Проєкт "Дослідження хімічного складу харчових барвників та впливу на організм людини"

У науково-дослідницькій роботі (проєкті) з хімії та біології учень 8 класу досліджує хімічний склад харчових барвників та вплив їх компонентів на організм людини. Під час роботи автор також визначив та заніс в таблицю відомості про наявність синтетичних компонентів у харчових барвниках досліджуваних ним зразків.

Докладніше про роботу:

У своєму дослідницькому проєкті, досліджуючи хімічний склад харчових барвників та вплив їх на організм людини, учень 8 класу зрозумів, що барвники відіграють значну роль у сучасній харчовій промисловості. Але слід вказати на виявлені юним дослідником потенційних ризиків для здоров’я людини.

У процесі дослідницької роботи з хімії та біології на тему «Дослідження хімічного складу харчових барвників та впливу компонентів на організм людини» автор дійшов висновку, що свідомий вибір продуктів харчування та барвників має вирішальне значення для здоров’я. З огляду на зростаючу популярність здорового харчування, доцільніше використовувати натуральні барвники та інформувати споживачів про їхній вплив на організм.

Секція: хімія, біологія.
Назва роботи: Дослідження хімічного складу харчових барвників та впливу компонентів на організм людини.
Прізвище, ім’я, клас автора роботи: Дмітрієв Євгеній Григорович, учень 8-А класу Криворізької гімназії № 59 Криворізької міської ради.
Науковий керівник: Сільчук Олена Миколаївна, учитель хімії Криворізької гімназії № 59 Криворізької міської ради.

В науково-дослідницькій роботі розглянуті теоретичні аспекти теми, що висвітлюють питання застосування та впливу харчових барвників на організм людини. В практичній частині проведено опитування стосовно застосування синтетичних та натуральних барвників при фарбуванні яєць на Великдень та експериментально визначено хімічний склад харчових барвників TSVIT AROMAT та SOSA, а також барвників для фарбування яєць.

Мета роботи: дослідити склад та вплив на здоров’я людини харчових барвників, визначити наявність синтетичних компонентів у харчових барвниках досліджуваних зразків.

Висновки: теоретично проаналізовано синтетичні та натуральні барвники, їхній хімічний склад, властивості та вплив на організм людини.

Експериментальна частина дослідницького проєкту підтвердила суттєві відмінності між цими двома видами барвників. Барвники SOSA виявилися менш стабільними до змін температури, pH та світла, що підтвердило, що вони виготовлені на основі натуральних компонентів, а значить є більш безпечними для здоров’я. Натомість барвники TSVIT AROMAT мають яскравіший колір і високу стійкість, що говорить про наявність синтетичного компонента та можуть викликати алергічні реакції.

Соціальне опитування мешканців Інгульця засвідчило, що люди активно використовують харчові барвники у побуті, проте не завжди обізнані про їхній склад і можливі наслідки для здоров'я.

Зміст

Вступ
Розділ 1. Харчові барвники.
1.1. Синтетичні барвники
Розділ 2. Дослідження складу харчових барвників.
2.1. Визначення хімічного складу харчових барвників.
2.2. Соціальне дослідження застосування барвників для фарбування яєць.
2.3. Визначення хімічного складу барвників для яєць.
Висновки
Список використаних джерел.

Барвники є важливою групою сполук, які широко використовуються в багатьох галузях промисловості. Завдяки їм виріб набуває привабливий зовнішній вигляд, матеріал набуває стійкий, насичений колір. Однак, окрім своїх позитивних властивостей, хімічні барвники також можуть становити певні ризики, пов’язані з їх впливом на здоров’я людини та навколишнє середовище.

Сучасний ринок пропонує широкий асортимент синтетичних барвників, які часто використовуються як альтернатива природним аналогам завдяки їх доступності, низькій вартості та високій стійкості. Зокрема стосовно харчових барвників - їх можна знайти в солодощах, напоях, молочних продуктах, соусах та багатьох інших продуктах.

Завдяки барвникам, їжа здається більш апетитною і впливає на вибір споживачів. Однак компоненти таких речовин не обов’язково безпечні; багато з них можуть викликати алергічні реакції, токсичні ефекти або навіть бути канцерогенними. Тому вивчення складу магазинних барвників є важливою науковою проблемою, яка потребує детального аналізу.

Мета роботи: дослідити склад та вплив на здоров’я людини харчових барвників, визначити наявність синтетичних компонентів у харчових барвниках досліджуваних зразків.

Мною були поставлені наступні завдання:

• опрацювати джерела для теоретичного вивчення даної теми;
• підібрати методику для експериментального дослідження синтетичних компонентів у харчових барвниках досліджуваних зразків;
• провести соціологічне опитування стосовно використання барвників для фарбування яєць на Великдень;
• визначити хімічний склад барвників досліджуваних зразків.

Об’єкт дослідження: харчові барвники.

Предмет дослідження: хімічний склад харчових барвників.

Методи: опитування, аналітичні методи.

1.1. Синтетичні барвники

Хімічні (синтетичні) харчові барвники – це сполуки, які додають до харчових продуктів для покращення або відновлення кольору їжі. Їхня функція заснована на здатності поглинати і відбивати певні довжини хвилі світла, що дає нам візуальне сприйняття кольору. [12]

У сучасній харчовій промисловості синтетичні барвники знайшли широке застосування завдяки їх стійкості, інтенсивності кольору та економічності. Однак їхня безпека залишається предметом наукових досліджень і регуляторного нагляду. [5]

Хімічні барвники поділяються: [7]
За походженням:

1. Натуральні - отримані з рослинного, тваринного або мікробного походження(каротиноїди, антоціани, хлорофіли).
2. Синтетичні – отримані хімічним синтезом і ідентичний природним речовинам, або вироблений штучним шляхом (наприклад, азобарвники, трифенілметанові сполуки). [13]

За хімічною будовою:

1. Азобарвники (E102 – Tartrazine, E110 – Sunset Yellow FCF, E122 – Azorubin) містять азогрупу (-N=N-) і дають червоні, оранжеві та жовті відтінки.
2. Трифенілметанові барвники (E133 – Brilliant Blue FCF, E127 – Erythrosine) – мають трифенілметановий скелет і використовуються для досягнення синіх, зелених і фіолетових відтінків.
3. Ксантенові барвники (E127 – Erythrosine) – похідні ксантену, надають рожеві та червоні відтінки.
4. Індигоїдний барвник (Е132 – індиготин) – за структурою схожий на натуральне індиго,дає сині та фіолетові відтінки.
5. Пігменти хінонові (E150 – карамель, E160a – β-каротин) – містять фрагменти хінону і зустрічаються в природі, а також можуть бути синтезовані.[10]
6. Діазобарвник (E155-Brown HT) надає продуктам коричневого кольору заборонений в великій кількості країн. [2]

Характеристики синтетичних барвників:

Висока розчинність у воді або жирі залежно від хімічної структури
водорозчинний: тартразин
жиророзчинний: β-каротин. [17]
Термостабільність - зберігає колір навіть за високих температур.
Стабільність до pH - деякі барвники (такі як антоціани) змінюють колір залежно від кислотності.[18]
Фотонестабільність – здатність руйнуватися під дією світла (наприклад, еритрозин чутливий до ультрафіолетового світла).

Згідно даних досліджень впливу синтетичних барвників на організм людини, трифенілметановий барвник (Brilliant Blue FCF) метаболізується в печінці утворюючи менш токсичні похідні. E102 (тартразин) може викликати псевдоалергічні реакції у осіб, чутливих до ацетилсаліцилової кислоти. [6]

E124 (понсо 4R), E110 (сонячний захід) може викликати кропив’янку та ангіоневротичний набряк. Дослідження Feingold (1973) і наступні наукові дослідження встановили можливий зв'язок між синтетичними барвниками (E102, E110, E122, E124) і гіперактивністю у дітей. Це призвело до обов’язкового маркування в ЄС щодо потенційного впливу цих речовин на увагу та поведінку дітей. Більшість схвалених синтетичних барвників не є канцерогенними, але деякі дослідження на тваринах показали потенційний ризик: E129 (Allura Red) може мати генотоксичну дію в великих дозах.
E133 (Brilliant Blue FCF) може впливати на розвиток пухлини у лабораторних тварин при при вживанні у великих дозах. [16]

Для кожного харчового барвника визначається ADI (допустима добова доза, мг/кг маси тіла). Приклади: E102 (тартразин): 7,5 мг/кг; E110 (сонячний захід):4 мг/кг; E129 (червоний «Allura»): 7 мг/кг

1.2. Натуральні барвники

Натуральні харчові барвники – це природні сполуки, які додають до харчових продуктів для додання або відновлення кольору. Їх можна отримати з рослин, тварин і мікроорганізмів. Основним механізмом дії є поглинання та відображення певних довжин хвиль світла, що визначає колір матеріалу.

У харчовій промисловості натуральні барвники використовуються як альтернатива синтетичним барвникам із міркувань безпеки та екології. Однак їхня низька стійкість до температури, світла та дії кислот обмежує їх застосування.[1]

Класифікація природних пігментів:
За походженням:

1. Рослинні - Отримують з овочів, фруктів, ягід, квітів і водоростей (антоціани, каротиноїди, хлорофіл, куркумін).
2. Тваринного походження - отримані з комах або інших організмів (кармін, лютеїн).
3. Мікробний – виробляється певними типами бактерій, грибів і водоростей (рибофлавін, фікоціанін).
4. Мінерального походженя - отримуются з мінеральної сировини природного походження.[9]

За хімічною структурою:

1. Каротиноїди (E160 – E161)
   Джерело: Морква, помідори, перець, водорості.
   Відтінки: Жовтий, оранжевий, червоний.
   Приклади: бета-каротин (E160a), лікопін (E160d), лютеїн (E161b).
2. Антоціани (E163)
   Джерела: Виноград, чорниця, смородина, баклажани, червонокачанна капуста.
   Відтінки: червоний, фіолетовий, синій (в залежності від pH).
   Стабільність: змінює колір залежно від кислотності середовища.
3. Хлорофіл та його похідні (E140 – E141)
   Джерело: Шпинат, кропива, водорості.
   Колір: Зелений
   Використання: Фарбування соусів, напоїв і кондитерських виробів.
4. Куркуміноїди (E100 – куркумін)
   Джерело: Корінь куркуми.
   Відтінок: Жовтий, оранжевий.
   Це відомий антиоксидант із протизапальними властивостями.
5. Беталаїн (E162 – Бетанін)
   Джерело: Буряк.
   Відтінки: Червоний, Фіолетовий.
   Чутливий до тепла та світла.
6. Кармін (E120)
   Джерело: Кошеніль (комаха).
   Відтінок: Червоний.
   Використовується в кондитерських, молочних продуктах, косметиці тощо.
7. Фікоціанін (спіруліна, E18X)
   Джерело: водорості (спіруліна).
   Колір: Синій, Зелений.[14]
   Природна альтернатива синтетичному синьому барвнику.

Властивості натуральних барвників:

• Розчинність: більшість розчинних у воді (антоціани, беталаїни), але деякі жиророзчинні(каротиноїди).[17]
• Термостійкість: змінюється. Каротиноїди стабільні, але деякі, такі як антоціани та беталаїни, руйнуються під дією тепла.
• Стабільність pH: антоціани змінюють колір у кислому або лужному середовищі.
• Фотонестабільність: деякі (наприклад, хлорофіл) руйнуються під дією світла.

Згідно даних досліджень впливу натуральних барвників на організм людини, на відміну від синтетичних барвників, натуральні барвники зазвичай не мають шкідливого впливу на здоров’я, а деякі можуть бути навіть корисними: антиоксидантні властивості (каротиноїди, антоціани, куркумін); протизапальні (куркумін); потенційна користь для серцево-судинної системи (антоціани, беталаїни).

Як і стосовно синтетичних барвників,правила та допустимі норми споживання натуральних барвників регулюються міжнародними організаціями: JECFA (Об’єднаний комітет експертів ФАО/ВООЗ з харчових добавок); EFSA (Європейське агентство з безпеки харчових продуктів); FDA (Управління з харчових продуктів і медикаментів США). Більшість природних барвників мають прийнятні рівні споживання, але загалом безпечні навіть у високих дозах. [4]

Які ж плюси і мінуси використання натуральних барвників?

Плюси: безпека для здоров'я, корисні властивості, природне походження.
Недоліки: низька стабільність (руйнуються під дією температури, pH і світла); кольори менш яскраві, ніж синтетичні вироби; дорожча продукція. [8]

Натуральні харчові барвники є безпечною альтернативою синтетичним барвникам, які не лише забарвлюють наші продукти, але й сприятливо впливають на здоров’я. Однак промислове застосування обмежене через нестабільність і високу вартість. Водночас зростаючий попит на органічні продукти стимулює розвиток технологій вилучення та використання натуральних барвників.[15]

2.1. Визначення хімічного складу харчових барвників

При дослідженні хімічного складу харчових барвників встановлювали розчинність у воді та етанолі; реакцію на зміну рН; реакції з натрій гідроксидом, хлоридною , нітратною ,сульфатною кислотами та тонкошарову хроматографію на папері.

1. Розчинність.
Взяли невелику кількість фарби. Розчинили в воді та етанолі.
Натуральні барвники можуть частково осідати , або погано розчинятися у воді. Синтетичні барвники зазвичай добре розчиняються у воді та спирті. Результати занесли в таблицю (таб.2.1, таб.2.2).

Механізм дії: розчинення полярних сполук у воді та етанолі , тоді як гідрофобні компоненти можуть осідати або погано розчинятися

2. Реакція на зміну pH.
До двох пробірок із розчином фарби додали : в одну - кілька крапель 9%-го розчину оцтової кислоти; в іншу- кілька крапель10%-го розчину амоніаку.
Синтетичні барвники змінюють відтінок поступово або не змінюються. Натуральні часто різко змінюють колір. Результати занесли в таблицю (таб. 2.3)

Механізм дії: зміни кольору барвників пояснюються зміною структури молекул залежно від pH.

3. Реакція з натрій гідроксидом.
До 5 мл розчину фарби додали 1 мл розчину NaOH (10%).
Спостерігаємо зміну кольору: синтетичні барвники змінюють колір поступово або не змінюються; натуральні можуть давати яскраві відтінки (жовтий, зелений, червоний). Результати занесли в таблицю (таб. 2.4)

Синтетичні барвники у лужному середовищі не змінюють забарвлення.
Механізм: утворення аніонних форм, що змінює спектр поглинання світла.

4. Реакція з хлоридною кислотою.
До 5 мл розчину фарби додали 1 мл розчину HCl (10%).
Натуральні барвники змінюють колір поступово або не змінюються. Синтетичні можуть різко змінювати відтінок (наприклад, яскраво-червоні барвники можуть ставати жовтими або знебарвлюватися.

Реагує з: аміногрупами (-NH₂) та азогрупами (-N=N-).
Механізм: протонування та зміна електронної густини барвника, що спричиняє зміну кольору або знебарвлення.
Спостереження: ні один з барвників не реагує з хлоридною кислотою.

5. Реакція з нітратною кислотою.
До 5 мл розчину фарби додали 1 мл розчину HNO3 (10%).
Натуральні барвники можуть не реагувати або злегка змінювати колір.
Синтетичні барвники можуть давати різке знебарвлення або темніший колір.

Реагує з: ароматичними кільцями, азогрупами (-N=N-).
Механізм: окиснення молекул барвника, що може призводити до їхнього руйнування та зміни кольору.
Спостереження: ні один з барвників не реагує з нітратною кислотою.

6. Реакція з сульфатною кислотою.
Взяли 5 мл розчину фарби. Додали 1 мл розчину H₂SO₄ (10%).
Натуральні барвники можуть залишатися без змін або трохи змінювати відтінок. Синтетичні можуть різко змінювати колір, знебарвлюватися або випадати в осад.

Реагує з: подвійними зв’язками в органічних барвниках, азогрупами (-N=N-).
Механізм: протонування молекули барвника, що змінює електронну структуру та кольорові властивості; можливе окиснення та знебарвлення.
Спостереження: SOSA рожевий та червоний змінили відтінок на темніший.

7. Хроматографія на фільтрувальному папері.
Нанесли краплю розчину фарби на фільтрувальний папір. Опустили край паперу в етанол.
Спостерігаємо за розподілом барвника: натуральні барвники дають розмиті плями; синтетичні розділяються на чіткі кольорові смуги.

Реагує з: різними компонентами фарби.
Механізм: розділення компонентів залежно від їхньої полярності та розчинності.
Спостереження: TSVIT AROMAT рожевий та TSVIT AROMAT червоний дає чітке розділення на смуги. Всі інші барвники дають розмиті плями.

2.2. Соціальне дослідження застосування барвників для фарбування яєць

Один із напрямів застосування харчових барвників – використання для фарбування великодніх яєць. Але барвники для яєць є більш концентрованими і при потраплянні в організм можуть викликати алергічну реакцію. А також на упаковці, зокрема досліджуваних нами барвників, вказано, що вони можуть мати шкідливий вплив на активність та увагу дітей.

Незабаром християни відзначатимуть головне релігійне свято року – Великдень. В Україні святкувати Світле Христове Воскресіння почали наприкінці першого тисячоліття, з приходом християнства. Одна із традицій цього свята – фарбування яєць ( виготовлення крашанок, писанок). Тому нас зацікавило питання – як багато людей використовує для фарбування великодніх яєць набори барвників з магазину?

Вийшли на головний проспект Інгульця, щоб опитати людей: чи є в їхній родині традиція фарбування великодніх яєць і які барвники вони при цьому застосовують.
Результати опитування представлені у вигляді діаграми (рис.2.5).

Таким чином, 21% із опитаних респондентів використовують для виготовлення крашанок магазинні барвники.

Дослідження хімічного складу харчових барвників для яєць проводили за попередньою методикою: встановлювали розчинність у воді та етанолі; реакцію на зміну рН; реакції з натрій гідроксидом, хлоридною , нітратною, сульфатною кислотами та тонкошарову хроматографію на папері. У якості досліджуваного зразка взяли набір барвників «Барви» ТМ «Насолода».

Результати досліджень:

1. харчові барвники «Насолода» червоний і зелений добре розчиняються у воді і спирті, мають насичений колір;
2. з розчином оцтової кислоти змін не спостерігається;
3. з розчином амоніаку харчовий барвник «Насолода» червоний змінює колір на бурий; зелений – змін не спостерігається;
4. з розчином натрій гідроксиду – змін не спостерігається;
5. з хлоридною кислотою: харчовий барвник «Насолода» зелений змінюється на жовтий; червоний – змін не спостерігається;
6. з нітратною кислотою: харчовий барвник «Насолода» зелений змінюється на жовтий; червоний – змін не спостерігається;
7. з сульфатною кислотою: харчовий барвник «Насолода» зелений змінюється на жовтий; червоний – змін не спостерігається;
8. хроматографія на фільтрувальному папері: харчовий барвник «Насолода» зелений – дає чіткий розподіл барвника на кольорові смуги жовтого та блакитного кольорів; червоний – рожевого та фіолетового.

Під час виконання науково-дослідницької роботи з хімії та біології на тему «Дослідження хімічного складу харчових барвників та впливу компонентів на організм людини» автором було опрацьовано джерела для теоретичного вивчення даної теми; підібрано методику для експериментального дослідження синтетичних компонентів у харчових барвниках досліджуваних зразків; проведено соціологічне опитування стосовно використання барвників для фарбування яєць на Великдень; експериментально визначено хімічний склад барвників досліджуваних зразків.

Дослідження харчових барвників у 8 класі показало їхню значну роль у сучасній харчовій промисловості, проте також виявило потенційні ризики для здоров’я. Було теоретично проаналізовано синтетичні та натуральні барвники, їхній хімічний склад, властивості та вплив на організм людини.

Експериментальна частина дослідницького проєкту підтвердила суттєві відмінності між досліджуваними зразками барвників. Барвники SOSA виявилися менш стабільними до змін температури, pH та світла, що підтвердило, що вони виготовлені на основі натуральних компонентів, а значить є більш безпечними для здоров’я. Натомість барвники TSVIT AROMAT мають яскравіший колір і високу стійкість, що говорить про наявність синтетичного компонента та можуть викликати алергічні реакції.

Харчові барвники для фарбування яєць є більш концентрованими: мають яскравий колір високу стійкість та проникність , тому при потраплянні в організм можуть викликати алергічні реакції, а також мати шкідливий вплив на активність і увагу дітей.

Соціальне опитування мешканців Інгульця в рамках мого дослідницького проєкту з хімії та біології засвідчило, що люди досить активно використовують харчові барвники у побуті, проте не завжди обізнані про їхній склад і можливі наслідки для здоров'я.

Загалом, результати науково-дослідницької роботи підкреслюють важливість усвідомленого вибору харчових продуктів і барвників. В умовах зростаючого попиту на здорове харчування доцільним ширше використання натуральних барвників і підвищення рівня про інформованості споживачів про їхній вплив.

1. Барвники харчові// https://www.pharmencyclopedia.com.ua/article/14195/barvniki-xarchovi (Електронний ресурс)
2. Барвники: стаття із Вікіпедії// https://surl.li/ompomm.(Електронний ресурс)
3. Безуглий П. О. Фармацевтична хімія. Вінниця : Нова Книга, 2008. 560 с.
4. Європейське агентство з безпечності харчових продуктів// Стаття із Вікіпедія// https://surl.li//ocwjpl.( Електронний ресурс)
5. Історія харчових барвників// Процитовано: Барвники харчові синтетичні. Архів оригіналу за 22 грудня 2015. [Архівовано 22 грудня 2015 у Wayback Machine.] Newsome, Andrew G.; Culver, Catherine A.; van Breemen, Richard B. (16 липня 2014). Nature's palette: the search for natural blue colorants. Journal of Agricultural and Food Chemistry. Т. 62, № 28. с. 6498—6511. doi:10.1021/jf501419q. ISSN 1520-5118. PMID 24930897. Процитовано 25 травня 2023.//https://dspace.mnau.edu.ua/jspui/bitstream/123456789/11420/1/ striha-tehnolog-ozdorov-harch-produkt-lab-r-2022.pdf.( Електронний ресурс)
6. Користуємося харчовими барвниками правильно// https://factoria.kiev.ua/blog/polzuemsya-pishhevymi-krasitelyami-pravilno/ (Електронний ресурс)
7. Лучкевич Є. Р., Матківський М. П. Хімія проміжних продуктів і органічних барвників. Івано-Франківськ : Супрун В. П., 2016. 356 с.
8. Мороз , та інші Харчова хімія, 2022, 210 с.
9. Про натуральні барвники//Стаття ТОВ ТД «Факторія Київ»// https://surl.li/xopxuw (Електронний ресурс)
10. Товстенко О. З чого роблять харчові барвники: інгредієнти і їх користь //https://www.prodservis.com/
    z-chogo-roblyat-harchovi-barvniki-ingrediienti-i-ih-korist/ (Електронний ресурс)
11. Харчова добавка Е150d (Сульфатно – аміачна карамель)// Стаття від Wbmina // https://surl.li/msctms (Електронний ресурс)
12. Харчові барвники: стаття, Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.//
13. https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%B0%D1%80%D1%87%D0%BE%D0%B2%D1%96_
    %D0%B1%D0%B0%D1%80%D0%B2%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8 (Електронний ресурс)
14. Харчові барвники – важлива складова продуктів харчування//https://factoria.kiev.ua/blog/harchovi-barvniki-vazhliva-skladova/ ( Електронний ресурс)
15. Харчові барвники: види, застосування та безпека// https://unitorgcompany.com.ua/kharchovi-barvnyky-vydy-zastosuvannia-ta-bezpeka/ ( Електронний ресурс)
16. Хімія, біотехніка// Екологія та освіта: збірник матеріалів, 2023, с.35
17. Чи мають харчові барвники негативний вплив на організм?// Стаття відТортіно. // https://surl.li/btxzlh (Електронний ресурс)
18. Як правильно користуватися барвниками// https://kondishop.com.ua/ua/blog-ua/yak-pravilno-koristuvatisya-barvnikami?srsltid=AfmBOoqz66QtYukc-oLSun4ZQbonj06bp5lvx2Cm8tTrwavG-W5DnEte (Електронний ресурс)
19. Як приготувати натуральні харчові барвники?// https://chefs-shop.com/uk/kak-prigotovit-naturalnye-picshevye-krasiteli-doma-domashnij-krasitel-vs-gelevyj-krasitel (Електронний ресурс)