Κουτάκια με επίδραση: η επιστήμη των τονωτικών ποτών Teach article

Μετάφραση από: Νικόλαο Καλαβρό (Nikolaos Kalavros) – Φοιτητής Βιολογίας, ΕΚΠΑ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD, Πανελλήνια Ένωση…

Ρίξτε ματιά στα ράφια οποιουδήποτε καταστήματος λιανικής πώλησης και θα δείτε μεγάλο αριθμό «τονωτικών ποτών». Όλα υπόσχονται αυξημένη απόδοση στον αθλητισμό και σε άλλες δραστηριότητες έχοντας μεγάλη πέραση ειδικά στους εφήβους. Τι περιέχουν όμως αυτά τα ποτά και σε τι ποσότητα; Μήπως είναι υπερτιμημένα διαλύματα ζάχαρης; Μπορεί να γίνουν επικίνδυνα;

Σε αυτό το άρθρο, σας δείχνουμε πώς μπορείτε να ελέγξετε κάποια από τα συστατικά των τονωτικών ποτών και τις συγκεντρώσεις τους, χρησιμοποιώντας τεχνικές εργαστηρίου όπως χρωματογραφία και φωτομέτρηση. Λόγω των εξειδικευμένων τεχνικών που χρησιμοποιούνται αυτές οι δραστηριότητες είναι κατάλληλες για μεγαλύτερους μαθητές (ηλικίες 14-19), και ολοκληρώνονται περίπου σε 3-4 ώρες. Αν το σχολείο σας δε διαθέτει όλο τον απαραίτητο εξοπλισμό, μια λύση θα ήτανε να συνεργαστείτε με άλλα σχολεία: οι δραστηριότητες αυτές λειτουργούν συνεργατικά.

Προετοιμασία: Διαβάζοντας τις ετικέτες

Οι κατασκευαστές οφείλουν να αναγράφουν τα συστατικά ενός τονωτικού ποτού στην συσκευασία (Εικόνα 1) ή μια ιστοσελίδα, άρα ξεκινάμε με αυτό χωρίς να ασχοληθούμε προς το παρόν με τη χημεία. Μετά, θα συγκρίνουμε τις πληροφορίες του κατασκευαστή με τα εργαστηριακά μας ευρήματα.
 

Το πιο δραστικό συστατικό των τονωτικών ποτών είναι η καφεΐνη, που βρίσκεται και σε άλλα ποτά, όπως το τσάι, ο καφές και η Coca-Cola®. Η δράση της ως διεγερτικό είναι καλά μελετημένη. Στην προκαταρκτική δραστηριότητα, οι μαθητές ερευνούν και συγκρίνουν την συγκέντρωση καφεΐνης σε διαφορετικά ποτά και υπολογίζουν τι αναλογίες χρειάζονται για να υπάρξουν βλαβερές παρενέργειες. Υπολογίστε περίπου 30-60 λεπτά για αυτή τη δραστηριότητα.

Υλικά

• Σύνδεση στο διαδίκτυο για έρευνα
• Σημειωματάριο για καταγραφή ευρημάτων

Διαδικασία

Πείτε στους μαθητές να κάνουν τα εξής, μόνοι τους ή και σε ομάδες:

1. Δημιουργήστε μια λίστα περίπου 5 τονωτικών ποτών, ειδικά αυτών που προωθούνται περιέχοντας καφεΐνη. Συμπεριλάβετε τον καφέ (έναν μονό espresso) για σύγκριση.
2. Χρησιμοποιήστε το διαδίκτυο για να αναζητήσετε τα συστατικά του κάθε ποτού, συμπεριλαμβανομένης της καφεΐνης. Σημειώστε την καφεΐνη σε κάθε κουτάκι ή μπουκάλι και ανά 100 mL, αν αναγράφεται. Αλλιώς, σημειώστε τον όγκο του κουτιού, ώστε να υπολογίσετε την συγκέντρωση της καφεΐνης (το δεδομένο αυτό θα χρησιμοποιηθεί σε επόμενο πείραμα).
3. Χρησιμοποιήστε το διαδίκτυο για να αναζητήσετε τη δόση καφεΐνης πέρα της οποίας εμφανίζονται βλαβερές παρενέργειες. Σχετίζεται και με άλλους παράγοντες όπως το βάρος ή αν ο καταναλωτής είναι ενήλικας ή παιδί;
4. Φτιάξτε έναν πίνακα που να δείχνει τα παρακάτω χαρακτηριστικά για κάθε ποτό:

• Λίστα συστατικών
• Ποσό καφεΐνης σε ένα κουτάκι
• Σε πόσους μονούς espresso αντιστοιχεί αυτό το ποσό
• Πόσα κουτάκια χρειάζεται κάποιος να πιει για να εμφανίσει βλαβερές παρενέργειες.

Συζήτηση

Συζητήστε τα αποτελέσματα στην τάξη. Τι συμπεραίνουν οι μαθητές για τα συστατικά των τονωτικών ποτών και πόσο ασφαλή είναι; Θα μπορούσαν να σας σκοτώσουν;

Στην έρευνα μας, βρήκαμε πως ένα μέσο κουτάκι (250 mL) τονωτικού ποτού περιέχει 80 mg καφεΐνης, που είναι περίπου όσο και σε έναν μονό espresso (60-100 mg). Αυτό είναι κοντά στην δόση που μπορεί πιθανά να προκαλέσει παρενέργειες (100-160 mg).

Εκχυλίζοντας την καφεΐνη

Τώρα αρχίζει η πρακτική χημεία: η εξαγωγή της καφεΐνης και των άλλων οργανικών ενώσεων από το τονωτικό ποτό και έπειτα η ταυτοποίηση της με χρήση χρωματογραφίας λεπτής στιβάδας. Αυτή η δραστηριότητα ολοκληρώνεται σε 1,5-2 ώρες.

Υλικά

Για την εκχύλιση

• 50 mL ενός τονωτικού ποτού
• 2 x 15 mL ενός οργανικού διαλύτη που εξατμίζεται εύκολα, όπως αιθανικός αιθυλεστέρας
• 10 mL ενός διαλύματος 1 Μ αλκαλικής ένωσης, όπως ανθρακικό νάτριο
• 10 g άνυδρου θεϊκού μαγνησίου (για την αφύγρανση)
• Περιστρεφόμενος συμπυκνωτής, αν υπάρχει
• Πεχαμετρικό χαρτί
• Διαχωριστική χοάνη
• Χάρτινο φίλτρο
• Ποτήρια ζέσεως 100 mL
• Ογκομετρικός κύλινδρος
• Γυάλινη ράβδος για ανάδευση

Για τη χρωματογραφία

• Στατική φάση: πλάκες χρωματογραφίας λεπτής στιβάδας, προκαλυμμένες με τζελ σιλικόνης, περίπου 10×5 εκατοστά
• Διαλύτης έκλουσης (κινητή φάση): 10 mL μείγματος 30% μυρμηγκικού οξέος και 50% βουτυλικού αιθυλεστέρα
• Δείγμα καθαρής καφεΐνης (ώστε να υπάρχει σημείο αναφοράς), που δημιουργείται μέσω διάλυσης μιας σπάτουλας καφεΐνης σε 2-3 mL αιθανόλης
• Πηγή υπεριώδους ακτινοβολίας

Διαδικασία

1. Λάβετε 50 mL από το τονωτικό ποτό και προσθέστε τα σε 9 mL διαλύματος 1Μ ανθρακικού νατρίου σε ποτήρι ζέσεως.
2. Χρησιμοποιώντας το πεχαμετρικό χαρτί, ελέγξτε πως το pH του διαλύματος είναι μεταξύ 8 και 10. Αν δεν είναι, προσθέστε λίγο παραπάνω αλκαλικό διάλυμα ή τονωτικό ποτό.
3. Ρίξτε αυτό το διάλυμα σε μια διαχωριστική χοάνη, και προσθέστε 15 mL αιθυλικού αιθυλεστέρα. Ανακινήστε καλά το μίγμα και αφήστε το ώστε να διαχωριστούν η υδατική με την οργανική φάση.
4. Αφήστε την υδατική φάση (κάτω στρώμα) να τρέξει και παραλάβετε την οργανική φάση (άνω στρώμα) σε νέο, καθαρό ποτήρι ζέσεως (Εικόνα 3).
5. Προσθέστε άλλα 15 mL αιθυλικού αιθυλεστέρα σε αυτό το ποτήρι ζέσεως και επαναλάβετε το διαχωρισμό, το ανακάτεμα και την συλλογή της οργανικής φάσης.
    

6. Αφαιρέστε το νερό από την οργανική φάση προσθέτοντας άνυδρο θειϊκό μαγνήσιο (Εικόνα 4).
    

7. Εξατμίστε τον διαλύτη από την οργανική φάση χρησιμοποιώντας περιστρεφόμενο συμπυκνωτή, αν έχετε. Η θερμοκρασία του υδατόλουτρο πρέπει να είναι 40 βαθμούς κελσίου. Όταν ο διαλύτης εξατμιστεί, θα έχετε μια άσπρη σκόνη – είναι το εκχύλισμα καφεΐνης. Αν δεν έχετε περιστρεφόμενο συμπυκνωτή, συνεχίστε στο επόμενο βήμα με τη διαλυμένη καφεΐνη.
8. Είστε έτοιμοι να αναλύσετε το δείγμα σας. Αν έχετε εξατμίσει τον διαλύτη, προσθέστε 1 mL αιθυλικού αιθυλεστέρα στην σκόνη καφεΐνης για να την επαναδιαλύσετε.
9. Για να ξεκινήσετε την χρωματογραφία, ετοιμάστε 10 mL διαλύματος έκλουσης και προσθέστε το μείγμα σε μια δεξαμενή έκλουσης (ή ένα ποτήρι ζέσεως με κάλυμμα).
10. Σε πλάκα χρωματογραφίας, δημιουργήστε μια κηλίδα χρησιμοποιώντας το διάλυμα καθαρής καφεΐνης (ως μάρτυρα αναφοράς) και μια κηλίδα χρησιμοποιώντας το εκχύλισμα καφεΐνης.
11. Αφήστε την χρωματογραφία να λειτουργήσει (Εικόνα 5, 5-15 λεπτά) και μετά αφαιρέστε προσεκτικά το χρωματογράφημα.
     

12. Τέλος, δείτε το χρωματογράφημα υπό υπεριώδες φως, ώστε να γίνουν ορατές οι κηλίδες (Εικόνα 6). Τι βλέπετε;

Συζήτηση

Μετά την πρακτική δουλειά, όλη η τάξη θα συζητήσει τα ευρήματα. Ορισμένες από τις ερωτήσεις θα μπορούσαν να είναι:

• Στην εκχύλιση, γιατί η καφεΐνη βρίσκεται μέσα στο υγρό και όχι πάνω στο χάρτινο φίλτρο; (Η καφεΐνη διαλύεται στον διαλύτη.)
• Γιατί στην εκχύλιση χρησιμοποιούμε οργανικό διαλύτη αντί για νερό; (Τα σάκχαρα και τα μέταλλα διαλύονται στο νερό, ενώ η καφεΐνη ως οργανικό μόριο διαλύεται σε οργανικό διαλύτη.)
• Γιατί χρειάζεται υπεριώδες φως για να φανεί η καφεΐνη στο χρωματογράφημα; (Η καφεΐνη δεν είναι άχρωμη, αλλά οι χημικοί της δεσμοί απορροφούν φως κοντά στην ζώνη του υπεριώδους.)

Για κάποιο τονωτικά ποτά, θα υπάρχουν και άλλες ορατές κηλίδες στο χρωματογράφημα με το υπεριώδες φως, εκτός της καφεΐνης, τις οποίες μπορούν οι μαθητές να προσπαθήσουν να ταυτοποιήσουν χρησιμοποιώντας την λίστα των συστατικών του ποτού. Πιθανές ουσίες είναι οι βιταμίνη Β₃ (νιασίνη) και Β₆ (πυριδοξίνη), γιατί κάποιοι από τους δεσμούς τους (Εικόνα 7) απορροφούν φως κοντά στην ζώνη του υπεριώδους.

Ελέγχοντας την συγκέντρωση

Στην τελευταία δραστηριότητα, χρησιμοποιούμε μια άλλη χημική τεχνική – τη φωτομέτρηση – για να υπολογίσουμε την συγκέντρωση της καφεΐνης σε ένα τονωτικό ποτό και να την συγκρίνουμε με αυτή στην ετικέτα του προϊόντος. Η δραστηριότητα αυτή θα διαρκέσει 60-90 λεπτά.

Η στρατηγική εδώ είναι να χρησιμοποιήσουμε μια σειρά διαλυμάτων αναφοράς με διαφορετικές γνωστές συγκεντρώσεις καφεΐνης και να συγκρίνουμε την απορρόφηση του τονωτικού ποτού με αυτές τις τιμές μέσω μιας πρότυπης καμπύλης.

 Υλικά

• Τονωτικό ποτό (τουλάχιστον 20 mL)
• Διαλύματα αναφοράς καθαρής καφεΐνης σε απεσταγμένο νερό συγκέντρωσης 5, 10, 20 και 50 mg/L (τουλάχιστον 20 mL από το καθένα)
• Απιονισμένο νερό
• Φωτόμετρο που να μπορεί να μετρήσει μήκη κύματος μεταξύ 250 και 380 νανόμετρα (nm) (ζώνη υπεριώδους φωτός)
• Ογκομετρική φιάλη 20 mL
• Σιφώνιο
• Ζυγαριά και δίσκος ζυγίσματος

Διαδικασία

1. Χρησιμοποιήστε απιονισμένο νερό ως τυφλό διάλυμα για να καλιμπράρετε το φωτόμετρο.
2. Χρησιμοποιώντας το φωτόμετρο, μετρήστε την απορρόφηση στα 271 νανόμετρα (nm) για κάθε πρότυπο διάλυμα και σημειώστε τα αποτελέσματα (Η καφεΐνη έχει μέγιστο απορρόφησης σε αυτό το μήκος κύματος; Εικόνα 8).
    

3. Χρησιμοποιήστε τα αποτελέσματα για να κατασκευάσετε μια πρότυπη καμπύλη συνδέοντας την απορρόφηση στα 271 νανόμετρα  (nm) με την συγκέντρωσης καφεΐνης, ως μια ευθεία γραμμή που ταιριάζει καλύτερα στα σημεία των δεδεομένων (Εικόνα 9).
    

4. Χρησιμοποιώντας μια ογκομετρική φιάλη και ένα σιφώνιο, αραιώστε το τονωτικό ποτό 20 φορές. (Σε κανονικές συγκεντρώσεις, η απορρόφηση της καφεΐνης είναι πολύ υψηλή για να μετρηθεί με ακρίβεια.)
5. Μετρήστε την απορρόφηση του αραιωμένου διαλύματος στα 271 νανόμετρα  (nm).
6. Χρησιμοποιώντας την πρότυπη καμπύλη που χαράξατε, υπολογίστε προσεγγιστικά την συγκέντρωση καφεΐνης του αραιωμένου διαλύματος. Πολλαπλασιάστε το αποτέλεσμα με το 20 και υπολογίστε την συγκέντρωση καφεΐνης στο αρχικό ενεργειακό ποτό, ως mg/L.
7. Συγκρίνετε το αποτέλεσμα σας για την συγκέντρωση καφεΐνης με την καταγραφή του κατασκευαστή (σιγουρευτείτε πρώτα ότι σε κάθε περίπτωση χρησιμοποιείτε τις ίδιες μονάδες μέτρησης). Είναι τα αποτελέσματα πανομοιότυπα; Αν όχι, μπορείτε να σκεφτείτε κάποιον λόγο; Έχει πει ψέματα ο κατασκευαστής;

Συζήτηση

Ζητήστε από τους μαθητές να συγκρίνουν στην τάξη τα αποτελέσματα για την περιεκτικότητα καφεΐνης διαφορετικών τονωτικών ποτών.

Έπειτα, συζητήστε τα ευρήματα τους, όσον αφορά τις διαφορές τους με τις αναγραφόμενες συγκεντρώσεις του κατασκευαστή. Υπήρξε κάποιο από τα πειραματικά ευρήματα που ήταν υψηλότερο από τις αναγραφόμενες τιμές;

Για να το εξηγήσουν αυτό, οι μαθητές θα πρέπει να σκεφτούν ξανά το πρώτο μέρος του πειράματος, όπου υπήρχαν και κάποιες άλλες ουσίες εκτός της καφεΐνης στο χρωματογράφημα –  συνήθως οι βιταμίνες Β₃ και Β₆. Πράγματι, αυτές οι δυο ενώσεις επίσης απορροφούν στα 271 νανόμετρα (nm), άρα αυξάνουν την γενική απορρόφηση του τονωτικού ποτού σε αυτό το μήκος κύματος. Επομένως, όταν χρησιμοποιείται η απορρόφηση του ποτού για την εύρεση της συγκέντρωσης καφεΐνης μέσω της πρότυπης καμπύλης, το αποτέλεσμα είναι υψηλότερο από αυτό που θα ήταν αν μετριόταν μόνο η καφεΐνη.

Καφεΐνη και εγκέφαλος

Τα τονωτικά ποτά είναι δημοφιλή, λόγω της προώθησης τους και της συσχέτισής τους με τον αθλητισμό και τη φυσική αντοχή. Όμως μήπως μπορούν επιπλέον να επηρεάσουν την εγκεφαλική λειτουργία, διεγείροντας τις νοητικές μας ικανότητες;

Αν θέλετε να βρείτε τρόπους να ερευνήσετε το παραπάνω, μπορείτε να ανακτήσετε δυο πειράματα στην τάξη, που εκτιμούν την εγρήγορση μετρώντας την ταχύτητα που κάποιος σκέφτεται και αντιδρά, από την σελίδα επιπλέον υλικού^w1. Το ένα είναι μια αριθμητική άσκηση αντιστοίχισης και το άλλο μια άσκηση με αντανακλαστικά.

Εύσημα

Αυτό το άρθρο βασίζεται σε δραστηριότητα που έχει εκδοθεί από το Science on Stage, το δίκτυο για Ευρωπαΐους καθηγητές επιστήμης, τεχνολογίας, μηχανικής και μαθηματικών (STEM), που δημιουργήθηκε το 1999 από το EIROforum, τον εκδότη του Science in School. Ο μη κερδοσκοπικός οργανισμός Science on Stage φέρνει σε επαφή Ευρωπαίους καθηγητές επιστήμης, ώστε να ανταλλάξουν ιδέες διδασκαλίας και καλές πρακτικές με ενθουσιώδεις συνεργάτες από 25 χώρες.

Στα σεμινάρια του Science on Stage, καθώς και σε συζητήσεις μέσω e-mail, 20 καθηγητές από 15 Ευρωπαϊκές χώρες συνεργάστηκαν για 18 μήνες για να δημιουργήσουν 12 πακέτα διδασκαλίας που δείχνουν πώς το ποδόσφαιρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη φυσική, τη χημεία, τη βιολογία, τα μαθηματικά ή τα μαθήματα πληροφορικής. Τα πακέτα εκδόθηκαν το 2016 από το Science on Stage Γερμανίας ως iStage 3 – Football in Science Teaching^w2. Το έργο αυτό υποστηρίζεται από το SAP.

Η επόμενη δραστηριότητα του iStage 3 είναι το Ευρωπαϊκό Πρωτάθλημα STEM (European STEM League), στο οποίο οι αναγνώστες προσκαλούνται να συναγωνιστούν για το ποιος θα γίνει ο Ευρωπαίος Πρωταθηλητής STEM^w3.