海藻酸鈉變色微球的制備和表征

許亮亮　陳懿　王曉亞　王漢揚　王鳴遠

摘要：以高一化學2離子鍵為知識背景，設計趣味化學實驗。提取多種天然花青素并制備可變色海藻酸鈉微球，利用色度傳感器對可變色微球緩釋花青素的現象進行定量表征。該實驗可開拓學生的科學視野，有助于對基礎原理的理解，有良好的教學效果。

關鍵詞：趣味化學實驗；天然花青素；海藻酸鈉微球制備；性質表征；實驗設計

文章編號：1005-6629（2018）1-0079-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題提出

核心素養是學生應具備的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，學生核心素養的培養必須通過各學科的教育教學來實現。因此發展學生的學科核心素養已成為基礎教育研究的必然趨勢。高中化學學科核心素養是學生發展核心素養的重要組成部分，是高中生綜合素質的具體體現。有學者對化學學科核心素養的概念內涵、結構層次和建構方法等問題進行討論，也有學者基于化學學科核心素養對教學設計、課堂效度和試題特征等方面展開研究。但基于化學學科核心素養培養的實驗教學案例目前鮮有報道。

隨著社會的不斷進步，化學已成為材料科學、生命科學、環境科學、能源科學、信息科學等現代科學技術的重要基礎。新一輪課改蓄勢待發，高中化學實驗教學亟待開發出一批既能蘊含學科基礎特色又能體現當代科技發展的創新課程，以拓展學生學習空間，引導不同學生學習不同的化學，以適應未來發展的多樣化需求。基于以上思考，通過實驗嘗試成功開發“海藻酸鈉變色微球的制備和表征”趣味化學實驗課程，將其應用于高一《實驗化學》選修課上，大大激發學生學習化學的興趣，培養學生的創新精神和實踐能力，最終促進學生化學學科核心素養的養成。

2設計思路

《普通高中化學課程標準（征求意見稿）》將高中化學學科核心素養分為“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學精神與社會責任”五個維度。本實驗基于以上五個維度，以高一化學2離子鍵為知識背景，讓學生提取多種天然花青素，制備可變色海藻酸鈉微球，利用色度傳感器對微球緩釋花青素的現象進行定量表征，開拓了學生前沿科學視野，加深了對基礎原理的理解，取得了良好的教學效果。具體設計思路見圖1。

3實驗原理

花青素也稱為花色素、花色苷，屬于生物類黃酮物質，是一種水溶性色素，隨著溶液酸堿性不同，可呈現多彩的顏色。已知天然存在的花青素有250多種，廣泛存在于如紫甘藍、藍莓、櫻桃、草莓、桑葚、山楂等許多植物中。花青素安全無毒，具有一定的營養保健作用，但穩定性不好，食品工業上常將其進行微球包埋，以提高其在功能性產品中的可用性。從紫甘藍中提取花青素作為酸堿指示劑，學生初三時就已熟知。本實驗采用簡單的水溶液提取法，讓學生提取了紫葡萄、楊梅、車厘子、藍莓、紫甘藍、莧菜、火龍果、黑枸杞等常見水果蔬菜中的八種花青素原液，分別加入一定量的從海藻中提取的天然多糖海藻酸鈉，得到海藻酸鈉一花青素混合液。將混合液滴入CaCl₂溶液中，Ca²⁺立即滲入海藻酸鈉液滴內部，利用離子鍵將海藻酸鈉液滴交聯固化成球，即制得八種包埋不同花青素的海藻酸鈉變色微球。取用一定量包埋紫甘藍花青素的海藻酸鈉微球置于一定體積的37%模擬胃液中，用色度傳感器對花青素的緩釋性能進行定量分析。

4實驗過程

4.1儀器和藥品

海藻酸鈉、紫葡萄、楊梅、車厘子、藍莓、紫甘藍、莧菜、火龍果、黑枸杞、氯化鈣、鹽酸、氫氧化鈉、胃蛋白酶、去離子水；塑料滴管、燒杯、玻璃棒、量筒、酒精燈、漏斗、濾紙、圓形篩子（10cm）、培養皿（9cm）、錐形瓶、Vernier色度傳感器、數據采集器

4.2實驗步驟

4.2.1海藻酸鈉微球的制備和變色實驗

（1）稱取100g紫葡萄于燒杯中，加人50mL去離子水，煮沸5分鐘，冷卻后過濾，得到紫葡萄花青素溶液；向20mL紫葡萄花青素溶液加人0.4g海藻酸鈉，微熱至全溶，得到2%海藻酸鈉一紫葡萄花青素混合液；配制50g1%CaCl₂溶液。

（2）用塑料滴管將海藻酸鈉一紫葡萄花青素混合液逐滴滴入CaCl₂溶液，5分鐘后用篩子過濾出來，即制得包埋紫葡萄花青素的海藻酸鈉變色微球。以同樣方法制備包埋楊梅、車厘子、藍莓、紫甘藍、莧菜、火龍果、黑枸杞花青素的海藻酸鈉變色微球。分別取等量微球置于堿性（pH=13）、中性（pH=7）、酸性（pH=1）溶液中，觀察變色情況。

4.2.2包埋花青素海藻酸鈉微球緩釋性能的定量表征實驗

（1）向800mL去離子水中加入9mL濃鹽酸和10g胃蛋白酶，混合均勻，即制得pH=1.2的人工模擬胃液。

（2）取200粒包埋紫甘藍花青素的海藻酸鈉微球，置于37%的100mL人工模擬胃液中，每隔一定時間取2mL溶液于比色皿，迅速放人色度傳感器中，于波長565nm處測定溶液吸光度，對微球緩釋花青素性能進行定量表征。

5實驗現象與結論

將八種海藻酸鈉一花青素溶液分別滴入氯化鈣溶液中，液滴立即交聯固化為海藻酸鈉微球，靜置5分鐘，用去離子水洗滌。將八種不同微球分別裝于三個錐形瓶中，向瓶中加入不同pH的溶液，包埋花青素的微球在不同pH溶液中顯示出不同的顏色，見表1。可觀察到八種不同微球整體上在堿性溶液中顯黃色，中性溶液中顯藍紫色，酸性溶液中顯紅色，但由于花青素來自不同植物，變色的深淺明暗又略有不同。

將包埋紫甘藍花青素的海藻酸鈉微球置于人工模擬胃液，巧妙利用色度傳感器測定花青素緩釋和時間的變化關系。圖2為整個緩釋過程中溶液吸光度隨時間變化曲線，可以看出隨著時間增長，溶液的吸光度逐漸增大，最后穩定在0.192處。因此可推測15分鐘內緩釋花青素速率較快，整個過程緩釋速率逐漸減慢，40分鐘達到最大值。這一性質充分說明生物可降解的海藻酸鈉微球在藥物緩釋材料中得到廣泛應用的原因。

6教學反思

6.1核心素養培養要加強基礎知識與前沿科學的對接

當今科技發展日新月異，化學學科是在生命科學、材料科學、環境科學等領域的相互交叉、滲透和促進中協同發展的。因此在新一輪課改中，培養學生核心素養若采取“新瓶裝舊酒”的方式顯然是不合時宜的。這就需要一線教師既要具備扎實的學科基礎知識，又能緊跟時代步伐，關注前沿科學成果，積極開發出體現學科知識特色、關注前沿科學的創新實驗。本實驗以高一化學2中離子鍵交聯的基本原理，借助有良好生物相容性的海藻酸鈉作為指示劑載體，通過簡單的實驗操作制備了海藻酸鈉變色微球，使學生感到利用所學基礎知識也可制備出前沿科技的新材料。

6.2核心素養培養要留足實驗反思與持續探究的空間

學生在實驗中發現一段時間后包埋在微球中的花青素會緩慢釋放出來，并逐漸擴散至整個溶液中，使溶液也顯色，其中pH<7溶液中的花青素釋放速率最快。于是學生思考能否運用色度傳感器對緩釋性能進行定量表征。通過查閱資料以及小組討論后，學生進行了后續探究：配制了pH約為1.2的人工模擬胃液，恒溫至37%，將一定量的包埋紫甘藍花青素的海藻酸鈉微球置于其中，巧妙利用色度傳感器測定了微球緩釋性能和時間的變化關系。整個實驗反思過程中，教師積極鼓勵學生進行大膽設想并設計方案，提供相應的實驗條件讓學生自主探究并得出結論，真正讓學生學以致用，提升了持續自主學習的能力。

6.3核心素養培養要關注實驗教學與學生情意的互融

作為化學實驗的一種類型，趣味實驗以其操作簡單、現象明顯的特點可以極大提高學生探索學科知識的積極性，從而提高學生的核心素養。當然設計趣味實驗時，也不能一味強調激發興趣，使趣味庸俗化，而要基于學生認知，確定明確的教學目標，精心設計教學環節，真正使學生的思維得到培養，能力得到提高。本實驗中學生親手實踐，短時間內制備了多種五顏六色的變色微球，真正體會到化學實驗的無窮魅力和應用意義，大大激發了學生探求化學世界無窮奧秘的興趣。endprint