“色素的提取与分离”实验的创新探索
2020-12-23韩伟
韩伟
摘 要：通过理论学习和实验探索，就叶绿体中光合色素的提取与分离实验进行了更深层次的理论分析，对实验原理以及实验进行探索，发现在使用药品、选择材料等方面都可创新，收效甚佳。
关键词：光合色素;提取;分离;二氧化硅;纸层析
一、实验流程
“提取和分离叶绿体中的光合色素”是学生探究光合作用过程的基础，因为光反应中需要光合色素捕获光能，而色素有哪些，什么颜色，色素如何吸收、传递、转化光等问题一定是学生的兴趣所在。教师可以带领学生探究实验的原理与过程，比如用什么方法提取、分离色素，除了使用菠菜之外，还可以用其他材料来做实验吗？在实验探索中对以上问题有针对性地做了一些尝试，比如在实验步骤、选材等方面。实验中所得與大家交流，主要有：实验操作的改进，实验流程的创新，选材的创新，实验结果分析以及实验在教学中应用的反思。
实验中的步骤以及使用试剂如图1：
二、实验原理分析
1.提取色素时要不要使用碳酸钙
在高中生物教学中研磨加入碳酸钙的目的是“防止色素在酸性条件下被分解”，这是大家给学生的标准答案。而其中的分子变化原理是：叶绿素核心部分是一个卟啉环（porphyrin ring），其功能是光吸收;另一部分是一个很长的脂肪烃侧链，称为“叶绿醇”（phytol），叶绿素用这种侧链插入类囊体膜。与含铁的血红素基团不同的是，叶绿素卟啉环中含有一个镁离子。在叶绿素的卟啉环中的镁离子与各吡咯环上的氮原子之间发生部分电荷转移才被固定，因此镁离子不稳定。卟啉环中的镁离子可被H+、Cu2+、Zn+所置换。用酸处理叶片，H+易进入叶绿体，置换其中的镁离子，形成褐色的去镁叶绿素，使叶片呈现褐色。而在实验中可以不使用碳酸钙的原因有以下几点：（1）菠菜叶片含有的酸性物质不多。（2）镁离子被H+取代需要一定的时间，实验所用的时间比较短，不足以对实验结果造成较明显的影响。（3）碳酸钙加入较多的时候会影响过滤。并且就本次实验得到的结果来看，研磨时没有加入碳酸钙过滤得到的色素颜色是深绿色的（如图2所示），因此实验中可以不使用或者使用较少的碳酸钙。
2.要不要加二氧化硅
在本次实验操作中，以菠菜作为原料的实验中没有加二氧化硅，原因是菠菜叶片表面没有较厚的角质，容易研磨，研磨后得到的色素溶液颜色也是深绿色的，对实验结果基本没有影响。如果换作革质叶片就需要加少量二氧化硅，例如在本次实验中还选用了紫叶李（Prunus Cerasifera）作为实验材料，在研磨时由于叶片角质较多需要加入少量二氧化硅。因此我们的结论是：在叶片角质层较薄且易于破碎的情况下，二氧化硅可以少加或不加。
3.关于提取液
在教材中和各种资料中认为提取色素使用无水乙醇，原因是光合色素可以溶解在乙醇中。实际上如果是干燥材料可以使用95%的酒精。新鲜材料含水量较多因此用无水乙醇提取。
4.层析液
有多种选择，可以用93号汽油、丙酮或者石油醚（20份在60℃～90℃下分馏出来的石油醚、2份乙醇和1份丙酮混合而成），而本次实验采用的是四氯化碳。层析液必须是非极性的有机溶剂，同时是安全的，均可以用于层析的。
三、选材创新
在实验前学员在校园中找到了紫叶李的叶子、紫色紫薇花以及重阳木的黄色落叶，分别使用这些材料做了实验，研磨液如图3所示：
在分离中发现：（1）红叶李作为实验材料提取的色素颜色更深，分离后效果更好。（2）花青素为水溶性的极性分子，点样到滤纸条上就会和滤纸条上的水结合，不会跟随层析液运动。（3）落叶为黄色，因此含有的类胡萝卜素较多，只能分离出两个色素带。使用红叶李做材料分离结果如图4所示，除了和菠菜一样的四个色素带以外，点样处还有紫叶李所含有的花青素。如果选用紫叶李等红色叶片作为实验材料，可以使实验更加富有趣味性，还可以让学生理解极性的水溶性物质在使用非极性层析液时并不会在滤纸上运动，可以尝试使用蒸馏水让色素分离，并预测结果（花青素会跟随蒸馏水在滤纸上运动）。
四、实验结果分析及在实际实验教学中的应用
1.研磨少加粉末
使用菠菜作为实验材料研磨时可以尽量少加二氧化硅和碳酸钙。虽然不加这两种物质实验结果也很理想，但是在高考知识考查时，这两个原理经常在考试中出现，所以操作的时候不能不加，可以尽量少加。
2.选材创新
学生在实验前去校园采集不同材料（例如红叶李、女贞、美国红枫、花瓣等），然后提取分离色素，对比实验结果，让实验具有更强的探究性与趣味性。
3.过滤环节
过滤时可以使用滤纸过滤，在过滤前可滴加少量无水乙醇处理滤纸以便得到更多滤液。
4.分离的时间把握
使用层析液分离可以多等一段时间，让色素分离的距离更大，更容易看到四条色素带。
五、小结
开展实验教学，大胆探索与尝试会带来许多惊喜。本次实验收获了例如可以不加碳酸钙和二氧化硅、可以使用滤纸过滤等经验。学无止境，教学相长，希望我的实验课一直是生长的、有生命力的。
编辑 冯志强
