Определение антоцианов в листьях, цветках и плодах растений

XX муниципальная научно-практическая конференция

школьников НОУ «Поиск»

Секция:  «естествознание»

Кормиловка 2020

Содержание

Введение___________________________________________________3

1.     Литературный обзор______________________________________4

1.1.Общая характеристика антоцианов________________________4

1.2. История изучения антоцианов____________________________5

1.3. Топ-8. Почему необходимы антоцианы?____________________6

         2. Практическая часть________________________________________9

              2.1. Методика исследования__________________________________9

              2.2. Результаты исследования________________________________9

         Выводы____________________________________________________12

Литература_________________________________________________12

Приложение________________________________________________13

Введение

Несколько столетий назад началась одна из самых интересных и красивых историй в биологической науке – история изучения цвета у растений. Растительные пигменты антоцианы сыграли важную роль в открытии законов Менделя, мобильных генетических элементов – все эти открытия были сделаны благодаря наблюдениям за окраской растений. Об антоцианах сегодня много пишут в печати, поэтому про них слышали все, но все ли задумывались: «А что это такое? В самом ли деле они полезны? Или все же нет?» «Как влияют различные факторы на накопление антоцианов?».

Цель работы – выяснить, что такое антоцианы, какова их химическая природа и роль в организме растений; верно ли, что они очень полезны для человека, и какие из них наиболее эффективны; оценить присутствие антоцианов в природных объектах и исследовать их активность.

Перед выполнением работы нами были поставлены следующие задачи:

1.     Ознакомиться с литературой по теме исследования.

2.     Выявить основные функции, выполняемые антоцианами.

3.     Экспериментальным путем доказать наличие антоцианов в некоторых частях растений.

4.     Изучить накопление антоцианов в листьях, цветках и плодах растений под влиянием различной интенсивности освещения, криообработки.

Гипотеза исследования: антоцианы – вещества, обуславливающие яркую окраску растений, замедляющие процессы окисления. Стоит предположить, что их целесообразно использовать как в пищевой промышленности, так и медицине.

Проблемой исследования является противоречие между модной тенденцией употреблять аптечные препараты, содержащие антоцианы («Черника форте») и недостаточной информированностью большей части людей о химической природе и свойствах многих антоцианов, а также их широкой распространенности в местной флоре.

Практическая значимость: мы считаем, что в современном мире в условиях огромного разнообразия фармацевтических препаратов, распространения аллергических заболеваний среди взрослых и детей, необходимо обратить внимание на возможность заменить синтетические лекарственные препараты на овощи и фрукты, хотя бы частично. Поэтому, мы считаем, что результаты нашего исследования будут интересны и полезны.

1.        Литературный обзор

1.1.          Общая характеристика антоцианов

Антоцианы – это водорастворимые пигменты. Они окрашивают плоды, листья, лепестки в цвета от розового до черно-фиолетового. Образованию антоцианов благоприятствуют низкая температура, интенсивное освещение, но полностью их биологические функции пока не выяснены. Ученые считают, что антоцианы принимают участие:

·                   в окислительно-восстановительных процессах растений;

·                   в выработке иммунитета;

·                   в защите растений от неблагоприятных воздействий ультрафиолетовых лучей и низких температур;

·                   обуславливают огромное разнообразие окрасок цветков и плодов, что привлекает насекомых и тем самым способствуют опылению;

·                   защищают аскорбиновую кислоту от окисления (т.е. являются антиоксидантами).

Антоцианы  являются кристаллическими веществами, хорошо растворимые в воде. Они содержатся в клетке постоянно либо появляются на определенной стадии развития растений или под действием стресса. Последнее обстоятельство навело ученых на мысль, что антоцианы нужны не только для того, чтобы яркой окраской привлекать насекомых-опылителей и распространителей семян, но и для борьбы с различными типами стрессов.

В настоящее время доказан терапевтический эффект антоцианов: они обладают антиканцерогенным действием, уменьшают риск развития сердечно-сосудистых заболеваний, улучшают остроту зрения, а также проявляют антиоксидантную активность. [2]

Известно более 500 индивидуальных антоциановых соединений, и число их постоянно увеличивается. При всем их огромном многообразии антоциановые соединения — производные шести основных антоцианидинов: пеларгонидина, цианидина, пеонидина, дельфинидина, петунидина и мальвидина, которые отличаются боковыми радикалами R1 и R2 (рис. 1). Поскольку при биосинтезе пеонидин образуется из цианидина, а петунидин и мальвидин — из дельфинидина, можно выделить три основных антоцианидина: пеларгонидин, цианидин и дельфинидин – это и есть предшественники всех антоциановых соединений. [1]

Рис. 1. Базовая структура антоцианидинов и антоцианов. Атомы углерода пронумерованы.

1.2.          История изучения антоцианов

Первые опыты по изучению антоциановых соединений и их химической природы провел известный английский химик Роберт Бойль. Еще в 1664 году он впервые обнаружил, что под действием кислот синий цвет лепестков василька изменяется на красный, под действием же щелочи лепестки зеленеют. В 1913–1915 годах немецкий биохимик Рихард Вильштеттер и его швейцарский коллега Артур Штоль опубликовали серию работ, посвященных антоцианам. Из цветков различных растений они выделили индивидуальные пигменты и описали их химическое строение. Оказалось, что антоцианы в клетках находятся преимущественно в виде гликозидов. Их агликоны (базовые молекулы-предшественники), получившие название антоцианидинов, связаны преимущественно с сахарами глюкозой, галактозой, рамнозой. «За исследования красящих веществ растительного мира, особенно хлорофилла» в 1915 году Рихард Вильштеттер был удостоен Нобелевской премии по химии. [3]

1.3.          Топ-8

Почему необходимы антоцианы?

1) Повышение когнитивных функций

Эти соединения помогут бороться против окислительного повреждения, которое, как известно, способствует старению мозга и ухудшению памяти. Было проведено шестилетнее исследование относительно последствий употребления антоцианов в еду (а именно земляники и черники) и влияния на когнитивные функции у пожилых женщин в возрасте старше 70 лет. После изучения 16000 пациентов, исследователи обнаружили, что этот антиоксидант задерживает психическое старение вплоть до двух с половиной лет. Они также обнаружили, что чем выше потребление антоцианов и других флавоноидов, тем медленнее скорость снижения когнитивных функций мозга. Но именно эти антиоксиданты не только замедляют процесс психического старения, но и повышают обучение и память. В 2009 году исследования на крысах показали, что у получавших антоцианы крыс улучшились функции обучения и памяти. Те же ученые доказали, что эти соединения тормозят симптомы депрессии.

2) Улучшение состояния печени

Мало того, что печень преобразует питательные вещества из пищи в материалы, которые потом организм может использовать, она также хранит и поставляет клетки с этими материалами, регулирует гормоны и выполняет свои функции в детоксикации организма. В 2010 году доказали ошеломляющий эффект антоцианов, выведенных из черного риса для лечения повреждений печени от алкогольного влияния. Крысы были разделены на две группы, им вводили спирт, чтобы вызвать повреждение печени. Но одной группе также давали экстракт антоцианов и у них выявили самые низкие незначительные повреждения печени. Значит, антоцианин уменьшает воздействие токсинов на печень.

3) Предотвращение онкологических заболеваний

Много доказательств из различных лабораторных и клинических испытаний свидетельствуют о том, что продукты обильные антоцианами имеют противораковые эффекты: в экспериментах в 2010 году установлено, что извлеченный из ягод черники экстракт помогает подавлять рост клеток рака молочной железы.

4) Уменьшение уровня плохого холестерина

Американский журнал клинического питания опубликовал исследование в 2009 году, где выявили, что добавление антоцианов привело к увеличению HDL холестерина (полезного вида) на 13,7% при одновременном снижении уровня LDL (плохого вида) на 13,6%.

5) Здоровье сердца

Когда были изучены ягоды, было установлено, что они снижают риск сердечнососудистых заболеваний у женщин, благодаря их высокому содержанию антоцианов. Изучив 93600 участников в течение 18 лет, ученые опубликовали в 2013 году результаты. Нам стало известно, что употребление антоцианов связано с уменьшением риска сердечного приступа у молодых и среднего возраста женщин. Большинство преимуществ (снижение риска на 32%) были получены теми женщинами, которые ели три или больше порций в неделю. Эти антиоксиданты также защищают сердце за счет уменьшения окислительного стресса и воспаления, улучшая капиллярную силу и снижая артериальное давление.

6) Борьба с ожирением

У мышей, которых кормили антоцианами, за 8 недель снизился вес за счет сокращения жира.

7) Улучшение зрения

Французские исследователи протестировали 36 человек на их способность адаптироваться к свету и темноте до и после приема черники с антоцианами. Уже через несколько часов после приема происходило значительное улучшение зрения. Тем не менее, эффект исчезал через 24 часов. Люди, принимающие 50 мг антоцианов черной смородины, лучше приспособлены к темноте и имеют меньшую усталость глаз, чем остальные. Но всего лишь 20 мг не дают таких преимуществ.

8) Защита от простуды и гриппа

Антоцианы оказывают бактерицидное действие – они могут уничтожать различные виды вредоносных бактерий: они используются в комплексной борьбе с простудными заболеваниями, помогают иммунной системе справляться с инфекцией. Бузина уже давно используются в фитотерапии для борьбы с простудой и гриппом. В 2009 году обнаружили, что антоцианы с бузины связываются с H1N1 вирусов свиного гриппа, блокируя его способность инфицировать клетки хозяина. Исследователи отметили, что бузина действует аналогично фармацевтическому препарату Озельтамивир (Тамифлю).

Механизмы действия, с помощью которых антоциан увеличивает производство инсулина, до сих пор неизвестны.

Фармацевтических препаратов, которые содержат антоцианы, довольно много, но все же наибольшую пользу организму приносят те биологически активные вещества, которые поступают естественным путем – из продуктов питания. Обычному человеку достаточно 200 мг антоцианов в сутки, но при серьезных болезнях и показаниях врача норма может увеличиться до 300 мг. Антоцианы в составе продуктов питания широко распространены в природе, однако ягодные культуры обладают наиболее высокими их концентрациями по сравнению с большинством других пищевых источников.

Наиболее богаты антоцианами плодовые и ягодные культуры – черная смородина, ежевика, черника, арония, голубика, терн, слива, жимолость, черемуха, вишня, клюква, брусника и красный виноград. Ягоды – продукт сезонный, поэтому в настоящее время актуальной задачей является разработка рациональной технологии переработки плодово-ягодного сырья с целью наиболее полного извлечения и сохранения полезных веществ. Замораживание относится к наиболее перспективным методам консервирования. Замораживают плоды, овощи и ягоды. Для ягод используют воздушное замораживание в скоростном потоке воздуха. Ягоды должны быть одного вида, зрелые, чистые, без повреждений, не иметь плодоножек и чашелистиков (кроме красной смородины). Цвет должен быть однородным, естественным, свойственным виду ягод. Вкус и запах в размороженном состоянии должен соответствовать сырью, а консистенция – близкой к консистенции свежих ягод. Исключительно быстрое индивидуальное замораживание обеспечивает не только красивый внешний вид ягод, но и высокое качество, а также малые потери массы. Это позволяет использовать ягоды, как свежие, так и замороженные, для производства продуктов переработки – варенье, джемы, настои, морсы, экстракты. [2]

2.        Практическая часть

2.1.          Методика исследования

Все антоцианы – природные индикаторы. Пигментация зависит от pH в вакуолях, где накапливаются антоциановые соединения. Одно и то же соединение в зависимости от сдвига в величине кислотности клеточного сока может приобретать различные оттенки. Так, раствор антоцианов в кислой среде имеет красный цвет, в нейтральной – фиолетовый, а в щелочной – желто-зеленый. [1].

2.2.          Результаты исследования

Опыт №1. Проведение качественных реакций

Т.к. антоцианы  - водорстворимые пигменты, их водную вытяжку можно получить из листьев, лепестков цветков с цветовой гаммой от розового до фиолетового.

Исследование проводили в сентябре 2018 года (фотографии в Приложении).

1г. растительного вещества поместили в ступку и измельчили, добавили около 5 мл воды, получили раствор. В пробирки налили вытяжки пигментов. Если первоначально вытяжка пигментов имела буроватую окраску, то после добавления 1-2 капель кислоты (HCl) она принимала красивый розово-красный цвет. В другую пробирку добавляли по каплям разбавленную щелочь (NaOH) буроватый раствор окрашивался в зеленый цвет.

Таблица №1

Качественные реакции на антоцианы в цветках и плодах растений, произрастающих на пришкольном участке

Вывод: во всех цветках и плодах растений, взятых для исследования, содержатся антоцианы.

Опыт №2. Изучение роли антоцианов в стрессовых условиях

А. Влияние интенсивности света на содержание антоцианов

В лабораторном опыте определяли накопление антоцианов в листьях растений Сoleus blumei. Колеус, крапивка (Coleus blumei s). - сем. губоцветные - Labiatae. Род насчитывает около 150 видов, произрастающих в тропиках восточного полушария. Существуют экземпляры с краснобурыми, зеленовато-желтыми, темно-пурпурными листьями с желтой или беловатой каймой. Листья черешковые, яйцевидные, заостренные. Цветки мелкие, лиловато-синие, образуют кистевидное, соцветие. Стебель четырехгранный. Декоративность колеуса зависит от освещения. На ярком солнечном свету окраска листьев делается еще ярче. Растение теплолюбивое, при неблагоприятных условиях теряет листья.

Через 7 дней после выдерживания растения в условиях разной интенсивности освещения определяли содержание антоцианов в листьях Сoleus blumei.

Качественные реакции на антоцианы в листьях, находящихся в условиях интенсивной освещенности, протекают быстрее, чем в условиях недостатка света.

 Вывод: в условиях повышенной освещенности в листьях колеуса происходит накопление антоцианов, которые защищают фотосинтетический аппарат от повреждения.

Б. Сравнительный анализ  содержания антоцианов свежих ягод вишни и ягод, прошедших криообработку

Мы провели качественные реакции на содержание антоцианов в образцах свежесобранных и замороженных ягод вишни и сравнили скорость протекания реакций.

Вывод: содержание антоцианов в замороженных ягодах выше, чем в свежесобранных ягодах.

Из-за их широких защитных свойств, я рекомендую включать продукты, богатые на антоцианы в свой ежедневный рацион, а также концентрированные добавки антоцианов. Один из моих любимых рецептов это фруктовое пюре с замороженными или свежими ягодами и соком граната. Следующий рецепт прекрасно подойдет на завтрак и легкий перекус:

Ингредиенты:

1 чашка замороженных различных ягод

½ спелого банана

1 чашка простого цельного молока или йогурта

¼ чашки гранатового сока

1 ч. л. сиропа, по желанию

Смешайте все ингредиенты в блендере на высокой скорости. Подавать сразу же.

Выводы

1.                 Антоцианами называют водорастворимые пигменты вакуолей растений, среди которых встречаются вещества красного, фиолетового или синего цвета. Они могут принимать различные оттенки в зависимости от кислотности среды.

2.                 В природе антоцианы придают растениям яркие цвета для привлечения насекомых-опылителей. Считается, что антоцианы защищают клетки растений от вредного ультрафиолетового излучения. Наиболее богаты антоцианами ягоды растений.

3.                 Антоцианы сохраняют свои свойства при употреблении растений другим организмом. Поэтому овощи и фрукты ярких цветов считаются полезными для организма.

4.                 Антоцианы способствуют уменьшению ломкости капилляров, улучшают состояние соединительных тканей, помогают предотвратить глазные болезни и лечат их, в целом оказывают благоприятное воздействие на весь организм.

5……5. Накопление антоцианов в растениях зависят от факторов окружающей среды: температуры, освещенности. Изучение антоцианового пигментного комплекса может быть применено в биоиндикационных исследованиях и мониторинге состояния окружающей среды.

В перспективе хотелось бы провести количественные измерения содержания антоцианов в растениях.

Литература

1. Практическая биология для олимпиадников / под. ред. Д.А. Решетова.  М.: МЦНМО, 2018. -352 с.

2. https://www.neboleem.net/antociany.php

3. https://pandia.ru/text/78/207/14539.php

Приложение

Рис.1. Сбор плодов яблони дикой для исследования

Рис.2. Сбор цветков петунии, арегатума для исследования

Рис.3. Извлечение сока из цветка растения петуния фиолетовая

Рис.4. Антоцианы в клеточном соке вишни (фото автора)

Скачано с www.znanio.ru