кофе. Исследовательская работа Секция Химия Предмет Химия Исследование состава и физикохимических свойств кофе ученик 10 класса мбоу сш 19 Закотяжкин Никита Научный
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
Научно-исследовательская работа Секция: Химия Предмет: Химия «Исследование состава и физико-химических свойств кофе» Выполнил: ученик 10 класса МБОУ СШ №19 Закотяжкин Никита Научный руководитель: учитель химии и биологии высшей категории Михеева Лариса Васильевна учитель математики и информатики высшей категории Дубинина Нина Викторовна ВВЕДЕНИЕ Кофе - один из самых популярных и наиболее значимых в повседневной жизни человека напитков. Россия входит в число десяти наиболее потребляющих кофе стран мира, при этом объемы потребления этого напитка возрастают с каждым годом и за последние 15 лет увеличились более чем на 50%. В 2019 году потребление россиянами всех возможных кофейных напитков (приготовленных из кофе в зернах, молотого и растворимого кофе, а также кофейных смесей) достигло 180 тыс. ... В предыдущие два года россияне за год употребляли примерно одинаковое количество чая и кофе — по 160 тыс. Кофе присутствует на всех континентах, во всех странах. Каждый день в мире выпивается больше 2 млрд чашек кофе. Многие люди не представляют свое утро без чашки кофе. Популярность кофе обусловлена прежде всего его вкусом, ароматом и высоким содержанием биологически активных веществ. Аромат и вкус кофе, играющий важную роль при оценке его качества, прежде всего, обусловлен наличием определенного комплекса вкусовых и летучих соединений, к наиболее важным из которых относятся алкалоиды, дубильные вещества и хлорогеновые кислоты. Наиболее важные химические компоненты кофейных зерен - кофеин, тригонеллин, хлорогеновые кислоты, белки, минеральные вещества, клетчатка, кофейное масло. Алкалоидсодержащие вещества кофе – это кофеин, теобромин и теофиллин. В разных странах складывалась своя культура потребления напитка. Дольше всех с кофе знакомы жители восточных стран. Чашка крепкого насыщенного кофе, сваренного в джезве, для многих людей на востоке – обязательный ритуал и угощение для гостей. И эта традиция сохранилась до наших дней. Исторической родиной кофе можно считать тропические и экваториальные районы Азии, Африки и Южной Америки. На данный момент выращиванием кофе занимается примерно 50 стран, причем в каждой их них сложились свои условия, поэтому и ароматические свойства сортов получаются неповторимыми. Всего на нашей планете насчитывается порядка 6 млрд кофейных деревьев, что по площади занимает примерно 4,5 млн га. В тропических лесах кофейные плантации образуют подлесок, однако деревья могут достигать высоты и 4-9 метров. Кофейное дерево, которое больше похоже на кустарник, имеет стержневой корень, прорастающий в глубину на 2,5 метра. Так как кофе является тропическим растением, в России оно не произрастает, однако это не снижает высокого спроса на него. Существуют и постоянно совершенствуются технологии производства кофейных порошков и обжарки его зерен. Качество конечного кофейного напитка в большей степени зависит от качества первичной обработки кофейных зерен. Первичная обработка кофе проводится на крупных фабриках и оптовых складах и включает сортировку, полировку, смешивание различных сортов зерна для получения нужного стандарта, упаковку кофейных зерен в мешки и отправку на перерабатывающие заводы. В мире существует огромное количество способов заваривания кофе. И каждый способ влияет на вкус и аромат конечного продукта, а также на рецептуру дальнейшего использования напитка. Много методов заваривания кофе, практически не претерпев изменений, дошло до современного потребителя данного напитка, однако и множество новых, более простых и совершенных устройств было изобретено человеком за последние годы. И у каждого способа есть свои нюансы и хитрости приготовления, что и придает кофе такой неповторимый вкус. Сырые кофейные зерна имеют желтоватую или зеленовато-серую окраску, вяжущий привкус. В таком виде кофейные зерна непригодны для получения кофейных напитков, так как их невозможно измельчить в порошок, они практически не набухают в воде, поэтому необходима их обжарка, которая придает кофейным зернам более выделяющиеся вкусовые и ароматические свойства. Во время обжарки под действием повышенной температуры в толще кофейных зерен происходят сложные химические преобразования, большинство из которых не до конца изучены. Очень важную роль в процессе обжарки играют процессы карамелизации сахаров и меланоидинообразования между белковыми и углеводными веществами кофе, придающие зернам коричневый цвет. Зерна обжаривают в специальных аппаратах при температуре 180–200°C. Для наилучшего аромата и вкуса кофейного напитка важна также свежесть обжаренного зерна, то есть время от обжарки до кофейной чашки должен быть минимальным. Обжаренное кофейное зерно не способно долго храниться (в вакууме – несколько месяцев, на воздухе - не более 10 дней), при соприкосновении с воздухом и водяным паром обжаренное кофейное зерно может быстро потерять вкусовые и ароматические свойства, кроме того, очень легко поглощает посторонние запахи. Последней операцией для приготовления кофейного напитка является помол кофейных зерен. Различают очень тонкий помол (до 0,15 мм), грубый, крупный (до 0,8 мм). Чаще всего после помола образуется смесь частиц различных размеров. Эффективность помола играет важнейшую роль в получении кофейного напитка в наилучшим вкусом и ароматом, так как скорость экстракции вкусоароматических веществ кофе напрямую зависит от помола. При увеличении тонкости помола увеличивается поверхность экстракции и ее скорость. Для оптимальной экстракции должна соблюдаться также пропорция между степенью помола и временем экстракции. На предприятиях по переработке кофе обжаренные кофейные зерна перемалывают с использованием специальных вальцевых мельниц, затем размолотые зерна пропускают через набор сит с различными диаметрами отверстий. Молотый кофе также не способен выдержать длительного хранения (на воздухе – не более нескольких суток). В связи с достаточно большим разнообразием кофе и его высокой популярностью этого напитка у населения необходимо получить достоверную теоретическую и экспериментальную информацию о строении и происхождении кофейных зерен, их химическом составе, способах заваривания кофе, а также пользе и вреде данного напитка для человека. В связи с этим целью моей научно-исследовательской работы было лабораторное исследование состава и физико-химических свойств нескольких образцов кофе. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Для проведения исследований мною были использованы методы диффузионного отражения, спектрофотометрии, фотометрического определении массовой доли кофеина в растворе и рефрактометрическим методом. Оптические исследования проводились соответственно в ультрафиолетовой и инфрокрасной областях. Спектроскопия диффузного отражения - метод сочетающий предварительное концентрирование на подходящем сорбенте и измерение аналитического сигнала на поверхности сорбента. ... Указанная процедура может приводить к значительному уменьшению аналитического сигнала и чувствительности анализа. Используется для регистрации спектров гетерогенных систем, порошков или твердых веществ, имеющих неровную поверхность. Спектр диффузного отражения определяется поглощением и рассеивающей способностью образца. Спектрофотометрия — физико-химический метод исследования растворов и твёрдых веществ, основанный на изучении спектров поглощения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Основная зависимость, изучаемая в спектрофотометрии, — зависимость интенсивности поглощения падающего света от длины волны.
Экспериментальная часть Рефрактометрический метод Метод основан на определении зависимости между концентрацией и показателем преломления водных растворов экстрактивных веществ. Одну-две капли экстракта наносят на призму рефрактометра. Отмечают показатель преломления раствора по левой шкале рефрактометра и температуру, при которой проводят измерение. Показатель преломления определяют не менее двух раз с новыми порциями раствора и рассчитывают среднеарифметическое значение показателя преломления. Одновременно определяют показатель преломления дистиллированной воды при той же температуре. При температуре 20 °С показатель преломления дистиллированной воды равен 1,3330. Если температура, при которой проводят измерение, ниже или выше 20 °С, то пользуются справочным значением показателя преломления дистиллированной воды при соответствующей температуре. Массовую долю экстрактивных веществ Х3, %, в пересчете на сухое вещество, вычисляют по формуле:
где n1- показатель преломления экстракта при температуре измерения; n2 - показатель преломления дистиллированной воды при температуре измерения; k - коэффициент пересчета показателя преломления на процентное содержание экстрактивных веществ, равный 1,15104, установленный экспериментально на основании параллельных определений массовой доли экстрактивных веществ методами рефрактометрии и высушивания. За окончательный результат принимают среднеарифметическое значение двух параллельных определений. Результат вычислений округляют до первого десятичного знака. Определение массовой доли кофеина Методика основана на фотометрическом определении массовой доли кофеина в растворе, полученном после экстрагирования кофеина из продукта органическим растворителем с последующим гидролитическим окислением кофеина в тетраметилпурпуровую кислоту (ГОСТ Р 51182-98 «Кофепродукты. Методика выполнения измерений массовой доли кофеина»). В выпарительные чашки вносят пипеткой 0,5; 1,0; 1,5 мл стандартного раствора кофеина. Растворитель (воду) отгоняют на водяной бане досуха, что определяют визуально. К сухому остатку кофеина прибавляют последовательно 1,0 мл раствора соляной кислоты, смывая кофеин на дно чашки, и 0,2 мл раствора пероксида водорода. Содержимое чашки перемешивают вращательным движением, выдерживают 20 мин при комнатной температуре и нагревают на кипящей водяной бане до получения сухого окрашенного остатка тетраметилпурпуровой кислоты. При приготовлении водного раствора к сухому остатку, охлажденному до комнатной температуры, приливают от 5 до 10 мл дистиллированной воды и оставляют до его полного растворения. Полученный раствор пурпурного цвета количественно переносят в мерную колбу вместимостью 25 мл и доводят объем раствора в колбе до метки. Измеряют оптическую плотность этих растворов на колориметре при длине волны (540±10) нм в кюветах рабочей длиной 30 мм относительно плотности воды. Строят график зависимости оптической плотности раствора от концентрации кофеина D = f(c). Навеску аналитической пробы растворимого кофейного напитка массой от 2,0 до 5,0 г (в зависимости от содержания натурального кофе в кофейном напитке) помещают в стакан, наливают 50 мл  кипящей дистиллированной воды. Полученный раствор охлаждают до 18-20 °С, переносят в мерную колбу вместимостью 100 мл, доводят ее объем дистиллированной водой до метки и используют раствор для измерения.Навеску нерастворимого кофейного напитка массой от 10,0 до 20,0 г (в зависимости от содержания натурального кофе в кофейном напитке) помещают в стакан, заливают 150 мл кипящей дистиллированной воды и кипятят 5 мин. Полученную суспензию охлаждают до 18-20 °С, количественно переносят в мерную колбу вместимостью 250 мл и доливают дистиллированной водой до метки. Содержимое колбы взбалтывают 2-3 мин, затем фильтруют. Полученный фильтрат используют для измерения. В делительную воронку вместимостью 25 мл последовательно вносят от 10 до 15 мл хлороформа, 5 мл раствора кофейного напитка и 0,5 мл раствора гидроокиси калия. Закрывают воронку притертой пробкой и проводят экстракцию, осторожно многократно переворачивая содержимое воронки в течение 1 мин. После расслаивания системы нижний хлороформный слой переносят в выпарительную чашку. Хлороформ отгоняют на водяной бане досуха, что определяют визуально. Не допускается попадание верхнего окрашенного водного слоя в нижний хлороформный. Дальнейшее проведение реакции получения тетраметилпурпуровой кислоты и измерение оптической плотности ее водного раствора – как для стандартного раствора кофеина. Массовую долю кофеина X, %, в пересчете на сухое вещество вычисляют по формуле:
где 1,03 - коэффициент, учитывающий полноту извлечения кофеина хлороформом на первом этапе экстракции; с - массовая концентрация кофеина, найденная по градуировочному графику, мкг/мл; Vф=25 - объем фотометрируемого раствора тетраметилпурпуровой кислоты, получаемый в результате гидролитического окисления кофеина, мл; V - объем раствора кофепродукта для измерения, мл;m - масса навески кофепродукта, г; Vэ - объем раствора кофепродукта, используемый для экстракции кофеина, мл; 106 - коэффициент перевода 1 мкг в 1 г; W - массовая доля влаги анализируемой навески кофепродукта, %. Определение стандартных характеристик образцов кофе Первоначально были исследованы стандартные характеристики 4 образцов кофе – растворимого кофе «Jacobs Monarch»; молотого в растворимом «Jacobs Monarch Millicano»; молотого «Paulig» и растворимого ванильного «Moccona». Результаты исследований представлены в таблице . Таблица – Результаты исследований стандартных показателей образцов кофе
Исследование спектров образцов оптическими методами физико-химического анализа Далее с целью сравнения свойств различных типов кофе были исследованы спектры образцов напитков оптическими методами физико-химического анализа. Анализ спектров образцов в видимой и ультрафиолетовой области (спектрофотометрия) проводился с помощью спектрофотометра СФ-2000. При этом во избежание зашкаливания все образцы были разбавлены в 5 раз водой, использовавшейся для заваривания. Анализ инфракрасных спектров образцов проводился с помощью инфракрасного спектрофотометра с преобразованием Фурье и приставкой диффузионного отражения IRPrestige-21. Результаты анализа спектров образцов в ультрафиолетовой и видимой областях представлены на рисунке 1.  Рис.1 – Спектры образцов в видимой и ультрафиолетовой областях В спектрах всех образцов на рисунке 1 наблюдаются типичные для кофе пики кофеина, теобромина, теофиллина и тригонеллина (диапазон 270-275 нм), а также хлорогеновых кислот (диапазон 300-330 нм), причем они наиболее ярко выражены в образце растворимого кофе. В целом спектры в ультрафиолетовой области достаточно схожи, отличаются только интенсивностью, что говорит о схожести состава образцов и различиях в концентрациях извлеченных компонентов. При этом спектры в видимой области существенно различаются, что говорит о большем содержании взвешенных частиц в образцах молотого и молотого в растворимом кофе по сравнению, что логично (так как анализ не включал фильтрование напитка от взвешенных частиц). Результаты анализа спектров образцов в инфракрасной области представлены на рисунках 2 и 3.  Рис.2 – Инфракрасные спектры порошка кофе  Рис.3 – Инфракрасные спектры напитка Были изучены ИК-спектры порошка образцов напитка, приготовленных из них. В целом очевидно, что ИК-спектры всех образцов очень схожи по форме и имеют практически одинаковый набор пиков. Очевидно, что порошок растворимого кофе содержит наибольшее количество экстрактивных веществ, что проявляется в его спектре, при этом насыщенность напитка гораздо меньше, чем молотого в растворимом. Таким образом, выяснено, что из молотого кофе, изначально в порошке содержащего меньше экстрактивных веществ, в напиток переходит их гораздо больше и напиток имеет более насыщенный вкус и аромат. Как видно из спектров, во всех спектрах присутствуют типичные для кофе пики кофеина, теобромина, теофиллина и тригонеллина (диапазон 670 см-1, 1710-1717 см-1, 1690-1695 см-1, 1645-1658 см-1, 1548-1550 см-1). Также достаточно отчетливо выражены в образцах пики хлорогеновых кислот и их производных (1625-1630 см-1, 1390-1440 см-1, 1210-1320 см-1, 2900-2975 см-1, 3490-3500 см-1), придающий всем образцам кисловатый привкус. ВЛИЯНИЕ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА Как известно, кофе с древнейших времен применяется в качестве целебного средства. На Востоке считали, что кофе «ускоряет мысль, веселит сердце, помогает против глазных болезней, является отличным средством от подагры, водянки и цинги». Итальянский врач и ботаник Проспер д’Альпино, в своем трактате о кофе также настоятельно рекомендовал этот напиток использовать в качестве лекарственного средства. Известно также, что один из придворных лекарей прописал в 1665 г. русскому царю Алексею Михайловичу рецепт: «Вареный кофе, персиянами и турками знаемый, и обычный после обеда... изрядное есть лекарство против надмений, насмороков и главоболений». Выдающийся шведский естествоиспытатель и натуралист XVIII в. Карл Линней в одном из своих трудов так характеризовал свойства кофе: «...Напиток сей укрепляет чрево, способствует желудку в варении пищи, засорившуюся внутренность очищает, согревает живот». Как известно, кофе - одно из старейших средств от головной боли. Головная боль, особенно мигрень, вызывается расширением сосудов головного мозга, а кофеин сужает их, однако при этом расширяет сосуды в других частях тела. Также следует помнить, что кофеин утоляет далеко не все виды головной боли. Со временем целебные свойства кофе оказались забытыми. Люди стали использовать кофе в качестве повседневного тонизирующего напитка. Общепринято мнение, что кофе освежает, бодрит, повышает трудоспособность. Однако необходимо понимать, что кофеин может оказывать на организм человека двоякое действие: в малых дозах - тонизирует, в больших - угнетает. Для того чтобы кофе обладал тонизирующими свойствами, нужно от 0,1 до 0,2 г кофеина на порцию (фармакологи считают дозу кофеина свыше 0,25 г завышенной), что соответствует примерно 1-2 чайным ложкам молотого натурального кофе на стакан воды. Американский психиатр Дж. Раис считает, что в 3-4 чашках кофе, выпитых одна за другой, содержится такое количество кофеина, которое делает человека раздражительным, вызывает нервозность, дрожь, учащение сердцебиения. Центральная нервная система очень чувствительна к кофеину, он стимулирует процессы возбуждения в коре головного мозга, из-за чего усиливается реакция на внешние раздражители, обостряется восприятие действительности. Действие кофеина на организм исследовал русский физиолог И. П. Павлов. В своих работах он доказал, что нужно учитывать не только дозу кофеина, но и характер реакции нервной системы конкретного человека. Сон у человека возникает в результате торможения клеток коры больших полушарий головного мозга, а кофеин ослабляет этот процесс, поэтому кофе утром помогает быстро прогнать сон. Однако лишняя чашка кофе, выпитая поздно вечером, может спровоцировать бессонницу.Кофе – мягко возбуждающее средство, то есть вызванное им возбуждение нарастает постепенно и обладает хорошей устойчивостью. Важно отметить, что вслед за возбуждением, вызванным кофе, не наступает угнетенного состояния, как это характерно для алкогольных напитков. Под влиянием кофе возбуждается и сосудодвигательный центр, что провоцирует сужение сосудов пищеварительного тракта и расширение сосудов сердца, перераспределение крови в организме, возрастание скорости ее движения, в связи с чем происходит незначительное увеличение кровяного давления. Все эти факторы помогают человеку бороться с усталостью. Однако такой является реакция на кофе здорового организма. Совершенно другая картина наблюдается в случае каких-то заболеваний. В частности, при болезнях сосудов, атеросклерозе, гипертонической болезни кофе строго противопоказан. Напротив, при пониженном кровяном давлении и упадке сердечной деятельности врачи рекомендуют регулярное употребление кофе, так как он заставляет энергичней сокращаться сердечную мышцу, расширяет коронарные сосуды сердца. Также кофе воздействует на работу легких, вследствие чего учащается дыхание. Благодаря действию содержащихся в кофе органических кислот улучшается пищеварение, усиливается выделение желудочного сока, и примерно через полчаса после приема кофе кислотность достигает максимума. Это ускоряет процесс пищеварения, при этом пища лучше усваивается организмом. Однако наступающее повышение кислотности может быть опасно для людей, страдающих гастритом или язвенной болезнью желудка или двенадцатиперстной кишки. Таким образом, медики выяснили, что для здорового человека кофе в разумных количествах полезен. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В целом по итогам написания работы можно сделать вывод о том, что кофе – продукт повседневного спроса во всем мире, при этом очень важно понимать, что в кофейных зернах содержится целый набор вкусовых и ароматических веществ, оказывающих воздействие как на вкус и аромат, так и на пользу или вред кофейного напитка. В связи с этим изучение химического состава и физико-химических свойств кофе всегда актуально. Пользуясь полученными данными и составленной таблицей, а также исходя из приведенных рекомендаций активные потребители кофейного напитка могут выбрать самый для себя подходящий его вид. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
