4. Přírodní látky: zdroje, vlastnosti a důkazy 4.04 Izolace kaseinu z mléka. Projekt úroveň 1 2 3
1. Předmět výuky Metodika je určena pro vzdělávací obsah vzdělávacího předmětu Chemie. Chemie 2. Cílová skupina Metodika je určena pro žáky 2. stupně ZŠ (8. a 9. třída) a nižší ročníky osmiletých gymnázií (tercie a kvarta). 2. stupeň ZŠ (8. a 9. třída) Osmiletá gymnázia (tercie a kvarta) 3. Abstrakt Kaseiny tvoří hlavní složku mléka (asi 80 % bílkovin). Jsou to fosfoproteiny fosfobílkoviny (tj. některé jejich OH skupiny jsou esterifikovány kyselinou trihydrogenfosforečnou). Obsahují značné množství prolinu (aminokyselina), který způsobuje zlomy v řetězci bílkoviny a znemožňuje vytvoření kompaktní (sourodé) struktury. Neobsahují sulfidové můstky (-S-S-). Mají velice málo sekundární (druhotné) struktury a téměř žádnou terciární (vlákna a kulovité tvary), takže je obtížné je denaturovat (znehodnocovat). V mléku se nachází v micelách, které drží pohromadě díky vápenatým iontům a hydrofobním (vodoodpudivým silám). Mléko obsahuje 35 g/l kaseinu. Kasein mléčná bílkovina 4. Startovní znalosti žáků Předpokládáme znalosti načerpané v 1. a 2. stupni ZŠ v předmětech Prvouka, Vlastivěda, Přírodopis, Fyzika, Chemie a rovněž obecné znalosti jevů každodenního života z oblasti člověk a příroda (mléko - složení, bílkovina jako základní stavební složka především živočišných těl, vodoodpudivé síly). Co mají žáci znát: pojem aminokyselina obecný vzorec R-CHNH 2 COOH, pojem bílkovina; pojem hydrofobní vodoodpudivý; pojem heterogenní nestejnorodý 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Vlastnosti bílkovin jako základních složek potravy a důležitých stavebních kamenů živočišných, rostlinných těl, bakterií a virů. Uvědomění si, že především člověk je objekt, ve kterém dochází k chemickým reakcím metabolismu (látkové přeměně) na základě příjmu a vylučování potravy, dýchání, hormonální regulace a nervové činnosti. Mléko je heterogenní směs proteinů, obsahující navázanou kyselinou trihydrogenfosforečnou. Co se žáci dozví: Pojem protein. Prolin aminokyselina. Sulfidické můstky a struktura bílkovin. Denaturace. Pojem micela. Izoelektrický bod určité ph, při kterém se bílkovina vyloučí z roztoku. 2
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Kyselina chlorovodíková HCl (10% roztok) Ethanol CH 3 CH 2 OH Hydroxid sodný NaOH (10% roztok) Síran měďnatý pentahydrát CuSO 4.5H 2 O (5% roztok) 100 ml odtučněného mléka 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Kádinka 500 ml Odměrný válec 100 ml Laboratorní stojan s filtračním kruhem Filtrační nálevka Nedělená pipeta 1 ml Skleněná tyčinka Teploměr Mušelín (gáza) Univerzální ph papírky Odsávačka Bűchnerova nálevka DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! NEZAPOMENOUT NA VZORKY! Cestou ze školy nezapomeneme koupit mléko (odtučněné). 6.3 Přístrojové vybavení Provedení experimentu nevyžaduje použití laboratorních měřicích přístrojů. 7. Časový harmonogram 7.1 Příprava experimentu Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout shromáždění výše uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 10 minut. Nesmíme však zapomenout opatřit si odtučněné mléko. ČASY: 10 minut 7.2 Realizace experimentu Doba realizace pokusu je odvislá od počtu zvolených testovacích vzorků, doporučujeme 3 až 5 vzorků. Časy: Předpokládaná doba realizace je 30 minut, pokud budeme provádět také důkaz bílkoviny kaseinu. 30 minut 3
8. Laboratorní postup 100 ml odtučněného mléka zahříváme v kádince na 40 o C. Po kapkách za stálého míchání přidáváme 10% HCl, dokud ph neklesne na 5,0 (kontrolujeme ph papírkem). Je nutné se vyhnout překyselení roztoku. Dosažení izoelektrického bodu se projeví sražením bílkoviny. Suspenzi ochladíme na laboratorní teplotu. Necháme 10 minut stát a zfiltrujeme přes mušelín (gázu). Sraženinu vpravíme zpět do kádinky a promyjeme 2 krát vodou. Pak ji opakovaně suspendujeme (resuspendace) v 30 ml ethanolu a opět zfiltrujeme. Kasein rozprostřeme na filtrační papír a vysušíme. Lze provést i biuretovou zkoušku na bílkoviny: k 15 kapkám zkoumaného roztoku přidáme 5 kapek 10 % NaOH a 2 kapky 5% CuSO 4.5H 2 O a mícháme. Biuretová zkouška na kasein 9. Princip experimentu Bílkoviny se izolují ze složitých směsí. Kasein je bílkovina, která tvoří převážnou část směsi v mléku a je využito jejích odlišných vlastností od ostatních složek mléka. Kasein se vysráží přídavkem minerální kyseliny. Při ph pod 5 se kasein vyloučí z roztoku (ph = 4,8). V silně kyselém prostředí se však opět rozpouští díky přítomnosti zásaditých skupin Sraženinu kaseinu lze oddělit filtrací, promytím vodou a opětnou tvorbou suspenze v ethanolu. 10. Bezpečnost práce Kromě dodržování zásad bezpečnosti práce a hygieny práce je nutné seznámit se s povahou použitých chemikálií se způsoby jejich likvidace a s nutnými úkony v případě poškození zdraví. Hydroxid sodný Hydroxid sodný, louh sodný, je hydroxid (alkálie) a žíravina. Jak bylo uvedeno výše a jak také vyplývá z následujících R-vět a S-vět (H-vět a P-vět), v případě potřísnění pokožky nebo očí je nutno oplachovat proudem vody. Doporučujeme používat ochranné brýle. Zbytky roztoku lze likvidovat v kanalizaci, v případě většího množství po předchozí neutralizaci (např. octem). H-věty a P-věty: H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. P280 - Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. POZOR! Hydroxid (louh) sodný je žíravina! 4
P301+P330+P331 - PŘI POŽITÍ: Vypláchněte ústa. NEVYVOLÁ- VEJTE zvracení. P303+P361+P353 - PŘI STYKU S KŮŽÍ (nebo s vlasy): Veškeré kontaminované části oděvu okamžitě svlékněte. Opláchněte kůži vodou/osprchujte. P304+P340 - PŘI VDECHNUTÍ: Přeneste postiženého na čerstvý vzduch a ponechte jej v klidu v poloze usnadňující dýchání. P305+P351+P338 - PŘI ZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. P310 Okamžitě volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ STŘEDISKO nebo lékaře. P405 Skladujte uzamčené. P501 Obsah/nádobu likvidujte v souladu s místními/regionálními/národními/mezinárodními předpisy. K hydroxidu sodnému není třeba přistupovat s přehnanou obavou nebo dokonce strachem. Jedná se o běžně dostupnou chemikálii. Svými vlastnostmi je příbuzný dalším volně prodejným žíravinám jako jsou uhličitan sodný Na 2 CO 3 (soda) nebo hydroxid vápenatý Ca(OH) 2 (hašené vápno). Ty můžeme koupit v individuální formě nebo, v případě sody, jsou obsaženy v mnoha domácích čističích (pro odpady koupelen a WC apod.). Síran měďnatý Síran měďnatý pentahydrát CuSO 4.5H 2 O (tzv. modrá skalice) je modře zbarvená pevná krystalická látka. Navzdory tomu, že látka je na základě svých vlastností klasifikována jako dráždivá, zdraví škodlivá a nebezpečná pro životní prostředí, nemusíme se práce s ní obávat, pracujeme s malým množstvím a s málo koncentrovaným roztokem. Přesto se musíme vyvarovat potřísnění (očí, pokožky) a požití. V případě potřísnění pokožky nebo očí je nutno oplachovat proudem vody. Doporučujeme používat ochranné brýle. H-věty a P-věty: H302 Zdraví škodlivý při požití. H319 Způsobuje vážné podráždění očí. H315 Dráždí kůži. H410 Vysoce toxický pro vodní organismy, s dlouhodobými účinky. P301 + P312 PŘI POŽITÍ: Necítíte-li se dobře, volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ STŘEDISKO nebo lékaře. P302 + P352 PŘI STYKU S KŮŽÍ: Omyjte velkým množstvím vody a mýdla. P305 + P351 + P338 PŘI ZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. 5
Kyselina chlorovodíková H314 Způsobuje poleptání a poškození očí. H335 Vdechování způsobuje podráždění dýchacích cest. P305 + P351 + P338 PŘI ZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. Doporučujeme používat ochranné pomůcky brýle, štíty. Ethanol Ethanol (líh) je všemi známá bezbarvá kapalina, její t.v. je 78 C. V chemické praxi se hojně používá jako rozpouštědlo, a to buďto v roli reakčního prostředí při provádění chemických reakcí v laboratořích nebo průmyslu nebo jako rozpouštědlo pro různé separační techniky (chromatografie, krystalizace, extrakce aj.). Je volně k prodeji (Líh technický), obvykle jako 95% a denaturovaný. H-věty a P-věty: H225 Vysoce hořlavá kapalina a páry. P210 Chraňte před teplem/jiskrami/otevřeným plamenem/ /horkými povrchy. - Zákaz kouření. Zbytky ethanolu můžeme likvidovat v kanalizaci 11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je středně náročný, jak po časové tak po pracovní stránce. Vyžaduje malé množství chemikálií, vzorků mléka inádobí. Je potřeba být vybaven pokud možno Bűchnerovou nálevkou a odsávačkou (proces se urychlí). 12. Přínos Bílkovina kasein, přírodní látka organického původu, má rozhodující význam např. při výrobě sýrů. Žáci se seznámí s přípravou roztoku, složitější filtrací přes Bűchnerovou nálevku. Poznají způsob průběhu srážení bílkovin s možností ovlivňování průběhu vnějšími faktory ( ph, teploty a pi-izoelektrický bod). 13. Fotografie Počáteční a konečný stav experimentu lze dokumentovat pořízením fotografie, případně průběh vysolování lze zaznamenat videosekvencí. Kasein v odtučněném mléku a jeho důkaz biuretovou reakcí 6