從高中生物到諾貝爾獎

張磊

2015年，中國科學家屠呦呦獲得諾貝爾生理學或醫學獎，實現了本土科學家在本土研究獲得諾獎零的突破。屠呦呦的研究成果與高中學生有什么關系？其實，諾貝爾獎并不那么高深莫測，遙不可及，筆者嘗試把諾貝爾獎的相關成果與高中教學內容進行整合，對學生獲得知識與能力以及培養情感、態度與價值觀均具有重要意義。

筆者將高中生物教學中的三個“提取”實驗和諾貝爾獎中的“青蒿素提取”實驗，進行對比分析，以此幫助學生梳理“提取”實驗中的關鍵知識點和步驟，也表明諾貝爾獎確實并非高深莫測，從而拉近學生與科技熱點的距離，激發學生關注前沿科技的興趣。教師促使學生樹立信念從高中生物實驗到諾貝爾獎，也許就是一步之遙。

1幾個實驗的共性——固液萃取

萃取是利用混合物中各組分在某溶劑中的溶解度差異來分離混合物的一種操作，而分離固體混合物的萃取操作則稱為固液萃取。它利用有機或無機溶劑將固體原料中的可溶性組分溶解，使其進入液相，再將不溶性固體與溶液分開，獲得溶液中的有效成分。前文所提到的4個“提取”實驗（高中生物學中三個“攝取”實驗和“青蒿素提取”實驗）均具有這個共性——固液萃取。

2萃取的關鍵——萃取劑

萃取劑即用于萃取的溶劑，是萃取能否成功的關鍵。在實際操作中，萃取劑的選擇應以擬提取有效成分及其性質作為主要依據。有效成分在溶劑中的溶解度越大，無效成分在溶劑中的溶解度越小，提取效果才能越好。另外，萃取劑還應盡量無毒、價廉且易于回收。

萃取劑可分為親水性溶劑和親脂性溶劑。一些常見萃取劑的親水性強弱順序為：水>甲醇>乙醇>丙酮>乙酸乙酯>乙醚>氯仿>苯>石油醚。其中，水具有價廉、無毒和提取范圍廣等特點，是最常用的萃取劑。但是，由于水的選擇性較差，提取液中常含有大量的無效成分，給純化帶來一定的困難。乙醇的溶解性介于親水性和親脂性溶劑之間，不同含量的乙醇溶液適合提取不同物質。如體積分數大于90%的乙醇溶液適用于提取揮發油、葉綠素等成分；體積分數為50%～70%的乙醇溶液適用于提取生物堿等成分。乙醚和石油醚等親脂性有機溶劑，在作為萃取劑時，選擇性較強，提取液中雜質較少，常用于脂溶性有效成分的提取。另外，在提取過程中，單一的萃取劑效果可能不好，需加入輔助劑用于增加有效成分的溶解度及制品的穩定性，或用于除去或減少某些雜質。

前述中“提取”實驗所使用的萃取劑和輔助劑如表1所示。

由表1可知，在高中實驗中，葉綠素作為脂溶性分子，可以用丙酮或乙醇作為萃取劑，而石英砂和碳酸鈣作為輔助劑，可以幫助研磨、保護葉綠素的穩定；胡蘿卜素易溶于有機溶劑，在高沸點、不溶于水的石油醚中具有較好的提取效果；DNA可以用特定濃度的氯化鈉作為萃取劑，使DNA溶于其中，而洗滌劑有助于溶解細胞膜，增加DNA在氯化鈉中的溶解。

青蒿素的提取，在當時是個世界難題。有古書曾記載利用水作為萃取劑，熱水煮青蒿來治療瘧疾，但經過研究者的驗證，這種方法沒有什么效果。經過無數次失敗，研究者決定改用有機溶劑進行直接提取，那么，什么樣的有機溶劑適合作為提取青蒿素的萃取劑呢？諾貝爾獎獲得者屠呦呦在發現乙醇提取效果不佳時，首先采用了沸點較低的乙醚進行實驗，直到第191次，才真正發現了有效成分青蒿素，這一方法是當時發現青蒿粗提物有效性的關鍵。

其實，在固液萃取時，萃取劑的選擇并不是唯一的。如青蒿素的提取，科學家就曾試驗過甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、氯仿、苯、石油醚和正己烷等多種萃取劑，結果證明乙醚、石油醚和正己烷都具有較好的提取效果。

3萃取的過程與效果

大多數的固液萃取都需要先對原料進行預處理，包括干燥脫水和粉碎。在萃取過程中，粉碎的原料顆粒與萃取劑接觸，并被萃取劑潤濕，同時萃取劑通過毛細管和細胞間隙滲透至原料細胞組織內，溶解有效成分。萃取劑溶解有效成分后，形成的濃溶液具有較高的滲透壓，不停地向周圍擴散，推動萃取過程持續進行。因此，萃取就包括潤濕、滲透、溶解和擴散四個步驟。

在整個萃取過程中，影響萃取效果的因素除了萃取劑的性質和用量，還包括原料顆粒大小、萃取的溫度、壓力和時間等。一般來說，原料顆粒越小，萃取溫度高，時間長，萃取劑用量多，提取次數多，需要提取的物質就能夠充分溶解，萃取效果就好。隨著技術的發展，超聲波、微波、酶等手段的應用，也可以加速萃取過程，提升萃取效率。

從萃取的過程來看，高中實驗中的DNA和葉綠素提取，采用的是新鮮組織，沒有進行干燥的預處理。這是為了避免對有效成分的破壞。胡蘿卜素和青蒿素的萃取過程則與上文所述相同。

從影響萃取效果的因素來看，高中實驗中的胡蘿卜素提取，對原料顆粒的大小、緊密程度、含水量、萃取的溫度和時間等有過描述。而在青蒿素提取過程中，科學家則對這些影響因素進行了具體實驗對比。黃花蒿原料的顆粒大小直徑為0.18～0.425mm，青蒿素的提取量隨著顆粒減小而增加，但顆粒小于0.18mm后，青蒿素的提取量反而逐漸減少；當提取溫度在30～50%時，青蒿素的提取量隨著提取溫度的增加而增加，之后，隨著提取溫度的增加而逐漸減少。這是因為溫度過高，會使得青蒿素的結構遭到破壞，反而不利于提取；提取時間為1h，青蒿素提取效率最高。之后，隨著提取時間的延長，提取量不再明顯增加；攪拌速度對青蒿素的提取效率也有顯著影響，在相同條件下，青蒿素的提取效率隨著攪拌速度的增加而增加，但攪拌也同時增加了提取成本。可見，在萃取實驗中，把握好這些影響因素，才能獲得更好的萃取效果。

4小結

固液萃取，其實是生活中常見的提取方式，比如泡茶、沖咖啡和水煎中藥等。隨著人們生活水平的提高與工業發展，固液萃取應用的領域也越來越廣泛，如從菜籽中榨油、從甜菜中提取糖，還有從中草藥植物中提取藥用成分等。中學生在學習生物時，將學習與日常生活和科學進展相結合，挖掘其中豐富的教育價值，將得到極大的收獲。