Применение хлорофилла

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет Кафедра технологии пищевых продуктов и биотехнологии Применение хлорофилла Выполнила:

студентка гр. 1−128

Лазовенко И.А.

Иваново, 2013

Содержание Введение

1. Физико-химические свойства

2. История открытия

3. Применение хлорофилла Список цитируемых источников

Введение

Хлорофилл, (от греческого chloros — зеленый и phyllon — лист), зеленый пигмент растений, с помощью которого они улавливают энергию солнечного света и осуществляют фотосинтез[1]. По внешнему виду — воскоподобное вещество от оливково-зелёного до тёмно-зелёного цвета в зависимости от сырья и содержания ионов магния. В органических растворителях, например в дихлорметане, хлорофилл образует раствор зелёного цвета[2]. В высших растениях и водорослях хлорофилл локализован в особых клеточных структурах — хлоропластaх и связан с белками и липидами этих структур. Хлоропласты высших растений и зеленых водорослей содержат два типа хлорофиллов, близких по структуре молекул, — хлорофиллы a и b.

Другие фотосинтезирующие водоросли и фотосинтезирующие бактерии имеют иной набор пигментов. Например, бурые и диатомовые водоросли, криптомонады и динофлагелляты содержат хлорофиллы a и c, красные водоросли — хлорофиллы, а и d. Следует отметить, что реальность существования хлорофилла d в красных водорослях оспаривается некоторыми исследователями, которые полагают, что он является продуктом деградации хлорофилла а.

В настоящее время достоверно установлено, что хлорофилл d — основной пигмент некоторых фотосинтезирующих прокариотов. Среди прокариотов цианобактерии (сине-зеленые водоросли) содержат только хлорофилл a, прохлорофитные бактерии — хлорофиллы a, b или c. Другие бактерии содержат аналоги хлорофилла — бактериохлорофиллы, которые локализованы в хлоросомах и хроматофорах. Известны бактериохлорофиллы а, b, c, d, e и g. Основу молекулы всех хлорофиллов составляет магниевый комплекс порфиринового макроцикла, к которому присоединен высокомолекулярный спирт, обладающий гидрофобными свойствами, который придает хлорофиллам способность встраиваться в липидный слой фотосинтетических мембран. Главная роль в улавливании и трансформации солнечной энергии в биосфере принадлежит хлорофиллу a[1].

Рис. 1. Общая структура хлорофилла a, b и d.

Рис. 2. Структура хлорофилла с1 и с2.

хлорофилл пигмент фотосинтетический

1. Физико-химические свойства Молекулярный вес хлорофилла a 893,52. В изолированном состоянии хлорофилл образует черно-голубые микрокристаллы, которые плавятся с образованием жидкости при 117−120°С. Хлорофилл, а легко растворяется в диэтиловом эфире, этаноле, ацетоне, хлороформе, бензоле, пиридине. Растворы хлорофилла, а имеют сине-зеленую окраску и обладают сильной красной флуоресценцией. Главные максимумы спектра поглощения разбавленных растворов хлорофилла, а в диэтиловом эфире — 429 и 660 нм.

По химической структуре хлорофилл, а относится к хлоринам (дигидропорфиринам), так как одно из его пиррольных колец (кольцо IV) гидрировано по С17-С18 связи. В IV пиррольном кольце к остатку пропионовой кислоты присоединен высокомолекулярный спирт фитол.

Некоторые растения, вместо или наряду с хлорофиллом a, синтезируют его аналог, в котором этильная группа (—CH₂—CH₃) во II пиррольном кольце замещена винильной группой (—CH=CH₂). Молекула такого хлорофилла имеет две винильных группы, одну в кольце I, другую — в кольце II. Хлорофилл b отличается от хлорофилла a тем, что боковым заместителем у углеродного атома C3 во II пиррольном кольце вместо метильной является альдегидная группа —Н—С=О. В молекуле хлорофилла с пиррольные кольца не гидрированы, т. е. этот пигмент является классическим порфирином. Хлорофилл d и бактериохлорофидды c, d, e и g также относятся к группе хлоринов, а бактериохлорофиллы, а и b-группе бактериохлоринов (тетрагидропорфиринам), так как в их молекулах II и IV пиррольные кольца гидрированы по С7-С8 и С17-С18 связям. Указанные хлорофиллы различаются также структурой боковых заместителей и высокоатомного спирта, присоединенного к тетрапиррольному макроциклу.

По химической структуре хлорофиллы родственны природным комплексам порфиринов, содержащим железо цитохромам, красящему веществу крови — гему, а также простетическим группам некоторых ферментов — пероксидаз и каталазы[1].

2. История открытия Возможность экстракции зеленых пигментов листьев спиртом была известна уже французскому ученому Ж. Сенебье в 1782—1800 гг. В 1817 г. французские химики П. Пельтье и Ж. Кванту назвали зеленый спиртовой раствор смеси растительных пигментов хлорофиллом. Экспериментальные доказательства того, что поглощенный хлорофиллом свет приводит к фотосинтезу, были получены в параллельных исследованиях российского ученого К. А. Тимирязева и немецкого ученого Н. Мюллера в 1872—1876 гг.

Основные исследования Тимирязева по физиологии растений посвящены изучению процесса фотосинтеза, для чего им были разработаны специальные методики и аппаратура.

Выясняя зависимость фотосинтеза от интенсивности света и его спектрального состава, Тимирязев установил, что ассимиляция растениями углерода из углекислоты воздуха происходит за счет энергии солнечного света, главным образом в красных и синих лучах, наиболее полно поглощаемых хлорофиллом. Тимирязев впервые высказал мнение, что хлорофилл не только физически, но и химически участвует в процессе фотосинтеза, предвосхитив этим современные представления. Он показал, что интенсивность фотосинтеза пропорциональна поглощенной энергии при относительно низких интенсивностях света, но при их увеличении постепенно достигает стабильных величин и далее не меняется, то есть им были открыты явления светового насыщения фотосинтеза.

Это представление стало общепринятым после работ немецкого ученого Рейнке (1884−1885 гг.). Многие исследователи пытались найти способы очистки зеленых пигментов и определения их химической структуры.

В частности, российский ботаник И. П. Бородин в 1882 году описал получение производного хлорофилла — кристаллического этилхлорофиллида при действии этанола на листья. Эти исследования были подтверждены и продолжены российским исследователем Н. А. Монтеверди в 1893 году.

Исследованием хлорофилла занимался и замечательный русский ботаник Михаил Семенович Цвет, прославившийся изобретением хроматографии — простого способа разделения смесей который в наше время стал совершенно незаменимым в химическом анализе. М. С. Цвет родился в Италии и немало скитался по свету в поисках пристанища для спокойной работы. В конце концов, он обосновался в России, на родине своего отца. Здесь им были сделаны главные его открытия, здесь он и умер в 1919 году, не дожив до 47 лет. Созданный ученым аналитический метод, который он назвал хроматографией (от греческого «хрома» — цвет), позволил доказать наличие двух пигментов, составляющих хлорофилл.

М.С. Цвет пропускал раствор пигментов через стеклянную колонку, плотно набитую толченым мелом. И разные пигменты, даже незначительно отличающиеся друг от друга, осаждались по-разному. Таким образом, получался столбик, напоминающий шлагбаум тем, что был окрашен послойно. Метод, предложенный М. Цветом, позже получил развитие и ныне широко применяется в химическом анализе.

Итак, задача выделения чистых зеленых пигментов была решена в 1906;1908 гг. российским ученым М. С. Цветом с помощью разработанного им хроматографического метода. Цвет показал, что зеленый пигмент растений является смесью двух пигментов, названных позже хлорофиллами, а и b.

Химическую структуру хлорофилла, а выяснили немецкие ученые Р. Вильштеттер, А. Штоль (1913) и Х. Фишер (1940). Фишер начал работы по химическому синтезу хлорофилла, а полный синтез хлорофилла был выполнен американским химиком Р. Вудвордом в 1960.

В 1905 г. Вильштеттер занял должность профессора химии Федерального технологического института в Цюрихе.

Именно в Цюрихе Вильштеттер начал заниматься исследованиями хлорофилла вещества зеленого цвета, которое содержится почти во всех цветущих растениях, мхах, папоротниках и водорослях. Хлорофилл играет важную роль в фотосинтезе — процессе превращения зелеными растениями под действием света углекислого газа и воды в сахар, крахмал и кислород. В то время, когда Вильштеттер приступил к своим исследованиям, структура хлорофилла не была полностью понятной. В 1906 г. было выдвинуто предположение, что в каждом отдельно взятом растении имеется множество различного рода хлорофиллов и что царство растений представляет собой склад неограниченного числа хлорофиллов. Если бы эта теория была верна, было бы очень трудно определить химическую природу фотосинтеза, поскольку данные, полученные в результате опытов над одним видом растений, могли бы не иметь никакой ценности для исследователей, рассматривающих другие их виды.

Значительный вклад, который внес Вильштеттер (в большой мере в сотрудничестве со своим учеником Артуром Штоллем) в решение этой проблемы, отличался технологическим совершенством. На листьях крапивы, дешевом источнике хлорофилла, имеющемся в большом количестве, Вильштеттер показал, что у хлорофилла существует одна основная структура (тетрапиррол, или соединение четырех пиррольных колец, связанных центральным атомом магния). Более того, он обосновал, что, хотя для хлорофилла характерна одна структура, существуют две его почти идентичные формы a и b. Продолжая свою работу, Вильштеттер установил универсальность хлорофилла a и b, подвергнув анализу более 200 растений. Таким образом, он продемонстрировал наличие во всем мире одной фундаментальной структуры хлорофилла. А отсюда напрашивался вывод, что при фотосинтезе повсюду происходят одни и те же химические реакции. Придя к такому открытию, Вильштеттер и Штолль дали такую оценку некоторых противоречивых результатов, полученных ранее исследователями хлорофилла. Они заявили, что эти исследования проводились «с неочищенным хлорофиллом. Собственно говоря, это вообще был не хлорофилл».

В 1912 г, уступив настоятельной просьбе своего друга Ханса Фишера, Вильштеттер перешел в только что созданный Институт Кайзера Вильгельма в Берлине, где продолжил исследование антоцианинов. Большая часть красных, синих и фиолетовых пигментов растений состоит из антоцианинов — соединений, которые могут быть извлечены из растений с помощью спирта, эфира или воды. Например, благодаря антоцианинам вода, в которой кипит свекла, становится красной. Вильштеттер обнаружил, что при одинаковой структуре растворимых в воде пигментов могут образовываться разные цвета. Он нашел, что большая часть цветков растений обязана своей окраской всего лишь трем антоцианинам, которые различаются только числом гидроксильных групп на одном кольце растворимых в воде структур. Окраска цветков зависит от смеси нескольких антоцианинов и (для желтого цвета) каротиноидов. Проводимые Вильштеттером исследования антоцианина были прерваны разразившейся в 1914 г. первой мировой войной. Из-за травм, которые он получил несколькими годами ранее в горах, совершая восхождение, ученый был освобожден от военной службы.

В 1915 г. Вильштеттеру была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования красящих веществ растительного мира, особенно хлорофилла». Поскольку во время войны церемонии награждения были отменены, Вильштеттер получил премию только в 1920 г. В своей Нобелевской лекции он сказал: «Цель моей работы состояла в том, чтобы установить структурные характеристики наиболее широко распространенных пигментов растений, в частности хлорофилла, и найти определенные критерии, касающиеся их химической функции». Работа Вильштеттера над хлорофиллом и антоцианинами показала, что в основе всего разнообразия растительных пигментов лежит лишь несколько химических соединений. Соотнося этот факт с изучением хлорофилла, Вильштеттер утверждал, что биохимические основы фотосинтеза должны быть универсальны и поэтому им предстоит стать объектом научного анализа.

Окончательную структуру хлорофилла установил уже знакомый нам Ханс Фишер в 1940 году.

Искусственный хлорофилл был получен еще через 20 лет. Эта заслуга принадлежит коллективу американских ученых, возглавляемому известным химиком-органиком Робертом Бернсом Вудвортом. Недаром его называли непревзойденным королем синтеза, человеком, «который лепит молекулы». В самом деле, 27-летний Вудворт дебютировал синтезом хинина, на который было затрачено чуть больше года. Пельтье и Кванту сначала открыли хинин, а потом хлорофилл. Вудворт сначала синтезировал хинин, а потом хлорофилл. В 1951 году Вудворт сообщает, что им проведены синтезы холестерина — одного из стеринов, с которым связано нарушение обмена веществ и отложение бляшек на стенках сосудов, а также кортизона — лекарства против различных воспалительных процессов. Далее следуют синтезы других соединений, среди которых известный нам стрихнин, а также резерпин — средство лечения психических заболеваний и гипертонии. И, наконец, синтез хлорофилла, на который было затрачено 4 года.

Итак, было обнаружено, что хлорофилл состоит из двух компонентов, которые получили название, а и b, a также, что в центре его порфиринового кольца заключен магний.

Эти работы послужили основой для понимания функции хлорофилла в фотосинтетическом аппарате[1].

3. Применение хлорофилла Применение хлорофиллов в качестве красителя (Е140) в пищевой промышленности сдерживается их нестойкостью: при повышенной температуре в кислых средах зеленый цвет переходит в оливковый, затем в грязно-желто-бурый вследствие образования феофитина. Большое практическое значение могут иметь медные хлорофиллоподобные комплексы (Е141i), содержащие медь в качестве центрального атома и имеющие интенсивную зеленую окраску, и натриевые и калиевые соли медного комплекса хлорофиллина (Е141ii). Хлорофилл и его производные с медью растворимы в масле, хлорофиллин и его медные производные — в воде. Для окраски продуктов питания используются зеленые пигменты, выделенные из крапивы, капусты, ботвы моркови и т. д. [4]

В пищевой промышленности хлорофилл используется в качестве красителя Е-140. Придает оливковые оттенки продуктам при производстве кремов, мороженного, молочных десертов, майонеза и различных соусов.

Другие применения хлорофилла (добавки Е140): — в фармацевтической промышленности, для производства биологически-активных добавок; - в медицине, для очищения крови обогащения ее кислородом; - в клинической практике, для заживления некоторых ран; - также хлорофилл может использоваться как средство, устраняющее неприятные запахи человеческого тела, обладая дезодорирующим действием.

Хлорофилл полезен для здоровья человека. Например, было доказано, что он обладает противораковыми свойствами, за счет способности снижать активность энзимов, которые вызывают трансформацию некоторых химических препаратов в разрушающие организм канцерогены. Является важнейшим элементом для вывода различного рода токсинов из организма человека. 5]

Производные хлорофилла используются в медицине для фотодинамической терапии рака. В литературе описано бактерицидное и антиоксидантное действие хлорофилла, а также применение хлорофилла для окраски мыла, масел, жиров, кремов, алкогольных и безалкогольных напитков, косметических средств, одеколона, духов, в качестве дезодоранта и в других целях. В Японии хлорофиллы используют для подкрашивания рыбных паст и некоторых других кулинарных изделий. В Европе хлорофилл применяется для подкрашивания масел, жиров, ароматических эссенций.

По СанПиН 2.3.2.1293−03, хлорофиллы можно добавлять в некоторые виды сыров, овощи в уксусе, рассоле или масле, джемы, желе, мармелады и другие подобные продукты. Кроме того, в документе указано, что «…хлорофиллы разрешается использовать для изготовления всех пищевых продуктов, за исключением тех, подкрашивание которых не допускается,… и в которые могут быть добавлены только определенные красители». К таким продуктам относят те, добавление красителей в которые будет искажать натуральный цвет (молочные, яйцепродукты, мясо-, рыбопродукты, мука, крупы, фрукты, овощи свежие и сушеные, сахар, глюкоза, мед, какао продукты, кофе, специи, соль поваренная, продукты для детей до 3-х лет, вода питьевая бутылированная и в банках.

Важно отметить, что, согласно СанПиН 2.3.2.1293−03, для пищевого красителя хлорофилла (Е140) не установлен максимальный уровень в продуктах питания. Его применение должно осуществляться в соответствии с технологической инструкцией, что «…определяется технологической целесообразностью; количество добавляемых пищевых добавок не должно превышать уровней, необходимых для достижения технологического эффекта в соответствии с современной технологией (рекомендуемой практикой) производства пищевых продуктов». Вряд ли когда-либо появится документ, ограничивающий нас в потреблении продуктов растительного происхождения; а ведь подавляющее их большинство содержат хлорофилл[6].

Список цитируемых источников

1. Сарафанова Л. А. Пищевые добавки: энциклопедия. — СПб: ГИОРД, 2004. — 808 с. — ISBN 5−901 065−79−4

2. Википедия — свободная энциклопедия. Хлорофилл.

3. Пищевая химия / Нечаев А. П. [и др.]. Под ред. А. П. Нечаева. Издание 4-е, испр. и доп. — СПб.: ГИОРД, 2007. — 640 с. ISBN 5−98 879−011−9

4. Ефимов А. А., Белова Т. П., Ефимова М. В. Обоснование использования синезеленых водорослей для выделения хлорофилла и фикобилипротеинов как пищевых красителей и биологически активных веществ// Успехи современного естествознания. — 2007. — № 11 — С. 77−80