XXVII Московская конференция проектных и исследовательских работ учащихся по химии

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы "Школа № 1574"

ЦАО

Исследование

Качественный и количественный анализ содержания кофеина

в чае и кофе

Авторы: Глинская А.М.,

Минголит А.А.,

Учащиеся 10 «Б» класса

Руководитель: Сероваткина Н.И.,

Козлова Л.С.

Школа 1574

Москва

20191

Оглавление

1. Введение………………………………………………………………………….....32. Методики количественного определения кофеина в чае и кофе…….……….....63. Цель работы, задачи………………………………………………………..............84. Оборудование, реагенты, объект исследования……………………….................95. Этапы эксперимента…………………………………………………….………...106. Возгонка……………………………………………………………………...........107. Определение влажности проб……………………………………………............118. Анализ содержания кофеина методом фотометрии…………………….............129. Количественный анализ ………………………………………………………….1310.Приготовление раствора тиосульфата натрия…....……………………...............1311. Перекристаллизация соли KI по патенту ……………...…………….…............1412.Приготовление реактива Люголя (KI×I2)…….…...……………………………..1413.Экстрагирование чая и кофе…………………..…………………….…….............1414.Хлороформенная экстракция…………………….……………………….............1515.Количественный анализ кофеина методом йодометрии ..…………….…..........1516.Результаты…………………………………………………………….……...........1617.Выводы…………………………………………………………………….............1818.Список литературы……………………………………………………..…...........19

2

Введение

Кофеин— алкалоид пуринового ряда, бесцветные или белые горькие

кристаллы. Является психостимулятором, содержится в кофе, чае и многих

прохладительных напитках.

Кофеин содержится в растениях, таких, как кофейное дерево, чай, какао, мате,

гуарана, кола и некоторых других. Он синтезируется растениями для защиты от

насекомых, поедающих листья, стебли и зёрна, а также для поощрения опылителей .

У животных и человека он стимулирует центральную нервную систему,

усиливает сердечную деятельность, ускоряет пульс, вызывает расширение

кровеносных сосудов (преимущественно сосудов скелетных мышц, головного мозга,

сердца, почек), усиливает мочеотделение, снижает агрегацию тромбоцитов (однако

в некоторых случаях отмечаются противоположные эффекты) [1].

В медицине кофеин применяется в составе средств от головной боли, при

мигрени, как стимулятор дыхания и сердечной деятельности при простудных

заболеваниях, для повышения умственной и физической работоспособности, для

устранения сонливости.

По строению и фармакологическим свойствам кофеин близок к теобромину и

теофиллину; все три алкалоида относятся к группе метилксантинов. Кофеин лучше

действует на ЦНС, а теофиллин и теобромин — в качестве стимуляторов сердечной

деятельности и лёгких мочегонных средств [2].

Рисунок 1. Структурная формула кофеина

Кофеин, как и другие пуриновые алкалоиды, даёт положительную мурексидную реакцию, при нагревании с реактивом Несслера кофеин образует красно-бурый осадок, в отличие от теобромина, дающего в таких условиях светло-коричневое окрашивание.

3

На рисунках 2-5 представлены основные реакции, характерные для кофеина, определяющие его химические свойства.

Рисунок 2. Электрофильное замещение после щелочного гидролиза

Рисунок 3. Механизм реакции кофеина с ацетилацетоном и диметиламинобензальдегидом

4

Рисунок 4. Схема реакции, на которой основан метод йодометрического определения кофеина

Рисунок 5. Реакция кофеина с реактивом Вагнера

5

Методики количественного определения кофеина в чае и кофе

1. Йодометрия

Метод йодометрического титрования основан на количественном осаждении

кофеина в форме его периодата в среде сульфатной кислоты раствором йода в калии

йодистом с последующим разрушением этого соединения этиловым спиртом.

Выделившийся йод титруют раствором натрия тиосульфата с добавлением в

качестве индикатора крахмала в конце титрования. Определение возможно и с

потенциометрическим фиксированием точки эквивалентности. Метод достаточно

простой и надежный, ошибки определения могут возникать за счет потерь кофеина

при осушении хлороформных экстрактов безводным натрий сульфатом, а также при

визуальном титровании. Результаты выполненного эксперимента показали также

нестабильность значений в области концентрации кофеина, близкой к пределу

обнаружения методик (0.2%).

2. Фотоколориметрия (ГОСТ 29148-97)

Выполняют экстракцию кофеина из водного раствора пробы, применяя

гидроксид калия и хлороформ. После удаления последнего, кофеин окисляют

перекисью водорода в кислой среде в тетраметилпурпуровой кислоты. Далее

фотометрируют интенсивность окраски ее раствора при длине волны 540 нм.

Регистрируемый сигнал устойчив в течение 20 минут. Количественное определение

выполняется методом градуировочного графика. Замечено, что присутствие

примесей смещает максимум поглощения раствора, при этом результаты анализа

содержания кофеина в кофе и кофейной продукции оказываются существенно

заниженными.

3. Высокоэффективная жидкостная хромотография.

Метод отличается широтой сферы применения, специфичностью,

воспроизводимостью результатов. Нижний предел обнаружения составляет 0.02% в

пересчете на сухое вещество. Метод заключается в обработке образца кофе

раствором аммиака с целью выделения кофеина, очистки его диэтиловым эфиром на

двух хроматографических колонках (сорбент – диатомовая земля) – первая – с

щелочной средой, вторая – с кислой средой. Для извлечения из колонок используют 6

хлороформ. Основными недостатками являются трудоемкость и длительность

выполнения пробоподготовки, чувствительность к условиям применения, а также

использование дефицитного дорогостоящего сорбента – диатомовой земли.

4. Инфракрасная спектроскопия.

Метод, метод исследования веществ, основанный на поглощении ИК-

излучения, в результате чего происходит усиление колебательных и вращательных

движений молекул.

5. Капиллярный электрофорез.

Метод капиллярного электрофореза (КЭФ) основан на разделении заряженных

компонентов сложной смеси в кварцевом капилляре под действием приложенного

электрического поля за счёт подачи высокого напряжения к концам капилляра. КЗЭ

– метод разделения, реализуемый в капиллярах и основанный на различии в

электрокинетических подвижностях заряженных частиц, как в водных, так и в

неводных электролитах. [3]

6. Неводное титрование

Титрование солей азотсодержащих оснований и галогеноводородных кислот.

К этой группе относится большинство солей алкалоидов (папаверина гидрохлорид,

морфина гидрохлорид, гоматропина гидробромид, кофенина и др.), а также соли

азотсодержащих гетероциклических оснований (димедрол, совкаин, хиноцид и др.).

Указанные соли не могут быть оттитрованы непосредственно хлорной кислотой, так

как галогеноводородные кислоты сильно ионизированы и могут влиять на переход

цвета индикатора в эквивалентной точке.

Для устранения мешающего действия ионизированного галогена кислоты (С1-,

Вг-), титрование солей галогеноводородных кислот проводят в присутствии ацетата

окисной ртути, в результате чего галоген-ион связывается в виде

малодиссоциированного соединения-дихлорида или дибромида ртути HgCl2, HgBr2

и титрование идет с хорошими результатами (R - остаток молекулы эфедрина).

Из-за нехватки некоторых приборов в условиях школьной лаборатории мы

выбрали метод йодометрии и фотометрии как наиболее доступные.[4]

7

Цель работы, задачи

Актуальность:

Кофеин, содержащийся в пищевых продуктах, напитках и лекарствах, должен рассматриваться как источник рисков, которые подлежат оценке и учету, а также нормативно-техническому регулированию.

Цель работы

Количественно сравнить содержание кофеина в зеленом и черном чае, а также в растворимом кофе

Задачи:

Изучить литературу по данной теме Модифицировать методику и адаптировать ее для условий школьной

лаборатории Осуществить качественный анализ Осуществить количественный анализ Сравнить полученные результаты

Гипотеза:

В растворимом кофе содержится больше кофеина, чем в зеленом чае.

Проблема, которая стала перед нами, состояла в следующем: какими

количественными методами анализа мы смогли бы воспользоваться в рамках

школьной лаборатории для количественного определения содержания кофеина в

зеленом и черном чае и растворимом кофе?

8

Оборудование, реагенты, объект исследования

Оборудование

Использованное в ходе анализа оборудование представлено ниже

Лабораторная посуда (стеклянная посуда, выпаривательные чашки, тигли и

т.д.)

Установка для перегонки (колбонагреватель, круглодонная колба с насадкой

Вюрца, термометр на 100°С, холодильник Либиха, аллонж, колбаприемник).

колбонагреватель

Колба Бунзена с воронкой Бюхнера, водоструйный насос

Сушильный шкаф, тигельные щипцы

Эксикатор

Термопара, устройство для сбора и обработки данных LabQuest

Колориметр PharmaSpec UV-1700, кюветы

Фотометр КФК-3-01-«ЗОМЗ», кюветы 10 и 30 мм

Весы ACOM JW-1 точность 0,01г

Песочная и водяная бани

Реактивы

Оксид магния

Дистиллированная вода

Пероксид водорода (конц.)

Соляная кислота (конц.)

Хлороформ

Гидроксид калия

Гидроксид кальция

Хлорид натрия

Гипохлорит натрия

Ацетон

Азотная кислота (конц.)

Водный р-р аммиака

Раствор крахмала

Серная кислота

Йодид калия

Тиосульфат натрия

Йод кристаллический

9

Объекты исследования:

Зеленый чай Черный чай Кофе растворимый

Этапы эксперимента:

Возгонка кофеина из двух видов чая и растворимого кофе и качественный анализ кофеина (мурексидная проба)

Определение влажности проб Анализ содержания кофеина методом фотометрии Приготовление раствора тиосульфата натрия Перекристаллизация соли KI по патенту Приготовление реактива Люголя (KI×I2) Экстрагирование чая и кофе Хлороформенная экстракция Количественный анализ кофеина методом йодометрии

Возгонка

Навески с чаем и кофе (массой по 4 г) смешали с 2 г оксида магния,

переместили в часовые стекла на песчаную баню. Контроль температуры

осуществлялся термопарой. Прогревание производили с начала появления белых

кристаллов кофеина (иглы) и до окончания их роста на поверхности часового

стекла. Температуру поддерживали в интервале 230-240 º С. К полученному таким

способом кофеину добавляли 1-2 мл бромной воды и выпаривали на песочной бане

досуха. затем в обработанный таким образом кофеин приливали несколько капель

раствора аммиака. В результате остаток окрасился в пурпуровый цвет, то есть

мурексидная проба дала положительный результат.

Аммиак превращает амалиновую кислоту в тетра-метил-мурексид,

окрашенный в пурпуровый цвет (как и сам мурексид, и другие его производные) и

являющийся аммониевой солью тетра-метил-пурпуровой кислоты. Аммониевую

соль образует изомер этой кислоты.[5]

Положительная мурексидная проба позволила доказать наличие кофеина в

изученных пробах и проводить дальнейшие наши исследования

10

Рисунок 6. Схема реакции мурексидной реакции

Определение влажности проб

Определение влажности проб мы проводили по ГОСТ 15113.4-77

Чистую пустую бюксу или бюксу с 5—10 г прокаленного песка и стеклянную

палочку сушат вместе с крышкой (в открытом виде) в течение 30 мин в сушильном

шкафу при температуре 130 °С, охлаждают в эксикаторе и взвешивают.

Из аналитической пробы концентрата в высушенную бюксу брали навеску

кофе или чая массой по 5 г с погрешностью не более +0,01 г. Открытую бюксу с

навеской вместе с крышкой помещают в сушильный шкаф, предварительно

нагретый до 140—145 °С. Температуру шкафа при установке бюкс доводят до 130

°С в течение 10 мин и этот момент считают началом сушки. Высушивали соль в

течение 45 минут. После достали бюксу, закрыли крышкой, поставили охлаждаться

в эксикаторе, и взвесили.

Массовую долю влаги рассчитали по формуле:

X=(m1-m2)×100/m (1)

где X - массовая долю влаги;

m - масса навески испытуемого концентрата, г;

m1 - масса бюксы с навеской до высушивания, г;

m2 - масса бюксы с навеской после высушивания, г [6]

11

Анализ содержания кофеина методом фотометрии

Было проведено исследование содержания кофеина в исследуемых продуктах по ГОСТ 29148-97 методом фотометрии.

Навеску чая или кофе массой 1,50 г поместили в стакан, залили 100 см3

кипящей дистиллированной воды. Полученный раствор охлаждили до 18–20 ° С,

перенесли в мерную колбу вместимостью 250 см3, довели объем дистиллированной

водой до метки. В делительную воронку вместимостью 25 см3 последовательно

внесли 10-15 см3 хлороформа, 2 см3 раствора кофе для анализа и 0,5 см3 раствора

гидроокиси калия. Закрыли воронку притертой пробкой и провели экстракцию,

осторожно многократно перемешивая содержимое воронки в течение 1 мин. После

расслаивания смеси нижний хлороформный слой перенесли в выпарительную

чашку. Хлороформ отогнали на водяной бане досуха. К сухому остатку,

содержащему кофеин, прибавили последовательно 1,0 см3 раствора соляной

кислоты, смывая остаток на дно чашки, и 0,2 см3 раствора перекиси водорода.

Содержимое чашки перемешали вращательным движением, выдержили 20 мин при

температуре окружающей среды, затем нагрели на кипящей водяной бане до

получения сухого окрашенного остатка ТМПК (тетраметилпурпуровая кислота).

Для приготовления водного раствора ТМПК к сухому остатку в охлажденную до

температуры окружающей среды чашку прилили 5-10 см3 дистиллированной воды и

оставляют до его полного растворения. Полученный раствор пурпурного цвета

количественно перенесли в мерную колбу вместимостью 25 см3 и довели объем

раствора до метки. Оптическую плотность полученного раствора определили на

колориметре и фотометре, используя кюветы толщиной поглощающего свет слоя 30

мм при длине волны 540 нм. Массовую долю кофеина X, %, в пересчете на сухое

вещество вычисляли по формуле:

Х = (1,03 ×с × Vф × V / 106 × Vэ × m) × (100/100 – W) × 100 % (2)

где 1,03 – коэффициент, учитывающий полноту извлечения кофеина

хлороформом на первом этапе экстракции;

с = 60 D – концентрация кофеина в фотометрируемом растворе, мкг/см3;

12

60 – коэффициент пропорциональной зависимости оптической плотности

раствора кофеина от его концентрации в растворе;

D – оптическая плотность анализируемого раствора ТМПК;

Vф= 25 – объем фотометрируемого раствора ТМПК, получаемый в результате

гидролитического окисления кофеина, см3;

V= 250 – объем раствора кофе для анализа, см3;

106 – коэффициент перевода 1 мкг в 1 г;

Vэ – объем раствора кофе, отбираемый на экстракцию, см3;

m – масса навески растворимого кофе, г;

W – массовая доля влаги анализируемой навески, определенная по ГОСТ

15113.4-77.[7]

Количественный анализ

Из литературных источников установлено, что концентрация кофеина может

быть определена титриметрически. Преимуществом данного метода можно считать

его осуществимость в условиях школьной лаборатории. При правильном

проведении анализа он может дать более высокую точность.

Но в ГОСТ этот метод не описан, поэтому мы долго искали способы его

осуществления. Было решено экстрагировать кофеин из проб и провести

йодометрическое титрование.

В ближайшее время данное исследование будет проведено.

Приготовление раствора тиосульфата натрия

Приготовили приблизительно 0,1 н. раствор тиосульфата, растворяя навеску

соли в свежепрокипяченой воде (для удаления СO2). Хранили готовый раствор

Na2S2O3 в темных бутылях, защищенных от двуокиси углерода трубкой с натронной

известью. В дальнейшем титр раствора начинает медленно уменьшаться, поэтому

его необходимо периодически проверять.

Стандартизацию раствора Na2S2O3 проводили 7 дней.

Способ стандартизации основан на реакциях

Сr2О72- + 6I- + 14Н+ → 2Сr3+ + 3I2 + 7Н2О (1),

I2 + 2S2O32- → 2I- + S4О6

2- (2).

13

Методика приготовления раствора К2Сr2О7 аналогична методике

приготовления первичного стандарта Nа2С2О4.

В коническую колбу для титрования переносили пипеткой 10 мл раствора

установочного вещества К2Сr2О7, добавляли 10 мл 2н. раствора Н2SО4 и 1 г

кристаллического КI. Колбы закрыли стеклянными пробками, содержимое

перемешали, выдержали 5-10 мин в темном месте, до завершения реакции.

Выделившийся I2 оттитровали раствором Na2S2O3 до тех пор, пока окраска не стала

слабо-желтой, затем титруемый раствор разбавили водой приблизительно в 2 раза,

добавили индикатор крахмал и закончили титрование в тот момент, когда синяя

окраска раствора перейдет в светло-зеленую (ионы Сr3+).[8]

Концентрацию тиосульфата натрия рассчитали по формуле

C1V1=C2V2 (3) .

Перекристаллизация соли KI по патенту

Растворили йодид калия в 93-% растворе ацетона, отфильтровали раствор

через слой катионита, затем выпарили ацетон из раствора соли на песочной бане,

осуществляя контроль температуры с помощью термопары. Далее выгоняли йод из

соли при температуре 450°C до постоянной массы соли. Выпаренную соль хранят

в темной посуде из-за неустойчивости этой соли. [9]

Приготовление реактива Люголя (KI×I2)

Необходимо смешать соль KI и кристаллический йод в соотношении 2:1

и растворить в 50 мл дистиллированной воды. Так как данный реактив летуч, его

необходимо приготовить перед титрованием. [10]

Экстрагирование чая и кофе

Для экстракции 25 г исследуемых продуктов измельчали и помещали в 200 мл

доведенной до кипения воды и кипятили 10 минут.

После этого полученный экстракт в горячем виде фильтровали через слой

марли и отжали.

Для очистки экстракта от балластных веществ раствор гашёной извести в воде

понемногу, при перемешивании добавили в горячий экстракт до сильнощелочной

14

реакции. При этом образовывался крупный, хлопьевидный осадок соединения

дубильных веществ чая с кальцием и уменьшается растворимость кофеина.

Чтобы улучшить отделение осадка и дополнительно снизить растворимость

кофеина, в полученный раствор добавили хлорид натрия, по 3 г на 10 мл раствора,

всыпая его в горячий раствор при перемешивании.

При этом осадок укрупняется, а мутный раствор дополнительно

просветляется.

Горячий раствор отфильтровали, затем раствор доводили водой до ~250 мл

(чтобы избежать кристаллизации хлорида натрия) и охлаждали.

Хлороформенная экстракция

Остывший экстракт экстрагировали 10 мл хлороформа в делительной воронке.

Хлороформенный слой сливали в колбу для титрования. Хлороформную

экстракцию повторяли ещё два или три раза, до тех пор, пока сливаемый

хлороформ, высыхая на поверхности воронки, не переставал оставлять видимый

сухой остаток. Хлороформ выпаривали на водяной бане до постоянной массы. Затем

полученный кофеин растворяли в горячей воде и охлаждали до комнатной

температуры.[11]

Количественный анализ кофеина методом йодометрии

Его мы будем осуществлять по найденной методике, которая представлена

ниже.

Метод йодометрического титрования основан на количественном осаждении

кофеина в форме его периодата в среде сульфатной кислоты раствором йода в калии

йодистом с последующим разрушением этого соединения этиловым спиртом.

Выделившийся йод титруют раствором натрия тиосульфата с добавлением в

качестве индикатора крахмала в конце титрования. Определение возможно и с

потенциометрическим фиксированием точки эквивалентности.[3]

15

Результаты:

Приготовленные по ГОСТ 29148-97 пробы были исследованы на колориметре

PharmaSpec UV-1700 в диапазоне длин волн от 200 до 900 нм на кювете 10 мм.

Полученные величины оптической плотности представлены на рис. 7.

Рисунок 7. Оптическая плотность растворов кофеина в диапазоне длин волн от

200 до 900 нм для 1 – воды, 2 – черного чая, 3 – зеленого чая,

4 – растворимого кофе.

Из рисунка видно, что оптическая плотность зеленого чая, черного чая и

растворимого кофе показывает самые высокие значения при 530-550 нм. Это

подтверждает, что определение оптической плотности на фотометре должны

проводиться при длине волны равной 540 нм, указанной в ГОСТ.

С помощью фотометрического метода установлено, что наименьшее

содержание кофеина в черном чае, а наивысшее в растворимом кофе. При этом

концентрации кофеина в зеленом чае близка к концентрации кофеина

в растворимом кофе.

16

По фотометру КФК-3-01-«ЗОМЗ» на кювете 30 мм были установлены

значения оптической плотности при длине волны 540 нм, представленные в таблице

1. Массовая доля кофеина рассчитана по формуле (2), массовая доля влаги

определенная по формуле (1)

Таблица 1. Оптическая плотность при длине волны 540 нм, массовая доля

влаги и кофеина в исследованных продуктах.

Объект исследованияМассовая

доля влаги, %

Оптическая

плотность

Массовая доля

кофеина, %

Растворимый кофе 4,8 0,056 0,757

Зеленый чай 3,55 0,048 0,6407

Черный чай 4,36 0,0135 0,1817

Из представленных данных видно, что массовая доля кофеина в кофе составляет 0,757%. Содержание кофеина в черном значительно ниже (0,1817 %), а в зеленом чае сопоставимо по значению (0,6407 %) к содержанию кофеина в растворимом кофе.

17

Выводы:

Мы изучили литературу по данной теме и установили, что в условиях школьной лаборатории мы можем провести:

Качественный анализ, который подтвердил содержание кофеина в черном и зеленом чае и растворимом кофе

Йодометрический анализ, для которого не прописана методика, поэтому мы сами ее разрабатываем

Был проведен анализ влажности образцов по ГОСТ 15113.4-77. Определенная по методике влажность составила 4,8 , 3,55 и 4,36 % для растворимого кофе, зеленого и черного чая соответственно.

Также были проведены исследования проб кофеина из зеленого и черного чая и из растворимого кофе на колориметре PharmaSpec UV-1700 в диапазоне длин волн от 200 до 900 нм на кювете 10 мм. Установлено, что оптическая плотность исследуемых веществ показывает самые высокие значения при 530-550 нм. Это подтверждает, что определение оптической плотности на фотометре должны проводиться при длине волны равной 540 нм, указанной в ГОСТ.

По фотометру КФК-3-01-«ЗОМЗ» на кювете 30 мм были установлены значения оптической плотности при длине волны 540 нм. Массовая доля кофеина в кофе составляет 0,757%. Содержание кофеина в черном значительно ниже (0,1817 %), а в зеленом чае сопоставимо по значению (0,6407 %) к содержанию кофеина в растворимом кофе.

18

Список литературы:

1. Bennett Alan Weinberg, Bonnie K. Bealer. The World of Caffeine: The Science and Culture of the World's Most Popular Drug. ─ Routledge, 2004. ─ P. 235.

2. Фармацевтическая химия : в 2 ч.: учебн. пособие / В. Г. Беликов — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: МЕДпресс-информ, 2007. — 624с.

3. https://mydocx.ru/11-57202.html

4. https://studopedia.su/5_13766_sushchnost-metoda-nevodnogo-titrovaniya.html

5. Ольгин О.- Опыты без взрывов М.: Химия,Год издания: 1986, Стр 192

6. ГОСТ 15113.4-77 Концентраты пищевые. Методы определения влаги.

7. ГОСТ 29148-97 ГОСТ 29148-97 Кофе натуральный растворимый. Технические условия.

8. https://mybiblioteka.su/4-109945.html

9. . http://patents.su/2-513003-sposob-ochistki-iodida-i-bromida-kaliya.html

10. http://docs.cntd.ru/document/1200021065

11. http://chemistry-chemists.com/N5_2016/ChemistryAndChemists_5_2016-P6-1.html

19