Получение кофеина и танина из разных сортов чая

По определению Большой советской энциклопедии «ЧАЙ – род тропических вечнозеленых многолетних растений семейства чайных, часто присоединяемый к роду камелия. 2 вида: чай китайский (китайской и японской разновидности) — кустарник высотой до 3 м, в горных районах Юго-Восточной Азии; чай ассамский (включает цейлонский чай — естественный гибрид китайского чая с ассамским) — дерево высотой до 10-15 м, в лесах Ассама (Индия). Оба вида распространены в культуре. В России и Грузии на основе китайского чая получены селекционные сорта чая: «Краснодарский», «Грузинский» первый, второй и др. (названы по месту производства). «Индийский», «Цейлонский», «Вьетнамский», «Китайский» — названия импортируемых в Россию сортов чая».

Хотя чай изучают на протяжении веков, а над раскрытием его химического состава учёные трудятся, по меньшей мере полтораста лет, только за последние десятилетия стало возможным получить сравнительно полное представление о том, какие химические вещества входят в состав чая. Но и сегодня некоторые химические вещества остаются в чае нераскрытыми либо распознанными лишь в самом общем виде. ЧАЙ получают (обычно завяливанием, скручиванием, ферментацией, сушкой) из листьев, стеблей растения чай. Выпускают чай байховый (рассыпной) и прессованный (кирпичный, плиточный). В зависимости от способа обработки листа различают черный чай, зеленый чай (кок-чай), желтый чай, красный чай (оолонг). Как показали исследования, чай состоит на 30-50 % из экстрактивных, т. е. растворимых в воде частей. На практике растворимость никогда не осуществляется полностью. Зелёные чаи содержат больше растворимых веществ (40-50 %), а чёрные - меньше (30-45 %). Кроме того, чем моложе, выше качеством листья чая, тем богаче экстрактивными веществами полученный из них сухой чай. И наоборот, чем старее, грубее листья, тем менее выходят в настой растворимые вещества, тем менее вкусен чай.

Целью нашей работы является сравнение содержания кофеина и танина в сортах зеленого и черного чая.

2. Теоретическая часть.

2. 1. Состав чая.

Из растворимых веществ прежде всего следует обратить внимание на шесть самых важных групп или составных частей чая: это дубильные вещества (Дубильные вещества чая не остаются неизменными. Продукты их окисления - хиноны, возникающие в ходе фабричного производства чая, в свою очередь производят окисление других веществ чайного листа и образуют многие ароматические продукты, участвующие в создании аромата чая. Таким образом, значение дубильных веществ в чае огромно, и они не оказывают дубящего действия на слизистую оболочку желудка человека, как думали в старину), эфирные масла, алкалоиды, аминокислоты, пигменты и витамины. Большинство из них было известно давно, но старые представления о всех этих группах веществ в значительной степени расширились. Итак, даже беглое и неполное ознакомление с химическим составом чая убеждает нас в том, что природа создала в чайном листе своеобразный химический склад или, вернее, целую химическую лабораторию. Причём самое удивительное и замечательное в том, что это постоянно действующая лаборатория.

Сложнейшие химические изменения, взаимодействия, процессы окисления и превращёния одних веществ в другие происходят в чайном листе непрерывно, не только пока он жив, пока он растёт, не только тогда, когда, попадая на фабрику, он подвергнут всевозможным завяливанием, скручиваниям и ферментации, но даже и тогда, когда он, превратившись в маленькую сухую чаинку, казалось бы, безжизненно лежит с миллиардами себе подобных где-нибудь на полках магазина или в кухонном шкафу.

Древние китайцы считали необходимым выдерживать чай, по меньшей мере, один год, чтобы он приобрёл нужную кондицию, т. е. чтобы в нём произошли во время длительного хранения такие химические процессы, которые привели бы к улучшению его ароматических и вкусовых свойств, к повышению его качества. Правда, при этом требовались особые условия хранения, ибо при неправильном хранении в чае также будут происходить химические процессы, но они приведут не к улучшению, а, наоборот, к резкому ухудшению его качества. Но это уже другой вопрос, на котором мы подробнее остановимся ниже.

Здесь же важно уяснить, что химический состав чая не есть некая постоянная и неизменная величина, он меняется непрестанно вплоть до того самого момента, когда мы делаем глоток чая. Кроме того, химический состав чая связан с условиями его произрастания и со способом обработки, отчего чаи из разных районов произрастания, разных типов и даже разных сортов имеют различный химический состав. Вот почему разные типы и сорта чая неодинаково воздействуют на организм человека.

Но в целом чай - сокровищница полезных для человека веществ. Недаром с древнейших времён чай считали чудесным, волшебным напитком. Однако древние не могли даже догадываться о тех двух великолепных свойствах чая, о которых теперь знаем мы.

Одна из замечательных способностей чайного растения состоит в том, что оно вытягивает из почвы и синтезирует самые разнообразные и редкие, притом полезные для человека вещества. Природа не остановилась на этом и щедро одарила готовый чай другой, не менее удивительной способностью - отдавать в раствор свою самую лучшую, самую ценную, самую полезную для человека часть.

Вот почему и теперь, зная химический состав чая, мы с ещё большим правом, чем древние, можем восхищаться этим напитком и так же, как древние, имеем все основания смотреть на чай как на чудо.

2. 2. Кофеин.

В чае есть несколько тонизирующих веществ – витамины, эфирные масла и т. д. Но ведущая роль принадлежит кофеину, из класса алкалоидов (это обширный класс азотосодержащих органических соединений; в него входят также никотин из табака, папаверин из мака и т. д. ). Кофеин – это вещество, которое поднимает жизненный тонус и бодрит.

Кофеин - один из главных виновников тяги людей к чаю как тонизирующему напитку. В чистом виде он представляет собой бесцветное, не имеющее запаха, но горькое на вкус вещество, содержащееся, впрочем, не только в чае, но и в кофе, какао, орехах кола, матэ и некоторых других тропических растениях. Кофеин оказывает возбуждающее действие на центральную нервную и сердечно-сосудистую системы. Применяется как стимулирующее средство, при отравлении наркотиками и др. Кофеин чая обладает ещё одним замечательным свойством: он не задерживается, не накапливается в организме человека, что исключает опасность отравления кофеином при самом частом употреблении чая.

2. 3. Танин.

Мы будем выделять из чая дубильные вещества – таниды, а из них получим танин, смесь веществ, используемых для дубления кож, протравливания тканей перед крашением, в медицине – как вяжущее средство; вспомните вяжущий вкус крепкого чая (танин чая, или теотанин, неравнозначен фармацевтическому танину или галлотанину. Теотанин представляет собой сложный химический комплекс, состав которого теперь полностью расшифрован. Представление о том, что танин придаёт чаю горечь, неверно. Если в свежем чайном листе танин действительно обладает горьким вкусом, то после фабричной обработки эта горечь исчезает, и танин в чае приобретает приятную терпкость, придающую основной вкус настою чая). Дубильные вещества - один из существенных компонентов чая и чайного настоя. Они составляют 15-30 % чая и представляют собой сложную смесь более трёх десятков полифенольных соединений, состоящую из танина и различных (по крайней мере, семи) катехинов, полифенолов и их производных. Прежние представления о чайном танине как о простом дубящем веществе, которому приписывали горький вкус, были существенно изменены благодаря работам академика А. Л. Курсанова и кажутся сейчас, по меньшей мере, наивными.

Танин придаёт южным чаям более резкий, можно сказать, более доходчивый чайный вкус, ценимый некоторыми категориями потребителей. В грузинских чаях танина бывает больше в листьях июньского, июльского и августовского сборов, а в майском и сентябрьском - значительно меньше. Кроме того, обычно во всех чаях высших сортов танина содержится больше, чем в низших.

3. Практическая часть.

3. 1. Получение кофеина и танина.

Мы провели следующие опыты по обнаружению кофеина в зеленом и черном чае.

Для опыта потребовались фарфоровые тигли (можно использовать любые металлические сосуды, желательно не плоские, а высокие, вроде стакана). В них положили по 2 г (около чайной ложки) измельчённого с ступке чёрного и зелёного чая и по 2 г оксида магния. Смешали оба вещества и поставили тигель на огонь. Нагрев должен быть умеренным, не слишком энергичным. Сверху над тиглем закрепили перевернутый стакан и поставили на него стаканчик со снегом. В присутствии оксида магния кофеин возгоняется, т. е. превращается в пар, минуя стадию жидкости. Попадая на холодную поверхность, кофеин вновь возвращается в твёрдое состояние и оседает на дне стакана в виде бесцветных кристаллов.

После прекращения нагревания отметили, что в стакане над черным чаем образовалось большее количество кристаллов кофеина. Полученный кофеин использовали для проведения качественных реакций, описанных ниже.

Если этот опыт мы можно провести дома, то дальнейшие опыты с чаем лучше проводить в химической лаборатории: они требуют хороших навыков и таких веществ, которых дома нет.

Итак, мы попытались извлечь танин из зелёного и чёрного чая. Для опыта взяли по 50 г зелёного и чёрного чая, залили их в кастрюльке половиной стакана (100 г) кипятка и кипятили на небольшом огне около часа, чтобы как можно полнее экстрагировать растворимые вещества. Растворы отфильтровали через несколько слоёв марли; осадок на фильтре промыли дополнительно горячей водой (полстакана). В результате получили около стакана желто-зеленого раствора.

Затем внесли в жидкость 15-20 г ацетата свинца и перемешали. Аккуратно слили жидкость, к осадку добавили стакан горячей воды, размешали, дали отстояться и слили вновь. Повторили эту операцию 3-4 раза, чтобы удалить ионы свинца. Для того, чтобы проверить, действительно ли они удалены, взяли пробу жидкости и добавили к ней в пробирке несколько капель разбавленной серной кислоты. Об остатке ионов свинца свидетельствует помутнение раствора; в этом случае нужно повторить промывку.

Когда проба оказалась отрицательной, отфильтровали осадок (это – таннат свинца) и на фильтре промыли 50 мл 1 % -ного раствора серной кислоты. Собрав растворы, нейтрализовали кислоту, добавляя по каплям 0,5 %- ный раствор гидроксида бария, после чего отфильтровали выпавший осадок сульфата бария.

Оставшиеся прозрачные растворы содержат чайный танин. Упарили их досуха на водяной бане.

Полученный танин измельчили в порошок и использовали для проведения качественных реакций.

3. 2. Качественные реакции на обнаружение кофеина и танина.

Можно провести несколько красивых качественный реакций и убедиться что перед нами кофеин. Несколько кристаллов положили на керамическую пластинку (сгодится осколок от кафельной плитки) и капнули несколько капель (одну-две) концентрированной азотной кислоты. Нагревали пластинку до тех пор, пока смесь на ней не стала сухой. Кофеин при этом окислился и превратился в заметную, оранжевого цвета, амалиновую кислоту.

Затем мы нейтрализовали кислоту, добавив к ней капель 10 концентрированного аммиака (не аптечного, а такого, который продаётся в хозяйственных магазинах). При нейтрализации образуется соль очень красивого, красного, переходящего в пурпурный, цвета. Такая соль носит название мурексида, а реакция – мурексидной.

Реакции с танином не менее красивы.

0,5 г танина растворили в 40 мл воды. Как только мы добавили раствор хлорида железа (III) (можно использовать любую другую соль трехвалентного железа), жидкость сразу почернела. Это – старинные чернила, только танин для них добывали из дубовых (чернильных) орешков, наростов на листьях и молодых побегах дуба.

Ещё один яркий опыт: 0,3 г танина положили в маленькую пробирку и капнули три капли концентрированной соляной кислоты. Образовался флобафен – вещество красного цвета.

Далее добавили немного танина к раствору нитрата серебра (ляписа) (годится и ляписный карандаш из аптеки). На этот раз выпадает осадок таната серебра. У него бурый цвет.

И последний опыт с танином. В 2 % - ном растворе соляной кислоты растворили 0,3 г ванилина (можно использовать соответственное количество ванильного сахара) и добавили втрое меньше танина. Малиновое окрашивание не замедлило появиться. Это характерная реакция не только на танин, но и вообще на вещества из класса катехинов, к которым принадлежат многие дубильные вещества.

4. Заключение.

Чай донес до наших дней свою высокую репутацию напитка-целителя. Мы определились, что немаловажная роль в этом принадлежит кофеину, одному из главных виновников тяги людей к чаю как тонизирующему напитку, и танину, горечь которого после фабричной обработки исчезает, и он приобретает приятную терпкость, придающую основной вкус настою чая.

Кроме того, следует отметить, что кофеин с танином выступают в чае не изолированно, а в комплексе, образуя соединение таннат кофеина, который действует более опосредованно, более смягченно на сердечнососудистую и центральную нервную систему.

В нашей работе мы экспериментально определили, что в зелёном чае танина больше, чем в чёрном чае, а кофеина, наоборот, меньше.

Проведение качественных реакций предложено использовать во внеклассной работе в 7-8 классах в целях привития интереса обучающихся к изучению химии.

Остались незатронутыми, но очень интересными, вопросы о витаминном, белковом и аминокислотном составе различных сортов чая, а также о содержании в чае минеральных, неорганических, смолистых веществ, а также органических кислот.