“色素的提取與分離”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新探索

韓偉

摘 要：通過理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)探索，就葉綠體中光合色素的提取與分離實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了更深層次的理論分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理以及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)在使用藥品、選擇材料等方面都可創(chuàng)新，收效甚佳。

關(guān)鍵詞：光合色素;提取;分離;二氧化硅;紙層析

一、實(shí)驗(yàn)流程

“提取和分離葉綠體中的光合色素”是學(xué)生探究光合作用過程的基礎(chǔ)，因?yàn)楣夥磻?yīng)中需要光合色素捕獲光能，而色素有哪些，什么顏色，色素如何吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光等問題一定是學(xué)生的興趣所在。教師可以帶領(lǐng)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的原理與過程，比如用什么方法提取、分離色素，除了使用菠菜之外，還可以用其他材料來(lái)做實(shí)驗(yàn)嗎？在實(shí)驗(yàn)探索中對(duì)以上問題有針對(duì)性地做了一些嘗試，比如在實(shí)驗(yàn)步驟、選材等方面。實(shí)驗(yàn)中所得與大家交流，主要有：實(shí)驗(yàn)操作的改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)流程的創(chuàng)新，選材的創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析以及實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中應(yīng)用的反思。

實(shí)驗(yàn)中的步驟以及使用試劑如圖1：

二、實(shí)驗(yàn)原理分析

1.提取色素時(shí)要不要使用碳酸鈣

在高中生物教學(xué)中研磨加入碳酸鈣的目的是“防止色素在酸性條件下被分解”，這是大家給學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)答案。而其中的分子變化原理是：葉綠素核心部分是一個(gè)卟啉環(huán)（porphyrin ring），其功能是光吸收;另一部分是一個(gè)很長(zhǎng)的脂肪烴側(cè)鏈，稱為“葉綠醇”（phytol），葉綠素用這種側(cè)鏈插入類囊體膜。與含鐵的血紅素基團(tuán)不同的是，葉綠素卟啉環(huán)中含有一個(gè)鎂離子。在葉綠素的卟啉環(huán)中的鎂離子與各吡咯環(huán)上的氮原子之間發(fā)生部分電荷轉(zhuǎn)移才被固定，因此鎂離子不穩(wěn)定。卟啉環(huán)中的鎂離子可被H+、Cu2+、Zn+所置換。用酸處理葉片，H+易進(jìn)入葉綠體，置換其中的鎂離子，形成褐色的去鎂葉綠素，使葉片呈現(xiàn)褐色。而在實(shí)驗(yàn)中可以不使用碳酸鈣的原因有以下幾點(diǎn)：（1）菠菜葉片含有的酸性物質(zhì)不多。（2）鎂離子被H+取代需要一定的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)所用的時(shí)間比較短，不足以對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較明顯的影響。（3）碳酸鈣加入較多的時(shí)候會(huì)影響過濾。并且就本次實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果來(lái)看，研磨時(shí)沒有加入碳酸鈣過濾得到的色素顏色是深綠色的（如圖2所示），因此實(shí)驗(yàn)中可以不使用或者使用較少的碳酸鈣。

2.要不要加二氧化硅

在本次實(shí)驗(yàn)操作中，以菠菜作為原料的實(shí)驗(yàn)中沒有加二氧化硅，原因是菠菜葉片表面沒有較厚的角質(zhì)，容易研磨，研磨后得到的色素溶液顏色也是深綠色的，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本沒有影響。如果換作革質(zhì)葉片就需要加少量二氧化硅，例如在本次實(shí)驗(yàn)中還選用了紫葉李（Prunus Cerasifera）作為實(shí)驗(yàn)材料，在研磨時(shí)由于葉片角質(zhì)較多需要加入少量二氧化硅。因此我們的結(jié)論是：在葉片角質(zhì)層較薄且易于破碎的情況下，二氧化硅可以少加或不加。

3.關(guān)于提取液

在教材中和各種資料中認(rèn)為提取色素使用無(wú)水乙醇，原因是光合色素可以溶解在乙醇中。實(shí)際上如果是干燥材料可以使用95%的酒精。新鮮材料含水量較多因此用無(wú)水乙醇提取。

4.層析液

有多種選擇，可以用93號(hào)汽油、丙酮或者石油醚（20份在60℃～90℃下分餾出來(lái)的石油醚、2份乙醇和1份丙酮混合而成），而本次實(shí)驗(yàn)采用的是四氯化碳。層析液必須是非極性的有機(jī)溶劑，同時(shí)是安全的，均可以用于層析的。

三、選材創(chuàng)新

在實(shí)驗(yàn)前學(xué)員在校園中找到了紫葉李的葉子、紫色紫薇花以及重陽(yáng)木的黃色落葉，分別使用這些材料做了實(shí)驗(yàn)，研磨液如圖3所示：

在分離中發(fā)現(xiàn)：（1）紅葉李作為實(shí)驗(yàn)材料提取的色素顏色更深，分離后效果更好。（2）花青素為水溶性的極性分子，點(diǎn)樣到濾紙條上就會(huì)和濾紙條上的水結(jié)合，不會(huì)跟隨層析液運(yùn)動(dòng)。（3）落葉為黃色，因此含有的類胡蘿卜素較多，只能分離出兩個(gè)色素帶。使用紅葉李做材料分離結(jié)果如圖4所示，除了和菠菜一樣的四個(gè)色素帶以外，點(diǎn)樣處還有紫葉李所含有的花青素。如果選用紫葉李等紅色葉片作為實(shí)驗(yàn)材料，可以使實(shí)驗(yàn)更加富有趣味性，還可以讓學(xué)生理解極性的水溶性物質(zhì)在使用非極性層析液時(shí)并不會(huì)在濾紙上運(yùn)動(dòng)，可以嘗試使用蒸餾水讓色素分離，并預(yù)測(cè)結(jié)果（花青素會(huì)跟隨蒸餾水在濾紙上運(yùn)動(dòng)）。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

1.研磨少加粉末

使用菠菜作為實(shí)驗(yàn)材料研磨時(shí)可以盡量少加二氧化硅和碳酸鈣。雖然不加這兩種物質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也很理想，但是在高考知識(shí)考查時(shí)，這兩個(gè)原理經(jīng)常在考試中出現(xiàn)，所以操作的時(shí)候不能不加，可以盡量少加。

2.選材創(chuàng)新

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前去校園采集不同材料（例如紅葉李、女貞、美國(guó)紅楓、花瓣等），然后提取分離色素，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓實(shí)驗(yàn)具有更強(qiáng)的探究性與趣味性。

3.過濾環(huán)節(jié)

過濾時(shí)可以使用濾紙過濾，在過濾前可滴加少量無(wú)水乙醇處理濾紙以便得到更多濾液。

4.分離的時(shí)間把握

使用層析液分離可以多等一段時(shí)間，讓色素分離的距離更大，更容易看到四條色素帶。

五、小結(jié)

開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，大膽探索與嘗試會(huì)帶來(lái)許多驚喜。本次實(shí)驗(yàn)收獲了例如可以不加碳酸鈣和二氧化硅、可以使用濾紙過濾等經(jīng)驗(yàn)。學(xué)無(wú)止境，教學(xué)相長(zhǎng)，希望我的實(shí)驗(yàn)課一直是生長(zhǎng)的、有生命力的。

編輯 馮志強(qiáng)