Kuchnia molekularna w klasie chemicznej Teach article

Przetłumaczyła: Katarzyna Badura. Kulki alginianowe są bardzo użyteczne nie tylko na lekcjach chemii, ale również w kuchni molekularnej.

Kuchnia molekularna jest nowym trendem w haute cuisine, w którym kucharze zapewniają swoim gościom nowe i niespotykane kulinarne przeżycia, wykorzystując w tym celu ciepły azot, żele i pianki. Jedną z coraz bardziej znanych technik jest zastosowanie alginianowych kulek, zawierających różne soki owocowe lub smaki. Nawet jeśli nie odwiedzasz restauracji oznaczonych gwiazdkami Michelin, możesz natknąć się na takie kulki w bubble tea.

Bubble tea, wymyślone w latach 80 na Tajwanie, przeniosło się kilka lat temu ze Wschodniej Azji na kraje zachodnie. Składa się z napoju na bazie herbaty, zawierającego owocowe galaretki, tapioki lub alginianowe kulki wypełnione sokiem owocowym lub syropem.

Przygotowywanie i badanie zachowania alginianowych kulek może być fascynujące i wykorzystane w nauce opartej oprowadzenie dochodzenia.

W tym artykule podpowiadamy jak wykorzystać alginianowe kulki do przedstawienia różnych koncepcji naukowych i prezentacji zjawisk naukowych w estetyczny sposób. Zdradzimy sposób na przygotowanie alginianowych kulek i zaproponujemy trzy przykładowe eksperymenty, z których każdy można wykonać w czasie jednogodzinnej lekcji: reakcję kwasowo-zasadową, chemiluminescencję z reakcją redox oraz termiczną konwekcję z efektem termochromowym.

Formowanie alginianowych kulek

alginate polymer without crosslinking
Ryc. 1.: Polimer alginianowy
w roztworze NaCl (brak
sieciowania krzyżowego)

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Nicoli Graf

Alginianowe kulki powstają w momencie, gdy wodny roztwór alginianu (ryc. 1) wchodzi w reakcję z roztworem zawierającym jony wapnia, tworząc na granicy styku dwóch roztworów błonę alginianu wapnia (ryc. 2). Alginian jest długim polisacharydem, który w obecności dwuwartościowych kationów, takich jak wapń, przybiera formę usiatkowaną, tworząc nierozpuszczalny w wodzie żel.

Materiały

  • 2 g alginianu sodu (Na(C6H806))
  • 100 ml wody destylowanej
  • 10 ml 0.5% roztworu chlorku wapnia (CaCl) lub 1% roztworu roztwór mleczanu wapnia (Ca(C3H5O3)2
  • Dwie zlewki o pojemności 250 ml
  • Zakraplacz lub łyżka
  • Szklana pałeczka lub inne mieszadło
  • Sito lub łyżka

Procedura

Alginate polymer with crosslinks
Ryc. 2.: Polimer alginianowy
w CaCl2 (sieciowanie
krzyżowe)

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Nicoli Graf
  1. W jednej z dwóch zlewek zmieszaj alginian i wodę.
  2. Zaczekaj przynajmniej 15 minut aż alginian się rozpuści.
  3. Umieść roztwór jonów wapnia w drugiej zlewce.
  4. Przy pomocy pipety lub łyżki dodawaj krople roztworu alginianu do roztworu jonów wapniowych. Mieszaj roztwór wapnia żeby zapobiec zlepaniu się alginianowych kulek.
  5. Kulki są trwałe i mogą zostać usunięte z roztworu jonów wapnia przy pomocy łyżki lub sita.

W momencie, gdy oba roztwory się mieszają dochodzi do uformowania żelowego alginianu wapnia, w którym roztwór alginianu zamknięty jest w kapsułkowych kulkach. Dodanie do roztworu alginianu innych składników, takich jak środki smakowe, barwiące czy wskaźniki również zamyka je w kapsułkach.

Kulki kwaso-pochodne

Materiały

  • 2 g alginianu sodu
  • 500 ml wody destylowanej
  • 10 ml 0.5% roztworu chlorku wapnia lub 1% roztworu mleczanu wapnia
  • Trzy zlewki o pojemności 250 ml
  • Zakraplacz lub łyżka
  • Szklana pałeczka lub inne mieszadło
  • Sito (opcjonalnie)
  • Roztwór wskaźnika
  • Różne kwasy i zasady

Procedura

  1. Postępuj zgodnie z wyżej przedstawioną procedurą formowania alginianowych kulek, ale dodaj kwasopochodny wskaźnik do alginianu zanim dodasz alginian do roztworu wapnia.
  2. Usuń kulki i umieść je w zlewce zawierającej resztę wody destylowanej.
  3. Zaobserwuj kolor kulek.
  4. Systematycznie dodawaj do wody różne kwasy i zasady  i obserwuj jak zmienia się kolor kulek.

Pomimo obecności wskaźnika w roztworze wewnątrz kulek, membrana alginianowa może wymieniać jody wodorotlenku lub jonz hydroniowe (uwodnione protony) pomiędzy zawartością kulek, a płynnym otoczeniem. Dlatego też zmiana wartości pH otoczenia poprzez dodanie kwasu lub zasady prowadzi do zmiany wartości pH wewnątrz kulek, a tym samym zmiany koloru wskaźnika.

Choć wskaźniki techniczne mogą być użyte tylko w klasie, wrażliwe na pH wyciągi z czerwonej kapusty lub skórki rzodkiewki ogrodowej mogą być wykorzystywane w domu.

Kulki luminescencyjne

Alginianowe kulki mogą być wykorzystane do zobrazowania fenomenu luminescencji. Wystarczy przed uformowaniem kulek dodać do roztworu alginianu składnik luminescencyjny. Jednym ze sposobów na otrzymanie takiego efektu jest użycie ryboflawiny (witaminy B2), która fluoryzuje pod wypływem światła UV. Można wykorzystać albo czystą ryboflawinę, albo samemu wyodrębnić ją z żywności, np. budyniowego kremu w proszku.

Materiały

Wyodrębnienie ryboflawiny (opcjonalnie):

  • Opakowanie kremu budyniowego w proszku zawierającego ryboflawinę (znaną również jako E101)
  • 200 ml wody destylowanej
  • Zlewka
  • Mieszadło
  • Kanał z papierem filtracyjnym

Wykonanie luminescencyjnych kulek:

  • Dwa czubki łopatki z proszkiem ryboflawiny (C17H20NaO6)
  • 2 g alginianu sodu
  • 100 ml wody
  • 10 ml 0.5% roztworu chlorku wapnia lub 1% roztworu mleczanu wapnia
  • Dwie zlewki o pojemności 250 ml
  • Zakraplacz lub łyżka
  • Szklana pałeczka lub inne mieszadło
  • Sito (opcjonalnie)
  • Źródło UV
  • 15–20 ml nasyconego roztworu ditionianu sodu (Na2S2O4)
  • 15–20 ml nadtlenku wodoru

Procedura

  1. Żeby wyodrębnić ryboflawinę z kremu budyniowego w proszku, umieść ok. 8g proszku w 200ml wody, porządnie mieszaj przez ok. 10 minut i przefiltruj roztwór.
  2. Wykonaj procedurę przygotowania alginianowych kulek, jednak przed procesem sferyfikacji, dodaj ryboflawinę do roztworu alginianu.
  3. Naświetl uformowane kulki światłem UV. Powinny zacząć fluoryzować emitując żółto-zielone światło.
  4. Wyłącz światło UV i kulki przestaną fluoryzować.
  5. Włącz światło ponownie.
  6. Dodaj ditionian sodu do zlewki zawierającej alginianowe kulki. Powinieneś zauważyć, że luminescencja zanika, bowiem ditionian sodu przedostaje się przez membranę i redukuje ryboflawinę znajdującą się w środku.
  7. Dodaj nadtlenek wodoru aby utlenić ryboflawinę i ponownie aktywować luminescjencję.

Termo kulki

Dodanie termochromowego tuszu do roztworu alginianu może pomóc w zobrazowaniu fenomenu konwekcji. W Japonii specjalny tusz termiczny, bazujący na laktonie fioletu krystalicznego (nie należy go mylić z tuszami termicznymi wykorzystywanymi w drukarkach termicznych), jest sprzedawany by zobrazować zjawiska w fizyce związane z ciepłem.

Materiały

  • 2 g alginianiu sodu
  • 100 ml wody destylowanej
  • 10 ml 0.5% % roztworu chlorku wapnia lub 1% roztworu mleczanu wapnia
  • Dwie zlewki o pojemności 250 ml
  • Zakraplacz lub łyżka
  • Szklana pałeczka lub inne mieszadło
  • Sito
  • 3–5 ml termochromowego tuszu
  • Żaroodporna zlewka wypełniona wodą
  • Źródło ciepła

Procedura

  1. Wykonaj procedurę przygotowania alginianowych kulek, jednak przed procesem sferyfikacji, dodaj termochromowy tusz do roztworu alginianu.
  2. Umieść powstałe kulki w żaroodpornej zlewce z wodą.
  3. Ogrzewaj zlewkę tak długo, aż kulki zaczną się unosić.

Zachowanie alginianowych kulek zobrazuje konwekcję: pod wpływem ciepła ich gęstość się zmniejsza i zaczynają się unosić, ochłodzone ponownie tężeją i opadają. Jednocześnie, alginianowe kulki zmienią kolor ukazując, że konwekcja jest powiązana ze zmianą temperatury.

Podziękowania

Część tej pracy została ufundowana przez projekt Nauczanie Pracy Metodą Badawczą z Wykorzystaniem Tajemnic (Teaching Enquiry with Mysteries Incorporated – TEMI) (Peleg et al., 2015), wspierany przez Unię Europejską w ramach 7. Programu Ramowego na rzecz fundacji „Nauka w społeczeństwie” („Science in Society”) ujętego w umowie o grant nr 321403.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Johanna Dittmar, Christian Zowada i profesor Ingo Eilks są pracownikami chemicznej grupy badawczej Uniwersytetu w Bremen w Niemczech. Profesor Shuichi Yamashita jest nauczycielem nauk ścisłych w Chiba w Japonii. Każdy z autorów opracował inne zadanie z wykorzystaniem alginianowych kulek.


Review

Naszą ciekawość zawsze przyciąga zmiana koloru, położenia, kształtu i światła. Wykorzystanie takich zmian w naszym nauczaniu pozwala uczniom na naukę z przyjemnością. Pierwsze dwa eksperymenty będą odpowiednie dla uczniów w wieku 15-16 lat, podczas gdy ostatnie zadanie, uwzględniające konwekcję i luminescencję, będzie dobre również dla młodszych uczniów w wieku 11-14 lat.

Po tych ćwiczeniach nauczyciel może zapytać dlaczego wykorzystano kulki, prowadząc tym samym do dyskusji na temat chemicznych i fizycznych właściwości materii.


Enrico Capaccio, Istituto Superiore S Bellarmino, Montepulciano (Siena), Włochy




License

CC-BY
CC BY