廖苑君 張?jiān)?宋一飛 奚 依 孫艷濤**

（1.吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 吉林 四平 136000；2.遼源市第三中學(xué) 吉林 遼源 1362000；3.遼源市老年大學(xué) 吉林 遼源 136200）

一、引言

蝶豆花，別名為藍(lán)蝴蝶，一種鳶尾科的草本植物，最初記載于《神農(nóng)本草經(jīng)》中，其性味辛、苦。蝶豆花中含有豐富的水溶性花青素，維生素A、C 和E 等，具有提高機(jī)體免疫力，幫助提高人體皮膚表面彈力和恢復(fù)光滑程度，預(yù)防胃痛、抗憂郁、抗壓力，鎮(zhèn)靜止驚厥和緩和情緒等保健功效。［1］花青素，又稱花色素，屬于酚類化合物中的黃酮類多羥基化合物，是自然界中廣泛存在的一種水溶性天然色素。［2］由于花青素具有抗氧化、抗衰老、抗炎癥、保護(hù)視力和改善心血管等較高的藥用價(jià)值，目前已廣泛應(yīng)用于食品、藥品和化妝品等領(lǐng)域。［3］

新一輪課程改革，提出了高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)既要蘊(yùn)含學(xué)科基礎(chǔ)特色，又要體現(xiàn)當(dāng)代科技發(fā)展的創(chuàng)新之處。［4］通過查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)使用紫甘藍(lán)、黑枸杞和藍(lán)莓等富含花青素的汁液作為酸堿指示劑應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，具有現(xiàn)象明顯、效果顯著的特點(diǎn)，然而未能找到對(duì)蝶豆花中花青素的相關(guān)研究。本實(shí)驗(yàn)以蝶豆花中花青素為研究對(duì)象，利用紫外分光光度計(jì)探究影響花青素穩(wěn)定性的因素；圍繞花青素具有pH效應(yīng)的性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)日常食用品的酸堿性、鑒別食物的真?zhèn)蔚壬罨瘜?shí)驗(yàn)，突出化學(xué)學(xué)科知識(shí)與生活實(shí)踐相結(jié)合的特點(diǎn)，讓學(xué)生感受到“化學(xué)即生活”，激發(fā)學(xué)生參與探究的熱情，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。

二、設(shè)計(jì)思路

有機(jī)物質(zhì)花青素，選自人教版高中化學(xué)《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》教科書中“酚羥基官能團(tuán)”的內(nèi)容，該模塊要求學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)酚代表物的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)際了解酚類物質(zhì)對(duì)環(huán)境和健康可能產(chǎn)生的影響。［5］本實(shí)驗(yàn)分析了蝶豆花中花青素的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途，利用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行“影響花青素穩(wěn)定性因素”的探究性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，有助于培養(yǎng)學(xué)生“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的化學(xué)學(xué)科觀念。

酸堿滴定法是化學(xué)分析的基本方法之一，反應(yīng)終點(diǎn)一般通過酸堿指示劑顏色的突變來判定，所以對(duì)酸堿指示劑的制備和變色范圍的探究尤為重要。學(xué)生早在初中化學(xué)“酸和堿”教學(xué)內(nèi)容中，就熟知可從牽牛花和紫甘藍(lán)中提取的花青素作為酸堿指示劑，并在實(shí)驗(yàn)中使用過紫色石蕊試液和無(wú)色酚酞試液。學(xué)生往往只是知道幾種常用酸堿指示劑的名稱和變色范圍，而對(duì)指示劑的發(fā)現(xiàn)歷程和變色原理了解不多。本實(shí)驗(yàn)提取蝶豆花中花青素作為酸堿指示劑，進(jìn)行生活化實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生利用所學(xué)化學(xué)知識(shí)對(duì)日常生活現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋，體驗(yàn)化學(xué)與生活的緊密聯(lián)系。

三、教學(xué)組織過程

1.課前準(zhǔn)備

（1）儀器：UV-1780型紫外分光光度計(jì)。

（2）試劑：蝶豆花花青素提取液（稱取5 g蝶豆花，研磨至粉末，用蒸餾水浸泡，過濾，定容至500 mL容量瓶中，得到蝶豆花中花青素待測(cè)溶液，備用）、鹽酸、氫氧化鈉溶液、食用白醋、雪碧、飲用水、蘇打水、純堿水等。

（3）媒體：“移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室”軟件（由于現(xiàn)階段高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)未涉及紫外知識(shí)，教師使用“MLabs”進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)操作，并實(shí)時(shí)講解，使學(xué)生了解紫外分光光度計(jì)的使用原理和操作步驟。）

2.實(shí)驗(yàn)探究

【趣味實(shí)驗(yàn)】用溫水沖泡蝶豆花，得到藍(lán)紫色溶液。先滴加幾滴檸檬汁，溶液變紅色，再繼續(xù)加入蘇打水，溶液變?yōu)榫G色。

【教師講解】蝶豆花含有豐富的花青素。花青素，是一種天然水溶性色素，廣泛存在于花卉的花瓣、深色果蔬和植物根莖中。［6］隨著細(xì)胞液的酸堿性不同，可以呈現(xiàn)多彩的顏色，因此，花青素被稱為自然界的顏色“大師”。從化學(xué)角度看，花青素屬于類黃酮類物質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。請(qǐng)同學(xué)們查閱文獻(xiàn)資料，結(jié)合花青素分子結(jié)構(gòu)，試分析花青素的性質(zhì)和用途。

圖1 花青素的分子結(jié)構(gòu)

【學(xué)生1】花青素分子結(jié)構(gòu)中含有酚羥基，具有還原性，遇到氧化性物質(zhì)可被氧化為羧基，所以花青素被公認(rèn)為最強(qiáng)的天然抗氧化劑之一，是抗氧化藥物的主要成分。［7～8］

【學(xué)生2】花青素分子具有缺電子的結(jié)構(gòu)特征，使其不穩(wěn)定，極易受到活性氧負(fù)離子和自由電子的攻擊，不同溶液的pH值、溫度及金屬離子的種類等在一定程度上均會(huì)影響其穩(wěn)定性。［9］

【教師總結(jié)】“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，根據(jù)圖1，得知花青素具有較高的活性。本次實(shí)驗(yàn)課我們將利用紫外分光光度計(jì)，探究影響蝶豆花中花青素的穩(wěn)定性因素有哪些？采用紫外分光光度計(jì)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的圖像信息探究花青素反應(yīng)的過程及實(shí)質(zhì)，為肉眼觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)的解釋和補(bǔ)充。

設(shè)計(jì)意圖：通過趣味實(shí)驗(yàn)的溶液顏色變化多彩，視覺沖擊力強(qiáng)等特點(diǎn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的好奇心和求知欲。學(xué)生在明確研究對(duì)象后，經(jīng)過查閱文獻(xiàn)，能從物質(zhì)的微觀層面理解花青素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、用途之間的聯(lián)系，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

探究實(shí)驗(yàn)1：配制時(shí)間對(duì)蝶豆花中花青素穩(wěn)定性的影響。

【實(shí)驗(yàn)操作】將課前已制備的蝶豆花花青素提取液放置一段時(shí)間，觀察其顏色變化（見圖2），使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定不同配制時(shí)間下花青素提取液的紫外—可見吸收光譜（見圖3）。

圖2 配制時(shí)間對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】根據(jù)圖2 的顏色變化，并結(jié)合圖3 吸收光譜進(jìn)行分析，蝶豆花中的花青素在紫外光區(qū)280 nm和可見光區(qū)575、619 nm處有強(qiáng)吸收峰，但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，其吸光度逐漸減小，提取液的顏色變淺。

圖3 花青素提取液隨配制時(shí)間變化的紫外—可見吸收光譜

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】蝶豆花中花青素的穩(wěn)定性隨溶液配制時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，最好現(xiàn)用現(xiàn)配。在日常生活中食用蝶豆花飲品時(shí)最好及時(shí)飲用，降低花青素含量的損失。

探究實(shí)驗(yàn)2：pH對(duì)蝶豆花中花青素穩(wěn)定性的影響。

【實(shí)驗(yàn)操作】移取3 mL pH 為1-14 的鹽酸或氫氧化鈉溶液于試劑瓶中，分別加入1mL蝶豆花花青素提取液，觀察溶液的顏色變化如圖4所示。以蒸餾水作參比溶液，設(shè)置掃描范圍為200-800 nm，使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定不同pH水溶液中花青素的紫外—可見吸收光譜（見圖5）。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】不同pH環(huán)境下蝶豆花花青素的顏色變化規(guī)律與其紫外可見吸收光譜的變化趨勢(shì)相似。結(jié)合圖4和圖5可以得知：在紫外可見光區(qū)域，蝶豆花中花青素在237、575 和619 nm 處存在特征吸收峰。當(dāng)pH=1-2時(shí)，強(qiáng)酸環(huán)境破壞了花青素的結(jié)構(gòu)，溶液為粉紅色；隨著pH值由3增加至10，溶液顏色由紫色逐漸變?yōu)樗{(lán)色，特征吸收峰的位置向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，吸光度值呈現(xiàn)增高的趨勢(shì)。當(dāng)pH=11 時(shí)花青素的吸收峰繼續(xù)右移，但吸光值降低，顏色由藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色。當(dāng)pH=12 時(shí)，在380nm 處出現(xiàn)新的較強(qiáng)吸收峰，且吸光值變大。當(dāng)pH=13-14 時(shí)花青素的結(jié)構(gòu)被破壞，無(wú)吸收峰，顏色變?yōu)辄S色。

圖4 pH對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響

【原理分析】結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，反之，性質(zhì)變化也反映出分子結(jié)構(gòu)的改變。從結(jié)構(gòu)上看，花青素屬于有機(jī)弱酸，其變色原理是通過電離平衡移動(dòng)所實(shí)現(xiàn)的（見圖6）。蝶豆花中的花青素在酸性溶液中主要以紅色的黃烊鹽（AH+）形態(tài)存在，在堿性溶液中以藍(lán)綠色的醌式堿（A）形態(tài)存在。隨著pH的升高，黃烊陽(yáng)離子失去質(zhì)子而轉(zhuǎn)變?yōu)轷綁A。［10］所以在不同pH環(huán)境中，花青素的酚式結(jié)構(gòu)與醌式結(jié)構(gòu)之間相互轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生顏色的變化。［11］

圖6 蝶豆花花青素變色原理

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】在不同的pH 下，花青素分子結(jié)構(gòu)中的取代基不同，紫外可見吸收光譜中的特征吸收峰位置和強(qiáng)度不同，所以蝶豆花中的花青素呈現(xiàn)出明顯的pH效應(yīng)。［12］在強(qiáng)酸及強(qiáng)堿條件下，提取液呈現(xiàn)粉紅色和黃綠色，花青素的結(jié)構(gòu)被破壞，不穩(wěn)定；而pH 為4-10條件下花青素的穩(wěn)定性較好，呈現(xiàn)提取液自身的顏色（藍(lán)紫色）。

【知識(shí)延伸】（1）蝶豆花中花青素的顯色受溶液pH的影響，可用于制作簡(jiǎn)單安全的酸堿指示劑，判斷物質(zhì)的酸堿性，指示酸堿反應(yīng)的終點(diǎn)。［13-14］（2）在弱酸、弱堿及中性的環(huán)境中，花青素在紫外光區(qū)的吸光度數(shù)值高于可見光區(qū)的吸光度，說明蝶豆花中花青素能較好地吸收紫外光，在體內(nèi)起到紫外屏障的作用。［15］

探究實(shí)驗(yàn)3：溫度對(duì)蝶豆花中花青素穩(wěn)定性的影響

【實(shí)驗(yàn)操作】向試劑瓶中加入相同體積的蝶豆花花青素提取液，分別置于20 ℃、50 ℃和100 ℃的水浴鍋中，放置一段時(shí)間，觀察溶液的顏色變化（見圖7），使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定不同溫度時(shí)花青素提取液的紫外—可見吸收光譜（見圖8）。

圖7 溫度對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響

圖8 花青素提取液隨溫度變化的紫外—可見吸收光譜

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】從圖7-8中可以發(fā)現(xiàn)，蝶豆花中花青素在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性較好，隨著溶液溫度的升高，分解速度加快。在沸水浴中加入一段時(shí)間后顏色褪去，說明花青素幾乎分解完全。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】蝶豆花中花青素的穩(wěn)定性隨溶液加熱溫度的升高而降低，所以應(yīng)在低溫環(huán)境下放置與保存蝶豆花。在食用蝶豆花飲品時(shí)最好用溫水沖泡，以免花青素被破壞。

探究實(shí)驗(yàn)4：離子對(duì)蝶豆花中花青素穩(wěn)定性的影響

【實(shí)驗(yàn)操作】移取3 mL 蝶豆花花青素提取液于試劑瓶中，分別加入1 mL 0.05 mol/L 含有不同金屬和非金屬離子的溶液。觀察溶液的顏色變化如圖9-10所示，并使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定加入不同離子后溶液的紫外—可見吸收光譜（見圖11-12）。

圖9 金屬離子對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】（1）不同金屬陽(yáng)離子：觀察到圖9中的顏色（在藍(lán)紫—藍(lán)色范圍內(nèi)）無(wú)明顯變化，并結(jié)合圖11的吸收光譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在可見光區(qū)575、619 nm附近有兩處強(qiáng)吸收峰，峰的位置幾乎不偏移，吸光度相差不大。（2）不同非金屬陰離子：從圖10 可觀察到蝶豆花中花青素在溶液中呈現(xiàn)綠色，而在其他陰離子溶液中顏色（藍(lán)紫—藍(lán)色）無(wú)明顯變化。關(guān)于顏色變化的現(xiàn)象可由圖12進(jìn)行解釋：蝶豆花中花青素在含有溶液中，可見光區(qū)575、619 nm附近有兩處吸收峰，峰的位置和吸光度幾乎沒有變化；當(dāng)?shù)够ㄖ谢ㄇ嗨赜龊?，在可見光區(qū)602.5 nm只有一處吸收峰，且吸光度明顯降低。

圖10 非金屬離子對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響

圖11 花青素提取液在金屬陽(yáng)離子溶液中的紫外—可見吸收光譜

圖12 花青素提取液在非金屬陰離子溶液中的紫外—可見吸收光譜

階段性小結(jié)

采用數(shù)字化儀器——紫外分光光度計(jì)進(jìn)行“影響花青素穩(wěn)定性因素”的探究性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖像化的形式進(jìn)行表征，更加直觀精準(zhǔn)，可以對(duì)學(xué)生觀察到的宏觀現(xiàn)象（花青素提取液顏色的變化）進(jìn)行微觀層面（紫外—可見吸收光譜中吸收峰的位置和吸光度的強(qiáng)度的變化）的分析解釋，使學(xué)生深入了解花青素在不同影響因素下的反應(yīng)本質(zhì)及過程，從而得出蝶豆花中花青素具有較高活性的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。拓寬了學(xué)生的化學(xué)視野，改變了學(xué)生的認(rèn)知方式，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

3.實(shí)踐應(yīng)用

生活化實(shí)驗(yàn)：鑒別食品的酸堿性。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】移取4 mL 食用白醋、雪碧、飲用水、蘇打水和純堿水于試劑瓶中，分別滴加10滴蝶豆花花青素提取液作為指示劑，觀察顏色變化。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】向不同食品中滴加蝶豆花指示劑后，溶液顏色的變化如圖13所示。

圖13 蝶豆花花青素提取液在不同物質(zhì)中的顏色

【匯報(bào)分享】

學(xué)生A：蝶豆花提取液可以區(qū)分溶液的酸堿性，選做酸堿指示劑是可行的。所以含有花青素的溶液可以作為酸堿指示劑。

學(xué)生B：根據(jù)溶液顏色的變化，可以判斷出食用白醋和雪碧屬于酸性溶液，飲用水為中性溶液，蘇打水和純堿水為堿性溶液。

學(xué)生C：pH 排序?yàn)椋喊状祝佳┍蹋硷嬘盟继K打水＜純堿水。

學(xué)生D：根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理可知，向溶液中加入白醋，相當(dāng)于增大c（H+），平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，即溶液變?yōu)榧t色；而向溶液中加入純堿，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，溶液變?yōu)榫G色。所以，進(jìn)一步驗(yàn)證了濃度對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)的影響：在其他條件不變時(shí)，增大某一物質(zhì)的濃度，平衡會(huì)向使該物質(zhì)濃度減小的方向移動(dòng)；減小某一物質(zhì)的濃度，平衡會(huì)向使該物質(zhì)濃度增大的方向移動(dòng)。［16］

階段性小結(jié)

基于花青素在不同pH溶液中呈現(xiàn)出絢麗多彩的顏色變化的實(shí)驗(yàn)原理，運(yùn)用蝶豆花自制酸堿指示劑，設(shè)計(jì)鑒別食品酸堿性的生活化實(shí)驗(yàn)。選擇常見的食材作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，貼近生活，拉近學(xué)生與化學(xué)之間的距離，體會(huì)“生活中的化學(xué)”。由于此實(shí)驗(yàn)具有安全易操作、現(xiàn)象明顯、趣味性強(qiáng)等特點(diǎn)，適合開展學(xué)生實(shí)驗(yàn)，既能培養(yǎng)學(xué)生“設(shè)計(jì)并完善實(shí)驗(yàn)方案”“實(shí)驗(yàn)操作”及“現(xiàn)象分析”等能力，又有助于加深學(xué)生對(duì)“酸堿指示劑”和“化學(xué)平衡移動(dòng)”知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解。

4.拓展提高

【布置家庭作業(yè)】請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)到的知識(shí)，思考并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，判斷以下說法的正誤。

（1）天津高考選擇題選項(xiàng)：葡萄中的花青素在堿性環(huán)境下顯藍(lán)色，故可用蘇打粉檢驗(yàn)加紅酒。

（2）網(wǎng)絡(luò)謠言：紫薯包變綠是因?yàn)樽冑|(zhì)了。

（3）是真的嗎：黑枸杞不宜用熱水沖泡。

（4）熱點(diǎn)話題：葡萄籽能夠防衰老，抗氧化。

設(shè)計(jì)意圖：在留給學(xué)生的課后思考作業(yè)中，既包含了花青素的性質(zhì)（還原性、不穩(wěn)定性）問題，又涉及到花青素在生活中的應(yīng)用實(shí)例，讓學(xué)生感受到化學(xué)就在身邊。不僅能讓學(xué)生體會(huì)到設(shè)計(jì)和探究的樂趣，鞏固對(duì)本節(jié)實(shí)驗(yàn)課知識(shí)的理解，還能讓學(xué)生利用花青素的性質(zhì)創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題，認(rèn)可所學(xué)知識(shí)的價(jià)值，達(dá)到學(xué)以致用的目的，提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)踐能力，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

四、結(jié)論與反思

本次探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)符合新課程改革中對(duì)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的要求。通過使用紫外分光光度計(jì)對(duì)蝶豆花中花青素穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行探究，得到“花青素在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、存放時(shí)間長(zhǎng)或含離子的溶液中穩(wěn)定性較差”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。利用數(shù)字化儀器，采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以曲線的形式進(jìn)行表征，使學(xué)生更加直觀地理解化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)，深入掌握化學(xué)反應(yīng)原理，轉(zhuǎn)變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，開拓了學(xué)生的科學(xué)視野，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和探究能力。

通過選擇蝶豆花中的花青素作為研究對(duì)象，貼近學(xué)生的生活，符合學(xué)生的認(rèn)知，突出了化學(xué)學(xué)科知識(shí)與生活實(shí)際相結(jié)合的特點(diǎn)?；诨ㄇ嗨氐男再|(zhì)，可以使用蝶豆花水溶液對(duì)初中化學(xué)“認(rèn)識(shí)酸堿指示劑”中紫甘藍(lán)汁液做酸堿指示劑的內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)充，還可應(yīng)用于部分非金屬陰離子檢驗(yàn)的教學(xué)活動(dòng)中。通過設(shè)計(jì)一些安全易操作、現(xiàn)象明顯、趣味性強(qiáng)的生活化實(shí)驗(yàn)，不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，還能培養(yǎng)學(xué)生探究生活現(xiàn)象的能力，利用所學(xué)化學(xué)知識(shí)對(duì)日常生活現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋，體驗(yàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)在解決實(shí)際問題中的重要作用。