海藻酸钠变色微球的制备和表征

许亮亮　陈懿　王晓亚　王汉扬　王鸣远

摘要：以高一化学2离子键为知识背景，设计趣味化学实验。提取多种天然花青素并制备可变色海藻酸钠微球，利用色度传感器对可变色微球缓释花青素的现象进行定量表征。该实验可开拓学生的科学视野，有助于对基础原理的理解，有良好的教学效果。

关键词：趣味化学实验；天然花青素；海藻酸钠微球制备；性质表征；实验设计

文章编号：1005-6629（2018）1-0079-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1问题提出

核心素养是学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，学生核心素养的培养必须通过各学科的教育教学来实现。因此发展学生的学科核心素养已成为基础教育研究的必然趋势。高中化学学科核心素养是学生发展核心素养的重要组成部分，是高中生综合素质的具体体现。有学者对化学学科核心素养的概念内涵、结构层次和建构方法等问题进行讨论，也有学者基于化学学科核心素养对教学设计、课堂效度和试题特征等方面展开研究。但基于化学学科核心素养培养的实验教学案例目前鲜有报道。

随着社会的不断进步，化学已成为材料科学、生命科学、环境科学、能源科学、信息科学等现代科学技术的重要基础。新一轮课改蓄势待发，高中化学实验教学亟待开发出一批既能蕴含学科基础特色又能体现当代科技发展的创新课程，以拓展学生学习空间，引导不同学生学习不同的化学，以适应未来发展的多样化需求。基于以上思考，通过实验尝试成功开发“海藻酸钠变色微球的制备和表征”趣味化学实验课程，将其应用于高一《实验化学》选修课上，大大激发学生学习化学的兴趣，培养学生的创新精神和实践能力，最终促进学生化学学科核心素养的养成。

2设计思路

《普通高中化学课程标准（征求意见稿）》将高中化学学科核心素养分为“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学精神与社会责任”五个维度。本实验基于以上五个维度，以高一化学2离子键为知识背景，让学生提取多种天然花青素，制备可变色海藻酸钠微球，利用色度传感器对微球缓释花青素的现象进行定量表征，开拓了学生前沿科学视野，加深了对基础原理的理解，取得了良好的教学效果。具体设计思路见图1。

3实验原理

花青素也称为花色素、花色苷，属于生物类黄酮物质，是一种水溶性色素，随着溶液酸碱性不同，可呈现多彩的颜色。已知天然存在的花青素有250多种，广泛存在于如紫甘蓝、蓝莓、樱桃、草莓、桑葚、山楂等许多植物中。花青素安全无毒，具有一定的营养保健作用，但稳定性不好，食品工业上常将其进行微球包埋，以提高其在功能性产品中的可用性。从紫甘蓝中提取花青素作为酸碱指示剂，学生初三时就已熟知。本实验采用简单的水溶液提取法，让学生提取了紫葡萄、杨梅、车厘子、蓝莓、紫甘蓝、苋菜、火龙果、黑枸杞等常见水果蔬菜中的八种花青素原液，分别加入一定量的从海藻中提取的天然多糖海藻酸钠，得到海藻酸钠一花青素混合液。将混合液滴入CaCl₂溶液中，Ca²⁺立即渗入海藻酸钠液滴内部，利用离子键将海藻酸钠液滴交联固化成球，即制得八种包埋不同花青素的海藻酸钠变色微球。取用一定量包埋紫甘蓝花青素的海藻酸钠微球置于一定体积的37%模拟胃液中，用色度传感器对花青素的缓释性能进行定量分析。

4实验过程

4.1仪器和药品

海藻酸钠、紫葡萄、杨梅、车厘子、蓝莓、紫甘蓝、苋菜、火龙果、黑枸杞、氯化钙、盐酸、氢氧化钠、胃蛋白酶、去离子水；塑料滴管、烧杯、玻璃棒、量筒、酒精灯、漏斗、滤纸、圆形筛子（10cm）、培养皿（9cm）、锥形瓶、Vernier色度传感器、数据采集器

4.2实验步骤

4.2.1海藻酸钠微球的制备和变色实验

（1）称取100g紫葡萄于烧杯中，加人50mL去离子水，煮沸5分钟，冷却后过滤，得到紫葡萄花青素溶液；向20mL紫葡萄花青素溶液加人0.4g海藻酸钠，微热至全溶，得到2%海藻酸钠一紫葡萄花青素混合液；配制50g1%CaCl₂溶液。

（2）用塑料滴管将海藻酸钠一紫葡萄花青素混合液逐滴滴入CaCl₂溶液，5分钟后用筛子过滤出来，即制得包埋紫葡萄花青素的海藻酸钠变色微球。以同样方法制备包埋杨梅、车厘子、蓝莓、紫甘蓝、苋菜、火龙果、黑枸杞花青素的海藻酸钠变色微球。分别取等量微球置于碱性（pH=13）、中性（pH=7）、酸性（pH=1）溶液中，观察变色情况。

4.2.2包埋花青素海藻酸钠微球缓释性能的定量表征实验

（1）向800mL去离子水中加入9mL浓盐酸和10g胃蛋白酶，混合均匀，即制得pH=1.2的人工模拟胃液。

（2）取200粒包埋紫甘蓝花青素的海藻酸钠微球，置于37%的100mL人工模擬胃液中，每隔一定时间取2mL溶液于比色皿，迅速放人色度传感器中，于波长565nm处测定溶液吸光度，对微球缓释花青素性能进行定量表征。

5实验现象与结论

将八种海藻酸钠一花青素溶液分别滴入氯化钙溶液中，液滴立即交联固化为海藻酸钠微球，静置5分钟，用去离子水洗涤。将八种不同微球分别装于三个锥形瓶中，向瓶中加入不同pH的溶液，包埋花青素的微球在不同pH溶液中显示出不同的颜色，见表1。可观察到八种不同微球整体上在碱性溶液中显黄色，中性溶液中显蓝紫色，酸性溶液中显红色，但由于花青素来自不同植物，变色的深浅明暗又略有不同。

将包埋紫甘蓝花青素的海藻酸钠微球置于人工模拟胃液，巧妙利用色度传感器测定花青素缓释和时间的变化关系。图2为整个缓释过程中溶液吸光度随时间变化曲线，可以看出随着时间增长，溶液的吸光度逐渐增大，最后稳定在0.192处。因此可推测15分钟内缓释花青素速率较快，整个过程缓释速率逐渐减慢，40分钟达到最大值。这一性质充分说明生物可降解的海藻酸钠微球在药物缓释材料中得到广泛应用的原因。

6教学反思

6.1核心素养培养要加强基础知识与前沿科学的对接

当今科技发展日新月异，化学学科是在生命科学、材料科学、环境科学等领域的相互交叉、渗透和促进中协同发展的。因此在新一轮课改中，培养学生核心素养若采取“新瓶装旧酒”的方式显然是不合时宜的。这就需要一线教师既要具备扎实的学科基础知识，又能紧跟时代步伐，关注前沿科学成果，积极开发出体现学科知识特色、关注前沿科学的创新实验。本实验以高一化学2中离子键交联的基本原理，借助有良好生物相容性的海藻酸钠作为指示剂载体，通过简单的实验操作制备了海藻酸钠变色微球，使学生感到利用所学基础知识也可制备出前沿科技的新材料。

6.2核心素养培养要留足实验反思与持续探究的空间

学生在实验中发现一段时间后包埋在微球中的花青素会缓慢释放出来，并逐渐扩散至整个溶液中，使溶液也显色，其中pH<7溶液中的花青素释放速率最快。于是学生思考能否运用色度传感器对缓释性能进行定量表征。通过查阅资料以及小组讨论后，学生进行了后续探究：配制了pH约为1.2的人工模拟胃液，恒温至37%，将一定量的包埋紫甘蓝花青素的海藻酸钠微球置于其中，巧妙利用色度传感器测定了微球缓释性能和时间的变化关系。整个实验反思过程中，教师积极鼓励学生进行大胆设想并设计方案，提供相应的实验条件让学生自主探究并得出结论，真正让学生学以致用，提升了持续自主学习的能力。

6.3核心素养培养要关注实验教学与学生情意的互融

作为化学实验的一种类型，趣味实验以其操作简单、现象明显的特点可以极大提高学生探索学科知识的积极性，从而提高学生的核心素养。当然设计趣味实验时，也不能一味强调激发兴趣，使趣味庸俗化，而要基于学生认知，确定明确的教学目标，精心设计教学环节，真正使学生的思维得到培养，能力得到提高。本实验中学生亲手实践，短时间内制备了多种五颜六色的变色微球，真正体会到化学实验的无穷魅力和应用意义，大大激发了学生探求化学世界无穷奥秘的兴趣。endprint