明礬的穿越奇旅

金羽涵 ，郭今心

1山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，濟(jì)南250012

2 山東大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，濟(jì)南250100

大家好！我是明礬。早餐時(shí)間要到了，我的主人——一位化學(xué)家老爺爺正在廚房里調(diào)配面糊，他準(zhǔn)備為小孫女聰聰炸油條。老爺爺把盛有我的小罐子從柜里取出來，舀出少量明礬溶解在清水里，加入面粉和其他配料，揉出了一個(gè)光滑的面團(tuán)。一旁的聰聰手指著躺在小罐子里的我，問道：“爺爺，您往面團(tuán)里加了冰糖嗎？”

“我才不是冰糖呢!”我大叫道，把爺孫倆嚇了一跳，“我是明礬，又叫白礬，化學(xué)名稱是十二水硫酸鋁鉀[KAl(SO4)2·12H2O]?！崩蠣敔斝χf：“明礬長(zhǎng)得有點(diǎn)像冰糖，是無色透明、味道酸澀的晶體，一種含有結(jié)晶水的硫酸鉀和硫酸鋁的復(fù)鹽?！?/p>

聰聰臉紅了，小聲對(duì)我說：“不好意思，我還從來不認(rèn)識(shí)你呢，也不知道你能用來炸油條。”

老爺爺把揉好的面團(tuán)拉成許多長(zhǎng)條，炸至金黃酥脆。油條出鍋后，聰聰迫不及待地品嘗起來：“真香?。敔?，油條里為什么有這么多孔呢？”

“做油條時(shí)，要把明礬、食堿(碳酸鈉)、食鹽等加入面粉里揉成面團(tuán)，明礬和碳酸鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w和氫氧化鋁(圖1)，面和氫氧化鋁形成的薄膜裹住氣體，油炸時(shí)氣體遇熱膨脹，就形成了油條里的孔，”老爺爺補(bǔ)充道，“咱們平時(shí)吃的涼拌海蜇里也有明礬呢。古代傍海而居的勞動(dòng)人民早已發(fā)現(xiàn)新鮮海蜇雖然鮮美，卻不能立即食用，這是因?yàn)樾迈r海蜇的刺絲囊內(nèi)含有毒液，被蜇傷者皮膚傷處可能出現(xiàn)條帶狀紅斑，甚至全身出現(xiàn)強(qiáng)烈的過敏反應(yīng)。鮮海蜇需要通過明礬和食鹽腌制脫去其中的水和毒性粘蛋白，直到呈現(xiàn)淺紅或淺黃色，才可食用[1]?！?/p>

圖1 明礬與碳酸鈉的反應(yīng)

我驚嘆道：“老爺爺，您真是太了解我了！”

“你的應(yīng)用遠(yuǎn)比我說的廣泛！”老爺爺對(duì)我說。聰聰吃飽了，纏著爺爺再多講幾個(gè)明礬的用處。老爺爺把盛著我的小罐子塞進(jìn)口袋，從書房里取出一本紙頁泛黃的古書，打開第一頁，神秘地說：“閉上眼睛，讓歷史書帶咱們穿越回古代，去看看古人是怎么利用明礬的……”

1 畫家好幫手

第一站，我們潛入了南唐的宮廷畫院。畫桌前，畫家顧閎中正在繪制著名的《韓熙載夜宴圖》(圖2)。他用狼毫小筆細(xì)細(xì)勾勒出人物的輪廓，再用其他色彩小心填涂，把人物的一顰一笑和著裝的細(xì)節(jié)都描繪得栩栩如生。

圖2 韓熙載夜宴圖(局部)

聰聰注意到，畫家用的宣紙有些特別。畫家告訴聰聰，他用的是熟宣紙。工筆畫注重細(xì)節(jié)，要求紙張不易滲水，色塊不易大面積暈染，而只有熟宣紙才能滿足上述要求。

我小聲告訴爺孫倆：“傳統(tǒng)的手工制作熟宣紙的方法是將明礬與骨膠按一定比例混合，將混合液均勻刷在生宣紙上，使生紙變成熟紙。由于我與紙纖維緊密結(jié)合，填充了紙張?jiān)械奈⑿】紫?，水就不易浸?rùn)紙張，同時(shí)也提高了紙張的光澤度和強(qiáng)度[2]。此外骨膠也可以增加紙的韌性?！?/p>

“這是什么呀？”當(dāng)他們走進(jìn)畫院的另一個(gè)房間，聰聰指著桌子上的一桶乳白色膠狀液體問爺爺?！斑@是裱畫用的漿糊呀，”爺爺微笑著回答，“作品完成后，畫師需要把畫作交給裝裱師。書畫界有‘三分畫七分裱’一說，裱畫是否成功主要取決于漿糊(裝裱用的粘合劑)的質(zhì)量，它的制作方法還是比較復(fù)雜的：花椒熬湯取汁放冷，將白面輕輕撒上，使其慢慢下沉，次日清晨攪勻。濾去原來的花椒汁，加入白礬用新水調(diào)和攪勻至不結(jié)塊，小火加熱凝固，再加入花椒汁，煮至成黏性強(qiáng)的漿糊?！?/p>

聰聰疑惑地看看爺爺：“漿糊里為什么要加入明礬呢？”還沒等老爺爺開口，我就搶著說：“因?yàn)槲宜庑纬蓺溲趸X膠體后，可促進(jìn)漿糊里的淀粉沉淀，避免接縫開裂，還具有干燥吸濕、防腐抗菌等作用[3]，讓畫作‘容顏永駐’。”

“沒錯(cuò)，”老爺爺點(diǎn)點(diǎn)頭，停頓了一下，“另外，花椒果實(shí)中含有香茅醛(圖3)、水芹烯(圖4)，它們的強(qiáng)烈辛辣氣味也能驅(qū)趕蠹蟲[4]。”

圖3 香茅醛的分子結(jié)構(gòu)

圖4 水芹烯的分子結(jié)構(gòu)

2 凈水小能手

第二站，我們穿越到宋代的一座小村莊。這里的空氣清新而濕潤(rùn)，村邊的小溪漲滿了渾濁的水，幾個(gè)村民正在用木桶擔(dān)水。

聰聰走到他們身邊，好奇地問道：“鄉(xiāng)親們，河水這么渾濁，怎么用來洗衣做飯呢？”

一個(gè)小伙子放下扁擔(dān)說：“平日里，這是一條小清河，家家戶戶從河里汲水煮茶、洗衣、做飯，只是今天雨水把溪水?dāng)嚋喠?。不過，沒關(guān)系，我們擔(dān)水回家，把水倒進(jìn)水缸里以后，只要投進(jìn)去一塊明礬。片刻之后，原本渾濁的水就變得清澈見底了?！?/p>

“原來明礬是凈水小能手啊！”聰聰贊嘆道。

老爺爺點(diǎn)點(diǎn)頭：“宋朝趙希鵠在《調(diào)燮類編》里寫道‘井水沸起者勿食，屋漏勿食，濁水未經(jīng)杏仁泥或明礬渟清者勿食’[5]，這說明在宋代甚至宋代以前，明礬已經(jīng)被用于家庭凈水了。明礬之所以成為凈水小能手，是因?yàn)樗芩馍蓺溲趸X(圖5)，氫氧化鋁膠粒帶正電荷，對(duì)水中帶負(fù)電荷的雜質(zhì)有很強(qiáng)的吸附能力，原本分散在水里的雜質(zhì)紛紛聚在膠粒身邊形成大顆粒，最后沉入水底?！?/p>

圖5 氫氧化鋁的生成反應(yīng)

我得意地告訴爺孫倆：“我不僅在家庭中被派上了大用場(chǎng)，還早早被應(yīng)用于工業(yè)凈水。1883年，上海楊樹浦水廠用硫酸鋁做凈水藥劑，1935年《東方雜志(第19期)》中由朱順麟拍攝的一座精美的礬亭(圖6)證明了我在近代水廠的廣泛應(yīng)用。安全潔凈的自來水經(jīng)過我的處理進(jìn)入千家萬戶，極大地改善了人們的生活[6]?！?/p>

圖6 礬亭(朱順麟攝)

3 神奇媒染劑

雨過天晴，陽光照耀下，村里一簇簇朱紅的鳳仙花更鮮艷了?；▍怖飩鱽硪粚?duì)母女的聲音：“娘，給我染指甲嘛?！薄昂煤煤?，回家就搗花泥給你染指甲。”

聰聰循著聲音跑到母女身邊，問：“請(qǐng)問這種花可以用來染指甲嗎？”

正在采摘花瓣的母親回頭望向聰聰，回答道：“是呀！”

“太好了，我也要染指甲！”聰聰邊說邊摘下花瓣，揉碎了，在指甲上反復(fù)涂抹。

“小姑娘，這樣不行的，”女孩的媽媽笑著告訴聰聰，“鳳仙花瓣需要加入明礬搗成紅泥，再敷在指甲上，用花葉裹好，一天后取下，指甲才能變成漂亮的紅色。”

一旁手挎花籃的女兒發(fā)現(xiàn)聰聰一臉不解的表情，急忙補(bǔ)充道：“直接用鳳仙花泥染色，很容易褪色，只有加入明礬，指甲上的紅色才能保持得更久?！?/p>

聰聰自言自語道：“原來古代的‘指甲油’含有明礬呀！”

我告訴她，我能讓指甲上的紅色更鮮艷持久，是因?yàn)轼P仙花瓣中的色素分子與我含有的鋁離子絡(luò)合后變得更穩(wěn)定。

老爺爺帶我們走進(jìn)一家染坊，這里晾曬著五顏六色的布匹。那么，明礬對(duì)印染有什么幫助呢？老爺爺說：“古人用植物中提取的天然色素染布，但有的色素和布料的親和度不強(qiáng)，需要以媒染劑作為載體，才能緊緊附著在織物上。例如，從蘇木的樹干中心提取的色素——蘇木素一直被用作天然染色劑。蘇木素被氧化后，擁有高度共軛的醌式結(jié)構(gòu)(圖7)。在蘇木素染液中，蘇木素提供孤對(duì)電子，媒染劑明礬電離出的鋁離子提供空軌道，形成配合物或螯合物[7]。明礬能顯著改善蘇木素的染色效果，而且，蘇木素在不同的媒染劑如二氧化鐵、氧化鉻作用下會(huì)變換不同的顏色?！?/p>

圖7 蘇木素的氧化

4 治病老專家

下一站，我們前去拜訪明代的名醫(yī)李時(shí)珍。他在著作《本草綱目》中記載我有4種作用：首先，因?yàn)槲椅兜浪峥啵谢夥e痰的功效；第二，我有收斂之力，能治療淤血疼痛、直腸脫垂、陰挺等疾病[8]；第三，我可以調(diào)理脾、肺、腎功能；第四，外用我可以解毒殺蟲、燥濕止癢[9]。

“你的功效可真不少！”聰聰不禁夸獎(jiǎng)我。

“嘿嘿，除了親自上陣治療人們的疾病，我也樂于幫助其他中藥減輕它們的毒副作用，”我害羞地笑笑，“比如我的好朋友半夏，它的干燥塊莖具有去濕化痰、治療嘔吐等功效，但未經(jīng)處理的半夏毒性較大，誤服會(huì)出現(xiàn)粘膜及皮膚刺激，口舌腫脹，呼吸緩慢甚至窒息死亡。我能幫助它降低毒性，發(fā)揮它的最大功效，揚(yáng)長(zhǎng)避短?！?/p>

老爺爺解釋道：“現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，明礬能夠降低半夏毒性的主要原因是：一定濃度下，白礬溶液中的鋁離子可以與組成毒針晶的草酸鈣中的草酸根絡(luò)合(圖8)，使其分解破壞；同時(shí)，白礬溶液呈弱酸性，可以使毒針晶中的凝集素蛋白水解乃至溶解[10]?！?/p>

圖8 鋁離子與草酸鈣的反應(yīng)方程式

5 建筑美容師

最后一站，我們來到了清代紫禁城的修繕現(xiàn)場(chǎng)。我告訴爺孫倆：“能工巧匠在修筑北京故宮的過程中用到了我，增強(qiáng)了建筑的穩(wěn)定性和耐久性[11]?！?/p>

這時(shí)，一位主管官員向我們走來，指向身后的臺(tái)基介紹說：“紫禁城建筑的臺(tái)基、欄板等的建造方法可以概括為石材鋪墁、白礬溜縫(圖9)?！豆こ套龇ā芬?guī)定石材寬一尺長(zhǎng)一丈，接縫處用的灰漿的配比為生石灰六十斤、糯米三合、白礬六兩[11]。”

圖9 紫禁城古建筑的臺(tái)基、欄板和望柱

老爺爺說：“咱們家裝修時(shí)，請(qǐng)工人在地面、墻面的瓷磚縫里涂了美縫劑，而明礬就像古代建筑中的‘美縫劑’，使石材緊密粘合，密不透風(fēng)，不僅使建筑物更加穩(wěn)固防水，還使之更加整齊美觀，就像美容師一樣，為建筑物美顏……”

6 我的利與弊

話音未落，一道強(qiáng)光閃過老爺爺和聰聰?shù)难劬?。老爺爺揉揉眼，眼前是家里那張熟悉的餐桌，桌上盤子里還躺著早餐剩下的幾根油條，古書的最后一頁剛剛合上。“爺爺，咱們從歷史書里出來，回到家了！”聰聰喊道，“多奇妙的穿越之旅啊！咱們的祖先真是充滿了智慧，讓明礬在生活里的方方面面施展才華?！?/p>

“是啊，隨著化學(xué)學(xué)科的飛速發(fā)展，明礬也在滅火、科研等領(lǐng)域大顯身手，”老爺爺輕輕地把我從口袋里取出來，“首先，泡沫滅火器內(nèi)盛有約1 mol·L?1的明礬溶液和約1 mol·L?1的碳酸氫鈉(小蘇打)溶液，其中明礬是過量的，這是為了使滅火器內(nèi)的小蘇打充分反應(yīng)，釋放出足量的二氧化碳，以達(dá)到滅火的目的(圖10)。另外，明礬在實(shí)驗(yàn)室中為染色劑做助手。顯微鏡下，為了便于觀察生物組織微細(xì)結(jié)構(gòu)，有時(shí)需要染色。常用的Harris氏鋁蘇木素溶液就是由蘇木素、明礬以及無水乙醇等物質(zhì)按一定比例配制而成。明礬作為媒染劑，與蘇木素一起形成不溶的藍(lán)色復(fù)合物，把細(xì)胞中的酸性物質(zhì)(如核酸、酸性酶類)染成淺藍(lán)色?！?/p>

圖10 明礬與小蘇打的反應(yīng)

我不好意思地?fù)蠐项^，輕聲說道：“謝謝你們的夸獎(jiǎng)，我雖然有許多閃光點(diǎn)，但也有‘不光彩’的一面。我曾被大量用于食品添加劑(如含鋁泡打粉)中，可是我含有的鋁會(huì)使人記憶力減退，抑制免疫功能，阻礙神經(jīng)傳導(dǎo)，影響骨骼和神經(jīng)系統(tǒng)的健康，而且鋁從人體內(nèi)排出速度很慢。也有研究指出鋁與老年性癡呆癥有密切關(guān)系[12]。因此，為了健康，大家應(yīng)該少吃含鋁的食物??！”

聰聰望望桌上的油條，吃驚地張大嘴巴說：“啊？不會(huì)吧——”

“別擔(dān)心，別擔(dān)心！”我急忙安慰她：“在規(guī)定范圍內(nèi)少量食用我對(duì)身體沒有危害，我在消化道內(nèi)生成的氫氧化鋁還可以中和胃酸(主要成分為HCl)，保護(hù)胃黏膜呢！”

老爺爺查閱了相關(guān)資料，得知世界衛(wèi)生組織于1989年正式將鋁確定為食品污染物，國(guó)際上要求面制食品中鋁含量必須控制在100 mg·kg?1以下[13]?！八?，我們要在食物中嚴(yán)格控制明礬的使用。以后再給聰聰炸油條時(shí)，我要用無鋁泡打粉代替明礬啦！”

回顧這次奇妙的穿越之旅，我收獲了豐富的化學(xué)知識(shí)，也信心倍增，從小姑娘聰聰眼中的“小透明”變成了她心目中的“全能選手”。

最后，開誠(chéng)布公地說，雖然我給大家的生活帶來了諸多的便利——傳統(tǒng)食品里有我的影子；工業(yè)凈水離不開我；堅(jiān)固的建筑、古樸的書畫里隱藏著我；中藥鋪和傳統(tǒng)染坊也需要我……但是，請(qǐng)大家也一定要注意防范我對(duì)人們健康的危害。這樣，我才能永遠(yuǎn)維持自己的正面形象，為人類服務(wù)。我叫明礬，請(qǐng)大家記住我！