蔬菜染色再生纸制作的科普实验

田童瑶，何东青，高溥，谢旭东，李选晋，李艳，张华峰，张颖

陕西师范大学化学化工学院，西安710119

纸制品在生产生活中的应用十分广泛，书本、纸袋、纸巾以及纸箱等为人类生活带来了巨大的便利。纸的制作是人类智慧的结晶，传统造纸术的主要原料是树木，随着人类对纸制品需求越来越大，为获取更多原料而过度砍伐树木带来的水土流失、温室效应、沙漠化等环境问题对人类生存造成了严重威胁[1,2]。因此，为了减少原材料的消耗，人们将废旧用纸分类后统一处理，经过碎纸、脱墨、洗浆、制色、抄纸、烘干等流程生产为再生纸[3]。再生纸可应用于生产食品包装纸、瓦楞纸板、新闻纸、印刷纸和书写纸等，在节约自然资源的同时为人类带来了巨大的经济效益[4-6]。

天然色素是由植物、动物或微生物产生的生色化合物，包括叶绿素(黄绿色、蓝绿色)，类胡萝卜素(黄色、橙色、红色)，藻青蛋白(蓝色)，花青素(红色、紫色、蓝色)和甜菜碱(红色)等多种类型[7-10]。人们常用丰富多彩的天然色素进行染色，经染色的布料、纸张、食物以及蕴含人类智慧的手工艺品等呈现美丽的色彩[11,12]。就纸张的染色而言，我国古代的人们已经发现并应用天然色素对纸张进行染色，不仅可以起到美化的作用，也可以在一定程度上具有防蛀功能[13]。时至今日，天然色素仍然在人们生活中扮演着不可或缺的角色，不仅是厨房中获取食物色彩的主要来源，也和身体健康密切相关[14]。因此，科学地认识、提取和利用天然色素是人们健康生活、探寻色彩世界的必经之路。

本科普实验在介绍造纸中的化学原理的基础上，选取生活中常见的蔬菜介绍天然色素知识，设计了具有科学性、趣味性和易于操作的蔬菜染色再生纸制作实验。本科普实验具有原料易得、实验操作方法简单易行等特征。一方面，期望参与者通过再生纸制作了解造纸工艺的一般性方法，增强可持续发展意识；另一方面，参与者通过掌握天然色素的提取方法，加深对天然色素的科学认识，增强对生活中的化学以及绿色化学的理解。

1 实验部分

1.1 实验原理

1.1.1 纸张中的纤维素

纤维素是地球上最丰富的天然生物聚合物，由成千上万重复的多羟基葡萄糖(C6H12O6)单元组成，其特征是每个葡萄糖单元有三个羟基，可赋予生物大分子高度的功能性，具有可再生、可生物降解、无毒等特点[15]。此外，纤维素分子内与分子间都存在着多个氢键，这些氢键结构起着支撑纤维素以及组合纤维素形成纤维束的作用，纤维束之间相互缠绕构成纸张的主要结构[16](纤维和纤维素的结构如图1所示)。同时，造纸过程中还需要添加增白剂、施胶剂、填料等化学药品，以满足常用纸张的不同功能性要求[17]。

图1 纸张中的纤维、纤维素及氢键结构示意图

就纸张的化学结构而言，纸张在遇水后纤维素分子间的氢键会发生断裂，纤维素分子上的羟基与水分子形成氢键，故而具有吸水特性。纸张经粉碎成浆、再次抄纸后断裂的氢键可重新连接，即形成再生纸，纸张的这种特性也决定了其优良的可再生特性[18]。

1.1.2 蔬菜中的色素

天然色素取之于自然，原料来源丰富，色彩自然，是一种优良的纸张染色剂，按照溶解度可以将其分为水溶性色素和脂溶性色素。本文选择了富含脂溶性和水溶性的多种天然色素的菠菜、胡萝卜和紫甘蓝三种常见蔬菜来提取色素。

叶绿素是菠菜中含量最为丰富的天然色素，是一种脂溶性色素，其分子结构由卟啉环与镁原子配位形成[19]。叶绿素主要包含呈蓝绿色的叶绿素a和黄绿色的叶绿素b，且两者化学结构仅在吡咯环上相差一个基团，前者为甲基，后者为甲醛基[20](叶绿素结构如图2所示)。叶绿素暴露在光照、高温以及酸性介质等环境时，其结构中的镁被两个氢原子取代，产生棕色的脱镁叶绿素。因此，一般可在避光、低温条件下使用有机溶剂提取叶绿素[21]。

图2 菠菜中叶绿素的结构式

胡萝卜主要含有β-胡萝卜素和叶黄素两种类胡萝卜素。β-胡萝卜素可以在体内转换为维生素A，具有护眼、保护呼吸系统和泌尿系统的作用。叶黄素在人类视网膜黄斑区积累，预防老年性黄斑变性，对人类健康发挥重要作用[22](类胡萝卜素结构如图3所示)。类胡萝卜素是一种脂溶性色素，其结构中含有共轭双键长链结构的生色团，此共轭双键长链结构在光照、高温和氧处理等处理和储存条件下会发生结构异构化，稳定性较差，因此，类胡萝卜素一般采用有机溶剂避光提取[23-25]。

图3 胡萝卜中胡萝卜素与叶黄素的结构式

紫甘蓝、紫薯、葡萄籽和许多花朵中都蕴含丰富的花青素，花青素有一定的抗氧化、清除自由基、抗衰老、抗炎症和降血压的作用[26]。花青素是以花青素、天竺葵素和牡丹素为基础的糖苷组成的富含羟基的水溶性色素[27]。花青素的共振结构决定了其不稳定性，使花青素在光照和高温条件下都易发生结构改变[28]。花青素在不同pH下的水溶液中会发生结构转化，因而呈现不同的颜色，其中，酸性条件下更有利于花青素维持稳定的结构[29](花青素结构随pH变化见图4)。

图4 紫甘蓝中花青素的结构式

1.2 实验试剂、材料、仪器与表征方法

1.2.1 试剂

无水乙醇、盐酸和可溶性淀粉均为分析纯(均购买于国药集团化学有限公司)，实验用水为去离子水。

1.2.2 材料

废旧打印纸、定性滤纸、抄纸框(18 cm × 15 cm)、铝箔纸、菠菜、胡萝卜、紫甘蓝，实验所用蔬菜均经去离子水多次洗涤、烘干后使用。

1.2.3 仪器

U-3900/3900H型号紫外-可见分光光度计(日本Hitachi公司)、Lambda 1050型号紫外-可见近红外光谱仪(美国Perkin-Elmer公司)、SHB-III型号循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司)、KQ5200DE型号超声波清洗机(昆山市超声仪器有限公司)、JYZ-D57型号榨汁机(九阳股份有限公司)。

1.2.4 表征方法

采用紫外-可见分光光度计对制备的蔬菜色素提取液进行吸收光谱测定，此分光光度计在紫外区以氘灯为光源、可见光区以钨灯为光源，测试波长范围为200-800 nm，狭缝宽度为1 nm，扫描速度为600 nm·min−1。

采用紫外-可见近红外光谱仪对制备的蔬菜染色再生纸进行吸收光谱测定，该仪器在紫外区以氘灯为光源、可见光区和近红外区以卤素灯为光源，测试波长范围为200-800 nm，狭缝宽度为2 nm，扫描速度为266.72 nm·min−1。

1.3 实验步骤

1.3.1 原色纸浆的制备

称取2.0 g废旧打印纸，用剪刀剪成细条状；加入100 mL热水，浸泡30 min后用榨汁机将其搅碎；再向其中加入1 g水溶性淀粉，继续搅拌1 min制得纸浆(打印纸再生纸浆制备过程示意图见图5)。

图5 打印纸再生纸浆的制备过程示意图

1.3.2 菠菜、胡萝卜中色素的提取

称取一定量的菠菜叶、胡萝卜，经榨汁机打碎后放入以锡箔纸包装的烧杯中，加入100 mL无水乙醇，在常温和避光条件下超声处理60 min (超声功率100 W)；经抽滤，得到绿色的菠菜提取液或黄色的胡萝卜提取液(提取过程示意图见图6)。

图6 菠菜、胡萝卜中色素提取过程示意图

1.3.3 菠菜、胡萝卜染色再生纸的制作

将菠菜和胡萝卜提取液加到原色纸浆中，搅拌均匀后封口、避光静置12 h，使纸浆充分染色，得到菠菜和胡萝卜染色纸浆。

将菠菜、胡萝卜染色纸浆搅拌均匀后倒入盛有约3 L水的盆中，用玻璃棒进一步搅拌均匀后，再用抄纸框进行抄纸，静置10 min。用定性滤纸吸干纸表面的大部分水分，再使用吹风机将其吹干，得到绿色的菠菜染色再生纸和浅黄色的胡萝卜染色再生纸(染色再生纸制作过程示意图见图7)。

图7 菠菜、胡萝卜染色再生纸制作过程示意图

1.3.4 紫甘蓝中色素的提取

称取20 g紫甘蓝叶，经榨汁机打碎后；加入100 mL盐酸水溶液(0.3 mol·L−1)，在常温条件下超声处理60 min (超声功率100 W)；经抽滤后，得到玫红色的紫甘蓝提取液(提取过程示意图见图8)。

图8 紫甘蓝色素提取过程示意图

1.3.5 紫甘蓝染色再生纸的制作

将原色纸浆倒入盛有大约3 L水的盆中，搅拌均匀后用抄纸框抄纸；用吹风机干燥，得到原色再生纸。将其浸入紫甘蓝提取液中，浸泡2 h后用吹风机干燥，得到玫红色的紫甘蓝染色再生纸(紫甘蓝染色再生纸制作过程示意图见图9)。

图9 紫甘蓝染色再生纸浸泡法染色过程示意图

2 实验结果与讨论

2.1 三种蔬菜提取液UV-Vis光谱

通过紫外-可见分光光度仪对所制备的三种蔬菜提取液进行光谱分析。结果表明，菠菜提取液在220 nm和664 nm处的吸收峰对应于叶绿素的光学特征吸收[30]；435 nm处的三个组合吸收峰对应于类胡萝卜素的特征吸收[31]。胡萝卜提取液在428 nm、450 nm和475 nm处的吸收峰对应类胡萝卜素的特征吸收。紫甘蓝盐酸提取液在519 nm处的吸收峰对应花青素的特征吸收[32](三种蔬菜提取液UV-Vis光谱图如图10所示)。

图10 三种蔬菜提取液UV-Vis光谱图

2.2 三种蔬菜染色再生纸UV-Vis光谱

通过紫外-可见近红外光谱仪对所制备的三种蔬菜染色再生纸进行光谱分析，结果发现，绿色的菠菜染色再生纸435 nm左右的类胡萝卜素特征峰已经消失，但还保留着669 nm左右的叶绿素的特征吸收。浅黄色的胡萝卜染色再生纸较好地保留着类胡萝卜素454 nm左右的特征吸收。玫红色的紫甘蓝染色再生纸的花青素的特征吸收在549 nm左右，相比其提取液出现一定程度的红移(三种蔬菜染色再生纸UV-Vis光谱图如图11所示)。

图11 三种蔬菜染色再生纸及UV-Vis光谱图

3 科普展示与互动方案

3.1 再生纸展示

本实验通过改变染色方法，获得了三种蔬菜的染色再生纸(所制作的不同蔬菜染色纸照片如图12所示)。就蔬菜染色再生纸颜色的稳定性来说，由于天然色素在空气中的稳定性较差，染色后的再生纸长期暴露在空气中颜色会变浅。此外，紫甘蓝染色再生纸的颜色还会发生由红至蓝的颜色变化，这是因为紫甘蓝染色再生纸暴露在空气中，环境的pH不再是强酸性，由此导致纸张中花青素的结构发生改变，从而使纸张变色。此外，通过调整菠菜染料配比，制作得到了颜色深浅不同的菠菜染色再生纸，同样，放置30 d后，再生纸的颜色也明显变浅。

图12 实验所制作的蔬菜染色纸照片

3.2 再生纸创意作品

除了蔬菜染色再生纸的制作，为了提升蔬菜染色纸科普实验的展示性、趣味性和互动性，本实验还设计开发了一些蔬菜染色再生纸以及染色纸浆的创意作品。比如，用不同颜色的蔬菜染色纸制作成色彩绚丽的纸花、纸飞机和花草再生纸等作品(部分作品见图13)。该活动不仅可以将废旧用纸合理利用，又充分体现了创作者的创意和绿色化学的思想。

图13 蔬菜染色纸部分创意作品展示

3.3 蔬菜染色纸浆创意作品

经蔬菜染色后的染色纸浆可作为绘画“颜料”，在绘制好的画面上将染色纸浆填涂，经干燥即可得到一副既美观又有立体感的蔬菜染色纸浆创意画和创意杯垫(如图14所示)。

图14 蔬菜染色纸浆部分创意作品展示

4 总结和展望

本科普实验具有原料易得、实验操作方法简单易行等特征，以废旧打印纸和蔬菜为原料，可以体验天然色素的提取和再生纸的制作过程。通过改变色素提取液浓度可以制作颜色深浅不同的再生纸。该科普实验所得的蔬菜染色纸和染色纸浆还可用于手工创作和绘画涂色等活动，有利于参与者体验化学研究的乐趣，以此提升化学科学素养。此外，制作再生纸的原料还可以拓展为报纸、牛皮纸、包装纸等，这种再生纸的制作方法可以充分回收利用生活中的废旧用纸，变废为宝，还可以充分发挥创意变“废”为漂亮的手工艺品，让化学实验走进生活，增添生活的趣味性，在日常中提升科学素养。