植物顏色“大師”

劉欣曄 蔣鄲驥

摘要：紫薯是生活中的常見食材，從紫薯中提取的紫薯色素富含易溶于水的花青素，其顏色隨溶液pH變化而變化;酸性Na2SO3水溶液能有效地使紫薯色素褪色，并且通過調節溶液的pH可以使該褪色過程“可逆”地進行;用紫外可見光譜比較系統地分析了紫薯色素在不同pH以及Na2SO3褪色前后分子結構的變化特征;據此，設計了有趣且有明顯顏色變化的小實驗，并將中學階段涉及到的“酸堿指示劑”、“SO2的漂白作用”、“化學平衡移動”、“鹽的水解”和“肥皂去污”等化學知識滲透其中，邊玩邊學，有效提升師生科學素養。

關鍵詞：紫薯色素;花青素;pH指示劑;“可逆”褪色;“化學”密信

文章編號：1008-0546（2018）12-0082-04中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.027

花青素是廣泛存在于花朵和果實、能夠賦予花朵和果實以豐富顏色的多種天然化合物的統稱。從化學角度看，花青素屬于類黃酮類物質，它們的分子結構中都具有圖1所示的“C6-C3-C6三環”結構 [1，2]。自然界中的花青素超過300種，廣泛分布于接骨木紅、越橘、紫甘薯、藍莓、葡萄、黑加侖、紫胡蘿卜和紫甘藍等果蔬中。植物中的花青素是混合物，種類各異和多種成份組合，從而表現出豐富的色彩，因此，花青素是自然界植物的顏色“大師”。紫薯花青素的主要成分是矢車菊素、芍藥素及少量天竺葵素的3-O-糖基化合物。天然花青素大多在水和乙醇中具有良好的溶解性，尚沒有發現其有明顯的毒副作用，因此，作為天然色素被廣泛應用于飲料、糖果、果醬等食品中 [3];有研究表明，花青素還具有良好的抗氧化性質，在生物體內，花青素具有抗自由基、抑制癌細胞等重要的生理活性和功能? [4]。

化學，是以實驗為基礎的自然科學。豐富有趣的化學實驗，不僅有助于激發學生學習化學的興趣，而且有助于學生練習和掌握化學實驗操作技能，從而有效提升師生科學素養?；谧鲜砘ㄇ嗨刎S富的顏色變化，我們設計了一些有趣且伴有顏色變化的小實驗，以幫助中學生學習和理解“酸堿指示劑”、“SO2的漂白作用”、“化學平衡移動”、“鹽的水解”和“肥皂去污”等知識點 [5]。

一、實驗設計

1.實驗試劑與儀器

紫薯色素（食品級），湖北紫鑫生物科技有限公司;鹽酸、NaOH、十四酸、CCl4、石油醚、Na2SO3和氨水，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司;TU-1950紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限公司;ZF-7A紫外檢測燈，上海寶山顧村電光儀器廠;PHS-3C雷磁pH計，上海儀電科學儀器有限公司。

2.實驗方法

去離子水配制0.5%和1%紫甘薯色素溶液;分別用鹽酸和NaOH配制pH為1～13的水溶液，各取5mL不同pH的水溶液，滴加0.5%紫薯色素溶液0.1mL并用pH計檢測和調節溶液pH，觀察顏色隨pH的變化并測定紫外可見光譜;配制0.5%的Na2SO3水溶液并將其pH調為3;用棉簽蘸取1%紫薯色素在濾紙上書寫“化學”密信。

3.實驗結果與討論

（1）紫薯色素顏色的pH效應

早在1996年，紫甘藍色素用作pH指示劑就有文獻報導。在pH 6.8～7.8時，天然紫甘藍色素由紫紅變綠;在pH約7.5時，紫甘藍色素呈藍色，相當于一種混合pH指示劑 [6]。紫甘藍色素屬于花青素，而紫薯色素也屬于花青素，因此，紫薯色素的顏色也應當隨pH改變而改變。圖2是不同pH紫薯色素水溶液的照片，可見在不同pH條件下，紫薯色素水溶液的顏色呈現多種色彩。pH為1～4時，紫薯色素溶液呈洋紅色，pH為5～7洋紅色逐漸變淺，pH為8～10變成淡紫藍色，pH為11呈藍色，pH為12時呈藍黃色，pH為13時呈土黃色?？梢?，紫薯色素水溶液的顏色也表現出明顯的pH效應。

物質分子結構決定其性質，反之，性質變化也反映出分子結構的改變。為此，我們測定了不同pH紫薯色素水溶液的紫外可見光譜（圖3）。pH為1～10范圍內，紫薯色素在290nm和320nm處有很強的吸收，結合530nm處的吸收峰，這是紫薯色素分子結構中具有花青素結構（圖1）的特征吸收 [7]，表明紫薯色素屬于花青素;pH為11～13范圍內，290nm和320nm處的兩個吸收峰消失，但在380nm處出現新的較強吸收峰;在pH為1～13范圍內，紫薯色素在200nm～350nm范圍內的吸光度高于其在400nm～700nm范圍內的吸光度，說明紫薯色素對紫外光有很好的吸收，具有抗紫外線的潛能。

可以用紫薯色素分子結構隨pH改變而改變的示意圖（圖4） [8]分析圖2和圖3所觀察到的結果。pH為1～3時，溶液中紫薯色素主要呈紅色的黃烊鹽AH+形態;隨著pH增加，紅色黃烊鹽失去H+形成藍紫色的醌堿A;隨著pH進一步增大時，醌堿A進一步失去H+變成醌堿陰離子A-。所以，隨著pH增加，紫薯色素溶液的顏色發生洋紅色-淡洋紅色-淡紫色-藍色-藍黃色-土黃色遞次轉變（圖2）。

（2）紫薯色素的水溶性及其用作pH指示劑

基于紫薯色素水溶液的顏色隨pH改變呈現豐富的顏色變化，我們設計了兩個小實驗用以驗證“紫薯色素水溶性及其用作pH指示劑”的性質。

①實驗一

在一個容積為15mL的玻璃瓶中，加入等體積（3mL）的CCl4、水和石油醚，再加入少量紫薯色素，混合均勻后觀察到如圖5A所示狀態。CCl4、水和石油醚彼此間互不相溶，再根據三者的密度（ρ）可知，ρ（CCl4）>ρ（水）>ρ（石油醚），不難判斷圖5A中，最下層液體為CCl4，中間層液體為水，最上層液體為石油醚;再根據圖5A中三層液體只有中間層為紫紅色，由此判明，紫薯色素是水溶性的，不能在CCl4和/或石油醚中溶解。向圖5A中滴加稀鹽酸溶液，可觀察到鹽酸液滴通過上層石油醚溶入中間水層，且中間層顏色變成鮮艷的洋紅色（圖5B）;若向圖5A中滴加稀NaOH溶液，可觀察到NaOH液滴通過上層石油醚溶入中間水層，且中間層顏色變成鮮艷的藍色（圖5C）;若向圖5A中交替滴加稀鹽酸和稀NaOH溶液，可觀察到中間層的顏色在紅色和藍色之間交替變換。

②實驗二

在蘇教版普通高中課程標準實驗教科書化學2專題3的第二單元中，介紹了肥皂的去污作用。肥皂中起去污作用的主要成分是長鏈脂肪酸鈉，比如十四酸鈉，它是弱的有機脂肪酸十四酸與強堿NaOH中和反應得到的有機酸鹽、屬于強堿弱酸鹽。而強堿弱酸鹽在水溶液中會因為部分水解反應使溶液的pH>7。

向濃度為1%的十四酸鈉水溶液中滴加幾滴紫薯色素水溶液，可以觀察到十四酸鈉水溶液呈藍色（圖6 A1，A2為未滴加色素的十四酸鈉水溶液），可見，十四酸鈉水溶液呈堿性。十四酸鈉是一種陰離子型表面活性劑，除了有去污作用，也有良好的泡沫性質，簡單振搖十四酸鈉水溶液，可以觀察到明顯的泡沫（圖6 A1）;向十四酸鈉溶液中滴加鹽酸至溶液呈紅色（圖6 B1，B2為未滴加色素的十四酸鈉水溶液），此時溶液顯酸性，圖6B中觀察到有白色不溶物出現，該白色不溶物為十四酸;加入鹽酸，使十四酸鈉水溶液中的水解反應向生成十四酸的方向進行（該過程也可以理解為強酸生成弱酸），而十四酸是難溶于水的物質，所以出現白色不溶物;此時，振搖溶液，觀察不到有泡沫產生;向十四酸鈉溶液中交替加入鹽酸和NaOH，可觀察到溶液分別呈現紅色和藍色、無泡沫（有不溶物）和有泡沫的現象。

（3）Na2SO3對紫薯色素的可逆褪色作用

在蘇教版普通高中課程標準實驗教科書化學1專題4的第一單元中提到：“實驗證明，SO2能漂白某些有色物質（如品紅），這是由于它能與某些有色物質反應，生成不穩定的無色物質?！睂嶋H上，紫薯色素也有類似的效果。在SO2漂白品紅的過程中，SO2先與水結合形成H2SO3，H2SO3進而與品紅反應。因此，本文實驗中用酸性Na2SO3水溶液代替“向水溶液中通入SO2”，避免制取有刺激性和毒副作用的SO2氣體。

由圖7A可見，在pH=3時加入Na2SO3后，原先紅色的紫薯色素溶液（圖7 A1）明顯褪色（圖7 A2），原本在530nm處的吸收明顯減弱，并且在可見光區的最大吸收波長有明顯紅移，說明經過酸性Na2SO3作用后，紫薯色素在可見光區的吸收減弱導致其褪色。圖7B是花青素與NaHSO3反應過程中分子結構變化的示意圖，花青素分子中含氧雜環的3，4-雙鍵與NaHSO3反應，4-C接入磺酸基（SO3H） [9]，導致含氧雜環原有的共軛雙鍵改變，所以紫薯色素的光譜吸收性質發生圖7A所示的改變。此外，圖7B中示意的花青素與NaHSO3反應，其反應進行的方向容易隨反應體系的pH改變而改變;若是pH進一步降低，該反應過程向反方向進行，即已經褪色的紫薯色素又可以逐步恢復其紅顏色;反之，pH再次升高，紅色的紫薯色素又將再次褪色（圖7C）。因此，Na2SO3對紫薯色素的顏色具有“可逆”的褪色作用。

（4）基于紫薯色素-NaHSO3“可逆”褪色作用制作“化學密信”

利用酚酞遇堿變色的原理，可以制作化學密信 [10]?；趫D7中所得實驗結果，利用NaHSO3對紫薯色素的“可逆”褪色作用，我們也可以制作“化學密信”，所得“化學密信”的顯色過程見圖8。配制紫薯色素溶液，并將其pH調為3，用棉簽蘸取色素溶液在濾紙片上書寫“化學”（圖8A），向圖8A紙片上噴灑pH=3的Na2SO3溶液，幾分鐘后，紙片上紫紅色字跡褪去（圖8B）;由圖7B可知，這是由于酸性Na2SO3與色素反應形成無色加合物的結果。將圖8B無色紙片置于濃鹽酸瓶口約10秒鐘，紙片上的字跡重新顯現且呈紅色（圖8C），這是由于濃鹽酸瓶口會有鹽酸酸霧逸出，酸霧與圖8B紙片接觸，相當于在圖8B紙片上噴灑鹽酸，依據圖7B不難理解，在鹽酸作用下，紫薯色素與酸性Na2SO3反應形成的無色加合物重新轉變為紅色的紫薯色素。將圖8C紙片放置在濃氨水瓶口，紅色字跡慢慢褪去，約20秒鐘后字跡全無（圖8D），這是由于濃氨水瓶口有氨氣逸出，遇到圖8C酸性紙片，發生酸堿中和反應，圖8C表面過量的鹽酸會逐步被中和，在酸性Na2SO3的作用下，紅色紫薯色素逐漸褪色（圖7C）。此外，從圖3和圖7紫外可見光譜可知，無論是pH改變還是Na2SO3褪色，紫薯色素在紫外區的吸收沒有顯著減弱，因此，將圖8B紙片放置于紫外燈下，已經因Na2SO3褪色而隱藏的字跡又清晰可見（圖8E）。由此可見，用紫薯色素制作的“化學”密信，可以用多種手段解密。

二、結論

水溶性紫薯色素可以方便地溶于水中形成溶液，其顏色隨著溶液pH的變化而變化，可作為酸堿指示劑用于中學化學實驗教學;與典型花青素物質類似， 酸性Na2SO3水溶液可以有效地使紫薯色素褪色，并且通過調節溶液的pH可以使褪色過程“可逆”進行，據此性質，可以用作 “化學”密信制作等趣味實驗;本文基于紫薯色素設計的小實驗，實驗現象比較明顯，可以用作學生課外興趣實驗和教師課堂演示實驗?？梢?，化學聯系生活，學科素養基于實驗創新。世界上不是缺少美，而是缺少發現的眼睛。

參考文獻

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