光合色素提取中碳酸鈣對(duì)葉綠素保護(hù)機(jī)制的微探

吳 東

(浙江省紹興市柯橋區(qū)鑒湖中學(xué) 紹興 312030)

在植物光合色素的提取中，為了保護(hù)葉綠素不被破壞需要加入碳酸鈣(CaCO3)，不少學(xué)生會(huì)問(wèn)碳酸鈣到底是如何保護(hù)葉綠素的？能否替換成碳酸鈉呢？要解決這個(gè)問(wèn)題，我們得先來(lái)認(rèn)識(shí)一下葉綠素。

1 葉綠素的基本理化性質(zhì)

葉綠素是植物或藻類細(xì)胞合成的一種具有吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能作用的復(fù)雜有機(jī)分子，除了在光合作用過(guò)程中具有極為重要的生理學(xué)意義，在植物系統(tǒng)學(xué)上也具有極為重要的分類學(xué)意義。在葉綠素的卟啉環(huán)中央，是一個(gè)呈螯合態(tài)的Mg2+，四周是四個(gè)吡咯環(huán)，這四個(gè)吡咯環(huán)相互連接，形成了葉綠素基本的復(fù)雜共軛體系結(jié)構(gòu)，它還有一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴(即葉綠醇)(圖1)。葉綠素通常存在于植物細(xì)胞葉綠體內(nèi)的類囊體膜或藻類的光合膜上，一般吸收藍(lán)紫光和紅光。

圖1 葉綠素的結(jié)構(gòu)

葉綠素由德國(guó)化學(xué)家韋爾斯泰特在20世紀(jì)初，采用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的色層分離法提取并分離了葉綠素；1915年，韋爾斯泰特榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。葉綠素分為葉綠素a～f和細(xì)菌葉綠素，其中高等植物中常見(jiàn)的為葉綠素a和葉綠素b，其區(qū)別在吡咯環(huán)Ⅱ上的附加基團(tuán)上有差異： 前者是甲基(—CH3)，后者是醛基(—CHO)。

葉綠素不很穩(wěn)定，光照、過(guò)酸、過(guò)堿、氧氣、氧化劑等都會(huì)使其分解。在酸性條件下，葉綠素分子卟啉環(huán)中的鎂離子可被氫離子取代，生成黃褐色的脫鎂葉綠素，所以在酸性條件下，葉綠素很容易被破壞。

2 碳酸鈣是如何保護(hù)葉綠素分子的

要把光合色素提取出來(lái)，一個(gè)必要的操作就是粉碎植物細(xì)胞。在提取時(shí)，常通過(guò)添加一定量的石英砂或二氧化硅(SiO2)進(jìn)行研磨，石英砂的顆粒比較粗大，二氧化硅則為粉末狀固體。在破碎植物細(xì)胞的時(shí)候，植物細(xì)胞液泡中的大量酸性物質(zhì)，如各種有機(jī)酸(如檸檬酸、蘋果酸等)、氨基酸等酸性物質(zhì)都被釋放出來(lái)，并且與葉綠體中釋放出來(lái)的葉綠素發(fā)生接觸，極易導(dǎo)致葉綠素被破壞。要保護(hù)葉綠素，就必須“破壞”這些酸性物質(zhì)，如何破壞酸性物質(zhì)？用堿性物質(zhì)來(lái)中和是最好的選擇了，碳酸鈣在這方面可以起到很好的作用：

3 可否用碳酸鈉(Na2CO3)代替碳酸鈣(CaCO3)

既然碳酸鈣具有堿性的特征，是否可以用碳酸鈉來(lái)代替碳酸鈣(CaCO3)呢？碳酸鈉易溶于水，雖然也可以有效地中和細(xì)胞溶膠和細(xì)胞液中的酸性物質(zhì)，但是碳酸鈉在水中的溶解度過(guò)大，造成光合色素提取液堿性過(guò)大，很容易造成葉綠素的破壞，而碳酸鈣則不會(huì)造成過(guò)堿的現(xiàn)象，碳酸鈣由于其具有難溶于水的特性，可以非常方便地利用過(guò)濾法除去提取液中混有的碳酸鈣微粒，而碳酸鈉因?yàn)橐兹苡谒茈y用普通的方法除去。

通過(guò)分析證明，葉綠素提取中是不可以用易溶于水的堿性鹽類來(lái)代替碳酸鈣的，其中包括碳酸氫鈉(NaHCO3)或碳酸鉀(K2CO3)，雖然有的學(xué)生提出來(lái)是否可以控制碳酸鈉的量來(lái)控制堿性，但是因不同植物葉片研磨液的酸度均不同，很難通過(guò)控制堿性物質(zhì)的量來(lái)控制研磨后提取液的酸堿度，實(shí)際上的可行性很小。因此，在光合色素提取的實(shí)驗(yàn)中，最好采用碳酸鈣作為葉綠素的保護(hù)劑。