秸稈紙制備及其變色實驗的探究

高倩 王一冰 田童瑤 張穎

摘要： 以水稻秸稈為原料，經過蒸煮和堿煮等過程制備水稻秸稈漿液，再通過抄紙、晾曬后制得古樸美觀的秸稈紙。在秸稈紙上，以紫甘藍和β環糊精進行紙張的變色實驗。實驗內容具有源于生活、有趣味、結果直觀等特點。實驗探究過程有利于學生形成可持續發展理念，且可促進學生“科學探究與創新意識”和“科學態度與社會責任”等核心素養的發展。

關鍵詞： 秸稈紙制備; 變色實驗; 實驗探究

文章編號： 10056629（2022）07006205

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

我國《普通高中化學課程標準（2017年版）》提倡創設真實問題情境，開展以實驗為主的各類探究活動，以更好地激發學生學習化學的興趣，培養創新精神和實踐能力。在選修課程“化學與技術”這一學習主題下，新課標建議教師開展以生物資源開發利用為主題的學習活動，促使學生通過化學科學了解廢舊物資循環利用的途徑與方法，在探究過程中逐漸形成自然資源科學利用、廢舊物資再生利用的綠色可持續發展理念，培養科學態度與社會責任[1]。

人教版高中化學選擇性必修3第四章“生物大分子”有關“多糖”的內容中，介紹了纖維素的基本物理和化學性質及其重要用途，其中，秸稈造紙尤為引人關注。如何在實驗室制備秸稈紙？基于自制秸稈紙能開展什么樣的實驗活動？本實驗從秸稈紙漿的制作理解紙纖維素的結構原理出發，到紙的制備方法的實驗探究，再到紫甘藍pH試紙的制作、 β環糊精與酚酞的“楓葉”褪色等趣味性實驗的開展，通過相關聯的實驗方案設計，引領學生在科學探究的實踐活動中提升創新意識與實踐能力。

2 設計思路

我國農業資源非常豐富，秸稈是一種用途多樣的可再生資源，具有可用作有機肥、生物板及秸稈發酵氣等多種用途[2]。以往大量秸稈處理的主要途徑是焚燒，焚燒過程不僅造成資源浪費，還會加重空氣污染，是造成霧霾天氣的原因之一[3]。值得注意的是，秸稈富含纖維素，是天然的造紙原料。工業上常采用氧堿蒸煮的方式制造秸稈紙[4]，但實驗室不能直接生搬硬套工業造紙流程，故本實驗以秸稈為原料，受古法造紙工藝的啟發，探究適合實驗室進行的秸稈紙制作的適宜條件，以便資源再利用，踐行可持續發展的綠色環保理念。總而言之，秸稈紙制備實驗的原料便宜易得，實驗過程操作簡便，安全系數很高。

在秸稈紙上開展紙張趣味變色實驗，變色反應現象直觀，且反應過程中的顏色變化可用于物質的鑒定和反應進程的判斷等[5]。變色反應的實驗設計靈活且有所創新，其反應原理是酸堿指示劑的顏色變化，反應現象明顯，反應原理明確，表現形式豐富有趣，可操作性強，讓學生在觀察實驗現象的過程中探究顏色變化的化學原理。

3 秸稈紙制備實驗

3.1 稻草秸稈造紙原理

稻草秸稈中含有纖維素、半纖維素、木質素、多戊糖、灰分及SiO2等多種成分，其中，纖維素和半纖維素（二者總稱為綜纖維素）的含量超過2/3[6]。纖維素是由βD吡喃葡萄糖以β1，4糖苷鍵連接組成的高分子化合物（見圖1），纖維素中的每個葡萄糖單元都有三個羥基，可形成多個分子內及分子間氫鍵。鏈狀纖維束纏繞在一起形成纖絲，由此構成紙的主體[7，8]。

3.2 實驗試劑、材料與儀器

秸稈纖維（網上購買）、可溶性淀粉、氫氧化鈉、蒸餾水;pH試紙、1000mL燒杯（1個）、抄紙框（18cm×15cm）;JYZD57型號榨汁機、DF101S智能集熱式恒溫磁力攪拌器、1010AB型電熱鼓風干燥箱、電子天平、臺式掃描電子顯微鏡

3.3 實驗步驟

3.3.1 秸稈漿的制備

蒸煮： 稱取10.0g秸稈纖維于1000mL燒杯內，加入500mL蒸餾水，置于集熱式恒溫磁力攪拌器加熱套中，在80℃條件下蒸煮40min。自然冷卻，用蒸餾水洗滌過濾。

堿煮： 將500mL氫氧化鈉水溶液（濃度為0.075mol·L-1）加入到蒸煮后的秸稈纖維中，混合攪拌，80℃恒溫水浴煮10h（杯口用保鮮膜包裹，中間留攪拌口）。然后用細紗布過濾，并用蒸餾水多次洗滌，收集秸稈纖維，用pH試紙檢驗洗滌液呈中性即可。

打漿： 將上述處理后的秸稈纖維加入榨汁機中（帶水粉碎），并加入5.0g水溶性淀粉，打漿2min，制得秸稈漿。

3.3.2 原色水稻秸稈紙的制作

將秸稈漿倒入盛有約2000mL水的盆中，攪拌均勻后用抄紙框抄紙。將紙放入電熱鼓風干燥箱中干燥（恒溫35℃），得到原色水稻秸稈紙。

3.4 實驗結果與討論

3.4.1 秸稈紙制備

在秸稈紙制備過程中，堿液濃度、加熱時長、秸稈打漿度等因素對紙的制備具有重要的影響。

堿濃度的影響： 制備秸稈紙需要添加一定濃度的堿，堿可以溶解秸稈中的木質素大分子，削弱秸稈中纖維素和半纖維素之間的氫鍵，皂化半纖維素和木質素之間的酯基[10]。

加熱時間的影響： 秸稈堿液在加熱過程中會散發出青草香味，隨著加熱時間延長，秸稈堿液會逐漸由透明狀變為黃土色，再變為焦土色，最終變為黑褐色，這種黑色的液體是造紙過程中產生的主要污染物，被稱為“黑液”，需妥善回收處理。觀察發現，加熱時長超過10h時，制得的秸稈紙表面較為平滑。

秸稈打漿度的影響： 本實驗選用榨汁機對秸稈進行打漿，打漿1min后，可觀察到較為細滑的淡黃色秸稈漿液。經抄紙框抄紙并經干燥處理后，得到呈淺黃色的原色水稻秸稈紙，表面雖較為粗糙，但紙張質樸美觀。

3.4.2 秸稈紙的微觀表面形貌

利用臺式掃描電子顯微鏡觀察所制備的秸稈紙表面形貌（見圖2），可以清晰地看出秸稈紙是由細長的纖維交織纏繞形成，纖維之間有部分不規則的圓球狀淀粉顆粒物，可溶性淀粉的加入可以增加纖維的粘結力。

4 秸稈紙變色實驗兩則

4.1 趣味實驗1： 紫甘藍pH試紙

花青素是無毒的水溶性色素，水果、蔬菜中的主要顯色物質大多與之相關。花青素的主要分子結構為2苯基苯并吡喃陽離子，具有C6C3C6骨架（圖3）。不同類型的花青素，其取代基不同，例如，紫甘藍中主要的花青素分子結構為2（3′，4′羥基）苯基苯并吡喃陽離子（見圖3）[11]。酸性條件下，紫甘藍色素吸收藍紫色光，因而顯粉紅色;堿性條件下，紫甘藍色素經過電子共振形成共軛的羰基結構，羰基的吸收光譜紅移，此時該基團吸收橙紅色光，因而顯黃綠色[12]。不同pH條件下，紫甘藍色素呈現不同的顏色[13]。

4.1.1 實驗步驟

提取紫甘藍中花青素的方法很多[14，15]，本實驗的方法為：

制備紫甘藍花青素溶液： 稱取15g紫甘藍碎葉，加水60mL，置于榨汁機中榨汁2min;再轉入100mL燒杯中，用保鮮膜包裹燒杯口后放入恒溫干燥箱中（35℃）恒溫30min，過濾并收集紫甘藍提取液。

制作并應用紫甘藍pH試紙： 將秸稈紙（3cm×3cm）浸泡于紫甘藍提取液中，10s后取出，放入電熱鼓風干燥箱中（恒溫35℃）干燥。重復浸泡干燥步驟（至少三次），制得紫甘藍pH試紙。用紫甘藍pH試紙分別檢測檸檬汁（鮮檸檬榨取）和汰漬洗衣粉溶液（0.2g·mL-1）的酸堿度。

4.1.2 實驗現象與結果討論

實驗提取的紫甘藍花青素溶液的pH約5～6，呈藍紫色，當敞口放置時，空氣中的二氧化碳會溶于其中，使溶液酸性增強，顏色逐漸由藍紫色變為粉紅色。故建議用新鮮制備的紫甘藍花青素溶液展開實驗，否則需密封并置于陰涼處保存。

用秸稈紙制作的紫甘藍pH試紙（試紙呈灰紫色），粗測檸檬汁和汰漬洗衣粉溶液的酸堿度。新鮮檸檬汁浸泡紫甘藍pH試紙后，秸稈紙呈粉紅色;汰漬洗衣粉溶液浸泡紫甘藍pH試紙后，秸稈紙呈綠色。利用普通的商品化pH試紙分別復測檸檬汁和汰漬洗衣粉溶液的酸堿度，所測檸檬汁的pH約為3～4，汰漬液的pH約10～11。實驗結果表明，所制備的秸稈紫甘藍試紙具有普通pH試紙的功能。

4.2 趣味實驗2： β環糊精與酚酞的“楓葉”褪色實驗

環糊精是由αD吡喃葡萄糖以α1，4糖苷鍵連接形成的環狀化合物分子，其中最常見的是分別含有6、 7、 8個葡萄糖單元的α、 β和γ環糊精。β環糊精的工業生產成本較低，應用范圍較廣，是目前使用最多的環糊精產品[16]。β環糊精（βCD）是由7個葡萄糖分子連接組成的環狀化合物，分子式為C42H70O35，分子結構如圖4所示。βCD中每個葡萄糖單元都含有3個羥基（—OH），其中兩個仲羥基向外伸展形成大口端，另一個伯羥基向另一側伸展形成小口端，羥基的伸展方向決定了βCD的外壁具有親水性，內側由疏水碳鏈形成，因此其內側空腔具有疏水性[17]。βCD最重要的化學性質之一是通過包合作用將不易溶于水的物質包合于疏水空腔內部，形成穩定的包合物，目前已被廣泛應用于醫藥、食品加工業、日用化工和農業等重要領域[18]。

酚酞是一種典型的酸堿指示劑，分子結構式為C20H14O4，幾乎不溶于水，易溶于乙醇等有機溶劑。酚酞試劑在酸性和中性條件下均無色，堿性條件下呈紅色，其酸堿平衡反應如圖5所示。實驗利用酚酞在堿性條件下變紅，在形成βCD酚酞包合物后紅色褪去的現象展開相關變色實驗活動。

4.2.1 實驗步驟

在秸稈紙上用鉛筆繪出楓葉畫，棉簽蘸取1mol·L-1氫氧化鈉溶液在楓葉區域內刷涂，自然晾干;再用棉簽蘸取0.1%的酚酞試劑刷涂楓葉區域，自然晾干;最后用棉簽蘸取飽和βCD溶液刷涂楓葉區域，自然晾干。觀察楓葉區域的顏色變化。

4.2.2 實驗現象與結果討論

秸稈紙上繪制的“楓葉”區域的紅色酚酞褪色實驗現象變化顯著。用氫氧化鈉溶液刷涂楓葉區域，再刷涂酚酞試劑，楓葉區域變成深紅色;當蘸取飽和βCD溶液刷涂秸稈紙的“紅楓葉”區域時，“紅楓葉”顏色會逐漸褪去。

秸稈紙繪畫區域酚酞褪色的原因是不溶于水的酚酞分子易于進入βCD的疏水空腔內部，從而

脫離了堿性環境，

形成無色的包合物分子（包合物的結構示意圖如圖6所示）[19]。此外，可利用生活中常見的蘇打來提供堿性環境。藝術創作不局限于楓葉畫，發揮創造力，寓教于樂是本實驗的宗旨。

5 實驗總結與反思

實驗從“纖維素應用”內容出發，利用秸稈為原料進行秸稈紙的實驗室制備，同時基于實驗趣味性及啟迪性考慮，進一步開展秸稈紙變色反應的探究實驗。實驗活動總結如下：

5.1 化學實驗與新問題、新情境結合，體現探究過程的重要地位

教育部新課標倡導創設真實的問題情境，積極開展實驗為主的化學探究活動。例如： 如何從工業造紙流程、古法造紙方法中得到啟發從而在實驗室中生產秸稈紙？科學利用農業秸稈，結合課程所學化學知識和原理，在實驗探究過程中激發學習興趣，培養創新精神和實踐能力。

5.2 趣味實驗與思想啟迪結合，激發探究式學習的內驅力

實驗研究是化學學科最核心、最鮮明的特色，趣味實驗可以更有效地激發學生的好奇心，提高學生探究學習的內驅力。本實驗以廢棄的農業秸稈為原料制備秸稈紙，注意實驗材料的生活化取材，讓學生親身體驗造紙實驗，從而激發探究學習的興趣。此外，秸稈紙的變色實驗蘊含著豐富的化學原理，更具趣味性和直觀性。通過稻草秸稈變廢為寶的實驗研究，引發學生對社會問題的關注，能進一步培養學生的科學態度與社會責任感。

5.3 科學實驗與真實情境結合，彰顯化學科學的實踐價值

紙是生活中隨處可見的物品，造紙實驗的過程讓學生進一步感受科技改變生活的魅力。紫甘藍pH試紙的變色實驗，既能學習紫甘藍在不同酸堿性條件下的變色原理，又能利用紫甘藍制作pH試紙檢測生活中常用物品的酸堿性。另外，βCD是生活中常用的食品添加劑和醫藥輔料，通過βCD和酚酞的主客體相互作用引起的顏色變化，可以直觀地感受“結構決定性質”的化學觀念。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]劉淑軍， 李冬初， 黃晶等. 1988—2018年中國水稻秸稈資源時空分布特征及還田替代化肥潛力[J]. 農業工程學報， 2021， （11）： 151～161.

[3]陳克復， 田曉俊， 王斌. 利用農業秸稈制漿造紙所實施的先進技術體系的優選與評價[J]. 華南理工大學學報（自然科學版）， 2015， （10）： 122～130， 139.

[4]

[6]孟召龍， 藍海. 稻草氧堿蒸煮的生產實踐[J]. 中華紙業， 2017， （24）： 71～72.

[5]錢海濱. 校本課程： 輔助·趣味·開放·自主——以《隱形墨水和顯形試劑的設計》為例[J]. 教育研究與評論（課堂觀察）， 2015， （10）： 48～52.

[7]Yao B.， Zhang J.， Kou TY.， et al.. Paper-Based Electrodes for Flexible Energy Storage Devices [J]. Adv Sci， 2017， （7）： 1700107～1700107.

[8]Keller S.. Why Paper Thrives in a Digital World [J]. Chem Matters， 2019， （2）： 5～8.

[9]王鳳山， 甄永蘇， 趙鎧編. 生物藥物研究與應用叢書——糖類藥物研究與應用[M]. 北京： 人民衛生出版社， 2017.

[10]趙登， 張安龍， 羅清. 堿預抽提對麥草秸稈化學組分影響的研究[J]. 中華紙業， 2013， （16）： 41～43.

[11]

[14]張小平， 張曼媛. 紫甘藍色素變色實驗的設計[J]. 化學教學， 2014， （6）： 50～52.

[12]Brahmadeo D.， Latifa H.. Developing an Invisible Message about Relative Acidities of Alcohols in the Natural Products Henna， Turmeric， Rose Petals， and Vitamin A [J]. J. Chem. Educ， 2010， （1）： 36～39.

[13]Ctia I. Sampaio， Luís F. Sousa， Alice M. Dias. Separation of Anthocyaninic and Nonanthocyaninic Flavonoids by Liquid-Liquid Extraction Based on Their Acid-Base Properties： A Green Chemistry Approach [J]. J. Chem. Educ， 2020， （12）： 4533～4539.

[15]夏琴， 楊硯寧， 毛明. 利用紫甘藍汁和pH傳感器探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應[J]. 化學教學， 2016， （10）： 78～81.

[16]

[18]

張麗， 王明召. 籠狀化合物環糊精及其包合作用[J]. 化學教學， 2014， （2）： 78～81.

[17]

[19]Lida K.， Samira K.， Javad K.. Molecular Recognition： Detection of Colorless Compounds Based On Color Change [J]. J. Chem. Educ， 2016， （2）： 376～379.