靛藍(lán)的智勇大沖關(guān)

徐又媛，歐陽婭妮，李萬梅

杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，杭州 311121

1 第一關(guān)卡——找尋靛藍(lán)(靛藍(lán)的植物來源，板藍(lán)根的成分)

“玩家你好，歡迎來到化學(xué)樂園，您本次的任務(wù)是借助靛藍(lán)相關(guān)的化學(xué)知識(shí)完成闖關(guān)。首先，請(qǐng)進(jìn)入第一關(guān)卡。”

玩家進(jìn)入到一片百草園，按照屏幕上箭頭所指方向前進(jìn)，一位老者正在前方等待：首先請(qǐng)玩家先去尋找一株菘藍(lán)，并探索靛藍(lán)的奧秘。

玩家根據(jù)線索的指引進(jìn)行搜尋，一株菘藍(lán)兀然映入眼簾，點(diǎn)擊菘藍(lán)的根部。

NPC (Non-player character)：“板藍(lán)根屬于十字花科菘藍(lán)屬植物菘藍(lán)的干燥根，臨床長期用于發(fā)燒、感冒、流行性腮腺炎、肝炎、咽喉炎、水痘、麻疹等病癥[1,2]。它能呈現(xiàn)出顯著的治療效果，是因?yàn)槠渲械膫€(gè)別成分發(fā)揮了主要的作用?！?/p>

玩家利用系統(tǒng)提供的檢測(cè)器進(jìn)行板藍(lán)根化學(xué)成分分析。

板藍(lán)根由生物堿、含硫化合物、苯丙素、核苷、氨基酸、有機(jī)酸、酚、黃酮、蒽醌、萜、醇、醛、酮、腈、酯和糖等19類物質(zhì)組成，共有近400種化合物[3]，此時(shí)屏幕中出現(xiàn)了板藍(lán)根成分柱狀圖(圖1)。

圖1 板藍(lán)根成分柱狀圖

“哇，板藍(lán)根明明只是植物的根，里頭竟然包含了這么多東西，光是生物堿類，就能包含152種！”玩家感到格外驚訝。

NPC：“雖然板藍(lán)根蘊(yùn)含了這么多成分，但這些成分都是和睦相處的，有時(shí)候甚至?xí)R心協(xié)力，共同對(duì)抗外敵。板藍(lán)根可是集抗菌、抗病毒、抗腫瘤和抗炎作用于一身的寶貝呢[4]！”

玩家看到生物堿類那一欄正在閃動(dòng)，點(diǎn)擊生物堿類。

生物堿類中包含靛藍(lán)、靛玉紅和告依春等，其中靛藍(lán)和靛玉紅具有顯著的治療作用[5]。

“原來靛藍(lán)藏在這里啊，找到它可真是不容易！不過，治療作用？靛藍(lán)的名字一聽就讓人覺得這是一種用來涂畫的物質(zhì)，我記得……它好像是用在牛仔褲上的，沒想到它居然能和治療作用掛鉤……”玩家不禁驚訝地說道。

NPC突然出現(xiàn)：“玩家你好，恭喜你正式解鎖了靛藍(lán)線索，接下來請(qǐng)點(diǎn)擊屏幕右下角的靛藍(lán)，進(jìn)入靛藍(lán)關(guān)卡吧?！?/p>

2 第二關(guān)卡——神秘的“藍(lán)色”(靛藍(lán)的歷史發(fā)展、結(jié)構(gòu)與藥用價(jià)值)

NPC：“歡迎進(jìn)入第二關(guān)卡。在上一關(guān)卡中，我們發(fā)現(xiàn)了靛藍(lán)的治療作用，更科學(xué)地說，靛藍(lán)具有藥用價(jià)值。接下來由我來為你解答疑惑吧，含靛藍(lán)成分的植物如菘藍(lán)、蓼藍(lán)等就常被古人用于治療各種疾病[6]。古代并不像現(xiàn)代，有如此多的合成藥物，因此有時(shí)候需要去采摘這些天然植物，將其搗碎、煎煮，其中伴有靛藍(lán)入藥。靛藍(lán)的作用體現(xiàn)在良好的抗氧化、鎮(zhèn)痛和抗炎活性上[7]，臨床研究證明靛藍(lán)能防止炎癥所產(chǎn)生的不必要的相關(guān)后果，其能有效減少中性粒細(xì)胞的增殖。靛藍(lán)還可以抑制角質(zhì)，從而控制細(xì)胞的過度增殖，并且在500 μg·mL-1的濃度下觀察到最大抑制作用，沒有細(xì)胞毒性[8]。從這個(gè)角度想，或許靛藍(lán)是一個(gè)不可多得的研發(fā)護(hù)膚品的原料呢……

不僅如此，藍(lán)草的葉、根均具有藥用價(jià)值。在植物靛藍(lán)合成的過程中，一些衍生物如靛苷、靛藍(lán)、靛紅和靛玉紅等[6]，值得入藥。靛苷具有抗菌活性，并廣泛存在于植物、細(xì)菌及動(dòng)物尿液中，因靛紅分子骨架結(jié)構(gòu)特殊，其類似物具有多種抗病毒、抗腫瘤、神經(jīng)元保護(hù)等生物學(xué)活性，靛玉紅對(duì)白細(xì)胞和細(xì)胞角化具有顯著抑制作用。并且在從植物藍(lán)草提取靛藍(lán)的過程中會(huì)得到副產(chǎn)物——青黛。其中主要有效成分是靛藍(lán)和靛玉紅。青黛具有清熱解毒的功效，臨床運(yùn)用廣泛，醫(yī)學(xué)作用可見一斑[9]。”

NPC：“靛藍(lán)有如此重要的藥用價(jià)值，與其結(jié)構(gòu)息息相關(guān)?！?/p>

顯示屏上浮現(xiàn)出靛藍(lán)的相關(guān)信息：靛藍(lán)的分子式是C16H10N2O2，精確相對(duì)分子質(zhì)量為262.0742[10]，靛藍(lán)的化學(xué)式見圖2。

圖2 板藍(lán)根中靛藍(lán)的分子結(jié)構(gòu)

NPC：“請(qǐng)玩家尋找散落在地上的基團(tuán)拼圖，按照所給的圖片，將靛藍(lán)的分子結(jié)構(gòu)拼接完整?！?/p>

玩家將苯環(huán)、碳碳雙鍵、羰基、亞氨基這些基團(tuán)拼圖依次拼接起來得到了一個(gè)完整的分子結(jié)構(gòu)。

NPC：“從靛藍(lán)的名字里，我們可以得知靛藍(lán)的顏色是藍(lán)色的?！?/p>

最開始靛藍(lán)是從植物中提取出來的，來源植物相當(dāng)多。那么，這些植物中含有天然藍(lán)色色素尿藍(lán)母(圖3)，尿藍(lán)母經(jīng)過發(fā)酵轉(zhuǎn)化為靛藍(lán)[11]。通過觀察，我們能夠發(fā)現(xiàn)靛藍(lán)和尿藍(lán)母在分子結(jié)構(gòu)上具有相似性，由此可知靛藍(lán)確實(shí)是能夠通過尿藍(lán)母轉(zhuǎn)化而成。

圖3 天然藍(lán)色色素尿藍(lán)母的分子結(jié)構(gòu)

與其他相似大小的體系相比，靛藍(lán)分子結(jié)構(gòu)中的給電子-受電子基本發(fā)色體，即“H-發(fā)色體”(圖4)，決定了它的藍(lán)色顏色。其中給電子體為具有孤對(duì)電子的氮原子，而受電子體為羰基，這兩者通過碳碳雙鍵相連，從而形成交叉共軛體系，這使得靛藍(lán)具有獨(dú)特的吸光特性[12]。

所以，雖然靛藍(lán)是由C、H、N、O這幾種常見的元素組成，然而這些常見元素構(gòu)成了一種特殊結(jié)構(gòu)，使它獲得了特殊的性質(zhì)，這就會(huì)導(dǎo)致靛藍(lán)表現(xiàn)出區(qū)別于一般化合物的不同的顏色。

NPC：“通過分析靛藍(lán)的分子結(jié)構(gòu)，人們發(fā)現(xiàn)靛藍(lán)擁有如此得天獨(dú)厚的顏色，那人們顯然就會(huì)將靛藍(lán)的這種特性運(yùn)用起來，那么他們會(huì)將靛藍(lán)作為一種……”

玩家：“我知道我知道！是染料！”

NPC：“那接下來，請(qǐng)玩家做一道關(guān)于靛藍(lán)作為染料的歷史排序題吧！”

先秦荀子《勸學(xué)》有言：青，取之于藍(lán)，而青于藍(lán)。這其實(shí)是古人運(yùn)用了藍(lán)染技術(shù)。但是，《禮記·月令》中規(guī)定了“令民毋艾藍(lán)以染”，其限定只能在藍(lán)草成熟后的短暫時(shí)間內(nèi)進(jìn)行藍(lán)染，可以推斷當(dāng)時(shí)是直接將植物進(jìn)行染色的[9]。等到南北朝，沾染藝術(shù)開始發(fā)展[12]。明代，《正德瓊臺(tái)志》中提到了關(guān)于“藍(lán)草”規(guī)模種植的記載，不僅說明在當(dāng)時(shí)藍(lán)草的種植技術(shù)已經(jīng)十分成熟[6]，而且在植物染色技術(shù)上也是越發(fā)成熟。直至今日，我們?nèi)匀荒軌蛟谝恍┑胤?，例如云南、浙江等地，看到這些由植物靛藍(lán)人工染成的布匹。

3 第三關(guān)卡——小小科研家(靛藍(lán)的提取制備、其他應(yīng)用以及廢水處理)

NPC：“要運(yùn)用靛藍(lán)，勢(shì)必就要獲取靛藍(lán)。歡迎玩家來到第三關(guān)卡?！?/p>

NPC：“靛藍(lán)是具有反式對(duì)稱的雙吲哚結(jié)構(gòu)的有機(jī)物[4]。與板藍(lán)根大多數(shù)有效成分用水煮醇沉的提取方法不同，靛藍(lán)的提取應(yīng)當(dāng)采用醇回流法[5]。但為了制作成染料，是要一次性提取出大量的靛藍(lán)。由于板藍(lán)根中含有的靛藍(lán)過少，如果僅通過板藍(lán)根進(jìn)行醇回流法，這樣不僅會(huì)浪費(fèi)大量的原材料，損失板藍(lán)根中其他物質(zhì)的價(jià)值，而且成本也會(huì)提高。不過靛藍(lán)在藍(lán)草中含量較高，所以靛藍(lán)可以從藍(lán)草中提取。”

接下來由玩家給具體的制作過程排序：依次是建池、浸泡發(fā)酵、石灰處理、沉淀分離[13]。具體操作是先用大量的冷水浸泡一段時(shí)間，期間除去殘?jiān)?，加以石灰再次浸沒，進(jìn)而排水晾干[14]，最終得到靛藍(lán)。

NPC：“但這樣得到的靛藍(lán)真的就容易上色了嗎？其實(shí)不是，這其中還有一步生成靛白的過程。靛藍(lán)的染色是先將不溶性的靛藍(lán)還原成可溶性的隱色體靛白。但并不是所有的溶液都可以，靛藍(lán)一定要在堿性溶液中進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使之上染，然后將染物浸染后取出透風(fēng)氧化，再又變回靛藍(lán)附著在染物上[15]，這樣才能達(dá)到上色的效果。如果缺少了堿性溶液，靛藍(lán)的染色效果一定會(huì)大打折扣?！?/p>

玩家：“哇，沒想到僅僅是靛藍(lán)的染色居然會(huì)有這么多學(xué)問啊，要得到靛藍(lán)首先就要選用合適的原料，考慮經(jīng)濟(jì)效益；為了更好地發(fā)揮其作為染料的特性，還要考慮它在哪種介質(zhì)溶液中更好上色，實(shí)在是不容易哇！”

NPC：“沒錯(cuò)。人們對(duì)靛藍(lán)的認(rèn)知隨著科技的發(fā)展日益提高，對(duì)靛藍(lán)的提取工藝也隨著技術(shù)的進(jìn)步日益簡(jiǎn)便。然而如果只是通過植物提取靛藍(lán)來做染料實(shí)在是太不便利。一方面原材料都是植物，這就勢(shì)必要砍伐掉大量植物，破壞生態(tài)平衡；另一方面制作工藝過于原始和傳統(tǒng)，得到的植物靛藍(lán)質(zhì)量有待商榷。像人們穿的牛仔褲其實(shí)就是用靛藍(lán)染料染出來的，但我們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)有些牛仔褲在水中泡久了之后，水就會(huì)變得很藍(lán)；褲子穿久了之后，顏色也會(huì)漸漸褪去。原因之一就是采用的靛藍(lán)染料不夠出色，所以人們不斷尋找辦法，試圖研究得到性能更好的靛藍(lán)。這不僅牽涉到天然靛藍(lán)的提取，更重要的是如何高效綠色地合成制備靛藍(lán)。由于天然材料的限制導(dǎo)致合成靛藍(lán)的出現(xiàn)，目前為止，超細(xì)靛藍(lán)和液體靛藍(lán)也得以研發(fā)問世。

超細(xì)靛藍(lán)的制備是將靛藍(lán)染料壓成濾餅，加入助劑，再將其烘干，最后粉碎而成。這樣得到的超細(xì)靛藍(lán)顆粒會(huì)相對(duì)較小，增大了接觸面積，提高了擴(kuò)散能力，更具有附著性，改善了靛藍(lán)的染色效果[13]。

液體靛藍(lán)是以氫氣作為還原劑，將靛藍(lán)染料預(yù)還原成為隱色體，再直接為漿染廠使用。在這道工序中，避免了生成無機(jī)鹽，使得工廠污水中不溶性廢鹽的排放得到直接的削減，相對(duì)環(huán)保并且雜質(zhì)減少，染色更加均勻[13]。在為社會(huì)創(chuàng)造寶貴財(cái)富的同時(shí)，我們應(yīng)該減少對(duì)環(huán)境的污染?！?/p>

玩家將所掌握的知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中，合成出一代又一代優(yōu)良的靛藍(lán)……

NPC：“靛藍(lán)中有氨基和羰基，其分子內(nèi)部與分子間均易產(chǎn)生氫鍵，因此從化學(xué)還原角度來看，靛藍(lán)還原需要較強(qiáng)的還原劑[16]。采用哪種方法能夠高效、環(huán)保地優(yōu)化靛藍(lán)染色呢？A：電化學(xué)反應(yīng)；B：化學(xué)反應(yīng)。”

玩家選擇了A：電化學(xué)反應(yīng)。

NPC：“回答正確。借助電化學(xué)原理來進(jìn)行染色，采用電源提供電子的辦法還原靛藍(lán)總比直接從一些并不環(huán)保的物質(zhì)中得到電子的方法優(yōu)越，不僅清潔、環(huán)保，而且電化學(xué)反應(yīng)比普通的化學(xué)反應(yīng)催化速率快，反應(yīng)條件綠色且溫和[17]。

除了用電化學(xué)方法制備靛藍(lán)，還可以通過電化學(xué)方法降解合成靛藍(lán)所產(chǎn)生的廢水。我們?cè)谟玫逅{(lán)染完色之后，靛藍(lán)的作用效果逐漸減弱。就好比手機(jī)電池，剛買回來的時(shí)候手機(jī)耗電量慢，可是用了一段時(shí)間后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)手機(jī)充電頻率提高。同樣在靛藍(lán)的染色過程中，靛藍(lán)大量附著在被染色物上，有效成分逐漸損耗，最終失去作用。但是制備過程中產(chǎn)生的大量廢水我們不能任其隨波逐流，因此高效、環(huán)保地降解生產(chǎn)廢水至關(guān)重要。”

在處理雙池電化學(xué)靛藍(lán)廢水時(shí)，陽極降解、陰陽極同時(shí)降解都能作為處理的方法[18]。吸光度是對(duì)廢水處理結(jié)果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，吸光度越低，處理效果就越好。

“在陽極降解時(shí)，研究表明兩側(cè)電極均為不銹鋼。不銹鋼是很常見的，例如生活中的一些餐具、鍋等，就是由不銹鋼做成的，并且還可以通過提高NaCl質(zhì)量濃度或加大電壓來提升降解效果[18]。不過陰/陽極同時(shí)降解所采用的電極與陽極降解是不同的。陰/陽極同時(shí)降解時(shí)，陰極電極采用不銹鋼材料，陽極電極則采用石墨材料[18]。不同的降解辦法就需要采用不同的電極材料去提升降解能力?！?/p>

NPC：“你掌握降解靛藍(lán)污水的方法了嗎？接下來請(qǐng)給陰極降解和陽極降解做一道連線題吧……”

4 闖關(guān)成功——寶藏守衛(wèi)戰(zhàn)

接著向著箭頭的方向前進(jìn)，碩大的字出現(xiàn)在一個(gè)寶箱之前：恭喜這位玩家闖關(guān)成功！

打開寶箱：從最初的百草園一路闖關(guān)到此，我們了解到靛藍(lán)散發(fā)著的“魅力”。靛藍(lán)在天然植物中以藥材的身份發(fā)揮價(jià)值，附著在板藍(lán)根中發(fā)光發(fā)熱，但是如果單獨(dú)作為染料時(shí)，亦可以獨(dú)自美麗。明明身價(jià)不菲，卻默默無聞。靛藍(lán)之精神亦是為人處世之道所在。但其實(shí)，靛藍(lán)有著一條獨(dú)立的較為完善的發(fā)展史，它雖然歷史悠久，發(fā)展道路歷經(jīng)波折，但風(fēng)雨之后終見彩虹，現(xiàn)在靛藍(lán)已憑借著自己獨(dú)特的價(jià)值被世人所知曉。可想而知，世界上還有很多我們所不知的物質(zhì)在各個(gè)領(lǐng)域綻放著微弱卻不容小覷的光芒，等著我們?nèi)フJ(rèn)識(shí)。