“色素的提取與分離”實驗的創新探索

韓偉

摘 要：通過理論學習和實驗探索，就葉綠體中光合色素的提取與分離實驗進行了更深層次的理論分析，對實驗原理以及實驗進行探索，發現在使用藥品、選擇材料等方面都可創新，收效甚佳。

關鍵詞：光合色素;提取;分離;二氧化硅;紙層析

一、實驗流程

“提取和分離葉綠體中的光合色素”是學生探究光合作用過程的基礎，因為光反應中需要光合色素捕獲光能，而色素有哪些，什么顏色，色素如何吸收、傳遞、轉化光等問題一定是學生的興趣所在。教師可以帶領學生探究實驗的原理與過程，比如用什么方法提取、分離色素，除了使用菠菜之外，還可以用其他材料來做實驗嗎？在實驗探索中對以上問題有針對性地做了一些嘗試，比如在實驗步驟、選材等方面。實驗中所得與大家交流，主要有：實驗操作的改進，實驗流程的創新，選材的創新，實驗結果分析以及實驗在教學中應用的反思。

實驗中的步驟以及使用試劑如圖1：

二、實驗原理分析

1.提取色素時要不要使用碳酸鈣

在高中生物教學中研磨加入碳酸鈣的目的是“防止色素在酸性條件下被分解”，這是大家給學生的標準答案。而其中的分子變化原理是：葉綠素核心部分是一個卟啉環（porphyrin ring），其功能是光吸收;另一部分是一個很長的脂肪烴側鏈，稱為“葉綠醇”（phytol），葉綠素用這種側鏈插入類囊體膜。與含鐵的血紅素基團不同的是，葉綠素卟啉環中含有一個鎂離子。在葉綠素的卟啉環中的鎂離子與各吡咯環上的氮原子之間發生部分電荷轉移才被固定，因此鎂離子不穩定。卟啉環中的鎂離子可被H+、Cu2+、Zn+所置換。用酸處理葉片，H+易進入葉綠體，置換其中的鎂離子，形成褐色的去鎂葉綠素，使葉片呈現褐色。而在實驗中可以不使用碳酸鈣的原因有以下幾點：（1）菠菜葉片含有的酸性物質不多。（2）鎂離子被H+取代需要一定的時間，實驗所用的時間比較短，不足以對實驗結果造成較明顯的影響。（3）碳酸鈣加入較多的時候會影響過濾。并且就本次實驗得到的結果來看，研磨時沒有加入碳酸鈣過濾得到的色素顏色是深綠色的（如圖2所示），因此實驗中可以不使用或者使用較少的碳酸鈣。

2.要不要加二氧化硅

在本次實驗操作中，以菠菜作為原料的實驗中沒有加二氧化硅，原因是菠菜葉片表面沒有較厚的角質，容易研磨，研磨后得到的色素溶液顏色也是深綠色的，對實驗結果基本沒有影響。如果換作革質葉片就需要加少量二氧化硅，例如在本次實驗中還選用了紫葉李（Prunus Cerasifera）作為實驗材料，在研磨時由于葉片角質較多需要加入少量二氧化硅。因此我們的結論是：在葉片角質層較薄且易于破碎的情況下，二氧化硅可以少加或不加。

3.關于提取液

在教材中和各種資料中認為提取色素使用無水乙醇，原因是光合色素可以溶解在乙醇中。實際上如果是干燥材料可以使用95%的酒精。新鮮材料含水量較多因此用無水乙醇提取。

4.層析液

有多種選擇，可以用93號汽油、丙酮或者石油醚（20份在60℃～90℃下分餾出來的石油醚、2份乙醇和1份丙酮混合而成），而本次實驗采用的是四氯化碳。層析液必須是非極性的有機溶劑，同時是安全的，均可以用于層析的。

三、選材創新

在實驗前學員在校園中找到了紫葉李的葉子、紫色紫薇花以及重陽木的黃色落葉，分別使用這些材料做了實驗，研磨液如圖3所示：

在分離中發現：（1）紅葉李作為實驗材料提取的色素顏色更深，分離后效果更好。（2）花青素為水溶性的極性分子，點樣到濾紙條上就會和濾紙條上的水結合，不會跟隨層析液運動。（3）落葉為黃色，因此含有的類胡蘿卜素較多，只能分離出兩個色素帶。使用紅葉李做材料分離結果如圖4所示，除了和菠菜一樣的四個色素帶以外，點樣處還有紫葉李所含有的花青素。如果選用紫葉李等紅色葉片作為實驗材料，可以使實驗更加富有趣味性，還可以讓學生理解極性的水溶性物質在使用非極性層析液時并不會在濾紙上運動，可以嘗試使用蒸餾水讓色素分離，并預測結果（花青素會跟隨蒸餾水在濾紙上運動）。

四、實驗結果分析及在實際實驗教學中的應用

1.研磨少加粉末

使用菠菜作為實驗材料研磨時可以盡量少加二氧化硅和碳酸鈣。雖然不加這兩種物質實驗結果也很理想，但是在高考知識考查時，這兩個原理經常在考試中出現，所以操作的時候不能不加，可以盡量少加。

2.選材創新

學生在實驗前去校園采集不同材料（例如紅葉李、女貞、美國紅楓、花瓣等），然后提取分離色素，對比實驗結果，讓實驗具有更強的探究性與趣味性。

3.過濾環節

過濾時可以使用濾紙過濾，在過濾前可滴加少量無水乙醇處理濾紙以便得到更多濾液。

4.分離的時間把握

使用層析液分離可以多等一段時間，讓色素分離的距離更大，更容易看到四條色素帶。

五、小結

開展實驗教學，大膽探索與嘗試會帶來許多驚喜。本次實驗收獲了例如可以不加碳酸鈣和二氧化硅、可以使用濾紙過濾等經驗。學無止境，教學相長，希望我的實驗課一直是生長的、有生命力的。

編輯 馮志強