吳云英，徐浚芯，朱玉芳，楊麗君，陳文靜

(玉溪師范學(xué)院 化學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，云南 玉溪 653100)

0 引言

酸堿指示劑是指在一定pH值范圍內(nèi)顯示一定顏色的試劑，常用的酸堿指示劑有酚酞、石蕊、甲基橙等，它們是一類結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的有機(jī)弱酸或有機(jī)弱堿，由于結(jié)構(gòu)上的變化，它們的分子和離子具有不同的顏色，因而在pH不同的溶液中呈現(xiàn)不同的顏色。

300多年前，英國年輕的科學(xué)家羅伯特·波義耳在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)酸堿會使花瓣的顏色變色[1]，隨著現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展更多的酸堿指示劑被發(fā)現(xiàn)，并且在日常生活中我們會觀察到將牛奶倒入紫薯中，紫薯泥會從紫色變成藍(lán)色，清洗泡過黑枸杞的杯子時(shí)，杯子會從紫色變?yōu)樗{(lán)色，從這些現(xiàn)象中我們可以知道我們能提取這些物質(zhì)中的色素來取代酸堿指示劑在pH 1～pH 14下的變色情況。原因是在這些物質(zhì)中含有大量花青素分子并且花青素中存在分子共扼體系，在酸性、堿性和中性溶液中呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)[2]，有易溶于水、甲醇、乙醇、稀堿與稀酸等極性溶劑中的性質(zhì)。指示劑的顯色與其微觀結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)，有機(jī)物結(jié)構(gòu)中的共軛體系越大，物質(zhì)顯示的顏色越深，所以會出現(xiàn)pH不同，顏色變化的情況。本文所選原材料在日常生活中是較易獲得的植物，所得自制酸堿指示劑能粗略檢測果汁、飲品及其他日用品的pH值。

1 材料與試劑

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

本實(shí)驗(yàn)用于色素的提取的原料包括蔬菜、花、干果類。蔬菜類：紫甘藍(lán)、紫薯；花類：杜鵑(映山紅)[3]、非洲菊；干果類：黑枸杞[4]、干桑葚。95%乙醇，蒸餾水，鹽酸，醋酸，氫氧化鈉，氨水。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

研缽，膠頭滴管，200目紗布，燒杯，白色滴瓶，點(diǎn)滴板，試管。

1.2 提取液的制備

1.2.1 樣品預(yù)處理

將樣品進(jìn)行預(yù)處理，蔬菜類需切成小塊進(jìn)行研磨，再加入溶劑浸泡30 min[5]，然后過濾；花類則需要去除花蕊[6]后直接放入研缽中搗碎后再加入溶劑浸泡，然后過濾；干果類[7]只需要直接加入溶劑浸泡后過濾即可。

植物的預(yù)處理是為了在更短的時(shí)內(nèi)能提取更多的色素，如表1所示。不同植物的處理方法不同，對于質(zhì)地較硬，并且體積也較大在處理時(shí)要將其切碎，再用溶劑浸泡，體積較小，可直接用溶劑提取色素。

表1 色素提取的方法Tab.1 Method for extracting pigment

1.2.2 不同溶劑的提取效果

按上述提取色素的方法，用幾種不同的溶劑：95%乙醇，同等體積的95%乙醇和去離子水(47.5%乙醇)，去離子水，分別提取色素制成提取液，觀察提取液的顏色，如表2所示。

表2 植物色素在不同溶劑中的溶解情況Tab.2 Dissolution of plant pigments in different solvents

同種物質(zhì)不同溶劑的提取液的顏色不同，由95%乙醇，47.5%乙醇，去離子水所提取的提取液的顏色出現(xiàn)由淺到深的變化，以去離子水作為溶劑的提取液除了紫甘藍(lán)之外，所有提取液的顏色都最深；同種溶劑對不同物質(zhì)的提取效果也不同，95%乙醇能有效提取蔬果類，花類物質(zhì)但對干果類的提取效果卻幾乎無效，去離子水能提取所有物質(zhì)的色素，但顯色效果還需進(jìn)一步確認(rèn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 自制指示劑在pH 1～pH 14的條件下的顯色情況

2.1.1 pH系列溶液的配制

用1 mol/L的氫氧化鈉，1 mol/L的氨水，1 mol/L的鹽酸，1 mol/L的醋酸和蒸餾水分別配置30 mL的pH 1～pH 14的系列[8]溶液，分別裝入白色滴瓶中，并貼好標(biāo)簽備用。

2.1.2 自制酸堿指示劑在pH系列溶液中的顯色情況

取白色點(diǎn)滴板，在點(diǎn)滴板上依次滴加4～5滴pH 1～pH 14的溶液，再向其中滴加1～2滴的提取液，觀察溶液顯色情況[8-9]，如表3和圖1所示。

圖1 自制指示劑在不同pH中的顯色情況圖Fig.1 Color development diagram of self-made indicator in different pH

表3 自制指示劑在不同pH中的顯色情況Tab.3 Color development of self-made indicator in different pH

選用pH 1～pH 14的溶液體積略多于提取液體積，因?yàn)閜H溶液為無色所有就算無明顯的顏色變化也只會略稀釋提取液顏色，但若提取液體積多于pH溶液，則可能發(fā)生顏色改變，不能顯現(xiàn)真實(shí)顏色，比如：提取液顏色為紅色，加入某種pH液時(shí)顯色應(yīng)為藍(lán)色，當(dāng)提取液顏色多于pH溶液則顏色會顯現(xiàn)為紫色，與正確顯色為藍(lán)色出現(xiàn)偏差。

由表3中的顯色情況可知，不同植物會有不同的變色范圍與顯色情況，不同的溶劑對同植物的色素提取效果不一樣，同種溶劑對不同植物的提取效果也不同，并且提取液的顏色并不是越深越好，通過pH計(jì)可測的各種提取液的pH值，原溶劑pH值為：95%乙醇為8.48，47.5%乙醇為7.64，去離子水為6.70，通過與溶劑pH對比可以發(fā)現(xiàn)全部提取液均發(fā)生pH降低的情況，并且顏色越深的提取液pH降低的越大，通過其顯色情況與原液顏色的對比可知紫甘藍(lán)、紫薯、映山紅和黑枸杞的檢測酸堿情況較好。

2.2 最佳溶劑選擇

2.2.1 提取液的保質(zhì)時(shí)間

將上述在不同溶劑中提取的提取液保存在白色小滴瓶中，定時(shí)測試它們在不同pH下的顯色情況，觀察它們在同樣的pH下顏色是否變化，從而可知各種提取液的保質(zhì)時(shí)間。

由表4可知95%乙醇、47.5%乙醇和去離子水3種溶劑所提取的提取劑保質(zhì)時(shí)間有很大的區(qū)別，其中除了非洲菊在以47.5%乙醇和去離子水作溶劑下其顯色效果不好，黑枸杞和干桑葚在以95%乙醇作溶劑下幾乎不能提取色素以外，紫甘藍(lán)，紫薯，映山紅都是以95%乙醇作為溶劑的保質(zhì)時(shí)間最長，蔬菜類的保質(zhì)時(shí)間都超過了10 d，花類也在5 d以上；干果類在47.5%乙醇和去離子水中的保質(zhì)時(shí)間差不多都非常短只有2 d。

表4 提取液在不同溶劑中的保質(zhì)時(shí)間Tab.4 Shelf life of extract in different solvents

2.2.2 自制酸堿指示劑不同時(shí)間里的顯色效果

由最佳溶劑所制的酸堿指示劑在不同的保質(zhì)時(shí)間內(nèi)，不同的pH下的顯色情況和溶液pH的變化。

由表5和圖2所示，隨著時(shí)間的流逝其提取液的顏色會逐漸變淺，并且當(dāng)自制酸堿指示劑超出保質(zhì)時(shí)間后大部分的顏色與未過期時(shí)的顏色不會發(fā)生太大變化，但是會有少部分在相應(yīng)的pH范圍內(nèi)不能正確顯色或不能顯色，通過pH計(jì)測量其pH的變化可見隨著時(shí)間流逝原提取液的pH并不會發(fā)生劇烈變化。

表5 自制酸堿指示劑隨時(shí)間變化顯色情況Tab.5 Time change and color development of self-made acid-base indicator

圖2 自制酸堿指示劑隨時(shí)間變化其顯色的情況Fig.2 Color development of self-made acid-base indicator with time

2.2.3 最佳溶劑

通過以上表中數(shù)據(jù)分析物質(zhì)用不同溶劑提取的提取液在不同pH下的顯色情況，顯色情況的區(qū)分度和其保質(zhì)時(shí)間的長短選擇對于該物種來說最佳的溶劑，如表6所示。

表6 各種色素的最佳溶劑選擇Tab.6 The best solvent selection for various pigments

根據(jù)不同植物在系列pH中的顯色情況，顯色情況的區(qū)分度和保質(zhì)時(shí)期等原因選擇最佳的溶劑，分析以上數(shù)據(jù)可得紫甘藍(lán)、紫薯中在95%乙醇保存時(shí)間更長，并且在原提取液并非為無色的基礎(chǔ)上以95%乙醇作為溶劑所提取的提取液在pH為7的溶液下顯色為無色，區(qū)分度更好，并且在其他pH下的顯色度也很鮮明，所以對于紫甘藍(lán)和紫薯來說最佳溶劑的選擇應(yīng)為95%乙醇。對于映山紅分析了其各個(gè)pH下的顯色度與區(qū)分度發(fā)現(xiàn)95%和47.5%乙醇的顯色效果類似，并且二者的保質(zhì)時(shí)間相差也不大，所以95%與47.5%乙醇都可以作為最佳的溶劑選擇。非洲菊只有在95%乙醇下才有有意義的顯色，所以最佳溶劑就是95%乙醇。黑枸杞和干桑葚在95%乙醇下色素均很難有效提取，并且在pH系列下幾乎無任何顯色，而以去離子水和95%乙醇加去離子水作為溶劑的保質(zhì)時(shí)間都為兩天左右，但是以去離子水作為溶劑時(shí)有更多顏色顯現(xiàn)并且有更好區(qū)分度，所以去離子水是黑枸杞和干桑葚的最佳溶劑。

2.3 自制酸堿指示劑的應(yīng)用

選用水果：檸檬，飲品：雪碧，日用品：洗衣粉用自制酸堿指示劑測定其大概pH值。(注：為了不使實(shí)驗(yàn)品的顏色影響顯色情況，所以選擇的實(shí)驗(yàn)品的原液顏色基本為無色)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)品的處理

檸檬用榨汁機(jī)榨取汁后，200目紗布過濾，倒入燒杯備用；雪碧直接倒入燒杯備用；洗衣粉用水溶解后取上層清液放入燒杯中備用。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)用pH計(jì)測試檸檬，雪碧及洗衣粉溶液的pH值[10]。

2)在白色點(diǎn)滴板上用自制酸堿指示劑測試在pH 1～pH 14下的顯色，再用自制酸堿指示劑。

3)分別測定檸檬汁，雪碧及洗衣粉溶液的顏色對比前面系列pH下的顯色情況[11]，估計(jì)檸檬汁，雪碧及洗衣粉溶液的大概pH值。

由于有些自制酸堿指示劑會出現(xiàn)在不同范圍的pH值下卻有相同或相似的顏色變化，因此會出現(xiàn)在測試某些物質(zhì)pH值時(shí)，不能確定其pH的范圍，例如映山紅pH 4和pH 8的顏色十分相似，黑枸杞pH 3～pH 4和pH 7～pH 8的顏色相似。如表7和圖3所示，對比讀出實(shí)驗(yàn)品大致的pH值和用pH計(jì)準(zhǔn)確測定的實(shí)驗(yàn)品pH值，除非洲菊和干桑葚對檸檬的pH值誤差較大外，其余自制酸堿指示劑的指示功能大概準(zhǔn)確，其中指示效果最好的是紫甘藍(lán)。

表7 3種實(shí)驗(yàn)樣品使用自制酸堿指示劑pH檢測情況Tab.7 pH detection of three kinds of experimental samples using self-made acid-base indicator

圖3 自制酸堿指示劑檢測實(shí)驗(yàn)樣品的情況Fig.3 Testing of experimental samples with self-made acid-base indicator

3 結(jié)論

綜上所述，不同植物會有不同的變色范圍與顯色情況，不同的溶劑對同種植物的色素提取效果不一樣，同種溶劑對不同植物的提取效果也不同，95%乙醇對于蔬果類和花類都是較好的溶劑，但是干果類在95%乙醇中幾乎無色素提取，去離子水所提取的提取液的顏色是3種溶劑中最深的，但顯色效果并不是都是最好的，只有在提取干果類時(shí)去離子水才是提取效果最好并且顯色效果也是最好的，而對于蔬果類和花類并不是提取液顏色越深越好，特別是對于非洲菊來說，顏色越深顯色效果越差，對于蔬果類和花類來說95%乙醇雖然提取液顏色不是最深的但顯色效果卻是最好的。通過各類植物的在系列pH下顯色情況與原液顏色的對比可知顯色效果的好壞順序?yàn)樽细仕{(lán)、黑枸杞>紫薯>映山紅>非洲菊>干桑葚；而對于提取液的保質(zhì)時(shí)間來說，純的95%乙醇的保質(zhì)效果是最好的，其次是95%乙醇加去離子水，最差的是去離子水，所以雖然以去離子水作為溶劑提取的黑枸杞提取液的顯色效果最好，但因其保質(zhì)時(shí)間很短，大概2 d左右，分析所有提取液的顯色效果和保質(zhì)時(shí)間，效果最好的自制酸堿指示劑順序?yàn)樽细仕{(lán)>紫薯>映山紅>黑枸杞>非洲菊>干桑葚；通過用自制酸堿指示劑測定雪碧、檸檬汁及洗衣粉溶液的大致pH對比用pH計(jì)讀出的值，評估得出自制酸堿指示劑的指示劑只能粗略地指示出大致的pH范圍，其中指示效果最好的是紫甘藍(lán)。