Proprietati Spectrale ale Unor Cromofori

REZUMAT

În această lucrare sunt prezentate rezultatele activităților experimentale care au avut ca scop evidențierea proprietăților spectrale ale unor cromofori ionici obținuți din struguri roșii (Vitis vinifera)- flavylium și din sfeclă roșie (Beta vulgaris)- zwitterion. Cromoforii cercetați fac parte din clasa antocianidinelor respectiv a betainelor. Metodele utilizate au fost spectrofotometria și spectroscopia de fluorescență în domeniul UV-VIS. Pigmenții au fost obținuți și concentrați în urma unor proceduri de separare și purificare. Etapele acestor proceduri au fost caracterizate de transformări fizico-chimice la temperaturi relativ scăzute și condiții de pH care să nu afecteze stabilitatea acestora. Purificarea avansată prin metode cromatografice a permis separarea cromoforilor: Betaxantin, Vulgaxantin, Betacyanin (sfeclă roșie (Beta vulgaris) și a Delfinidin -3-O-glucozid, Cyanidin-3-O-glucozid, Petunidin-3-O-glucozid și Malvidin-3-O-glucozid. Rezultatele experimentale obținute ilustrează eficiența în separarea pigmenților a celor două metode cromatografice utilizate.

Cuvinte cheie: betanine, antocianidine, cromatografia cu schimb ionic, cromatografia cu fază inversată C18, spectroscopia UV-VIS, spectroscopia de fluorescență UV-VIS.

Flavylium Betacyanin zwitterion

Introducere

Sfecla roșie este o sursă inepuizabilă de vitamine și microelemente care nu se distrug și nu se dezactivează în procesul de prelucrare termică. Beta vulgaris (sfecla roșie) este utilizată atât în alimentație cât și în medicină, consumul de sfeclă roșie duce la prevenirea bolilor de sânge lucru datorat prezenței fierului în compoziția sa. Vitamina C din plantă este componenta care ajută la asimilarea fierului în plantă. Cuprul este prezent în rădăcina sfeclei roșie.

În compoziția sfeclei roșie apare într-o foarte mare măsură mangan benefic pentru organism, ajutând la reglarea multor funcții ale acestuia. De asemenea sfecla roșie conține și iod care reglează în mod expres funcțiile glandei tiroide, ajutând foarte mult persoanele care suferă de obezitate. Un alt compus care se găsește în sfecla roșie este celuloza fiind utilizată în tratamentele interne, alcoolism, amigdalita, anemie, bronșita cronică, constipație, ocluzii intestinale, hemoroizi, hipertensiune, varice, curațarea organismului de metale grele si radioactive, curațirea sângelui, întarire imunității, gripa, răceala, litiaza renala, pietre în colecist.

Antocianul este colorant natural, conservant. Culoarea majoritații fructelor, florilor și fructelor de pădure este rezultatul unor combinații de antocianine și antocianidine. Se obține prin extracția cu apă acidulată, etanol din diferite specii de fructe, legume sau alte plante alimentare.

Beta Vulgaris reprezintă colorația roșie dată de sfecla roșie. Mabry si Dreiding, sunt cei care au vorbit pentru prima dată despre betalaină în care pigmentul roșu poarta numele de betacyanin și galben denumit betaxanitn fiind un derivat care provine de la β-carotina, cele două componente se gasesc în extrasul obținut din sfecla roșie. Procentul cel mai mare îi revine betaninei (culoarea roșie) cu o valoare de 75 – 95 %, reprezentând pigmentul de bază din amestec. Wilcox este cel care a readus la forma finala structura betaninei. Componenții principali ai sfeclei roșii se găsesc în tabelul 1.

Vitis vinifera prezintă în compoziția sa compuși fenolici. Antocianii se pot găsi pe pielițele fructelor de pădure. Soiurile de struguri roșii sunt bogate în antociani, care dau culoarea fructelor de pădure ( în special în pielițe). Componentele de bază care se găsesc în struguri sunt prezentate în tabelul 2.

Obiectivele lucrării:

O1 Obținerea cromoforilor din extracte naturale selective din struguri roșii (antocianidine cu structură de ion flavylium) și din sfeclă roșie (betaine cu structură de zwitterion).

O2 Caracterizarea prin metoda spectrofotometrică UV VIS a principalilor componenți separați cromatografic.

O3 Caracterizarea florescenței filmelor subțiri obtinute pe bază de antociani și colagen prin metoda fluorimetrică (spectroscopia de fluorescenta).

Sfecla roșie- este o sursa foarte buna de pigmenti Betalainici, principalii compuși: betacianinele (de culoare roșie) și betaxantinele (de culoare gabenă) cu structură de zwiterion.

Din sfecla roșie am folosit ca materie primă radăcina și din struguri roșii am folosit pielițele.

Drept reactivi am utilizat: methanol, etanol, propanol, butanol, hexan, HCl 2 % N, apă distilată.

Metoda utilizată pentru realizarea spectrelor se numește spectrofotometria. Spectrofotometrul este instrumentul cu ajutorul căruia se absoarbe lumina sau radiația electromagnetică la anumite lungimi de undă, care duce la formarea spectrului de absorbție, adică la trasare curbei, obținut prin măsurarea cantității de extracte de fotoni (intensitatea luminoasă), prin absorbția lor după ce au străbătut soluția.

Metoda este împărțită în două categori date de lungimile de undă care reies din fasciculul de lumină, ele sunt:

-domeniul UV-VIS prezintă lungimi de undă între următoarele valori 185-400 nm (UV) și 400-750 nm (VIS);

-domeniul IR prezintă lungimi de undă între 750 nm – 1000 µm.

Metoda fluorimetrică – presupune înregistrarea spectrului de emisie al unui compus atunci cand acesta este excitat cu o radiatie de o anumită lungime de undă.

Spectroscopia în domeniul UV-VIS:

Spectroscopia de fluorescență

Componentele betaxantine prezintă banda de absorbție în intervalul 475-480 nm(culoare galbenă-roșcată), comonentele de tip betacianine absorb în intervalul 535-550 nm (culoarea roșie).

Tabel 1. Componenții principali ai sfeclei roșie (Beta vulgaris).

Tabel 2. Componenții principali ai strugurilor roșii (Vitis vinifera).

Metodele de purificare pentru obținerea fracțiilor sunt diferite pe baza criteriilor de eficiență și randament. S-au utilizat următoarele metode cromatografice :

Cromatografia cu schimb ionic

Cromatografia cu fază inversată C18

Se folosește aparatul numit specord 600 pentru obținerea spectrelor de absorbție, iar pentru spectrele de fluorescență se folosește aparatul numit spectrofluorimetru Jasco, am utilizat pentru purificarea soluției brute pompa de vid. Coloanele cromatografice cu fază staționară SPE este de două tipuri:

Coloane SPE fază staționară C18 (nepolară). Aceasta este folosită pentru obținerea fracțiilor din extractul brut prin cromatografie cu fază inversată.

Coloane Faza staționară cu schimbatori de ioni SAX Thermo Scientific.

Spectrele rezultate au fost obținute cu ajutorul aparatului numit Analitik Jena Specord S600 în domeniul ultravilet-vizibil. Echipamentul este alcătuit din următoarele componente: grilaj holografic, detector cu un grup de fitodiode, fibră optică imersibilă, compartament eșantion, obturator 1, oglindă 1, oglindă 2, fascicol,obturator 2, lampă cu halogen, lampă D2E.

Figura 1. Aparatul analitic specord s600

Fluorescența compușilor prezenți în antocianidine și betaine a fost studiată cu ajutorul spectrofluorimetrului numit Jasco. În figura următoare este prezentată structura spectrofluorimetrului.

Figura 2. Spectrofluorimetrul Jasco

EXPERIMENT

Procesele fizico-chimice utilizate în prelucrarea materiilor prime vegetale precum:

Cromofotii au fost separați prin coloane cromatografice cu schimb ionic, cu fază inversă C18.

Figura 3. Coloane cromatografice :

a.Coloană cromatografică cu schimb ionic b.Coloană cromatografică cu fază inversată

Cracterizarea extractelor naturale selective

Betainele prezintă deplasări chimice (modificări ale spectrelor) la valori diferite de pH.

Conținutul de betaine din sfecla roșie este de aproximativ 380mg la100g din plante proaspete.

Stabilitatea pigmenților betainelor din sfecla roșie se pastrează pe un interval pH cuprins între 3-7 și temperatura între 40-50ºC

După o perioadă de 180 de minute apare degradarea pigmentului roșu la temperatura de 90ºC.

Rezultate obținute

Am obținut spectrele în care sunt prezenți cromoforii: Betaxantin, Vulgaxantin, Betacyanin (sfeclă roșie)

Antocianidinele Delfinidin -3-O-glucozid, Cyanidin-3-O-glucozid, Petunidin-3-O-glucozid și Malvidin-3-O-glucozid (pielițe de struguri roșii).

Antocianidina Pelargonidin 3-O-glucozid (geranium)

Au fost obținute filme subțiri pe bază de colagen – pelargonidin-3-O-glucozid cu proprietăți fluorescente.

În tabel 1. sunt prezentate modificările absorbanței funcție de concentrație pentru betacianine, la pH = 3.

În tabelul 2. sunt prezentate modificările absorbanței funcție de concentrație pentru betaxantine, la pH = 3.

Spectrul UV VIS al extractului brut etanolic: se observă două maxime ale principalelor componente: Betaxantine și betacianine spectrul 1.

Pigmenții betacianine purificați prin cromatobgrafie cu fază inversată C18. Spectrul 2.

Extract brut refiltrat. Spectrul 3.

Spectrul betacianinelor în urma purificării prin cromatografie cu schimb ionic. Spectrul 4.

Legea lui Lambert-Beer descrie relația de legătură dintre absorbanța, grosimea stratului absorbant de proba (grosimea cuvei) și concentrați speciilor absorbante:

A = εcl

Concentrația betainelor din soluția brută:

c = 0,41/(60.000 · 538)

c = 0.0127 mg/ml,

A= absorbanța

ε= extincția molară a betalain 60.000

c = concentrația

l = lungimea undei

Filme subțiri pe bază de pigmenti naturali

Film Pelargonidin-3-O-glucozid pe bază de colagen. Imaginea 1.

Filme subțiri pe bază de pigmenti naturali

Spectre de absorbție si de fluorescentă ale filmului Pelargonidin-3-O-glucozid pe bază de colagen

Spectrul de absorbție UV VIS al filmului subțire Spectrele suprapuse:

Pelargonidin-3-O-glucozid pe bază de colagen – de absorbție UV VIS

– De fluorescență al filmului subțire Pelargonidin-3-O-glucozid pe bază de colagen

Se observă o comportare specială a acestui film prin fluorescența amplificată, in raport cu absorbția

Imaginea 2. Imaginea 3.

Filme subțiri pe bază de antocianidine Fractii obținute cromatografic

și colagen

CONCLUZII :

Am separat principalii pigmenții din sfecla roșie din struguri roșii. Am realizat caracterizarea componenților de interes, prin metoda spectrofotometrică. Am obținut și caracterizat din punct de vedere spectral – absorbție și fluorescență – filme subțiri pe bază de antocianidine și colagen, filmul pelargonidin-3-O-glucozid a prezentat proprietăți fluorescente amlificate.

Bibliografie

1.AGATI G., CEROVIC Z., Non-destructive Monitoring of Fruit Anthocyanins by Chlorophyll Fluorescence Spectroscopy, Information and Technology for Sustainable Fruit and Vegetable Production FRUTIC 05, 12 – 16 September 2005, Montpellier France.

2. IOSUB I., KAZJAR F., MEGHEA A., RAU I., GEANA I., Realizarea unor filme subțiri pe bază de pigmenți purificați din extracte naturale selective cu Aplicații în optica neliniară, Buletinul Stiintific de Fizică și Chimie, EUP 2014

3. QUINA F.,, MOREIRA JR. P., VAUTIER-GIONGO C., RETTORI D, RODRIGUES R., all, Photochemistry of anthocyanins and their biological role in plant tissues, PURE AND APPLIED CHEMISTRY, v.81, n.9, p.1687-1694, 2009

4. Fei He 1,†, Na-Na Liang 1,†, Lin Mu 1, Qiu-Hong Pan 1, Jun Wang 1, Malcolm J. Reeves 1,2 și Chang-Qing Duan 1, Anthocyanins and Their Variation in Red Wines I.Monomeric Anthocyanins and Their Color Expression

5. http://www.scribd.com/doc/122452704/Tehnici-de-obtinere-a-unui-colorant-alimentar-din-sfecla-de-zahar-prin-extractie-cu-solventi#scribd

6.Anatol Basarab, 18 iunie 2012, sfecla rosie

7.http://teclu.chem.uaic.ro/mangalagiu/files/2013/03/distilvid.pdf

8.C N.Tarabasanu-Mihaila, Valeria-Marta Gorduza, Felix Radu, Marilena Mazgareanu, Coloranti organici de interes alimentar, cosmetic si farmaceutic, anul 1997, editura UNI-PRESS, Bucuresti.

9.http://www.food-info.net/uk/colour/beetroot.htm

10. http://en.wikipedia.org/wiki/Vitis_vinifera.