Kasvien piilotetut väriaineet

Kohderyhmä: Työ sopii lukioon kurssille KE2 poolisuuden yhteyteen tai KE1-kurssille ja yläkouluun erotusmenetelmien yhteyteen, jolloin poolisuuteen liittyviä tehtäviä ei käsitellä. (LOPS 2019 & POPS 2014)
Kesto: 60-75 min.
Motivaatio: Kasvien värit ovat mielenkiintoisia ja lähellä oppilaan arkipäivää, työ on erittäin havainnollinen ja herättää pohtimaan erilaisten kasvien väriaineita. Samalla hdään sovelluskohde erotusmenetelmän käytöstä ja havainnollistetaan poolisuuden merkitystä.
Tavoite: Tavoitteena on oppia kromatografia erotusmenetelmänä, ymmärtää poolisuuden merkitys kromatografiassa ja pohtia luonnon väriaineita kestävän kemian näkökulmasta.

Tarvikkeet

• Ohutkerroskromatografialevy ja ajoastia
• Kapillaariputki
• 2 mittalasi 10 ml
• Huhmare ja survin
• Suodatinpaperi
• Suppilo
• Petrimalja
• Sakset

Reagenssit

• Noin 3 g kasvien lehtiä
• Noin 15 ml asetonia
• 3 ml n-heksaania
• 7 ml dietyylieetteriä

Työturvallisuus / Huomiota ohjaajalle

Työ suoritetaan vetokaapissa. Työtä tehdessä tulee käyttää suojatakkia, -laseja ja -hanskoja.

Työssä käytettävät reagenssit ovat haihtuvia, herkästi syttyviä ja voivat aiheuttaa huimausta. Asetoni ärsyttää silmiä. Heksaani ärsyttää ihoa ja on haitallista vesieliöille. Dietyylieetteri on haitallista nieltynä. Roiskeet silmistä ja iholta huuhdellaan runsaalla vedellä. Tarvittaessa lääkäriin!

Käytetyt lehdet hävitetään biojätteisiin. Liuokset hävitetään orgaaniseen liuotinjätteeseen tai pieniä määriä voidaan haihduttaa vetokaapissa. Ohutkerroskromatografialevyt pakataan erilliseen muovipussiin ja laitetaan sekajätteeseen.

Pohdittavaksi ennen työtä

Työtä ennen suositellaan toteuttamaan paperikromatografia (työohje Lisätietoja-osiossa) kromatografian toimintaperiaatteen hahmottamiseksi.

• Mikä on paperikromatografiassa paikallaan pysyvä faasi? Entä liikkuva faasi?
• Mistä ruska johtuu?
• Missä lehtien väriaineet sijaitsevat?

Tausta

Värien monimuotoisuus on aina kiehtonut luonnontieteilijöitä, mutta vasta 1900-luvun alkupuolella alettiin ymmärtää kasvien väriaineisiin liittyvää kemiaa. Syynä tähän oli tarkoitukseen sopimattomat laboratoriovälineet ja menetelmät. Väriaineet esiintyvät luonnon materiaaleissa niin pieninä ainemäärinä, että niiden eristäminen oli vaikeaa ja vaikka eristäminen olisi onnistunut, puhtaita näytteitä ei kuitenkaan olisi pystytty analysoimaan käytössä olevilla menetelmillä riittävän tarkasti. Tarkkoihin määrityksiin olisi tarvittu paljon näytteitä. Vasta kromatografian kehittyminen antoi työkalut kasvien väriaineiden käsittelyyn laboratoriossa.

Nykyisin teollisuudessa hyödynnetään suurimmaksi osaksi synteettisiä eli keinotekoisesti valmistettuja väriaineita. Perinteisten, luonnosta peräisin olevista yhdisteistä valmistettujen väriaineiden käyttö on vähäistä. Luonnon väriaineista on kiinnostuttu uudelleen niiden mahdollisen ekotehokkuuden ja kiertotalouspotentiaalin takia. Myrkyttömät ja biohajoavat väriaineet voisivat mahdollistaa kestävämmät ratkaisut niin tekstiileissä, pakkauksissa kuin pinnoitteissakin.

Kasveissa on monia erilaisia väriaineita. Vihreän värin aiheuttaa lehtivihreä eli klorofylli. Keltaisen, oranssin ja punaisen värit johtuvat karotenoideista. Karotenoidit voidaan jakaa karoteeneihin ja ksantofylleihin. Karoteenit (kuva 1) ja ksantofyllit ovat molemmat rakenteeltaan samankaltaisia, isokokoisia kaksoissidoksia sisältäviä hiilivetyjä, mutta ksantofyllit sisältävät myös happea (kuva 2). Kuvan 1 beetakaroteeni on oranssinkeltainen ja kuvan 2 luteiini on keltainen. Kasvien siniset ja violetit värit aiheutuvat antosyaaneista.

Työssä hyödynnetään kromatografiaa kasvin väriaineiden erottamiseen toisistaan. Kromatografia on yhdisteiden puhdistamiseen, eristämiseen ja analysointiin käytetty erotusmenetelmä. Menetelmä perustuu tutkittavan näytteen yhdisteiden vuorovaikutukseen kahden eri faasin kanssa. Faaseista toinen pysyy paikallaan (paikallaan pysyvä faasi) ja toinen liikkuu (liikkuva faasi) määrättyyn suuntaan. Tutkittavan näytteen yhdisteet kulkeutuvat liikkuvan faasin mukana paikallaan pysyvää faasia pitkin eri nopeudella riippuen yhdisteiden kemiallisista ominaisuuksista, kuten poolisuudesta. Liikkuva faasi voi olla neste tai kaasu. Paikallaan pysyvä faasi on joko kiinteä aine tai neste. Kromatografisia menetelmiä ovat muun muassa paperikromatografia ja ohutkerrroskromatografia.

Ohutkerroskromatografiassa paikallaan pysyvänä faasina hyödynnetään ohutkerroskromatografialevyä, joka on pinnoitettu silikageelillä. Silikageeli on vettä sisältävää piioksidia (SiO2 · X H2O). Silikageeli on nimestään huolimatta kiinteää ja kovaa. Silikageelirakenteen pinnalla on hydroksyyliryhmiä, joten aine on poolinen. Liikkuva faasi on neste, joka kutsutaan ajoliuokseksi. Ajoliuoksen valinnalla voidaan vaikuttaa näytteen yhdisteiden erottumiseen. Tässä työssä käytetään heksaanin ja dietyylieetterin seosta. Kyseinen ajoliuos on vähemmän poolinen kuin paikallaan pysyvänä faasina toimiva silikageeli. Tämän takia työssä poolittomammat yhdisteet liikkuvat liikkuvan faasin mukana pidemmälle kuin poolisemmat yhdisteet.

Kokeellinen osio / Työn suoritus

• Punnitse noin 3 g kasvin lehtiä ja silppua ne saksilla huhmareeseen.
• Tee loput työvaiheista vetokaapissa. Lisää 10 ml asetonia ja hienonna lehtiä huhmareessa noin 10–20 min. Asetoni haihtuu hienonnuksen aikana, joten lisää sitä tarvittaessa pienissä määrissä (noin 2 ml / lisäys).
• Suodata seos suppilon ja suodatinpaperin avulla petrimaljalle. Ota suodos talteen.
• Valmista kromatografian ajoliuos sekoittamalla 3 ml n-heksaania ja 7 ml dietyylieetteriä ajoastiassa. Sulje ajoastia kannella ja anna ajoliuoksen kaasuuntua 5 minuuttia.
• Merkitse ohutkerroskromatografialevyyn pieni piste noin 1 cm alareunasta ja viiva 0,5 cm yläreunasta pehmeällä lyijykynällä. Pisteen kohta tulee valita siten, että ajon aikana pisteen kohdalle imeytetty näyte ei liukene ajoastian pohjalla olevaan ajoliuokseen. Huomaa, että imeytyksessä näyte leviää hieman pisteen alapuolelle. Merkitse yläreunaan tekijöiden nimikirjaimet 0,5 cm alueelle.
• Siirrä näytettä kapillaariputkella petrimaljalta pienen pisteen päälle. Suorita imeytys yhteensä 10 kertaa. Jos näyte on ehtinyt kuivua, lisää siihen pieni määrä asetonia ja sekoita varovasti.
• Siirrä levy ajoastiaan ja anna liuottimen nousta viivaan asti. Ajon jälkeen nosta levy ajoastiasta ja anna kuivua hyvin. Piirrä ja merkitse vyöhykkeet.

Pohdinta työn jälkeen

• Miksi kaikki työvaiheet lehtien silppuamista lukuun ottamatta tehtiin vetokaapissa?
• Mitä erotusmenetelmää hyödynnetään työvaiheessa, jossa lisätään asetonia? Miksi lehtiä hienonnettiin saksilla ja huhmareessa?
• Miten luonnosta peräisin olevat väriaineet sopivat kestävään kehitykseen ja kiertotalouteen?
• Mihin käyttökohteisiin biohajoavia väriaineita voisi hyödyntää?

Valitse oikea vaihtoehto väittämään:
Koska työssä paikallaan pysyvä faasi (silikageeli) on poolisempaa kuin liikkuva faasi (asetonin ja heksaanin seos), poolisempi väriaine nousee korkeammalle / jää alemmaksi kuin poolittomampi väriaine.
Vinkki: Samanlainen vetää puoleensa samanlaista

Tutki alla olevia väriaineiden rakennekaavoja ja päättele niiden perusteella kumpi parin vaihtoehdoista nousi ajon aikana korkeammalle ohutkerroskromatografialevyllä.

Korkeammalle nousi:

• Beetakaroteeni / luteiini
• Klorofylli a / klorofylli b

Toistat työohjeen mukaisen tutkimuksen punakaalille, jonka violetti väri johtuu antosyaaneista. Ajon jälkeen huomaat, että ohutkerroskromatografialevyyn imeytetty näyte ei ole liikkunut lainkaan. Mitä voit päätellä antosyaanien ominaisuuksista? Mitä sinun tulee tehdä, että ajo onnistuisi?

Lisätietoja

Paperikromatografian työohje

Tarvikkeet:

• Keitinlasi tai vesilasi
• Vesiliukoinen tussi, joka sisältää eri värisiä väriaineita
• Valkaistu suodatinpaperi
• Vettä

Leikkaa suodatinpaperista keitinlasiin sopiva suorakulmion muotoinen pala ja merkitse siihen noin 1 cm päähän alareunasta piste tussilla. Lisää keitinlasin pohjalle noin 0,5 cm vettä (mustepiste ei saa osua veteen, kun suodatinpaperipala laitetaan keitinlasiin). Laita suodatinpaperin pala keitinlasiin ja anna veden nousta noin 0,5 cm päähän paperin yläreunasta. Nosta pala pois keitinlasista ja anna kuivua.

Paperikromatografia perustuu näytteiden vesiliukoisuuteen. Vesiliukoiset yhdisteet kulkeutuvat veden mukana. Mitä vesiliukoisempi yhdiste on, sitä korkeammalle se kulkeutuu suodatinpaperissa.