propozycja ćwiczenia studenckiego

CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
27
Beata Dasiewicz i Katarzyna Dobrosz-Teperek
Katedra Chemii
Wydział Technologii śywności
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego
ul. Nowoursynowska 159C, 02-776 Warszawa
tel. 022 593 76 25 (17)
email: [email protected]
IZOLACJA I CHARAKTERYSTYKA FIZYKOCHEMICZNA
WYBRANYCH OLEJÓW ROŚLINNYCH PROPOZYCJA ĆWICZENIA STUDENCKIEGO
ISOLATION AND PHYSICAL AND CHEMICAL CHARACTERISTICS
OF SELECTED VEGETABLE OILS PROPOSAL FOR STUDENT EXPERIMENTS
Streszczenie: Celem opracowanego ćwiczenia było zapoznanie studentów z metodą ekstrakcji za pomocą aparatu Soxhleta,
wykorzystaną do izolacji olejów z nasion. Wyznaczona liczba kwasowa dla wyizolowanych olejów była porównana
z oznaczonymi liczbami kwasowymi odpowiednich handlowych olejów tłoczonych na zimno. Studenci zapoznali się równieŜ
z innymi parametrami chemicznymi charakteryzującymi tłuszcze.
Słowa kluczowe: ćwiczenie studenckie, nasiona roślin oleistych, oleje roślinne, liczba kwasowa
Summary: The objective of title experiments was familiarize students with extraction. This method was used to isolation of
vegetable oils. For the isolated vegetable oils the acid colour and value and cold-pressed oils were determined. They were
compared. Students were familiarized with the other chemical parameters which characterize oils.
Keywords: students experiments, oil plants seeds, vegetable oils, acid value
Wprowadzenie
Poznanie
przez
doświadczenie
jest
jednym
z najwaŜniejszych i najskuteczniejszych sposobów na
przyswojenie wiedzy. Szczególnie waŜne jest ono
w nauczeniu chemii. Interdyscyplinarność wielu kierunków
kształcenia na wyŜszych uczelniach wymusza na
wykładowcach ujmowanie i prezentowanie poszczególnych
zagadnień w szerszym kontekście. Widząc konieczność
wprowadzenia zmian w dotychczasowym sposobie
nauczania, autorki niniejszego artykułu opracowały
ćwiczenie studenckie, łączące w sobie wiedzę na temat
podstaw metod izolacji związków organicznych i analizy
tłuszczów. Ćwiczenie to jest szczególnie cenne dla
studentów na kierunkach kształcenia niezwiązanych
z technologią Ŝywności czy biotechnologią, na których
omawiane zagadnienia są realizowane w szerszym zakresie.
Ćwiczenie zostało przeprowadzone na pracowni chemii
organicznej przez studentów I roku SGGW na kierunku
biologia [1]. Opracowane ćwiczenie składa się z trzech
części:
1) izolacja olejów z nasion roślin oleistych metodą
ekstrakcji w aparacie Soxhleta,
2) oznaczenie liczby kwasowej dla wyizolowanych olejów
i handlowych, tłoczonych na zimno,
3) analiza sensoryczna wyizolowanych olejów oraz
teoretyczne zapoznanie się z wybranymi parametrami
i metodami (chromatograficznymi, spektralnymi),
wykorzystywanymi do pełnej analizy tłuszczów.
Rośliny oleiste są jednym z najwaŜniejszych źródeł
energii zawartej w pokarmach spoŜywanych przez człowieka
oraz wykorzystywanych jako pasza dla zwierząt. Stanowią
równieŜ cenne źródło surowca dla wielu produktów
przemysłowych. W światowej produkcji nasion roślin
oleistych pierwsze miejsce zajmuje soja (57%), a następnie
rzepak (12%), bawełna (11%) oraz słonecznik (8%).
W ćwiczeniu do izolacji olejów wykorzystano nasiona:
rzepaku, lnu oraz dyni oleistej. Wybór tych nasion był
podyktowany łatwą dostępnością materiału biologicznego
oraz tym, Ŝe spośród dostępnych na polskim rynku olejów
coraz popularniejsze są oleje tłoczone na zimno z róŜnych
gatunków roślin oleistych, np. olej rzepakowy,
słonecznikowy, sezamowy, arachidowy czy z pestek dyni.
28 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
Oleje te nie są rafinowane, a więc zawierają wiele substancji
towarzyszących lipidom.
Olej rzepakowy jest podstawowym olejem roślinnym
w Polsce, natomiast rzepak szczególnie waŜną rośliną
oleistą strefy klimatu umiarkowanego. Olej rzepakowy
znajduje coraz szersze zastosowanie nie tylko dla celów
spoŜywczych, ale równieŜ w przemyśle chemicznym
oraz do produkcji biopaliwa; śruta poekstrakcyjna jest
waŜnym źródłem białka pastewnego. Olej rzepakowy
zawiera wśród olejów najmniej kwasów tłuszczowych
nasyconych (podnoszących poziom cholesterolu), duŜo
jednonienasyconych (obniŜających poziom cholesterolu)
oraz nienasycone kwasy tłuszczowe.
Olej lniany, niegdyś powszechnie uŜywany, obecnie
stosowany jest rzadko ze względu na specyficzny smak.
JednakŜe w tradycji polskiej dalej uŜywa się go do
przygotowywania
dań
wigilijnych.
Pierwsze
udokumentowane
doniesienia
o
leczniczych
właściwościach lnu pochodzą z czasów Greków
i Rzymian około 650 lat p.n.e. Hipokrates w V wieku
p.n.e. zalecał stosowanie lnu w przypadku zapalenia
błon śluzowych, w bólach podbrzusza oraz biegunce.
Lecznicze i zdrowotne właściwości oleju lnianego są
wynikiem zawartych w nim bioaktywnych związków,
głównie
nienasyconych
kwasów
tłuszczowych
i lignanów.
Olej z pestek dyni znajduje coraz większe zastosowanie
w kuchni jako dodatek do dań przygotowywanych na
zimno, ale równieŜ ze względu na swoje właściwości
lecznicze. Zawarte w nim fitosterole, cynk i selen
odgrywają zasadniczą rolę w profilaktyce przerostu
gruczołu krokowego – prostaty. Pozytywnie działa na
cały układ moczowy, regulując jego pracę. Ze względu
na korzystną kombinację nienasyconych kwasów
tłuszczowych dodatnio wpływa na przemianę materii,
wspomaga takŜe pracę wątroby. Znaczne ilości
wielonienasyconych kwasów tłuszczowych pomagają
takŜe w regulacji poziomu cholesterolu i zapobieganiu
miaŜdŜycy [2-4].
Część eksperymentalna
Izolacja olejów roślinnych
Odczynniki i sprzęt: 10 g nasion roślin oleistych,
chlorek metylenu, bezwodny siarczan magnezu, aparat
Soxhleta, kolba, bibuła, piasek, moździerz.
Wykonanie: odwaŜone uprzednio nasiona naleŜy
zmiaŜdŜyć w moździerzu z niewielką ilością piasku.
Otrzymaną masę przesypać na bibułę. Końce bibuły skręcić
i całość umieścić w aparacie Soxhleta. Do kolby
o pojemności 250 cm3 wlać 150 cm3 chlorku metylenu. Po
4-5 przelewach wyłączyć grzanie. Ochłodzony roztwór
suszyć bezwodnym siarczanem magnezu przez około
15 minut. Oddestylować chlorek metylenu na wyparce
obrotowej lub łaźni wodnej, a następnie zwaŜyć kolbę
z otrzymanym olejem [5].
Oznaczenie liczby kwasowej
Odczynniki i sprzęt: wodorotlenek potasu o stęŜeniu
0,1 mol/dm3, fenoloftaleina, mieszanina alkoholu etylowego
i eteru dietylowego w stosunku objętościowym 1:1, kolba
stoŜkowa, biureta.
Wykonanie: Do kolby stoŜkowej odwaŜyć około 10 g
oleju i wlać 50 cm3 mieszaniny alkoholowo-eterowej, dodać
kilku kropli fenoloftaleiny. Roztwór oleju miareczkować
roztworem wodorotlenku potasu do uzyskania trwałego,
jasnoróŜowego zabarwienia [6]. Oznaczenie wykonuje się
w co najmniej dwóch równoległych próbach nieróŜniących
się więcej niŜ 0,1 mg KOH na 1 g tłuszczu.
Wyniki
Barwa wyizolowanych olejów roślinnych była
zróŜnicowana: słomkowa dla oleju lnianego, Ŝółtobrunatna
dla oleju rzepakowego, ciemnozielona dla oleju z pestek
dyni. Odmienność barwy była spowodowana róŜną
zawartością barwników chlorofilowych i karotenoidowych.
W przypadku oleju z pestek dyni przewaŜały barwniki
chlorofilowe, natomiast w dwóch pozostałych olejach
barwniki
karotenoidowe.
Zawartość
barwników
w poszczególnych olejach roślinnych zaleŜy od gatunku
i dojrzałości surowców oraz technologii produkcji i rafinacji
olejów [7].
Uzyskane ilości poszczególnych olejów róŜniły się
znacznie od rzeczywistej zawartości tłuszczów w nasionach
(tab. 1).
Tabela 1. Procentowa zawartość oleju w nasionach i wydajność procentowa
procesu izolacji olejów w ćwiczeniu
Roślina oleista
Zawartość oleju
w nasionach [%]
Rzepak
Len
Dynia
42÷49
45÷54
35÷45
Wydajność
procentowa procesu
izolacji oleju [%]
15÷17
12÷14
10÷13
W przemysłowej metodzie tłoczenia oleju rzepakowego
z nasion stanowi on średnio 30% masy, a wytłok 70% masy
[8]. W porównaniu z tym wynikiem mała wydajność procesu
izolacji, uzyskana przez studentów, mogła być spowodowana
np. zbyt krótkim czasem ekstrakcji.
Liczba kwasowa (LK) określa ilość wolnych kwasów
organicznych zawartych w 1 g tłuszczu; jest wyraŜona ilością
wodorotlenku potasu zuŜytego do ich zmiareczkowania.
Wolne kwasy organiczne, w tym tłuszczowe, występują
niemal w kaŜdym tłuszczu, ale ich ilość jest róŜna. W czasie
przechowywania ilość wolnych kwasów tłuszczowych
wzrasta w wyniku hydrolitycznego rozpadu części
triacylogliceroli, dlatego teŜ zwiększoną wartość LK moŜna
traktować jako jedną z cech tłuszczu nieświeŜego. Określona
w normie wartość maksymalna dla olejów roślinnych wynosi
4 mg KOH/g tłuszczu.
Liczbę kwasową oblicza się w mg KOH/g tłuszczu ze wzoru:
LK =
V ⋅ c ⋅ 56,11
m
CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
29
gdzie:
V - objętość [cm3] KOH zuŜyta do miareczkowania,
C - stęŜenie [mol/dm3] uŜytego roztworu KOH,
m - odwaŜka tłuszczu [g].
Do porównania wartości liczb kwasowych olejów
wyekstrahowanych przez studentów uŜyto olejów tłoczonych
na zimno, dostępnych w handlu. Wartości liczb kwasowych
dla wszystkich typów olejów roślinnych podano w tabeli 2.
We wszystkich przypadkach wyraźnie widać większe
wartości liczby kwasowej dla olejów wyekstrahowanych
w trakcie ćwiczenia studenckiego. Świadczy to o zmianach
hydrolitycznych, które mogły zajść pod wpływem wody
i ogrzewania olejów podczas odparowywania chlorku
metylenu. Nie bez znaczenia dla stopnia hydrolizy tych
olejów jest jakość uŜytego surowca (uszkodzenia,
wilgotność).
Liczba nadtlenkowa (LN) - objętość w (cm3)
tiosiarczanu sodu (o stęŜeniu 0,01 mol/dm3) potrzebnych
do zmiareczkowania jodu wydzielonego z jodku potasu
przez nadtlenki zawarte w 1 g tłuszczu. Charakteryzuje
ona stopień zepsucia nadtlenkowego tłuszczu i związana
jest głównie z powstaniem aldehydu epihydrynowego.
WyraŜa się ją w milimolach O 22 − /kg tłuszczu [9].
Do badań właściwości tłuszczów wykorzystuje się
równieŜ metody instrumentalne, np. do oznaczania barwy
oleju - metodę spektrofotometryczną, do oznaczania zmian
w jakości tłuszczów - chromatografię gazową i metody
termoanalityczne (DSC), natomiast metodą spektrometrii
absorpcji atomowej (AAS) oznacza się zawartość róŜnych
pierwiastków (np. Fe, Cu, Cd, Pb, As, Hg, Zn) [2, 3, 10].
Tabela 2. Wartości liczb kwasowych [mg KOH/g tłuszczu] w handlowych
olejach tłoczonych na zimno i olejach wyizolowanych w ćwiczeniu
Opracowane przez autorki ćwiczenie w prosty sposób
zapoznaje studentów z metodą ekstrakcji ciągłej
wykorzystywanej do izolacji olejów z nasion roślinnych
oleistych.
Porównanie wartości eksperymentalnych i teoretycznych
niektórych wskaźników chemicznych olejów roślinnych
pozwala na ocenę przydatności róŜnych metod
wyodrębniania tłuszczów do celów spoŜywczych.
Zapoznanie się z niektórymi metodami instrumentalnymi wykorzystywanymi do oznaczeń parametrów
opisujących właściwości olejów przybliŜa studentom
współczesną analizę chemiczną.
Z przeprowadzonych wśród studentów sondaŜowych
badań ankietowych wynika, Ŝe pozytywnie ocenili oni nowe
ćwiczenie.
Nazwa oleju
Olej rzepakowy
Olej lniany
Olej z pestek dyni
Liczba kwasowa
handlowego oleju
tłoczonego na zimno
2,4
0,6
1,2
Liczba kwasowa oleju
ekstrahowanego
3,3
2,3
1,5
Część teoretyczna
Spośród kilku testów słuŜących do oceny jakości
tłuszczu oznaczenie liczby kwasowej jest najprostszym
i najszybszym. Dlatego z powodu ograniczenia czasu,
przeznaczonego na wykonanie całego ćwiczenia (4 godz.),
autorki zdecydowały się wybrać właśnie ten. JednakŜe
studenci zapoznają się teoretycznie z innymi wyróŜnikami
chemicznymi, które określają zmiany zachodzące w czasie
przechowywania tłuszczów, a takŜe pozwalają ilościowo
scharakteryzować jakość badanego produktu spoŜywczego.
W analizie produktów tłuszczowych są to liczby tłuszczowe:
Liczba zmydlania (LZ) - wyraŜona liczbą miligramów
wodorotlenku potasu zuŜytego do zmydlenia estrów
i wolnych kwasów organicznych zawartych w 1 g
tłuszczu. Na jej wartość ma wpływ takŜe zawartość
w tłuszczu innych substancji, które nie ulegają
zmydleniu (węglowodory, sterole), ale obniŜają wartość
LZ. Natomiast zwiększają liczbę zmydlania fosfolipidy,
które teŜ ulegają zmydlaniu.
Liczba jodowa (LJ) - wyraŜona liczbą g związanego
chlorowca w przeliczeniu na jod, która ulega addycji do
wiązań podwójnych związków nienasyconych oraz
innych reduktorów (np. cholesterolu, witamin z grup A
i D) zawartych w 100 g tłuszczu. Tłuszcze roślinne
odznaczają się duŜymi wartościami LJ. Wyjątek
stanowią tłuszcze: kakaowy, kokosowy i palmowy.
Liczba jodowa zmniejsza się na skutek dłuŜszego
przechowywania tłuszczu.
Wnioski
Literatura
[1]
Dasiewicz B. i Dobrosz-Teperek K.: Materiały 50 Jubileuszowego
Zjazdu PTChem i SITPChem, S10-PS2-1. Toruń 2007.
[2] Krygier K., Wroniak M., Dobczyński, Kiełt I., Grześkiewicz S.
i Obiedziński M.W.: Charakterystyka rynkowych olejów roślinnych
tłoczonych na zimno. Rośl. Oleiste, 1998, 19(2), 573-582.
[3] Wroniak M., Kwiatkowska M. i Krygier K.: Charakterystyka
wybranych olejów tłoczonych na zimno. śywność. Nauka.
Technologia. Jakość, 2006, 2(47), 46-58.
[4] Sionek B.: Oleje tłoczone na zimno. Roczn. PZH, 1997, 48(3),
283-294.
[5] Białecka-Florjańczyk E. i Włostowska J.: Ćwiczenia laboratoryjne
z chemii organicznej. Wyd. SGGW, Warszawa 2005.
[6] PN-EN ISO 660: 2005. Oleje i tłuszcze roślinne oraz zwierzęce.
Oznaczenie liczby kwasowej i kwasowości.
[7] Rotkiewicz D., Konopka I. i Tańska M.: Barwniki karotenoidowe
i chlorofilowe olejów roślinnych oraz ich funkcje. Rośl. Oleiste, 2002,
23, 561-579.
[8] Podkówka W.: Biopaliwa – gliceryna – pasza z rzepaku. Wyd. ATR,
Bydgoszcz 2004.
[9] Rutkowski A. i Krygier K.: Technologia i analiza tłuszczów jadalnych.
Wyd. SGGW, Warszawa 1979.
[10] Kowalski B.: Termokinetyczna analiza utleniania olejów i tłuszczów
jadalnych. Wyd. SGGW, Warszawa 1994.