秸秆纸制备及其变色实验的探究

高倩 王一冰 田童瑶 张颖

摘要： 以水稻秸秆为原料，经过蒸煮和碱煮等过程制备水稻秸秆浆液，再通过抄纸、晾晒后制得古朴美观的秸秆纸。在秸秆纸上，以紫甘蓝和β环糊精进行纸张的变色实验。实验内容具有源于生活、有趣味、结果直观等特点。实验探究过程有利于学生形成可持续发展理念，且可促进学生“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”等核心素养的发展。

关键词： 秸秆纸制备; 变色实验; 实验探究

文章编号： 10056629（2022）07006205

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

我国《普通高中化学课程标准（2017年版）》提倡创设真实问题情境，开展以实验为主的各类探究活动，以更好地激发学生学习化学的兴趣，培养创新精神和实践能力。在选修课程“化学与技术”这一学习主题下，新课标建议教师开展以生物资源开发利用为主题的学习活动，促使学生通过化学科学了解废旧物资循环利用的途径与方法，在探究过程中逐渐形成自然资源科学利用、废旧物资再生利用的绿色可持续发展理念，培养科学态度与社会责任[1]。

人教版高中化学选择性必修3第四章“生物大分子”有关“多糖”的内容中，介绍了纤维素的基本物理和化学性质及其重要用途，其中，秸秆造纸尤为引人关注。如何在实验室制备秸秆纸？基于自制秸秆纸能开展什么样的实验活动？本实验从秸秆纸浆的制作理解纸纤维素的结构原理出发，到纸的制备方法的实验探究，再到紫甘蓝pH试纸的制作、 β环糊精与酚酞的“枫叶”褪色等趣味性实验的开展，通过相关联的实验方案设计，引领学生在科学探究的实践活动中提升创新意识与实践能力。

2 设计思路

我国农业资源非常丰富，秸秆是一种用途多样的可再生资源，具有可用作有机肥、生物板及秸秆发酵气等多种用途[2]。以往大量秸秆处理的主要途径是焚烧，焚烧过程不仅造成资源浪费，还会加重空气污染，是造成雾霾天气的原因之一[3]。值得注意的是，秸秆富含纤维素，是天然的造纸原料。工业上常采用氧碱蒸煮的方式制造秸秆纸[4]，但实验室不能直接生搬硬套工业造纸流程，故本实验以秸秆为原料，受古法造纸工艺的启发，探究适合实验室进行的秸秆纸制作的适宜条件，以便资源再利用，践行可持续发展的绿色环保理念。总而言之，秸秆纸制备实验的原料便宜易得，实验过程操作简便，安全系数很高。

在秸秆纸上开展纸张趣味变色实验，变色反应现象直观，且反应过程中的颜色变化可用于物质的鉴定和反应进程的判断等[5]。变色反应的实验设计灵活且有所创新，其反应原理是酸碱指示剂的颜色变化，反应现象明显，反应原理明确，表现形式丰富有趣，可操作性强，让学生在观察实验现象的过程中探究颜色变化的化学原理。

3 秸秆纸制备实验

3.1 稻草秸秆造纸原理

稻草秸秆中含有纤维素、半纤维素、木质素、多戊糖、灰分及SiO2等多种成分，其中，纤维素和半纤维素（二者总称为综纤维素）的含量超过2/3[6]。纤维素是由βD吡喃葡萄糖以β1，4糖苷键连接组成的高分子化合物（见图1），纤维素中的每个葡萄糖单元都有三个羟基，可形成多个分子内及分子间氢键。链状纤维束缠绕在一起形成纤丝，由此构成纸的主体[7，8]。

3.2 实验试剂、材料与仪器

秸秆纤维（网上购买）、可溶性淀粉、氢氧化钠、蒸馏水;pH试纸、1000mL烧杯（1个）、抄纸框（18cm×15cm）;JYZD57型号榨汁机、DF101S智能集热式恒温磁力搅拌器、1010AB型电热鼓风干燥箱、电子天平、台式扫描电子显微镜

3.3 实验步骤

3.3.1 秸秆浆的制备

蒸煮： 称取10.0g秸秆纤维于1000mL烧杯内，加入500mL蒸馏水，置于集热式恒温磁力搅拌器加热套中，在80℃条件下蒸煮40min。自然冷却，用蒸馏水洗涤过滤。

碱煮： 将500mL氢氧化钠水溶液（浓度为0.075mol·L-1）加入到蒸煮后的秸秆纤维中，混合搅拌，80℃恒温水浴煮10h（杯口用保鲜膜包裹，中间留搅拌口）。然后用细纱布过滤，并用蒸馏水多次洗涤，收集秸秆纤维，用pH试纸检验洗涤液呈中性即可。

打浆： 将上述处理后的秸秆纤维加入榨汁机中（带水粉碎），并加入5.0g水溶性淀粉，打浆2min，制得秸秆浆。

3.3.2 原色水稻秸秆纸的制作

将秸秆浆倒入盛有约2000mL水的盆中，搅拌均匀后用抄纸框抄纸。将纸放入电热鼓风干燥箱中干燥（恒温35℃），得到原色水稻秸秆纸。

3.4 实验结果与讨论

3.4.1 秸秆纸制备

在秸秆纸制备过程中，碱液浓度、加热时长、秸秆打浆度等因素对纸的制备具有重要的影响。

碱浓度的影响： 制备秸秆纸需要添加一定濃度的碱，碱可以溶解秸秆中的木质素大分子，削弱秸秆中纤维素和半纤维素之间的氢键，皂化半纤维素和木质素之间的酯基[10]。

加热时间的影响： 秸秆碱液在加热过程中会散发出青草香味，随着加热时间延长，秸秆碱液会逐渐由透明状变为黄土色，再变为焦土色，最终变为黑褐色，这种黑色的液体是造纸过程中产生的主要污染物，被称为“黑液”，需妥善回收处理。观察发现，加热时长超过10h时，制得的秸秆纸表面较为平滑。

秸秆打浆度的影响： 本实验选用榨汁机对秸秆进行打浆，打浆1min后，可观察到较为细滑的淡黄色秸秆浆液。经抄纸框抄纸并经干燥处理后，得到呈浅黄色的原色水稻秸秆纸，表面虽较为粗糙，但纸张质朴美观。

3.4.2 秸秆纸的微观表面形貌

利用台式扫描电子显微镜观察所制备的秸秆纸表面形貌（见图2），可以清晰地看出秸秆纸是由细长的纤维交织缠绕形成，纤维之间有部分不规则的圆球状淀粉颗粒物，可溶性淀粉的加入可以增加纤维的粘结力。

4 秸秆纸变色实验两则

4.1 趣味实验1： 紫甘蓝pH试纸

花青素是无毒的水溶性色素，水果、蔬菜中的主要显色物质大多与之相关。花青素的主要分子结构为2苯基苯并吡喃阳离子，具有C6C3C6骨架（图3）。不同类型的花青素，其取代基不同，例如，紫甘蓝中主要的花青素分子结构为2（3′，4′羟基）苯基苯并吡喃阳离子（见图3）[11]。酸性条件下，紫甘蓝色素吸收蓝紫色光，因而显粉红色;碱性条件下，紫甘蓝色素经过电子共振形成共轭的羰基结构，羰基的吸收光谱红移，此时该基团吸收橙红色光，因而显黄绿色[12]。不同pH条件下，紫甘蓝色素呈现不同的颜色[13]。

4.1.1 实验步骤

提取紫甘蓝中花青素的方法很多[14，15]，本实验的方法为：

制备紫甘蓝花青素溶液： 称取15g紫甘蓝碎叶，加水60mL，置于榨汁机中榨汁2min;再转入100mL烧杯中，用保鲜膜包裹烧杯口后放入恒温干燥箱中（35℃）恒温30min，过滤并收集紫甘蓝提取液。

制作并应用紫甘蓝pH试纸： 将秸秆纸（3cm×3cm）浸泡于紫甘蓝提取液中，10s后取出，放入电热鼓风干燥箱中（恒温35℃）干燥。重复浸泡干燥步骤（至少三次），制得紫甘蓝pH试纸。用紫甘蓝pH试纸分别检测柠檬汁（鲜柠檬榨取）和汰渍洗衣粉溶液（0.2g·mL-1）的酸碱度。

4.1.2 实验现象与结果讨论

实验提取的紫甘蓝花青素溶液的pH约5～6，呈蓝紫色，当敞口放置时，空气中的二氧化碳会溶于其中，使溶液酸性增强，颜色逐渐由蓝紫色变为粉红色。故建议用新鲜制备的紫甘蓝花青素溶液展开实验，否则需密封并置于阴凉处保存。

用秸秆纸制作的紫甘蓝pH试纸（试纸呈灰紫色），粗测柠檬汁和汰渍洗衣粉溶液的酸碱度。新鲜柠檬汁浸泡紫甘蓝pH试纸后，秸秆纸呈粉红色;汰渍洗衣粉溶液浸泡紫甘蓝pH试纸后，秸秆纸呈绿色。利用普通的商品化pH试纸分别复测柠檬汁和汰渍洗衣粉溶液的酸碱度，所测柠檬汁的pH约为3～4，汰渍液的pH约10～11。实验结果表明，所制备的秸秆紫甘蓝试纸具有普通pH试纸的功能。

4.2 趣味实验2： β环糊精与酚酞的“枫叶”褪色实验

环糊精是由αD吡喃葡萄糖以α1，4糖苷键连接形成的环状化合物分子，其中最常见的是分别含有6、 7、 8个葡萄糖单元的α、 β和γ环糊精。β环糊精的工业生产成本较低，应用范围较广，是目前使用最多的环糊精产品[16]。β环糊精（βCD）是由7个葡萄糖分子连接组成的环状化合物，分子式为C42H70O35，分子结构如图4所示。βCD中每个葡萄糖单元都含有3个羟基（—OH），其中两个仲羟基向外伸展形成大口端，另一个伯羟基向另一侧伸展形成小口端，羟基的伸展方向决定了βCD的外壁具有亲水性，内侧由疏水碳链形成，因此其内侧空腔具有疏水性[17]。βCD最重要的化学性质之一是通过包合作用将不易溶于水的物质包合于疏水空腔内部，形成稳定的包合物，目前已被广泛应用于医药、食品加工业、日用化工和农业等重要领域[18]。

酚酞是一种典型的酸碱指示剂，分子结构式为C20H14O4，几乎不溶于水，易溶于乙醇等有机溶剂。酚酞试剂在酸性和中性条件下均无色，碱性条件下呈红色，其酸碱平衡反应如图5所示。实验利用酚酞在碱性条件下变红，在形成βCD酚酞包合物后红色褪去的现象展开相关变色实验活动。

4.2.1 实验步骤

在秸秆纸上用铅笔绘出枫叶画，棉签蘸取1mol·L-1氢氧化钠溶液在枫叶区域内刷涂，自然晾干;再用棉签蘸取0.1%的酚酞试剂刷涂枫叶区域，自然晾干;最后用棉签蘸取饱和βCD溶液刷涂枫叶区域，自然晾干。观察枫叶区域的颜色变化。

4.2.2 实验现象与结果讨论

秸秆纸上绘制的“枫叶”区域的红色酚酞褪色实验现象变化显著。用氢氧化钠溶液刷涂枫叶区域，再刷涂酚酞试剂，枫叶区域变成深红色;当蘸取饱和βCD溶液刷涂秸秆纸的“红枫叶”区域时，“红枫叶”颜色会逐渐褪去。

秸秆纸绘画区域酚酞褪色的原因是不溶于水的酚酞分子易于进入βCD的疏水空腔内部，从而

脱离了碱性环境，

形成无色的包合物分子（包合物的结构示意图如图6所示）[19]。此外，可利用生活中常见的苏打来提供碱性环境。艺术创作不局限于枫叶画，发挥创造力，寓教于乐是本实验的宗旨。

5 实验总结与反思

实验从“纤维素应用”内容出发，利用秸秆为原料进行秸秆纸的实验室制备，同时基于实验趣味性及启迪性考虑，进一步开展秸秆纸变色反应的探究实验。实验活动总结如下：

5.1 化学实验与新问题、新情境结合，体现探究过程的重要地位

教育部新课标倡导创设真实的问题情境，积极开展实验为主的化学探究活动。例如： 如何从工业造纸流程、古法造纸方法中得到启发从而在实验室中生产秸秆纸？科学利用农业秸秆，结合课程所学化学知识和原理，在实验探究过程中激发学习兴趣，培养創新精神和实践能力。

5.2 趣味实验与思想启迪结合，激发探究式学习的内驱力

实验研究是化学学科最核心、最鲜明的特色，趣味实验可以更有效地激发学生的好奇心，提高学生探究学习的内驱力。本实验以废弃的农业秸秆为原料制备秸秆纸，注意实验材料的生活化取材，让学生亲身体验造纸实验，从而激发探究学习的兴趣。此外，秸秆纸的变色实验蕴含着丰富的化学原理，更具趣味性和直观性。通过稻草秸秆变废为宝的实验研究，引发学生对社会问题的关注，能进一步培养学生的科学态度与社会责任感。

5.3 科学实验与真实情境结合，彰显化学科学的实践价值

纸是生活中随处可见的物品，造纸实验的过程让学生进一步感受科技改变生活的魅力。紫甘蓝pH试纸的变色实验，既能学习紫甘蓝在不同酸碱性条件下的变色原理，又能利用紫甘蓝制作pH试纸检测生活中常用物品的酸碱性。另外，βCD是生活中常用的食品添加剂和医药辅料，通过βCD和酚酞的主客体相互作用引起的颜色变化，可以直观地感受“结构决定性质”的化学观念。

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