Witamina C – gdzie więcej?
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (3/2018):
Organizmem nazywamy układ charakteryzujący się prowadzeniem w swoim obrębie pewnych procesów - np. przemiany materii - którego elementy tworzą funkcjonalną całość zdolną do samodzielnego życia [1].
Organizmy żywe z punktu widzenia termodynamiki nie są oczywiście układami izolowanymi - potrzebują więc wymiany zarówno materii, jak i energii ze środowiskiem zewnętrznym. Skupiając się tym razem na materii możemy podzielić substancje wymagane przez daną istotę żywą do prowadzenia charakterystycznych dla niej reakcji biochemicznych na endogenne i egzogenne. Pierwsze z nich mogą być wytwarzane przez sam organizm i nie są wymagane do tego żadne inne środki poza energią i substratami. Substancje egzogenne natomiast są związkami chemicznymi, które nie mogą być syntetyzowane przez dany organizm, a jednocześnie mają pełnią ważną rolę w procesach biochemicznych. Z tego powodu są one pobierane z zewnątrz np. za pośrednictwem układu pokarmowego.
Substancje egzogenne bywają szkodliwe - przykładem mogą być tutaj tak zwane ksenobiotyki (gr. ksenos - obcy) czyli związki chemiczne występujące z jakichś powodów w organizmie, który ani ich nie produkuje ani też normalnie nie przyjmuje z pożywieniem [2].
Inne substancje egzogenne są jednak konieczne dla normalnego funkcjonowania organizmu. Należą do nich m.in. witaminy. Odkrycie znaczenia witamin i wydzielenie pierwszej z nich (B1 czyli tiaminy) było jednym z ważniejszych osiągnięć nauki XX wieku - a zawdzięczamy je polskiemu biochemikowi Kazimierzowi Funkowi. To on ukuł też nazwę dla tej grupy związków, będącą złożeniem łacińskiego słowa vitae, czyli "życie" i terminu "amina", ponieważ tiamina zawiera grupę aminową [3].
Dziś znamy wiele witamin. Można je podzielić np. ze względu na rozpuszczalność. Wyróżniamy więc witaminy rozpuszczalne w tłuszczach (A, D, E i K) i w wodzie (witaminy B i C) [4].
Jeśli chodzi o zapotrzebowanie organizmu na witaminy, to jest ono na ogół niewielkie - wymagane dzienne dawki są liczone w tysięcznych, czy nawet milionowych częściach grama. Skutki nieprawidłowej zawartości tych związków w pożywieniu, a także w rozpatrywanym ustroju można podzielić na:
- awitaminozy - całkowity brak witamin,
- hipowitaminozy - częściowy niedobór witamin,
- hiperwitaminozy - przedawkowanie witamin.
Jak widać, nieprawidłowe działanie organizmu może być powodowane tak przez niedobór witamin, jak i ich nadmiar.
Witaminy mają olbrzymi wpływ na dużą część procesów zachodzących w organizmie. Przy ich braku lub nieprawidłowej ilości mogą być zaburzone: regeneracja uszkodzonych tkanek, regulacja metabolizmu, przemiany substancji energetycznych, a także odpowiedzi układu odpornościowego.
Mimo, że pozostałe związki z tej grupy są także bardzo ciekawe, dziś skupimy się na witaminie C. Wiemy, że występuje ona w wielu produktach naturalnego pochodzenia. Ale czy w warunkach szkolnych można pokusić się o przeprowadzenie jakiejkolwiek analizy jej występowania choćby w owocach? W dalszej części niniejszego artykułu postaram się przekonać Szanownego Czytelnika, że nawet przy zastosowaniu bardzo prostych i tanich środków jest możliwe nie tylko wykrycie omawianej witaminy, ale także przynajmniej zgrubne oszacowanie jej zawartości w różnych produktach.
Witamina C
Z chemicznego punktu widzenia witamina C jest kwasem askorbinowym o wzorze sumarycznym C6H8O6. Jest ona organicznym związkiem chemicznym z grupy nienasyconych alkoholi polihydroksylowych, tj. zawierających więcej niż jedną grupę hydroksylową -OH w cząsteczce. Należy zaznaczyć, że pojęcie kwasu askorbinowego jest szersze niż witaminy C. Tłumaczy się to faktem, że kwas ten może istnieć w postaci różnych izomerów (Rys.1). Naturalnie występujący kwas askorbinowy posiada konfigurację L w łańcuchu bocznym i konfigurację D układu furanowego – w tej postaci wykazuje on funkcje biologiczne witaminy C. Natomiast kwas D-askorbinowy nie ma tego rodzaju znaczenia biologicznego – nie można go więc nazwać witaminą [5].
Kwas D-izoaskorbinowy bywa też nazywany kwasem erytrobowym [6].
Większość zwierząt i roślin wytwarza samodzielnie ten związek. Wyjątkiem są organizmy ssaków naczelnych, świnki morskiej i pewnych gatunków nietoperzy, a także niektórych ryb.
Wymagana zawartość witaminy C w pożywieniu dorosłego człowieka wynosi 45 - 90 mg na dobę [7].
Witamina C zawarta w pożywieniu jest bardzo wrażliwa na działanie czynników fizycznych i chemicznych. Jej nietrwałość powoduje, że ulega zniszczeniu w kontakcie z wysoką temperaturą, ze światłem i powietrzem (zachodzi utlenianie). Z racji jej charakterystycznych właściwości chemicznych możemy się postarać wykryć ją w wielu produktach spożywczych, np. w świeżych owocach lub warzywach.
Analiza
Witamina C jest uważana za dosyć silny przeciwutleniacz, tzn. powstrzymuje lub opóźnia procesy utleniania innych substancji [8]. Nie dziwi więc fakt, że z chemicznego punktu widzenia jest ona stosunkowo energicznym reduktorem – właśnie tę właściwość wykorzystamy w celu wykrycia witaminy C i zmierzenia jej ilości.
Drugą potrzebną substancją jest preparat zawierający jod I. Można w tym celu zastosować apteczną jodynę używaną w celach dezynfekcyjnych. Jest to ciemnobrunatna, prawie czarna ciecz łatwo brudząca skórę (Fot.1).
W zależności od sposobu sporządzenia jodyna może być alkoholowym roztworem pierwiastkowego jodu lub wodnym roztworem jodu w jodku potasu KI pełniącym rolę solubilizatora.
Pierwiastkowy jod w jodynie występuje w formie jonów wielojodkowych, głównie trójjodkowych I3-. Wykazują one właściwości utleniające.
Dla uwidocznienia obecności pierwiastkowego jodu lub jonów I3- wygodnie jest zastosować skrobię (mąkę) ziemniaczaną (Fot.2).
Jeśli przygotujemy zawiesinę skrobi ziemniaczanej w wodzie (Fot.3A) i dodamy do niej nieco jodyny, to natychmiast wystąpi ciemnogranatowe zabarwienie powstałego w ten sposób kompleksu (Fot.3B). Reakcja ta jest bardzo czuła i zachodzi praktycznie natychmiast, jeśli w układzie reakcyjnym znajdą się jony wielojodkowe i skrobia.
Chcąc badać zawartość witaminy C w produktach wykorzystamy fakt, że gdy reaguje ona z jodem, ten drugi zostaje zredukowany do jonów jodkowych I- w myśl równania reakcji:
W tym momencie ważne jest, że o ile jony trójjodkowe I3- dają w reakcji ze skrobią granatowy kompleks, to już będące produktem jony jodkowe I- nie reagują w ten sposób – nie powstaje więc żadne zabarwienie.
Wyobraźmy sobie sytuację, w której badany roztwór zawiera jakąś ilość witaminy C, a także zawiesinę skrobi. Jeśli będziemy dodawać do niego powoli jodynę, to początkowo nie zaobserwujemy powstania zabarwienia, ponieważ jod będzie na bieżąco redukowany do jodków. Dopiero po wyczerpaniu się całej ilości witaminy, kolejna porcja jodyny wywoła nagłe powstanie zabarwienia. Tak więc na podstawie zużytej ilości jodyny możemy wnioskować o początkowej zawartości witaminy C w badanym roztworze. Z tego powodu można zastosować tutaj miareczkowanie czyli chemiczną metodę analizy ilościowej polegającą na dodawaniu ściśle kontrolowanej objętości roztworu o znanym stężeniu (titranta) do roztworu badanego zawierającego analit (czyli substancję, której koncentrację określamy). Obserwacja zmian zachodzących podczas procesu - np. zmiana barwy - pozwala określić stężenie danej substancji w roztworze. Dokładne miareczkowanie wymaga wykorzystania tzw. biuret, czyli specjalizowanych pipet wyposażonych w precyzyjne krany i pozwalające na dokładne mierzenie objętości wykorzystanego titranta. Niestety, biurety są delikatnymi przyrządami i bywają stosunkowo drogie - nie zawsze są dostępne w szkolnych pracowniach chemicznych, nie mówiąc już o biologicznych. Można sobie jednak poradzić w inny sposób.
Zamiast odczytywać objętość dodawanego titranta w jednostkach bezwzględnych (cm3 lub innych) wyznaczymy ją w dosyć naturalnych jednostkach, jakimi są krople. Aby pomiary były jak najdokładniejsze, musimy zadbać by krople za każdym razem miały te same rozmiary. Najprostszą metodą jest tutaj zastosowanie igły do zastrzyków o niewielkiej średnicy, np. 0,4mm (Fot.4A) – formowanie jednakowych kropli ułatwia stępienie igły np. za pomocą drobnoziarnistego papieru ściernego (Fot.4B).
Zauważmy, że przy wykorzystaniu opisywanej metody dosyć duże znaczenie dla precyzji pomiaru ma już sama wielkość kropli. Na szczęście w przypadku jodyny będącej roztworem alkoholowym relatywnie niska wartość napięcia powierzchniowego powoduje, że maksymalne wymiary kropli są dużo mniejsze (Fot.5A) niż w przypadku wody i roztworów wodnych (Fot.5B).
Na początek spróbujemy określić zawartość witaminy C w owocach cytrusowych, np. w owocu cytryny właściwej Citrus limon i limy Citrus aurantifoli (Fot.6).
Do analizy wykorzystujemy świeżo wyciśnięty, nie rozcieńczony sok z tych owoców (Fot.7). Można go przesączyć, ale pomiędzy wyciśnięciem z owoców, a analizą powinno upłynąć jak najmniej czasu, ponieważ witamina C – jak już wspominałem – jest podatna na rozkład.
Proponuję przygotować roztwór badany w następujący sposób: w 25cm3 wody destylowanej rozpuścić jak najdokładniej odmierzony (pipetą, lub w ostateczności niewielką strzykawką) sok w objętości 1cm3. Dodatkowo trzeba dodać tutaj 2cm3 ostudzonego kleiku skrobiowego powstałego przez zalanie wrzątkiem niewielkiej ilości skrobi ziemniaczanej rozrobionej uprzednio w zimnej wodzie (Fot.8).
Do analizy przystępujemy w ten sposób, że do początkowo bezbarwnego roztworu (fot. 9A) dodajemy powoli, po jednej kropli, roztwór titranta – w tym przypadku jodyny. Titrant dawkujemy za pomocą strzykawki i igły spreparowanej w opisany uprzednio sposób. Badany roztwór powinien być ciągle mieszany – przydatne jest tu mieszadło magnetyczne. Po dodaniu którejś z rzędu kropli płyn może częściowo się zabarwić (fot. 9B). Po zamieszaniu jednak zabarwienie powinno zanikać (Fot.9C). Dopiero w pewnym momencie dodatek kolejnej kropli jodyny spowoduje powstanie trwałego zabarwienia, które nie zanika po zamieszaniu (fot. 9D). W tym momencie przerywamy miareczkowanie.
Uzyskanie trwałego zabarwienia oznacza, że cała ilość witaminy C zawartej w wykorzystanym soku już przereagowała i możemy zanotować wykorzystaną w tym celu ilość kropel jodyny.
Ale przecież nie tylko owoce cytrusowe zawierają witaminę C! Duże jej ilości występują w wielu innych owocach i pokarmach. Nic nie stoi na przeszkodzie by spróbować określić jej zawartość w soku powstałym przez wyciśnięcie owocu pomidora zwyczajnego Solanum lycopersicum (Fot.10).
Oczywiście najlepiej jest wykonać dla tej samej substancji (soku) przynajmniej kilka pomiarów i wyniki uśrednić. Otrzymane przeze mnie przykładowe wyniki – każdy powstał po uśrednieniu 10 pomiarów – zawiera Tab.1. Dodatkowo umieściłem w niej także wyniki pomiarów poczynionych w odniesieniu do roztworu zawierającego dwa razy większą objętość badanego soku.
Ilość kropel titranta (jodyny) potrzebna do wywołania trwałego zabarwienia | ||
1cm3 soku | 2cm3 soku | |
cytryna | 7 | 13,5 |
lima | 5 | 10 |
pomidor | 3 | 6,5 |
Na podstawie wyników możemy wnioskować, że ilość kropel titranta jest proporcjonalna do ilości badanej substancji, tj. podwojenie objętości wykorzystanego soku powoduje dwukrotne zwiększenie ilości jodyny potrzebnej do trwałej zmiany barwy roztworu.
Jak widać, nawet taka prosta metoda pozwala na stwierdzenie, że w przypadku wykorzystanych owoców sok z cytryny zawierał najwięcej witaminy C, sok z limy nieco mniej, a wyciąg z pomidora ponad dwa razy mniej niż z cytryny.
W ten sposób możemy jednak tylko porównywać zawartość witaminy C w różnych produktach. Czy możemy jednak dowiedzieć się, jaka konkretnie jej ilość jest w nich zawarta? Otóż tak! W tym celu musimy zmiareczkować roztwór zawierający znaną ilość tej witaminy.
Jeśli nie posiadamy wagi analitycznej to najprostszym rozwiązaniem jest wykorzystanie witaminy C w kapsułkach, którą można kupić w aptece (Fot.11).
Powinniśmy wybrać preparat, który zawiera jak najmniej dodatkowych substancji – ideałem będzie czysta witamina C. Kapsułkę taką można z łatwością otworzyć i wysypać jej zawartość (Fot.12). Krystaliczny proszek składa się głównie z pożądanej przez nas substancji.
Informacja o zawartości witaminy C w kapsułkach jest podawana przez producenta na opakowaniu i w ulotce. W moim przypadku kapsułki zawierały 500mg kwasu L-askorbinowego.
Witaminę należy rozpuścić w znanej objętości wody (np. 250cm3), a następnie pobrać 1cm3 tego roztworu i wykonać miareczkowanie podobnie jak w przypadku soku. Ponownie najlepiej będzie wykonać tę procedurę kilkukrotnie i uśrednić wyniki.
Pobrana ilość roztworu zawiera w takim przypadku 500/250=2mg witaminy C. W przypadku wykorzystanej przeze mnie w doświadczeniach jodyny do zmiareczkowania tej ilości witaminy C było potrzebnych 63 kropel titranta. Wiedząc to możemy (o ile wykorzystaliśmy te same odczynniki) przeliczyć uzyskane w odniesieniu do owoców wartości względne na konkretne wartości liczbowe, np. na stężenie witaminy C w soku. Uzyskane wartości przedstawia Tab.2.
stężenie [mg/cm3] | |
cytryna | 0,22 |
lima | 0,16 |
pomidor | 0,10 |
Otrzymane w ten sposób wartości oczywiście nie są zbyt dokładne, ale zgadzają się w ogólnym zarysie z danymi dostępnymi w literaturze. Dodatkowo, mogą istnieć także duże rozbieżności w uzyskanych wynikach spowodowane np. różnym stopniem dojrzałości owoców, warunkami przechowywania itp.
Opisana metoda pozwala na zapoznanie się z bardzo przydatną (także w biologii) metodą miareczkowania. Opisana procedura, mimo znacznego uproszczenia wydaje się być szczególnie przydatna do zastosowania w warunkach szkolnych z racji wykorzystania nietoksycznych substancji chemicznych i powszechnie dostępnych sprzętów.
Rola witaminy C
Kwas L-askorbinowy pełni bardzo ważną rolę w organizmie. Bierze udział w aktywacji wielu enzymów, poprawia asymilację żelaza, uczestniczy w syntezie kortykosteroidów, a także części neuroprzekaźników. Witamina C utrzymuje prawidłowy stan dziąseł i zębów, jest konieczna także dla prawidłowego stanu tkanki łącznej, ponieważ uczestniczy w syntezie kolagenu. Należy też wspomnieć o roli tej witaminy w gojeniu się ran oraz zachowaniu prawidłowego potencjału oksydacyjnego w komórce [9].
Przedstawione wyliczenie jest oczywiście niepełne, ale daje wyobrażenie o olbrzymim znaczeniu opisywanej substancji. Nie dziwi więc fakt, że brak lub jej niedobór w pożywieniu powoduje poważne problemy zdrowotne. Do skutków niedoboru należą m.in. szkorbut (krwawienie i owrzodzenie dziąseł oraz wypadanie zębów), kruchość i pękanie naczyń krwionośnych, osłabienie odporności organizmu, nieprawidłowe i powolne zrastanie się kości, obrzmienie i bolesność stawów, wyraźne spowolnienie procesu gojenia się ran. W społeczeństwach rozwiniętych niedobory tej witaminy zdarzają się jednak stosunkowo rzadko. Pamiętać należy jednak, że na świecie występują ciągle rejony, gdzie zaspokojenie zapotrzebowania na witaminę C nie zawsze jest łatwe.
Literatura:
- [1] Jura J., Organizm żywy, w: Otałęga Z. (red.), Encyklopedia biologiczna, Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków, 1999 powrót
- [2] Mansuy D., Metabolism of xenobiotics: beneficial and adverse effects, Biologie Aujourd'hui, 207 (1), 2013, str. 33 - 37 powrót
- [3] Hassa R. (red.), Mrzigod J. (red.), Nowakowski J. (red.), Podręczny słownik chemiczny, Wydawnictwo Videograf II, Katowice, 2004 powrót
- [4] Bender D. A., Mayes P. A., Mikroelementy odżywcze: Witaminy i składniki mineralne, w: Murray R. K., Granner D. K., Rodwell V. W., Biochemia Harpera (wyd. VI, uaktualnione), Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, 2008, str. 588 powrót
- [5] Burgen A. S. V., Mitchell J. F., Gaddum's Pharmacology (wyd. IX), Oxford University Press, 1985, str. 136 powrót
- [6] Eggersdorfer M., i inni, Vitamin C (l-Ascorbic Acid), w: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Veinheim, 2005 powrót
- [7] Vitamin and mineral requirements in human nutrition (2nd edition), Światowa Organizacja Zdrowia, 2004 powrót
- [8] Bartosz G., Druga twarz tlenu (wyd. II), Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2008, str. 179 powrót
- [9] Bukała B., Biologia. Fizjologia zwierząt z elementami fizjologii człowieka, Wydawnictwo Szkolne Omega, Kraków, 2005 powrót
Autorem fotografii i rysunków jest Marek Ples.
Marek Ples