罐頭的彩色化學

覆盆子的拚貼,試管和湯罐裏的彩色溶液

Iain A. smollie *, Iain L. J. Patterson*

英國聖安德魯斯,北哈夫,KY16 9ST

在過去的兩年裏,我們一直對將金屬離子水溶液加入到含有花青素的植物提取物中觀察到的各種顏色感興趣。我們專注於使用可以在家裏輕鬆采購和使用的材料。到目前為止,我們已經發現鐵、銅和鋁鹽可以與含水花青素提取物形成彩色絡合物。鋁尤其能產生令人印象深刻的效果(圖1)。1


圖1:例如與鋁的花青素配合物3 +.藍莓提取物(左)和含鋁的提取物3 +(右)。

在過去的100年裏,金屬花青素絡合物得到了大量的研究關注,這些興趣很大程度上是由於這些化合物在花的顏色中扮演著重要的角色。2 - 5最近,一些有趣的研究致力於尋找適合用於食品著色劑的花青素衍生物。6金屬離子和花青素之間形成的複合物可能具有非常複雜的結構,4、5因此,對它們的詳細描述超出了本文的範圍。然而,對於那些希望了解更多的讀者來說,這裏有很好的評論。4、5、7為了本文的目的,金屬離子和花青素之間的結合基序的簡化表示(圖2)是有用的。

圖2:花青素與金屬離子的簡化結合基序。R= H或碳水化合物取代基,X= H或OH。

在調查文獻時,我們注意到關於Sn效應的有趣參考文獻2 +離子對含有花青素溶液顏色的影響,2, 8, 9特別是在食品罐頭保存的背景下。8、920世紀初th世紀以來,用錫罐保存水果和蔬菜仍然是一項相對較新的技術,並在不斷改進。10 - 14事實上,“錫罐”不僅僅是由錫製成的,它們是由馬口鐵製成的,馬口鐵是在鋼板表麵塗上一層薄薄的錫金屬。在罐頭工業的早期,有關於罐頭腐蝕的文件問題,因此損壞的內容。10 - 14重要的問題包括:“膨脹”,內容物釋放的氣體可能導致容器膨脹到可能破裂的程度,罐內部的腐蝕形成金屬硫化物10、12 - 14在某些情況下,食品與罐頭內部的錫麵接觸後會變色。8我們對後一種觀察結果特別感興趣,因為它已經表明,在一些水果和蔬菜中,錫2 +離子會與存在的花青素複合,導致錫罐內容物的不希望的顏色。

我們從c·w·卡爾佩珀1927年發表的一篇論文中發現了一項非常有用的研究。8本文報道了一係列水果和蔬菜罐頭試驗的結果。卡爾佩珀詳細描述了儲存在錫罐中桃子的行為。這篇論文寫道:幾乎所有罐頭桃子都有不同程度的顏色,從淺粉色到深紫色不等”。研究發現,保留果皮和桃核的罐裝成熟桃子特別容易發生紫色/紫色變色。相比之下,在玻璃容器中保存不會導致明顯的變色。進一步的研究表明,用顆粒錫加熱桃核的水提取物,或添加氯化錫。”導致顏色變成深紫色”。卡爾佩珀從實驗中得出的結論是很明顯,在罐頭桃子中觀察到的紫色變色是由於罐頭中的錫和存在的花青素之間的反應”。圖3顯示了可能導致溶液中呈紫色的錫絡合物,盡管文中沒有顯示。15日16

圖3:Sn的可能結合2 +離子與cyanidin-3-O-glucoside

除了桃子,卡爾佩珀還研究了錫金屬與覆盆子和紅卷心菜之間的相互作用,8我們為自己的實驗選擇了這些物品,因為它們在當地的雜貨店很容易買到。我們的目標是複製1927年論文中的花青素實驗,以一種教育工作者可以利用這些實驗在我們吃的食物和用於確保罐頭食品能被妥善保存的化學原理之間建立聯係的方式。

樹莓的初步實驗

冷凍的樹莓被加熱到室溫,得到的樹莓提取物樣本被取出,然後用水稀釋。SnCl的2或SnCl4酸化覆盆子提取物,立即形成紫色/紫色溶液(圖4)。

圖4:樹莓提取物的初步實驗。一個=含鹽酸的覆盆子提取物,B=含SnCl的樹莓提取物2C=含SnCl的樹莓提取物2和鹽酸,D=含SnCl的樹莓提取物4和鹽酸。

這些觀察結果與我們的預期一致,但是所使用的錫化合物需要仔細操作,而且隻能從專業化學供應商那裏獲得。錫金屬更容易操作,也更安全,是用於馬口鐵罐內部的同一種材料,因此也嚐試了與錫的反應。將顆粒狀錫金屬添加到樹莓提取物和添加了亞硫酸鈉(Na2年代2O5).鈉的作用2年代2O5我們感興趣是因為一些果脯含有亞硫酸鹽作為防腐劑,預計在這些條件下可能會發生一些錫腐蝕形成錫硫化物。10從圖5中可以看出,24小時後,含有金屬錫的樹莓提取物樣品的顏色從紅色變為紫色,就像添加錫化合物時觀察到的一樣。為了使顏色發生變化,溶液中必須有可用的錫離子與花青素結合。樹莓提取物含有有機“果酸”,17這導致樹莓提取物的pH值通常為3到3.5,這些條件可以促進與馬口鐵罐內部的錫層反應。9

圖5:用覆盆子提取物做實驗。一個=覆盆子提取物,B=覆盆子提取物與顆粒錫,C=覆盆子提取物加甲亞硫酸鈉,D=覆盆子提取物,含甲亞硫酸鈉和顆粒錫,E用鹽酸酸化的樹莓提取物。

經甲亞硫酸鈉處理的提取樣品如預期的那樣出現漂白,1然而酸化的焦亞硫酸鈉溶液也顯示錫顆粒表麵有黑色/棕色物質(圖6)。這一觀察結果與錫硫化物的形成一致,據報道,這是過去罐頭食品中常見的問題。諾頓在20年代早期進行了一項詳細的早期研究th世紀,10人們注意到,梨罐頭可以用一種“液體”使其變色。重褐黑色存款”。對亞硫酸鈉水溶液(與水果和蔬菜中的酸混合)對金屬錫和焊料的影響的調查使諾頓得出結論:硫化氫被釋放出來,它可以與罐頭中的金屬發生反應,形成不需要的金屬硫化物。

圖6:硫化物沉積物覆蓋的粒狀錫的特寫圖片(含甲亞硫酸鈉的樹莓提取物和粒狀錫)

在罐頭裏放樹莓的實驗

圖4所示的結果鼓勵了進一步的實驗,目的是確定廢棄的罐頭是否可以用來誘導顆粒錫浸泡在樹莓提取物中所觀察到的紅色到紫色的變化。現代的易拉罐可以采用一係列的塗層來保護罐的內表麵不受內容物的腐蝕。13、14、18文獻表明,菠蘿、桃子和梨罐頭的內部很可能有一層裸露的錫塗層,18而許多其他酸性食品(如切碎的西紅柿)可能會使用漆塗層來保護錫的表麵。一個簡單的實驗,將菠蘿罐頭暴露在樹莓提取物中,結果如圖7所示。從冷凍漿果中提取的樹莓提取物被添加到易拉罐中(易拉罐在使用前用水清洗並烘幹),易拉罐側邊放置16小時,這確保了提取物與易拉罐側麵的有效接觸。顏色變化非常顯著,紅色的覆盆子提取物變成了濃鬱的紫色,在液體和金屬接觸點邊緣的馬口鐵表麵可以觀察到深紫色的殘留物。與樹莓提取物接觸過的金屬表麵與未接觸的金屬表麵明顯不同。

圖7:用廢棄的菠蘿罐做覆盆子提取物實驗。麵板一個B而且C所有這些都顯示了覆盆子提取物對罐頭內表麵的影響。麵板D顯示了從罐子中取出的紫色液體的樣本(用水稀釋)和原始紅樹莓提取物的比較樣本。

進一步的實驗比較了覆盆子提取物在有保護漆的食品罐頭中的效果。我們選擇了一個廢棄的碎番茄罐,因為它的內部表麵有獨特的白色漆。圖8顯示了將覆盆子提取物儲存在塗漆罐中16小時後的結果,與丟棄的沒有相同保護塗層的烤豆罐進行對比。受保護的易拉罐沒有任何顏色變化或內部表麵損壞,而烤豆易拉罐內部有腐蝕的跡象,覆盆子提取物從紅色變為紫色/紫色。

圖8:對廢棄罐頭中的樹莓提取物的進一步實驗。一個番茄罐頭裏的覆盆子提取物B=烘豆罐裏的覆盆子提取物,C=用番茄罐浸泡16小時後,D=在烘豆罐中放入覆盆子提取物16小時後。麵板E而且F展示16小時後從番茄罐(左側)和烤豆罐(右側)中提取的覆盆子提取物樣品。

紅卷心菜的實驗

除了成功地用覆盆子提取物製成彩色錫配合物外,我們還研究了紅甘藍的水提取物。紅白菜經常被教育者用於各種教學活動。1日19用它作為花青素為基礎的pH值指示劑特別受歡迎。19在這種情況下,卷心菜提取物與樹莓進行了有趣的比較,因為卷心菜提取物的酸性明顯較低。圖9顯示,紅甘藍提取物暴露於錫金屬不易在室溫下形成紫色錫絡合物(即使幾天後),除非添加酸。檸檬酸被發現可以得到紅色/紫色的卷心菜提取物,而加入2M HCl可以得到更紫/紫色的溶液。

圖9:用紅甘藍提取物進行實驗,所有溶液在7天內進行監測,24小時內顏色開始發生明顯變化。一個=紅甘藍提取物,B=紅甘藍提取物與顆粒錫,C=用2M HCl酸化的紅白菜提取物,D=紅甘藍提取物與顆粒錫和檸檬酸酸化,E=紅甘藍提取物與顆粒錫和2M HCl酸化。

在含有酸化的焦亞硫酸鈉(Na2年代2O5)(圖10)。這種情況下的結果與樹莓非常相似,花青素最初被漂白,然後在錫顆粒表麵觀察到黑色/棕色的硫化物沉積。這個結果與諾頓的實驗是一致的,10他最初的研究指出,隻要溶液中存在酸和亞硫酸鹽,無論是否存在花青素,錫片和錫焊料都會形成硫化物沉積。

圖10:漂白紅甘藍提取物的實驗。一個=大白菜提取物,含甲亞硫酸鈉,B=大白菜提取物,含甲亞硫酸鈉和2M HCl。

在廢棄的食品罐中重複使用紅甘藍提取物進行覆盆子實驗,盡管在這種情況下,溶液通過添加5-6滴2M HCl酸化(圖11)。16小時後,觀察到兩罐都含有紅色溶液,這表明沒有與錫離子發生反應。然而,經過仔細檢查,被選中的芸豆罐頭(因為它沒有上漆)的錫表麵有一層薄薄的聚合物材料塗層。發現用螺絲刀劃傷塗層很容易損壞。然後讓酸性卷心菜提取物接觸暴露的金屬表麵16小時,在這種情況下,觀察到預期的紫色提取物。劃傷罐子的內表麵,也會暴露馬口鐵層下麵的一些鋼鐵。先前對鐵鹽的實驗表明,由卷心菜提取物形成的複合物會變成深藍色,在某些情況下幾乎是黑色的(這可能在某種程度上取決於單寧的存在)。1該提取物暴露於金屬的紫外可見吸收光譜在輔助信息文件中提供。(當讀者登錄ChemEd X賬戶時,可以在本文的結尾處找到支持信息。)

圖11:用廢棄罐頭酸化紅甘藍提取物的實驗。一個=番茄罐中的紅卷心菜提取物(16小時後)B=擦過的芸豆罐頭中的紅甘藍提取物(16小時後)C=在芸豆罐內部留下的劃痕,暴露了馬口鐵的表麵。D=經過16小時後,從番茄罐(左側)和芸豆罐(右側)中提取紅甘藍提取物。

梨汁中錫離子的檢測

當我們為實驗收集食物罐時,我們注意到兩個其他方麵完全相同的梨罐內部表麵的差異。其中一個罐頭上標著2023年“最佳食用前”的日期,另一個則標著2021年的日期。舊的易拉罐顯示出一些輕微的腐蝕跡象(圖12,麵板A),而另一個易拉罐(圖12,麵板B)沒有顯示出內部表麵有很多缺陷的跡象。我們推斷,舊罐子裏的錫可能更多2 +離子在溶液中,這些可以通過添加花青素的來源來檢測。將紅甘藍提取物加入兩罐梨汁中,就會產生紫/紫的顏色,正如我們在之前的錫鹽實驗中觀察到的那樣。舊罐子裏的梨汁/提取物混合物的顏色明顯比新罐子裏的顏色深(圖12,麵板E和F)。

圖12:梨汁和卷心菜提取物的實驗。一個=舊梨罐的錫麵(鏽蝕區域突出顯示),B=新梨罐的錫麵,C=卷心菜提取物加醋酸,D=甘藍提取物,E=舊罐子裏的梨汁和卷心菜提取物,F=新罐子裏的梨汁和卷心菜提取物。

總結

我們開始複製20年代早期進行的實驗th世紀以來,我們一直在研究為什麼某些食物在長時間接觸馬口鐵罐後會變色。這些實驗現在已經被重複和簡化了,因此教育者可以很容易地用花青素製成彩色錫絡合物,材料可以在大多數雜貨店買到,而不需要從專業供應商那裏購買化學品。在這些實驗中錫的來源來自用過的罐頭,罐頭可以衝洗和回收一旦活動完成。我們已經選擇了樹莓和紅甘藍提取物作為我們的研究,然而,我們希望許多其他的花青素來源(來自水果,蔬菜或花)也可以被使用。在流通中的錫板食品罐也有許多不同的類型,它們之間的主要區別是內部金屬表麵是否有額外的保護塗層。我們認為這些變量可以為進一步的研究提供範圍,並為課堂或科學俱樂部的教育者做一係列開放式實驗。例如,除了測試食品罐頭的選擇,這一活動的延伸可以檢查商業上可獲得的錫焊錫對花青素豐富提取物的影響。

危害和處理

這些活動建議佩戴安全眼鏡。允許使用的任何物質接觸到皮膚或眼睛。

所有的溶液都應該用水稀釋,然後用大量的水衝洗水槽就可以處理掉。用過的易拉罐應該用當地的設施衝洗和回收。

確認

我們要特別感謝貝德福德女子學校的伊澤貝爾·埃佛勒斯。Isobel通過她的#Gardenindicators活動給了我們巨大的啟發,她非常鼓勵我們,並為本文中描述的實驗提出了非常有用的建議。我們還要感謝我們所有的家庭成員,他們為我們的實驗提供了各種各樣的錫罐,這些被證明是非常有用的!

支持信息,(登錄您的ChemEd X帳戶訪問。沒有賬戶?提供了在廢棄易拉罐中進行實驗的實驗程序(和安全信息)。此外,還提供了相關提取物的紫外可見光譜。

參考文獻

  1. 紅甘藍水提取物:不僅僅是pH值指示器//www.gmsyb.com/article/aqueous-red-cabbage-extracts-more-just-p..。(訪問2nd2022年6月)。
  2. 柴田k;柴田則y;《花青素的研究:花青素的顏色變異》。j。化學。Soc。1919, 41(2), 208-220。
  3. Kajiya, D.通過展示鋁離子和pH值對花青素水溶液的高度視覺效果,向學生展示紫色的發展。j .化學。建造.,2020地球物理學報,46(11),4084-4090。
  4. 吉田,k;森先生;“由花青素發展的藍色花朵顏色:從化學結構到細胞生理學”。Nat。刺激。代表.,2009, 26歲,884 - 915。
  5. 伊藤、t;青木,d;福島,k;繡球花萼片組織中藍複合體的直接定位繡球花macrophylla。科學。代表.,20195450年,9日。
  6. 丹麥語,p . r .;風閣J-N。權力,r;Sigurdson g . t .;l . Grisanti);古根海姆,k . g .;Laporte,美國;李,j .;近藤,t;Magistrato, a; Moloney, M. P.; Riley, M.; Rusishvili, M.; Ahlmadiani, N.; Baroni, S.; Dangles, O.; Giusti, M.; Collins, T. M.; Didzballs, J.; Yoshida, K. Siegel, J. B.; Robbins, R. J. “Discovery of a natural cyan blue: A unique food-sourced anthocyanin could replace synthetic brilliant blue”.科學。阿德.,20217871年,7日。
  7. 克魯茲,l;Baslio:;Mateus:;de Freitas訴;天然和合成黃酮基染料:顏色背後的化學作用”。化學。牧師。2022(1), 1416-1481。
  8. 《花青素顏料在罐頭中的行為》,農業研究雜誌1927, 35歲,107 - 132。
  9. 鹽,f·w·;《花青素溶液和水果糖漿中錫的厭氧腐蝕》,j:化學.,1957地球物理學報,7(5),231-238。
  10. 諾頓,f。"罐頭水果和蔬菜變色"j。化學。Soc.,1906, 28(10), 1503-1508。
  11. Blum, W.“用金屬塗層防止腐蝕”,j .化學。建造1927, 4(12), 1477-1487。
  12. 泰勒,L. V.《罐頭及相關工業的科學》,j .化學。建造。1947學報,24(11),558-560。
  13. Deshwal k . g .;《金屬包裝綜述:材料、形式、食品應用、安全和可回收性》,j .食品科學。拋光工藝.,2020, 57(7), 2377-2392。
  14. 這裏列出了馬口鐵使用和製造的許多方麵的詳細指南https://www.tinplategroup.com/wp-content/uploads/2019/08/Guide-toTinplat..。(訪問2nd2022年6月)。
  15. 拉希姆·m·a·;Busatto:;桃果實中花青素的調節足底2014, 240(5), 913-929。
  16. 劉,h;曹,k;朱,g;方,w;陳,c;王,x;“基於重測序方法的桃紅肉性狀全基因組關聯分析”j·阿。Soc。長的矮。科學。2019(3), 913-929。
  17. 思考,a;有機和常規生產的不同樹莓品種的營養價值和維生素C含量食品成分與分析雜誌,2020, 87, 103429。
  18. 食品和飲料罐頭塗料:問題和選擇”。Int。J.技術、政策和管理2013, 13(1), 80-95。
  19. Fortman j。j;斯塔布斯,K. M.“用紅卷心菜指示器演示”。j .化學。建造.,1992, 69(1), 66。

安全

一般的安全

實驗室工作:請參考ACS

演示:請參閱美國化學學會化學教育處

其他安全資源

:識別危害;評估危害的風險;將危害的風險降至最低;準備緊急情況

加入談話。

所有評論必須遵守ChemEd X評論策略,均須審閱,並可能編輯。如果您的意見被接受,請給您一個工作日的時間張貼。

評論4

依奇Lattke|星期三,07/06/2022 - 18:33

嗨,伊恩,

這是我找到的關於有趣的花青素化學的第二頁。我正在考慮把一些複雜的配位化學加入到我今年秋天要教的關於顏色化學/物理的遺傳課程中。看起來我發現了——等不及去商店買一些罐頭和漿果。謝謝你把這個放出來!

伊恩的照片了
伊恩了| 2022年8月7日- 18:31

嗨,Izzy,我很高興你喜歡花青素化學,我們喜歡做這些實驗,錫罐裏的覆盆子絕對是很有趣的工作!我希望你的實驗能順利進行,想知道結果如何就太好了。我們最近在烤豆罐頭裏嚐試了一種,我們讓冰凍的覆盆子在罐頭裏解凍,所以所有的果實組織都還在。第二天,所有的液體都是紫色的,外殼也是紫色的。我很想用蜜桃核重現1927年的實驗,但我還沒有收集到足夠多的蜜桃核。我們的暑期學校很快就要開學了,希望我們能有更多的成果來分享。我們的水果季還有一段時間,所以希望我們能嚐試更多的錫罐漿果。

所有最好的!

伊恩•

伊恩的照片了
伊恩了2022年3月8日星期三- 15:53

自從我們報道了錫罐裏的樹莓和卷心菜之後,我們就開始研究花朵了(現在有這麼多盛開的花朵!)這是一個樣品的紅色海棠提取物,它是天然的酸性很強。就像樹莓一樣,提取物與錫板(左邊的罐頭)反應,但不與保護錫板(右邊的罐頭)反應。

伊恩的照片了
伊恩了太陽,2022年8月7日- 04:40

在研究這一課題時非常有用的一篇論文是關於桃子罐頭變色問題的。據透露,果皮和果核是問題的根源。在這裏,我用氯化錫和明礬處理了油桃核的提取物。希望我也能在罐頭裏得到反應。

Baidu
map