植物颜色“大师”

刘欣晔 蒋郸骥

摘要：紫薯是生活中的常见食材，从紫薯中提取的紫薯色素富含易溶于水的花青素，其颜色随溶液pH变化而变化;酸性Na2SO3水溶液能有效地使紫薯色素褪色，并且通过调节溶液的pH可以使该褪色过程“可逆”地进行;用紫外可见光谱比较系统地分析了紫薯色素在不同pH以及Na2SO3褪色前后分子结构的变化特征;据此，设计了有趣且有明显颜色变化的小实验，并将中学阶段涉及到的“酸碱指示剂”、“SO2的漂白作用”、“化学平衡移动”、“盐的水解”和“肥皂去污”等化学知识渗透其中，边玩边学，有效提升师生科学素养。

关键词：紫薯色素;花青素;pH指示剂;“可逆”褪色;“化学”密信

文章编号：1008-0546（2018）12-0082-04中图分类号：G633.8文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.027

花青素是广泛存在于花朵和果实、能够赋予花朵和果实以丰富颜色的多种天然化合物的统称。从化学角度看，花青素属于类黄酮类物质，它们的分子结构中都具有图1所示的“C6-C3-C6三环”结构 [1，2]。自然界中的花青素超过300种，广泛分布于接骨木红、越橘、紫甘薯、蓝莓、葡萄、黑加仑、紫胡萝卜和紫甘蓝等果蔬中。植物中的花青素是混合物，种类各异和多种成份组合，从而表现出丰富的色彩，因此，花青素是自然界植物的颜色“大师”。紫薯花青素的主要成分是矢车菊素、芍药素及少量天竺葵素的3-O-糖基化合物。天然花青素大多在水和乙醇中具有良好的溶解性，尚没有发现其有明显的毒副作用，因此，作为天然色素被广泛应用于饮料、糖果、果酱等食品中 [3];有研究表明，花青素还具有良好的抗氧化性质，在生物体内，花青素具有抗自由基、抑制癌细胞等重要的生理活性和功能  [4]。

化学，是以实验为基础的自然科学。丰富有趣的化学实验，不仅有助于激发学生学习化学的兴趣，而且有助于学生练习和掌握化学实验操作技能，从而有效提升师生科学素养。基于紫薯花青素丰富的颜色变化，我们设计了一些有趣且伴有颜色变化的小实验，以帮助中学生学习和理解“酸碱指示剂”、“SO2的漂白作用”、“化学平衡移动”、“盐的水解”和“肥皂去污”等知识点 [5]。

一、实验设计

1.实验试剂与仪器

紫薯色素（食品级），湖北紫鑫生物科技有限公司;盐酸、NaOH、十四酸、CCl4、石油醚、Na2SO3和氨水，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司;TU-1950紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限公司;ZF-7A紫外检测灯，上海宝山顾村电光仪器厂;PHS-3C雷磁pH计，上海仪电科学仪器有限公司。

2.实验方法

去离子水配制0.5%和1%紫甘薯色素溶液;分别用盐酸和NaOH配制pH为1～13的水溶液，各取5mL不同pH的水溶液，滴加0.5%紫薯色素溶液0.1mL并用pH计检测和调节溶液pH，观察颜色随pH的变化并测定紫外可见光谱;配制0.5%的Na2SO3水溶液并将其pH调为3;用棉签蘸取1%紫薯色素在滤纸上书写“化学”密信。

3.实验结果与讨论

（1）紫薯色素颜色的pH效应

早在1996年，紫甘蓝色素用作pH指示剂就有文献报导。在pH 6.8～7.8时，天然紫甘蓝色素由紫红变绿;在pH约7.5时，紫甘蓝色素呈蓝色，相当于一种混合pH指示剂 [6]。紫甘蓝色素属于花青素，而紫薯色素也属于花青素，因此，紫薯色素的颜色也应当随pH改变而改变。图2是不同pH紫薯色素水溶液的照片，可见在不同pH条件下，紫薯色素水溶液的颜色呈现多种色彩。pH为1～4时，紫薯色素溶液呈洋红色，pH为5～7洋红色逐渐变浅，pH为8～10变成淡紫蓝色，pH为11呈蓝色，pH为12时呈蓝黄色，pH为13时呈土黄色。可见，紫薯色素水溶液的颜色也表现出明显的pH效应。

物质分子结构决定其性质，反之，性质变化也反映出分子结构的改变。为此，我们测定了不同pH紫薯色素水溶液的紫外可见光谱（图3）。pH为1～10范围内，紫薯色素在290nm和320nm处有很强的吸收，结合530nm处的吸收峰，这是紫薯色素分子结构中具有花青素结构（图1）的特征吸收 [7]，表明紫薯色素属于花青素;pH为11～13范围内，290nm和320nm处的两个吸收峰消失，但在380nm处出现新的较强吸收峰;在pH为1～13范围内，紫薯色素在200nm～350nm范围内的吸光度高于其在400nm～700nm范围内的吸光度，说明紫薯色素对紫外光有很好的吸收，具有抗紫外線的潜能。

可以用紫薯色素分子结构随pH改变而改变的示意图（图4） [8]分析图2和图3所观察到的结果。pH为1～3时，溶液中紫薯色素主要呈红色的黄烊盐AH+形态;随着pH增加，红色黄烊盐失去H+形成蓝紫色的醌碱A;随着pH进一步增大时，醌碱A进一步失去H+变成醌碱阴离子A-。所以，随着pH增加，紫薯色素溶液的颜色发生洋红色-淡洋红色-淡紫色-蓝色-蓝黄色-土黄色递次转变（图2）。

（2）紫薯色素的水溶性及其用作pH指示剂

基于紫薯色素水溶液的颜色随pH改变呈现丰富的颜色变化，我们设计了两个小实验用以验证“紫薯色素水溶性及其用作pH指示剂”的性质。

①实验一

在一个容积为15mL的玻璃瓶中，加入等体积（3mL）的CCl4、水和石油醚，再加入少量紫薯色素，混合均匀后观察到如图5A所示状态。CCl4、水和石油醚彼此间互不相溶，再根据三者的密度（ρ）可知，ρ（CCl4）>ρ（水）>ρ（石油醚），不难判断图5A中，最下层液体为CCl4，中间层液体为水，最上层液体为石油醚;再根据图5A中三层液体只有中间层为紫红色，由此判明，紫薯色素是水溶性的，不能在CCl4和/或石油醚中溶解。向图5A中滴加稀盐酸溶液，可观察到盐酸液滴通过上层石油醚溶入中间水层，且中间层颜色变成鲜艳的洋红色（图5B）;若向图5A中滴加稀NaOH溶液，可观察到NaOH液滴通过上层石油醚溶入中间水层，且中间层颜色变成鲜艳的蓝色（图5C）;若向图5A中交替滴加稀盐酸和稀NaOH溶液，可观察到中间层的颜色在红色和蓝色之间交替变换。

②实验二

在苏教版普通高中课程标准实验教科书化学2专题3的第二单元中，介绍了肥皂的去污作用。肥皂中起去污作用的主要成分是长链脂肪酸钠，比如十四酸钠，它是弱的有机脂肪酸十四酸与强碱NaOH中和反应得到的有机酸盐、属于强碱弱酸盐。而强碱弱酸盐在水溶液中会因为部分水解反应使溶液的pH>7。

向浓度为1%的十四酸钠水溶液中滴加几滴紫薯色素水溶液，可以观察到十四酸钠水溶液呈蓝色（图6 A1，A2为未滴加色素的十四酸钠水溶液），可见，十四酸钠水溶液呈碱性。十四酸钠是一种阴离子型表面活性剂，除了有去污作用，也有良好的泡沫性质，简单振摇十四酸钠水溶液，可以觀察到明显的泡沫（图6 A1）;向十四酸钠溶液中滴加盐酸至溶液呈红色（图6 B1，B2为未滴加色素的十四酸钠水溶液），此时溶液显酸性，图6B中观察到有白色不溶物出现，该白色不溶物为十四酸;加入盐酸，使十四酸钠水溶液中的水解反应向生成十四酸的方向进行（该过程也可以理解为强酸生成弱酸），而十四酸是难溶于水的物质，所以出现白色不溶物;此时，振摇溶液，观察不到有泡沫产生;向十四酸钠溶液中交替加入盐酸和NaOH，可观察到溶液分别呈现红色和蓝色、无泡沫（有不溶物）和有泡沫的现象。

（3）Na2SO3对紫薯色素的可逆褪色作用

在苏教版普通高中课程标准实验教科书化学1专题4的第一单元中提到：“实验证明，SO2能漂白某些有色物质（如品红），这是由于它能与某些有色物质反应，生成不稳定的无色物质。”实际上，紫薯色素也有类似的效果。在SO2漂白品红的过程中，SO2先与水结合形成H2SO3，H2SO3进而与品红反应。因此，本文实验中用酸性Na2SO3水溶液代替“向水溶液中通入SO2”，避免制取有刺激性和毒副作用的SO2气体。

由图7A可见，在pH=3时加入Na2SO3后，原先红色的紫薯色素溶液（图7 A1）明显褪色（图7 A2），原本在530nm处的吸收明显减弱，并且在可见光区的最大吸收波长有明显红移，说明经过酸性Na2SO3作用后，紫薯色素在可见光区的吸收减弱导致其褪色。图7B是花青素与NaHSO3反应过程中分子结构变化的示意图，花青素分子中含氧杂环的3，4-双键与NaHSO3反应，4-C接入磺酸基（SO3H） [9]，导致含氧杂环原有的共轭双键改变，所以紫薯色素的光谱吸收性质发生图7A所示的改变。此外，图7B中示意的花青素与NaHSO3反应，其反应进行的方向容易随反应体系的pH改变而改变;若是pH进一步降低，该反应过程向反方向进行，即已经褪色的紫薯色素又可以逐步恢复其红颜色;反之，pH再次升高，红色的紫薯色素又将再次褪色（图7C）。因此，Na2SO3对紫薯色素的颜色具有“可逆”的褪色作用。

（4）基于紫薯色素-NaHSO3“可逆”褪色作用制作“化学密信”

利用酚酞遇碱变色的原理，可以制作化学密信 [10]。基于图7中所得实验结果，利用NaHSO3对紫薯色素的“可逆”褪色作用，我们也可以制作“化学密信”，所得“化学密信”的显色过程见图8。配制紫薯色素溶液，并将其pH调为3，用棉签蘸取色素溶液在滤纸片上书写“化学”（图8A），向图8A纸片上喷洒pH=3的Na2SO3溶液，几分钟后，纸片上紫红色字迹褪去（图8B）;由图7B可知，这是由于酸性Na2SO3与色素反应形成无色加合物的结果。将图8B无色纸片置于浓盐酸瓶口约10秒钟，纸片上的字迹重新显现且呈红色（图8C），这是由于浓盐酸瓶口会有盐酸酸雾逸出，酸雾与图8B纸片接触，相当于在图8B纸片上喷洒盐酸，依据图7B不难理解，在盐酸作用下，紫薯色素与酸性Na2SO3反应形成的无色加合物重新转变为红色的紫薯色素。将图8C纸片放置在浓氨水瓶口，红色字迹慢慢褪去，约20秒钟后字迹全无（图8D），这是由于浓氨水瓶口有氨气逸出，遇到图8C酸性纸片，发生酸碱中和反应，图8C表面过量的盐酸会逐步被中和，在酸性Na2SO3的作用下，红色紫薯色素逐渐褪色（图7C）。此外，从图3和图7紫外可见光谱可知，无论是pH改变还是Na2SO3褪色，紫薯色素在紫外区的吸收没有显著减弱，因此，将图8B纸片放置于紫外灯下，已经因Na2SO3褪色而隐藏的字迹又清晰可见（图8E）。由此可见，用紫薯色素制作的“化学”密信，可以用多种手段解密。

二、结论

水溶性紫薯色素可以方便地溶于水中形成溶液，其颜色随着溶液pH的变化而变化，可作为酸碱指示剂用于中学化学实验教学;与典型花青素物质类似， 酸性Na2SO3水溶液可以有效地使紫薯色素褪色，并且通过调节溶液的pH可以使褪色过程“可逆”进行，据此性质，可以用作 “化学”密信制作等趣味实验;本文基于紫薯色素设计的小实验，实验现象比较明显，可以用作学生课外兴趣实验和教师课堂演示实验。可见，化学联系生活，学科素养基于实验创新。世界上不是缺少美，而是缺少发现的眼睛。

参考文献

[1]  J. M. Bueno， F. Ramos-Escudero， P. Sáez-Plaza， A. M. Muńoz， M. J. Navas， A. G. Asuero. Analysis and antioxidant capacity of anthocyanin pigments Part I [J]. Critical Reviews in Analytical Chemistry， 2012， 42：102-125

[2][8]  J. M. Bueno， P. Sáez-Plaza， F. Ramos-Escudero， A. M. Jiménez， R. Fett， A. G. Asuero. Analysis and antioxidant capacity of anthocyanin pigments Part II [J]. Critical Reviews in Analytical Chemistry， 2012， 42：126-151

[3]  孙鹏尧，周芳宁，李喜层，曹燕华，袁素辉，牟德华.紫甘薯饮料中花青素的稳定性研究[J].食品工程，2014，3：28-32

[4]  罗春丽，王林，李杏，张子程，张久亮.紫薯花青素体外抗氧化及对H2O2诱导HepG2细胞氧化损伤的保护作用[J].食品科学，2015，36（17）：225-230

[5]  王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学（必修，选修）[M].南京：江苏教育出版社，2007

[6]  卢玉振，袁勋模.一种天然指示剂——紫甘蓝色素[J].贵州科学，1996，14（3）：53-57

[7]  周培剑.紫甘蓝和紫甘薯色素提取及酸碱指示真丝织物的制备[D].杭州：浙江理工大学，2012

[9]  毛建霏，付成平，郭灵安，仲伶俐，雷绍荣.可见分光光度法测定紫甘薯总花青素含量[J].食品与发酵科技，2010，46（2）：101-104

[10]  窦星星，刘雄，王秋月，等.化学密信送情报[J].中学化学教学参考，2016，4：65-66