Проект "Контрольная закупка: определение содержания аскорбиновой кислоты во фруктовом соке"

Ученица 11 класса в своем индивидуальном и исследовательском проекте по химии о контрольной закупке определила содержание аскорбиновой кислоты во фруктовом соке, рассмотрела биологическую роль витамина С и строение его молекулы. Также автор выявила содержание витамина С в соках путем титрования тиосульфатом натрия.

Содержание исследовательской работы (проекта) об определении содержания аскорбиновой кислоты во фруктовом соке ученицы 11 класса также отражает результаты проведенных исследований и выводы о том, что наибольшее содержание витамина С из отобранных для работы экземпляров обнаружено в соке марки «J7». А в соке «Красная цена» аскорбиновая кислота почти полностью отсутствует. Но также следует сказать, что автор считает самыми полезными домашние соки из натурального сырья.

Оглавление

Введение
1. Теоретическая часть
1.1. Открытие витамина С
1.2. Аскорбиновая кислота в природе
1.3. Биологическая роль витамина С
1.4. Строение молекулы витамина С
1.5. Синтез аскорбиновой кислоты
2. Практическая часть
2.1. Сущность титриметрического анализа
2.2. Экспериментальное определение содержания витамина С в исследуемых образцах соках
2.3. Обработка результатов эксперимента
Заключение
Литература
Приложения

Витамин С производится в больших количествах, чем все остальные витамины, вместе взятые. Это одно из немногих чистых химических веществ, которое потребляется человеком в граммовых количествах (больше потребляют только сахар). Рекомендуемые дозы витамина С для человека – от 30 мг до 10 г в день. Это связано с его неоспоримой ролью в лечении и профилактике цинги.

Витамин С содержится и во фруктовом соке. Однако не все производители сока предоставляют покупателям качественный товар. Конкуренция заставляет производителей придумывать всевозможные ухищрения для удешевления себестоимости товара и привлечения клиентов. Так, например, некоторые производители заменяют аскорбиновую кислоту на более дешевые ингредиенты. В своей исследовательской работе я попытаюсь выяснить, всегда ли указанный на упаковке состав соответствует действительности.

Проблема: на сегодняшний день на российском рынке большое количество разнообразных видов и марок соков. Мы попытаемся узнать, всегда ли указанный на упаковке состав соответствует действительности и какой сок является более качественным, а также полезным для организма человека.

Цель: исследование фруктовых соков разных марок на содержание противоцинготного витамина С.

Задачи проекта:

1. Определить содержание витамина С во фруктовых соках различных марок путем титрования тиосульфатом натрия;
2. Выявить, насколько указанный на этикетке состав соответствует действительности;
3. Отработать на практике методы титрования и продолжить развивать навыки экспериментальной работы.

Объект исследования: образцы фруктового сока различных марок.
Предмет исследования: содержание аскорбиновой кислоты в марках яблочного сока: «Мой», «Красная цена», «J7» (приложение № 3).

Методы исследования: обзор литературных и интернет-источников по теме работы, анализ состава фруктовых соков с использованием информации, содержащейся на этикетке товара, химический эксперимент.

Актуальность: сок — известный напиток натурального происхождения. Употребление некачественного сока может привести к ухудшению здоровья (гиповитаминоз, проблемы с ЖКТ, кариес). Для уменьшения риска последствий необходимо уметь отличать качественный сок от некачественного. Использование экспериментального подхода к содержанию соков различных марок поможет нам определить качество этого продукта и собрать важную информацию о составе сока для покупателей.

Открытие витамина С является одной из интереснейших страниц в истории науки. Прежде всего, это было связано с таким распространенным до XIX века заболеванием, как цинга. Это заболевание поражало, как правило, мореплавателей, особенно в длительных морских экспедициях. Сегодня известно, что цинга – болезнь, вызванная недостатком витаминов, и она сопутствовала человечеству на протяжении всей его истории. Однако длительные морские путешествия привлекли к ней особое внимание. Эта болезнь вызывает кровотечение в тканях, ломкость кровеносных сосудов, кровоточивость десен, потерю зубов, анемию, общую слабость.

Цинга сопровождает любые бедствия, связанные со снабжением продовольствием (длительные неурожаи, осады). Давно было известно, что цингу можно предупредить потреблением цитрусовых и на флоте она была побеждена после того, как стали вводить в рацион моряков в обязательном порядке лимонный сок. Однако выделить витамин С длительное время не удавалось. Настоящая гонка за неуловимым витамином С началась после Первой мировой войны. С.

Цильва пытался выделить витамин из концентрированных соков цитрусовых. И хотя выделенный им препарат обладал сильным противоцинготным действием, выделить чистое кристаллическое вещество не удалось. Будучи углеводоподобным веществом, витамин С трудно очищался от других углеводов, присутствующих во фруктовых соках. Выделить витамин С в кристаллическом виде удалось А. Сент-Дьердьи, а окончательно установил его структуру Н. Хеуорс, за что им в 1937 году была присуждена Нобелевская премия.

Витамин С практически отсутствует в пищевых жирах, мясе и мясных продуктах, злаковых продуктах и конфетах и содержится преимущественно в плодах и овощах. По своим физическим свойствам она представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Особенно много аскорбиновой кислоты содержится в плодах шиповника, чёрной смородине, облепихе и сладком перце. Высоким содержанием витамина С характеризуются также укроп, петрушка, цветная капуста, апельсины, клубника, рябина. Достаточно много (50 мг %) аскорбиновой кислоты в белокочанной капусте, причём даже в квашеной капусте сохраняются значительные (до 20 мг %) количества витамина С.

Довольно высокое содержание витамина С отмечается и в некоторых сортах яблок, в мандаринах, черешне, шавеле, шпинате. Картофель содержит умеренные количества витамина, однако связи с потреблением жителями нашей страны значительных количеств этого продукта отнаряду с белокочанной капустой вносит существенный вклад в обеспечение человека аскорбиновой кислотой. Зелёный лук содержит до 30 мг % витамина С. Свекла, морковь, огурцы, виноград, слива, персики бедны этим витамином.

Важным источником аскорбиновой кислоты могут служить также консервированные фруктовые соки, в особенности апельсиновый и клубничный, фаршированный перец, томат-паста, томат-пюре и др. молоко и молочные продукты содержат крайне низкие количества витамина, за исключением кумыса, приготовленного из кобылиного молока, в котором обнаружено до 9 мг% аскорбиновой кислоты.

У многих животных витамин С синтезируется в печени из сахаров. В организме человека не синтезируется и должен поступать вместе с пищей.
Метаболические нарушения, возникающие при дефиците витамина С, весьма значительны и многообразны. Однако конкретные биохимические механизмы действия аскорбиновой кислоты остаются недостаточно ясными, несмотря на многочисленные биохимической исследования.

Единственной достоверно функцией витамина С является его участие в реакции гидроксиацлирования пролина с образованием оксипролина. Эта реакция занимает центральное место в превращении проколлагена в коллаген. По-видимому, аскорбиновая кислота участвует и в других реакциях гидроксиацилирования, в частности, при синтезе кортикостероидов надпочечниках, превращении триптофана в 5-окситриптофан и др.

Аскорбиновая кислота необходима также для нормального метаболизма тирозина. Витамин С способствует улучшению всасывания железа в кишечнике. Имеются также многочисленные данные о влиянии аскорбиновой кислоты на биосинтез и метаболизм кортикостероидов и холестерина, превращение в тканях фолиевой кислоты и др. Однако вопрос конкретных точках приложения действия витамина С окончательно не решен.

Несмотря на отсутствие четких данных о механизмах биохимического действия аскорбиновой кислоты, очевидно, что этот витамин даёт выраженные и многосторонние физиологические эффекты, способствуя нормальному ходу регенерации и заживления тканей, поддержанию устойчивости к различным видам стресса и обеспечению нормального иммунологического и гематологического статуса организма.

Аскорбиновая кислота играет большую роль в биохимических окислительно-процессах: способствует образованию восстановительных дезоксирибонуклеиновой участвует и кислоты. По-видимому, аскорбиновая кислота в других реакциях гидроксиацилирования, в частности, при синтезе кортикостероидов в надпочечниках, превращении триптофана в 5-окситриптофан и др. Аскорбиновая кислота необходима также для нормального метаболизма тирозина.

Витамин C способствует улучшению всасывания железа в кишечнике. Имеются также многочисленные данные о влиянии аскорбиновой кислоты на биосинтез и метаболизм кортикостероидов и холестерина, превращение в тканях фолиевой кислоты и др. Этот витамин даёт выраженные и многосторонние физиологические эффекты, способствуя нормальному ходу регенерации и заживления тканей, поддержанию устойчивости к различным видам стресса и обеспечению нормального иммунологического и гематологического статуса организма.

Тяжелые формы авитаминоза С характеризуются режим повышенном проницаемости сосудистой стенки, приводящим к нарушению гемостаза и множественным кровоизлиянием в кожу, суставы, внутренние органы. Повышенная проницаемость сосудистой стенки возникает при этом вследствие нарушения синтеза коллагена белка, играющегоего важную роль в построении соединительнотканной основы сосудов. При гиповитаминозе C отмечается: нарушения состояния (снижение работоспособности, быстрая утомляемость, слабость, раздражительность), склонность к кровоточивости десен, гипохромная анемия.

Важнейшей причиной возникновение гиповитаминоза C алиментарный фактор. Это обусловлено тем, что источниками витамина С служат в основном овощи и фрукты, причем в силу крайней неустойчивости аскорбиновой кислоты их кулинарная обработка ведет к значительным потерям витамина.

Исключение из рациона свежих овощей и фруктов, резкое снижение содержания витамина в плодах и овощах при их неправильном и длительном хранении, нерациональная кулинарная обработка плодов и овощей (длительная термическая обработка, несоблюдение оптимальных сроков варки различных овощей, длительное хранение овощей в воде, варка овощей в открытой посуде, варка в присутствия солей железа и меди, ускоряющих окисление аскорбиновой кислоты и др.) являются причиной распространённого, особенно в зимне- весенний период, гиповитаминоза С.

Важнейшие меры профилактики авитаминоза гиповитаминоза С:

1. Постоянное потребление достаточных количеств свежих овощей и Фруктов; при отсутствии в некоторых районах страны в зимне-весенний период свежих плодов и овощей необходимо шире использовать в питании квашенные и мочёные плоды и овощи (капуста яблоки и др.), соки, компоты, джемы, варенье, повидло, содержащие значительные количества аскорбиновой кислоты;
2. Широкое использование в рационе варёных плодов и овощей с максимальным сохранением их витаминной ценности, достигаемой с помощью рациональной кулинарной обработки.

Хотя она называется кислотой, но не содержит карбоксильной группы, т.к. является внутренним циклическим эфиром.
Кислотные свойства соединению придают легко диссоциирующие водородные атомы ОН-группы у 3-го и 4-го углеродного атомов. Аскорбиновая кислота – производное моносахарида ряда L, ее эмпирическая формула указывает на родство с гексозами. Аскорбиновая кислота (АК) является γ-лактоном, имеет L-конфигурацию С5 (содержит два-асимметричный центр при С4 и С5).

Кислотные свойства АК такой же силы, и у карбоновых кислот, она титруется щелочами и образует соли. Однако кислотные свойства обусловлены не наличием карбоксильной группы, а енольными НО-группами: рК1 (С3 -ОН) равна 4,25 и рК2 (С2 -ОН) равна 11,79. Енольные гидроксилы (при С3 и С2), способные к ионизации, стабилизированы за счет находящейся в цикле карбонильной группой, при этом происходит делокализация отрицательного заряда и формирование анионной системы. Данная структура и определяет каталитические функции витамина С – способность к обратимым окислительно-восстановительным превращениям, сопровождающимся переносом атомов водорода на акцептор.

В природе витамин С существует в двух формах: аскорбиновая кислота и дегидроаскорбиновая кислота (ДАК), которые обладают одинаковой С-витаминной активностью. АК является самым сильным восстановительным агентом и выступает переносчиком водорода во многих ферментативных реакциях, протекающих в клетке. Она легко окисляется такими ферментами, как пероксидаза, в присутствии перекиси водорода и некоторых флавоноидов (флаванов, флавонолов), фенолоксидаза, цитохромоксидаза. Восстанавливая различные окисленные формы ферментов, АК окисляется до ДАК.

Последняя легко и обратимо регенерируется в L-аскорбиновую кислоту при участии глутатиона за счет сульфогидрильной группы при воздействии оксидоредуктазы. ДАК – это нейтральный лактон, который легко гидратируется, а затем гидролизуется с раскрытием лактонного кольца и образованием 2, 3- дикетогулоновой кислоты (ДКГК). Дальнейшее окисление ведет необратимо к образованию щавелевой кислоте. В этом ряду окисления аскорбиновой кислоты: АК ↔ ДАК → ДКГК → щавелевая кислота, ДАК еще сохраняет антискорбутное (противоцинготную) свойство, однако дальнейшие продукты окисления теряют эту способность.

Аскорбиновая кислота имеет два асимметрических атома углерода (в положении С4 и С5) и образует четыре оптических изомера, из которых две эпимерные формы дают по два оптических изомера – D- и L-аскорбиновой кислоты и их диастереоизомеры – D- и L-изоаскор-иновой кислоты. Из них витаминную активность проявляет изомер с L-конфигурацией гидроксила при С5, и изомер, имеющий лактонное кольцо, образованное по гидроксильной группе D-конфигурации при С4. Антискорбутную (противоцинготную) активность проявляет еще только D-изоаскорбиновая кислота (в 20 раз ниже, чем L-аскорбиновая).

D-аскорбиновая кислота не обладает таковыми свойствами и является антивитамином. D-аскорбиновая кислота и D-, L-изоаскорбиновые кислоты в природе не встречаются, они получены синтетическим путем. Все четыре изомера находят применение в пищевой промышленности в качестве антиокислителей, аскорбиновая кислота – Е300–Е305, соли изоаскорбиновой кислоты Е316–Е3

Аскорбиновая кислота – отдаленный родственник углеводов. Молекула аскорбиновой кислоты и глюкозы содержат одинаковое количество атомов углерода и кислорода, поэтому витамин С получают из глюкозы, а так же из шестиатомного спирта сорбита CН2ОН-(СНОН)4-CH2ОН (приложение № 1).

Содержание аскорбиновой кислоты в образцах сока определяют обратным йодометрическим титрованием. К раствору аналита (подготовленного образца сока) прибавляют известное количество в растворе йодида калия в избытке по реакции:
(I3)- + C6H8O6→C6H6O6 + 2 H+ + 3 (I)-

Непрореагировавший излишек титруют раствором тиосульфата натрия (приложение № 2). Ориентировочная концентрация аскорбиновой кислоты в фруктовых соках - 0,25-1,0 г/л. В колбу для титрования последовательно вносит около 25 мл дистиллированной воды и аликвоту фруктового сока или образца раствора для анализа, который содержит около 20-30 мг аскорбиновой кислоты, 4 мл раствора серной кислоты, 20 мл раствора йода.

Колбу закрывают пробкой, перемешивают (приложение № 4). Через 5 минут излишек вода титруют стандартизованным раствором тиосульфата (приложения № 5) 2). Когда раствор достигнет соломенно-желтой окраски (приложение № 6), приливают 5 мл раствора крахмала и титруют до исчезновения синей окраски (приложение № 7-8). Титрование осуществляется не менее трех раз, а также проводится контрольный опыт, в котором в колбу для титрования не вносится аликвота образца фруктового сока.

Обратное йодометрическое титрование тиосульфатом натрия помогает определить количественное содержание аскорбиновой кислоты в исследуемых образцах сока (приложение № 9). В основе титрования лежат следующие химические реакции:
1).2 Na2S2O3+ I2 → Na2S4O6 + 2 NaI 2). Na2S4O6 = Na2SO4 + SO2 + S
Рассмотрим расчеты, связанные с титрованием, на примере сока «Моя цена».

С(Na2S2O3)=1,8 моль/л
С(I2)=0,75 моль/л
n(Na2S2O3):n(I2)=2:1
V(Na2S2O3)=1 мл
n(Na2S2O3)=0,018 моль
n(I2)=0,018/2=0,009 моль
n(I2)=0,75-0,0009=0,741 моль

(I3)- + C6H8O6 → C6H6O6 + 2 H+ + 3 (I)-
n(I2):n(C6H8O6)=1:1
n(C6H8O6)=0,741 моль
m(C6H8O6)=0,741•176=130 г/мл
m(C6H8O6)=130/1000=0,13 г/л

Я брала соки: а) «Красная цена»; б) «Мой»; в) «J7»
Результаты вычислений лучше всего показать в форме таблицы.

Название фруктового сока	Обьем аликвоты, мл	Содержание витамина С, г/л
Красная цена	1	0,13
Мой	0,7	0,63
J7	0,55	0,9

Лидирует по содержанию аскорбиновой кислоты сок марки «J7». Несколько меньше витамина С содержится в соке марки «Мой», минимальное количество – в соке марки «Красная цена»;

В ходе индивидуального творческого проекта по химии «Контрольная закупка: определение содержания аскорбиновой кислоты во фруктовом соке» автором были исследованы образцы фруктовых соков: «Красная цена», «Мой» и «J7». Наибольшее содержание витамина С из покупных обнаружено в соке марки «J7», В соке «Красная цена» аскорбиновая кислота почти полностью отсутствует.

Проделав эту исследовательскую работу, я немного разочаровалась, потому что далеко не во всех соках содержится достаточное количество аскорбиновой кислоты, хотя на этикетке пишут обратное. Скорее всего, её заменяют более дешёвым компонентом лимонной кислотой, так как и аскорбиновая кислота, и лимонная имеют кислый вкус. Поэтому пейте более качественный сок, а значит, более дорогой. Но всего полезнее домашние соки из натурального сырья! Несмотря на небольшое разочарование, эта исследовательская работа имеет большую перспективу, так как помогла мне отработать на практике основы титриметрического анализа.

Эти умения и навыки экспериментальной работы мне очень пригодятся в следующем году при участии в региональном этапе олимпиады по химии. Став участником областной олимпиады в 9-м классе, я поняла, что в практическом туре без вышеперечисленных умений и навыков трудно быть успешной. Кроме этого, навыки экспериментальной работе мне пригодятся в ЛМШ и научном центре «Сириус», в котором я мечтаю побывать и поучиться там.

Эта работа заинтересовала меня и я планирую в следующе учебном году продолжить исследование в этом направлении, обратив внимание на заменители молока и содержание в них углеводов.
 

1. Органическая химия: учеб. пособие / В. Л. Гурецкая, Н. Н. Кулабахова - Москва: высшая школа, 2014. - 245 с.
2. Курс органической химии: учеб. пособие / Я.В. Хавин - Москва: высшая школа, 2011. - 265 с.
3. Аналитическая химия: титриметрические методы: учеб. пособие / В.П Васильев – Санкт-Петербург: высшая школа, 2008. - 210 с.
4. Аналитическая химия. Лабораторный практикум. III часть – количественный анализ (гравиметрические и титриметрические методы): учеб. пособие / В.И. Митрофанова – Благовещенск: Министерство образования и науки Российской Федерации. Амурский государственный университет , 2018. - 87 с.
5. Основы органической химии: учеб. пособие / И.К. Кузьнецов – Волгоград: новая волна, 2010. - 350 с.
6. Аналитическая химия. Количественный анализ. Физико-химические методы анализа: http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785970421994.html ИздательствоГЭОТАР-Медиа

Приложение № 1.
Общая схема синтеза аскорбиновой кислоты

Приложение № 2.
Раствор тиосульфата натрия.

Приложение № 3.
Образцы фруктовых соков, используемых для определения содержания витамина С

 
Приложение № 4.
Раствор готовый для титрования (смесь фруктового сока, серной кислоты и избытка йода) 

Приложение № 5.
Начало титрования исследуемых образцов с использованием тиосульфата натрия. 

Приложение № 6.
Соломенное-желтая окраска раствора свидетельствует о переходе йода в иодид и служит сигналом для добавления крахмала. 

Приложение № 7.
Приливание к непрореагировавшему остатку йода раствора крахмала  

Приложение № 8.
Постепенное исчезновение синей окраски свидетельствует о том, что процесс титрования завершен.  

Приложение № 9.
Образцы соков после титрования