Растительные пигменты. Свойства и практическое значение Курсовая работа (проект)

Введение

Неповторим и загадочен мир растений. Как часто он задаёт нам вопросы, на которые, казалось бы, невозможно найти ответ. Но стоит внимательнее присмотреться, задуматься, проявить любознательность и трудолюбие – и тайна зелёного друга перестанет быть тайной. Жизнь растения раскроется во всей сложности, гармонии, красоте [1].

Кто не восхищался красками цветущего луга, лесной опушки, осенней листвы, даров сада и полей? Но далеко не всем известно, откуда у природы такая богатая палитра цветов. Всей этой красотой обязаны мы специальным красящим веществам – пигментам, которых в растительном мире известно около 2 тысяч.

Цвет вещества, в том числе и пигмента, определяется его способностью к поглощению света. Если свет, падающий на вещество или орган растения, равномерно отражается, они выглядят белыми. Если же все лучи поглощаются, объект воспринимается как чёрный. Если вещество поглощает только отдельные участки видимой части солнечного спектра, оно приобретает определённую окраску [2].

Впервые точное представление о пигментах зеленого листа высших растений было получено благодаря работам крупнейшего русского ботаника М.С. Цвета (1872-1919). Он разработал новый хроматографический метод разделения веществ и выделил пигменты листа в чистом виде [3].

Растительные пигменты – это красящие вещества, придающие цвет растениям. Основными пигментами зеленого листа являются хлорофиллы и каротиноиды.

Пигменты, содержащиеся в растительном сырье, играют важную роль в жизни растений, оказывают влияние на фармакологическую активность и побочные действия. Поэтому изучение веществ растительного сырья важно для расширения сведений о химическом составе растений и для получения экстрактов с ожидаемым комплексом биологически активных и сопутствующих веществ. В последнее время растительные пигменты активно используются в качестве пищевых добавок и экологически безопасных пищевых красителей [2].

1 Химический состав растительных пигментов

Пигменты — красящие вещества, придающие цвет растениям. Растительные пигменты – это крупные органические молекулы, имеющие группировки, ответственные за поглощение света. Для этих группировок характерно наличие цепочки чередующихся простых и двойных связей (-С=С-С=С- ). Кроме того, поглощение света усиливается при наличии в молекуле кольцевых структур [4].

Пигменты находятся чаще в тех или иных структурных образованиях клетки, реже — в жидкостях организма в растворённом состоянии. Так, хлорофилл сосредоточен в хлоропластах, каротиноиды — в хромо — и хлоропластах, гемоглобин — в эритроцитах, флавоноиды — в клеточном соке растений. Пигменты, связанные с белками и липидами, входят в структуру биологических мембран. У многих видов животных и растений существуют специализированные пигментные клетки или хроматофоры.

Пигменты, содержащиеся в растительном сырье, в зависимости от их растворимости в воде могут быть разделены на две группы: растворимые в воде, находящиеся в соке растений (лепестках цветков, ягодах, фруктах и т. п.), и нерастворимые в воде — хлорофилл, каротин, присутствующие в хлоропластах клеток листьев зеленых растений, фруктах, овощах и т. п. (схема 1).

Цвет растворимых в воде растительных пигментов уловлен в основном антоцианами [5].

Антоцианы — красящие вещества растений — от - к фенольным соединениям.

2 Свойства растительных пигментов

Свойства каротина

Кристаллический каротин представляет собой вещество темного медно-красного цвета с блестящим металлическим оттенком. Чистые изомеры каротина отличаются по оттенку окраски. Кристаллы каротина оранжево-красные с ярким блеском, каротин образует фиолетовые кристаллы с металлическим блеском. Форма кристаллов каротина еще недостаточно изучена. Следует предполагать наличие полиморфизма, главным образом в зависимости от природы растворителя. Олкович и Маттилл отмечают, кроме того, зависимость формы кристаллов от условий кристаллизации - температуры, концентрации, скорости охлаждения, продолжительности стояния раствора. По Цехмейстеру, каротин из смеси сероуглерода и спирта выкристаллизовывается в четко выраженных кубиках, из петролейного эфира, выпадает в виде призм; каротин из бензина выкристаллизовывается в виде призм или пучков игл. Олкович и Маттилл наблюдали при кристаллизации каротина образование ромбоэдров (из петролейного эфира), треугольных пластинок (из ацетона), игл (из хлороформа и метанола), пучков игл (из сероуглерода и абсолютного спирта), квадратных пластинок (из петролейного эфира и метанола). Авторы считают, что, несмотря на различие формы, каротин всегда кристаллизуется в гексагональной системе [16-17].

Совершенно чистый каротин не имеет запаха. Однако в связи с тем, что даже при самом тщательном хранении каротина в нем всегда образуется некоторое количество продуктов разложения, каротин приобретает приятный запах корней флорентийской фиалки, вызываемый иононом.

Свойства фикобилинов

Фикобилины поглощают лучи в зеленой и желтой частях солнечного спектра. Это та часть спектра, которая находится между двумя основными линиями поглощения хлорофилла. Фикоэритрин поглощает лучи с длиной волны 495— 565 нм, а фикоцианин — 550— 615 нм. Сравнение спектров поглощения фикобилинов со спектральным составом света, в котором проходит фотосинтез у цианобактерий и красных водорослей, показывает, что они очень близки. Это позволяет считать, что фикобилины поглощают энергию света и, подобно каротиноидам, передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется в процессе фотосинтеза. Наличие фикобилинов у водорослей является примером приспособления организмов в процессе эволюции к использованию участков солнечного спектра, которые проникают сквозь толщу морской воды (хроматическая адаптация). Как известно, красные лучи, соответствующие основной линии поглощения хлорофилла, поглощаются, проходя через толщу воды. Наиболее глубоко проникают зеленые лучи, которые поглощаются не хлорофиллом, а фикобилинами [16].

3 Биологическое значение и применение растительных пигментов

Современными исследованиями установлено, что растительные пигменты (в основном из группы фенолов), содержащиеся в различных частях растений, играют большую роль в их жизни [21].

Наличие в клетках растений красящих веществ помогает им наиболее эффективно поглощать и использовать солнечные лучи. Все пигменты растений представляют собой избирательно работающие физико-химические фильтры - ловушки солнечного света. Если хлорофилл листьев поглощает только красные и сине-фиолетовые лучи, используемые в процессе фотосинтеза для образования сложных органических соединений из простых минеральных веществ почвы и воздуха, то ярко-окрашенные цветки, благодаря содержанию в них разнообразных пигментов, улавливают лучи иной длины волны и превращают их в другие формы энергии. Эти формы энергии используются растениями для созревания пыльцы и яйцеклеток, синтеза ароматических веществ, повышения температуры в органах размножения, что ускоряет течение обменных процессов [22].

Чашечковидные венчики цветков у горных и арктических растений действуют как своеобразные вогнутые собирательные зеркала - рефлекторы, концентрируя солнечный свет в центре цветка, где температура может превышать температуру окружающей среды на 6...8^оС. Поворачиваясь постоянно в течение светового дня к солнцу, цветки максимально используют его энергию. А с наступлением сумерек, закрывая венчик или наклоняя цветок книзу, растение создает благоприятные условия для наилучшей сохранности аккумулированной энергии.

Высокая концентрация пигментов способствует и защите наследственного аппарата растений от мутагенных воздействий.

Окраска растений полезна и для их защиты от избытка солнечного света. Поэтому в горной местности с увеличением высоты цветки имеют более яркую и плотную окраску. В этом отношении наибольшее значение имеет пигмент - меланин. Благодаря особенностям своей структуры он как бы является "молекулярным ситом", в ячейках которого застревают и обезвреживаются радикалы, образуемые под действием ультрафиолетовых лучей.

Заключение

Проанализировав литературные источники и изучив строение, свойства, практическое значение и применение растительных пигментов, можно сделать следующие выводы:

1. Растительные пигменты находятся во всех растительных органах (листьях, стеблях, цветках, плодах). В растительных клетках чаще всего встречаются зелёные пигменты — хлорофилл, жёлто – оранжевые каротиноиды, красные и синие антоцианы, жёлтые флавоны и флавонолы.

2. По своему химическому составу растительные пигменты -это крупные органические молекулы, имеющие группировки, ответственные за поглощение света. Для этих группировок характерно наличие цепочки чередующихся простых и двойных связей (-С=С-С=С- ).

3. Все пигменты растений представляют собой избирательно работающие физико-химические фильтры - ловушки солнечного света.

4. Растительные пигменты имеют большое практическое значение в жизни самого растения, придавая ему различную окраску листьев, цветков, плодов, а так же высокая концентрация пигментов способствует защите наследственного аппарата растений от мутагенных воздействий. Такие пигменты, как флавонолы, могут выступать ингибиторами роста для семян некоторых растений и в качестве защитных агентов в патогенезе растений.

5. Большое значение растительных пигментов и в жизни человека. Они нашли свое применения во многих сферах человеческой деятельности. Они широко применяются в пищевой промышленности, при производстве пищевых красителей, в медицине и косметологии, в сельском хозяйстве. Используются для синтеза витамина А (каротиноиды), являются мощными антиоксидантами. Входят в состав лекарственных средств для лечения большого количества заболеваний, даже используются для профилактики и лечения раковых заболеваний (бета-каротин (с другой стороны данный пигмент может увеличить вероятность раковых заболеваний у курильщиков)).