大学化学, 2020, 35(9): 148-151 doi: 10.3866/PKU.DXHX202001003

化学实验

板蓝根中提取靛蓝应用于扎染的创新实验教学——介绍一个大学化学综合教学实验

李新汉, 李倩, 沈娟, 陈名红, 叶艳青,, 黄超,

The Innovative Laboratory Teaching of Extraction Indigo from Indigo Plants and Application to Tie-dying: An Introduction of a Comprehensive Chemical Experiment

Li Xinhan, Li Qian, Shen Juan, Chen Minghong, Ye Yanqing,, Huang Chao,

通讯作者: 叶艳青, yey-qing@163.com黄超, Email: huangchao@ynu.edu.cn

收稿日期: 2020-01-2   接受日期: 2020-02-6  

基金资助: 国家自然科学基金.  21662046
国家自然科学基金.  21202142
云南省大学生创新创业训练计划项目.  s201910691049

Received: 2020-01-2   Accepted: 2020-02-6  

摘要

介绍一个应用型大学化学综合教学实验。从板蓝根中提取靛蓝并用于扎染,主要内容包括靛蓝的提取、鉴定和染色。该实验涉及天然产物提取、分析鉴定操作以及天然产物的综合应用,满足高校化学类专业实验教学需求,有利于提高学生的实验技能和创新能力,并激发学生的探索热情。实验寓教于乐,是基础操作结合生产应用的良好展现。

关键词: 板蓝根 ; 提取 ; 靛蓝 ; 扎染 ; 综合化学实验

Abstract

A comprehensive chemical teaching experiment was introduced, including extraction, separation, identification and application of Indigo plants. The indigo was extracted from Isatis root and applied to dying. The experiment involves several basic methods of natural product extraction, analytical chemistry procedures and its application. Through the experiment, students' research interest and exploring spirit will be stimulated, and experiment operation skills will be improved. This experiment was expected to be taught through lively activities, and outlined the relation between basic operation and production application.

Keywords: Isatis Root ; Extraction ; Indigo ; Tie-dyeing ; Comprehensive chemical laboratory

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本文引用格式

李新汉, 李倩, 沈娟, 陈名红, 叶艳青, 黄超. 板蓝根中提取靛蓝应用于扎染的创新实验教学——介绍一个大学化学综合教学实验. 大学化学[J], 2020, 35(9): 148-151 doi:10.3866/PKU.DXHX202001003

Li Xinhan. The Innovative Laboratory Teaching of Extraction Indigo from Indigo Plants and Application to Tie-dying: An Introduction of a Comprehensive Chemical Experiment. University Chemistry[J], 2020, 35(9): 148-151 doi:10.3866/PKU.DXHX202001003

靛蓝作为一种常见的双吲哚类生物碱化合物,是常用的印染试剂[1]。目前,已知含有靛蓝的原料较多,如板蓝根、蓼蓝、菘蓝、木蓝、马蓝等。其中,板蓝根中的靛蓝含量较高,是作为板蓝根制剂的质控指标[2]。有关靛蓝提取工艺和应用也有大量报道[3, 4]。有机化学实验教材普遍含有“菠菜色素提取”和“咖啡因提取”等天然产物提取实验,大多数高校化学类专业也把此类实验列入教学实验大纲中。这类实验涵盖了天然产物的提取、分离、纯化、鉴定等过程,涉及有机化学和分析化学的基本实验操作:浸泡、浓缩、提纯、色谱鉴定等,是一类较为典型的化学综合性教学实验。

在调研过程中,我们发现关于靛蓝提取、合成、鉴定、染色等的报道屡见不鲜[3-5],但是,将提取靛蓝应用于传统扎染的教学实验却未有报道。

于是,我们立足于本校多年教学基础[6, 7],综合实验的实用性和新颖性,结合其可操作性和必要性,引入云南丰富的动植物资源[8]和各类民族传统工艺[9]的区位优势,以非物质文化遗产大理白族传统扎染[10]为背景,创新设计了板蓝根中提取靛蓝应用于扎染的创新实验教学。本文旨在介绍一个全新的教学实验,以期寓教于乐,激发学生探索热情。

1 实验目的

(1)通过板蓝根中靛蓝的提取和分离,了解天然产物的提纯和分离方法;

(2)了解靛蓝在生产生活中的应用前景;

(3)了解分析仪器的使用方法以及图谱解析;

(4)熟练掌握溶剂浸泡提取的原理和基本方法。

2 实验原理

板蓝根作为一种常用的中药材,具有清热解毒、凉血利咽的功效。而板蓝根同时也是一种历史悠久且应用广泛的染料,其主要染色物质是靛蓝(a图1),含量达8.820 μg∙g−1,另有少量靛玉红。靛蓝又名食用蓝,蓝色粉末,分子式为C16H10N2O2,熔点390–392 ℃。

图1

图1   靛蓝染色机理


靛蓝在板蓝根中的存在形式是靛甙。靛蓝由两分子靛甙缩合而成,由于靛甙易溶于乙醇和水而靛蓝不溶,因此我们可以采用溶剂提取和抽滤洗涤的方式提纯。

本实验的关键在于如何提取靛蓝并染色。由于靛蓝不溶于水,因此染色时需要将其转化为水溶性物质。但从实验结果而言,布料经洗涤剂反复洗涤后并未发现褪色情况。因此,我们认为这不是简单的物理吸附过程,而是伴随着复杂的化学反应变化的过程。根据文献报道,王志鹏课题组[11]对其染色机理进行了较为全面的研究。总结其工作,靛蓝与织物作用需要满足两个条件:(1)纤维本身要为亲水性高分子材料;(2)纤维中需要含有氢键供体和受体。

结合王志鹏课题组的工作,同时考虑到靛蓝不易溶于水的性质。因此,我们通过加入二氧化硫脲、氢氧化钠和氯化钠,使靛蓝还原为靛白释放出氢键的供体和受体使其能够与布料中的氢键结合,从而达到染色的目的。就溶解性而言,靛蓝(a) <靛白(b) <靛白钠盐(c)。因此,氢氧化钠的加入使靛白转化为靛白钠盐的转化率增大,同时也增大了靛白的水溶性,使其与纤维接触率更大,如此便可达到最佳染色条件。靛白钠盐也可通过水解的形式转化为靛白(如图1所示)。

3 仪器和试剂

仪器:分析天平(上海天平仪器厂)、薄层色谱(TLC)硅胶板(青岛海洋化工厂)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪(Thermo Fisher Scientific公司)、高效液相色谱(HPLC)仪(美国安捷伦公司)、紫外(UV)光谱仪(美国安捷伦公司)、色谱柱(美国安捷伦公司)、石英比色皿、烧杯、量筒、研钵、玻璃棒、称量瓶等。除特殊标注外均从上海仁科生物科技有限公司购买。

材料:板蓝根枝叶、麻布、棉布、涤纶等。均为市售商品。

试剂:无水乙醇、蒸馏水(课题组制备)、二氧化硫脲、氧化钙、氢氧化钠、氯化钠、过氧化氢、氯仿、纯水(色谱纯)、甲醇(色谱纯)、溴化钾(色谱纯)等。除特殊标注外,试剂均为分析纯,均通过阿拉丁生化科技股份有限公司购买。

其他:剪刀、镊子、pH试纸、称量纸、药匙等。均从上海仁科生物科技有限公司购买。

4 实验操作步骤

4.1 提取靛蓝实验

称取15.00 g新鲜板蓝根叶片,剪碎并研磨后,转移至250 mL烧杯中。加入75%乙醇水提取液100 mL。浸泡0.5 h (期间可以进行扎花的操作,染色实验进行该步骤)后,加入50 mL H2O和2.00 g CaO,调pH至9–11,搅拌均匀后放置0.5 h。当有大量蓝色物质生成后,加入H2O2生成靛蓝沉淀,离心,抽滤后用乙醇水洗涤3–5次,得到深蓝色固体,干燥后即可得到纯度较高的靛蓝粉末。

4.2 染色实验

该过程无需提纯靛蓝,提取出靛蓝后在烧杯中配制染液即可。4.1小节提取实验中有大量蓝色物质生成后,加入0.70 g二氧化硫脲、0.70 g NaOH和0.10 g NaCl后搅拌均匀,将扎好图案(可自行设计)的布放入其中,浸泡5 min后取出,转移至盛有40 mL 30% H2O2的100 mL烧杯中。浸泡5 min后取出,用洗涤剂洗去浮色。晾干后即可得到不同样式图案的成品。

5 结果与讨论

5.1 提取工艺比较

本实验所述染布方法用时2 h以内即可完成,具有高效、绿色、原料廉价等优点。将保险粉替换为二氧化硫脲,有效解决了传统工艺耗时长以及污染严重的问题。

5.2 表征结果

TLC高效板:展开剂CHCl3 : EtOH = 9 : 1 (V/V),样品的Rf值、点形态和颜色与标样相同(如图2所示)。

图2

图2   样品的薄层色谱图


FTIR谱图数据:IR (KBr) (vmax, cm−1): 3268, 2026, 1625, 1482, 1461, 1585, 1173, 1073, 754。

UV谱图数据:靛蓝在氯仿中的吸收光谱:4.1 × 10−5 mol∙L−1,测得最大吸收波长603 nm。

5.3 实际教学结果分析

在菠菜色素提取实验、咖啡因提取实验、阿司匹林合成实验等现有化学教学实验[6]中,学生经常遇到的问题是不明确实验的具体应用方向。通过和已有实验相比较,该实验不仅成功提取到靛蓝,还将靛蓝应用于扎染之中。本实验纳入本科教学实验后,学生可以通过参与整个实验过程,直观地了解靛蓝提取及扎染应用过程,明确了实验的具体应用方向,有效地提高了学生的基础实验技能、创新能力和实践能力。

6 实验开设建议

(1)本实验面向化学类专业大二至大四年级学生,可作为有机化学实验、中级化学实验等实验教学课程内容。可根据学生年级和对相关理论知识掌握程度进行调整,也可与分析化学、仪器分析实验等结合教学。一次实验课可同时参与10–20名学生,学生可单人实验,也可2人/组形式进行。我们在一学年中开设两轮实验,3–5月开设一轮,8–10月开设另一轮。经实践验证,本实验可作为化学综合教学实验,共需5–8个课时全部完成,其中提取靛蓝步骤约占2课时,表征步骤约占2课时,染色应用步骤约占1课时。

(2)实验开始前,指导教师布置查阅相关背景资料和预习实验操作,提前讲授实验相关知识点和要求,例如扎染背景、天然产物提取、分析鉴定操作以及天然产物综合应用等,布置思考题。实验过程中指导教师提醒学生进行防护和化学试剂的使用安全;其中CaO、H2O2、NaOH在空气中易变质,称量和转移时应动作迅速;提取实验中注意观察溶液加入CaO前后和加入H2O2前后的颜色变化并记录;提取实验需要浸泡一定时间,不得处于无人状态;加入二氧化硫脲后,染液具有强碱性和强还原性,叮嘱学生谨防烧伤。实验结束后,指导教师要求学生提交完整的实验报告并回答思考题。

(3)本实验中学生亲身体会和指导教师评价。经典化学实验与生活距离比较远,学生探索实验现象与理论联系热情不高,在学习过程中常感到枯燥乏味。但本实验将生活中常见植物和染色工艺引入到实验中后,激发了学生的学习热情和积极性,使化学实验变得生动有趣,理论知识也变得灵动起来,不知不觉中提高了综合实验的能力。教师将表征实验和染色应用实验引入本实验中,从提取、表征、数据分析处理以及应用等方面,让学生了解了完整的天然染色过程。以此提高学生的基础实验技能、创新能力和实践能力;传统生产工艺的引入能够较好地调动学生的热情和积极性,激发学生的探索精神和创新精神。

7 思考题

(1)靛蓝溶解性较差,为什么还可以使用溶剂提取法?影响靛蓝提取率的因素有哪些?

(2)氧化钙在实验中起什么作用?氢氧化钠在实验中起什么作用?

(3)为什么要加入二氧化硫脲?其作用原理是什么?

(4)染色过程是化学变化还是物理变化?为什么?

(5)如何选择HPLC的色谱条件?

8 结语

本文介绍了一个大学本科化学应用型教学综合实验,实验内容主要包括提取靛蓝、鉴定和染色应用。该实验涉及植物有效成分提取技术、仪器分析表征和成果应用等方面。本文补充了现有实验教学中后端化学产品体现不足的问题,创新设计了板蓝根中靛蓝提取及在传统扎染中应用的实验教学。全面提高了学生的基础实验技能、创新能力和实践能力,激发学生对化学的探索精神和创新精神,做到理论联系实践,为学生毕业后的深造和工作打下坚实的基础,为各高校开展综合实验教学提供参考。

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