刘海生+孟海莲

摘要：针对茚三酮检验氨基酸实验的教学困惑，在查阅相关文献、调查氨基酸市场售价的基础上，通过实验探究了pH、温度及试剂相对用量等因素对显色效果的影响，认为教材上的实验方案在氨基酸选择、试剂相对用量、水浴温度控制等方面存在不足，进而提出了改进建议。新方案以甘氨酸、丙氨酸和苯丙氨酸为对象，控制茚三酮与氨基酸相对用量比5：1及水浴温度70℃，具有实验现象明显、试剂成本低、操作性强、内容衔接顺畅等优点。

关键词：水合茚三酮；显色反应；氨基酸检验；等电点；实验探究

文章编号：1005–6629（2017）4–0067–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 困惑

茚三酮与氨基酸的反应在药品检验、临床分析和食品工业等领域被广泛应用。在高中有机化学内容的教学时，若能适时开展氨基酸检验的实验探究活动，对帮助学生认识氨基酸的化学性质及检验方法是大有裨益的。本地区所用的人教版教材有机部分未编排该实验内容，翻阅其他版本的教材，唯独苏教版提供了操作步骤：取1mL 0.1%的茚三酮溶液，加入1%的甘氨酸溶液，将试管放入热水浴中，观察现象。用色氨酸溶液替代甘氨酸溶液，重复上述实验。

在仔细研读以上方案后，发现存有诸多困惑，主要有以下几点：

（1）方案中向1mL 0.1%的茚三酮溶液加入的1%甘氨酸或色氨酸溶液的用量未具体指明，是数滴（少量）、几毫升，还是其他可能的用量？

（2）实验时所用的热水浴控制多少温度合适？能否采用酒精灯直接加热？

（3）同一课时“问题解决”栏目在帮助学生了解肽键形成时，选择甘氨酸和丙氨酸为例探讨，本方案又为什么选择甘氨酸和色氨酸作为研究对象？

对此，我们专门做了一些实证探索，得出了一些结果，供各位同仁参考。

2 探索

在分析茚三酮显色原理与20种L型氨基酸市场售价基础上，我们重点实证探索了氨基酸种类、pH、温度及试剂相对用量等因素对显色效果的影响，进而优化选择了茚三酮检验氨基酸实验的条件。

2.1 茚三酮反应的基本原理

茚三酮在溶液中会形成水合茚三酮，两者的结构如图1所示。

氨基酸中的氨基和羧基共同参与和茚三酮的反应。水合茚三酮引起氨基酸氧化脱氨、脱羧反应，形成的还原产物可以与氨基酸分解产生的氨结合，再与另一分子还原茚三酮缩合，互变异构成蓝紫色化合物（该化合物最大吸收峰在570nm处）[1]。具体过程见图2。

2.2 常见氨基酸的市场价格调查

迄今人类已发现的数百种氨基酸中，从蛋白质水解得到的最常见的有20种。为方便购买化学试剂及降低实验开设成本的考虑，我们在阿里巴巴化工品销售平台上查阅相关商品的市场价格，以教材出现的20种L型氨基酸为例（甘氨酸不存在L型），2015年8月食品级试剂的平均售价见表1。

2.3 氨基酸与茚三酮显色反应条件的探索

氨基酸和茚三酮在一定条件下会发生显色反应，显色情况受氨基酸种类、溶液pH、试剂相对用量、反应温度等多种因素的共同影响。

（1）pH对氨基酸与茚三酮显色反应的影响

实验1 分别吸取pH为3～11的缓冲溶液2mL，再加入1mL 1%的茚三酮溶液和4滴1%的氨基酸溶液，混匀后在热水浴下加热10min，取出并观察，记录溶液颜色。实验结果见表2。

结果表明，氨基酸与茚三酮的显色反应对介质pH非常敏感，不同种类氨基酸与茚三酮溶液呈现的颜色在不同pH下均会有明显的变化，大部分氨基酸显色的最佳pH在5～7。因此，要使实验出现的蓝色现象明显，从溶液酸碱性角度宜控制反应在弱酸性环境下进行。

（2）常见氨基酸的等电点及水溶液的pH

氨基酸的等电点（pI）是氨基酸的重要物理常数，常用于氨基酸的分离与纯化。当溶液pH等于氨基酸的pI时，氨基酸分子呈电中性状态，相互排斥力较小，易形成沉淀。常见氨基酸的等电点数据见表3。

等电点是氨基酸的特征常数和重要化学性质，而氨基酸水溶液的pH则还一定程度上受溶液浓度等的影响。虽然这是两个内涵不同的概念，但也有学者通过研究证明，将氨基酸溶于纯水后溶液的pH与该氨基酸的等电点数值上相差并不明显[3]。因此，我们一般可将氨基酸的pI值近似认为与其水溶液的pH相等。选择上述氨基酸中pI在5～7进行的实验，无需调节溶液pH而直接用于显色，可简化操作步骤。

（3）氨基酸与茚三酮相对用量对显色的影响

综合氨基酸售价、pI及实验效果等影响因素，确定较廉价（低于100元/kg）的6种氨基酸作为进一步研究的對象（下同），即甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、苏氨酸和苯丙氨酸等。

实验2 吸取1mL 1%的茚三酮溶液，加入一定量1%的氨基酸溶液（按茚三酮与氨基酸不同的相对用量比），再补加适量蒸馏水控制实验组中混合液总体积为3mL，振荡混匀后在70℃的热水浴下加热10min，取出后观察溶液颜色并记录。具体结果见表4。

据此可知，在其他条件一定时，茚三酮和氨基酸的相对用量比控制在5：1左右时显色效果最佳。实验过程中我们也发现，不同相对用量比下的显色速度也存在一定差别，5：1的用量比也是最为快速的。

（4）温度对氨基酸与茚三酮显色的影响

实验3 取4根试管，各吸取1mL 1%的茚三酮溶液，再分别滴入4滴1%的氨基酸溶液，振荡混匀后在不同温度的水浴中加热，观察并记录相应溶液从无色变为蓝紫色所耗时间（注：基于教学开展要求，我们控制每组显色实验的计时最长为10min，若溶液仍未变蓝则记录溶液的颜色）。具体结果见表5。

由实验3可知，氨基酸与茚三酮的反应在常温下显色较慢，一般加热后能显著加快显色速度，但温度过高、时间太长又会引起颜色的变化甚至变浅、褪色，应尽力避免。实验时选择70℃水浴（不超过10min）加热显色速度快、实验效果理想，能很好地满足教学的需要。

3 讨论

3.1 对教材实验困惑问题的认识

实验2相对用量的探究已说明，氨基酸与茚三酮显色时两者相对用量比在5：1时效果较好。教材实验方案中，取用茚三酮溶液体积较大但浓度偏低（0.1%），后续加入的氨基酸溶液的质量分数（1%）则相对较大。由此推知，要切合上述用量比，需要的氨基酸溶液的体积很小，必当为“滴加”操作。一般而言滴管取用1mL液体可分20滴，经计算需向1mL 0.1%的茚三酮溶液中加入1%的氨基酸溶液量不足半滴，显然不宜操作。有研究[4]表明，茚三酮反应的灵敏度较高，溶液浓度在0.5%～1%时显色效果最佳。因此，建议在实际操作时，可通过适当增大茚三酮溶液浓度的方法解决以上问题。

水浴温度对茚三酮与氨基酸的反应进程有显著影响。文献指出，温度过低会使茚三酮与氨基酸的反应速率变缓，反应不彻底，温度过高则会破坏氨基酸的结构，增大茚三酮的挥发损耗，从而导致反应不显色[5，6]。显然，采用酒精灯直接加热的方式不合适。本实验应使用水浴加热，但教材探究方案中并未对所用水浴温度明确说明，最好能加以说明以便操作。可参考实验3结论，70℃水浴（不超过10min）加热的效果对教学而言很理想。

从甘氨酸和色氨酸相近的溶液pH（5.9左右，均呈弱酸性）、良好的实验效果、简单与复杂氨基酸的代表性等角度，教材择其为例帮助学生了解氨基酸的共性的做法无可厚非，但从实验成本角度，色氨酸价格偏贵，却又未必是最佳的唯一选择，综合而言还是苯丙氨酸更具优势。此外，兼顾到后续同课时“问题解决”栏目中选择简单的甘氨酸和丙氨酸探讨肽键形成，笔者认为探究实验方案可同时以甘氨酸、丙氨酸和苯丙氨酸为研究对象更为适宜。

3.2 对教材实验方案的修改建议

综合以上分析，为达到检验实验现象更明显、试剂成本更低、操作性更强等教学效果，同时使教材前后内容衔接更顺畅，提出如下实施建议：

取1mL 1%的茚三酮溶液，加入1%的甘氨酸溶液3滴，将试管放入70℃热水浴中（不超过10min），观察现象。用丙氨酸溶液和苯丙氨酸溶液分别替代甘氨酸溶液，重复上述实验。

4 结语

一线教师基于一定条件下对某些实验现象提出一些新看法是很自然的，作为读者似不宜认为书（包括权威著作）上的内容都是正确的，是否应提倡在学习过程中进行“质疑”，尽可能减少、避免对前人积累下来的知识的绝对信任、被动接受[7]。在教学过程中，类似于氨基酸与茚三酮实验的案例还有很多，若我们在工作中能时常保持一颗“质疑之心”，进而进行一些必要的探索、分析与反思，将有助于增进对教材内容的深刻理解，合理把握和调控教学的难度与进度。从教师专业成长角度而言，也不失为一次很好的提升契机。

参考文献：

[1][2]汪世龙等编著.蛋白质化学[M].上海：同济大学出版社，2012：8，4～6.

[3]王苗霞，盧立春，王长凤.关于氨基酸溶液的酸碱性及等电点计算问题的说明[J].生物技术世界，2012，（5）：23～25.

[4][6]洪永孟，陈清风.茚三酮显现手印影响因素研究[J].海峡科学，2014，（11）：41～42.

[5]陈忠云. α-氨基酸和茚三酮反应的颜色与条件[J].邵阳师专学报，1995，（5）：56～59.

[7]严宣申. 2种制氧气反应的探讨[J].化学教育，2010，31（8）：84.