“藍(lán)瓶子”實驗的改進(jìn)及其在食品化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

顧穎穎，崔　雷

(上海理工大學(xué)理學(xué)院，上?！?00093)

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“藍(lán)瓶子”實驗的改進(jìn)及其在食品化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

顧穎穎，崔雷

(上海理工大學(xué)理學(xué)院，上海200093)

為了提高學(xué)生對相關(guān)食品化學(xué)的理解，設(shè)計使用了食品添加劑亮藍(lán)取代傳統(tǒng)“藍(lán)瓶子”實驗中所使用的染料——亞甲基藍(lán)。直接采用含有亮藍(lán)和一些還原試劑(蔗糖或維生素C)的食品和飲料在外加氫氧化鈉的作用下可以成功的重復(fù)“藍(lán)瓶子”實驗。該實驗在食品化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，能大大加深學(xué)生對氧化還原反應(yīng)的理解，增強實驗的興趣并提高對食品添加劑的認(rèn)識。

藍(lán)瓶子；亮藍(lán)；食品添加劑；實驗設(shè)計；教學(xué)改革

本科生的實驗教學(xué)是整個教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，它可以提高學(xué)生的創(chuàng)新精神以及分析問題和解決問題的能力[1]。因此，實驗教學(xué)的改革對教學(xué)質(zhì)量的提升和對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要的意義[2]。為了增強學(xué)生對食品添加劑的理解，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，改進(jìn)了“藍(lán)瓶子”實驗，將其應(yīng)用到食品化學(xué)教學(xué)實踐中。

傳統(tǒng)的“藍(lán)瓶子”實驗使用了亞甲基藍(lán)作為顯色劑。在堿性條件下，藍(lán)色亞甲基藍(lán)溶液可以被葡萄糖還原成無色的亞甲基白溶液，然后振蕩混合液，使其溶入空氣或氧氣后，亞甲基白被氧氣氧化成亞甲基藍(lán)，致使該混合液又呈現(xiàn)藍(lán)色。若靜置混合液，亞甲基藍(lán)又再次被葡萄糖還原成無色的亞甲基白。如此反復(fù)振蕩、靜置，其混合液在藍(lán)色與無色之間互變，故稱為“藍(lán)瓶子”實驗。這種現(xiàn)象也稱為亞甲基藍(lán)的化學(xué)振蕩。由藍(lán)色出現(xiàn)到變成無色所需要的時間稱為振蕩周期，振蕩周期的長短會受到反應(yīng)條件如亞甲藍(lán)溶液的最佳溶劑選擇﹑反應(yīng)溫度和氫氧化鈉用量等因素的影響[3]。其中，亞甲藍(lán)在葡萄糖與氧氣反應(yīng)中起著相當(dāng)于催化劑的作用。

亮藍(lán)，作為中美兩國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)的食用色素，廣泛應(yīng)用于食品和飲料當(dāng)中，其安全性被美國、歐盟等很多國家認(rèn)可。采用亮藍(lán)取代亞甲基藍(lán)，在顯色劑的結(jié)構(gòu)上有很大的變化。亞甲基藍(lán)屬于典型的剛性共軛噻嗪類染料，而亮藍(lán)則是一種典型的三芳基甲烷類染料，分子式如圖1所示。這類染料旗下的另外一個分子——酚酞[4]，作為酸堿指示劑，廣泛應(yīng)用于大學(xué)生的分析化學(xué)實驗中。在“藍(lán)瓶子”實驗中，亮藍(lán)完全可以起到取代亞甲基藍(lán)的作用，因此該實驗就能選用市售糖果作為亮藍(lán)的來源，此外糖果本身含有大量的葡萄糖可以作為還原劑的來源，同時在某些糖果和飲料中含有的維生素C也可以作為還原劑的來源。與傳統(tǒng)的“藍(lán)瓶子”實驗相比較而言，由于實驗的原料都是市售的糖果或飲料，能使學(xué)生加深學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)原理的同時消除食品添加劑在食品中的神秘感，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和探知的欲望。

圖1　三種染料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

1　實驗原理

亮藍(lán)在堿性條件下能夠被葡萄糖和維生素C等還原劑還原成為無色物質(zhì)，振蕩該混合液，溶液中的無色物質(zhì)又能被空氣中的氧氣氧化成藍(lán)色，如此反復(fù)地靜置和振蕩該反應(yīng)液，溶液的顏色就會在藍(lán)色和無色之間周期性變化，直至反應(yīng)體系中的還原劑或氧氣完全消耗。其可逆的氧化還原反應(yīng)機(jī)理如圖2所示。

圖2　亮藍(lán)的可逆變色機(jī)理

2　實驗儀器與試劑

紫外分光光度計(Hitachi，U3900)，10 mL帶有螺旋蓋玻璃瓶，石英熒光比色皿，一次性塑料吸管(3 mL)，氫氧化鈉溶液(3 mol/L)，佳得樂運動飲料(藍(lán)莓風(fēng)味，百事@，上海)，藍(lán)色糖果(購自淘寶網(wǎng)，樂味@，北京)。

3　實驗設(shè)計

將氫氧化鈉溶液和含有亮藍(lán)和還原劑的食品放入10 mL帶有螺旋蓋玻璃小瓶中，使溶解后溶液的總體積為3～5 mL，在玻璃瓶內(nèi)留有足夠的空間，以使之后進(jìn)行振蕩反應(yīng)時能讓溶液和氧氣在頂部空間內(nèi)充分?jǐn)嚢?。搖動玻璃瓶，使亮藍(lán)均勻分布到整個溶液中并與還原劑進(jìn)行反應(yīng)，亮藍(lán)分子很快被還原成無色染料分子，根據(jù)原料不同，歷時大約幾秒鐘到幾分鐘不等。此時再次振蕩含有無色染料分子的溶液，使其和空氣充分混合，將氧氣再次溶解進(jìn)入溶液中，將被還原的亮藍(lán)染料再次從無色氧化成藍(lán)色。在玻璃瓶中這種藍(lán)色褪色至無色再通過振蕩恢復(fù)至藍(lán)色的過程可以多次循環(huán)重復(fù)。雖然在每個周期中，顏色會迅速褪去，但是很難褪色至完全無色，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，溶液最終僅能褪色到某個程度而不能被完全褪為無色。經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)，在我們設(shè)計的實驗條件下，溶液的顏色隨著循環(huán)次數(shù)的增加最終變成淡黃色。“藍(lán)瓶子”實驗在采用傳統(tǒng)的亞甲基藍(lán)進(jìn)行實驗時也會發(fā)生這個問題。這種黃色產(chǎn)生的可能原因是反應(yīng)原料中含有糖類物質(zhì)，在反復(fù)的氧化還原過程中，葡萄糖會轉(zhuǎn)變成5-羥甲基糠醛或聚合成焦糖的類似物[5]。

為了更好的說明這個實驗，下面分別以含有亮藍(lán)的飲料和糖果說明實驗的具體步驟。

3.1飲料實驗

飲料選用市售的藍(lán)色佳得樂運動飲料。取等量的佳得樂飲料和氫氧化鈉1.5 mL加入到10 mL的玻璃瓶中。采用上述方法通過肉眼觀察溶液的顏色變化。為了更好的說明溶液顏色由藍(lán)色到無色之間的可逆轉(zhuǎn)變，下面采用紫外分光光度計(Hitachi，U3900)測得了溶液的吸光度和時間的依賴關(guān)系，見圖3。具體實驗步驟如下：將1.5 mL的佳得樂飲料和1.5 mL的NaOH溶液分別加入帶蓋的石英熒光比色皿中。將上述石英比色皿置于儀器中，采用動力學(xué)模式進(jìn)行掃描，采集635 nm處的光學(xué)信號。當(dāng)每次該溶液的吸光度接近零的時候，用一次性塑料吸管緩慢鼓入空氣，通過這種方式重新引入氧氣和還原性亮藍(lán)混合物進(jìn)行混合，從而可以引發(fā)下一個循環(huán)。從圖3中可以清晰的觀察到，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，在635 nm處的吸光度逐漸降低，而且每次循環(huán)的時間間隔也相應(yīng)變短。圖4即為每次循環(huán)溶液在氧化態(tài)和還原態(tài)下的不同顏色。

圖3　佳得樂和NaOH混合液在635 nm處的時間-吸光度曲線

圖4　佳得樂和NaOH混合液振蕩反應(yīng)周期中的顏色對比

3.2糖果實驗

在本實驗中選用的是藍(lán)色的糖果。將糖果壓碎，稱取0.5 g，溶于5 mL的水中。然后取1.5 mL的上述溶液和1.5 mL的NaOH溶液加入標(biāo)準(zhǔn)石英比色皿中，混合后置于紫外分光光度計。具體的測量方法和實驗結(jié)果與含有亮藍(lán)染料的飲料實驗相同。

4　結(jié)　語

采用亮藍(lán)取代了傳統(tǒng)的亞甲基藍(lán)染料在“藍(lán)瓶子”實驗中的應(yīng)用，用紫外分光光度法測得了溶液的吸光度和時間的依賴關(guān)系。與傳統(tǒng)實驗相比較，由于使用的實驗原料是市售的糖果或飲料，在加深學(xué)生對氧化還原反應(yīng)原理理解的同時消除了食品添加劑在食品中的神秘感，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和探知的欲望。

[1]毛秋平,梁向暉,鐘偉強.核磁共振儀用于教學(xué)實驗的探索[J].廣州化工,2015,43(7):154-156.

[2]胡佳.構(gòu)建儀器分析的高效課堂[J].廣東化工,2010,37(12):190-192.

[3]熊言林,王闖.藍(lán)瓶子實驗最佳反應(yīng)條件的探究[J].化學(xué)教學(xué),2010,10,16-18.

[4]崔雷,田振然.基于社會需求和學(xué)生興趣的有機(jī)化學(xué)實驗設(shè)計[J].廣東化工,2014,42(4):160-161.

[5]陸海燕.葡萄糖溶液放置變色現(xiàn)象的探究[J].化學(xué)教學(xué),2012,12,51-53.

Application of Brilliant Blue Instead of Methylene Blue in the Blue Bottle Experiment

GUYing-ying,CUILei

(College of Science，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)

Erioglaucine disodium salt can be used instead of methylene blue in the classic blue bottle experiment demonstration. Food items containing brilliant blue and reducing species such as sugars or vitamin C can therefore be used at the heart of this demonstration, which simply requires the addition of strong base such as sodium hydroxide. The use of foods in experiments can greatly enhance students’ interest and improve the understanding of food chemistry.

blue bottle; brilliant blue; food additives; experimental design; teaching reform

顧穎穎(1976-)，女，博士，主要從事有機(jī)小分子催化材料的研究。

崔雷(1984-) ，男，博士，主要從事熒光探針的設(shè)計與合成。

G642

A

1001-9677(2016)03-0198-02