秸稈紙制備及其變色實(shí)驗(yàn)的探究

高倩 王一冰 田童瑤 張穎

摘要： 以水稻秸稈為原料，經(jīng)過蒸煮和堿煮等過程制備水稻秸稈漿液，再通過抄紙、晾曬后制得古樸美觀的秸稈紙。在秸稈紙上，以紫甘藍(lán)和β環(huán)糊精進(jìn)行紙張的變色實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有源于生活、有趣味、結(jié)果直觀等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)探究過程有利于學(xué)生形成可持續(xù)發(fā)展理念，且可促進(jìn)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”等核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 秸稈紙制備; 變色實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2022）07006205

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題提出

我國《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提倡創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，開展以實(shí)驗(yàn)為主的各類探究活動(dòng)，以更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。在選修課程“化學(xué)與技術(shù)”這一學(xué)習(xí)主題下，新課標(biāo)建議教師開展以生物資源開發(fā)利用為主題的學(xué)習(xí)活動(dòng)，促使學(xué)生通過化學(xué)科學(xué)了解廢舊物資循環(huán)利用的途徑與方法，在探究過程中逐漸形成自然資源科學(xué)利用、廢舊物資再生利用的綠色可持續(xù)發(fā)展理念，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任[1]。

人教版高中化學(xué)選擇性必修3第四章“生物大分子”有關(guān)“多糖”的內(nèi)容中，介紹了纖維素的基本物理和化學(xué)性質(zhì)及其重要用途，其中，秸稈造紙尤為引人關(guān)注。如何在實(shí)驗(yàn)室制備秸稈紙？基于自制秸稈紙能開展什么樣的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)？本實(shí)驗(yàn)從秸稈紙漿的制作理解紙纖維素的結(jié)構(gòu)原理出發(fā)，到紙的制備方法的實(shí)驗(yàn)探究，再到紫甘藍(lán)pH試紙的制作、 β環(huán)糊精與酚酞的“楓葉”褪色等趣味性實(shí)驗(yàn)的開展，通過相關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，引領(lǐng)學(xué)生在科學(xué)探究的實(shí)踐活動(dòng)中提升創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力。

2 設(shè)計(jì)思路

我國農(nóng)業(yè)資源非常豐富，秸稈是一種用途多樣的可再生資源，具有可用作有機(jī)肥、生物板及秸稈發(fā)酵氣等多種用途[2]。以往大量秸稈處理的主要途徑是焚燒，焚燒過程不僅造成資源浪費(fèi)，還會(huì)加重空氣污染，是造成霧霾天氣的原因之一[3]。值得注意的是，秸稈富含纖維素，是天然的造紙?jiān)?。工業(yè)上常采用氧堿蒸煮的方式制造秸稈紙[4]，但實(shí)驗(yàn)室不能直接生搬硬套工業(yè)造紙流程，故本實(shí)驗(yàn)以秸稈為原料，受古法造紙工藝的啟發(fā)，探究適合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的秸稈紙制作的適宜條件，以便資源再利用，踐行可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保理念?？偠灾?，秸稈紙制備實(shí)驗(yàn)的原料便宜易得，實(shí)驗(yàn)過程操作簡(jiǎn)便，安全系數(shù)很高。

在秸稈紙上開展紙張趣味變色實(shí)驗(yàn)，變色反應(yīng)現(xiàn)象直觀，且反應(yīng)過程中的顏色變化可用于物質(zhì)的鑒定和反應(yīng)進(jìn)程的判斷等[5]。變色反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)靈活且有所創(chuàng)新，其反應(yīng)原理是酸堿指示劑的顏色變化，反應(yīng)現(xiàn)象明顯，反應(yīng)原理明確，表現(xiàn)形式豐富有趣，可操作性強(qiáng)，讓學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程中探究顏色變化的化學(xué)原理。

3 秸稈紙制備實(shí)驗(yàn)

3.1 稻草秸稈造紙?jiān)?/p>

稻草秸稈中含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、多戊糖、灰分及SiO2等多種成分，其中，纖維素和半纖維素（二者總稱為綜纖維素）的含量超過2/3[6]。纖維素是由βD吡喃葡萄糖以β1，4糖苷鍵連接組成的高分子化合物（見圖1），纖維素中的每個(gè)葡萄糖單元都有三個(gè)羥基，可形成多個(gè)分子內(nèi)及分子間氫鍵。鏈狀纖維束纏繞在一起形成纖絲，由此構(gòu)成紙的主體[7，8]。

3.2 實(shí)驗(yàn)試劑、材料與儀器

秸稈纖維（網(wǎng)上購買）、可溶性淀粉、氫氧化鈉、蒸餾水;pH試紙、1000mL燒杯（1個(gè)）、抄紙框（18cm×15cm）;JYZD57型號(hào)榨汁機(jī)、DF101S智能集熱式恒溫磁力攪拌器、1010AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子天平、臺(tái)式掃描電子顯微鏡

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.3.1 秸稈漿的制備

蒸煮： 稱取10.0g秸稈纖維于1000mL燒杯內(nèi)，加入500mL蒸餾水，置于集熱式恒溫磁力攪拌器加熱套中，在80℃條件下蒸煮40min。自然冷卻，用蒸餾水洗滌過濾。

堿煮： 將500mL氫氧化鈉水溶液（濃度為0.075mol·L-1）加入到蒸煮后的秸稈纖維中，混合攪拌，80℃恒溫水浴煮10h（杯口用保鮮膜包裹，中間留攪拌口）。然后用細(xì)紗布過濾，并用蒸餾水多次洗滌，收集秸稈纖維，用pH試紙檢驗(yàn)洗滌液呈中性即可。

打漿： 將上述處理后的秸稈纖維加入榨汁機(jī)中（帶水粉碎），并加入5.0g水溶性淀粉，打漿2min，制得秸稈漿。

3.3.2 原色水稻秸稈紙的制作

將秸稈漿倒入盛有約2000mL水的盆中，攪拌均勻后用抄紙框抄紙。將紙放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥（恒溫35℃），得到原色水稻秸稈紙。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.4.1 秸稈紙制備

在秸稈紙制備過程中，堿液濃度、加熱時(shí)長、秸稈打漿度等因素對(duì)紙的制備具有重要的影響。

堿濃度的影響： 制備秸稈紙需要添加一定濃度的堿，堿可以溶解秸稈中的木質(zhì)素大分子，削弱秸稈中纖維素和半纖維素之間的氫鍵，皂化半纖維素和木質(zhì)素之間的酯基[10]。

加熱時(shí)間的影響： 秸稈堿液在加熱過程中會(huì)散發(fā)出青草香味，隨著加熱時(shí)間延長，秸稈堿液會(huì)逐漸由透明狀變?yōu)辄S土色，再變?yōu)榻雇辽?，最終變?yōu)楹诤稚?，這種黑色的液體是造紙過程中產(chǎn)生的主要污染物，被稱為“黑液”，需妥善回收處理。觀察發(fā)現(xiàn)，加熱時(shí)長超過10h時(shí)，制得的秸稈紙表面較為平滑。

秸稈打漿度的影響： 本實(shí)驗(yàn)選用榨汁機(jī)對(duì)秸稈進(jìn)行打漿，打漿1min后，可觀察到較為細(xì)滑的淡黃色秸稈漿液。經(jīng)抄紙框抄紙并經(jīng)干燥處理后，得到呈淺黃色的原色水稻秸稈紙，表面雖較為粗糙，但紙張質(zhì)樸美觀。

3.4.2 秸稈紙的微觀表面形貌

利用臺(tái)式掃描電子顯微鏡觀察所制備的秸稈紙表面形貌（見圖2），可以清晰地看出秸稈紙是由細(xì)長的纖維交織纏繞形成，纖維之間有部分不規(guī)則的圓球狀淀粉顆粒物，可溶性淀粉的加入可以增加纖維的粘結(jié)力。

4 秸稈紙變色實(shí)驗(yàn)兩則

4.1 趣味實(shí)驗(yàn)1： 紫甘藍(lán)pH試紙

花青素是無毒的水溶性色素，水果、蔬菜中的主要顯色物質(zhì)大多與之相關(guān)?；ㄇ嗨氐闹饕肿咏Y(jié)構(gòu)為2苯基苯并吡喃陽離子，具有C6C3C6骨架（圖3）。不同類型的花青素，其取代基不同，例如，紫甘藍(lán)中主要的花青素分子結(jié)構(gòu)為2（3′，4′羥基）苯基苯并吡喃陽離子（見圖3）[11]。酸性條件下，紫甘藍(lán)色素吸收藍(lán)紫色光，因而顯粉紅色;堿性條件下，紫甘藍(lán)色素經(jīng)過電子共振形成共軛的羰基結(jié)構(gòu)，羰基的吸收光譜紅移，此時(shí)該基團(tuán)吸收橙紅色光，因而顯黃綠色[12]。不同pH條件下，紫甘藍(lán)色素呈現(xiàn)不同的顏色[13]。

4.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

提取紫甘藍(lán)中花青素的方法很多[14，15]，本實(shí)驗(yàn)的方法為：

制備紫甘藍(lán)花青素溶液： 稱取15g紫甘藍(lán)碎葉，加水60mL，置于榨汁機(jī)中榨汁2min;再轉(zhuǎn)入100mL燒杯中，用保鮮膜包裹燒杯口后放入恒溫干燥箱中（35℃）恒溫30min，過濾并收集紫甘藍(lán)提取液。

制作并應(yīng)用紫甘藍(lán)pH試紙： 將秸稈紙（3cm×3cm）浸泡于紫甘藍(lán)提取液中，10s后取出，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中（恒溫35℃）干燥。重復(fù)浸泡干燥步驟（至少三次），制得紫甘藍(lán)pH試紙。用紫甘藍(lán)pH試紙分別檢測(cè)檸檬汁（鮮檸檬榨?。┖吞瓭n洗衣粉溶液（0.2g·mL-1）的酸堿度。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)提取的紫甘藍(lán)花青素溶液的pH約5～6，呈藍(lán)紫色，當(dāng)敞口放置時(shí)，空氣中的二氧化碳會(huì)溶于其中，使溶液酸性增強(qiáng)，顏色逐漸由藍(lán)紫色變?yōu)榉奂t色。故建議用新鮮制備的紫甘藍(lán)花青素溶液展開實(shí)驗(yàn)，否則需密封并置于陰涼處保存。

用秸稈紙制作的紫甘藍(lán)pH試紙（試紙呈灰紫色），粗測(cè)檸檬汁和汰漬洗衣粉溶液的酸堿度。新鮮檸檬汁浸泡紫甘藍(lán)pH試紙后，秸稈紙呈粉紅色;汰漬洗衣粉溶液浸泡紫甘藍(lán)pH試紙后，秸稈紙呈綠色。利用普通的商品化pH試紙分別復(fù)測(cè)檸檬汁和汰漬洗衣粉溶液的酸堿度，所測(cè)檸檬汁的pH約為3～4，汰漬液的pH約10～11。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的秸稈紫甘藍(lán)試紙具有普通pH試紙的功能。

4.2 趣味實(shí)驗(yàn)2： β環(huán)糊精與酚酞的“楓葉”褪色實(shí)驗(yàn)

環(huán)糊精是由αD吡喃葡萄糖以α1，4糖苷鍵連接形成的環(huán)狀化合物分子，其中最常見的是分別含有6、 7、 8個(gè)葡萄糖單元的α、 β和γ環(huán)糊精。β環(huán)糊精的工業(yè)生產(chǎn)成本較低，應(yīng)用范圍較廣，是目前使用最多的環(huán)糊精產(chǎn)品[16]。β環(huán)糊精（βCD）是由7個(gè)葡萄糖分子連接組成的環(huán)狀化合物，分子式為C42H70O35，分子結(jié)構(gòu)如圖4所示。βCD中每個(gè)葡萄糖單元都含有3個(gè)羥基（—OH），其中兩個(gè)仲羥基向外伸展形成大口端，另一個(gè)伯羥基向另一側(cè)伸展形成小口端，羥基的伸展方向決定了βCD的外壁具有親水性，內(nèi)側(cè)由疏水碳鏈形成，因此其內(nèi)側(cè)空腔具有疏水性[17]。βCD最重要的化學(xué)性質(zhì)之一是通過包合作用將不易溶于水的物質(zhì)包合于疏水空腔內(nèi)部，形成穩(wěn)定的包合物，目前已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品加工業(yè)、日用化工和農(nóng)業(yè)等重要領(lǐng)域[18]。

酚酞是一種典型的酸堿指示劑，分子結(jié)構(gòu)式為C20H14O4，幾乎不溶于水，易溶于乙醇等有機(jī)溶劑。酚酞試劑在酸性和中性條件下均無色，堿性條件下呈紅色，其酸堿平衡反應(yīng)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)利用酚酞在堿性條件下變紅，在形成βCD酚酞包合物后紅色褪去的現(xiàn)象展開相關(guān)變色實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

4.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

在秸稈紙上用鉛筆繪出楓葉畫，棉簽蘸取1mol·L-1氫氧化鈉溶液在楓葉區(qū)域內(nèi)刷涂，自然晾干;再用棉簽蘸取0.1%的酚酞試劑刷涂楓葉區(qū)域，自然晾干;最后用棉簽蘸取飽和βCD溶液刷涂楓葉區(qū)域，自然晾干。觀察楓葉區(qū)域的顏色變化。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果討論

秸稈紙上繪制的“楓葉”區(qū)域的紅色酚酞褪色實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化顯著。用氫氧化鈉溶液刷涂楓葉區(qū)域，再刷涂酚酞試劑，楓葉區(qū)域變成深紅色;當(dāng)蘸取飽和βCD溶液刷涂秸稈紙的“紅楓葉”區(qū)域時(shí)，“紅楓葉”顏色會(huì)逐漸褪去。

秸稈紙繪畫區(qū)域酚酞褪色的原因是不溶于水的酚酞分子易于進(jìn)入βCD的疏水空腔內(nèi)部，從而

脫離了堿性環(huán)境，

形成無色的包合物分子（包合物的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示）[19]。此外，可利用生活中常見的蘇打來提供堿性環(huán)境。藝術(shù)創(chuàng)作不局限于楓葉畫，發(fā)揮創(chuàng)造力，寓教于樂是本實(shí)驗(yàn)的宗旨。

5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與反思

實(shí)驗(yàn)從“纖維素應(yīng)用”內(nèi)容出發(fā)，利用秸稈為原料進(jìn)行秸稈紙的實(shí)驗(yàn)室制備，同時(shí)基于實(shí)驗(yàn)趣味性及啟迪性考慮，進(jìn)一步開展秸稈紙變色反應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)活動(dòng)總結(jié)如下：

5.1 化學(xué)實(shí)驗(yàn)與新問題、新情境結(jié)合，體現(xiàn)探究過程的重要地位

教育部新課標(biāo)倡導(dǎo)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，積極開展實(shí)驗(yàn)為主的化學(xué)探究活動(dòng)。例如： 如何從工業(yè)造紙流程、古法造紙方法中得到啟發(fā)從而在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)秸稈紙？科學(xué)利用農(nóng)業(yè)秸稈，結(jié)合課程所學(xué)化學(xué)知識(shí)和原理，在實(shí)驗(yàn)探究過程中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

5.2 趣味實(shí)驗(yàn)與思想啟迪結(jié)合，激發(fā)探究式學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力

實(shí)驗(yàn)研究是化學(xué)學(xué)科最核心、最鮮明的特色，趣味實(shí)驗(yàn)可以更有效地激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高學(xué)生探究學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力。本實(shí)驗(yàn)以廢棄的農(nóng)業(yè)秸稈為原料制備秸稈紙，注意實(shí)驗(yàn)材料的生活化取材，讓學(xué)生親身體驗(yàn)造紙實(shí)驗(yàn)，從而激發(fā)探究學(xué)習(xí)的興趣。此外，秸稈紙的變色實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含著豐富的化學(xué)原理，更具趣味性和直觀性。通過稻草秸稈變廢為寶的實(shí)驗(yàn)研究，引發(fā)學(xué)生對(duì)社會(huì)問題的關(guān)注，能進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任感。

5.3 科學(xué)實(shí)驗(yàn)與真實(shí)情境結(jié)合，彰顯化學(xué)科學(xué)的實(shí)踐價(jià)值

紙是生活中隨處可見的物品，造紙實(shí)驗(yàn)的過程讓學(xué)生進(jìn)一步感受科技改變生活的魅力。紫甘藍(lán)pH試紙的變色實(shí)驗(yàn)，既能學(xué)習(xí)紫甘藍(lán)在不同酸堿性條件下的變色原理，又能利用紫甘藍(lán)制作pH試紙檢測(cè)生活中常用物品的酸堿性。另外，βCD是生活中常用的食品添加劑和醫(yī)藥輔料，通過βCD和酚酞的主客體相互作用引起的顏色變化，可以直觀地感受“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的化學(xué)觀念。

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