Научный эксперимент "Определение кофеина в напитках"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа № 150

Городской конкур «Химический калейдоскоп»

Номинация «Эксперимент в лабораторных условиях»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОФЕИНА В НАПИТКАХ

Выполнила:

Екимова Валерия Сергеевна,

9 «А» класс.

Руководитель:

Лебедева Виктория Николаевна,

учитель химии и биологии.

г. Челябинск

2014

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Введение 3

Кофеин как химическое вещество 4

Основная часть 5

Опыт № 1: Возгонка кофеина с MgO 5

Опыт № 2: Качественная реакция на кофеин 6

Выводы 7

Заключение 8

Список литературы 9

Приложение 1 10

Введение

Каждый день мы начинаем с приёма пищи. Вкусный лёгкий завтрак является источником энергии, которая будет расходоваться на различные физиологические процессы вплоть до обеденного перерыва. Неотъемлемой составляющей любого завтрака является какой-нибудь напиток. Причём у каждого человека имеются свои предпочтения в выборе утреннего напитка. И чаще всего в этой роли выступают кофе, чай и цикорий.

Кофе пользуется популярностью среди людей с трудом переходящих от сна к активному бодрствованию. Как известно, в состав кофе входит такой алколоид, как кофеин, который и придаёт этому напитку столь чудодейственную силу.

Помимо кофе кофеин содержится также и в чае, причём концентрация его в чае зависит от сорта. Черный чай в своём составе содержит гораздо больше кофеина в сравнении с зелёным. А цикорий, несмотря на то, что по вкусу очень напоминает кофе, и считается его суррогатом, кофеина в составе не имеет. Тонизирующее действие цикория опосредовано другими компонентами, а именно: витаминами группы В.

Однако помимо пользы, кофеин может приносить и вред организму. Частое и обильное употребление крепкого чая и кофе, не очищенного от кофеина, вредно воздействует на растущий организм. Злоупотребление кофеином (более 300 мг в сутки, т.е. 4 чашки натурального кофе по 150 мл) может стать причиной беспокойства, состояния тревоги, вызвать тремор, спутанность сознания, головную боль нарушения сердечного ритма.

Для того чтобы убедиться, что содержание кофеина в упомянутых выше напитках разное, и выявить самый безопасный для молодого организма мы провели исследование.

Целью нашего исследования было определить кофеин в кофе, чёрном и зелёном чае, цикорие. Цикорий был взят в качестве отрицательного контроля.

Задачи:

1. Провести эксперимент по возгонке кофеина с кофе, зелёным и чёрным сортами чая, цикорием.

2. Поставить качественную реакцию на кофеин.

3. Проанализировать результаты эксперимента.

4. Сделать выводы.

Объект исследования: кофе растворимый порошковый «Nescafe», цикорий порошковый «Elite», чай чёрный пакетированный «Беседа», чай зелёный пакетированный «Alokozay».

Предмет исследования: кофеин.

Кофеин как химическое вещество

Рисунок 1. Структурная формула кофеина

Впервые кофеин выделил Ф.Рунге из кофейного экстракта в виде бесцветных кристаллов вещества, имеющего слабогорький вкус, без запаха. Водный раствор этого вещества по своему возбуждающему действию во много раз превосходил кофейный отвар. Определить состав и структурную формулу данного соединения удалось в 1897 г. усилиями немецкого химика Э. Фишера, который получил кофеин синтетическим путем.

По своей химической структуре кофеин – это 1,3,7-триметилксантин (рисунок 1).

Кофеин образует бесцветные кристаллы, которые медленно растворяются в холодной воде (1:60), легко – в горячей воде (1:2), трудно растворяются в спирте (1:50). Растворы имеют нейтральную реакцию.

Получают кофеин из растительного сырья путём метилирования тиофилина. Преимущественно кофеин выделяют из отходов чайного производства: извлекают водой и затем дихлорэтаном. Из воды вещество осаждается в виде длинных, гибких, шелковистых игл. На вкус горьковато. В относительно больших дозах ядовито.

Кофеин обладает тонизирующим действием, которое является результатом прямого воздействия на центральную нервную систему. При этом активируются дыхательный и сосудо-двигательный центры, что приводит к учащению сердцебиения, повышению давления, углубляется и учащается дыхание. За счёт чего работоспособность повышается, исчезает усталость и адаптационные возможности возрастают. Именно поэтому кофеин нашёл своё применение в медицине в качестве тонизирующего средства при сердечно-сосудистой недостаточности, мигрени. Он входит в состав некоторых лекарств: аскофен, новомигрофен, новоцефальгин, пиромеин, цитромон.

Кофеин содержится в кофе и чае (1-3%), в орехах кола, в какао. Одна чашка натурального кофе может содержать до 100-200 мг кофеина. Максимальная доза допустимая на один прием, - 300 мг. Действие кофеина кратковременно 1-3 часа. Некоторые, желая продлить этот эффект, пьют кофе несколько раз в день. Это чревато последствиями: может появиться чрезмерная возбудимость, бессонница, сердцебиение.

Основная часть

Существует несколько методик выделения кофеина, мы в своей работе использовали метод выделения кофеина путём возгонки с оксидом магния.

Для проведения эксперимента нам понадобились (рисунок 2):

• кофе растворимый порошковый «Nescafe»;

• чай чёрный пакетированный «Беседа»;

• ч

  Рисунок 2. Объект исследования

  ай зелёный пакетированный «Alokozay»;

• цикорий порошковый «Elite».

Опыт № 1: Возгонка кофеина с MgO

Кофеин возгоняется при 180^оС, и в растворах находятся в виде моногидрата, устойчивого до 100^оС. Запах кофеина мы не чувствуем, на вкус – горьковат.

Оборудования и вещества: весы лабораторные, чашка Петри, фарфоровые чашки, ступка с пестиком, MgO (оксид магния), электроплита, кофе, чай чёрный, чай зелёный, цикорий, асбестовая сетка.

Ход работы:

1. С помощью лабораторных весов мы взяли поочерёдно навески кофе, чёрного, зелёного чая и цикория (по 5 грамм).

2. Поместили каждое вещество в отдельную ступку, смешали с оксидом магния в пропорциях 1:1 (по массе). Растёрли до порошкообразного состояния.

3. На электроплиту мы положили асбестовую сетку и поставили на нее фарфоровую чашу со смесью, прикрыв ее чашкой Петри (рисунок 3).

4. Подогревание проводилось в течение 30 минут.

Результат:

Н

Рисунок 3. Оборудование

а поверхности чашки Петри, обращённой внутрь фарфоровой чащи со смесью, произошла конденсация влаги, и после высыхания образовался налёт белого цвета. Его количество уменьшалось в ряду: кофе, чай чёрный, чай зелёный. В случае цикория никакого белого налёта не наблюдалось.

Опыт № 2: Качественная реакция на кофеин

Для идентификации кофеина мы использовали качественную реакцию с концентрированной азотной кислотой.

Оборудования и вещества: чашка Петри с выделившимися на ней белым налётом, концентрированная азотная кислота.

Ход работы:

1. Каплю концентрированной азотной кислоты прилили к выделившемуся предполагаемому кофеину. В результате окисления образуется амалиновая кислота (тетраметилаллоксантин) желтого цвета.

Результат:

Поскольку количество образовавшегося налёта было незначительным, окрашивание происходило по контуру высохшей капли концентрированной азотной кислоты (рисунок 4). Интенсивность окрашивания различных веществ отображена в таблице 1 и на диаграмме (приложение 1, рисунок 1).

Таблица 1. Качественная реакция на кофеин

Название вещества	Желтое окрашивание
кофе растворимый порошковый «Nescafe»	интенсивная окраска (+ + +)
чай чёрный пакетированный «Беседа»	слабое окрашивание (+ +)
чай зелёный пакетированный «Alokozay»	слегка заметное окрашивание (+)
цикорий порошковый «Elite»	не наблюдалось

Краткий вывод:

Качественная реакция на кофеин дает нам право говорить о его присутствии в виде налёта на чашке Петри. В случае цикория никакой окраски не образовалось, поскольку цикорий не содержит кофеин. То есть отрицательный контроль сработал правильно.

кофе

чай чёрный

чай зелёный

цикорий

Рисунок 4. Качественная реакция на кофеин исследуемых образцов

(окрашивание по контуру капли)

Выводы

В процессе нашего исследования мы выделили чистый кофеин из таких напитков, как кофе, чай чёрный, чай зелёный. Выделение проводилось методом возгонки с оксидом магния. Конденсат на стекле чашки Петри после высыхания приобрёл вид белого налёта, количество которого изменялось в зависимости от типа объекта. Больше всего кристаллов кофеина удалось получить из кофе, на втором месте – чай чёрный, на третьем – чай зелёный. Совсем не удалось выделить кофеин из цикория, что согласуется с данными о химическом составе данного продукта.

Для подтверждения того, что полученные белые кристаллы действительно являются кофеином, нами была поставлена качественная реакция на кофеин с азотной кислотой. Реакция сработала положительно: продукт окрасился в жёлтый цвет. Из чего мы заключили, что полученное белое вещество является кофеином. Отметим, что интенсивность окраски была пропорциональна количеству выделенного кофеина. Она снижалась в ряду: кофе, чёрный чай, зелёный чай. В случае цикория, как и ожидалось, реакция сработала отрицательно (таблица 1).

Таким образом, нами было установлено, что кофеин содержится в следующих напитках: кофе, чай чёрный, чай зелёный, причём его количество уменьшается от кофе к зелёному чаю. Цикорий не содержит кофеина.

Как уже отмечалось кофеин имеет ряд побочных эффектов. Его не рекомендуют употреблять в детском и подростковом возрасте. Это обязательно учитывается в планировании меню в школьной столовой и в детском саде. Примером может служить примерное меню, рекомендуемое государственным стандартом питания (приложение 2). Как видно из меню, оно включает в себя лишь те напитки, которые содержат небольшое количество кофеина или не содержат его совсем. При этом чай, который подают на обед в школьной столовой должен быть некрепким.

Чтобы застраховать себя от возможных неблагоприятных последствий употребления кофе, мы рекомендуем ограничить его в своём дневном рационе. Вместо этого можно пить чай, желательно зелёный. Ещё один вариант – тонизирующие напитки, не содержащие кофеина, такие как цикорий. Его использование не имеет противопоказаний в любом возрасте.

Заключение

В процессе работы нам удалось выделить кофеин методом возгонки с оксидом магния. Однако количество кофеина оказалось достаточно малым. С одной стороны, это связано с небольшой массой навески, с другой стороны, сам метод возгонки даёт очень малый выход продукта, поэтому для точного определения концентрации кофеина в продукте совершенно не подходит.

Проведение качественной реакции на кофеин подтвердило, что в исследуемых образцах действительно содержится кофеин. Цикорий, как и ожидалось, дал отрицательный результат. По интенсивности окраски мы можем предположить, что количество кофеина в сухом веществе в ряду кофе, чёрный чай, зелёный чай уменьшается. Для точного определения концентрации кофеина необходимо использовать более совершенную методику его выделения (например, метод экстракции) и идентификации (например, хроматографический метод).

Учёными показано, что кофеин помимо стимулирующей функции, также может ухудшать реакции на некоторые зрительные и звуковые стимулы. Проявляется также его вредное влияние на выполнение ручных действий, которые требуют тонкой мышечной координации и точности во времени. И если брать в пример учебную деятельность, то это, скорее всего, будет сказываться на способности концентрировать внимание и выполнять учебные задания.

Любителям пить кофе для удлинения времени занятий, не стоит забывать о возможных последствиях чрезмерного потребления этого напитка. После его выведения из организма состояние может резко ухудшиться. Большие дозы кофеина могут вызвать беспокойство, тревогу, тошноту, головную боль, напряженность мышц, нарушения сна, что негативно может сказаться на обучении. Помимо этого может развиться кофеиновая зависимость.

По литературным данным среди исследованных нами напитков зелёный чай имеет наименьшее содержание кофеина. Цикорий же его не содержит совсем. А отсутствие возможности привыкания даёт основание рекомендовать зелёный чай и цикорий как доступное тонизирующее средство и взрослым, и подросткам, и даже детям.

Список литературы

1. Биологический словарь. М.: Дрофа, 2000. – 245 с.

2. Волков А.И. Большой химический справочник / А.И. Волков, И.М. Жарский. - Мн.: Современная школа, 2005. - 608 с.

3. Химия. Журнал / под ред. Э.Г. Ракова. – Москва, 1999. - № 40. – С. 45-47.

4. Химия в школе. Научно-методический журнал/ под ред. Левиной Л.С. – М.: Центрхимпресс, 2000. - № 10. – С. 24-26.

5. Химия в школе. Научно-теоретический и методический журнал / под ред. Левиной Л.С. – М.: Центрхимпресс, 1995. - № 5. – С. 32-33.

6. Материалы первой научно-практической конференции научного общества учащихся малой академии челябинского государственного университета. Научное издание. – Челябинск, издательство Челябинского государственного университета, 2012. – 248 с.

7. Машковский В.И. Лекарственные средства / В.И Машковский– Москва, 1993. – 125 с.

Приложение 1

Рисунок 1. Качественная реакция на кофеин (в у.е.)

Приложение 2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ ПИТАНИЯ ОБУЧАЮЩИХСЯ И ВОСПИТАННИКОВ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ 1.6. Требования к меню и методика его формирования, требования к объему порций, примерное меню

Требования к организации здорового питания и формированию примерного меню установлены для общеобразовательных учреждений, учреждений начального и среднего профессионального образования СанПиН 2.4.5.2409-08 (раздел VI), для дошкольных образовательных учреждений – СанПиН 2.4.1.2660-10 (раздел XVI).

Примерные меню школьных обедов и завтраков представлены в приложении 1.3 (таблица 1, приложение 2) к данному Стандарту. Примерное меню при его практическом использовании может корректироваться с учетом социально-демографических факторов, национальных, конфессиональных и территориальных особенностей питания населения, при условии соблюдения требований к содержанию и соотношению в рационе питания основных пищевых веществ.

Требования к профилактике витаминной и микроэлементной недостаточности изложены в СанПиН 2.4.5.2409-08.

Таблица 1. Примерное меню (выдержка из ГОСТ)

День 3 (среда)
Завтрак	Колбаски детские (сосиски) отварные
	Капуста тушеная
	Яйцо куриное диетическое вареное вкрутую
	Чай с сахаром
	Хлеб пшеничный или зерновой
Обед	Салат из огурцов свежих с растительным маслом
	Борщ сибирский на мясном бульоне
	Запеканка картофельная с отварным мясом
	Компот из ягод
	Хлеб пшеничный или зерновой
	Хлеб ржано-пшеничный
	Плоды и ягоды свежие на завтрак и обед

13