Může být tuk krystalická látka?

Ve výuce chemie je v současné době možné sledovat několik trendů. Jedním z nich je souvislost vyučovaných témat s běžným životem, aby nebyla vyslovena (či byla zodpovězena) častá otázka žáků: „K čemu mi to je?“ Dalším trendem je propojování informací napříč předměty. Hodně společných témat najdeme mezi chemií a biologií. V neposlední řadě si chemie u žáků získává větší oblíbenost, pokud je doplněna o experimenty, a to především o vlastní laboratorní činnost žáků.

Ve výuce chemie na středních školách bývají úvodními tématy biochemie Přírodní látky, a to sacharidy, tuky a bílkoviny. Žáci z běžného života mají tyto látky spojené se složením potravin. Na obalech všech potravinářských výrobků se uvádí obsah právě těchto tří typů látek. U tuků je často ještě uváděn obsah nasycených tuků. Žáci si obvykle z výuky tématu Tuky nesou nesprávnou informaci, že rostlinné tuky jsou nenasycené tuky, kapalné látky typu olejů, naproti tomu živočišné tuky jsou nasycené tuky a pevné látky.

1. Tuky známé neznámé

Tuky jsou chemické látky typu esterů. Jsou to estery mastných kyselin s glycerolem. Jako mastné kyseliny se označují karboxylové kyseliny vyskytující se v tucích (resp. v nadřazené skupině lipidů). Tyto mastné kyseliny mají nevětvený uhlíkatý řetězec se sudým počtem atomů uhlíku. Mohou být nasycené (mezi atomy uhlíku jsou pouze jednoduché vazby), anebo nenasycené (které mezi atomy uhlíku obsahují vedle jednoduchých vazeb i vazbu/y dvojné). Nasycené řetězce jsou v pevných tucích (máslo, sádlo a další) a nenasycené řetězce jsou v kapalných tucích nazývaných oleje (olivový olej, slunečnicový olej, řepkový olej a další). Z nasycených mastných kyselin se v tucích vyskytují např. myristová, palmitová a stearová kyselina. Z nenasycených mastných kyselin, které obsahují jednu i více dvojných vazeb, se v olejích vyskytují např. palmitoolejová, olejová, eruková, linolová či linolenová kyselina. Dvojná vazba v nenasycených řetězcích mastných kyselin olejů je většinou v geometrické isomerii cis. Přítomnost dvojné vazby/dvojných vazeb narušuje uspořádanost systému a je právě důvodem kapalného skupenského stavu olejů. Např. sádlo má pevné „mazlavé“ skupenství. To, že se nejedná o pevnou konzistenci, krystalickou látku, vysvětluje právě jeho chemické složení. Obsahuje totiž vedle nasycených mastných kyselin (palmitové, stearové a myristové kyseliny) také nenasycené mastné kyseliny (olejovou, palmitoolejovou a linolovou kyselinu).

1.1 Pojďme na to experimentálně

V tomto příspěvku je představen experiment nenáročný na chemikálie a pomůcky. Experiment je vhodné zařadit jako součást výuky tématu Tuky a je vhodný jako námět na vlastní laboratorní činnost žáků s běžně dostupným přírodním materiálem, který vede k zisku jednoduchého, nasyceného, rostlinného pevného tuku trimyristinu, a to ve velkém výtěžku.

1.2 Trimyristin se představuje

Trimyristin (jeho struktura je na obr. 1, krystalická podoba je na  obr. 2 a obr. 3, model do výuky můžete získat zde: CDS: ZZZBPD01), glyceryl-trimyristát resp. glyceryl-tritetradekanoát, je triacylester glycerolu, který je obsažen v „másle“ muškátového oříšku v množství 75 %. Název myristové kyseliny pochází z latinského názvu muškátovníku vonného (obr. 4) Myristica fragrans (Opravník muškátových omylů, něco o způsobech využití plodu muškátovníku, jak vypadá muškátovník). Myristová kyselina patří mezi nasycené mastné kyseliny vyskytující se vedle běžnějších mastných kyselin (olejové, linolové, palmitové a stearové kyseliny), také v dalších rostlinných tucích resp. olejích, např. kokosovém a olivovém, ale také v živočišných tucích, např. v másle, velrybím tuku, v lidském tuku a sádle.

2. Izolace trimyristinu z muškátového oříšku

K izolaci trimyristinu, nasyceného jednoduchého tuku, z muškátového oříšku (obr. 5) se využívá obecných vlastností tuků. Tuky jsou výborně rozpustné v nepolárních rozpouštědlech (hexan, benzín, ethylacetát, chloroform či 1,2-dichlorethan apod.). V ethanolu jsou tuky za laboratorní teploty nerozpustné resp. velmi omezeně rozpustné, rozpustné jsou v něm až za vyšší teploty. A právě této vlastnosti při izolaci využijeme.

Pomůcky: muškátové oříšky, struhadlo, varná baňka, kádinky, nálevka, filtrační papír, odpařovací miska, skleněná tyčinka

Chemikálie: ethylacetát, ethanol

Postup: Na jemném struhadle nastrouhejte 5 g muškátových oříšků (obr. 5). Poté sypký materiál (obr. 6) dejte do varné baňky a extrahujte za laboratorní teploty v 50 ml ethylacetátu cca 15 minut za stálého míchání (obr. 7), následně přefiltrujte přes filtrační papír (obr. 8) a odpařte do sucha na odpařovací misce nad vodní lázní. Odparek nechte za horka rozpustit ve 40 ml ethanolu a nechte volně krystalovat (obr. 9, 10, 11). Krystalizaci lze případně urychlit ochlazením v ledové vodní lázni. Krystalky trimyristinu oddělte od matečného louhu opět filtrací, promyjte cca 20 ml ethanolu a nechte vyschnout. Získáte více než 1 g bílé pevné látky (obr. 12).

Pozorování: Extrakcí ethylacetátem z nastrouhaných muškátových oříšků (obr. 6) a následnou filtrací získáte nažloutlý filtrát (obr. 9), který odpaříte dosucha. Z horkého ethanolového roztoku (obr. 10) vykrystalizuje bílá látka (obr. 11), čistý trimyristin  (obr. 12).

Poznatky: Trimyristin lze získat jednoduchou extrakcí, filtrací a následnou krystalizací z muškátového oříšku. Tvoří bílé krystalky, což ukazuje, že i tuk může být krystalická látka. Má nízký bod tání: 58,5 °C. Při práci byly využity poznatky o rozpustnosti tuků uvedené výše, tj. výborná rozpustnost v nepolárních rozpouštědlech, dobrá rozpustnost v ethanolu za horka a omezená rozpustnost v ethanolu za laboratorní teploty. Čistota a struktura získaného produktu byla ověřena pomocí NMR spektroskopie (pro zájemce trocha teorie), vzorek trimyristinu byl změřen v deuterovaném chloroformu (¹H NMR spektrum trimyristinu na obr. 13 a ¹³C NMR spektrum je viditelné na obr. 14). NMR měření bylo provedeno pouze proto, aby se potvrdil postup experimentu vedoucí k čisté látce, jinak není běžnou součástí postupu experimentu.

Tipy a triky k experimentu: K míchání lze použít magnetickou míchačku. Na práci s organickými rozpouštědly není vhodné používat kádinky kvůli většímu množství unikajících výparů z těkavých organických rozpouštědel, používáme nádoby s užším hrdlem. Varnou baňku je možné nahradit např. kuželovou baňkou. Pro odpaření nepolárního rozpouštědla lze použít vakuovou odparku či destilační aparaturu. Krystalizaci lze urychlit použitím ledové vodní lázně či chladit roztok v baňce proudem studené vody.

Bezpečnost experimentu: Při experimentu se používá rostlinný materiál a dvě běžná rozpouštědla: ethylacetát a ethanol. Ethylacetát je hořlavá a dráždivá látka, stejně jako ethanol. Při práci je tedy třeba dát pozor na zdroje tepla a ohně, aby nedošlo k zapálení těchto organických těkavých rozpouštědel. Aby se žáci nenadýchali většího množství výparů, je vhodné práci směřovat do digestoře, či alespoň řádně větrat. Dále je třeba dbát opatrné práce se sklem, kdy hrozí rozbití a následné pořezání.

Tematické začlenění: Experiment lze zařadit do obecné chemie k tématu Dělicí metody (extrakce, filtrace, krystalizace) a k tématu Tuky (izolace nasyceného jednoduchého tuku typu triacylglycerolu z rostlinného materiálu). Experiment lze také propojit s chemickými výpočty – hmotnost složky v pevném materiálu.

Další související experimenty: Trimyristin lze použít pro ukázku rozpustnosti tuků v různých rozpouštědlech. Jako demonstrační experiment k detekci tuků, tedy trimyristinu, lze použít barvivo Sudan III (Pozor! Je to karcinogenní látka!). Malé množství trimyristinu dáme na malý kousek filtračního papíru rozměru 4 × 4 cm a zahřejeme fénem či horkovzdušnou pistolí. Na filtračním papíru bude patrná mastná skvrna. Následně filtrační papír „vykoupeme“ v ethanolovém roztoku Sudanu III. Sudan III je rozpustnější v tucích než v ethanolu, proto přejde do „mastné skvrny“, kterou obarví. Přebytečné barvivo vymyjeme z filtračního papíru ethanolem. Tuk, trimyristin, je v ethanolu za laboratorní teploty nerozpustný, proto na filtračním papíru zůstane mastná růžově obarvená skvrna.

3. Závěr

K izolaci čisté látky z rostlinného materiálu je třeba volit vhodné separační metody, a to dle vlastností izolované látky a také dle jejího množství v rostlinném materiálu. Trimystin je v muškátovém ořísku obsažen ve velkém množství a díky vlastnostem tuků (zde postačí pouze informace o rozpustnosti tuků) je možné trimyristin z muškátového oříšku získat velmi jednoduchým způsobem. Právě proto je výše popsaný experiment vhodný k provedení v rámci žákovských laboratorních prací. Izolace trimyristinu může být zajímavým zpestřením a rozšířením nejen tematiky tuků (lipidů), ale také problematiky rozpustnosti látek, dělicích metod a souvisejících výpočtů.

Autorka: Simona Hybelbauerová, 14. 5. 2019
Katedra učitelství a didaktiky chemie, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Karlova