Dentro i segreti dei colori naturali

ESPERIENZE DALLE SCUOLE /Dall’Istituto tecnico industriale provincia
Ci siamo chiesti come interessare i ragazzi a
tematiche “verdi” che potessero allo stesso tempo
portare ad applicazioni pratiche di laboratorio, in cui
gli studenti potessero “toccare” letteralmente con
mano i risultati delle loro ricerche.
Visti i programmi di laboratorio di analisi chimica,
chimica fisica e chimica organica abbiamo deciso di
tentare con l’estrazione, separazione di coloranti
naturali, principalmente antociani, da matrici vegetali,
a cui far seguire una loro caratterizzazione come
indicatori acido-base.
Tante di queste molecole infatti possono sostituire i
comuni indicatori acido-base nell’indicare il pH in
modo abbastanza preciso anche se approssimativo,
sostituendo anche la normale cartina indicatrice al
tornasole.
Inoltre molte di queste sostanze hanno proprietà
coloranti e possono essere impiegate per colorare in
modo naturale non solo alimenti ma anche
fibre tessili naturali.
Dentro
i segreti
dei colori
naturali
Insegnanti coordinatori: Brunella Balestrazzi, Luisa Capitani, Annamaria Carnevali, Giorgia Messori,
Maurizio Rebuttini, Paola Reggiani, Antonella Caliguri, Claudia Tacconi, Domenica Maurizi
Il colore e la luce:
luminosità,
intensità e
frequenza
La luce non è che un insieme di
radiazioni elettromagnetiche caratterizzate da una certa energia
e da una certa frequenza.
Le tre grandezze base della luce (e di
tutte le radiazioni elettromagnetiche) sono la luminosità (o ampiezza), il colore
(o frequenza) e la polarizzazione (o angolo di
vibrazione). A causa della dualità onda-particella, la luce mostra simultaneamente proprietà che appartengono sia alle onde che alle
particelle. Si parla di luce molto spesso come
di pacchetti di “fotoni”, con determinate caratteristiche.
Il colore invece è la percezione visiva generata dai segnali nervosi che i fotorecettori della
retina mandano al cervello quando assorbono
radiazioni elettromagnetiche di determinate
lunghezze d’onda e intensità. Il colore che
consideriamo è una sensazione solo umana,
mentre in generale gli animali vedono in modo diverso da noi: hanno, cioè, occhi sensibili
a diverse lunghezze d’onda. La visione “a colori” è data dall’interpretazione da parte del
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Modello
matematico
di percezione
del colore
(CIE 1931)
Immagine di
apertura di
Andrea
Scagni
vinciale “Enrico Fermi” di Modena un affascinante e coinvolgente percorso didattico
Summary
Discovering the secrets
of natural colours
Colours are due to the absorption/reflection of specific
wavelengths of visible light. The students of the “Fermi”
Industrial Technical High school in Modena investigate
the basic properties of natural chromophores derived
from plants.
The idea was to characterise some natural dyes which
may substitute the synthetic and sometimes (eco-)toxic
ones in industrial applications. Thus they started with
the extraction of chromophores from common
vegetables, fruits, and flowers. Then they studied the
basic chemical aspects of such tentative dyes and
evaluated the influence of simple parameters like pH on
the colour variation. They verified that some natural
extracts could be used as pH-indicators since the colour
variation was continuous along the pH scale. The
extract of red cabbage proved to be a good pHindicator since its solutions varied in colour from
intense pink (acidic conditions), to green and blue
(basic conditions).
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ESPERIENZE DALLE SCUOLE / DENTRO I SEGRETI D
Il colore di un
oggetto colpito
dalla luce
bianca è quello
riflesso, il
complementare
di quello
assorbito.
Nella ruota
dei colori i
colori
complementari
appaiono
contrapposti.
I numeri
indicano le
lunghezze
d’onda
approssimate
in nanometri.
cervello dell’assorbimento della luce di determinate lunghezze d’onda da parte dei tre tipi
di fotorecettori detti coni che sono concentrati
sulla retina dell’occhio umano. I coni sono di
tre tipi, ognuno dei quali è sensibile a uno dei
tre colori: rosso (R, “red”), verde (G, “green”)
e blu (B, “blue”). I tre tipi di coni hanno una
diversa risposta allo stimolo luminoso di luce
bianca, cioè luce che ha la stessa intensità a
tutte le lunghezze d’onda. Questi tre colori sono detti colori primari per la caratteristica di
essere riconosciuti “puri” dagli elementi fotosensibili dell’occhio.
Il modello CIE (Commission International de l’Eclairage = Commissione Internazionale per l’illuminazione) 1931 si basa, come altre
codifiche note, sull’utilizzo di tre colori
primari che, opportunamente miscelati
tra loro in sintesi additiva, permettevano
di ottenere tutti i colori che l’occhio umano
può percepire. La commissione CIE ha comunque definito diversi modelli matematici
di percezione del colore indicati come spazi
di colore e rappresentati da sigle come XYZ
(è il modello CIE 1931), come quello sopra
riportato. Uno spazio dei colori è la combinazione di un modello di colore e di un’appropriata funzione di mappatura di questo
modello.
Un modello di colore, infatti, è un modello
matematico astratto che descrive un modo
per rappresentare i colori come combinazioni di numeri, tipicamente come tre o quattro
valori detti componenti colore.
Lo spettro di
assorbimento
ottico della
clorofilla
rappresentato
come grafico
dell’assorbimento in
funzione della
lunghezza
d’onda.
Sono riportati
due tipi di
clorofilla,
A e B,
indicate
rispettivamente in rosso
e in blu.
La luce bianca è l’insieme di tutti
i possibili colori, ma se qualche colore viene eliminato la luce assumerà una
tonalità, e il colore osservato sarà quello
complementare al colore sottratto. Se la
radiazione assorbita cade nel rosso il colore che si osserva sarà il complementare, cioè il verde. I colori delle piante e dei fiori e anche degli animali esistenti in natura sono molto spesso dovuti alla presenza di molecole specifiche: ad esempio, il colore verde
delle foglie è dovuto alla clorofilla, l’arancione delle carote al carotene, l’astaxantina è responsabile del colore del salmone e dei gamberetti e la cianidina di quello delle more mature. Queste molecole devono il loro colore
all’assorbimento selettivo della luce visibile:
assorbono cioè radiazioni elettromagnetiche
che cadono nel campo del visibile e il colore
che si osserva è quello delle radiazioni non assorbite, ma riflesse.
Se il nostro occhio fosse sensibile anche alla luce ultravioletta
(cioè a lunghezza d’onda più corta della luce violetta) vedremmo
un intreccio di colori anche più
ricco; le api possiedono questa
capacità essendo in grado di “vedere” le radiazioni ultraviolette oltre
ad alcune di quelle visibili all’uomo.
Un modo semplice per mostrare le relazioni
tra i colori è l’utilizzo della ruota del colore
in cui i colori complementari sono opposti
l’uno all’altro lungo un diametro, come ben
mostra la figura qui sopra a sinistra.
Lo spettro visibile nelle frequenze delle radiazioni
8
TI DEI COLORI NATURALI
I cromofori,
portatori
di luce
Cianina
Carotene
La presenza di bande di
assorbimento nel visibile e
nell’ultravioletto da parte
delle molecole è dovuta alla
presenza, all’interno delle
molecole stesse, di gruppi di
atomi caratteristici, chiamati
cromofori (dal termine
greco “portatori di luce”).
Un cromoforo importante è
il gruppo funzionale C=C;
se una molecola possiede
una serie di legami doppi
alternati a legami semplici
(doppi legami coniugati) si
può osservare un
L’assorbimento di radiazioni elettromagnetiche da parte delle molecole avviene con il seguente meccanismo: quando la luce incide
sulla molecola gli elettroni possono passare a
stati di energia superiore. Questo assorbimento può avvenire solo se la frequenza della radiazione incidente è tale che l’energia della
radiazione: ∆E = hν è esattamente identica alla differenza di energia tra due livelli coinvolti
nell’assorbimento. In questo caso l’energia
del fotone viene trasferita alla molecola che
passerà a uno stato “eccitato”, cioè a un superiore livello energetico:
M + hν ➞ M*
assorbimento nell’UV
(pochi doppi legami
coniugati) o nel visibile
(maggior numero di doppi
legami coniugati).
Anche i composti inorganici
possono essere colorati e
questo si verifica quando
nella molecola sono presenti
atomi metallici con orbitali
d, responsabili
dell’assorbimento nel
visibile come, per esempio
lo ione cromato CrO42-, di
colore giallo e tossico.
serva, per esempio, in seguito all’eccitazione
termica degli atomi, come nei saggi alla fiamma, dove il calore estremo della fiamma, più
di 1000°C, provoca una transizione elettronica a livello atomico ed il colore viene emesso
durante il “ritorno” dell’elettrone dallo stato
“eccitato” allo stato fondamentale. Questa caratteristica è però tipica solo di alcuni (pochi)
atomi di elementi metallici del 1° e 11° gruppo e del rame (Cu) tra i metalli di transizione,
che presentano gli elettroni più esterni, cioè di
valenza, poco stabilmente legati al nucleo, per
cui il loro passaggio a uno stato a energia
maggiore è possibile anche con uno stimolo
termico molto forte.
La molecola resta nello stato “eccitato” per un
tempo brevissimo (da 10-6 a 10-9 secondi) dopo di che torna allo stato fondamentale più
stabile perdendo l’energia in eccesso generalmente sotto forma di calore (lievissimo aumento di temperatura):
M* ➞ M + calore
Più raramente il ritorno allo stato fondamentale è accompagnato dall’emissione di energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche a lunghezza d’onda diversa (maggiore) rispetto a quella della luce incidente: è il caso
delle sostanze fluorescenti o fosforescenti.
Ogni sostanza assorbe radiazioni elettromagnetiche di lunghezza d’onda ben precisa è ha
quindi uno spettro di assorbimento che è rappresentato da un grafico in cui si riporta in ordinata l’assorbanza e in ascissa la lunghezza
d’onda. A lato è riportato lo spettro della clorofilla, con i due caratteristici picchi di assorbimento a 420 nm (Abs=0,483)
e a 665 nm (Abs=0,244).
Come è già stato detto il nostro occhio è in
grado di vedere il colore complementare a
quello assorbito, quindi il colore della clorofilla è dovuto al fatto che assorbe la luce blu e
rossa, lasciando quindi il verde.
È da osservare, inoltre, che il meccanismo
della formazione del colore per assorbimento
è diverso da quello per emissione, che si os-
Molti coloranti naturali cambiano
colore al variare del pH della soluzione nella quale sono disciolti.
Questo accade quando la molecola presenta anche caratteristiche acide o basiche e quindi il cambiamento di pH causa l’acquisto o la perdita di uno ione H+.
Come conseguenza si ha anche un cambiamento strutturale della molecola, con una diversa disposizione dei doppi legami coniugati: ciò cambia l’energia dei livelli elettronici,
la lunghezza d’onda delle radiazioni elettromagnetiche assorbite e quindi il colore della
sostanza stessa.
Ad esempio la cianidina è di colore rosso a
pH acido e blu-viola a pH basico.
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ESPERIENZE DALLE SCUOLE / DENTRO I SEGRETI D
Le molecole
naturali
del
“colore”
Molti dei brillanti colori esistenti
in natura sono dovuti ad un’unica
classe di composti chiamati flavonoidi che hanno in comune una struttura fondamentale costituita da due anelli benzenici e da un terzo anello eterociclico, che comprende un atomo di ossigeno. La maggior parte di questi composti si
trova in combinazione con una molecola di
zucchero (componente glucidico).
La natura crea i suoi colori a partire dallo
scheletro dei flavonoidi attaccandovi gruppi
diversi in punti diversi, e legandovi diversi tipi
di glicidi e, ancora, cambiando l’acidità del
mezzo in cui la molecola si trova.
Una delle classi principali di flavonoidi è costituita dalle antocianidine che, in combinazione con molecole di zuccheri, diventano le
antocianine (dal greco anthos, fiore e kyaneos, blu).
Le antocianine o antociani costituiscono la
classe più importante di pigmenti colorati
idrosolubili presenti nei vegetali, si trovano
nei fiori e nei frutti così come negli arbusti e
nelle foglie autunnali. Il colore delle antocianine può variare dal rosso al blu (vedi figura
qui sopra) e dipende essenzialmente dal pH
del mezzo in cui si trovano e dalla formazione
di sali con metalli pesanti presenti nei tessuti
del vegetale, perciò celano ai nostri occhi il
colore verde della clorofilla.
Le antocianine sono presenti, seppur in diverse quantità, in quasi tutte le piante superiori,
ma per esempio non nei cactus, e si trovano
soprattutto nei frutti e nelle infiorescenze, pur
potendosi riscontrare anche in foglie, fusti, radici, molto spesso associate ad altri pigmenti
come i carotenoidi.
Insieme sono anche responsabili della colorazione delle foglie delle piante caduche in autunno, quando la fotosintesi si interrompe, insieme alla produzione della clorofilla.
Le antocianine sono responsabili di molti dei
colori rossi, porpora e blu che si trovano in natura, ma non, ad esempio, del rosso della barbabietola o bietola rossa e della buganvillea,
che è dovuto ad altri coloranti naturali chiamati betacianine, derivati polienici come i caroteni. Altri coloranti naturali che presentano
un’intensa colorazione blu sono gli indigoidi,
10
Equilibri
acido–base
di una
antocianina
in soluzione
acquosa .
come l’indaco, la indirubina..., e anche un colorante rosso molto intenso, utilizzato in campo alimentare, e prodotto da un insetto, il rosso cocciniglia, che fa parte dei coloranti chinonici.
Ma torniamo ai nostri antociani.
La pelargonidina è la più semplice delle antocianidine ed è responsabile del colore rosso del
geranio domestico, contribuisce
al colore delle fragole e dei lamponi maturi.
La cianina è un’antocianidina con due gruppi
-OH sull’anello aromatico di destra e due
unità di glucosio (glu) che hanno la funzione
di solubilizzare il pigmento nel citoplasma acquoso delle cellule, e fornisce il colore viola
nella tavolozza naturale.
È responsabile del colore delle more mature e
contribuisce al colore dei ribes neri, dei lamponi, delle fragole, delle bucce di mele rosse e
delle ciliegie. Il suo colore è molto sensibile
all’acidità dell’ambiente, in soluzione acida
è rossa, ma in soluzione alcalina è viola. La
colorazione blu dei fiordalisi è dovuta allo
stesso pigmento, che però si trova in forma
complessata con uno ione metallico come
Fe3+ o Al3+.
La natura è come sempre economa: i colori
così diversi del fiordaliso e del papavero
hanno in effetti la stessa origine: nel fiordaliso la linfa è alcalina e la molecola si presenta
blu, mentre nel papavero e nella rosa la linfa
è acida e la cianina diventa rossa. Un comportamento simile si riscontra nei fiori di
ipomea, Ipomea purpurea L., che sono blu
intenso al mattino ma diventano violacei o
rosa alla sera quando il fiore, appassendo, diventa acido.
Le antocianine possiedono dunque proprietà
indicatrici, ovvero cambiano colore al variare del pH del mezzo.
La struttura chimica di tutte le antocianidine
è riconducibile allo ione pirilio, un catione
aromatico in cui un gruppo C-H del benzene
è sostituito con un atomo di ossigeno. Le antocianine presenti in maggior quantità nei
vegetali sono sei: cianina, malvidina, peonidina, delfinidina, pelargonidina, petunidina.
TI DEI COLORI NATURALI
Estrazione di
pigmenti
vegetali
da
sostanze
naturali
L’estrazione mediante solventi
consiste nel mettere a contatto,
a caldo o a freddo, il prodotto naturale con un solvente, chiamato “solvente
estrattore”, in grado di solubilizzare solo
le sostanze che ci interessano, in questo
caso i pigmenti colorati, e poche altri
componenti, ma non tutte le altre sostanze
presenti nel vegetale. Si ottengono così una
fase estratta, contenente i pigmenti colorati
sciolti nel sovente estrattore, e un residuo vegetale chiamato “fase esausta” che può essere
smaltito. Sono stati usati due metodi di estrazione e diverse temperature di estrazione. Il
solvente 1 scelto è acqua, visto che si tratta
di sostanze polari, il solvente 2 invece è alcool etilico.
Matrice utilizzata
triturazione
Solventi usati temperatura
Cavolo rosso
Cipolla rossa
Fragole di bosco
Mirtilli
More
Rapa rossa
Peperoncino piccante
Iris
Fiori di ibisco
Rosa canina
+ fiori di ibisco
Ravanelli (buccia)
Fiori di violetta selvatica
Petali di rosa
frullatore
frullatore
frullatore
frullatore
frullatore
frullatore
coltello
coltello
nessuno
nessuno
Acqua/alcool
Acqua/alcool
Acqua/alcool
Acqua/alcool
Acqua/alcool
Acqua/alcool
Alcool
Alcool
Acqua/alcool
Acqua/alcool
a caldo
a caldo
a freddo
a freddo
a freddo
a caldo
a caldo
a caldo
a caldo
a caldo
coltello
nessuno
nessuno
Acqua/alcool
Alcool
Alcool
a caldo
a caldo
a caldo
1. Triturazione del vegetale mediante
mezzi meccanici: frullatore o coltello,
dopo aver pesato un quantitativo da 200
a 250 g circa di vegetale.
Fragole
2. Estrazione col 1° solvente: acqua.
A freddo (30°C) o a caldo (all’ebollizione) per le matrici che tollerano temperature più elevate, cioè il cavolo nero, la
cipolla rossa e la rapa rossa. I tempi
impiegati sono per tutte le matrici 30
minuti, sia a 30° che all’ebollizione.
Mirtillo
3. Filtrazione dell’estratto.
Poiché gli estratti hanno consistenza
semiliquida si è provata l’impossibilità di
filtrazione con i normali filtri su buchner,
in depressione, perché troppo lenti.
Così si sono utilizzati filtri di tessuto sterile utilizzati dai tecnici per “le pulizie”
dei laboratori, e si sono filtrati gli estratti
per “spremitura” attraverso il tessuto.
Ibisco (karcadè)
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ESPERIENZE DALLE SCUOLE / DENTRO I SEGRETI D
Si sono ottenute così le fasi estratte
acquose concentrate, intensamente colorate, e si sono poste in freezer, dentro a
provettoni da 50 mL di capacità
4. Estrazione col 2° solvente: ALCOOL.
Si è scelta in questo caso l’estrazione con
Soxhlet, o estrattore automatico.
Il vegetale triturato è stato pesato (non
più di 50 g) e introdotto dentro a ditali di
carta da filtro, quindi posti nel Soxhlet, e
montata l’apparecchiatura sulla piastra
riscaldante.
estratti, fino a quando arriva al livello del
sifone laterale e ricade nel pallone sottostante. Ogni sifonamento è considerato
un’estrazione. Abbiamo scelto di effettuare almeno 5 estrazioni con il Soxhlet (in
molti casi 6).
L’alcool dentro al pallone si scalda fino
all’ebollizione (78 °C) e i suoi vapori
passano nel refrigerante, vengono raffreddati dall’acqua fredda e condensati sopra
al ditale contenente il vegetale da estrarre. Il livello del liquido intorno al ditale
si alza e si arricchisce dei pigmenti
12
5. Concentrazione dell’estratto. L’estratto
con alcool è stato portato all’evaporatore
rotante dove si è effettuata una distillazione in depressione: collegando l’apparecchiatura a una pompa ad acqua, abbiamo abbassato la pressione interna e permesso all’alcool di bollire a temperature
inferiori al suo punto di ebollizione, in
modo da non degradare le molecole dei
pigmenti. Si è così ottenuto un estratto
semisolido estremamente concentrato,
che si è fatto assorbire da celile (farina
fossile inerte) per conservarlo meglio. Al
momento di utilizzarlo per le esperienze
di titolazione si è trattata la celite con
acqua distillata filtrandola poi via dalla
soluzione cui era stata aggiunta con carta
da filtro e il filtro buchner, in depressione, per velocizzare l’operazione, altrimenti molto lenta.
La colorazione degli estratti alcolici ha
evidenziato componenti diverse nelle
varie matrici, con colorazioni diverse già
nella fase di estrazione. Le foto mostrano
alcune matrici in fase di estrazione continua, di filtrazione, di evaporazione o di
confezionamento nei provettoni per la
conservazione.
TI DEI COLORI NATURALI
Determinazione
Abbiamo poi voluto provare che
le antocianidine, cambiano colore al variare del pH.
Preparazione di soluzioni tampone e
saggio con gli estratti acquosi
Materiale occorrente:
-12 soluzioni tampone a pH diversi, precedentemente preparate
- 12 provette
- Estratto acquoso
- pHmetro ed elettrodo a vetro
- Soluzioni tampone a pH 4 e 7 per la taratura
del pHmetro
delle proprietà
indicatrici
degli antociani
Reagenti per preparare le soluzioni tampone
Soluzione A: 250 mL di NaOH 0,1 M (da preparare pesando il soluto solido).
Soluzione B: 250 mL di HCl 0,1 M (da preparare diluendo in modo opportuno una soluzione di HCl al 36% m/m).
Soluzione C: sciogliere 5,25 g di acido citrico monoidrato in 50 mi di NaOH 0,1 M, quindi portare a 250 mL con acqua distillata.
Soluzione D: 100 mL di KH2PO4 0,07 M (da preparare pesando il soluto solido).
Soluzione E: 100 mL di Na2HPO4 • 2 H2O 0,07 M (da preparare pesando il soluto solido).
Soluzione F: 100 mL di Tris (idrossimetilamminometano) 0,2 M (da preparare pesando il soluto solido).
Soluzione G: sciogliere 1,88 g di gli cocolla (o glicina) e 1,46 g di NaCl fino a 250 mL con acqua distillata.
Preparate le soluzioni tampone, miscelando i
reagenti sopra esposti, come riportato in tabella, e ne abbiamo misurato il pH con un pHmetro precedentemente tarato con soluzioni tampone a pH 4 e 7.
to la colorazione assunta dalle soluzioni all’interno di ciascuna provetta, appena preparate, dopo 30 minuti e dopo 24 ore. Le colorazioni riscontrate, ad esempio, per la mora
tendevano tutte al rosso scuro, non formavano una scala cromatica ben definita in quanto
con l’aumento del pH non vi erano variazioni
molto evidenti.
La situazione è risultata invariata sia al passare dei 30 minuti, che al controllo effettuato il
giorno seguente, anzi il colore si è ulteriormente uniformato.
È stata notata la formazione di un precipitato
in tutte le provette.
Abbiamo quindi predisposto un
porta provette con 12 provette,
numerandole da 1 a 12, nelle quali
abbiamo versato 5 mL di ciascuna soluzione tampone, rispettando l’ordine di
numerazione. Dentro a ogni provetta abbiamo poi aggiunto 3 mL dei diversi estratti
acquosi e abbiamo quindi osservato e annota-
Soluzione tampone
N°soluzioni Soluzione 1
Soluzione 2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
45,5 mL
35 mL
30 mL
22 mL
5 mL
20 mL
29 mL
14mL
6 mL
19 mL
24 mL
27 mL
4,5 mL
15 mL
20 mL
28 mL
45 mL
30 mL
21 mL
12,5 mL
44 mL
31 mL
26 mL
23 mL
slz C
slzC
slz C
slz C
slz C
slz C
slzD
slz F
slz G
slzG
slz G
slz G
slz B
slz B
slz B
slz B
slz A
slz A
slz E
slz B
slz A
slz A
slz A
slz A
Acqua distillata
23, 5 mL
pH misurato
1,35
1,87
2,80
3,88
5,08
5,90
7,35
8,18
8,97
10,03
10.93
12,01
13
ESPERIENZE DALLE SCUOLE / DENTRO I SEGRETI D
La preparazione delle soluzioni
Preparazione di cartine indicatrici
Abbiamo tagliato 12 strisce di carta da filtro da 1x5 cm e le abbiamo disposte in un vetrino contenente l’estratto acquoso, per circa
dieci minuti, in modo che si impregnassero bene del liquido, dopodiché le abbiamo tolte e lasciate asciugare sopra un pezzo di carta.
Estratto acquoso di fragola e ibisco nelle soluzioni tampone.
Ecco predisposto un porta provette con 12 provette numerate e dentro
ciascuna di esse abbiamo versato 5 ml di ciascuna soluzione tampone
precedentemente preparata e una cartina, sempre rispettando la
numerazione, che è stata riportata anche sulle cartine.
Estratto acquoso di rosa nelle soluzioni tampone.
Esse sono state lasciate a contatto con la soluzione tampone per pochi
minuti, poi sono state estratte dalla provetta e seccate.
Abbiamo quindi osservato e fotografato le strisce di carta, il colore da
esse assunto costituiva la scala cromatica in funzione del pH.
II confronto tra i rapanelli (sopra) e il cavolo rosso (sotto) mostra come gli
antociani del cavolo diano un cambiamento di colore più netto ai vari pH.
Cartine con estratti di mirtillo.
Il cavolo rosso infatti mostra una serie di colori che variano dal rosso al
rosa all’azzurro al verde (da pH acido a pH basico).
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Cartine con estratti di mora.
TI DEI COLORI NATURALI
Determinazione
Estratto di mirtillo in H2O
delle proprietà
acido-base
degli antociani
Abbiamo infine verificato le proprietà “acide” delle molecole degli antociani titolando
la soluzione acquosa o la soluzione alcolica, o in alcuni casi entrambe, con NaOH 0,100M e seguendo
l’andamento della titolazione per via potenziometrica. Naturalmente l’estratto alcolico è stato opportunamente diluito a più del 50% con acqua prima della
titolazione. L’estratto acquoso invece è stato usato tal quale o, in alcuni casi, diluito 1:2 o mediante diluizioni maggiori. Come esempi riportiamo le curve di titolazione di
tre matrici, mirtillo, mora ed ibisco.
Come si può notare dai diagrammi il pH cresce troppo lentamente, segno di presenza di soluzioni tampone all’interno dell’estratto stesso, ed il salto di pH al punto equivalente non è netto; gli acidi presenti sono molto deboli, quindi
formano soluzioni tampone con i loro sali, e questo giustifica l’andamento della curva. Nel mirtillo sono presenti
acido citrico, malico, tartarico, benzoico, tannini; i due
componenti maggiori a livello di antociani sono cianidina
e delfinidina, che arrivano alla quantità di 274,52 mg su
100 g di mirtillo. La curva di titolazione della mora è molto diversa, il pH iniziale è più alto, ma cresce più rapidamente, segno che non si formano soluzioni tampone, ma il
salto di pH al punto equivalente non è molto netto. Gli acidi presenti sono comunque deboli.
La mora contiene acido isocitrico, acido malico, pectina;
flavoni, in particolare quercetina, come il peperoncino,
che non ha proprietà indicatrici acido base, ma è un acido
più forte degli antociani del mirtillo; come antocianine la
cianidina.
La titolazione acquosa dell’ibisco in acqua
mostra un lento crescere del pH iniziale, con
formazione di soluzioni tampone, ma poi mostra un netto salto al punto equivalente. L’ibisco è una
pianta appartenente al gruppo delle malvacee, originaria dei tropici. Fra i suoi componenti principali vi
sono acidi organici (malico, ibiscico, citrico e tartarico), antocianosidi, tannini, mucillagine, derivati flavonici
e fitosteroli, polisaccaridi mucillaginosi (acidi ironici,
ramnosio, arabinosio ecc.), pectine ed un alto contenuto di
acido ascorbico.
Per questa sua ultima caratteristica mostra proprietà acide
più spiccate rispetto alle altre due matrici e un netto salto
di pH al punto equivalente. Dalla titolazione in alcol è ancora più evidente questo suo alto contenuto in acidi organici e l’aspetto della titolazione diventa sempre più simile
a quello della titolazione di un acido forte con una base
forte, a parte la lenta crescita iniziale, segno ancora di formazione di un sale tra uno o più acidi deboli e la base forte
NaOH (soluzione tampone).
Estratto di more in H2O
Estratto di karkadè in alcool
Estratto di karkadè in H2O
15
ESPERIENZE DALLE SCUOLE
Intensità
della colorazione
e spettri di
assorbimento
La spettroscopia UV-visibile delle
molecole a più atomi è il metodo
spettroscopico che studia l’assorbimento di luce ultravioletta o visibile dovuto allo spostamento di elettroni da un
livello energetico ad un altro delle molecole stesse. L’intervallo di lunghezze
d’onda che abbiamo utilizzato è stato tra 400
e 800 nm (luce visibile).
La determinazione dell’intensità della colorazione è stata eseguita tramite uno spettrofotometro, misurando l’assorbanza degli
estratti preparati precedentemente a diverse
diluizioni.
Analizzando la figura, si può notare che i
massimi di assorbimento nei solventi utilizzati rispecchiano i dati trovati sui testi, cioè in
acqua intorno a λmax=515 nm mentre in alcool intorno a λmax=540 nm. La forma allargata dello spettro fa pensare ad una miscela di
composti piuttosto che ad un composto puro
(miscele di antocianine). Si nota inoltre uno
spostamento della λmax del massimo di assorbimento verso il rosso dell’estratto in alcool
rispetto a quello in acqua, dovuto alle diverse
interazioni presenti fra il soluto e le molecole
del solvente.
II nostro lavoro, in conclusione, ci
ha consentito di conoscere e apprezzare le proprietà di alcune
sostanze naturali che tutti prima
avevamo apprezzato soltanto come alimenti: abbiamo potuto estrarre le sostanze coloranti in esse contenute e poi,
con queste preparare, delle cartine indicatrici
che avessero in alcuni casi la stessa gradazione cromatica della cartina indicatrice univer-
L’assorbimento degli estratti in acqua
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sale, in particolare il cavolo rosso, il rapanello
e l’ibisco ci hanno consentito di preparare
cartine con la scala cromatica più estesa. Abbiamo potuto poi verificare la presenza di numerose sostanze acide all’interno di queste
matrici, sostanze acide però, nella maggior
parte dei casi, molto deboli.
Abbiamo anche potuto apprezzare la differenza tra i due solventi estrattori utilizzati, che
hanno fornito senz’altro sostanze diverse, visto che le curve di titolazione in acqua e in alcool, non sono mai uguali, perciò contengono
miscele di acidi diverse.
Abbiamo tentato un approccio alla spettroscopia, che conosceremo meglio il prossimo
anno sperando di poter continuare il lavoro
con la ricerca sulle proprietà coloranti di queste sostanze e magari utilizzarle per colorare
prodotti alimentari oppure addirittura fibre
tessili.
L’assorbimento degli estratti in alcool