Kasvien väriaineet ph-indikaattoreina ruoanvalmistuksessa

Transkriptio

1 LUMAT 1(2), 2013 Kasvien väriaineet ph-indikaattoreina ruoanvalmistuksessa Heli Motturi Akaan lukio, Akaa Sari Slawuta Hirvialhon koulu, Akaa Sirpa Salkunen Etelä-Hervannan koulu, Tampere Petra Rajala Etelä-Hervannan koulu, Tampere Tiivistelmä Ruuanvalmistuksessa happamuuden säätely tulee esille aika usein. Etikkasäilykkeiden, marinoinnin ja ruokasoodan käytön yhteydessä on luontevaa puhua ruuan happamuudesta. Melko harvoin tullaan ajatelleeksi, että ruoan happamuudella on vaikutusta ruoan väriin ja samalla sen houkuttelevuuteen. Erityisesti teollisesti valmistetuissa tuotteissa värillä on olennainen merkitys. Liian tumma tai liian vaalea marjahillo- tai mehu ei vaikuta tuoreelta eikä houkuttelevalta. Moni helposti värinsä menettävä tai värinsä vaihtava elintarvike sisältää luonnon omia ph-indikaattoreita eli antosyaaneja. Tämän artikkelin kuvaamassa työpajassa tutustutaan antosyaanien värinmuutoksiin eri ruokaohjeiden avulla. Antosyaaneista riittää puhuttavaa kemian tunneilla, sillä indikaattoriominaisuutensa lisäksi antosyaanit ovat flavonoideja sekä elintarvikelisäaineita. Työohjeet on suunnattu lähinnä luokkalaisille. Antosyaaneihin liittyvä kemian teoriaosuus sopii haastavuutensa takia myös lukioon. Tässä artikkelissa esitellään kokeelliseen työskentelyyn motivoiva demonstraatio sekä kaksi vaihtoehtoista työohjetta. 1. Työpajan tavoite Työn tavoitteena on perehdyttää oppilaat happamuus- ja indikaattorikäsitteisiin elintarvikkeiden näkökulmasta. Perusopetuksen opetussuunnitelmien perusteissa (Opetushallitus, 2004) mainitaan luokkien kemian keskeisissä sisällöissä käsitteet happamuus ja emäksisyys, joita voidaan tutkia indikaattorien avulla. Antosyaanit ovat luonnonindikaattoreita. Kotitalouden sisällöissä painotetaan ravitsemussuosituksia ja terveellistä ruokaa sekä ruoan laatua ja turvallisuutta. Antosyaanien käyttö lisäaineina liittyy luontevasti näihin sisältöihin. Antosyaanien lisäainekäyttöä voi käsitellä myös kemian tunneilla. Kotitaloudessa tämän aiheen voisi hyvin käsitellä samalla, kun tutustutaan lisäaineisiin, joko kahdeksannella tai yhdeksännellä luokalla.

2 MOTTURI ET AL. 2. Kokeellinen osuus 2.1. Motivoiva aloitusdemonstraatio Motivoivassa aloitusdemonstraatiossa kaadetaan limsaa läpinäkyviin laseihin. Lasien pohjalle on lisätty valmiiksi eri aineita, jotka muuttavat limsan happamuutta. Punaisin eli happamin juoma sisältää suolahappoa (HCl) ja keltaisin natriumhydroksidia (NaOH) (Kuva 1). Muut värit on saatu aikaan eri määrillä ruokasoodaa (NaHCO 3). Happamuus laseissa vaihtelee välillä ph 1 ph 11. Juomat eivät sovi tietenkään maisteltaviksi, mutta värien avulla voidaan herätellä kysymyksiä. Punaisin eli happamin limujuoma on tehty suolahapolla ja keltaisin natriumhydroksidilla. Välissä olevat värit on saatu aikaan ruokasoodalla. Oppilaat saavat pohtia vastauksia kysymyksiin: Mikä juomista on houkuttelevimman värinen? Mistä värinmuutokset voisivat johtua? Kuva 1. Erikoisen väristä limpparia Kokeellinen työ 1: Erivärisiä marenkeja Kokeellisen työn voi toteuttaa esimerkiksi 8. tai 9. luokan kemian tai valinnaisen kotitalouden kaksoistunnilla (2 45 min). Tässä kokeellisessa työssä opitaan valkuaisvaahdon valmistus sekä valkuaisen ph:n muutoksen merkitys mustikan väriin. Mustikka sisältää luonnonindikaattoreina toimivia antosyaaneja. Opetusryhmän oppilaat voivat työskennellä pareittain. Yksi pari valmistaa vain yhden värisiä marenkeja: valkoisia, sinisiä tai punaisia. Jokaiselle parille on hyvä antaa erillinen

3 KASVIEN VÄRIAINEET PH-INDIKAATTOREINA RUOANVALMISTUKSESSA valmistusohje ja muistuttaa, että tekevät työnsä heille annetun ohjeen mukaan. Toista paria ei kannata matkia, koska heidän marenkiohjeensa saattaa olla erilainen. Ennen aloitusta on hyvä kerrata, miten kananmunan valkuainen ja keltuainen voidaan erottaa toisistaan. Marenkien onnistumisen kannalta on myös tärkeää, ettei valkuaisen joukossa ole yhtään keltuaista eivätkä vatkausvälineet ole rasvaisia. Rasvan läsnäolo häiritsee, jopa estää valkuaisvaahdon muodostumisen (Vilhunen, 2012). Lasinen tai teräksinen kulho on parempi valinta kuin muovikulho, johon rasvaa jää helpommin kiinni kulhon pesusta huolimatta. Vaikka vesi ei estäkään valkuaisvaahdon muodostumista, voi oppilaat ohjata ottamaan sekä puhtaat että kuivat vatkausvälineet (vatkauskulho ja vatkaimet). Paistamisen jälkeen on hyvä vertailla lopputuloksia katsellen ja maistellen. Kuva 2. Siniset marengit ennen paistamista. Valkoiset marengit (4:lle) Työvälineet: kulho, vatkaimet, sähkövatkain, 1 dl mitta, indikaattoripaperia, pursotin, uunipelti ja leivinpaperi, kynä Aineet: valkuainen 3/4 dl tomusokeria Toimi näin: 1. Mittaa valkuaisen ph indikaattoripaperilla. Valkuaisen ph on. 2. Vatkaa valkuainen kovaksi vaahdoksi sähkövatkaimella. Lisää tomusokeri seokseen sirotellen vatkauksen loppuvaiheessa. Jatka vatkaamista sirottelun ajan. 3. Mittaa valmiin marenkivaahdon ph indikaattoripaperilla. Valmiin marenkivaahdon ph on. 4. Pursota marengit pellille. 5. Paista marengit uunissa miedolla lämmöllä (n. 60 C), kunnes marengit ovat kuivia ja irtoavat leivinpaperista.

4 MOTTURI ET AL. Lisätiedoksi opettajalle: Mallityössä käytetyn valkuaisen ph oli 10. Kun valkuainen vatkattiin ja siihen lisättiin sokeria, ph laski (ph 8). Kananmunien ph vaihtelee ja riippuu kananmunan iästä: mitä vanhempi kananmuna, sen emäksisempi. Siniset marengit (4:lle) Työvälineet: kulho, vatkaimet, sähkövatkain, 1 dl mitta, 1 tl mitta, indikaattoripaperia, pursotin, uunipelti ja leivinpaperi, kynä Aineet: valkuainen 3/4 dl tomusokeria 15 ml (3 tl) mustikkamehua Toimi näin: 1. Mittaa valkuaisen ph indikaattoripaperilla. Valkuaisen ph on. 2. Vatkaa valkuainen kovaksi vaahdoksi sähkövatkaimella. Lisää tomusokeri seoksen joukkoon sirotellen vatkauksen loppuvaiheessa. Jatka vatkaamista sirottelun ajan. 3. Lisää mustikkamehu valmiiseen marenkivaahtoon. 4. Mittaa valmiin marenkivaahdon ph indikaattoripaperilla. Valmiin marenkivaahdon ph on. 5. Pursota marengit pellille (Kuva 2). 6. Paista marengit uunissa miedolla lämmöllä (n. 60 C), kunnes marengit ovat kuivia ja irtoavat leivinpaperista. Lisätiedoksi opettajalle: Valmiiseen marenkivaahtoon (ph 8) lisättiin 15 ml mustikoista puristettua mehua, jolloin ph laski lisää (ph 7). Tästä vaahdosta valmistettiin siniset marengit. Vaaleanpunaiset marengit (4:lle) Työvälineet: kulho, vatkaimet, sähkövatkain, 1 dl mitta, 1 tl mitta, indikaattoripaperia, pursotin, uunipelti ja leivinpaperi Aineet: 1 valkuainen 3/4 dl tomusokeria 15 ml (3 tl) mustikkamehua 5 ml (1 tl) sitruunamehua

5 KASVIEN VÄRIAINEET PH-INDIKAATTOREINA RUOANVALMISTUKSESSA Toimi näin: 1. Mittaa valkuaisen ph indikaattoripaperilla. Valkuaisen ph on. 2. Vatkaa valkuainen kovaksi vaahdoksi sähkövatkaimella. Lisää tomusokeri seokseen sirotellen vatkauksen loppuvaiheessa. Jatka vatkaamista sirottelun ajan. 3. Lisää valmiiseen vaahtoon mustikkamehu. Sekoita. 4. Lisää joukkoon vielä 5 ml sitruunamehua. Sekoita. 5. Mittaa valmiin marenkivaahdon ph indikaattoripaperilla. Marenkivaahdon ph on. 6. Pursota marengit pellille. 7. Paista marengit uunissa miedolla lämmöllä (n. 60 C), kunnes marengit ovat kuivia ja irtoavat leivinpaperista. Lisätiedoksi opettajalle: Mustikkamehua sisältäneeseen marenkivaahtoon (ph 7) lisättiin vielä 5 ml sitruunamehua, jolloin ph laski entisestään (ph 4). Tästä vaahdosta valmistettiin vaaleanpunaiset marengit Kokeellinen työ 2: Erivärisiä punasipuleita Kokeellisen työn voi toteuttaa esimerkiksi kemian tai kotitalouden 8. tai 9. luokan kaksoistunneilla (2 45 min). Tässä kokeellisessa työssä tutustutaan kypsennyksen ja ruoanvalmistuksessa lisättävien erilaisten aineiden vaikutukseen punasipulin ph-arvoon ja väriin. Opettaja valmistaa etukäteen tai aloitusdemonstraationa kolmea eriväristä punasipulia. Ensin sipulit kuoritaan, pilkotaan ja paistetaan kevyesti pannulla. Sipuleihin lisätään hiukan suolaa ja hunajaa. Paistetut sipulit jaetaan kolmeen astiaan, joista yhteen laitetaan hieman etikkaa (esimerkiksi valkoviinietikkaa), toiseen hieman ruokasoodaa ja kolmanteen ei mitään. Sipuleita vertaillaan ulkonäöllisesti ja pohditaan, mikä näyttää houkuttelevalta ja mikä ei (Kuva 3). Tämän jälkeen sipuleita voidaan maistella esimerkiksi paahtoleivän päällä ja vertailla makua ja rakennetta uudelleen. Etikka muuttaa sipulit vieläkin punaisemmaksi, ruokasooda taas Kuva 3. Erivärisiä punasipuleita.

6 MOTTURI ET AL. vihertäväksi. Sellaisenaan paistetut sipulit menettävät osan punaisesta väristään ja muuttuvat harmahtavan sävyisiksi. 3. Kemiallinen tausta Tämän artikkelin kokeellisissa töissä havaitaan ruuanvalmistuksessa tapahtuvia phmuutoksia ja luonnon antosyaani-indikaattoreiden värinmuutoksia. Näiden ilmiöiden kemiallinen tausta kannattaa opettaa aina kunkin luokkatason opetussuunnitelman mukaisesti (Opetushallitus, 2003, 2004) Hapot ja emäkset Brønstedin ja Lowryn kehittämän teorian mukaan happo on aine, joka luovuttaa protonin H +. Emäs on vastaavasti protonin vastaanottaja. Happo-emäsreaktiossa happo luovuttaa protonin emäkselle. Vesiliuoksessa vesi voi toimia happona tai emäksenä. Happojen vesiliuokseen muodostuu oksonium-ioneja (H 3O + ) ja emäksisten aineiden vesiliuokseen muodostuu hydroksidi-ioneja (OH ). (Atkins & Jones, 2002) Kokeellisten töiden elintarvikkeissa esiintyvät etikkahappo, sitruunahappo ja mustikkamehun hapot (omenahappo ym.) ovat heikkoja orgaanisia happoja, jotka dissosioituvat eli hajoavat vesiliuoksessa vain osittain. Motivoivassa aloitusdemonstraatiossa (luku 2.1) happamin juomista on saatu aikaan 10 % suolahapolla (HCl), joka on vahva happo ja hajoaa vesiliuoksessa kokonaan. Käytännössä värinmuutos saataisiin aikaan myös etikkahapolla, mutta silloin pitäisi käyttää väkevämpää liuosta. Emäksenä kokeellisissa töissä on käytetty ruokasoodaa (NaHCO 3), joka on heikko emäs ph-indikaattorit Vesiliuosten happamuutta ilmaistaan ph-luvun avulla. ph-asteikko muodostuu H 3O + - konsentraatiosta logaritmisesti: ph = lg[h 3O + ] ja [H 3O + ] = 10 ph mol/dm 3 Kun liuoksen ph laskee yhdellä yksiköllä, kasvaa oksoniumionien konsentraatio ([H 3O + ]) kymmenkertaiseksi. Puhtaan veden ph on 7,0, kun lämpötila on 25 C. Jos liuoksen ph on alle 7, on kyseessä hapan liuos, ph 7 on neutraali liuos ja ph:n ollessa yli 7 kyseessä on emäksinen liuos. ph:ta voidaan mitata ph-mittarilla, ph-paperilla tai ph-indikaattorin avulla. Liuoksen happamuutta voidaan mitata tarkasti ph-mittareilla ja melko tarkasti ph-paperin avulla. Yksittäisen indikaattorin värinmuutoksen avulla pystytään määrittämään tietty ph-alue sekä yleisesti, onko vesiliuos hapan vai emäksinen.

7 KASVIEN VÄRIAINEET PH-INDIKAATTOREINA RUOANVALMISTUKSESSA ph-indikaattorit ovat aineita, joiden väri muuttuu vesiliuoksen happamuuden vaihtuessa. Yleensä indikaattorit ovat orgaanisia heikkoja happoja tai emäksiä. Indikaattorimolekyylin rakenne muuttuu, kun se luovuttaa tai vastaanottaa protonin. Uusi rakenne saa indikaattorimolekyylin absorboimaan valoa eri aallonpituudella kuin aikaisemmin, ja tämä havaitaan liuoksen värin muuttumisena (Chandrasekaran, 2001). Indikaattoreiden värinmuutosalue vaihtelee. Laboratoriossa käytössä olevia indikaattoreita ovat muun muassa fenoliftaleiini, bromitymolisininen (BTS) ja viherpunaindikaattori. Useat luonnosta saatavat aineet toimivat myös indikaattoreina. Punaiset tai sinipunaiset marjat, kasvikset ja kukat sisältävät antosyaaneina tunnettuja aineita, joiden tiedetään olevan luonnonindikaattoreita. Tämän artikkelin kokeellisissa töissä luonnonindikaattoreina käytettiin mustikkaa ja punasipulia Antosyaanit Antosyaani on yhteisnimitys kasvien solunesteessä ilmeneville vesiliukoisille sinipunaisille, sinisille ja punaisille flavonoidiväriaineille. Antosyaaneja esiintyy mm. mustikassa, mustaviinimarjassa, vadelmassa, mansikassa, punakaalissa, punasipulissa, sinisessä viinirypäleessä ja niin edelleen. Sana antosyaani tulee kreikan kielen sanoista anthos eli kukka ja kyanos eli sininen. Kasvit syntetisoivat eli valmistavat antosyaaneja sokerista ja aminohapoista auringonvalon avulla. (Hopia, 2008; Flavonoidien terveysvaikutukset, 2012; Töyrylä, 2012) Antosyaanien rakenne Antosyaaneja tunnetaan noin 500 erilaista. Runsas erilaisten antosyaanien määrä johtuu perusrunkoon kiinnittyneiden yhdisteiden moninaisuudesta. Antosyaanien rakenne perustuu flavylium-ioniin, jossa on seitsemän mahdollista sivuryhmää. Flavylium-ionin sivuryhmät ovat joko vetyjä ( H), hydroksidiryhmiä ( OH) tai metoksiryhmiä ( OCH 3). Antosyaanit voivat sisältää yhden tai useampia sokeriryhmiä. Sokeriryhmillä on muutamia vaihtoehtoisia paikkoja rakenteessa. Perusrunkoon kiinnittyneitä sokereita ovat esimerkiksi glukoosi, galaktoosi, arabinoosi, ramnoosi ja rutinoosi. Kuva 4. Mustikan sisältämän antosyaaninin, delfinidiinin rakenne.

8 MOTTURI ET AL Antosyaanit indikaattoreina Antosyaanien rakenne muuttuu ympäröivän liuoksen ph:n mukaan, ja tämän seurauksena myös antosyaanien väri muuttuu. Värinmuutos punaisesta siniseksi tai vihreäksi tapahtuu liuosten muuttuessa happamasta emäksiseksi. Hyvin vahvat emäkset saattavat pelkistää indikaattorina toimivan antosyaanin, jolloin sen väri muuttuu keltaiseksi. Antosyaanien rakenteessa flavylium-ioni reagoi ympäröivän liuoksen happamuuteen. Kuvassa 5 esitellään reaktiomekanismi, jonka antosyaanien sisältämä flavylium-kationi käy läpi happamuuden muuttuessa. Kuva 5. Flavylium-kationin värin ja rakenteen mahdolliset muutokset liuoksen happamuuden muuttuessa (perustana Barham et al., 2010; Sirkiä, 2013) Antosyaanien käyttö Antosyaanien käyttöä väriaineina rajoittaa niiden herkkyys happamuusarvojen vaihteluille. Värin häviämistä voi aiheuttaa myös lämpötilan muutos, happi tai UV-säteily. Antosyaanit eivät ole värinkestoltaan erinomaisia, joten varsinaisessa väriteollisuudessa niitä käytetään hyvin vähän. Antosyaaneja käytetään pääasiassa elintarviketeollisuudessa elintarvikeväreinä: hilloissa, karamelleissa, juomissa (kuten viini) ja jälkiruokavalmisteissa. Antosyaanien lisäainekoodi elintarvikkeissa on E 163. Myös kosmetiikkateollisuus käyttää jonkin verran antosyaaneja väriaineina tai antioksidantteina estämässä ja hidastamassa kosmetiikkatuotteiden hapettumista. (Hintsanen, 2000) Lähteet Aroluoma, I., Kanerva, K., Karkela, L,. Lampiselkä, J., Mäkelä, R., Sorjonen, T., & Vakkilainen, K. (2007). Kemisti 5. Reaktiot ja tasapaino. Helsinki: WSOY. Atkins, P., & Jones, L. (2002). Chemistry: Molecules, Matter, and Change. Fourth Edition. W.H. Freeman and Company.

9 KASVIEN VÄRIAINEET PH-INDIKAATTOREINA RUOANVALMISTUKSESSA Barham, P., Skibsted, L. H., Bredie, W. L. B., Frøst, M.B., Møller, P., Risbo. J., Mortensen, L. M. (2010). Molecular Gastronomy: A New Emerging Scientific Discipline. Chemical Reviews 110(4), Chandrasekaran, J. (2001). Chemistry of Colours. Resonance: Journal of Science Education 6(3), Luettu osoitteesta Flavonoidien terveysvaikutukset. (2012). Luettu osoitteesta Hintsanen, P. (2000). Coloria: Antosyaanit. Luettu osoitteesta Hopia, A. (2008). Kemiaa keittiössä. Helsinki: Nemo. Opetushallitus. (2003). Lukion opetussuunnitelman perusteet Helsinki: Opetushallitus. Opetushallitus. (2004). Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet Helsinki: Opetushallitus. Töyrylä, L. (2012). Argumentaation tukeminen yläasteen happamuuden kemian opetuksessa molekyyligastronomiaa soveltaen. Pro gradu -tutkielma, Helsingin yliopisto, Kemian laitos, Kemian opettajankoulutusyksikkö. Vilhunen, A.-S. (2012). Kehittämistutkimus: Tutkimuksellinen proteiinien opiskelu molekyyligastronomian kontekstissa. Pro gradu -tutkielma, Helsingin yliopisto, Kemian laitos, Kemian opettajankoulutusyksikkö.