Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

"Гимназия имени Н.В. Пушкова"

ПОЧЕМУ ОНИ ТЕМНЕЮТ,

ИЛИ

УДИВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ОВОЩЕЙ И ФРУКТОВ.

Научно-исследовательская работа

Ткаченко Агата Алексеевна

Руководитель: Синявская Елена Валентиновна

учитель начальных классов

Москва, городской округ Троицк

2017 год

Оглавление

Введение ............................................................................................................. 3

Раздел 1. Какие еще овощи и фрукты темнеют? ............................................. 5

Раздел 2. Почему темнеют разные овощи и фрукты? ...................................... 6

Раздел 3. Как остановить потемнение у различных овощей и фруктов? ........ 8

Раздел 4. Что такое фитоиммунитет и почему важно его изучать? .............. 13

Выводы и заключение. ..................................................................................... 14

Литература: ....................................................................................................... 15

3

Введение

В прошлом году я подготовила исследование о яблоках. Меня очень

интересовал вопрос о том, почему они темнеют, когда их разрежешь или укусишь.

И это стало темой моего первого исследовательского проекта. Всей семьей мы

изучали книги, журналы и статьи, опубликованные на различных интернет-

ресурсах, и проделали серии опытов, пытаясь определить, как темнеют разные

яблоки и можно ли остановить процесс потемнения.

Очень распространено мнение о том, что яблоки «ржавеют» потому, что в

них очень много железа. Оказалось, что в домашних условиях провести опыты по

определению содержания железа не получится – для этого нужна настоящая

химическая лаборатория. Поэтому, мы изучили разные научные статьи и

выяснили, что гипотеза о том, что яблоки темнеют из-за того, что содержащееся в

них железо, окисляется – это очень распространенный миф.

Химики говорят, что в яблоках содержатся вещества-антиоксиданты, в

довольно больших количествах. Называются они – полифенолы. Антиоксиданты

защищают клетки от окислительных процессов, ускоряющих старение. Обилие

полифенолов-антиоксидантов делает яблоки такими полезными для

человеческого организма.1 Если яблоко разрезать или повредить его кожуру, то

при контакте с кислородом воздуха полифенолы начнут интенсивно окисляться,

причем эта реакция не может проходить без определенного фермента

(полифенолоксидаза или PPO), также содержащегося в мякоти яблока. В

результате этой реакции получается вещество, которое бесцветно, но является

сильным активным окислителем. Оно начинает вступать в реакции со всем, что

есть вокруг, и вещества, которые появляются в результате этих процессов, в итоге

и окрашивают поверхность среза яблока в «ржавый» цвет.

Мы нашли несколько статей об этом, в том числе и на популярном

интернет-сайте для детей, где подробно рассказывается о том, как происходит

данная химическая реакция, с привлечением химических формул и научных

1 Викторова Л. Яблоки. // Химия и жизнь. № 12 2007 г. С. 71

4

терминов.2 Для нас же важно было узнать, что именно полифенолы и их реакция с

воздухом – виновники потемнения.

С механизмом потемнения мы разобрались. Но возник вопрос, зачем же

яблокам темнеть? По общему мнению химиков и биологов, таким образом,

яблоки защищаются от червей, гусениц и механических повреждений. Что

происходит, если откусить или разрезать яблоко? Попробуйте это сделать и

подождать несколько минут. Яблоко потемнеет! Полифенолы, которые так

полезны для человека и его организма, окислятся и превратятся в вещества,

которые безвредны для человека, но совершенно не подходят для

пищеварительного аппарата вредителей.

В целой серии опытов, на примере яблок пяти сортов, мне удалось показать,

что яблоки разных сортов темнеют по-разному, а для того, чтобы яблоко

сохранило вкусовые качества и оставалось светлым лучше всего использовать сок

лимона.3

Работа над проектом оказалась настолько увлекательной, что после того,

как проект был защищен, я стала обращать внимание на разные продукты и их

свойства. В особенности меня интересовали овощи и фрукты. Я поставила своей

целью выяснить, есть ли еще овощи и фрукты, которые темнеют, и как их процесс

потемнения связан с тем, что мы наблюдали у яблок. Задачи же у меня были

следующими, понаблюдать за тем, как изменяются различные плоды и выяснить,

какие из них темнеют или меняют цвет. Изучить литературу, возможно, даже

учебники для студентов, а так же специализированные интернет-ресурсы и

понять, связаны ли процессы потемнения у различных растений, а если связаны,

то как? И, конечно, мне было интересно провести очередную серию опытов по

остановке потемнения.

2 http://allforchildren.ru/why/why123.php 3 Ткаченко А. Почему «ржавеет» яблоко? Московский городской конкурс проектных и исследовательских работ. Доклад. М., 2016. С. 9-13

5

Раздел 1. Какие еще овощи и фрукты темнеют?

Иногда я помогаю родителям готовить, и вот что мне удалось выяснить.

Кроме яблок, оказывается, темнеют и другие фрукты. Во-первых, это груши.

Растение груша так же относится к подсемейству яблоневых, это я выяснила еще

в прошлом году. Летом я обратила внимание на то, что темнеет разрезанная или

надкушенная ягода винограда, темнеют так же очищенные и разрезанные бананы.

А еще меня удивил тот факт, что пока мама чистит картошку, картошка

заметно меняет цвет, пока мама не зальет ее водой и не поставит на плиту.

Картофель – это корнеплод. То есть плод, который созревает в земле. Я

понаблюдала за другими корнеплодами, такими как морковь или свекла, но ни

морковь, ни свекла цвет не меняли. Мои родители очень любят блюда из

баклажанов и очень часто их готовят. Так вот, баклажаны, оказывается, тоже

темнеют.

Дальше мои поиски переместились в интернет. Мне удалось выяснить, что

еще темнеют манго и авокадо. Мы с мамой проделали опыт. Нам удалось найти

спелый авокадо, мы его разрезали и подождали полчаса, но авокадо не потемнел.

Мы вернулись к другим делам и забыли о нем. Через несколько часов авокадо

потемнел.

У меня возник вопрос, возможно, те растения, которые темнеют, как-то

связаны между собой? В прошлом году я выяснила, что груши и яблоки –

растения-родственники, они относятся к одному и тому же подсемейству,

яблоневые. И к одной и той же семье – Розовые. Меня заинтересовал этот факт, и

мы стали искать информацию о том, что же такое семьи растений. Оказывается,

все растения делятся на группы по различным признакам. Растения с похожими

признаками объединяются в семейства, которых очень много.4 Наука ботаника

занимается изучением растений, а так же тем, по каким признакам они

объединятся в группы и подгруппы. Это называется классификация.

Для того, чтобы собрать информацию о растениях, за которыми наблюдала,

4 http://beaplanet.ru/klassifikaciya_rasteniy.html

6

я обратилась к открытой интернет-энциклопедии Википедия. Результаты моих

изысканий мы занесли в таблицу.

Название плода Семейство, к которому принадлежит растение

Яблоко Розовые Груша Розовые

Виноград Виноградные Банан Банановые

Картофель Пасленовые Баклажан Пасленовые Авокадо Лавровые

Итак, не все растения, плоды которых темнеют, относятся к одному и тому

же семейству. Значит, это свойство не зависит от семейства, к которому относятся

растения.

Раздел 2. Почему темнеют разные овощи и фрукты?

Как и почему темнеют яблоки, мы выяснили в прошлом году – есть

определенные вещества, ответственные за этот процесс. Так как не все растения,

плоды которых темнеют, родственники, мы предположили, что возможно и

механизм потемнения у них разный. К сожалению, отдельных статей о

потемнении каждого из овощей и фруктов, за которыми мы наблюдали, в

открытом доступе мы не нашли. Но нам удалось найти ответ на наш вопрос.

На одном из англоязычных интернет-ресурсов мы нашли результаты

исследований различных пищевых продуктов. Этот сайт был создан по

инициативе Вагенингенского университета, который находится в Нидерландах. В

этом университете есть и научно-исследовательский центр, где изучают пищевые

продукты. Моя мама – переводчик, и она очень помогла мне в этой работе. Вот

здесь мы нашли подробную статью о ферментах, ответственных за потемнение, а

также сводную таблицу продуктов, в которых происходит подобная химическая

реакция.5 Все наблюдаемые нами фрукты и овощи оказались в этой таблице.

5 Enzymatic Browning. http://www.food-info.net/uk/colour/enzymaticbrowning.htm

7

Наше предположение о том, что механизм потемнения разный, не подтвердился.

Во всех наблюдаемых нами плодах растений разных семейств за потемнение

отвечает один и тот же процесс, который мы изучали в прошлом году на примере

яблок, это окисление веществ из группы полифенолов при участии веществ из

группы ферментов.

Овощи и фрукты, подготовлены для опытов.

Мы решили понаблюдать, как темнеют разные плоды. Для наблюдений мы

выбрали картофель, груши, бананы, авокадо и яблоки, те овощи и фрукты,

которые смогли найти в продаже. Мы разрезали выбранные овощи и фрукты для

того, чтобы понаблюдать за тем, как они темнеют.

Быстрее и сильнее всего потемнели яблоки. Быстро потемнели груши и

бананы, но не так сильно, как яблоки. К слову, когда груши и яблоки уже не

темнели, бананы продолжали темнеть и спустя несколько часов становились

коричневыми. О картофеле можно сказать следующее, некоторые сорта темнеют,

а некоторые нет. Те, что темнеют, темнеют не так сильно, как яблоки, иногда они

меняют цвет на серый, а иногда на красноватый. Потемнение картофеля можно

заметить спустя 30 мин, в то время, как потемнение яблок, особенно сильно

темнеющих сортов, наблюдается уже в течение первых 10 минут. Авокадо же

темнеет спустя несколько часов.

8

Яблоки, картофель и авокадо потемнели!

Так как ответственным за потемнение является один и тот же процесс,

различные его проявления, видимо, связаны с количеством полифенолов,

возможно, в каких-то плодах их больше, а в каких-то меньше. Для того, чтобы

осуществить эксперименты по наличию веществ и силе реакции нужна

химическая лаборатория, которой мы, к сожалению, не располагаем.

Раздел 3. Как остановить потемнение у различных овощей и фруктов?

В прошлогоднем исследовании мы с родителями проделали серию опытов с

несколькими сортами яблок и выяснили, что разные сорта темнеют по-разному. В

это году мы попытались проверить это на примере картофеля и груш. Бананы мы

не смогли подключить к нашему исследованию, так как в продаже имеются, как

правило, бананы одного сорта.

Как уже упоминалось выше, в ходе наблюдений выяснилось, что картофель

и груши меняют цвет менее явно, чем яблоки.

Для того, чтобы выяснить, как темнеют разные сорта груш, мы проделали

тот же самый опыт, что и с яблоками. Взяв по два плода трех сортов груш,

«Камис», «Пакхам» и «Кнференция», мы разрезали их и оставили на 30 минут.

Результаты эксперимента мы занесли в таблицу.

Название сорта Степень потемнения 1. Камис 4 2. Пакхам 0.5 3. Конференция 2 4. Контрольное яблоко сезонное 5

9

Груши разных сортов. Слева – только что разрезанные. Справа – через 30 минут.

Далее мы взяли картофель разных сортов. Так как в магазине сорта не были

указаны, мы условно назвали разные картофелины картофель «красный», «белый»

и «желтый». В ходе опытов выяснилось что, во-первых, картофель меняет цвет

гораздо медленнее, чем яблоки, а во-вторых, по шкале от 1 до 5, которую мы

применяли для яблок и груш, картофель потемнел максимум на 3, и то спустя 40

минут.

Картофель двух сортов через 30 минут. «Белый» немного потемнел, но на

фотографии это не заметно.

Конференция Камис

Пакхам

10

Кроме этого, картофель «желтый» не темнел вообще и сохранял

первоначальный цвет и спустя 60 минут, после того, как его разрезали. Картофель

«красный» немного менял цвет на красновато-серый. Сильнее всего спустя 30

минут, поле того, как его разрезали, поменял цвет на красновато-ржавый

картофель «белый».

В ходе этих опытов мы так же убедились в несовершенстве нашей

фотоаппаратуры. То, что мы смогли зафиксировать зрительно, на фотографиях, к

сожалению, отображалось не совсем явно.

Третья серия опытов была посвящена остановке потемнения. Мы взяли

яблоки, груши, картофель и бананы. Решено было использовать четыре метода:

1) Обработать плоды лимоном. Этот метод оправдал себя в ходе

экспериментов с яблоками в прошлом году. Лимонная кислота – сильный

антиоксидант и предотвращает окисление.

2) Обработать плоды луком. Этот метод применяет мама для того, чтобы

предотвратить потемнение натертого картофеля. В луке содержатся

аскорбиновая, лимонная и яблочная кислоты, которые могут

предотвратить потемнение.

3) Опустить плод на 1 минуту в кипящую воду, чтобы разрушить ферменты,

ответственные за потемнение. В прошлом году этот эксперимент не

удался. Нам было интересно повторить его, немного изменив условия, на

этот раз мы опускали кусочек плода в кипящую в кастрюле на плите воду,

а затем вынимали его.

4) Опустить плод в холодную воду и оставить его там до конца

эксперимента, чтобы лишить контакта с воздухом и предотвратить

окисление. Этим методом часто пользуются, чтобы сохранить картофель

до варки.

Мы подготовили кастрюлю с кипятком, миски с водой, кусочки лимона и

лука. Нам также понадобилась дополнительная посуда для, того чтобы выложить

обработанные кипятком, лимонным и луковым соками кусочки плодов. Кроме

этого, мы пользовались чистым ножом и разделочной доской.

11

Лимон и лук для натирания разрезанных плодов и картофель в холодной воде.

Итак, мы взяли по 1 плоду каждого вида. Отрезали от каждого плода по 5

кусочков. Один оставили для контроля, второй обработали соком лимона, третий

– соком лука, четвертый опустили на время эксперимента в воду, а пятый

опустили в кипящую в кастрюле на плите воду на 1 минуту, а затем извлекли.

Контрольное время для оценки потемнения - 30 минут. Потемнение оценивали по

шкале от 1 до 5, результаты занесли в таблицу.

Способ обработки груша яблоко картофель банан

контрольное время 12:11 -12:41 12:22 – 12:52 12:29 – 13:09 12:33– 13:03

Необработанная долька (контрольная) 3 5 2 2

Лимонный сок 0.5 1 0.5 1 Луковый сок 0 0 0 1 Холодная вода 0 0.5 0 2 Кипяток 5 0 0.5 2

Наши эксперименты с плодами мы повторили еще раз, для того, чтобы

подтвердить результат.

Нам удалось выяснить, что лучше всего останавливает потемнение в

выбранных фруктах и овощах луковый сок, возможно по тому, что там

содержатся различные кислоты и эфирные масла.

12

Разрезанные яблоки, груши, бананы и картофель через 30 минут. На каждой

фотографии сверху вниз: 1) контрольная долька; 2) смазанная лимоном; 3) луком;

4) оставленная в холодной воде; 5) погруженная на 1 минуту в кипяток.

Контрольная

Лимон

Холодная вода

Кипящая вода

Лук

13

Кроме этого, со второй попытки, на примере яблока и картофеля, нам

удалось показать, что кипяток так же останавливает потемнение, однако не во

всех плодах. Дольки банана и груши успели свариться и стали полупрозрачными.

Возможно, что ферменты, содержащиеся в бананах и грушах, нужно разрушать

при другой температуре.

Предотвращает потемнение яблок, груш и картофеля так же холодная вода,

но это не касается банана. Следует отметить, что вода работает только во время

эксперимента. Кусочки плодов, которые мы извлекли из воды, затем потемнели.

Раздел 4. Что такое фитоиммунитет и почему важно его изучать?

В ходе работы над первой частью проекта, мы выяснили, что потемнение –

это защита яблок от порчи. Плоды, таким образом, защищаются от порчи и

повреждений, значит, это результат самозащиты растений. Именно поэтому,

подобные свойства обнаруживаются не только у яблок, но присущи многим

растениям, даже принадлежащим к разным семействам.

Кроме того, что окисляясь на воздухе полифенолы предотвращают порчу

остального, неповрежденного растения, полифенолы также препятствуют

заражению растений различными заболеваниями, а также отпугивают вредителей.

Подобные удивительные вещества и процессы являются составной частью более

сложного процесса самозащиты растений – фитоиммунитета. Так называется

именно иммунитет растений.6

Исследованием фитоиммунитета занимаются представители нескольких

наук, это и биологи, и химики и те ученые, которые занимаются проблемами

разведения растений в промышленных масштабах, хранением и безопасностью

пищевых продуктов. Это важно не только для того, чтобы сохранять плоды

долгое время для продажи, но и для повышения выносливости растений и для

большей урожайности. В конечном итоге, это важно для нас с вами, так как

помогает получить более качественные пищевые продукты.

6 Полевой В.В. Физиология растений. М., 1989 с. 444-445.

14

Нужно сказать, что существуют целые лаборатории, в которых ученые

занимаются изучением пищевых растений, такие как научно-исследовательский

центр Вагенингенского университета. Проблемами фитоиммунитета в нашей

стране занимается отдельная лаборатория в Институте биохимии им. А.Н. Баха

Российской Академии наук.7

Выводы и заключение.

В ходе нашей работы нам удалось узнать, что темнеют не только яблоки, но

и другие фрукты и овощи. Мы выяснили, что темнеют плоды различных, не

принадлежащих к одному семейству, растений, но механизм потемнения у них

один и тот же.

Мы выяснили, что степень и скорость потемнения отличается у различных

плодов. Более того, некоторые плоды, такие как картофель, яблоки и груши

темнеют по разному в зависимости от сорта. Возможно, это связано с различным

количеством полифенолов, содержащихся в их клетках.

В ходе серии экспериментов, мы убедились в том, что при помощи разных

веществ можно предупредить или замедлить потемнение. Мы выяснили, что

самым эффективным способом остановки потемнения оказался сок лука. Кроме

этого, опустив плоды в кипяток, мы убедились, что остановить потемнение

возможно и при помощи кипятка. Со второй попытки нам удалось показать, что в

яблоках, например фермент полифенолоксидаза разрушается при температуре

100ºС, что останавливает потемнение. Видимо, важно опускать плоды именно в

кипящую воду, а не заливать кипятком, что, скорее всего, не дает нужной

температуры.

При работе с литературой, я познакомилась с понятием классификация в

ботанике. Мы с родителями изучили книгу о физиологии растений и выяснили,

что такое фитоиммунитет. Полифенолы и связанное с ними потемнение являются

важной частью защиты растений от болезней и вредителей. А еще я поняла, что

7 http://www.inbi.ras.ru/labs/tarchevsky/

15

владение иностранным языком многократно расширяет возможности поиска и

работы с информацией.

В ходе наших экспериментов нам удалось ответить на многие вопросы, но,

конечно, в ходе работы перед нами встали и новые, более сложные. Например,

какие точно ферменты и полифенолы участвуют в процессе потемнения у

различных плодов? Каково их содержание? Какова температура разрушения

ферментов, ответственных за потемнение и так далее? Тема оказалась очень

интересной и важной, и мне было очень интересно над ней работать.

Литература:

1) Викторова Л. Яблоки. // Химия и жизнь. № 12 2007 г. С. 70

2) http://allforchildren.ru/why/why123.php

3) Ткаченко А. Почему «ржавеет» яблоко? Московский городской конкурс

проектных и исследовательских работ. М., 2016.

4) http://beaplanet.ru/klassifikaciya_rasteniy.html

5) Enzymatic Browning:

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

6) Полевой В.В. Физиология растений. М., 1989 с. 444-445.

7) http://www.inbi.ras.ru/labs/tarchevsky/