水溶性植物色素提取及其pH顯色應用探究*

何承堃 傅堃垚 張傲然 張玉娟

摘要： 在深度學習理念的引導下，圍繞“尋找合適的植物組織提取液測定飲用水的pH”為探究學習主題，引導學生從日常生活和自然出發，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗儀器和方法進行實驗探究。通過測試若干種天然植物組織水提取液的酸堿顯色反應，最終發現紅花檵木葉提取液pH響應范圍廣、顏色變化大，可以有效區分不同商售飲用水的pH，具有成為日常飲品的天然pH顯色指示劑的應用前景。紫外可見光譜研究進一步提示紅花檵木葉水溶性提取液具有不同于普通花青素的色素成分，其堿性誘導的450nm下的強吸收提高了其偏堿性條件下的pH顯色區分能力。

關鍵詞： 紅花檵木葉; 植物色素水提取液; pH顯色反應; 實驗探究

文章編號： 10056629（2020）12005704

中圖分類號： G6338

文獻標識碼： B

1研究背景

人體健康狀況不佳時，進食酸堿性不合適的飲品可導致嚴重不適，因此對于患有慢性疾病的人員來說，了解這些飲品的酸堿性非常重要，特別是那些利用四季易得的天然酸堿水溶性顯色劑兼具方便和安全健康的優勢。酸堿性顯色指示劑是300多年前，從波義耳發現天然花朵中的酸堿顯色效應逐步發展起來的。植物色素大多是花青素、黃酮及其他有機酸堿，當環境pH改變時其結構也發生改變導致顏色變化，通過視覺感知被測對象的pH。某些天然指示劑的顯色效應甚至優于常用的酚酞和甲基橙，往往還具有水溶性，有利于日常生活的應用。通過課堂學習和拓展閱讀，學生認識到了研究植物組織提取物的酸堿顯色反應，是發現新型天然酸堿顯色指示劑的重要途徑。據此，依據深度學習概念，提出了“尋找合適植物組織提取色素測定飲用水pH”的學生自主探索主題，促進學生的化學實驗素養和自主設計能力發展[1]，提升學生生活和學習中的化學認知意識，激發他們參與化學學習的熱情。

文獻調研發現，具有深色的植物組織往往含有花青素及其他天然顯色劑[2]，通過文獻調研還了解了提取這些有效成分的常用方法[3，4]。由于日常pH測定一般是在含水環境中進行的，水相提取物更易滿足日常應用要求，因此探究中舍棄了常用植物成分的有機溶劑萃取法。研究中采集不同的深色植物組織，通過水相提取進而研究提取物的酸堿顯色反應，發現紅花檵木葉提取液對pH具有良好顯色響應范圍和靈敏度。因此進一步測試該提取液對多種飲用水的顯色反應。實驗成功發現，紅花檵木葉提取液具有良好的pH顯色性能，可用于飲用水pH的區分顯色。紫外可見光譜研究表明，該提取液色素結構和組成也不同于黑枸杞的色素，其pH顯色響應可能來自于多種發色團的綜合效果。

2實驗方法與材料

植物組織樣本及其水提取液制備方法： （1）黑枸杞浸泡液： 1g 2017年市售黑枸杞以30mL水泡制得深紫紅色溶液;（2）其他植物組織提取液： 選取當日摘取并清洗晾干的紅花檵木葉（2g）、黑色冬青果（3g）、小紅楓葉（2g）和黃色銀杏葉（2g），分別加20mL蒸餾水研磨搗碎。為避免殘余植物組織的干擾，將用傾析法所得的液體加少許硅藻土攪拌、過濾，分別得透明的紫紅色、褐色、淺橙色和極淺米黃色溶液。研究中還使用花青素的標準品氯化矢車菊素及其衍生物矢車菊素葡糖苷為各提取物的對照樣。

各提取液的pH顯色反應分別利用25℃時pH為1.68（含磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、水分別為3.8%、 0.504%、 95.696%）、4.01（含苯二甲酸氫鉀、水分別為1.02%、 98.98%）、 6.86（含磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、水分別為0.34%、 0.36%、 99.30%）、 7.40（含磷酸二氫鉀、氫氧化鈉、水分別為0.68%、 1.58%、 97.74%）和9.18（含四硼酸鈉、水分別為0.38%、 99.62%）的標準緩沖溶液（3mL）進行觀察測定。實驗中使用的飲用水樣品包括自來水樣（pH 7.87）、農夫山泉（pH 8.03）、屈臣氏蒸餾水（pH 5.83）、百歲山礦泉水（pH 6.55）、王屋巖泉（pH 7.91），其pH由新校正pH計（Model PHS3C）測定[5]。提取液對pH緩沖液和飲用水的pH顯色測試均采用10mL標準緩沖液或水樣中加入600μL提取液的方式進行，加畢振搖20秒后進行顏色觀察。

提取溶液在不同pH緩沖溶液中的紫外光譜由Perkin Elmer Lambda 35分光光度計測定。

3實驗結果與討論

3.1各植物組織提取液及對照樣對pH標準緩沖溶液的顯色響應行為

從提取過程來看，銀杏葉色素水溶性差，不易被水提取。小葉紅楓水提取效果略好，而紅花檵木葉中色素的水溶性極好，非常容易提取。冬青果色素水溶性接近小紅楓葉，而黑枸杞中色素水溶性也較好。對具有良好顯色反應的紅花檵木葉按同樣比例進行乙醇的短時間研磨提取，發現提取液顏色明顯淺于水研磨提取液，表明紅花檵木葉中的色素主要是水溶性色素。

這些水提取液的pH顯色響應均在振搖混合中瞬間完成。其中紅花檵木葉、黑枸杞、小紅楓葉提取液對pH緩沖溶液的顯色效應相對顯著（見表1）。黑枸杞浸泡液在測試pH范圍內pH顯色從酸性的紫紅（pH 1.68）經淺粉（pH 4.01）、紫色（pH 6.86）到中性的雪青（pH 7.40），更高pH則無明顯顏色變化。小紅楓葉提取液的顯色變化是從酸性的淺暗粉經極淺粉（pH 4.01）到淺黃色（pH 6.86），更高的pH則無可靠的顯色區分能力。不同于前兩者，紅花檵木葉提取液在測試pH范圍內的變色響應從酸性的品紅色（pH 1.68）經淺粉（pH 4.01）、雪青（pH 6.86）、藍綠（pH 7.40）到堿性條件下的綠色（pH 9.18），顏色變化多，易于判斷。同時pH響應范圍大，從pH 1.68到pH 9.18，跨越了酸性、中性和堿性，較常見的其他幾種提取物和常見pH顯色劑的指示范圍更寬，是一個更為靈敏、有效的pH顯色劑。

其他所考察的植物組織水提取液對pH的顯色響應變化不夠明顯，如黑冬青果提取液對pH 1.68緩沖溶液顯淺褐色，而對pH 9.18緩沖溶液顯土褐色，對pH顯色區分能力不佳。黃銀杏葉提取液對pH 1.68緩沖溶液顯色為極淺黃色，對pH 9.18緩沖溶液為淺黃色，因此對pH顯色響應能力也很弱。花青素類似物矢車菊素葡糖苷對pH 1.68緩沖溶液顯淺品紅色，而對pH 9.18緩沖溶液也顯紅褐色，表明對pH的顯色區分能力不強。花青素標品氯化矢車菊素的pH顯色響應為： pH 1.68顯粉紅、pH 4.01顯極淺粉色、pH 6.86顯無色、pH 7.40顯極淺雪青色、pH 9.18則為深藍色。可以看出非糖苷化的花青素對pH的顯色響應能力較好，但顏色變化仍少于紅花檵木葉提取液，與黑枸杞浸泡液的pH響應能力類似，這與黑枸杞中含有較多花青素衍生物的事實相一致。糖苷化的花青素則由于一些pH敏感的酚羥基形成糖苷鍵而顯示較小的pH變色響應能力。銀杏葉提取物較差的溶解性可能也與其色素的水溶性較差有關。這一結果提示含色植物組織能否實現水提取對尋找合適的植物色素pH指示劑也非常重要。

3.2紅花檵木葉提取液對飲用水的pH顯色指示

以上研究表明紅花檵木葉提取液對pH的顯色響應明顯，有較高的變色靈敏度。因此探究中進一步測試了其對日常各飲用水的顯色響應。結果發現其對本地自來水顯雪青色、農夫山泉顯淺紫色、屈臣氏蒸餾水顯極淺粉色、百歲山礦泉水顯紫色、王屋巖泉顯淺紫色（見表2）。氯化花青素與黑枸杞提取液有類似的pH顯色響應，探究中也檢測了黑枸杞浸泡液對日常水樣的響應，用于同紅花檵木提取液的檢測效果作對比。結果發現其對自來水顯紫色、農夫山泉顯淺紫、屈臣氏蒸餾水顯粉紫色、百歲山礦泉水顯淺紫色、王屋巖泉顯淺紫色（見表2）。結果表明，紅花檵木葉提取液對自來水和常見市售飲用水有更好的pH顯色響應能力，尤其在弱酸范圍內的變色響應尤其明顯，具有作為日常飲品天然易得的pH顯色指示劑的應用前景。這一探究過程充分顯示了即使是非常平常的探究實驗，通過深度學習和思考，經過實驗結果提煉可以有所新發現，進一步利用新發現結合生活中的問題，可以有所發明、有所創新。

3.3紫外可見光譜研究

紫外可見吸收光譜有助于理解色素的發色變化行為。實驗將紅花檵木葉提取液、氯化矢車菊素以及黑枸杞浸泡液各400μL分別加至3mL pH分別為1.68、 7.40、 9.18的緩沖溶液中，測定它們的紫外可見光譜。結果表明紅花檵木葉提取液的主要吸收峰由pH酸性的520nm紅移至pH中性的610nm，顯示紅色向藍綠色轉變;進一步提高pH未見吸收峰紅移，但468～589nm區間的吸收進一步降低，470nm以下吸收顯著增強，導致溶液由藍綠色轉為綠色（見圖1上左）。這表明紅花檵木葉提取液中顯色物質在pH 1.68～9.18之間不斷發生結構變化，導致其更為敏感的pH顯色響應能力。氯化矢車菊素也顯示出了類似的pH升高導致的吸收紅移現象，但從中性移至堿性時在468～589nm區間吸收降低不顯著，特別是400～468nm之間吸收較弱且吸收增強不明顯（見圖1上右），故未見向綠色的轉變，顯示氯化矢車菊素在中性pH到堿性時結構變化不明顯。黑枸杞浸泡液在pH升高時光譜紅移同樣明顯，且在中性時出現了波長達到650nm的肩峰，進一步升高pH到堿性發現肩峰消失后顯示氯化矢車菊素類似的吸收峰（見圖1下）。由于裸眼對近紅外區域的變化觀察區分能力較弱，導致其堿性顯色區分能力下降。紫外光譜也提示紅花檵木提取液中色素及黑枸杞浸泡液中色素存在與矢車菊素類似的發色團，但前兩者的色素還明顯存在其他的發色團結構。同時紅花檵木提取液的色素結構和組成也不同于黑枸杞的色素，其pH顯色響應

可能來自于多種發色團的綜合效果。值得注意的是紅花檵木提取液中的色素成分在堿性pH條件下存在導致470nm以下吸收顯著增強的結構轉變。進一步分離鑒定該色素將有利于認識和理解紅花檵木葉色素的pH響應行為。這為下一階段的深度學習主題設定提供了方向。

4結語

以上探究實驗表明黑枸杞浸泡液、紅花檵木葉提取液具有明顯的pH顯色響應能力，其中紅花檵木葉提取液具有更大的pH變色多樣性和響應范圍，顯示更高的靈敏度，對常見飲用水的pH區分能力更強，有望作為新型的天然pH顯色試劑，用于日常飲品的pH顯色判斷。紫外光譜研究表明紅花檵木葉色素的特殊組成和結構可能是其多變色性的來源，而且其色素與黑枸杞的花青素顯色團不盡相同。紅花檵木葉中色素對于堿性pH綠色響應的化學結構目前還不清楚，值得進一步研究。相信經過進一步提取和分離可以闡明該物質的化學結構，從而為發展更靈敏、更普適的酸堿指示劑提供新的基礎。

在學生學習溶液酸堿性及指示劑變色的基礎上，教師可以以“尋找合適的植物組織提取色素測定飲用水的pH”為探究性主題，引導學生自主探索身邊的天然植物色素的pH顯色響應現象，從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，進行實驗探究。讓學生在科學實驗探究過程中主動建構個人知識體系并有效遷移應用到真實情境中以解決復雜問題，提升綜合實驗技能，激發學生學習化學的興趣，最終促進全面學習目標的達成和高階思維能力的發展。

參考文獻：

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[5]唐勁軍， 嚴珍珠， 黎瓊. 常見品牌洗手液的pH測定探究[J]， 化學教學， 2018， （10）： 79～82.