水溶性植物色素提取及其pH显色应用探究*

何承堃 傅堃垚 张傲然 张玉娟

摘要： 在深度学习理念的引导下，围绕“寻找合适的植物组织提取液测定饮用水的pH”为探究学习主题，引导学生从日常生活和自然出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验仪器和方法进行实验探究。通过测试若干种天然植物组织水提取液的酸碱显色反应，最终发现红花檵木叶提取液pH响应范围广、颜色变化大，可以有效区分不同商售饮用水的pH，具有成为日常饮品的天然pH显色指示剂的应用前景。紫外可见光谱研究进一步提示红花檵木叶水溶性提取液具有不同于普通花青素的色素成分，其碱性诱导的450nm下的强吸收提高了其偏碱性条件下的pH显色区分能力。

关键词： 红花檵木叶; 植物色素水提取液; pH显色反应; 实验探究

文章编号： 10056629（2020）12005704

中图分类号： G6338

文献标识码： B

1研究背景

人体健康状况不佳时，进食酸碱性不合适的饮品可导致严重不适，因此对于患有慢性疾病的人员来说，了解这些饮品的酸碱性非常重要，特别是那些利用四季易得的天然酸碱水溶性显色剂兼具方便和安全健康的优势。酸碱性显色指示剂是300多年前，从波义耳发现天然花朵中的酸碱显色效应逐步发展起来的。植物色素大多是花青素、黄酮及其他有机酸碱，当环境pH改变时其结构也发生改变导致颜色变化，通过视觉感知被测对象的pH。某些天然指示剂的显色效应甚至优于常用的酚酞和甲基橙，往往还具有水溶性，有利于日常生活的应用。通过课堂学习和拓展阅读，学生认识到了研究植物组织提取物的酸碱显色反应，是发现新型天然酸碱显色指示剂的重要途径。据此，依据深度学习概念，提出了“寻找合适植物组织提取色素测定饮用水pH”的学生自主探索主题，促进学生的化学实验素养和自主设计能力发展[1]，提升学生生活和学习中的化学认知意识，激发他们参与化学学习的热情。

文献调研发现，具有深色的植物组织往往含有花青素及其他天然显色剂[2]，通过文献调研还了解了提取这些有效成分的常用方法[3，4]。由于日常pH测定一般是在含水环境中进行的，水相提取物更易满足日常应用要求，因此探究中舍弃了常用植物成分的有机溶剂萃取法。研究中采集不同的深色植物组织，通过水相提取进而研究提取物的酸碱显色反应，发现红花檵木叶提取液对pH具有良好显色响应范围和灵敏度。因此进一步测试该提取液对多种饮用水的显色反应。实验成功发现，红花檵木叶提取液具有良好的pH显色性能，可用于饮用水pH的区分显色。紫外可见光谱研究表明，该提取液色素结构和组成也不同于黑枸杞的色素，其pH显色响应可能来自于多种发色团的综合效果。

2实验方法与材料

植物组织样本及其水提取液制备方法： （1）黑枸杞浸泡液： 1g 2017年市售黑枸杞以30mL水泡制得深紫红色溶液;（2）其他植物组织提取液： 选取当日摘取并清洗晾干的红花檵木叶（2g）、黑色冬青果（3g）、小红枫叶（2g）和黄色银杏叶（2g），分别加20mL蒸馏水研磨捣碎。为避免残余植物组织的干扰，将用倾析法所得的液体加少许硅藻土搅拌、过滤，分别得透明的紫红色、褐色、浅橙色和极浅米黄色溶液。研究中还使用花青素的标准品氯化矢车菊素及其衍生物矢车菊素葡糖苷为各提取物的对照样。

各提取液的pH显色反应分别利用25℃时pH为1.68（含磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、水分别为3.8%、 0.504%、 95.696%）、4.01（含苯二甲酸氢钾、水分别为1.02%、 98.98%）、 6.86（含磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、水分别为0.34%、 0.36%、 99.30%）、 7.40（含磷酸二氢钾、氢氧化钠、水分别为0.68%、 1.58%、 97.74%）和9.18（含四硼酸钠、水分别为0.38%、 99.62%）的标准缓冲溶液（3mL）进行观察测定。实验中使用的饮用水样品包括自来水样（pH 7.87）、农夫山泉（pH 8.03）、屈臣氏蒸馏水（pH 5.83）、百岁山矿泉水（pH 6.55）、王屋岩泉（pH 7.91），其pH由新校正pH计（Model PHS3C）测定[5]。提取液对pH缓冲液和饮用水的pH显色测试均采用10mL标准缓冲液或水样中加入600μL提取液的方式进行，加毕振摇20秒后进行颜色观察。

提取溶液在不同pH缓冲溶液中的紫外光谱由Perkin Elmer Lambda 35分光光度计测定。

3实验结果与讨论

3.1各植物组织提取液及对照样对pH标准缓冲溶液的显色响应行为

从提取过程来看，银杏叶色素水溶性差，不易被水提取。小叶红枫水提取效果略好，而红花檵木叶中色素的水溶性极好，非常容易提取。冬青果色素水溶性接近小红枫叶，而黑枸杞中色素水溶性也较好。对具有良好显色反应的红花檵木叶按同样比例进行乙醇的短时间研磨提取，发现提取液颜色明显浅于水研磨提取液，表明红花檵木叶中的色素主要是水溶性色素。

这些水提取液的pH显色响应均在振摇混合中瞬间完成。其中红花檵木叶、黑枸杞、小红枫叶提取液对pH缓冲溶液的显色效应相对显著（见表1）。黑枸杞浸泡液在测试pH范围内pH显色从酸性的紫红（pH 1.68）经浅粉（pH 4.01）、紫色（pH 6.86）到中性的雪青（pH 7.40），更高pH則无明显颜色变化。小红枫叶提取液的显色变化是从酸性的浅暗粉经极浅粉（pH 4.01）到浅黄色（pH 6.86），更高的pH则无可靠的显色区分能力。不同于前两者，红花檵木叶提取液在测试pH范围内的变色响应从酸性的品红色（pH 1.68）经浅粉（pH 4.01）、雪青（pH 6.86）、蓝绿（pH 7.40）到碱性条件下的绿色（pH 9.18），颜色变化多，易于判断。同时pH响应范围大，从pH 1.68到pH 9.18，跨越了酸性、中性和碱性，较常见的其他几种提取物和常见pH显色剂的指示范围更宽，是一个更为灵敏、有效的pH显色剂。

其他所考察的植物组织水提取液对pH的显色响应变化不够明显，如黑冬青果提取液对pH 1.68缓冲溶液显浅褐色，而对pH 9.18缓冲溶液显土褐色，对pH显色区分能力不佳。黄银杏叶提取液对pH 1.68缓冲溶液显色为极浅黄色，对pH 9.18缓冲溶液为浅黄色，因此对pH显色响应能力也很弱。花青素类似物矢车菊素葡糖苷对pH 1.68缓冲溶液显浅品红色，而对pH 9.18缓冲溶液也显红褐色，表明对pH的显色区分能力不强。花青素标品氯化矢车菊素的pH显色响应为： pH 1.68显粉红、pH 4.01显极浅粉色、pH 6.86显无色、pH 7.40显极浅雪青色、pH 9.18则为深蓝色。可以看出非糖苷化的花青素对pH的显色响应能力较好，但颜色变化仍少于红花檵木叶提取液，与黑枸杞浸泡液的pH响应能力类似，这与黑枸杞中含有较多花青素衍生物的事实相一致。糖苷化的花青素则由于一些pH敏感的酚羟基形成糖苷键而显示较小的pH变色响应能力。银杏叶提取物较差的溶解性可能也与其色素的水溶性较差有关。这一结果提示含色植物组织能否实现水提取对寻找合适的植物色素pH指示剂也非常重要。

3.2红花檵木叶提取液对饮用水的pH显色指示

以上研究表明红花檵木叶提取液对pH的显色响应明显，有较高的变色灵敏度。因此探究中进一步测试了其对日常各饮用水的显色响应。结果发现其对本地自来水显雪青色、农夫山泉显浅紫色、屈臣氏蒸馏水显极浅粉色、百岁山矿泉水显紫色、王屋岩泉显浅紫色（见表2）。氯化花青素与黑枸杞提取液有类似的pH显色响应，探究中也检测了黑枸杞浸泡液对日常水样的响应，用于同红花檵木提取液的检测效果作对比。结果发现其对自来水显紫色、农夫山泉显浅紫、屈臣氏蒸馏水显粉紫色、百岁山矿泉水显浅紫色、王屋岩泉显浅紫色（见表2）。结果表明，红花檵木叶提取液对自来水和常见市售饮用水有更好的pH显色响应能力，尤其在弱酸范围内的变色响应尤其明显，具有作为日常饮品天然易得的pH显色指示剂的应用前景。这一探究过程充分显示了即使是非常平常的探究实验，通过深度学习和思考，经过实验结果提炼可以有所新发现，进一步利用新发现结合生活中的问题，可以有所发明、有所创新。

3.3紫外可见光谱研究

紫外可见吸收光谱有助于理解色素的发色变化行为。实验将红花檵木叶提取液、氯化矢车菊素以及黑枸杞浸泡液各400μL分别加至3mL pH分别为1.68、 7.40、 9.18的缓冲溶液中，测定它们的紫外可见光谱。结果表明红花檵木叶提取液的主要吸收峰由pH酸性的520nm红移至pH中性的610nm，显示红色向蓝绿色转变;进一步提高pH未见吸收峰红移，但468～589nm区间的吸收进一步降低，470nm以下吸收显著增强，导致溶液由蓝绿色转为绿色（见图1上左）。这表明红花檵木叶提取液中显色物质在pH 1.68～9.18之间不断发生结构变化，导致其更为敏感的pH显色响应能力。氯化矢车菊素也显示出了类似的pH升高导致的吸收红移现象，但从中性移至碱性时在468～589nm区间吸收降低不显著，特别是400～468nm之间吸收较弱且吸收增强不明显（见图1上右），故未见向绿色的转变，显示氯化矢车菊素在中性pH到碱性时结构变化不明显。黑枸杞浸泡液在pH升高时光谱红移同样明显，且在中性时出现了波长达到650nm的肩峰，进一步升高pH到碱性发现肩峰消失后显示氯化矢车菊素类似的吸收峰（见图1下）。由于裸眼对近红外区域的变化观察区分能力较弱，导致其碱性显色区分能力下降。紫外光谱也提示红花檵木提取液中色素及黑枸杞浸泡液中色素存在与矢车菊素类似的发色团，但前两者的色素还明显存在其他的发色团结构。同时红花檵木提取液的色素结构和组成也不同于黑枸杞的色素，其pH显色响应

可能来自于多种发色团的综合效果。值得注意的是红花檵木提取液中的色素成分在碱性pH条件下存在导致470nm以下吸收显著增强的结构转变。进一步分离鉴定该色素将有利于认识和理解红花檵木叶色素的pH响应行为。这为下一阶段的深度学习主题设定提供了方向。

4结语

以上探究实验表明黑枸杞浸泡液、红花檵木叶提取液具有明显的pH显色响应能力，其中红花檵木叶提取液具有更大的pH变色多样性和响应范围，显示更高的灵敏度，对常见饮用水的pH区分能力更强，有望作为新型的天然pH显色试剂，用于日常饮品的pH显色判断。紫外光谱研究表明红花檵木叶色素的特殊组成和结构可能是其多变色性的来源，而且其色素与黑枸杞的花青素显色团不尽相同。红花檵木叶中色素对于碱性pH绿色响应的化学结构目前还不清楚，值得进一步研究。相信经过进一步提取和分离可以阐明该物质的化学结构，从而为发展更灵敏、更普适的酸碱指示剂提供新的基础。

在学生学习溶液酸碱性及指示剂变色的基础上，教师可以以“寻找合适的植物组织提取色素测定饮用水的pH”为探究性主题，引导学生自主探索身边的天然植物色素的pH显色响应现象，从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，进行实验探究。让学生在科学实验探究过程中主动建构个人知识体系并有效迁移应用到真实情境中以解决复杂问题，提升综合实验技能，激发学生学习化学的兴趣，最终促进全面学习目标的达成和高阶思维能力的发展。

参考文献：

[1]陈媛媛. “美丽·化学成就”实验选修课的教学实践与思考[J]， 化学教学， 2017， （1）： 51～54.

[2]劉玲， 肖怡琳， 王彤文等. 用植物色素制取代用酸碱指示剂[J]. 云南师范大学学报， 2000， 20（5）： 62～66.

[3]毕晓昀. 利用黑枸杞的“化学平衡移动”创新实验设计及教学[J]. 化学教学， 2017， （7）： 48～51.

[4]林瑞杰， 张洁， 杨智， 于小博， 冷红岩. 植物色素染料提取和染色固色技术研究[J]， 南方农业， 2018， 12（15）： 147～148.

[5]唐劲军， 严珍珠， 黎琼. 常见品牌洗手液的pH测定探究[J]， 化学教学， 2018， （10）： 79～82.