  Репетитор по химии. – Ростов н/Дону:, 2005
4. Химия 10 /профильный уровень/ О.С.Габриелян, Ф.Н.Маскаев, С.Ю.Пономарёв, В.И.Теренин.- М.: Дрофа, 2007
5. Смирнова Г.А. Основы биохимии. -  М., 1995  
6. Филиппович Ю.Б.Практикум по общей биохимии : [Для хим. спец. пед. ин-тов] / Ю. Б. Филиппович, Т. А. Егорова, Г. А. Севастьянова ; Под общ.ред. Ю. Б. Филипповича, 311 с. ил. 22 см,  2-е изд., перераб. М.: Просвещение, 1982
7. www.schoolchemistry.by.ru
8. ХиМиК. ru – «Наглядная биохимия» http://www. Xumuk.ru/biochem/96
9. http://ru.wikipedia.org/wiki/Амилаза

Влияние различных факторов

на содержание витамина С в северных ягодах

Исследовательская работа

Выполнена ученицей 10 класса  Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Каменская средняя школа Мезенского района»

Елуковой  Анастасией Алексеевной

Научный руководитель - учитель Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Каменская средняя школа Мезенского района»

Фуфаева Ольга Васильевна

г. Архангельск, 2018

Оглавление

Введение

 Ягоды, произрастающие на севере, являются прекрасным профилактическим и лечебным средством против респираторных и вирусных заболеваний, опасность заболеть которыми увеличивается зимой. Поэтому ягода заготавливается впрок и чаще не зря. Ягоды содержат массу витаминов и минералов, но больше всего в них витамина C. Исследование содержание витамина С в северных ягодах показало, что это перспективная тема. Исследовательская работа «Содержание витамина С в ягодах, произрастающих в Мезенском районе» была высоко оценена  на XIII соревнованиях молодых исследователей в СЗФО «Шаг в будущее», проходивших в ноябре 2018 г в г. Мурманск.  Решили продолжить работу по данной теме и обратиться к вопросу количественного изменения содержания витамина С в ягодах при их хранении и  обработке.

Цель работы заключается в определении влияния различных факторов на содержание витамина С в ягодах черной смородины.

Поставленная цель определила следующие задачи:

1. Установить,  какие условия влияют на содержание витамина С в ягодах;

2. Провести химический эксперимент по определению влияния температуры, света, солей тяжелых металлов на содержание витамина С в ягодах;

3. Обобщить полученные данные.

 В качестве объекта исследования выбрали ягоды черной смородины, так как среди ягод, произрастающих в Мезенском районе, они содержат наибольшее количество витамина С.

Предмет исследования: витамин С.

Для решения обозначенных задач использовались следующие методы: анализ теоретической литературы, научный эксперимент – титрование (основанное на способности йода окислять аскорбиновую кислоту), наблюдение, анализ полученных результатов и обобщение.

Поставленная цель определила гипотезу исследования, в качестве которой было принято положение о том, что наибольшее количество витамина С сохраняется в замороженных ягодах.

Актуальность настоящего исследования определяется отсутствием научных работ по данному направлению, а также необходимостью систематизировать знания о содержании витаминов именно в северных ягодах.

В ходе исследования нами была подобрана и  изучена литература по данной теме. Для определения содержания витамина С воспользовались статьей Фроловой Н.К «Определение содержания витамина С  цитрусовых», опубликованной в журнале «Химия. Первое сентября» №20, 2010 г. Воспользовавшись учебником «Пищевая химия» выяснили, какие факторы влияют на содержание витамина С.

Глава 1. Обзор литературы

1. Содержание витамина С в ягодах черной смородины

Черная смородина является классическим сырьём по содержанию витамина С. Содержание витамина С в ягодах дикорастущей черной смородины достигает 400 мг% на 100 г ягод. По содержанию витамина С ягоды черной смородины стоят на одном из первых мест по сравнению с другими плодами и ягодами, уступая только шиповнику и актинидии. При технической переработке плодов черной смородины витамин С в них сохраняется хорошо. Поэтому продукты переработки черной смородины характеризуются также высоким содержанием витамина С, что имеет большое практическое значение. Хорошая устойчивость витамина С объясняется весьма низкой активностью фермента аскорбиназы, под влиянием которого и протекают процессы окислительного характера, приводящие к потере (разрушению) аскорбиновой кислоты. При технической переработке ягод черной смородины возможны некоторые потери витамина С, которые выражаются при сульфитации в 0%, при варке варенья от 6 до 8,3%, при приготовлении компотов (консервирование в герметически укупоренной таре) от 0 до 2,9% и при производстве соков от 4,2 до 8,6% [5].

1.2. Факторы, влияющие на содержание витамина С

1.2.1. Влияние тепловой обработки

Чем быстрее происходит нагрев, тем лучше сохраняется витамин С (быстрее деактивируется фермент, который окисляет аскорбиновую кислоту). При температуре 50°С в ягодах еще остается кислород. Этот элемент имеет большую электроотрицательность, то есть способность перетягивать на себя электрон другого атома, за счет чего его прежнее соединение разрушается. А при температуре выше комнатной реакция окисления начинает протекать более активно, "отрывая" атомы от аскорбиновой кислоты. Но при достижении кипения воды, содержащейся в продукте, кислород испаряется, следовательно, число окислительных процессов уменьшается.  Таким образом, наиболее целесообразно варить, опуская плоды сразу в кипящую воду. Кипящая вода практически не содержит растворенного кислорода, а её высокая температура ведет к быстрой деактивации ферментов. При жарке витамин С разрушается меньше, чем при гидротермической обработке - поскольку при жарке происходит быстрый нагрев, а период теплового воздействия мал, и меньший доступ кислорода[2].

1.2.2. Влияние заморозки

Единственно правильный метод сохранить данный витамин— заморозить его, при этом продукт сохраняет более 80% такой полезной для организма аскорбиновой кислоты. Однако следует помнить, что единожды разморозив ягоды, содержащие витамин C вторичной заморозке они уже не подлежит, так же как и дальнейшему хранению. Его необходимо сразу переработать или съесть. Плоды, как правило, замораживают не более чем через 3-6 часов после уборки. Но и замораживать можно по-разному. Классический способ заморозки — при температуре минус  30−40° С при помощи низкотемпературной жидкости либо холодного воздуха. Вода в клетках ягод не успевает превратиться в большие кристаллы льда, разрушающие клеточные оболочки и тем самым повреждающие содержимое клеток. Помимо этого способа существует более современное криогенное или шоковое замораживание при температурах ниже - 60°С. Доказано, что такой продукт по своей питательной ценности практически не уступает свежему.

Но при этом нельзя забывать, что при относительно низких температурах витамин C образуется более энергично. Чем выше температура, тем меньше интенсивность его синтеза. Однако в клюкве, хранящейся при пониженной температуре, наблюдается не разрушение, а даже накопление аскорбиновой кислоты, то есть продолжается синтез аскорбиновой кислоты[3].

1.2.3. Влияние света

Свет оказывает влияние и на синтез витамина C. Аскорбиновая кислота может образоваться при недостатке света и даже в темноте, но при хорошем освещении растений ее накапливается в тканях значительно больше.  Учеными установлено, что содержание витамина С уменьшается в те года, когда количество солнечных дней небольшое. Также установлено, что количество витамина С в растениях меняется и в течение суток: ночью аскорбиновой кислоты в листьях оказывается мало, на рассвете ее концентрация увеличивается, а в дневные часы достигает максимума. Подобная закономерность найдена и в ягодах черной смородины.

Положительное действие света на образование витамина C состоит в первую очередь в том, что образуется больше сахаров, необходимых для его биосинтеза. Возможно также, что свет активирует ферменты, принимающие участие в синтезе аскорбиновой кислоты. Это подтверждает, например, такой факт: если культивировать изолированные, лишенные хлорофилла корни на искусственной среде в темноте и параллельно такие же на свету, то содержание витамина C на свету оказывается много больше. Понятно, что в корнях фотосинтез отсутствует и сахара здесь вновь не образуются. Значит, влияние света осуществляется через активирование ферментов. Но при этом свет отрицательно влияет на содержание витамина С в зрелых плодах. Свет разбивает связи в молекуле аскорбиновой кислоты, поэтому нарезанные плоды сохраняют максимальное количество витамина в темном холодильнике. Кожура защищает ягоды от воздействия света, таким образом количество витамина С  будет сохраняться[4].

1.2.4. Влияние солей металлов

На содержание витамина С влияют ионы металлов с переменной валентностью - медь, железо, кобальт, никель и др. Каталитическое действие ионов металлов, по-видимому, мало зависит от их количества. Микродозы меди и железа, содержащиеся в водопроводной и даже в дистиллированной воде, способны разрушать витамин С полностью. Установлено, что ионы металлов влияют избирательно: железо вызывает сильное разрушение витамина С, но никакого влияния не оказывает на каротин. Каталитическая активность ионов тяжелых металлов зависит от рН среды и температуры среды. Действие меди сильно выражено в условиях комнатной температуры при рН 6,75 - 7,20, а железа - при рН 2 - 3,6 [4].

Глава 2. Химический эксперимент

2.1. Методика определения содержания витамина С

Методика определения содержания витамина С основана на способности йода окислять аскорбиновую кислоту. При прямом титровании аскорбиновой кислоты раствором йода происходит следующая окислительно-восстановительная реакция:

Таким образом 1 моль аскорбиновой кислоты (М=176 г/моль) реагирует с 1 моль йода с образованием 1 моль дегидроаскоробиновой кислоты и 2 моль йодид-ионов. Следовательно, эквивалентная масса аскорбиновой кислоты в данной реакции составляет:  Э (С6Н8О6)=М (С6Н8О6)/2=176/2=88 г/моль.

1. Подготовка раствора титранта.5%-ю (0,2 моль/л) спиртовую настойку йода разбавили дистиллированной вводов в 40 раз. Концентрация йода с(I2)= 0,2/40= 0,005 моль/л. Раствор крахмала приготовили из 1 г. крахмала на 200 г. кипящей воды.
2. Титрование. Бюретку заполнили раствором йода. Уровень раствора йода выводим на нуль. В коническую колбу для титрования с помощью пипетки отобрали пробу сока, добавили 0,5 мл раствора крахмала. Титровали раствором йода при энергичном перемешивании до появления синей краски, не исчезающей в течение 20 с. Для каждого образца цитрусового была проведена серия, состоящая из трех титрований. Дополнительное предварительное титрование проводилось для повышения точности данных. Результаты предварительного титрования в расчете не использовались.

      3. Расчетная часть. Расчет концентрации витамина С в пробе сока производили по формуле:

 ,

где с (вит. С)- концентрация витамина С;

V (I2)- объем (в мл) раствора йода, определенный экспериментально в ходе титрования;

с (I2)- концентрация ( в моль/л) раствора йода;

V (сок) - объем( в мл ) пробы сока.

Для расчета концентрации витамина С из каждого образца ягод отобрали три пробы. На основании определенных данных концентрации витамина С в пробах была вычислена средняя концентрация витамина С в каждом образце. Далее производили расчет витамина С в ягодах в мг/100 мл сока.

Расчет производился по формуле:

m(вит. С) =  сср(вит. С)•100•Э( С6Н8О6)              m(вит. С) =  сср(вит. С)•100•88,

где m (вит.С) – масса витамина С в мг на 100 мл сока [1].

2.2. Результаты химического эксперимента и их обсуждение

 В результате проведенного эксперимента мы выяснили содержание витамина С в ягодах.  

         1. Влияние тепловой обработки. Ягоды  опустили в холодную воду, нагрели, измерили температуру и провели определение содержания витамина С. Затем свежие ягоды опустили на 2 минуты в кипящую воду. Определили содержание витамина С. Результаты приведены в таблицах 1,2, Рисунок 1. (См. Приложение 1). Вывод: при увеличении температуры содержание витамина С уменьшается от 105,6 до 81,9 мг/100 мл сока. В кипящей воде содержание витамина С уменьшается в малых количествах.

2. Влияние заморозки. Свежие ягоды черной смородины положили в морозильную камеру на 2 суток и затем определили массу витамина С. Результаты приведены в таблице 3, Рисунок 2. (См. Приложение 2). Вывод: при заморозке содержание витамина С, так же как и при кипящей воде, уменьшается в малых количествах.

3. Влияние света. Собранные ягоды оставили на 3 суток на свету. В ночное время ягоды находились под действием лампы. Затем рассчитали содержание витамина С. Результаты приведены в таблице 4, Рисунок 3. (См. Приложение 3).  Вывод: при свете витамин С  разрушается, его содержание уменьшилось на  25%

4.  Влияние солей тяжелых металлов. В сок ягод добавили по 1 капле (0,03 мл) раствора сульфата меди и сульфата  железа (II). Провели исследование. Определили массу витамина С. Результаты приведены в таблице 5, Рисунок 4 (См. Приложение 4). Вывод: в присутсвии ионов железа и меди содержание витамина С в ягодах черной смородины значительно уменьшается: с 105,6 до 16,7 мг/100 мл в присутствии ионов железа  и до  36,8 мг/100мл в присутствиии ионов меди.

Заключение

В результате проведенного исследования, мы пришли к следующим выводам:

1. Наиболее целесообразно варить, опуская плоды сразу в кипящую воду, т.к. кислород испаряется, следовательно, число окислительных процессов уменьшается.  
2. Единственным правильным методом для сохранения витамина С является заморозка. Замараживать плоды можно только один раз. После разморозки ягоды рекомендуется съесть или использовать в определённых целях.
3. Свет отрицательно влияет на содержание витамина С в зрелых плодах.
4. Микродозы меди и железаспособны разрушать витамин С полностью.
5. Есть много способов по сохранению витамина С, но более целесообразно употреблять плоды в свежем и сыром виде.
6. Витамина С больше всего содержится в замороженных ягодах, таким образом, наша гипотеза подтвердилась.

В дальнейшем можно исследовать более подробно витамин С в южных ягодах и сравнить с содержанием в северных  ягодах, или выяснить содержание витамина С в ягодах в зависимости от зрелости плодов.

Практическая значимость работы состоит в том, что собранный нами материал может быть применен на уроках,  во внеклассных мероприятиях.

Библиографический список

1. Фролова Н. К. Определение содержания витамина С в цитрусовых/Н.К. Фролова // Химия. Первое сентября.-2010.-  №20 (16-31 октября).- С.38-41.

2. Что необходимо знать о разрушении витамина С при тепловой обработке. [Электронный ресурс].-2018//https://frs24.ru.-Режим доступа: http://frs24.ru/st/vitamin-c-soderzhanie-v-produktah/#001

3. Сохраняются ли витамины после заморозки? [Электронный ресурс].-2018//https:// kakievitaminy.ru.- Режим доступа: https://kakievitaminy.ru/zdorove/soxranyayutsya-li-vitaminy-posle-zamorozki

4. Пищевая химия: Учебник для студентов вузов, обучающихся по направлениям: 552400 'Технология продуктов питания'/ А.П. Нечаев, Светлана Евгеньевна Траубенберг, А.А. Кочеткова; Нечаев, Алексей Петрович.-2-е издание, переработанное и исправленное. - СПб.: ГИОРД, 2003.- 640 с.: ил.5-901065-38-0, 3000 экз.

5. Химический состав ягод смородины. [Электронный ресурс].-2018//http://www.activestudy.info.- Режим доступа:    

http://www.activestudy.info/ximicheskij-sostav-yagod-smorodiny/ © Зооинженерный факультет МСХА

Приложение 1.

Таблица 1. Расчет витамина С ягодах черной смородины в зависимости от температуры.

Рисунок 1. Содержание витамина С в ягодах черной смородины в зависимости от температуры

Таблица 2. Расчет содержания витамина С после обработки ягод кипящей водой

Приложение 2.

Таблица 3. Расчет содержания витамина С после заморозки ягод

Рисунок 2. Содержание витамина С в замороженных ягодах

Приложение 3.

Таблица 4. Расчет содержания витамина С в ягодах после воздействия света

Рисунок 3. Содержание витамина С в ягодах после воздействия света

Приложение 4.

Таблица 5. Расчет содержания витамина С в ягодах в присутствии ионов меди и железа

Рис. 4 Содержание витамина С в присутствии солей тяжелых металлов

ШКОЛЬНАЯ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

Направление   Физика

Определение жесткости пружин автомобиля

Исследовательская работа

Выполнена учеником10 класса  Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Каменская средняя школа Мезенского района»

Груздевым Николаем Александровичем

Научный руководитель - учитель Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Каменская средняя школа Мезенского района»

Фуфаева Ольга Васильевна

п. Каменка, 2020

Оглавление

Введение

Что представляет собой пружина? На первый взгляд это совершенно незначительный элемент в механизме, работа которого не сразу видна. Но если рассмотреть немного внимательнее, то можно заметить, что назначение пружины в работе каждого механизма намного важнее, чем выглядит вначале. Любая пружина, будь то пружина сжатия, растяжения или кручения, обладает особыми упругими свойствами, позволяющими накапливать или поглощать энергию механического происхождения. Несмотря на то, что пружин существует великое множество, мы рассмотрим некоторые пружины автомобиля.

Целью данной работы является определение жесткости некоторых пружин, используемых в автомобиле.

Задачи:

1. Собрать теоретическую информацию о физике пружины из различных источников;

2. Экспериментально определить жесткость пружины;

3. Расширить кругозор и углубить свои познания в области физики.

Предмет исследования: жесткость пружины.

Объект исследования: пружина от педали сцепления, пружина от крышки радиатора, пружина от тормозной системы.

В качестве гипотезы принято положение о том, что пружины в зависимости от жесткости имеют свое назначение.

Актуальность темы работы определяется тем, что в настоящее время пружина является используется для компенсации размерных неточностей, износа, снятия вибраций, как накопитель энергии, для простого измерения давления, веса, усилий и ускорений; предохранения от ударов и перегрузок.

Глава 1. Пружины

1.1. Что такое пружина

Пружина — упругий элемент машин и различных механизмов, накапливающий и отдающий, или поглощающий механическую энергию.Пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего достаточно высокие прочностные и упругие свойства (сталь, пластмасса, дерево, фанера, даже картон) [5].

1.2. Классификация пружин

Пружины можно классифицировать по различным признакам

1) По виду воспринимаемой нагрузки:

- пружины сжатия.  Пружины сжатия — рассчитаны на уменьшение длины под нагрузкой. Витки таких пружин без нагрузки не касаются друг друга. Концевые витки поджимают к соседним и торцы пружины шлифуют. Длинные пружины сжатия, во избежание потери устойчивости, ставят на оправки или стаканы.

- пружины растяжения.  Пружины растяжения — рассчитаны на увеличение длины под нагрузкой. В ненагруженном состоянии обычно имеют сомкнувшиеся витки. На концах для закрепления пружины на конструкции имеются крючки или кольца.

- пружины кручения;

- пружины изгиба.

Витки пружин растяжения-сжатия под действием постоянной по величине силы испытывают напряжения двух видов: изгиба и кручения.

Пружины кручения — могут быть двух видов:

- торсионные — стержень, работающий на кручение (имеет большую длину, чем витая пружина)

- витые пружины, работающие на кручение (как в бельевых прищепках, в мышеловках и в канцелярских дыроколах)[1].

2) По конструкции:

- витые цилиндрические (винтовые);

- витые конические (амортизаторы);

- спиральные (в балансе часов);

- плоские;

- пластинчатые (например, рессоры);

- тарельчатые;

- торсионные;

- жидкостные;

- газовые [2].

1.3. Применение пружин

Конструкции и области применения пружин весьма разнообразны.Конструкция пружины определяется ее назначением выполняемой ею функцией.

Так, например, спиральные пружины используются в качестве аккумуляторов энергии, накапливаемой при заряде пружины и отдаваемой при спуске. В этом случае пружина выполняет функции источника движения (двигатель). Те же спиральные и винтовые пружины применяются в качестве элементов, соединяющих под определенным натягом другие детали (силовое замыкание кинематических цепей для создания силового натяга в звеньях механизмов или выбирания мертвых ходов)[3].

Для защиты от вредного действия ударов, толчков и вибраций на механизмы и их детали применяются специальные конструкции кольцевых и тарельчатых пружин — амортизаторов, способных поглощать кинетическую энергию.

Во многих приборах винтовые изогнутые плоские пружины выполняют функции чувствительных органов, изменяющих свою форму в зависимости от действующего усилия.

В часовых механизмах и в некоторых других измеримых приборах мелкие пружины предназначены для сообщения восстанавливающего момента в системах, имеющих колебательное движение [5].

1.4. Характеристики пружины

На рисунке 1 . приведены характеристики пружины

Рисунок 1. Характеристики пружины

           К основным характеристикам пружины относятся:

- Внутренний диаметр (Di)

- Диаметр витка (Dw). Диаметр "проволоки" из которой сделана пружина.
           - Средний диаметр пружины (Dm). Диаметр пружины измеренный по оси "проволоки", из которой изготовлена пружина. Видно, что справедливо равенство: Dm = Di + Dw
           - Количество активных витков пружины (Na). Количество активных витков пружины показывает какой количество витков воспринимает нагрузку. Обычно это число равно полному количеству витков пружины за минусом двух. Эти два витка, не дают вклада в общую жесткость пружины.

- Высота в свободном состоянии (Lo). Высота в свободном состоянии это измеренная высота пружины, на которую не действует нагрузка. Теоретически задается производителем при изготовлении пружины.

Существует зависимость количества витков пружины, которые можно изготовить от диаметра пружины. Например, слишком длинная пружина при небольшом диаметре не будет деформироваться под нагрузкой как задумано, что приведет к невозможности выполнять свои функции в полной мере. Именно по этой причине 18" пружины диаметром 3" существуют, а диаметром 2" их нет.

Для создания пружины с различной высотой в свободном состоянии, но с одинаковой жесткостью производитель просто увеличивает расстояние между витками. Т.е. параметры: диаметр проволоки, из которой изготовлена пружина, диаметр витка и количество витков остаются без изменений, изменяется только высота в свободном состоянии. При нормальной эксплуатации (т.е. при использовании пружины в условиях, которые предусматривал разработчик) высота пружины в свободном состоянии меняться не должна.

- Высота в сжатом состоянии (Lc). Высота в сжатом состоянии это высота, меньше которой пружина сжаться не в состоянии без ее разрушения. В этом состоянии витки пружины прижаты друг к другу.

- Ход пружины (Sc). Ход пружины это разница между высотой пружины в свободном состоянии и высотой пружины в сжатом состоянии.

- Предельная нагрузка (Fc). Предельная нагрузка это нагрузка, при превышении которой не происходит деформации пружины без ее разрушения. При приложенной предельной нагрузки к пружине измеряют высоту в сжатом состоянии. Именно предельная нагрузка вызывает смыкание витков пружины. Это очень важный параметр. Он говорит нам о том, какую максимальную нагрузку способна выдержать пружина вовремя своей работы. Без этой информации не обойтись при проектировании длинно ходовых подвесок, в которых необходимо сделать ход колеса максимальным [4].

1.5. Жесткость пружины

Самая важная характеристика пружины - это ее жесткость. Она показывает: какую силу необходимо приложить к пружине вдоль ее оси, чтобы ее линейные размеры изменились на 1мм.

На жесткость пружины влияют следующие параметры:

1. Материал, из которого изготовлена пружина (параметр отражающий это называется модуль кручения. Модуль кручения показывает какую силу необходимо приложить к образцу, чтобы закрутить его на угол в 1 рад. )

2. Диаметр витка "проволоки" из которой изготовлена пружина (Dw).

3. Средний диаметр пружины (Dm)

4. Количество активных витков пружины (Na)

Формула расчета коэффициента жесткости пружины:

k = G∙(Dw)4 /8∙Na∙(Dm)3,

где G - модуль сдвига (для обычной стали G ≈ 80 ГПа, для пружинной стали G ≈ 78500 МПа, как пример для меди ~ 45 ГПа)

Модуль сдвига это отношение касательного напряжения к сдвиговой деформации, т.е. G = (действующая сила/площадь, на которую сила действует) / (смещение / начальная длинна). Формула немного сложная для понимания, но, если учесть, что модуль сдвига есть в таблицах и нет необходимости его высчитывать, то все встает на свои места. При внимательном рассмотрении формулы расчета коэффициента жесткости пружины увидим, что на жесткость влияет прежде всего (при одном и том же модуле сдвига) средний диаметр пружины, количество витков и диаметр витка "проволоки" из которой изготовлена пружина. Эти параметры можно изменять, если необходимо получить пружину различной степени жесткости. Причем следует заметить, что диаметр витка идет в четвертой степени, а количество витков - в первой. Т.е. различные параметры дают разные вклады в результат.

Диаметр "проволоки" из которой изготовлена пружина влияет сильнее, чем количество витков. При заданном диаметре пружины, если необходимо сделать пружину жестче, то н надо или уменьшить количество витков, или использовать более толстую "проволоку" для изготовления пружины. И наоборот, для того, чтобы пружина получилась менее жесткая, необходимо или увеличивать количество витков, или изготавливать пружину из более тонкой "проволоки".

Увеличение диаметра при прочих одинаковых параметрах ведет к увеличению жесткости пружины и наоборот.

Представленные на рынке пружины имеют разную высоту, диаметр и жесткость. Но при этом надо принять во внимание, что разница между 2,5" и 3" пружинами при одинаковой жесткости и высоте по остальным параметрам столь не значительна, что в этом случае диаметр не может являться основным фактором, на основе которого принимают решение о покупке того или иного варианта.

Практически жесткость пружины можно узнать непосредственно измерив соответствующие значения: (кг/мм) = Сила(кг)/Деформация(мм)

Жесткость пружины может быть постоянной величиной или переменной (имеется в виду зависимость от деформации). Пружины, которые не меняют свою жесткость от деформации получили название линейные. Также существуют пружины, которые изменяют свою жесткость в зависимости от деформации, это так называемые прогрессивные пружины. Как правило прогрессивные пружины имеют разный диаметр витков по высоте [2].                 

1.6. Пружины в автомобиле

1) Пружины на сжатие в автомобиле

Сегодня практически на всех автомобилях используют пружины сжатия как элементы ходовой части, то есть подвески. Подвеска — крайне важный механический узел, отвечающий за безопасность и комфорт при управлении. Поэтому прочность и долговечность пружин сжатия не должны вызывать сомнений у конечного потребителя.

Общие технические параметры, используемые при производстве пружин сжатия, прописаны в ГОСТ 1879380. Они характерны и для автомобильных пружин:

- диаметр проволоки, из которой пружина изготовлена;

- наружный диаметр пружины;

- длина самой пружины;

- правое или левое направление навивки.

Требования к производственным материалам определяются заводами-изготовителями и регулируются ГОСТ 9389-75, ГОСТ 14963, ГОСТ 14959 для обычной и легированной стали. Материалы иностранного происхождения, как правило, нержавеющая или стальная проволоки должны соответствовать EN 10270 и AISI 302/304. Также допустимо применение коррозионно-стойких и высокотемпературных сплавов.

Далее конечный продукт подвергается дополнительным операциям, т.е. пружины сжатия обязательно проходят термообработку, торцы пружины шлифуются, наносится защитное покрытие, тщательно контролируются необходимые параметры на электронных приборах, и только потом готовые пружины фасуются.

Основными задачами пружин сжатия в ходовой части автомобиля является обеспечение более мягкого хода даже на неровной дороге и необходимой высоты кузова над поверхностью (рис. 2.). Исходя из этих двух простых потребностей, и определяются виды пружин.

Рисунок 2. Задняя подвеска автомобиля

Стандартные: устанавливаются на заводе. Подразумевается эксплуатация автомобиля в рекомендуемых изготовителем условиях.

Усиленные: установка подобных пружин происходит по инициативе владельца. Как правило, использование усиленных механизмов вызвано необходимостью улучшить грузоподъемность автомобиля либо требуется при частой езде по сельским дорогам. Усиление может достигаться увеличением жесткости пружины за счет увеличения диаметра проволоки или изменения количества витков.

Повышающие: применение обусловлено теми же причинами, что и при использовании усиленных пружин сжатия. Такие пружины длиннее стандартных и имеют большее число витков.

Понижающие: возможно применение для улучшения скоростных показателей. Использование понижающих пружин в подвеске в большинстве случаев не вызвано крайней необходимостью, оно является частью тюнинга и сильно снижает заявленные эксплуатационные свойства автомобиля [6].

2) Пружины на растяжение в автомобиле

Пружины растяжения навивают почти всегда вплотную или даже с натягом между витками, достигаемым смешением проволок питателя навивочного автомата по отношению к навиваемым виткам (пружины с межвитковым давлением).

Концы пружин снабжают зацепами, с помощью которых ее соединяют со стягиваемыми деталями (рис.3).      Рисунок 3. Пружины на растяжение

В отличие от пружин сжатия, нуждающихся в жестком направлении торцов, пружины растяжения работают в свободном состояния, центрируясь только точками опоры (завеса). Крепление зацепами обладает шарнирным свойством, благодаря чему пружина может при растяжении менять пространственное положение в значительных пределах. Это делает пружины растяжения особенно удобными для соединения деталей, угловое положение которых изменяется при работе, например, для завеса рычагов (рис.4).

Однако крепление зацепами обладает недостатками. Габаритная длина пружины растяжения за счет зацепов всегда больше, чем пружин сжатия одинаковой гибкости.

Рисунок 4. Пружины для завеса рычага

Зацепами трудно обеспечить центральное приложение нагрузки; пружина подвергается дополнительным изгибающим нагрузкам, а в самих зацепах возникают высокие напряжения изгиба, которые могут привести со временем к появлению остаточных деформаций. Вследствие деформации зацепов и участков перехода зацепов в спираль пружина вытягивается и теряет упругие характеристики. Пружины растяжения могут работать без потери упругих свойств только при пониженных расчетных напряжениях.

По этим причинам пружины растяжения почти никогда не применяют в ответственных силовых механизмах (циклического действия). Пружины сжатия в этих условиях обеспечивают и меньшие габариты, и большую надежность работы.

Пружины растяжения рассчитывают по тем же формулам, что и пружины сжатия. Наличие изгибающих напряжений в зацепах и витках пружины (при внецентренном приложении нагрузки) учитывают снижением расчетных напряжений в 1,2—1,5 раза по сравнению с напряжениями, допускаемыми для пружин сжатия центрального нагружения (рис.5) .

                                                          Рисунок 5. Характеристика пружин растяжения

3)  Пружины на кручение в автомобиле

Пружины кручения ( рис.6) применяются для восприятия крутящего момента, прилагаемого к торцу пружины . Под действием крутящего момента витки подвергаются изгибу в плоскости действия момента и, в незначительной степени, кручению, влияние которого не принимают во внимание.                                  Рисунок 6. Пружины на кручение

Для восприятия рабочего и реактивного крутящего момента на торцах пружины предусматривают упоры. Пружины работают устойчивее, если рабочий момент скручивает пружину, а не раскручивает. Соответственно следует выбирать направление навивки и расположение упоров. При крутящем моменте, направленном по часовой стрелке (если смотреть на торец пружины), навивка должна быть левой, и наоборот (рис.7.).

Рисунок 7. Направление навивки и расположение упоров пружин кручения

Пружины кручения навивают вплотную или с небольшим запором между витками во избежание трения между витками, а также с учетом деформации пружины при скручивании [6].

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1. Методика определения жесткости пружины

1. Укрепить на штативе пружину, поставить рядом линейку, записать значение высоты h0, на которой находится нижний конец пружины в недеформированном состоянии.

2. Подвесить груз и определить положение нижнего конца пружины (высоту h).

3. Измерить вес грузов, при которых наблюдается деформация.

4. Используя полученные данные и учитывая, что Fупр = Р, сделать расчеты.

Результаты измерений приведены в таблице 1.

2.2. Описание объектов исследования

1. Пружина от педали сцепления (рис.8) (в сцеплении стоит пять пружин). Сцепление служит для кратковременного отъединения трансмиссии от двигателя перед включением передач, их плавного соединения после включения передач, а также для предохранения трансмиссии от динамических перегрузок, возникающих при движении транспортной машины.                                        Рисунок 8.  Пружина от педали сцепления

2. Пружина от крышки радиатора (рис.9)  (одна штука). Пружину устанавливают на крышку таким образом, чтобы при закручивании можно было с усилием не сильно слабым но и не сильно сильным, сдавив верхний патрубок происходило открытие крышки и жидкость текла в расширительный бачок. 

Рисунок 9.  Пружина от крышки радиатора

3. Пружина от тормозной системы (рис.10) (одна штука), стягивает тормозные колодки. Устанавливается непосредственно на канате троллея в конце спуска, тормозная пружинная система гасит энергию спуска и делает конечную остановку, плавной и без резких ударных нагрузок.

Рисунок 10. Пружина от тормозной системы

2.3. Результаты определения жесткости пружины

Таблица 1. Результаты определения жесткости пружины

Вывод: Наибольшую жесткость имеет пружина от крышки радлиатора.

Заключение

В ходе написания работы мы пришли к следующим выводам:

- пружина – неотъемлемая часть авто, без которой машина не смогла бы проехать и метра;

- в автомобиле применяются различные виды пружин;

- пружины  необходимы для смягчения толчков и ударов при движении по неровной дороге, их задача как можно быстрее вернуть колесу контакт с дорожным покрытием, чтобы автомобиль не потерял управляемость на кочках.

Измерили жесткость некоторых пружин автомобиля. К сожалению, в лабораторных условиях невозможно измерить жесткость амортизаторов, жесткость которых достигает 560000 Н/м.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее можно использовать на уроке физики в 10 классе по теме «Сила упругости».

 Данную работу можно продолжить, создав пружину своими руками определенной жесткости.

Библиографический список

1. Батанов М.В., Петров Н.В. Пружины. Л.: Машиностроение, 1968., 216 с.:  

2. Курендаш Р.С. Конструирование пружин. К.-М.: Машгиз, 1958., 108 с.

3. Лузгин Н.П. Изготовление пружин. М.: Высшая школа, 1968.,196 с.

4. Перевод статьи о подвеске автомобиля. Часть 1. [Электронный ресурс].- https://ornitopetr.livejournal.com.- Режим доступа.:https://ornitopetr.livejournal.com/822.html  

5. Пружина. [Электронный ресурс].-https://dic.academic.ru. - Режим доступа:  https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/119084

6. Физика подвески и рулевого управления. Часть 1. Пружины. [Электронный ресурс]. - https://www.drive2.ru.- Режим доступа: https://www.drive2.ru/b/2341960/