Naturalne eksperymenty: chemia z grzybami Teach article

Tłumaczenie Katarzyna Badura. Ile substancji chemicznych znajduje się w świeżych grzybach? Te proste eksperymenty ujawnią chemię ukrytą w naturalnym jedzeniu.

Wszystko wokół nas oraz w naszych ciałach składa się z substancji chemicznych, które ze sobą reagują utrzymując nas przy życiu. Tym czasem wielu uczniów nie postrzega chemii jako części swojej codzienności; w rzeczywistości, często widzą ją jako przeciwieństwo „natury” – a nawet coś niebezpiecznego, czego należy unikać. Na przykład, wiele artykułów spożywczych jest reklamowanych jako „pozbawionych chemii”, tak jakby substancje, które zawierają nie składały się z cząsteczek i mieszanin, tylko z czegoś zupełnie innego.

To oczywiście niezwykle istotny błąd w rozumowaniu, który najprawdopodobniej prowadzi do wielu błędów i nienaukowych decyzji. W tych artykułach traktujących o „naturalnych eksperymentach” (zobacz również Höfer, 2017), wykorzystujemy metody chemiczne do analizy naturalnego, surowego jedzenia.

Jadalne grzyby na sprzedaż, w tym białe grzyby Agaricus bisporus
Skeeze/pixabay.com
 

Chemia grzybów

Jedzenie jest głównym elementem każdego dnia, dlatego wykorzystywanie jedzenia jako połączenia chemii z codziennością jest sensowne. Grzyby są interesującym przykładem, ponieważ zawierają całą gamę substancji łatwych do zidentyfikowania. To może zaskoczyć uczniów, którzy najprawdopodobniej podejdą do eksperymentu z serią oczekiwań dotyczących składu grzybów. Substancje te zawierają węglowodany, tłuszcze i białka, jak również – w mniejszych ilościach – witaminy i minerały, co uczniowie mogą odkryć we własnym zakresie.  

W tych eksperymentach do badania grzybów jadalnych wykorzystujemy standardowe chemiczne testy laboratoryjne. Eksperymenty są dostosowane do klas chemicznych szkół drugiego stopnia. Mogą zostać wykonane przez uczniów w czasie około jednej godziny z uwzględnieniem dyskusji. Nauczyciel będzie potrzebował więcej czasu na przygotowanie materiałów potrzebnych w eksperymencie 2 i 3.

Ryc. 1: Owocnik grzyba
uprawnego

Amerykański Departament
Rolnictwa (U.S. Department of
Agriculture)/Flickr

Czym są grzyby?

Grzyby są tworem, który nie należy ani do rodziny roślin ani zwierząt, ale tworzy własne taksonomiczne królestwo. Są organizmami eukariotycznymi, co odróżnia je od bakterii. Podobnie jak rośliny, grzyby absorbują organiczne substancje odżywcze z otoczenia na drodze osmozy, jednak ich struktura i sposób reproducji są znacząco inne niż u roślin. Podobnie jak zwierzęta, grzyby są organizmami heterotroficznymi: muszą przyjmować pokarm z otoczenia i nie potrafią go same wytwarzać. Komórki grzyba tworzą sieć włókien zwanych grzybnią, ukrytych w glebie. Jest ona rozgałęziona jak system korzeniowy i odpowiedzialna za pobieranie składników odżywczych. Grzyby posiadają również owocnik, który rośnie ponad ziemią i stanowi (czasem jadalną) część, którą nazywamy grzybem (patrz ryc. 1).

Wartości odżywcze grzybów są cenną częścią naszej diety. Wśród innych składników odżywczych znajdują się jony sodu, chloru i potasu, które są potrzebne do utrzymania równowagi wodnej; jony fosforanowe związane ze stabilnością kości i zębów oraz produkcją czerwonych krwinek; oraz witamina C, która pełni funkcję środka ochronnego i pomaga ciału przyswoić żelazo. 

W następujących eksperymentach jako próbki wykorzystaliśmy grzyby z komercyjnej uprawy Agaricus bisporus zarówno w formie świeżej, jak i suszonej. W terminologii kulinarnej grzyby te są znane jako pieczarki, młode pieczarki lub grzyby portobello (gdy są dojrzałe i brązowe).

 

Notka bezpieczeństwa

Z uwagi na fakt, że niektóre z substacji wykorzystywanych w eksperymentach mogą być szkodliwe lub korozyjne, w każdym z nich uczniowie powinni nosić okulary ochronne i postępować zgodnie z regułami bezpieczeństwa przyjętymi dla lekcji chemii. Zapoznaj się z  ogólnymi zasadami bezpieczeństwa na stronie internetowej Science in School.

Eksperyment 1: Test na obecność białka

Przeznacz około 5 minut czasu na test Biureta i około 10 minut czasu na test ninhydrynowy (sprawdź w poniższej sekcji procedur).

Materiały

  • Roztwór wodorotlenku sodu (1 mol/l)
  • Roztwór siarczanu miedzi (II) (1 mol/l)
  • Roztwór ninhydrynowy (2% wag.)
  • Świeże jadalne grzyby (np. młode pieczarki) – wystraczy jeden grzyb na każdego ucznia w grupie
  • Palnik Bunsena
  • Szkiełko zegarowe
  • Nóż (nie za ostry)
  • Małe pipety z kroplomierzem
  • Szczypce

Procedura

Białka można wykryć zarówno za pomocą testu Biureta jak i testu ninhydrynowego. Obie procedury opisano osobno.

Reakcja Biureta

  1. Przekrój grzyb na w połowie (patrz ryc. 2, po lewej).
  2. Przy użyciu pipety pokryj powierzchę przecięcia grzyba cienką warstwą roztworu wodorotlenku sodu.
  3. Umieść na powierzchni grzyba kroplę roztworu siarczanu miedzi.

Jeśli białko jest obecne, to kolor zmieni się z jasnoniebieskiego (kolor roztworu siarczanu miedzi (II)) na ciemnoniebieski lub fioletowy (patry ryc. 2, w środku). Zmiana koloru jest efektem powstawania kompleksu miedź-białko.

Reakcja ninhydrynowa

  1. Umieść plasterek świeżego grzyba na szkiełku zegarowym.
  2. Umieść kroplę roztworu ninhydrynowego na grzybie.
  3. Używając szczypiec trzymaj plasterek grzyba w nie świecącej się części płomienia palnika Bunsena (który nie powinien huczeć).
  4. Wyciągnij plaster grzyba z płomienia i sprawdź jego kolor.

Jeśli białko jest obecne dojdzie do wytworzenia ciemnofioletowego związku chemicznego (patrz ryc. 2, po prawej). Związek ten nazywany jest purpurą Ruhemann’a. Powstaje ona w momencie, gdy ninhydryna reaguje z aminokwasami obecnymi w białkach.

Ryc. 2: Po lewej: świeży grzyb, nie poddany żadnej reakcji; w środku: pozytywny wynik reakcji Biureta; po prawej: pozytywny wynik reakcji ninhydrynowej
Farina Bunjes

Eksperyment 2: Test na obecność witaminy C

Czas trwania: około 15 minut. Nauczyciele powinni zarezerwować dodatkowe 45 minut czasu przed rozpoczęciem zajęć, aby przygotować bibułę filtracyjną nasączoną chlorkiem żelaza (III). W tym celu należy zamoczyć bibułę filtracyjną w 1% wag. roztworze chlorku żelaza (III) i pozostawić do wyschnięcia (około 30 minut).

Materiały

Każdy uczeń (lub grupa) będzie potrzebować:

  • Roztwór heksacyjanożelazianu (III) potasu (1% wag.) w parowniku/rozpylaczu
  • Jedną bibułę filtracyjną nasączoną roztworem chlorku żelaza (III) i wysuszoną
  • Jeden świeży grzyb
  • Nóż (nie za ostry)
  • Wyciąg laboratoryjny

Procedura

  1. Przetnij grzyb w połowie i przyciśnij świeżo przeciętą powierzchnię grzyba do bibuły filtracyjnej (patrz ryc. 3, po lewej).
  2. Usuń grzyb. Pracując pod wyciągiem laboratoryjnym, spryskaj powierzchnię bibuły filtracyjnej roztworem heksacyjanożelazianu (III) potasu. Uważaj, żeby nie wdychać powstałych oparów.

Roztwór heksacyjanożelazianu (III) potasu powoduje, że bibuła robi się jasnoniebieska, ponieważ dochodzi do wytworzenia rozpuszczalnej formy błękitu pruskiego (lub błękit Turnbulla). Jeśli witamina C jest obecna w środowisku reakcji, jony Fe (III) są redukowane do jonów Fe (II), formując tym samym ciemnoniebieską mieszaninę (patrz ryc. 3, po prawej).

Ryc. 3: Po lewej: bibuła filtracyjna nasączona roztworem chlorku żelaza (III) z odbiciem grzyba; po prawej: fragment grzyba po kontakcie z roztworem heksacyjanożelazianu (III), ukazujący obecność witaminy C
Farina Bunjes

Eksperyment 3: Test na obecność potasu i sodu

Czas trwania: około 10 minut. Przygotuj suchy grzyb poprzez wcześniejsze pocięcie go na plasterki i wysuszenie przez noc w suszarce przy temperaturze 105 °C.

Potas i sód można zindentyfikować na podstawie kolorów ich płomienia. Zastosowanie szkła kobaltowego do odfiltrowania żółtawego płomienia sodu powoduje, że bladoliliowy płomień potasowy jest lepiej widoczny.

Materiały

  • Suszone grzyby
  • Palnik Bunsena
  • Tygiel ze szczypcami
  • Szkło kobaltowe lub inny filtr niebieskiego światła

Procedura

  1. Przy pomocy szczypiec, trzymaj plaster wysuszonego grzyba w nieświecącym płomieniu palnika Bunsena.
  2. Obserwuj kolor płomienia. Żółto-pomarańczowy płomień wskazuje na obecność sodu, a liliowy kolor na obecność potasu.
  3. Aby zobaczyć lilową barwę płomienia wyraźniej, popatrz na niego przez niebieski filtr, który również odfiltrowuje żółty kolor.
Ryc. 4: Obserwacje koloru płomienia w czasie spalania suchego grzyba. Po lewej: typowy kolor płomienia w obecności sodu; po prawej: po chwili pojawia się płomień o mieszanym kolorze, z widocznym kolorem liliowym, charakterystycznym dla obecnego potasu.
Farina Bunjes

Eksperyment 4: Test na obecność jonów fosforanowych

Czas trwania: około 45 minut (15 minut samego eksperymentu plus 30 minut na przygotowanie popiołu). Nauczyciele będą potrzebowali dodatkowych 15 minut na wcześniejsze przygotowanie roztworu heptamolibdenianu amonu.

Materiały

Do przygotowania roztworu heptamolibdenianu amonu ((NH4)6Mo7O24):

  • 10 g czterowodzianu molibdenianiu amonu
  • 20 g azotanu amonu
  • 7 ml stężonego roztworu amoniaku (30% wag.)
  • Woda destylowana
  • Kolba miarowa (100 ml)
  • Pipeta

Do eksperymentu każdy uczeń (lub grupa) będzie potrzebować:

  • Wodę destylowaną
  • Suszone grzyby (kilka plasterków)
  • Rozcieńczony kwas azotowy (2 mol/l)
  • Porcelanowe naczynie
  • Tłuczek (do rozdrabniania)
  • Palnik Bunsena
  • Lejek do filtrowania i papier filtracyjny
  • Probówki i statyw na probówki
  • Pipetę
  • Papier wskaźnikowy pH
Grzybowy popiół uzyskiwany
na drodze palenia suszonych
grzybów

Farina Bunjes

Procedura

Przed lekcją, nauczyciele powinni przygotować roztwór heptamolibdenianu amonu ((NH4)6Mo7O24): umieść 10 g czterowodzianu molibdenianiu amonu i 20 g azonatu amonu w kolbie miarowej. Za pomocą pipety dodaj 7 ml stężonego roztworu amoniaku i napełnij kolbę wodą destylowaną do wysokości 100 ml, rozpuszczając substancję całkowicie.

Reszta procedury mogą przeprowadzić uczniowie:

  1. Przygotuj grzybowy popiół. Najpierw umieść suszone grzyby w porcelanowym naczyniu i rozdrobnij je, następnie spalaj grzyby w nieświecącym płomieniu palnika Bunsena tak długo, aż zamienią się w popiół.
  2. Rozpuść grzybowy popiół w wodzie destylowanej (nie więcej niż 10 ml), po czym przefiltruj roztwór aby pozbyć się nierozpuszczonych elementów.
  3. Zakwaś filtrat rozcieńczonym kwasem azotowym tak, aby pH było poniżej 6. Uwaga: powstały zakwaszony roztwór popiołu wykorzystasz zarówno w tym, jak i w kolejnym eksperymencie.
  4. Przy pomocy pipety umieść 5 ml zakwaszonego roztworu popiołu grzybów w probówce, po czym, korzystając z nowej pipety, dodaj do niej około 10 kropli roztworu heptamolibdenianu amonu.
  5. Przez dwie minuty podgrzewaj zawartość probówki nad palnikiem Bunsena, po czym umieść ją na stojaku aby ostygła.

Jeśli jony fosforanowe sa obecne, powstanie cytrynowożółty osad fosfomolibdenianiu amonu ((NH4)3PMo12O40) (patrz ryc. 5).

Ryc. 5: po lewej: przefiltrowany roztwór popiołu grzybów krótko po dodaniu roztworu heptamolibdenianu amonu; po prawej: roztwór po podgrzaniu z widocznym cytrynowożółtym osadem
Farina Bunjes

Eksperyment 5: Test na obecność jonów chloru

Czas trwania: około 5 minut.

Materiały

Ryc. 6: Mgliście biały osad
chlorku srebra w roztworze
popiołu grzybów, wskazujący
na obecność jonów
chlorkowych

Farina Bunjes
  • Zakwaszony roztwór popiołu grzybów (patrz eksperyment 4)
  • Roztwór azotanu srebra (5% wag.)
  • Probówka
  • Pipeta

Procedura

  1. Umieść 3/5 ml zakwaszonego roztworu popiołu grzybów w probówce.
  2. Przy pomocy pipety dodaj do probówki kilka kropli roztworu azotanu srebra.

Biały osad wskazuje na obecność jonów chlorkowych (patry ryc. 6). Osad chlorku srebra (AgCl) jest drobno zdyspergowany, dlatego ciecz ma mętny, biały wygląd.

Dyskusja

Dzięki tym eksperymentom, uczniowie mogą osobiście zidentyfikować niektóre ważne składniki obecne w grzybach, będące jednocześnie substancjami odżywczymi. Jest to dobra podstawa do dyskusji na temat chemicznych aspektów, mających wpływ na naszą codzienność. Na przykład:

  • Jak odpowiedziałbyś na stwierdzenie “wolę jedzenie wolne od chemii”?
  • W jaki sposób grzyby wspomagają zbilansowaną dietę?
  • Czy przychodzi ci na myśl jakiś eksperyment, który może nam pomóc odróżnić rośliny od grzybów? (pamiętaj, że grzyby nie potrafią przeprowadzić fotosyntezy, a rośliny potrafią).
  • W tych eksperymentach nie sprawdzaliśmy obecności skrobi i glukozy. Jak myślisz, jakie byłyby wyniki testów na obecność tych substancji?

Skład grzybów uprawnych

Poniższe informacje mogą przydać się nauczycielom w prowadzeniu dyskusji po wykonaniu eksperymentów.

Węglowodory

Skrobia nie występuje w grzybach uprawnych, natomiast glukoza występuje w ilościach szczątkowych. Grzyby zawierają głównie chitynę oraz celulozę jako strukturalne składowe ich ścian komórkowych. Zawierają również trehalozę (cukier) i mannitol (alkohol cukrowy).

Lipidy (tłuszcze)

Lipidy, w formie bardzo drobnych kropel, znajdują się w cytoplazmie, oraz w ścianie komórkowej grzybów (jako dwuwarstwy lipidowe). Grzyby zawierają 0,3 g tłuszczu na 100 g świeżych grzybów, co stanowi stosunkowo niewielki odsetek.

Minerały

Grzyby są pełne minerałów – w szczególności potasu, którego w 100g świeżych grzybów znajduje się aż 390 mg. Obecny jest również fosfor (ok. 60 mg na 100 g), głównie w formie fosforanów. Zawartość sodu, podobnie jak wapnia i żelaza, jest niska i wynosi ok. 5 mg na 100 g świeżych grzybów. Świeże grzyby w ok. 93% składają się z wody, chociaż zawartość wody zależy od wieku owocnika, przy czym młode owocniki zawierają generalnie mniej wody.

Witaminy

Grzyby zawierają znaczące ilości witaminy C (ok. 2,1 mg na 100 g świeżych grzybów), oraz dodatkowo niektóre witaminy B (w tym B1, B2, B6 oraz amid niacyny, B3). Grzyby są również bogate w nikotynamid (5,2 mg na 100 g grzybów).

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Veren Pietzner jest profesorem edukacji chemicznej na Uniwersytecie w Oldenburgu w Niemczech. Peter Fleischmann jest starszym naukowcem w Instytucie Chemii Uniwersytetu w Olderburgu, natomiast Farina Bunjes, również z Uniwersytetu w Oldenburgu, posiada tytuł magistra edukacji chemicznej i matematycznej. Holger Zorn jest profesorem, a Martin Rühl adiunktem chemii i biotechnologii produktów spożywczych Uniwersytetu w Giessen, w Niemczech.


Review

Autorzy zidentyfikowali główny problem nauki: zarówno uczniowie jak i większość społeczeństwa nie doceniają faktu, że wszystko, co ich otacza – w tym również ich jedzenie – składa się ze związków chemicznych.

Eksperymenty opisane w tym artykule, odpowiednie do wykonania przez starczych uczniów pracujących w laboratorium, są świetnym sposobem, aby na przykładzie analizy grzybów, ukazać chemiczną naturę produktów spożywczych. Ćwiczenia powiązują również aspekty chemiczne z biologią oraz mogą, dzięki zajęciom praktycznym, które zazwyczaj nie znajdują się w sylabusie szkolnym, poszerzyć doświadczenie uczniów.


Tim Harrison, nauczyciel asystujący, Uniwersytet w Brustolu, Wielka Brytania




License

CC-BY