Μια καλλιτεχνική εισαγωγή στα μελάνια ανθοκυανίνης Teach article

Μετάφραση από την Κυριακή Ηλιάδου. Η παρασκευή ευαίσθητων στην αλλαγή pH μελανιών από φρούτα και λαχανικά είναι μια δημιουργική παραλλαγή του πειράματος του…

Figure 1: General structure of anthocyanin, in which R and R' are H, OH, or OCH3 and R'' is a sugar unit
Σχήμα 1: Γενική δομή της
ανθοκυανίνης, στην οποία
τα R and R’ είναι H, OH, ή
OCH3 και το R” είναι μία
μονάδα σακχάρου

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά των Gustavo
Giraldi Shimamoto και Adriana
Vitorino Rossi

Πολύ πριν τις συνθετικές βαφές και χρωστικές, χρησιμοποιούνταν φυσικά προϊόντα για την παρασκευή απλών αλλά αποτελεσματικών μελανιών (όπως περιγράφεται από Farusi, 2012) – που ακόμα μπορούμε να δούμε σε ζωγραφιές προϊστορικών και εξαφανισμένων πολιτισμών. Αυτά τα φυσικά χρώματα θα μπορούσαν να προέρχονται  από ορυκτά από εκχυλίσματα φυτών. σε αυτή τη δραστηριότητα, εστιάζουμε σε μια συγκεκριμένη ομάδα φυτών που περιέχουν ανθοκυανίνες (ACY, εικόνα 1).

Τα φυσικά χρώματα είναι συχνά λιγότερο σταθερά από πολλές συνθετικές χρωστικές, καθώς αλλάζουν χρώμα ή αποσυντίθενται με τη θερμοκρασία, το φως, τη μεταβολή του pH και την παρουσία οξειδωτικών παραγόντων. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ενδιαφέροντα μαθήματα, και στη δουλειά μας με μαθητές του δημοτικού σχολείου χρησιμοποιήσαμε ανθοκυανίνες ως χρωστικές για παραγωγή μελανιού που επηρεάζεται από το pH.

Η προέλευση του χρώματος

Οι ανθοκυανίνες είναι οργανικές ενώσεις που παράγουν το πορτοκαλί, το κόκκινο, το μπλε και το σχεδόν μαύρο χρώμα στα λουλούδια, τον καρπό, τα φύλλα και τις ρίζες διαφόρων ειδών φρούτων και λαχανικών. Τα μόρια της ανθοκυανίνης περιέχουν κυκλικές δομές που απορροφούν φως, και λειτουργούν έτσι ως αντηλιακά, προστατεύοντας τα κύτταρα του φυτού. Τα μήκη κύματος του φωτός που δεν απορροφώνται από την ανθοκυανίνη, αντανακλώνται, κι έτσι το λουλούδι ή ο καρπός φαίνονται χρωματιστά. Τα χρώματα αυτά έλκουν επικονιαστές και διασπορείς σπόρων και έτσι είναι επίσης σημαντικά για την αναπαραγωγή του φυτού.

Τα διαλύματα ανθοκυανίνης αλλάζουν χρώμα με το pH του μέσου, λειτουργώντας ως ένας φυσικός δείκτης pH (εικόνα 2). Γενικά, οι ανθοκυανίνες εμφανίζουν κόκκινο χρώμα σε όξινα διαλύματα και μπλε χρώμα σε βασικά μέσα. ωστόσο, και άλλα χρώματα μπορούν να παρατηρηθούν, ανάλογα με το pH, τη συγκεκριμένη ανθοκυανίνη και την πηγή της. Αυτό συμβαίνει γιατί η προσθήκη και η αφαίρεση ιόντων υδρογόνου (H+) στη μοριακή δομή της χρωστικής αλλάζει τις ηλεκτρονιακές ιδιότητες και έτσι μεταβάλλει τα μήκη κύματος του φωτός που απορροφά η χρωστική. Η ιδιότητα αυτή μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε εκχυλίσματα φυτών για τον προσδιορισμό του pH υλικών καθημερινής χρήσης και του τελικού σημείου ογκομετρήσεων οξέος/βάσης, όπως στο διάσημο πείραμα του δείκτη του λάχανου (Terci & Rossi, 2002; Rossi & Shimamoto, 2010). Η μεταβλητότητα  του χρώματος των ανθοκυανινών μπορεί να διερευνηθεί παράγοντας μελάνι για ζωγραφική με πινέλα ή σφραγίδες ή για μεταξοτυπίες.

Figure 2: Simplified representation of the chemical equilibrium responsible for the change in the colour of the anthocyanin ink
Σχήμα 2: Απλουστευμένη αναπαράσταση παρουσίαση της χημικής ισορροπίας στην οποία οφείλεται η αλλαγή χρώματος του μελανιού της ανθοκυανίνης
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά των Gustavo Giraldi Shimamoto και Adriana Vitorino Rossi

Τι είναι ένα μελάνι;

Τα μελάνια είναι μίγματα βαφών ή χρωστικών και μιας συνδετικής ένωσης, η οποία βοηθά το μελάνι να κολλήσει στην επιφάνεια που πρόκειται να βαφεί. Αυτή η απλή συνταγή χρησιμοποιείται εδώ και χιλιάδες χρόνια, αλλά η πρόοδος στη χημεία και οι νέες τεχνολογικές εναλλακτικές  έχουν καταστήσει τα μελάνια πολύ πιο πολύπλοκα, με ατέλειωτες επιλογές χρωμάτων και ποικίλες ιδιότητες, όπως η ιδιότητα να κολλούν σε γυαλιστερό χαρτί ή κελύφη αυγών.

Ένα απαραίτητο συστατικό ενός μελανιού είναι η ουσία  που προσδίδει το χρώμα: η χρωστική ή η βαφή. Η  χρωστική είναι ένα λεπτόκοκκο στερεό που είναι αδιάλυτο στο μέσο διασποράς του μελανιού και προσφέρει- εκτός από το χρώμα- αδιαφάνεια και αντοχή, μεταξύ άλλων άλλων αποτελεσμάτων, ενώ οι βαφές είναι γενικά ενώσεις που είναι διαλυτές στο μελάνι. Στο μελάνι μας, το εκχύλισμα της ανθοκυανίνης είναι μία χρωστική.

Μελάνι ανθοκυανίνης για ζωγραφική, σφραγίδες, ή μεταξοτυπίες

Υλικά

Changing the colour of the paintings with vinegar solution
Αλλάζοντας το χρώμα
ζωγραφιών με διάλυμα
ξυδιού

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά των Gustavo
Giraldi Shimamoto και Adriana
Vitorino
  • Φρούτα ή λαχανικά που περιέχουν ανθοκυανίνες, όπως βατόμουρα, σταφύλια, φράουλες, βατόμουρα, σμέουρα, ή κόκκινο λάχανο.
  • 94% αιθανόλη (όγκος: όγκος)
  • Διηθητικός ηθμός (ένα φίλτρο του καφέ μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί)
  • Τριβλία Petri
  • Νερό
  • Χαρτί (ανθεκτικό χαρτί γραφής υψηλής ποιότητας με πυκνότητα μεγαλύτερης από 50 gm-2)
  • Σφραγίδες, ρολά βαψίματος ή πινέλα
  • Ξύδι
  • Καθαριστικά προϊόντα πολλαπλών χρήσεων με  αλκαλικές ιδιότητες

Διαδικασία

  1. Πολτοποιήστε το φρούτο ή το λαχανικό και  αναμίξτε με αιθανόλη σε αναλογία περίπου 1 : 3 ( βάρος : όγκο) για 30 λεπτά.
  2. Διηθήστε χρησιμοποιώντας χαρτί διήθησης και αποχύστε το διήθημα στα τριβλία Petri.
  3. Ξηράνετε το εκχύλισμα ανθοκυανίνης αφήνοντάς το σε ανοικτά τρυβλία Petri προστατευμένα από το φως μέχρι να εξατμιστεί ο διαλύτης (2 μέρες). Για πιο γρήγορη εξάτμιση, τα τριβλία μπορούν να υποβληθούν σε ροή κρύου αέρα ή να φυλαχθούν σε έναν εργαστηριακό απαγωγό ή κάτω από έναν απορροφητήρα.
  4. Αφού στεγνώσει,  αναμίξτε το στεγνό εκχύλισμα της ανθοκυανίνης (που έχει μορφή πάστας) με νερό σε αναλογία περίπου 1 : 10 ( βάρος : όγκο). 

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το μελάνι που παρασκευάσατε με πινέλα ή σφραγίδες, ή για μεταξοτυπίες. Καθώς αυτό το μελάνι είναι ένας δείκτης pH, το χρώμα του μπορεί να αλλάξει με την προσθήκη όξινων ή αλκαλικών διαλυμάτων. Ένα πινέλο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να  εναποθέσετε  ένα όξινο διάλυμα (ξύδι) και ένα αλκαλικό διάλυμα (αραιό καθαριστικό πολλαπλών χρήσεων) σε χαρτί βαμμένο με το μελάνι, ή πίνακες ζωγραφικής θα μπορούσε να ψεκαστούν με όξινα ή βασικά διαλύματα για να αλλάξουν το χρώμα τους. Μια άλλη επιλογή είναι να γράψετε ή να σχεδιάσετε με όξινα ή αλκαλικά διαλύματα, που είναι άχρωμα, και να εμφανίσετε το μήνυμα ψεκάζοντας με μελάνι ανθοκυανίνης, προσομοιώνοντας ένα αόρατο μελάνι. Περίπου 1 λεπτό μετά την εναπόθεση του μελανιού της ανθοκυανίνης στο χαρτί, οι ζωγραφιές θα έχουν σχεδόν στεγνώσει.

 

Σημείωση για την ασφάλεια

Ελέγξτε τους τοπικούς κανονισμούς για τη χρήση όξινων ή βασικών διαλυμάτων, καθώς μπορεί να απαιτούνται γυαλιά ασφαλείας.

 

Σχετικά με το τι συμβαίνει

Changing colours with different pH solutions. (a) Initial colour print, (b) after acid treatment, and (c) after alkali treatment
Αλλάζοντας χρώματα με
διαλύματα διαφορετικού pH.
(α) αρχική έγχρωμη
εκτύπωση, (β) μετά από
επεξεργασία με οξύ, (γ) μετά
από επεξεργασία με βάση

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά των Gustavo
Giraldi Shimamoto και Adriana
Vitorino Rossi

Τα εκχυλίσματα της ανθοκυανίνης είναι φυσικοί δείκτες pH τόσο σε διάλυμα, όσο και πάνω σε χαρτί. Η αλλαγή στο χρώμα μπορεί να εξηγηθεί από την αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων νερού που έχουν απορροφήσει μόρια ανθοκυανίνης στο χαρτί , και του οξικού οξέος από το ξύδι ή της βάσης από το καθαριστικό πολλαπλών χρήσεων.

Η αλλαγή στο χρώμα του μελανιού συνδέεται με μία χημική ισορροπία (που φαίνεται σε απλοποιημένη μορφή στην εικόνα 2). Οι ανθοκυανίνες είναι οργανικές ενώσεις που έχουν διάφορους υποκαταστάτες στους οποίους ιόντα H+ προστίθενται ή αφαιρούνται σε διάφορες τιμές pH για να παράγουν διαλύματα διαφορετικών χρωμάτων. Στην εικόνα 2, υπάρχουν τρία κύρια χρώματα επειδή τρία μέσα χρησιμοποιήθηκαν με τις βαφές ανθοκυανίνης: όξινο, ουδέτερο και βασικό. Χρησιμοποιώντας διαλύματα διαφορετικού pH, μπορούν να συγκριθούν οι διαφορετικές βαφές.

Το μελάνι της ανθοκυανίνης μπορεί να χρησιμοποιηθεί από παιδιά μικρότερης ηλικίας (κάτω των 11) σε δραστηριότητες σχεδιασμού και ζωγραφικής. Μεγαλύτερα παιδιά (11+) ή οι επιβλέποντες ενήλικες μπορούν να χρησιμοποιήσουν ξύδι (οξύ) και αραιό καθαριστικό (βάση) για να αλλάξουν τα σχέδια και να συμμετέχουν σε αλληλεπιδράσεις στην ομάδα. Μπορείτε να τροποποιήσετε εύκολα την παρασκευή και την εφαρμογή αυτού του μελανιού, κάτι το οποίο δεν απαιτεί τοξικά αντιδραστήρια και δεν παράγει υπολείμματα που χρήζουν επεξεργασίας πριν την απόρριψή τους.

Ο κύριος σκοπός αυτής της ψυχαγωγικής δραστηριότητας είναι να διεγείρει την περιέργεια, αλλά επειδή μπορεί να χρησιμοποιήσει κανείς οποιοδήποτε φρούτο ή λαχανικό που περιέχει ανθοκυανίνες για να παρασκευάσει αυτά τα μελάνια που είναι ευαίσθητα στην αλλαγή του pH,  καθίσταται εφικτή μια διεπιστημονική προσέγγιση που να ενσωματώνει την περιβαλλοντική εκπαίδευση με τοπικές αξίες. Καθώς παρασκευάζετε τα μελάνια, μπορείτε να συζητήσετε για τη φύση, το περιβάλλον, τη βιοποικιλότητα και την ορθολογική τους εκμετάλλευση  στην παραλαβή χρήσιμων προϊόντων.

Ευχαριστίες

Οι συγγραφείς ευχαριστούν το São Paulo Research Foundation (FAPESP) για την οικονομική βοήθεια.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • Beautiful Chemistry, μία ιστοσελίδα αφιερωμένη στην Κίνα, έχει βίντεο και φωτογραφίες φυτών που αλλάζουν χρώμα με το pH.
  • Οι ανθοκυανίνες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ευαισθητοποιημένων  από βαφές ηλιακών κυττάρων, όπως περιγράφεται σε αυτή τη δραστηριότητα για την τάξη:
  • Αν απολαύσατε το διάβασμα αυτού του άρθρου, μπορεί να βρείτε ενδιαφέρον το παρακάτω κεφάλαιο βιβλίου:
    • Salamão AA, et al (2010) Jogo pedagógico que explora a propriedade indicadora de pH de extratos de antocianinas de espécies brasileiras. In de Rezende CM, Braibante HTS (eds) A Química Perto de Você – Experimentos de baixo custo para a sala de aula do Ensino Fundamental e Médio pp35–43. Cidade Universitária, São Paulo, Brazil: Sociedade Brasileira de Química. ISBN: 9788564099005 [in Portuguese]. Μπορείτε να κατεβάσετε ελεύθερα αυτό το ηλεκτρονικό βιβλίο.

Author(s)

Ο Gustavo Giraldi Shimamoto είναι διδακτορικός φοιτητής στο πρόγραμμα αναλυτικής χημείας του Πανεπιστημίου Estadual de Campinas (UNICAMP) στο São Paolo, στη Βραζιλία, και δουλεύει στο Εργαστήριο Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού.

Η Adriana Vitorino Rossi κατέχει PhD από το UNICAMP και είναι τώρα καθηγήτρια στο Ινστιτούτο Χημείας. Εργάζεται στην αναλυτική χημεία και τη χημική εκπαίδευση και συντονίζει την Ομάδα για Έρευνα στην Αναλυτική Χημεία και Εκπαίδευση στο UNICAMP.


Review

Είναι ένας πρωτότυπος τρόπος για να διδάσκεται η παλαιότερη  επιστήμη στην τάξη ή σε επιστημονικό όμιλο.

Η εισαγωγή του άρθρου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μια άσκηση κατανόησης και το άρθρο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να δώσει έναυσμα για συζήτηση σχετικά με τα οξέα, τις βάσεις και του δείκτες· χημική  εκχύλιση· φυτολογία· επιστήμη και τέχνη.


Tim Harrison, Bristol ChemLabS, University of Bristol, Ηνωμένο Βασίλειο




License

CC-BY-NC-SA