SRO om Farver og Farvestoffer I Fysik B og Kemi B

Side 1

FARVER og

Farvestoffer

Studieretningsopgave udarbejdet af:

STX 2.g

STX 2.g

Frederikshavn Gymnasium, 2.t

Fag: Fysik B og Kemi B

Vejledere: STX 2.g og STX 2.g

Side 2

Side 2 af 19

Indhold

Abstract ..................................................................................................................................................... 3 Indledning ................................................................................................................................................. 3

1. Teori ...................................................................................................................................................... 4

2. Forsøg .................................................................................................................................................... 6

2.1 Spektrofotometrisk bestemmelse af farvestoffer i fødevarer ........................................................ 6

Formål ............................................................................................................................................... 6 Apparatur .......................................................................................................................................... 6 Kemikalier.......................................................................................................................................... 6 Fremgangsmåde ................................................................................................................................ 6 Forsøgsopstilling ............................................................................................................................... 7 Resultater og databehandling ........................................................................................................... 8

2.2 Metodens nøjagtighed .................................................................................................................. 12

2.3 Vurdering af resultaterne.............................................................................................................. 12 Konklusion ............................................................................................................................................... 12 Litteraturliste .......................................................................................................................................... 13 Bøger ................................................................................................................................................... 13 Internetsider ....................................................................................................................................... 13 Bilag ......................................................................................................................................................... 14 Bilag 1 .................................................................................................................................................. 14 Bilag 2 .................................................................................................................................................. 14 Bilag 3 .................................................................................................................................................. 15 Bilag 4 .................................................................................................................................................. 16 Bilag 5 .................................................................................................................................................. 17 Bilag 6 .................................................................................................................................................. 18 Bilag 7 .................................................................................................................................................. 19

Side 3

Side 3 af 19

Abstract

The study examines the colouring in food. The purpose of this study is to determine the concentration of the dyes of Azorubin and Ponceau 4R in red fruit colouring and to investigate whether the positive list is observed or not.

The methods that have been adopted are an experimental method, where a spectrophotometer has been applied in order to estimate the content of two coloring in food article. The results which have been achieved through the experiment, led us to find the concentration for Azorubin and Ponceau 4R.

The concentration for Azorubin is 35,62 mg/L and for Ponceau 4R 52,65 mg/L and what we can

deduce by this is that by means of a colouring, you can find the concentration of two colorings

Lastly in this study there is a comparison of the results with the positive list, which is a list of how much food colouring that is allowed in food articles.

Indledning

Farvestoffer bliver anvendt til en del levnedsmidler. Deres primære formål er at få maden til at se mere indbydende og appetitlige ud. Det er forbudt at tilsætte farvestoffer i basis levnedsmidler f.eks.

gulerødder, men det er acceptabelt at tilsætte farvestoffer i fx. I slik. Denne opgave omhandler farver og farvestoffer. Der vil blive redegjort for den fysiske baggrund for farvedannelse. Redegørelsen vil indeholde farvedannelse af faste farvestoffer og opløsninger af farvestoffer. Ydermere vil den substraktive farvedannelse have en bedre fordybelse end den additive, da det eksperimentelle forsøg bygger på den substraktive farvedannelse. Eksperimentet vil blive udført vha. et spektrofotometri, hvor indholdet af farvestoffer i en fødevare bliver bestemt, hvor der indeholder to farvestoffer som er hhv. ponceau og azorubin. Slutteligt vil der blive vurderet på resultaterne og metodens nøjagtighed.

Rapporten er opdelt i hhv. to dele, som er teori og forsøgsafsnit. Til selve forsøget vil den udleverede forsøgsvejledning blive fulgt som eksempel.

Side 4

Side 4 af 19

1. Teori

Gør rede for den fysiske baggrund for farvedannelse. I din redegørelse skal du komme ind på farvedannelse i faste stoffer og opløsninger af farvestoffer.

Den fysiske baggrund for farvedannelse opstår når en foton eller et lys bliver ramt af et atom, exciteres nogle af elektronerne i en skal. Herved opstår absorption, fordi elektronerne absorbere den energi der bliver tilført også exciteret til en anden skal, hvor der så bliver udsendt lys med en bestemt bølgelængde. Det lys som vores øjne opdanger, er en bestemt farve. Farven afhænger såmænd af bølgelængden og energien der bliver tilført til elektronen. Farvedannelsen, kan også opstå ved at en elektron afgiver en foton og emittere til en skal tættere på kernen. Processen kaldes for emission og afgiver også lys, med en bestemt bølgelængde, som vores øjne opfatter som en bestemt farve (se

      1
bilag 1).

Den additive farvedannelse opstår som noget specielt, vha. enhver farvesansning ved en form for addition af tre farvesignaler. Det forholder sig til, at alle lysfarver kan opbygges ved blanding af de tre additive grundfarver: blå, grøn og rød. Disse farver er også kendt som primærfarverne. Når nethinden registrere disse farver, bliver der udløst nogle elektriske impulser til hjernen hvorefter farverne lægges sammen, hertil opstår ”farvefornemmelsen”. Blandingen af de tre farver danner et grundlag

                                          2
for farvereproduktion i farve-tv og farvefotografiet.

Det man skal tænke på er at hvidt lys består af alle farver. Hvis man fx. fjerner noget farve fra dette, vil komplementærfarven være tilbage. Når man kigger på et farvestof, ser man at det hvide lys bevæger sig igennem og stoffet absorbere noget af det, så det fjerner noget fra det hvide lys. De farver som ikke bliver fjernet, er komplementærfarverne.

Den substraktive farvedannelse fortæller os om grunden til at vi opfatter forskellige farver er, at de forskellige farver svinger med hver deres lysbølgelængde. Lysbølger er i sig selv farveløse. Det er

1

FYSIKABbogen2 s. 67

2

Bag den farvede virkelighed s.3

Side 5

Side 5 af 19 først, når lysbølgerne bliver reflekteret tilbage fra et genstand farverne opstår. Farver opstår ikke af sig selv, men derimod hvordan den enkelte betragter farven gennem øjnene og hjernen. [3]

Når vi opfatter en farve er det f.eks. fordi en bestemt genstand kaster en bestemt lysbølge tilbage, som vi så modtager og omformer til en farve. Det sker ved f.eks. når vi opfatter en gul banan, er det fordi at følgende foregår: sollyset som består af alle farver rammer bananen. I bananen sidder der molekyler og opfanger alle lysbølgerne, undtagen det gule som bliver kastet tilbage. Det tilbagekastede opfatter vores øjne og hjerne, hertil ses farven og bananens farve bliver dannet til gul.

Farven bliver derfor kaldt for substraktionsfarve.

Vha., et spektrofotometri kan man måle hvor meget lys, der bliver slippet ud igennem et bestemt stof ved et bestemt bølgelængde. Et stof kan absorbere en bestemt farve. Hvis to farver ligger diametralt modsat hinanden i farvecirklen, vil det sige at de er hinandens komplementærfarver. Så hvis man har et stof som f.eks. har farven blå som komplementærfarve er stoffet orange. Er stoffet derimod blåt, set med vores øjne, absorberes den orange farve (se bilag 1). [4]

Spektrofotometret danner et absoroptionsspektrum, en kurve hvor det absorberede lys bølgelængder afbildes på spektret, opløsningen har farven som absorptionen er lavest. Hvis man måler på den samme opløsning i flere forskellige koncentrationer, på samme bølgelængde og laver en standardkurve, kan man påvise at koncentrationen er proportionel med absorptionen, her kommer

Lambert-Beers lov ind i billedet:

A = k • c • l

Hvor:

• A er den aktuelle absorbans

• K er en konstant værdi, som afhænger af opløsningen og bølgelængden

• c er koncentrationen

• I er kuvettebredden.

3

Den subtraktive farvedannelse - http://www.visible.dk/videnom/Farver.php

4

Kend kemien 2 s. 41

Side 6

Side 6 af 19

2. Forsøg

Udfør et forsøg, hvor du vha. spektrofotometri bestemmer indholdet af farvestoffer i en fødevare, der indeholder to farvestoffer.

2.1 Spektrofotometrisk bestemmelse af farvestoffer i fødevarer

Formål

Formålet med dette forsøg er, at vi skal bestemme farvestoffernes koncentrationer. Udover dette undersøges der om positivlistens anvisninger overholdes.

Apparatur Kemikalier

• Spektrofotometer | • Rød frugtfarve
• Kuvetter | • Azorubin
• 1 L Målekolbe | • Ponceau 4R
• 250 mL Målekolbe | • eddikesyre-acetat-pufferopløsning

• 100 mL målekolbe

• 50 ml Målekolber

• 25 mL pipette

• Loggerpro m. computer

Fremgangsmåde

Først bliver der fremstillet opløsninger af rene farvestoffer med en koncentration på 500 mg/L. Her
anvendes en 1 L måleholder. Herefter fremstilles der opløsninger med et indhold på 50,0 mg/L af
farvestoffet. Det sker ved en fortynding af opløsningerne på 500 mg/L. Fortyndingen sker vha. en 25,0
mL pipette og en 250 mL målekolbe. 50,0 mg/L er en stor koncentration til spektrofotometriske

målinger. Opløsningerne med denne koncentration anvendes som stamopløsninger til at fremstille af

Side 7

Side 7 af 19 mere fortyndede opløsninger.

Først optages absortionsspektret for rød frugtfarve og dernæst for 2 rene farvestoffer hhv. azorubin og ponceau 4R.

Frugtfarverne fortyndes ved at overføre 1,00 mL med pipette til en 100 mL målekolbe samt bliver der tilsat 10 mL eddikesyre-acetat-pufferopløsning og fylde op med vand til stregen.

Opløsningerne af de rene farvestoffer laves af stamopløsningerne, der indeholder 50,0 mg/L. Her

anvendes 100 mL målekolber og samt bliver der tilsat 10 mL pufferopløsning inden der fyldes vand op til stregen.

Hertil bliver absorptionsspektrene for de rene farvestoffer og for frugtfarven optaget vha.

absorptionsspektret. Dernæst måles koncentrationen af farvestofferne i frugtfarven.

Forsøgsopstilling

Side 8

Side 8 af 19

Resultater og databehandling

Der bestemmes nu koncentrationen af azorubin i rød frugtfarve.

Absorptionskurven for azorubin ses af figur 1. Maksimum ligger ved ca. 518 nm. Da koncentrationen af et farvestof skal bestemmes, måles bølgelængden, hvor absorbansen er maksimal.

Som der kan ses på absorptionskurven er bølgelængdeintervallet ca. 400-700 nm, hvilket bliver kaldt for synligt lys. da menneskers øjne kun registrerer stråling inden for bølgeintervallet 400-700 nm.

Lys med forskellige bølgelængder inden for det synlige område påvirker øjet lidt forskelligt, hvilket betyder vi ser forskellige farver.

Alle farver absorbere synligt lys. Herved får de yderste elektroner i farvestoffets molekyler eller ioner tilført energi. Når et molekyle befinder sig i en tilstand med større energi end den grundtilstanden, betyder det at der bliver exciteret. For at et molekyle vil kunne excitere, kræver det excitationsenergi.

Denne energi er ligeså stor som den energi af det farvede stof, som optager lysets energi af stoffet.

                                 5
Dette betyder at lyset bliver absorberet.

På absorptionskurven ses der også at den grønne farve bliver absorberet, dette betyder at det tilbageværende farve er rød.

5

Kend kemien 2 s.39

Side 9

Side 9 af 19

Spektrofotometret bliver indstillet på 518 nm, da man altid måler bølgelængden hvor absorbansen er maksimal. Hertil bliver der lavet en stamopløsning af azorubin, med en kendt koncentration f.eks.

50,0 mg/L.

Ved fortynding af denne opløsning bliver der lavet en serie af standard opløsninger, med en kendt koncentration.

Når vi har lavet azorubin opløsningerne, måler vi deres absorbans ved 518 nm. Først nulstilles absorbansen på rent vand. På baggrund af vores mållinger, laves der nu en standardkurve:

På grafen ses sammenhængen mellem absorbans og koncentration af azorubin. Man kan se at der går en ret linje gennem (0,0) dvs. at grafen går i overensstemmelse med Lambert-Beers lov; at absorbansen er proportional med azorubinkoncentrationen:

𝐴 = 𝑘 ∙ 𝑐(𝑎𝑧𝑜𝑟𝑢𝑏𝑖𝑛)

Konstanten k, kan nu aflæses, k er også standardkurvens hældningskoefficient: 0,03224

Ligeledes aflæses de andre opløsningers hældningskoeffercient, således koncentrationen af azorubin i rød frugtfarve, kan beregnes.

Man kan se på graf 2 (bilag) at ved bølgelængden 501 nm er hældingskoeffercienten 0,02864, ved graf

3 (bilag) aflæses hældingskoeffercienten ved Ponceau 4R i bølgelængden 501 til 0,02102.

Side 10

Side 10 af 19

Azorubin kan aflæses til 0,03224 ved bølgelængden 518m, aflæst på graf 4 (bilag), mens Ponceau 4R aflæses til 0,02024 i samme bølgelængde i graf 5(bilag).

For at beregne koncentrationen skal vi også beregne den gennemsnitslige absorbans i frugtfarven.

Dette gøres ved at absorbere frugtfarve i et spektrofotometer i 30 sek., hvor man samtidig måler absorbansen, herefter beregnes den gennemsnitslige absorbans ud.

Absorption af frugtfarve i bølgelængden 501 nm:

Den gennemsnitslige absorbans for frugtfarven i bølgelængden 518nm er 2,07.

For at beregne koncentrationen af Azorubin bruges denne formel:

A = k ∙ c(Azorubin)

Da man har med to forskellige farvestoffer at gøre, udgør absorbansen totalt af de to farvestoffers absorbanser, så får man denne formel:

A = k(D) ∙ c(D) + k(E) ∙ c(E)

Side 11

Side 11 af 19

Der er nu to bølgelængder, som skal beregnes, her får man:

Bølgelængde 1: A = k (D) ∙ c(D) + k (E) ∙ c(E)

1 1 1

Bølgelængde 2: A = k (D) ∙ c(D) + k (E) ∙ c(E)

2 2 2

Nu beregnes koncentrationerne, her defineres Azorubin som stof E og Ponceau som stof D.

De kendte værdier defineres således:

Azorubins ved bølgelængden 501 nm:

K1D = 0.02864

Ponceau ved bølgelængden 501 nm:

K1E = 0.02102

Azorubin ved bølgelængden 518 nm:

K2D = 0.03224

Ponceau ved bølgelængden 518 nm:

K2E = 0.02024

Den gennemsnitslige absorbans for frugtfarve i bølgelængen 501nm:

A1 = 2.07

Den gennemsnitslige absorbans for frugtfarve i bølgelængden 518nm:

A2 = 2.15

Da man har med to ubekendte variabler at gøre, starter man med at bestemme cE vha. cD:

cE = solve ( A1 = k1D ∙ cD + k1E ∙ cE, cE) = −1,3 𝑐𝐷 + 98,

Nu kendes cE ud fra cD, kan man nu bestemme cD, da det er den eneste ubekendte:

Solve ( A2 = k2 ∙ cD + k2E ∙ cE, cD) = 33,mg/L

Dermed er koncentrationen af azorubin i frugtfarven bestemt til at være 33,63 mg/L
Ligeledes er Ponceau 4R’s koncentration i frugtfarven beregnet til at være 52,65 mg/L, udregning af

Side 12

Side 12 af 19

Ponceaus koncentration findes under bilag 7.

2.2 Metodens nøjagtighed

Metodens nøjagtighed er ret upræcis, for det kan let gå galt, hvis nogle af de følgende

fejlkilder/usikkerheder indtræffer:

Primært i vores forsøg var der luftbobler i kuvetterne, da det skulle sættes ind i spektrofotometret, dette kunne have resulteret i at vi fik nogle upræcise resultater, udover dette var der også en fejlkilde ved at vores kuvette evt. ikke var ordentlig tøret af på ydersiden inden mållingerne. I vores ekperimentelle forsøg, var der en del usikkerheder mht. fortynding af stamopløsningen. Som vi jo ved at jo mere vi fortynder en opløsning desto mere bliver usikkerheden øget og dermed kan vi ikke få de præcise koncentrationer som ønsket.

2.3 Vurdering af resultaterne

Vores resultater tyder på at koncentrationen af begge farvestoffer under alle omstændigheder er

overholdt. Da der er i positivlisten står at, der max må tilsættes 100 mg/L farvestof af hvert farvestof i
en fødevare. Og da vi får vores koncentrationer på hhv. 33,63 mg/L og 52,65 mg/L betyder det så at

det ikke på nogle måder har overskredet grænseværdien, så der er hverken en for stor mængde tilsammen eller hver for sig.

Konklusion

Udfra vores eksperimentelle forsøg, hvor vi skulle måle farvestoffernes koncentrationer, fandt vi frem

til at azorubin havde en koncentration på 33,63 mg/L mens Ponceau 4R havde en koncentration på

52,65 i frugtfarven. Udover dette fandt vi også frem til at at positivlistens anvisninger var blevet

overholdt da vores resultater ikke har overskredet grænseværdien på 100 mg/L for hvert farvestof.

_______________________ _________________________________

Side 13

Side 13 af 19

Dato Underskrift

Litteraturliste

Bøger

• Elvekjær Finn, Benoni Torben, FysikABbogen2, 2007, Narayana Press.

• Parbo Henrik, Bag den farvede virkelighed, 1986, Systime.

• Parbo Henrik, Nyvad Anette, Mortensen kusk Kim, Kend Kemien 2, 2007, Narayana Press

Internetsider

• http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Kemi/Farvestoffer_og_farveri/f

arvestoffer

• http://www.stenlarris.dk/FARVE/GRELFARV.HTM
• http://www.visible.dk/videnom/Farver.php
• http://www.foedevarestyrelsen.dk/SiteCollectionDocuments/25_PDF_word_filer%20til%20do
wnload/06kontor/Positivlisten%202011%20-%20netudgave%20_01.08.pdf (s. 147)

Side 14

Side 14 af 19

Bilag

Bilag 1

Figur 1, viser den fysiske farvedannelse

Bilag 2

Figur 2, farvecirkel:

Side 15

Bilag 3
Azorubin ved 501 nm graf 2:
Absorbance at 501,0 nm
0,3 0,2 0,1 0,0
C (mg/L)
0 2 4 6 8 10
Auto Fit for: Latest | Absorbance at 501,0 nm
y = AC
A: 0,02864 +/- 0,0007059
RMSE: 0,01047
(2,984, 0,1069)
Side 15 af 19

Side 16

Bilag 4
Ponceau ved 501nm graf 3:
Absorbance at 501,0 nm
0,20 0,15 0,10 0,05 0,00
c (mg/L)
0 2 4 6 8 10
Auto Fit for: Latest | Absorbance at 501,0 nm
y = Ac
A: 0,02102 +/- 0,001219
RMSE: 0,01808
(5,014, 0,1070)
Side 16 af 19

Side 17

Bilag 5
Ponceau 518nm graf 4:
Absorbance at 518,0 nm
0,20 0,15 0,10 0,05 0,00
C (mg/L)
0 2 4 6 8 10
Auto Fit for: Latest | Absorbance at 518,0 nm
y = AC
A: 0,02024 +/- 0,001262
RMSE: 0,01872
(2,697, 0,0870)
Side 17 af 19

Side 18

Bilag6
Frugtfarve ved518nm graf5:
Late
Abs-518,0
2 |2,181
3 |2,283
4 |2,350
5 |2,132
6 |2,175
7 |2,187
8 |2,289
9 |2,312
10 |2,192
11 |2,206
12 |2,168
13 |2,305
14 |2,178
15 |2,259
16 |2,192
17 |2,284
18 |2,215
19 |2,263
20 |2,214
21 |2,215
22 |2,246
23 |2,261
24 |2,232
25 |2,193
26 |2,279
27 |2,247
28 |2,145
29 |2,161
Absorbance at518,0nm
2,15 2,20 2,25 2,30 2,35
Time(s)
0 10 20 30
(3,57,2,2080)
Side18af19

Side 19

Side 19 af 19

Bilag 7

Udregning af Ponteau 4R’s koncentration i frugtfarve:

K1D = 0.02864
K1E = 0.02102
K2D = 0.03224
K2E = 0.02024
A1 = 2.07
A2 = 2.15
cD = solve ( A1 = k1D ∙ cD + k1E ∙ cE, cD) = −475cE + 31
𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒 ( 𝐴2 = 𝑘2𝐷 ∙ 𝑐𝐷 + 𝐾2𝐸 ∙ 𝑐𝐸, 𝑐𝐸) = 85

Det er den samme udregning som bliver anvendt til at beregne koncentrationen af azorubin, hvor c(E) først bliver bestemt vha. c(D) bagefter betemmes c(E).