Альтернатива синтетическим красителям и индикаторам - растительные пигменты

Представлены результаты химического эксперимента по выделению пигментов из растений и получению природных красителей и индикаторов. Рассмотрена возможность использования полученных красителей для окрашивания тканей и индикаторов для определения кислотности моющих средств. Ключевые слова: растительные пигменты, растительные красители и индикаторы, хроматография   Окраска растений обусловлена содержанием в них различных пигментов. Растительные пигменты – это крупные органические молекулы, поглощающие свет определенной длины волны. Одним из направлений применения растений, богатых пигментами, служит получение природных красителей и индикаторов. Красители – органические соединения, обладающие способностью поглощать и преобразовывать световую энергию в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Растительные красители являются распространенным экологически безопасным и доступным сырьем. Индикаторы – это химические вещества, окраска которых меняется в зависимости от рН среды. Проблема получения индикаторов достаточно актуальна, так как природные индикаторы играют большую роль и широко используются при химических исследованиях. Преимуществом растительных индикаторов является дешевизна, быстрота и наглядность исследования. Цель работы:изучить свойства растительных пигментов и выявить возможность их применения в качестве красителей и индикаторов. Методы исследования:теоретические (анализ учебной и научно-популярной литературы), экспериментальные (химический эксперимент). Организация исследования.На первом этапе был проведен анализ научно-популярной литературы по выбранной теме, который показал, что в растительных клетках обычно встречаются зеленые пигменты – хлорофиллы (рис. 1), желто-оранжевые – каротиноиды и разнообразные флавоноиды. Рис.1. Структурная формула хлорофилла Каждая из групп растительных пигментов представлена несколькими отличающимися по химическому строению, окраске и поглощению света пигментами. Например, к группе флавоноидов относят антоцианы, определяющие красную, синюю, фиолетовую окраску цветов; флавоны, флавонолы, ауроны и халконы — жёлтую и оранжевую. Пигмент группы флавоноидов кверцетин содержится в коре дуба (рис. 2), катехин – в листьях чая.

Пигмент группы каротиноидов рубиксантин содержится в плодах шиповника (рис. 3.). Рис. 2. Структурная формула кверцитина Рис.3. Структурная формула рубиксантина Второй этап был связан с химическим экспериментом по получению природных индикаторов и красителей. Технология получения красителей включает два основных процесса: извлечение красящих веществ и приготовление концентрированного красителя, который стабилен при хранении и пригоден для непосредственного использования. После того, как красители перешли в раствор, мы испытывали их способность к окрашиванию хлопчатобумажной ткани. В результате окрашивания ткани растворами перечисленных растений получили следующие цвета: из шелухи лука – светло-коричневый, из корнеплодов свеклы – светло-бордовый, из ягод калины – светло-розовый, из коры дуба – желто-коричневый. Все полученные результаты представлены в таблице

1. Таблица 1 Результаты окрашивания ткани полученными растительными красителями

В результате проведенного опыта убедились в том, что растительные красители способны длительное время удерживаться на ткани и не уступают по своим свойствам синтетическим красителем. Недостатком подобного окрашивания является получение не ярких, а светлых оттенков; получение зеленых красителей из растительного сырья является затруднительным; при стирке ткани в обычной воде она сильно линяет.

Природные индикаторы получали из свеклы, моркови, краснокочанной капусты, будры, тюльпана, чистотела, черного чая, луковой шелухи, боярышника и шиповника. Сначала навеску сырья массой 5-10 г погружали в экстрагент объемом 50 мл. Полученные экстракты фильтровали с помощью фильтровальной бумаги, и полученный фильтрат наливали в заранее подготовленную колбу. Для определения эффективности индикатора был использован универсальный буферный раствор, обладающий большой буферной емкостью (pH от 2 до 12) из H3PO4, CH3COOH, H3BO3, молярность 0,04 моль/л, концентрация кислот 100% [2]. К сожалению, из-за неустойчивости антоцианов их отвары быстро плесневеют и скисают, поэтому готовить такие индикаторы надо непосредственно перед работой с ними. Лучшими оказались индикаторы из краснокочанной капусты, будры и красного тюльпана. В растворе этих индикаторов наблюдался более выраженный переход из нейтральной среды в кислотную и щелочную. Более подробные результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 Результаты по приготовлению индикаторов

С помощью приготовленных индикаторов из краснокочанной капусты и боярышника определили среду распространенных моющих средств и выяснили, что стиральные порошки «Зифа» и «Лоск» имеют щелочную среду, а моющее средство «Ферри» слабощелочную (табл.3). При использовании средств для мытья посуды, имеющих щелочную среду, нарушается нормальная кислотная среда кожи рук, которая в норме имеет слабокислую среду рН=5,5. Таблица 3 Изменение окраски индикаторов и красителей

При применении средств для мытья посуды необходимо использовать резиновые перчатки, защищающие кожу от действия на нее щелочной среды, которая разрушает кислотную мантию эпидермиса и вызывает кожные заболевания. Хотя на этикетках этих моющих средств производитель указывает, что они не оказывают вредного воздействия на кожу.

Также в ходе работы было проведено исследование содержания растительных пигментов в крапиве, краснокочанной капусте, свекле и моркови. Разделение растительных пигментов производили методом распределительно-сорбционной бумажной восходящей хроматографии, который основан на различии в коэффициентах распределения индивидуальных веществ между двумя фазами – органической и водной. В результате проведенного поэтапного эксперимента получили распределение отдельных пигментов на хроматографической бумаге (рис.4). Ближе всех к старту находится желто-зеленое пятно хлорофилла в. Выше располагается пятно хлорофилла а, окрашенное в сине-зеленый цвет. Ещё дальше от старта расположился желто-коричневый след ксантофилла. Ближе всех к фронту растворителя подошел каротин, цвет пятна которого – желтый. Таким образом, каротиноиды, по сравнению с хлорофиллом, адсорбируются на фильтровальной бумаге хуже, поэтому передвигаются по ней дальше хлорофилла.

Рис.4. Распределение пигментов на хроматографической бумаге   В ходе проведенного исследования можно сделать следующие выводы: Растительные пигменты - органические соединения, присутствующие в клетках и тканях растений и окрашивающие их. Они принадлежат к трем классам: хлорофиллы, каротиноиды и флавоноиды. Используя растительные пигменты в качестве природных красителей, установили, что они являются пригодными для окраски тканей.

При использовании растительных пигментов в качестве индикаторов было установлено, что они проявляют свойства кислотно-основного индикаторов и являются вполне «точными» определителями кислотности жидкостей. Проведенный анализ растительных пигментов методом распределительной хроматографии показал, что спиртовая вытяжка листьев крапивы, краснокочанной капусты, корнеплодов свеклы и моркови содержит такие пигменты, как хлорофилл, каротин и ксантофилл.