analisi degli alimenti -
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Analisi degli alimenti:
dal macroscopico al microscopico
II A ITTa indirizzo elettronica e informatica
Laboratorio del Sapere Scientifico
Docenti di Chimica: Cristina Rossi e Fabiana Landi Docente di Fisica: Anna Rita Lusito Docente di Biologia: Massimo Ercolanelli
Il progetto, utilizzando concetti già assimilati durante il percorso scolastico svolto, introduce sperimentalmente nuove
conoscenze, nuove metodologie di misura e nuove procedure operative.
Il progetto, che ha coinvolto la classeII A I.T.T. ,
ha permesso un approccio alle tematiche di CHIMICA, FISICA e BIOLOGIA affrontate
con il metodo INDUTTIVO‐FENOMENOLOGICO
Il progetto, che ha coinvolto la classeII A I.T.T. ,
ha permesso un approccio alle tematiche di CHIMICA, FISICA e BIOLOGIA affrontate
con il metodo INDUTTIVO‐FENOMENOLOGICO
L’obiettivo del percorso è stato condurre gli studenti alla scoperta di come applicare a casi reali tutto il percorso teorico e pratico svolto nelle discipline coinvolte nel corso del biennio.
Il percorso parte dall’osservazione sperimentale: dal macroscopico al microscopico.
La nostra indagine scientifica
Prima fase: indagine preliminare delle conoscenzeo delle concezioni degli studenti
Seconda fase: sperimentazione ‐ osservazione
Terza fase: discussione collettiva, confronto
Quarta fase: concettualizzazione
Per ciò che riguarda i materiali e gli strumenti utilizzati nel progetto, si fa riferimento alle
slides presenti.
Il percorso è stato sviluppato in aula e
nei laboratori di fisica, di chimica e di biologia
dell’Istituto.
Tempo impiegato:per la messa a punto e lo sviluppo del percorso in classe
1. Per la messa a punto delle varie fasi del progetto,tenendo in considerazione il coinvolgimento di trematerie, si è reso necessario un periodo di venti ore.Queste sono state impiegate sia per la coordinazionefra le discipline, sia per la messa in opera di nuovestrumentazioni in modo tale da garantire la buonariuscita delle varie esperienze.
Tempo impiegato:per la messa a punto e lo sviluppo del percorso in classe
2. Lo sviluppo del percorso in classe ha richiesto tutto ilsecondo quadrimestre in lezioni svolte in classe e inlaboratorio, per la messa a punto e la calibrazionedegli strumenti, l’esecuzione delle misure, nonchéper la discussione dei risultati ottenuti e della lorointerpretazione anche nell’ottica di evidenziare illegame fra le discipline coinvolte nel progetto.
Il percorso didattico
Il latte è un miscuglio omogeneo o eterogeneo?
Ad una prima osservazione macroscopica si potrebbe pensare ad un miscuglio omogeneo di colore bianco
Osserviamo un solvente puro e una soluzione attraversati da un raggio laser, ponendoci perpendicolarmente al raggio laser.
In entrambi i casi il raggio non è visibile (come se non avesse attraversato la soluzione)
Acqua Acqua + Sale
Aggiungendo alcune gocce di latte al solvente quest’ultimo diventa opaco.
Il raggio laser è ora visibile attraverso il liquido e dà origine ad un cono luminoso, dovuto ad un insieme di diffrazioni in tutte le direzioni, questo fenomeno è conosciuto come effetto Tyndall
Nel latte sono le micelle di caseina (la proteina presente in quantità maggiore) le responsabili dell’effetto Tyndall poiché le loro
dimensioni sono comprese tra 50 e 300nm e diffondono tutte le lunghezze d’onda della luce visibile nelle diverse direzioni conferendo al latte il colore bianco.
Mettiamo una lente e osserviamo l’immagine del fascio ingrandita su uno schermo. L’osservazione dei moti browniani mostra che le particelle sono in continuo e disordinato movimento in tutte le direzioni, a causa degli urti operati dalle molecole del mezzo disperdente. Aumentando la temperatura la velocità delle particelle aumenta.
Temperatura minore
Temperatura maggiore
Ma le particelle di cui è composto il latte sono in movimento?
Se osserviamo i vari campioni di latte: intero non omogeneizzato, intero, parzialmente scremato e scremato notiamo che appaiono di un bianco diverso, e che il latte intero è il più bianco.
Perché? Cosa cambia?
Osservazione al microscopio
Nelle diverse tipologie di latte cambia il contenuto in grassi presenti come emulsione. Nel latte non omogeneizzato le dimensioni dei globuli di grasso sono maggiori. Al colore del latte contribuiscono
anche i grassi di diametro 3 μm che diffondono in
tutte le direzioni le lunghezze d’onda del visibile con predominanza delle lunghezze d’onda del blu.
Intero non omogeneizzato
InteroParzialmente scremato
Ad occhio nudo il latte intero sembra più denso degli altri tipi di latte. Proviamo a misurare la densità con il lattodensimetro di Quevenne.Immergiamo il lattodensimetro nei tre tipi di latte:
Scremato Parz. Scremato Intero non omog.
Il lattodensimetro di Quevenne si basa sul principio di Archimede.
Il lattodensimetro presenta un'asta di vetro contenente ad un'estremità una zavorra e all'altra una scala graduata in 29 tacche comprese fra 14 e 42. Poiché la densità dipende dalla temperatura lo strumento incorpora un termometro ed è tarato a 15°C.
(*) Le due cifre che leggiamo sulla scala nel punto di affioramento indicano la seconda e la terza cifra decimale del valore della densità del latte a 15°C. Dato che la temperatura alla quale operiamo è diversa aggiungiamo al valore letto 0,0002 per ogni grado di T in più e togliamo 0,0002 per ogni grado di T in meno.
Approfondimento:
Approfondimento:
Dinamometroin aria
Dinamometroin alcool
Riempiamo con un uguale volume
di alcool…
… E riotteniamo l’equilibrio
come in aria
Impariamo ad usare la bilancia idrostatica, per comprendere il principio di Archimede:
Principio di Archimede:un corpo immerso in un fluido è sottoposto ad una forza dal basso verso l'alto pari al peso del fluido sostituito.
Adesso aggiungiamo acqua al latte scremato: la densità diminuisce
Se la scrematura e l'annacquamento sono effettuati in opportune % è possibile riottenere la densità del latte di partenza (sofisticazione).
(*) Le due cifre lette sulla scala nel punto di affioramento indicano la seconda e la terza cifra decimale del valore della densità del latte a 15°C. Dato che la temperatura alla quale operiamo è diversa aggiungiamo al valore letto 0,0002 per ogni grado di T in più e togliamo 0,0002 per ogni grado di T in meno.
Tipi di latte Temperatura Valore letto Valore corretto 15°C (*)
Scremato 25 ° C 1,034 g/ml 1,036 g/ml
Intero non omogeneizzato
5 ° C 1,033 g/ml 1,031 g/ml
Parzialmente scremato 25 ° C 1,030 g/ml 1,032 g/ml
Le misure di densità sono in contraddizione con la previsione, pensiamo che questo si dovuto alla diversa viscosità.
Misura di densità
Osservazione: Portando del latte all'ebollizione si osserva la formazione di una pellicola che impedisce per qualche istante al latte di traboccare dal recipiente
La superficie del liquido si comporta come se fosse una membrana elastica che intrappola il vapore acqueo che, più ricco di energia cinetica, tende ad uscire…La forza che mantiene stabile la membrana è la tensione superficiale!
…Misuriamo la tensione superficiale con il dinamometro
dinamometro
Misure di Tensione superficiale con il dinamometro
Liquido Tensione superficiale (N)In Aria 0,060 ± 0,004
Acqua distillata 0,088 ± 0,004
Acqua con tensioattivo 0,080 ± 0,004
Latte parzialmente scremato
0,092 ± 0,004
Latte intero 0,076 ± 0,004
Latte parzialmente
scremato
Latte intero Acqua con tensioattivo
Acqua distillata
dinamometro
DIFFUSIONE E TENSIONE SUPERFICIALE
Mettiamo in tre diverse capsule Petri la stessa quantità dei 2 diversi tipi di latte. Aggiungiamo alcune gocce di colorante alimentare e osserviamo cosa accade:
Nel latte scremato il colorante diffonde più rapidamente poiché la % di grassi è minore. La velocità di diffusione aumenta all'aumentare della temperatura.
Ripetiamo l'esperimento e dopo l'aggiunta dei coloranti proviamo a toccare la superficie con una punta imbevuta di tensioattivo:
Si osserva un vortice di colori più veloce nel latte con minore tensione superficiale: il latte intero.
Intero Parz. Scremato
Maggior quantità di grassiminore tensione superficiale.
Effettuiamo le misure del pH con una cartina universale su diversi campioni di latte:
Si effettuano misure di pH utilizzando un pHmetro per avere una misura più precisa:
Tipi di latte pH
Latte Fresco 6,83
Dopo 24 h 6,68
Dopo 1 settimanaa 4° C
4,82
Dopo 1 settimanaa 20° C
3,27
Il pH diminuisce con il passare del tempo: il latte è più acido. I batteri lattici trasformano il lattosio in acido lattico con conseguente diminuzione del pH.
Il pH del latte tenuto a T ambiente è minore di quello tenuto in frigorifero a 4° C: la velocità di reazione è aumentata all’aumentare della temperatura.
Osservazione: dopo una settimana, nel latte si osserva che il siero si è separato dalla parte solida sul fondo: supponiamo che il residuo solido sia caseina...
Agendo sul pH riusciamo a separare la caseina?
Aggiungiamo al latte dell’aceto …
Si osserva la formazione di un precipitato bianco che separiamo con diversi metodi:-decantazione-filtrazione-centrifugazione
Decantazione
Caseina
Siero
Filtrazione
Siero
Caseina
Centrifugazione
Siero
Caseina
Cosa resta nel siero?…Le proteine del siero e il lattosio.
Il lattosio è un disaccaride formato da una molecola di glucosio e una di galattosio ed essendo uno zucchero riducente può essere determinato con il metodo di Fehling.
5ml + 5 ml
Reattivo di Fehling
CuSO4 e tartrato di Sodio e Potassio in NaOH, preparato usando le soluzioni A e B al momento dell’uso. È di colore blu.
20g di latte Separazione delle proteine e grassi dal latte
Riscaldamento e separazione della caseina
Reattivo di Fehling
Siero nella buretta
Titolazione Aggiunta del blu di metilene
Fine titolazione
In ambiente basico a caldo gli zuccheri riducono Cu2+ a Cu2O rosso mattoneDal volume del siero utilizzato si risale alla quantità di lattosio presente.
contiene - in soluzione: il lattosio, sali minerali, vitamine idrosolubili e siero-proteine;- sotto forma di dispersione colloidale: caseine e fosfato di calcio;-in emulsione: lipidi e vitamine liposolubili.
II lattosio subisce ad opera dei batteri lattici la fermentazione lattica con formazione di acido lattico.
Il latte è un sistema molto complesso:
Dalla fermentazione lattica alla fermentazione alcolica
La fermentazione alcolica è la causa di molti fenomeni che si osservano quotidianamente come ad esempio la lievitazione del pane o della pizza e la trasformazione del mosto in vino. Avviene ad opera di alcuni LIEVITI del genere Saccharomyces .
Il S. Cerevisiae è il più comune e si trova nel lievito di birra e sullabuccia dell'uva.
Cosa si forma nella fermentazione alcolica?
Partiamo da alcune osservazioni:
Acqua + lievito + farina
Acqua + lievito + zucchero
Acqua + zucchero
Acqua + farina
Poniamo le provette in un bagno termostato a 37°C
Notiamo che il palloncino arancione si è gonfiato molto, quello rosso poco invece gli altri sono rimasti sgonfi.Perché si sono gonfiati? Cosa si è formato? Forse un gas? Quale gas?
CO2 ?
E’ noto che quando espiriamo emettiamo CO2. Proviamo a soffiare tramite una cannuccia in un becker contenente acqua e qualche goccia di fenolftaleina (incolore in ambiente acido e magenta in ambiente basico)
Se facciamo gorgogliare il gas che si è formato dalla fermentazione in acqua di barite questa diventa opalescente.
Allora il gas che si è formato è proprio CO2.
Il nostro olfatto ci dice che c’è anche alcol …
Nella fermentazione alcolica si formano sia anidride carbonica che alcol etilico
Se facciamo gorgogliare il gas che si è formato dalla fermentazione in acqua con gocce di fenolftaleina la soluzione si decolora… come quando abbiamo soffiato.
Perché il palloncino viola ha prodotto
meno anidride carbonica di quello
arancione?
Lo zucchero è un disaccaride, la farina contiene amidi cioè carboidrati complessi, l’amido è riconoscibile con il reattivo di Lugol.Tra l’amido e lo iodio non avviene una trasformazione chimica ma una trasformazione fisica: le molecole di iodio vengono adsorbite tra le catene dell’amido formando un complesso amido-iodio blu scuro.Il fenomeno è reversibile per riscaldamento.
Qual è la differenza tra zucchero e amido?
La trasformazione del mosto in vino
Il mosto fermenta: sembra che bolla ma in realtà si sprigionaanidride carbonica-> Fermentazione tumultuosa.
Quando siamo sicuri che questa fase è finita? Misuriamo la densità e la temperatura con il Mostimetro di BaboVia via che gli zuccheri si trasformano in alcol la densità diminuisce
Il mostimetro è uno strumento usato per misurare la percentuale in peso degli zuccheri contenuti nel mosto dalla quale si calcola il probabile grado alcolico del vino.
Il mostimetro di Babo
Approfondimento:
Il processo non finisce qui: la fermentazione lenta dove prosegue la trasformazione di zuccheri in alcol …
Per dimostrare che nella fermentazione alcolica si forma alcol etilico, distilliamo il vino
Il vapore si arricchisce nel componente più volatile
Raggiunti circa 80°C inizia a distillare un liquido incolore che
può essere incendiato: l’alcol
La lievitazionePerché l’impasto lievita?C’è una fermentazione alcolica dovuta alla presenza dei Saccaromiceti producendo CO2
Nella farina non c’è glutine ma ci sono due proteine glutemina e gliadina, il glutine si forma con il lavoro meccanico e con l’acqua
Lavorando sotto il getto dell’acqua si separa l’amido, che si evidenzia nell’acqua con il reattivo di Lugol diventando blu. Il glutine si presenta come una pallina appiccicosa gialla ed elastica, che forma una superficie elastica che impedisce di fuoriuscire alla CO2 che si forma durante la lievitazione. Le farine con poco glutine non lievitano.
Come mai la CO2 rimane intrappolata nell’impasto che rigonfia?
Prime osservazioni e curiosità
Queste sono alcuni dei dubbi e delle domande degli studenti da cui hanno preso il via le attività
sperimentali
Il progetto parte da alcune curiosità manifestate dalla classe a proposito di comuni alimenti presenti sulla tavola nella normale vita quotidiana.
A questo punto è stato chiesto agli studenti di osservare gli alimenti di uso più comune utilizzati ogni giorno e formulare eventuali quesiti.
Le domande più ricorrenti riguardavano il latte, la lievitazione della pizza e la fermentazione dell’uva. Dopo un confronto, gli studenti hanno riportato sul quaderno le loro domande.
Dal quaderno degli studenti
Prime osservazioni e curiosità All’inizio del percorso la maggior parte degli studenti ritiene che il latte sia un miscuglio omogeneo.
La classificazione in miscugli omogenei ed eterogenei non è così netta come pensano gli studenti. Fra i miscugli omogenei ed eterogenei esiste qualcosa d’intermedio. Le esperienze sull’effetto Tyndall e l’evidenza dei moti Browniani hanno modificato la concezione ingenua ed hanno portato gli studenti ad identificare le soluzioni colloidali che peraltro avevano osservato in varie circostanze (per es. laser e fumo in discoteca, fari nella nebbia) senza riuscire a darne un significato.
Esempi delle osservazioni e annotazioni degli studenti durante le esperienze in laboratorio
Appunti di una studentessa sulla misura di densità dei diversi tipi di latte (scremato, parzialmente scremato, intero).
Esempi delle osservazioni e annotazioni degli studenti durante le esperienze in laboratorio
Sopra: descrizione della misura del pH del latte
Appunti degli studenti sull’osservazione della fermentazione alcolica
Alcuni esempi di verifica degli apprendimenti
1. Cos’è la tensione superficiale e in che modo è stata evidenziata?
2. Cosa si osserva se un laser attraversa un solvente o una soluzione?
3. Spiega le differenze fra soluzioni vere, colloidi e miscugli. Quale metodo d’indagine ci consente la distinzione?
4. Facendo attraversare una soluzione di acqua e latte da un laser, quali fenomeni si manifestano all’aumentare della quantità di latte?
5. Cosa sono le caseine e in che forma si presentano nel latte?6. Il latte appare in diverse tonalità di bianco. Perché? Cosa
cambia?
7. Descrivi il procedimento, gli strumenti ed il principio fisico che ci hanno permesso di determinare la densità del latte.Perchè é necessario il controllo della temperatura? Spiega in che modo la densità cambia al variare della quantità di grasso presente.
8. Quale proprietà del lattosio si sfrutta per la sua determinazione? Spiega.
9. Riguardo alla fermentazione alcolica indica:• Da quali microrganismi è operata e quali prodotti si
formano.• Descrivi i modi che abbiamo utilizzato per rilevare i
prodotti specificando i principi sui quali si basano.• Quali importanti trasformazioni della vita quotidiana
sfruttano questo tipo di fermentazione.10. Quale fenomeno è alla base del riconoscimento degli amidi
con il reattivo di Lugol? E’ una trasformazione fisica o chimica?
Durante il percorso, sono emersi molti dei misconcetti profondamente radicati fra gli studenti.
Dal punto di vista degli errori sperimentali, alcuni studenti utilizzano quantità eccessive di reattivi pensando di ottenere un risultato immediato e migliore. Durante le varie fasi della sperimentazione si sono resi conto
dell’inutilità e talvolta dell’effetto controproducente di tale comportamento. Poche gocce di Lugol danno un risultato ottimale, troppe gocce
mascherano l’effetto.
Un altro concetto errato emerso è che la lievitazione e la fermentazione siano fenomeni completamente diversi.
Si evidenzia anche in particolare la difficoltà di capire la differenza fra quantità di calore e di temperatura.
Alcuni esempi di errori comuni
Ricorrente è l’errata convinzione sul significato di tensione superficiale, come si vede dagli appunti degli studenti
La discussione collettiva dell’esperienza con il latte ha consentito di sviluppare una concezione corretta della tensione superficiale come forza (come si vede negli appunti dello studente nella foto qui sopra)
Alcuni esempi di errori comuni
Inoltre, viene spesso confusa l’unità di misura con la grandezza fisica, risulta estremamente difficoltoso associare a grandezze fisiche familiari come la lunghezza valori estremamente piccoli come il nanometro o il micrometro.
Alcuni esempi di errori comuni
I risultati ottenuti in relazione agli apprendimenti degli studenti sono stati
soddisfacenti: quasi la totalità degli studenti ha risposto correttamente ai quesiti. Inoltre gli allievi sono stati coinvolti e motivati dal percorso.
Conclusioni
La valutazione dell’efficacia del percorso didattico sperimentato è positiva. La trasversalità del progetto
ha motivato gli studenti e ha permesso loro sia di consolidare concetti noti sia di sviluppare
rappresentazioni mentali nuove. Gli allievi che avevano vissuto in maniera scollegata gli
apprendimenti trattati fino ad allora nelle discipline, hanno avuto l’opportunità di verificare l’unitarietà del
sapere. L’approccio è stato di tipo fenomenologico induttivo, in quanto siamo partiti dall’osservazione
sperimentale in laboratorio per arrivare alla comprensione di nuovi fenomeni.
Il laboratorio, sebbene sia sempre intensamente utilizzato nelle lezioni curricolari, con questo progetto ha assunto una nuova valenza di supporto per una più
efficace comprensione di nuovi fenomeni. Inoltre trattando gli alimenti tipici del territorio, si è ottenuta una maggiore motivazione allo studio delle materie
scientifiche, risultando queste non più svincolate dalla realtà quotidiana degli allievi. Ciò ha consentito il
netto aumento della capacità dei singoli di lavorare in team. Lo sviluppo del progetto ha anche suggerito
l’acquisto di nuovi strumenti, utili per approfondire alcuni aspetti del percorso.