自制酸堿指示劑最佳指示效果的研究

吳云英，徐浚芯，朱玉芳，楊麗君，陳文靜

(玉溪師范學(xué)院 化學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，云南 玉溪 653100)

0 引言

酸堿指示劑是指在一定pH值范圍內(nèi)顯示一定顏色的試劑，常用的酸堿指示劑有酚酞、石蕊、甲基橙等，它們是一類結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的有機弱酸或有機弱堿，由于結(jié)構(gòu)上的變化，它們的分子和離子具有不同的顏色，因而在pH不同的溶液中呈現(xiàn)不同的顏色。

300多年前，英國年輕的科學(xué)家羅伯特·波義耳在化學(xué)實驗中偶然發(fā)現(xiàn)酸堿會使花瓣的顏色變色[1]，隨著現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展更多的酸堿指示劑被發(fā)現(xiàn)，并且在日常生活中我們會觀察到將牛奶倒入紫薯中，紫薯泥會從紫色變成藍色，清洗泡過黑枸杞的杯子時，杯子會從紫色變?yōu)樗{色，從這些現(xiàn)象中我們可以知道我們能提取這些物質(zhì)中的色素來取代酸堿指示劑在pH 1～pH 14下的變色情況。原因是在這些物質(zhì)中含有大量花青素分子并且花青素中存在分子共扼體系，在酸性、堿性和中性溶液中呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)[2]，有易溶于水、甲醇、乙醇、稀堿與稀酸等極性溶劑中的性質(zhì)。指示劑的顯色與其微觀結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)，有機物結(jié)構(gòu)中的共軛體系越大，物質(zhì)顯示的顏色越深，所以會出現(xiàn)pH不同，顏色變化的情況。本文所選原材料在日常生活中是較易獲得的植物，所得自制酸堿指示劑能粗略檢測果汁、飲品及其他日用品的pH值。

1 材料與試劑

1.1 實驗試劑與儀器

1.1.1 實驗試劑

本實驗用于色素的提取的原料包括蔬菜、花、干果類。蔬菜類：紫甘藍、紫薯；花類：杜鵑(映山紅)[3]、非洲菊；干果類：黑枸杞[4]、干桑葚。95%乙醇，蒸餾水，鹽酸，醋酸，氫氧化鈉，氨水。

1.1.2 實驗儀器

研缽，膠頭滴管，200目紗布，燒杯，白色滴瓶，點滴板，試管。

1.2 提取液的制備

1.2.1 樣品預(yù)處理

將樣品進行預(yù)處理，蔬菜類需切成小塊進行研磨，再加入溶劑浸泡30 min[5]，然后過濾；花類則需要去除花蕊[6]后直接放入研缽中搗碎后再加入溶劑浸泡，然后過濾；干果類[7]只需要直接加入溶劑浸泡后過濾即可。

植物的預(yù)處理是為了在更短的時內(nèi)能提取更多的色素，如表1所示。不同植物的處理方法不同，對于質(zhì)地較硬，并且體積也較大在處理時要將其切碎，再用溶劑浸泡，體積較小，可直接用溶劑提取色素。

表1 色素提取的方法Tab.1 Method for extracting pigment

1.2.2 不同溶劑的提取效果

按上述提取色素的方法，用幾種不同的溶劑：95%乙醇，同等體積的95%乙醇和去離子水(47.5%乙醇)，去離子水，分別提取色素制成提取液，觀察提取液的顏色，如表2所示。

表2 植物色素在不同溶劑中的溶解情況Tab.2 Dissolution of plant pigments in different solvents

同種物質(zhì)不同溶劑的提取液的顏色不同，由95%乙醇，47.5%乙醇，去離子水所提取的提取液的顏色出現(xiàn)由淺到深的變化，以去離子水作為溶劑的提取液除了紫甘藍之外，所有提取液的顏色都最深；同種溶劑對不同物質(zhì)的提取效果也不同，95%乙醇能有效提取蔬果類，花類物質(zhì)但對干果類的提取效果卻幾乎無效，去離子水能提取所有物質(zhì)的色素，但顯色效果還需進一步確認。

2 實驗部分

2.1 自制指示劑在pH 1～pH 14的條件下的顯色情況

2.1.1 pH系列溶液的配制

用1 mol/L的氫氧化鈉，1 mol/L的氨水，1 mol/L的鹽酸，1 mol/L的醋酸和蒸餾水分別配置30 mL的pH 1～pH 14的系列[8]溶液，分別裝入白色滴瓶中，并貼好標簽備用。

2.1.2 自制酸堿指示劑在pH系列溶液中的顯色情況

取白色點滴板，在點滴板上依次滴加4～5滴pH 1～pH 14的溶液，再向其中滴加1～2滴的提取液，觀察溶液顯色情況[8-9]，如表3和圖1所示。

圖1 自制指示劑在不同pH中的顯色情況圖Fig.1 Color development diagram of self-made indicator in different pH

表3 自制指示劑在不同pH中的顯色情況Tab.3 Color development of self-made indicator in different pH

選用pH 1～pH 14的溶液體積略多于提取液體積，因為pH溶液為無色所有就算無明顯的顏色變化也只會略稀釋提取液顏色，但若提取液體積多于pH溶液，則可能發(fā)生顏色改變，不能顯現(xiàn)真實顏色，比如：提取液顏色為紅色，加入某種pH液時顯色應(yīng)為藍色，當提取液顏色多于pH溶液則顏色會顯現(xiàn)為紫色，與正確顯色為藍色出現(xiàn)偏差。

由表3中的顯色情況可知，不同植物會有不同的變色范圍與顯色情況，不同的溶劑對同植物的色素提取效果不一樣，同種溶劑對不同植物的提取效果也不同，并且提取液的顏色并不是越深越好，通過pH計可測的各種提取液的pH值，原溶劑pH值為：95%乙醇為8.48，47.5%乙醇為7.64，去離子水為6.70，通過與溶劑pH對比可以發(fā)現(xiàn)全部提取液均發(fā)生pH降低的情況，并且顏色越深的提取液pH降低的越大，通過其顯色情況與原液顏色的對比可知紫甘藍、紫薯、映山紅和黑枸杞的檢測酸堿情況較好。

2.2 最佳溶劑選擇

2.2.1 提取液的保質(zhì)時間

將上述在不同溶劑中提取的提取液保存在白色小滴瓶中，定時測試它們在不同pH下的顯色情況，觀察它們在同樣的pH下顏色是否變化，從而可知各種提取液的保質(zhì)時間。

由表4可知95%乙醇、47.5%乙醇和去離子水3種溶劑所提取的提取劑保質(zhì)時間有很大的區(qū)別，其中除了非洲菊在以47.5%乙醇和去離子水作溶劑下其顯色效果不好，黑枸杞和干桑葚在以95%乙醇作溶劑下幾乎不能提取色素以外，紫甘藍，紫薯，映山紅都是以95%乙醇作為溶劑的保質(zhì)時間最長，蔬菜類的保質(zhì)時間都超過了10 d，花類也在5 d以上；干果類在47.5%乙醇和去離子水中的保質(zhì)時間差不多都非常短只有2 d。

表4 提取液在不同溶劑中的保質(zhì)時間Tab.4 Shelf life of extract in different solvents

2.2.2 自制酸堿指示劑不同時間里的顯色效果

由最佳溶劑所制的酸堿指示劑在不同的保質(zhì)時間內(nèi)，不同的pH下的顯色情況和溶液pH的變化。

由表5和圖2所示，隨著時間的流逝其提取液的顏色會逐漸變淺，并且當自制酸堿指示劑超出保質(zhì)時間后大部分的顏色與未過期時的顏色不會發(fā)生太大變化，但是會有少部分在相應(yīng)的pH范圍內(nèi)不能正確顯色或不能顯色，通過pH計測量其pH的變化可見隨著時間流逝原提取液的pH并不會發(fā)生劇烈變化。

表5 自制酸堿指示劑隨時間變化顯色情況Tab.5 Time change and color development of self-made acid-base indicator

圖2 自制酸堿指示劑隨時間變化其顯色的情況Fig.2 Color development of self-made acid-base indicator with time

2.2.3 最佳溶劑

通過以上表中數(shù)據(jù)分析物質(zhì)用不同溶劑提取的提取液在不同pH下的顯色情況，顯色情況的區(qū)分度和其保質(zhì)時間的長短選擇對于該物種來說最佳的溶劑，如表6所示。

表6 各種色素的最佳溶劑選擇Tab.6 The best solvent selection for various pigments

根據(jù)不同植物在系列pH中的顯色情況，顯色情況的區(qū)分度和保質(zhì)時期等原因選擇最佳的溶劑，分析以上數(shù)據(jù)可得紫甘藍、紫薯中在95%乙醇保存時間更長，并且在原提取液并非為無色的基礎(chǔ)上以95%乙醇作為溶劑所提取的提取液在pH為7的溶液下顯色為無色，區(qū)分度更好，并且在其他pH下的顯色度也很鮮明，所以對于紫甘藍和紫薯來說最佳溶劑的選擇應(yīng)為95%乙醇。對于映山紅分析了其各個pH下的顯色度與區(qū)分度發(fā)現(xiàn)95%和47.5%乙醇的顯色效果類似，并且二者的保質(zhì)時間相差也不大，所以95%與47.5%乙醇都可以作為最佳的溶劑選擇。非洲菊只有在95%乙醇下才有有意義的顯色，所以最佳溶劑就是95%乙醇。黑枸杞和干桑葚在95%乙醇下色素均很難有效提取，并且在pH系列下幾乎無任何顯色，而以去離子水和95%乙醇加去離子水作為溶劑的保質(zhì)時間都為兩天左右，但是以去離子水作為溶劑時有更多顏色顯現(xiàn)并且有更好區(qū)分度，所以去離子水是黑枸杞和干桑葚的最佳溶劑。

2.3 自制酸堿指示劑的應(yīng)用

選用水果：檸檬，飲品：雪碧，日用品：洗衣粉用自制酸堿指示劑測定其大概pH值。(注：為了不使實驗品的顏色影響顯色情況，所以選擇的實驗品的原液顏色基本為無色)

2.3.1 實驗品的處理

檸檬用榨汁機榨取汁后，200目紗布過濾，倒入燒杯備用；雪碧直接倒入燒杯備用；洗衣粉用水溶解后取上層清液放入燒杯中備用。

2.3.2 實驗步驟

1)用pH計測試檸檬，雪碧及洗衣粉溶液的pH值[10]。

2)在白色點滴板上用自制酸堿指示劑測試在pH 1～pH 14下的顯色，再用自制酸堿指示劑。

3)分別測定檸檬汁，雪碧及洗衣粉溶液的顏色對比前面系列pH下的顯色情況[11]，估計檸檬汁，雪碧及洗衣粉溶液的大概pH值。

由于有些自制酸堿指示劑會出現(xiàn)在不同范圍的pH值下卻有相同或相似的顏色變化，因此會出現(xiàn)在測試某些物質(zhì)pH值時，不能確定其pH的范圍，例如映山紅pH 4和pH 8的顏色十分相似，黑枸杞pH 3～pH 4和pH 7～pH 8的顏色相似。如表7和圖3所示，對比讀出實驗品大致的pH值和用pH計準確測定的實驗品pH值，除非洲菊和干桑葚對檸檬的pH值誤差較大外，其余自制酸堿指示劑的指示功能大概準確，其中指示效果最好的是紫甘藍。

表7 3種實驗樣品使用自制酸堿指示劑pH檢測情況Tab.7 pH detection of three kinds of experimental samples using self-made acid-base indicator

圖3 自制酸堿指示劑檢測實驗樣品的情況Fig.3 Testing of experimental samples with self-made acid-base indicator

3 結(jié)論

綜上所述，不同植物會有不同的變色范圍與顯色情況，不同的溶劑對同種植物的色素提取效果不一樣，同種溶劑對不同植物的提取效果也不同，95%乙醇對于蔬果類和花類都是較好的溶劑，但是干果類在95%乙醇中幾乎無色素提取，去離子水所提取的提取液的顏色是3種溶劑中最深的，但顯色效果并不是都是最好的，只有在提取干果類時去離子水才是提取效果最好并且顯色效果也是最好的，而對于蔬果類和花類并不是提取液顏色越深越好，特別是對于非洲菊來說，顏色越深顯色效果越差，對于蔬果類和花類來說95%乙醇雖然提取液顏色不是最深的但顯色效果卻是最好的。通過各類植物的在系列pH下顯色情況與原液顏色的對比可知顯色效果的好壞順序為紫甘藍、黑枸杞>紫薯>映山紅>非洲菊>干桑葚；而對于提取液的保質(zhì)時間來說，純的95%乙醇的保質(zhì)效果是最好的，其次是95%乙醇加去離子水，最差的是去離子水，所以雖然以去離子水作為溶劑提取的黑枸杞提取液的顯色效果最好，但因其保質(zhì)時間很短，大概2 d左右，分析所有提取液的顯色效果和保質(zhì)時間，效果最好的自制酸堿指示劑順序為紫甘藍>紫薯>映山紅>黑枸杞>非洲菊>干桑葚；通過用自制酸堿指示劑測定雪碧、檸檬汁及洗衣粉溶液的大致pH對比用pH計讀出的值，評估得出自制酸堿指示劑的指示劑只能粗略地指示出大致的pH范圍，其中指示效果最好的是紫甘藍。