植物顏色“大師”

劉欣曄 蔣鄲驥

摘要：紫薯是生活中的常見食材，從紫薯中提取的紫薯色素富含易溶于水的花青素，其顏色隨溶液pH變化而變化;酸性Na2SO3水溶液能有效地使紫薯色素褪色，并且通過調(diào)節(jié)溶液的pH可以使該褪色過程“可逆”地進(jìn)行;用紫外可見光譜比較系統(tǒng)地分析了紫薯色素在不同pH以及Na2SO3褪色前后分子結(jié)構(gòu)的變化特征;據(jù)此，設(shè)計(jì)了有趣且有明顯顏色變化的小實(shí)驗(yàn)，并將中學(xué)階段涉及到的“酸堿指示劑”、“SO2的漂白作用”、“化學(xué)平衡移動(dòng)”、“鹽的水解”和“肥皂去污”等化學(xué)知識(shí)滲透其中，邊玩邊學(xué)，有效提升師生科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：紫薯色素;花青素;pH指示劑;“可逆”褪色;“化學(xué)”密信

文章編號(hào)：1008-0546（2018）12-0082-04中圖分類號(hào)：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.027

花青素是廣泛存在于花朵和果實(shí)、能夠賦予花朵和果實(shí)以豐富顏色的多種天然化合物的統(tǒng)稱。從化學(xué)角度看，花青素屬于類黃酮類物質(zhì)，它們的分子結(jié)構(gòu)中都具有圖1所示的“C6-C3-C6三環(huán)”結(jié)構(gòu) [1，2]。自然界中的花青素超過300種，廣泛分布于接骨木紅、越橘、紫甘薯、藍(lán)莓、葡萄、黑加侖、紫胡蘿卜和紫甘藍(lán)等果蔬中。植物中的花青素是混合物，種類各異和多種成份組合，從而表現(xiàn)出豐富的色彩，因此，花青素是自然界植物的顏色“大師”。紫薯花青素的主要成分是矢車菊素、芍藥素及少量天竺葵素的3-O-糖基化合物。天然花青素大多在水和乙醇中具有良好的溶解性，尚沒有發(fā)現(xiàn)其有明顯的毒副作用，因此，作為天然色素被廣泛應(yīng)用于飲料、糖果、果醬等食品中 [3];有研究表明，花青素還具有良好的抗氧化性質(zhì)，在生物體內(nèi)，花青素具有抗自由基、抑制癌細(xì)胞等重要的生理活性和功能? [4]。

化學(xué)，是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。豐富有趣的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，而且有助于學(xué)生練習(xí)和掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能，從而有效提升師生科學(xué)素養(yǎng)?；谧鲜砘ㄇ嗨刎S富的顏色變化，我們?cè)O(shè)計(jì)了一些有趣且伴有顏色變化的小實(shí)驗(yàn)，以幫助中學(xué)生學(xué)習(xí)和理解“酸堿指示劑”、“SO2的漂白作用”、“化學(xué)平衡移動(dòng)”、“鹽的水解”和“肥皂去污”等知識(shí)點(diǎn) [5]。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

紫薯色素（食品級(jí)），湖北紫鑫生物科技有限公司;鹽酸、NaOH、十四酸、CCl4、石油醚、Na2SO3和氨水，均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;TU-1950紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限公司;ZF-7A紫外檢測(cè)燈，上海寶山顧村電光儀器廠;PHS-3C雷磁pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器有限公司。

2.實(shí)驗(yàn)方法

去離子水配制0.5%和1%紫甘薯色素溶液;分別用鹽酸和NaOH配制pH為1～13的水溶液，各取5mL不同pH的水溶液，滴加0.5%紫薯色素溶液0.1mL并用pH計(jì)檢測(cè)和調(diào)節(jié)溶液pH，觀察顏色隨pH的變化并測(cè)定紫外可見光譜;配制0.5%的Na2SO3水溶液并將其pH調(diào)為3;用棉簽蘸取1%紫薯色素在濾紙上書寫“化學(xué)”密信。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）紫薯色素顏色的pH效應(yīng)

早在1996年，紫甘藍(lán)色素用作pH指示劑就有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。在pH 6.8～7.8時(shí)，天然紫甘藍(lán)色素由紫紅變綠;在pH約7.5時(shí)，紫甘藍(lán)色素呈藍(lán)色，相當(dāng)于一種混合pH指示劑 [6]。紫甘藍(lán)色素屬于花青素，而紫薯色素也屬于花青素，因此，紫薯色素的顏色也應(yīng)當(dāng)隨pH改變而改變。圖2是不同pH紫薯色素水溶液的照片，可見在不同pH條件下，紫薯色素水溶液的顏色呈現(xiàn)多種色彩。pH為1～4時(shí)，紫薯色素溶液呈洋紅色，pH為5～7洋紅色逐漸變淺，pH為8～10變成淡紫藍(lán)色，pH為11呈藍(lán)色，pH為12時(shí)呈藍(lán)黃色，pH為13時(shí)呈土黃色。可見，紫薯色素水溶液的顏色也表現(xiàn)出明顯的pH效應(yīng)。

物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)，反之，性質(zhì)變化也反映出分子結(jié)構(gòu)的改變。為此，我們測(cè)定了不同pH紫薯色素水溶液的紫外可見光譜（圖3）。pH為1～10范圍內(nèi)，紫薯色素在290nm和320nm處有很強(qiáng)的吸收，結(jié)合530nm處的吸收峰，這是紫薯色素分子結(jié)構(gòu)中具有花青素結(jié)構(gòu)（圖1）的特征吸收 [7]，表明紫薯色素屬于花青素;pH為11～13范圍內(nèi)，290nm和320nm處的兩個(gè)吸收峰消失，但在380nm處出現(xiàn)新的較強(qiáng)吸收峰;在pH為1～13范圍內(nèi)，紫薯色素在200nm～350nm范圍內(nèi)的吸光度高于其在400nm～700nm范圍內(nèi)的吸光度，說明紫薯色素對(duì)紫外光有很好的吸收，具有抗紫外線的潛能。

可以用紫薯色素分子結(jié)構(gòu)隨pH改變而改變的示意圖（圖4） [8]分析圖2和圖3所觀察到的結(jié)果。pH為1～3時(shí)，溶液中紫薯色素主要呈紅色的黃烊鹽AH+形態(tài);隨著pH增加，紅色黃烊鹽失去H+形成藍(lán)紫色的醌堿A;隨著pH進(jìn)一步增大時(shí)，醌堿A進(jìn)一步失去H+變成醌堿陰離子A-。所以，隨著pH增加，紫薯色素溶液的顏色發(fā)生洋紅色-淡洋紅色-淡紫色-藍(lán)色-藍(lán)黃色-土黃色遞次轉(zhuǎn)變（圖2）。

（2）紫薯色素的水溶性及其用作pH指示劑

基于紫薯色素水溶液的顏色隨pH改變呈現(xiàn)豐富的顏色變化，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)用以驗(yàn)證“紫薯色素水溶性及其用作pH指示劑”的性質(zhì)。

①實(shí)驗(yàn)一

在一個(gè)容積為15mL的玻璃瓶中，加入等體積（3mL）的CCl4、水和石油醚，再加入少量紫薯色素，混合均勻后觀察到如圖5A所示狀態(tài)。CCl4、水和石油醚彼此間互不相溶，再根據(jù)三者的密度（ρ）可知，ρ（CCl4）>ρ（水）>ρ（石油醚），不難判斷圖5A中，最下層液體為CCl4，中間層液體為水，最上層液體為石油醚;再根據(jù)圖5A中三層液體只有中間層為紫紅色，由此判明，紫薯色素是水溶性的，不能在CCl4和/或石油醚中溶解。向圖5A中滴加稀鹽酸溶液，可觀察到鹽酸液滴通過上層石油醚溶入中間水層，且中間層顏色變成鮮艷的洋紅色（圖5B）;若向圖5A中滴加稀NaOH溶液，可觀察到NaOH液滴通過上層石油醚溶入中間水層，且中間層顏色變成鮮艷的藍(lán)色（圖5C）;若向圖5A中交替滴加稀鹽酸和稀NaOH溶液，可觀察到中間層的顏色在紅色和藍(lán)色之間交替變換。

②實(shí)驗(yàn)二

在蘇教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)2專題3的第二單元中，介紹了肥皂的去污作用。肥皂中起去污作用的主要成分是長(zhǎng)鏈脂肪酸鈉，比如十四酸鈉，它是弱的有機(jī)脂肪酸十四酸與強(qiáng)堿NaOH中和反應(yīng)得到的有機(jī)酸鹽、屬于強(qiáng)堿弱酸鹽。而強(qiáng)堿弱酸鹽在水溶液中會(huì)因?yàn)椴糠炙夥磻?yīng)使溶液的pH>7。

向濃度為1%的十四酸鈉水溶液中滴加幾滴紫薯色素水溶液，可以觀察到十四酸鈉水溶液呈藍(lán)色（圖6 A1，A2為未滴加色素的十四酸鈉水溶液），可見，十四酸鈉水溶液呈堿性。十四酸鈉是一種陰離子型表面活性劑，除了有去污作用，也有良好的泡沫性質(zhì)，簡(jiǎn)單振搖十四酸鈉水溶液，可以觀察到明顯的泡沫（圖6 A1）;向十四酸鈉溶液中滴加鹽酸至溶液呈紅色（圖6 B1，B2為未滴加色素的十四酸鈉水溶液），此時(shí)溶液顯酸性，圖6B中觀察到有白色不溶物出現(xiàn)，該白色不溶物為十四酸;加入鹽酸，使十四酸鈉水溶液中的水解反應(yīng)向生成十四酸的方向進(jìn)行（該過程也可以理解為強(qiáng)酸生成弱酸），而十四酸是難溶于水的物質(zhì)，所以出現(xiàn)白色不溶物;此時(shí)，振搖溶液，觀察不到有泡沫產(chǎn)生;向十四酸鈉溶液中交替加入鹽酸和NaOH，可觀察到溶液分別呈現(xiàn)紅色和藍(lán)色、無泡沫（有不溶物）和有泡沫的現(xiàn)象。

（3）Na2SO3對(duì)紫薯色素的可逆褪色作用

在蘇教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)1專題4的第一單元中提到：“實(shí)驗(yàn)證明，SO2能漂白某些有色物質(zhì)（如品紅），這是由于它能與某些有色物質(zhì)反應(yīng)，生成不穩(wěn)定的無色物質(zhì)?！睂?shí)際上，紫薯色素也有類似的效果。在SO2漂白品紅的過程中，SO2先與水結(jié)合形成H2SO3，H2SO3進(jìn)而與品紅反應(yīng)。因此，本文實(shí)驗(yàn)中用酸性Na2SO3水溶液代替“向水溶液中通入SO2”，避免制取有刺激性和毒副作用的SO2氣體。

由圖7A可見，在pH=3時(shí)加入Na2SO3后，原先紅色的紫薯色素溶液（圖7 A1）明顯褪色（圖7 A2），原本在530nm處的吸收明顯減弱，并且在可見光區(qū)的最大吸收波長(zhǎng)有明顯紅移，說明經(jīng)過酸性Na2SO3作用后，紫薯色素在可見光區(qū)的吸收減弱導(dǎo)致其褪色。圖7B是花青素與NaHSO3反應(yīng)過程中分子結(jié)構(gòu)變化的示意圖，花青素分子中含氧雜環(huán)的3，4-雙鍵與NaHSO3反應(yīng)，4-C接入磺酸基（SO3H） [9]，導(dǎo)致含氧雜環(huán)原有的共軛雙鍵改變，所以紫薯色素的光譜吸收性質(zhì)發(fā)生圖7A所示的改變。此外，圖7B中示意的花青素與NaHSO3反應(yīng)，其反應(yīng)進(jìn)行的方向容易隨反應(yīng)體系的pH改變而改變;若是pH進(jìn)一步降低，該反應(yīng)過程向反方向進(jìn)行，即已經(jīng)褪色的紫薯色素又可以逐步恢復(fù)其紅顏色;反之，pH再次升高，紅色的紫薯色素又將再次褪色（圖7C）。因此，Na2SO3對(duì)紫薯色素的顏色具有“可逆”的褪色作用。

（4）基于紫薯色素-NaHSO3“可逆”褪色作用制作“化學(xué)密信”

利用酚酞遇堿變色的原理，可以制作化學(xué)密信 [10]?；趫D7中所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用NaHSO3對(duì)紫薯色素的“可逆”褪色作用，我們也可以制作“化學(xué)密信”，所得“化學(xué)密信”的顯色過程見圖8。配制紫薯色素溶液，并將其pH調(diào)為3，用棉簽蘸取色素溶液在濾紙片上書寫“化學(xué)”（圖8A），向圖8A紙片上噴灑pH=3的Na2SO3溶液，幾分鐘后，紙片上紫紅色字跡褪去（圖8B）;由圖7B可知，這是由于酸性Na2SO3與色素反應(yīng)形成無色加合物的結(jié)果。將圖8B無色紙片置于濃鹽酸瓶口約10秒鐘，紙片上的字跡重新顯現(xiàn)且呈紅色（圖8C），這是由于濃鹽酸瓶口會(huì)有鹽酸酸霧逸出，酸霧與圖8B紙片接觸，相當(dāng)于在圖8B紙片上噴灑鹽酸，依據(jù)圖7B不難理解，在鹽酸作用下，紫薯色素與酸性Na2SO3反應(yīng)形成的無色加合物重新轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色的紫薯色素。將圖8C紙片放置在濃氨水瓶口，紅色字跡慢慢褪去，約20秒鐘后字跡全無（圖8D），這是由于濃氨水瓶口有氨氣逸出，遇到圖8C酸性紙片，發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，圖8C表面過量的鹽酸會(huì)逐步被中和，在酸性Na2SO3的作用下，紅色紫薯色素逐漸褪色（圖7C）。此外，從圖3和圖7紫外可見光譜可知，無論是pH改變還是Na2SO3褪色，紫薯色素在紫外區(qū)的吸收沒有顯著減弱，因此，將圖8B紙片放置于紫外燈下，已經(jīng)因Na2SO3褪色而隱藏的字跡又清晰可見（圖8E）。由此可見，用紫薯色素制作的“化學(xué)”密信，可以用多種手段解密。

二、結(jié)論

水溶性紫薯色素可以方便地溶于水中形成溶液，其顏色隨著溶液pH的變化而變化，可作為酸堿指示劑用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué);與典型花青素物質(zhì)類似， 酸性Na2SO3水溶液可以有效地使紫薯色素褪色，并且通過調(diào)節(jié)溶液的pH可以使褪色過程“可逆”進(jìn)行，據(jù)此性質(zhì)，可以用作 “化學(xué)”密信制作等趣味實(shí)驗(yàn);本文基于紫薯色素設(shè)計(jì)的小實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較明顯，可以用作學(xué)生課外興趣實(shí)驗(yàn)和教師課堂演示實(shí)驗(yàn)?？梢?，化學(xué)聯(lián)系生活，學(xué)科素養(yǎng)基于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。世界上不是缺少美，而是缺少發(fā)現(xiàn)的眼睛。

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