海藻酸鈉變色微球的制備和表征

許亮亮　陳懿　王曉亞　王漢揚　王鳴遠(yuǎn)

摘要：以高一化學(xué)2離子鍵為知識背景，設(shè)計趣味化學(xué)實驗。提取多種天然花青素并制備可變色海藻酸鈉微球，利用色度傳感器對可變色微球緩釋花青素的現(xiàn)象進(jìn)行定量表征。該實驗可開拓學(xué)生的科學(xué)視野，有助于對基礎(chǔ)原理的理解，有良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：趣味化學(xué)實驗；天然花青素；海藻酸鈉微球制備；性質(zhì)表征；實驗設(shè)計

文章編號：1005-6629（2018）1-0079-03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1問題提出

核心素養(yǎng)是學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)必須通過各學(xué)科的教育教學(xué)來實現(xiàn)。因此發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)已成為基礎(chǔ)教育研究的必然趨勢。高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是高中生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn)。有學(xué)者對化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的概念內(nèi)涵、結(jié)構(gòu)層次和建構(gòu)方法等問題進(jìn)行討論，也有學(xué)者基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)對教學(xué)設(shè)計、課堂效度和試題特征等方面展開研究。但基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的實驗教學(xué)案例目前鮮有報道。

隨著社會的不斷進(jìn)步，化學(xué)已成為材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。新一輪課改蓄勢待發(fā)，高中化學(xué)實驗教學(xué)亟待開發(fā)出一批既能蘊含學(xué)科基礎(chǔ)特色又能體現(xiàn)當(dāng)代科技發(fā)展的創(chuàng)新課程，以拓展學(xué)生學(xué)習(xí)空間，引導(dǎo)不同學(xué)生學(xué)習(xí)不同的化學(xué)，以適應(yīng)未來發(fā)展的多樣化需求?；谝陨纤伎迹ㄟ^實驗嘗試成功開發(fā)“海藻酸鈉變色微球的制備和表征”趣味化學(xué)實驗課程，將其應(yīng)用于高一《實驗化學(xué)》選修課上，大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，最終促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

2設(shè)計思路

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》將高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)分為“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)精神與社會責(zé)任”五個維度。本實驗基于以上五個維度，以高一化學(xué)2離子鍵為知識背景，讓學(xué)生提取多種天然花青素，制備可變色海藻酸鈉微球，利用色度傳感器對微球緩釋花青素的現(xiàn)象進(jìn)行定量表征，開拓了學(xué)生前沿科學(xué)視野，加深了對基礎(chǔ)原理的理解，取得了良好的教學(xué)效果。具體設(shè)計思路見圖1。

3實驗原理

花青素也稱為花色素、花色苷，屬于生物類黃酮物質(zhì)，是一種水溶性色素，隨著溶液酸堿性不同，可呈現(xiàn)多彩的顏色。已知天然存在的花青素有250多種，廣泛存在于如紫甘藍(lán)、藍(lán)莓、櫻桃、草莓、桑葚、山楂等許多植物中?；ㄇ嗨匕踩珶o毒，具有一定的營養(yǎng)保健作用，但穩(wěn)定性不好，食品工業(yè)上常將其進(jìn)行微球包埋，以提高其在功能性產(chǎn)品中的可用性。從紫甘藍(lán)中提取花青素作為酸堿指示劑，學(xué)生初三時就已熟知。本實驗采用簡單的水溶液提取法，讓學(xué)生提取了紫葡萄、楊梅、車?yán)遄印⑺{(lán)莓、紫甘藍(lán)、莧菜、火龍果、黑枸杞等常見水果蔬菜中的八種花青素原液，分別加入一定量的從海藻中提取的天然多糖海藻酸鈉，得到海藻酸鈉一花青素混合液。將混合液滴入CaCl₂溶液中，Ca²⁺立即滲入海藻酸鈉液滴內(nèi)部，利用離子鍵將海藻酸鈉液滴交聯(lián)固化成球，即制得八種包埋不同花青素的海藻酸鈉變色微球。取用一定量包埋紫甘藍(lán)花青素的海藻酸鈉微球置于一定體積的37%模擬胃液中，用色度傳感器對花青素的緩釋性能進(jìn)行定量分析。

4實驗過程

4.1儀器和藥品

海藻酸鈉、紫葡萄、楊梅、車?yán)遄?、藍(lán)莓、紫甘藍(lán)、莧菜、火龍果、黑枸杞、氯化鈣、鹽酸、氫氧化鈉、胃蛋白酶、去離子水；塑料滴管、燒杯、玻璃棒、量筒、酒精燈、漏斗、濾紙、圓形篩子（10cm）、培養(yǎng)皿（9cm）、錐形瓶、Vernier色度傳感器、數(shù)據(jù)采集器

4.2實驗步驟

4.2.1海藻酸鈉微球的制備和變色實驗

（1）稱取100g紫葡萄于燒杯中，加人50mL去離子水，煮沸5分鐘，冷卻后過濾，得到紫葡萄花青素溶液；向20mL紫葡萄花青素溶液加人0.4g海藻酸鈉，微熱至全溶，得到2%海藻酸鈉一紫葡萄花青素混合液；配制50g1%CaCl₂溶液。

（2）用塑料滴管將海藻酸鈉一紫葡萄花青素混合液逐滴滴入CaCl₂溶液，5分鐘后用篩子過濾出來，即制得包埋紫葡萄花青素的海藻酸鈉變色微球。以同樣方法制備包埋楊梅、車?yán)遄?、藍(lán)莓、紫甘藍(lán)、莧菜、火龍果、黑枸杞花青素的海藻酸鈉變色微球。分別取等量微球置于堿性（pH=13）、中性（pH=7）、酸性（pH=1）溶液中，觀察變色情況。

4.2.2包埋花青素海藻酸鈉微球緩釋性能的定量表征實驗

（1）向800mL去離子水中加入9mL濃鹽酸和10g胃蛋白酶，混合均勻，即制得pH=1.2的人工模擬胃液。

（2）取200粒包埋紫甘藍(lán)花青素的海藻酸鈉微球，置于37%的100mL人工模擬胃液中，每隔一定時間取2mL溶液于比色皿，迅速放人色度傳感器中，于波長565nm處測定溶液吸光度，對微球緩釋花青素性能進(jìn)行定量表征。

5實驗現(xiàn)象與結(jié)論

將八種海藻酸鈉一花青素溶液分別滴入氯化鈣溶液中，液滴立即交聯(lián)固化為海藻酸鈉微球，靜置5分鐘，用去離子水洗滌。將八種不同微球分別裝于三個錐形瓶中，向瓶中加入不同pH的溶液，包埋花青素的微球在不同pH溶液中顯示出不同的顏色，見表1?？捎^察到八種不同微球整體上在堿性溶液中顯黃色，中性溶液中顯藍(lán)紫色，酸性溶液中顯紅色，但由于花青素來自不同植物，變色的深淺明暗又略有不同。

將包埋紫甘藍(lán)花青素的海藻酸鈉微球置于人工模擬胃液，巧妙利用色度傳感器測定花青素緩釋和時間的變化關(guān)系。圖2為整個緩釋過程中溶液吸光度隨時間變化曲線，可以看出隨著時間增長，溶液的吸光度逐漸增大，最后穩(wěn)定在0.192處。因此可推測15分鐘內(nèi)緩釋花青素速率較快，整個過程緩釋速率逐漸減慢，40分鐘達(dá)到最大值。這一性質(zhì)充分說明生物可降解的海藻酸鈉微球在藥物緩釋材料中得到廣泛應(yīng)用的原因。

6教學(xué)反思

6.1核心素養(yǎng)培養(yǎng)要加強基礎(chǔ)知識與前沿科學(xué)的對接

當(dāng)今科技發(fā)展日新月異，化學(xué)學(xué)科是在生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的相互交叉、滲透和促進(jìn)中協(xié)同發(fā)展的。因此在新一輪課改中，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)若采取“新瓶裝舊酒”的方式顯然是不合時宜的。這就需要一線教師既要具備扎實的學(xué)科基礎(chǔ)知識，又能緊跟時代步伐，關(guān)注前沿科學(xué)成果，積極開發(fā)出體現(xiàn)學(xué)科知識特色、關(guān)注前沿科學(xué)的創(chuàng)新實驗。本實驗以高一化學(xué)2中離子鍵交聯(lián)的基本原理，借助有良好生物相容性的海藻酸鈉作為指示劑載體，通過簡單的實驗操作制備了海藻酸鈉變色微球，使學(xué)生感到利用所學(xué)基礎(chǔ)知識也可制備出前沿科技的新材料。

6.2核心素養(yǎng)培養(yǎng)要留足實驗反思與持續(xù)探究的空間

學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)一段時間后包埋在微球中的花青素會緩慢釋放出來，并逐漸擴(kuò)散至整個溶液中，使溶液也顯色，其中pH<7溶液中的花青素釋放速率最快。于是學(xué)生思考能否運用色度傳感器對緩釋性能進(jìn)行定量表征。通過查閱資料以及小組討論后，學(xué)生進(jìn)行了后續(xù)探究：配制了pH約為1.2的人工模擬胃液，恒溫至37%，將一定量的包埋紫甘藍(lán)花青素的海藻酸鈉微球置于其中，巧妙利用色度傳感器測定了微球緩釋性能和時間的變化關(guān)系。整個實驗反思過程中，教師積極鼓勵學(xué)生進(jìn)行大膽設(shè)想并設(shè)計方案，提供相應(yīng)的實驗條件讓學(xué)生自主探究并得出結(jié)論，真正讓學(xué)生學(xué)以致用，提升了持續(xù)自主學(xué)習(xí)的能力。

6.3核心素養(yǎng)培養(yǎng)要關(guān)注實驗教學(xué)與學(xué)生情意的互融

作為化學(xué)實驗的一種類型，趣味實驗以其操作簡單、現(xiàn)象明顯的特點可以極大提高學(xué)生探索學(xué)科知識的積極性，從而提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。當(dāng)然設(shè)計趣味實驗時，也不能一味強調(diào)激發(fā)興趣，使趣味庸俗化，而要基于學(xué)生認(rèn)知，確定明確的教學(xué)目標(biāo)，精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，真正使學(xué)生的思維得到培養(yǎng)，能力得到提高。本實驗中學(xué)生親手實踐，短時間內(nèi)制備了多種五顏六色的變色微球，真正體會到化學(xué)實驗的無窮魅力和應(yīng)用意義，大大激發(fā)了學(xué)生探求化學(xué)世界無窮奧秘的興趣。endprint