从高中生物到诺贝尔奖

张磊

2015年，中国科学家屠呦呦获得诺贝尔生理学或医学奖，实现了本土科学家在本土研究获得诺奖零的突破。屠呦呦的研究成果与高中学生有什么关系？其实，诺贝尔奖并不那么高深莫测，遥不可及，笔者尝试把诺贝尔奖的相关成果与高中教学内容进行整合，对学生获得知识与能力以及培养情感、态度与价值观均具有重要意义。

笔者将高中生物教学中的三个“提取”实验和诺贝尔奖中的“青蒿素提取”实验，进行对比分析，以此帮助学生梳理“提取”实验中的关键知识点和步骤，也表明诺贝尔奖确实并非高深莫测，从而拉近学生与科技热点的距离，激发学生关注前沿科技的兴趣。教师促使学生树立信念从高中生物实验到诺贝尔奖，也许就是一步之遥。

1几个实验的共性——固液萃取

萃取是利用混合物中各组分在某溶剂中的溶解度差异来分离混合物的一种操作，而分离固体混合物的萃取操作则称为固液萃取。它利用有机或无机溶剂将固体原料中的可溶性组分溶解，使其进入液相，再将不溶性固体与溶液分开，获得溶液中的有效成分。前文所提到的4个“提取”实验（高中生物学中三个“摄取”实验和“青蒿素提取”实验）均具有这个共性——固液萃取。

2萃取的关键——萃取剂

萃取剂即用于萃取的溶剂，是萃取能否成功的关键。在实际操作中，萃取剂的选择应以拟提取有效成分及其性质作为主要依据。有效成分在溶剂中的溶解度越大，无效成分在溶剂中的溶解度越小，提取效果才能越好。另外，萃取剂还应尽量无毒、价廉且易于回收。

萃取剂可分为亲水性溶剂和亲脂性溶剂。一些常见萃取剂的亲水性强弱顺序为：水>甲醇>乙醇>丙酮>乙酸乙酯>乙醚>氯仿>苯>石油醚。其中，水具有价廉、无毒和提取范围广等特点，是最常用的萃取剂。但是，由于水的选择性较差，提取液中常含有大量的无效成分，给纯化带来一定的困难。乙醇的溶解性介于亲水性和亲脂性溶剂之间，不同含量的乙醇溶液适合提取不同物质。如体积分数大于90%的乙醇溶液适用于提取挥发油、叶绿素等成分；体积分数为50%～70%的乙醇溶液适用于提取生物碱等成分。乙醚和石油醚等亲脂性有机溶剂，在作为萃取剂时，选择性较强，提取液中杂质较少，常用于脂溶性有效成分的提取。另外，在提取过程中，单一的萃取剂效果可能不好，需加入辅助剂用于增加有效成分的溶解度及制品的稳定性，或用于除去或减少某些杂质。

前述中“提取”实验所使用的萃取剂和辅助剂如表1所示。

由表1可知，在高中实验中，叶绿素作为脂溶性分子，可以用丙酮或乙醇作为萃取剂，而石英砂和碳酸钙作为辅助剂，可以帮助研磨、保护叶绿素的稳定；胡萝卜素易溶于有机溶剂，在高沸点、不溶于水的石油醚中具有较好的提取效果；DNA可以用特定浓度的氯化钠作为萃取剂，使DNA溶于其中，而洗涤剂有助于溶解细胞膜，增加DNA在氯化钠中的溶解。

青蒿素的提取，在当时是个世界难题。有古书曾记载利用水作为萃取剂，热水煮青蒿来治疗疟疾，但经过研究者的验证，这种方法没有什么效果。经过无数次失败，研究者决定改用有机溶剂进行直接提取，那么，什么样的有机溶剂适合作为提取青蒿素的萃取剂呢？诺贝尔奖获得者屠呦呦在发现乙醇提取效果不佳时，首先采用了沸点较低的乙醚进行实验，直到第191次，才真正发现了有效成分青蒿素，这一方法是当时发现青蒿粗提物有效性的关键。

其实，在固液萃取时，萃取剂的选择并不是唯一的。如青蒿素的提取，科学家就曾试验过甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、氯仿、苯、石油醚和正己烷等多种萃取剂，结果证明乙醚、石油醚和正己烷都具有较好的提取效果。

3萃取的过程与效果

大多数的固液萃取都需要先对原料进行预处理，包括干燥脱水和粉碎。在萃取过程中，粉碎的原料颗粒与萃取剂接触，并被萃取剂润湿，同时萃取剂通过毛细管和细胞间隙渗透至原料细胞组织内，溶解有效成分。萃取剂溶解有效成分后，形成的浓溶液具有较高的渗透压，不停地向周围扩散，推动萃取过程持续进行。因此，萃取就包括润湿、渗透、溶解和扩散四个步骤。

在整个萃取过程中，影响萃取效果的因素除了萃取剂的性质和用量，还包括原料颗粒大小、萃取的温度、压力和时间等。一般来说，原料颗粒越小，萃取温度高，时间长，萃取剂用量多，提取次数多，需要提取的物质就能够充分溶解，萃取效果就好。随着技术的发展，超声波、微波、酶等手段的应用，也可以加速萃取过程，提升萃取效率。

从萃取的过程来看，高中实验中的DNA和叶绿素提取，采用的是新鲜组织，没有进行干燥的预处理。这是为了避免对有效成分的破坏。胡萝卜素和青蒿素的萃取过程则与上文所述相同。

从影响萃取效果的因素来看，高中实验中的胡萝卜素提取，对原料颗粒的大小、紧密程度、含水量、萃取的温度和时间等有过描述。而在青蒿素提取过程中，科学家则对这些影响因素进行了具体实验对比。黄花蒿原料的颗粒大小直径为0.18～0.425mm，青蒿素的提取量隨着颗粒减小而增加，但颗粒小于0.18mm后，青蒿素的提取量反而逐渐减少；当提取温度在30～50%时，青蒿素的提取量随着提取温度的增加而增加，之后，随着提取温度的增加而逐渐减少。这是因为温度过高，会使得青蒿素的结构遭到破坏，反而不利于提取；提取时间为1h，青蒿素提取效率最高。之后，随着提取时间的延长，提取量不再明显增加；搅拌速度对青蒿素的提取效率也有显著影响，在相同条件下，青蒿素的提取效率随着搅拌速度的增加而增加，但搅拌也同时增加了提取成本。可见，在萃取实验中，把握好这些影响因素，才能获得更好的萃取效果。

4小结

固液萃取，其实是生活中常见的提取方式，比如泡茶、冲咖啡和水煎中药等。随着人们生活水平的提高与工业发展，固液萃取应用的领域也越来越广泛，如从菜籽中榨油、从甜菜中提取糖，还有从中草药植物中提取药用成分等。中学生在学习生物时，将学习与日常生活和科学进展相结合，挖掘其中丰富的教育价值，将得到极大的收获。