诗情“化”意——诗词中的化学.pdf

Univ.Chem.2023,38(7),237241 237 收稿：2022-08-03；录用：2022-09-05；网络发表：2022-09-19*通讯作者，Email: 基金资助：国家自然科学基金青年基金(22004005)；北京市教委一般项目(KM202110011011)科普 doi:10.3866/PKU.DXHX202208024 诗情“化”意诗词中的化学诗情“化”意诗词中的化学 张钰婕，刘思彤，徐龙飞，裴晓静*北京工商大学化学与材料工程学院，北京 100048 摘要：摘要：从浪漫婉约的古诗词出发，和读者一起探索蕴藏在诗词里的化学知识，从靛蓝染料、酒和茶中的化学知识一步步展开全文，形象地讲述合成靛蓝的染色原理、酒香的检测和鉴定以及茶叶中的化学成分，旨在让读者对诗词中的化学知识有更多的了解，激发更多人对化学学习的兴趣，领略化学之美。关键词：关键词：化学科普；靛蓝染料；茶；酒 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Chemistry in Poetry Yujie Zhang,Sitong Liu,Longfei Xu,Xiaojing Pei*School of Chemistry and Materials Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China.Abstract:Starting from ancient poems,this paper explores the chemical knowledge in the romantic and graceful ancient poems with readers and tells the dyeing principle of synthetic Indigo,the detection and identification of wine aroma and the chemical composition of teafrom a chemical point of view.The purpose is to let readers have more understanding of the chemical knowledge in poems,stimulate their interest in chemical learning and appreciate the beauty of chemistry.Key Words:Popularization of chemistry;Indigo dye;Tea;Alcohol 回望中国诗词发展历程，光芒熠熠，意气风发。古代的诗人们时常与化学知识“邂逅”，将其转化为字里行间的优美文字，以富有韵律美的、高度凝练的古诗词让其跨越时空，展现在我们的视野之中。当浪漫婉约的古诗词与严谨细致的化学相碰撞，会产生什么样的反应呢？让我们从诗词出发，一起走近诗词中的化学知识，开启一场奇妙的诗情“化”意之旅。1 诗经中的诗情“化”意诗经中的诗情“化”意 我们先从诗词的源头诗经出发，一起吟诵诗经小雅采绿，诗曰：“终朝采绿，不盈一匊。予发曲局，薄言归沐。终朝采蓝，不盈一襜。”诗中的“绿”，通“菉”，即荩草。诗中的“蓝”，即蓼蓝。通过诗经我们了解到，早在先秦时代，先民们采摘荩草和蓼蓝，用它们来染布，美化单调的服饰。那么为什么这两种植物可以染色呢？原来荩草中含有荩草素(图1左)，荩草在水中有较高的溶解度。将新鲜的荩草叶片碾碎揉搓，由于荩草黄色的汁液对纤维素纤维有较高的亲和力，所以荩草素可以与纤维大分子间形成氢键和范德华力，使织物直接染为黄色1。而蓼蓝的染色机理与荩草完全不同，蓼蓝虽花红叶绿，但是可以将布238 大 学 化 学 Vol.38料染蓝2。这是由于蓼蓝的叶片中含有靛苷，可从中提取靛蓝素(C16H10N2O2)。明代科学家宋应星在其所著的天工开物一书中向读者全面解释了蓼蓝的种植、造靛和染色工艺，这说明早在明代，制作靛蓝和自然发酵染色技术已经能够被很好地运用了。在这本书中，他还详细地描述了靛蓝的染色过程：“凡蓝入缸，必用稻灰水先和，每日手执竹棍搅动，不可记数。其最佳者为标缸。”将蓼蓝捣碎浸泡，经过长时间静置，容器底部会产生蓝色泥状的靛蓝。那么，如何使这些靛蓝染料充分自然发酵还原呢？先民们发挥聪明才智，在靛蓝染液中加入米酒或酒糟，此时靛蓝被还原成无色的靛白，由于靛白很难溶于水，他们又添加了适量的“稻灰水”(即稻草灰水，主要成分为Ca(OH)2)3，从而使织物上色，这一过程充分展现了古人对蓝染技术应用的智慧。织物在染液内充分浸透后，需要取出晾晒。在晾晒的过程中，织物接触到空气，由于靛白有很高的还原性，在空气中很不稳定，所以靛白再次被氧化为靛蓝，织物的颜色也会随之由黄变绿，由绿变蓝，靛蓝的染色过程也随之完成。先民的智慧千年流传，这种古老的制作靛蓝和染色工艺竟然非常接近现代化学合成靛蓝的染色原理，我们不得不被先民的智慧所叹服。图图1 荩草素结构荩草素结构(左左)和靛蓝结构和靛蓝结构(右右)19世纪70年代，诺贝尔奖获得者阿道夫冯贝耶尔(Adolf von Baeyer，18351917)用靛红、三氯化磷、磷以及乙酰氯进行反应，成功合成了靛蓝(图1右)，靛蓝的合成对有机染料和芳香族化合物的研究作出了重要贡献4。虽然冯贝耶尔合成了靛蓝，但此时所用的靛红来自靛蓝植物。之后，他反复摸索，在1878年用苯乙酸合成了靛红。1879年，冯贝耶尔又尝试从邻硝基甲苯、邻硝基苯丙炔酸等出发合成了靛红，完成了靛蓝的全合成，其工艺过如图2所示。图图2 靛蓝的全合成靛蓝的全合成(Baeyer-Drewsen靛蓝合成靛蓝合成)由于贝耶尔提出的合成路线繁琐，成本非常高。19世纪90年代，卡尔休曼(Karl Heumann)进一步研发了其他合成靛蓝的生产工艺。20世纪初，德国化学家约翰福莱格(John Pfleger)在休曼法的基础上，通过N-苯基甘氨酸和3-吲哚酚将苯胺合成为靛蓝，其工艺过程如图3所示。图图3 靛蓝染料的化学合成过程 靛蓝染料的化学合成过程 No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202208024 239从1890年开始，合成靛蓝因其价格低廉、纯度较高，工业化合成靛蓝迅速普及并占领了世界各地的市场。20世纪末，天然植物靛蓝工艺基本上退出了大规模生产，只剩下民间蓝染工艺的传统应用，云南大理的白族扎染和四川自贡的扎染技艺也先后被列入国家级非物质文化遗产。如今，靛蓝是全球分布最广泛的染料之一，它也是蓝色牛仔裤的优选色5。花花世界，霓虹万千，人工合成的有机染料(表1)大大丰富了我们生活中的色彩，上万种染料已经被应用到我们生活的方方面面。现代人的生活早已离不开人工合成的色彩，离不开现代化学工业。表表1 各种染料简介 各种染料简介6 染料名称 代表物 颜色 染色原理 直接染料 刚果红 红色 对纤维无需媒染剂直接上染 酸性染料 甲基红 红色 与蛋白质纤维分子中的氨基以离子键相结合 阳离子染料 阳离子红GTL 暗红色 与织物中第三单体的酸性基团结合而使纤维染色 活性染料 活性艳红K-2BP 黄，橙，红 与纤维形成共价键，使耐洗和耐摩擦牢度提高 偶氮染料 苯胺黄 黄 先重氮化，再通过亲和力上染到用色酚打底的纤维织物，然后偶合显色，生成不溶性染料而上染织物 分散染料 分散橙 黄，橙 借助于分散剂的作用在染液中均一分散而进行染色 还原染料 异紫蒽酮 紫色 在含有还原剂的碱性溶液中被还原成水溶性的隐色体钠盐后上染纤维，再经氧化形成不溶性染料而上染织物 硫化染料 硫化黑 黑色 在硫化碱溶液中被还原为可溶状态，上染纤维后，经过氧化形成不溶性染料而上染织物 2 诗仙眼中的诗情“化”意诗仙眼中的诗情“化”意 李白在客中行中有诗曰：“兰陵美酒郁金香，玉碗盛来琥珀光。”谪仙人李白客居他乡，和友人一起品味着透着醇浓的郁金芬芳的兰陵美酒，盛在玉碗里的美酒泛着如琥珀般光泽。李白用“郁金”之香来形容酒香，那么你是否想过为什么美酒中可以散发香气呢？想要了解诗中的“郁金香”，那就离不开我们生活中的化学。从化学的角度进行剖析，引起香气必然有一定的物质基础。我们把引起香气的分子基团或原子称为发香团或发香原子，羟基(OH)、羧基(COOH)、酯基(COOR)、羰基(CO)等都是常见的发香团7。此外，发香与否还与发香物的含量有关。那么，如何检测兰陵美酒中的“郁金香”呢？检测香气的方法除了通过鼻子对气味进行综合鉴别之外，还可以通过仪器分析对香气进行检测和鉴定。常见的仪器分析方法有气相色谱-质谱分析(GC-MS)、电子鼻、气相色谱-嗅觉(GC-O)等8。仪器分析的步骤可分为香气物质的提取、分离分析和关键香气物质的鉴定。GC-MS是如何检测和鉴定气味呢？原来，GC-MS定量分析方法和色谱法定量分析类似，先利用色谱柱高效分离各种芳香化合物，再将分离出的纯化合物送入质谱，然后利用质谱进行定性分析。最后，通过联用计算机系统将GC-MS的分析结果和数据进一步对比，从而定性和定量地评价香气的质量9。比如：利用GC-MS分析兰陵美酒的香气及其化学成分(图4)10，分析结果显示，兰陵美酒中香气浓度较大的有乙酸异戊酯、己酸乙酯、庚酸乙酯、丁二酸二乙酯、异戊醇和苯甲醛等多种化合物。分析兰陵美酒中关键香气物质的成分以及鉴定香气贡献的特征，对科学认识兰陵美酒香气特征的风味化学本质，品质控制以及产品研发至关重要。举杯品味，轻呷一口美酒，浓香在齿间回荡。这是美酒中酯类物质发挥着作用，酯类物质主要呈现果香和花香的味道。虽然酒中的酯类物质含量一般不是很高，但因为有其他物质的存在，酯类物质的香气会有所强化，进而对酒体的整个香气的结构和特点产生影响。当美酒入喉，舌尖捕捉酒分子的味道，我们总能感受到酒液的醇厚，品味到口中的绵甜清冽。这是醇类物质发挥着作用，醇240 大 学 化 学 Vol.38类物质可使酒体醇厚丰满，回味绵甜。作为酯类化合物的前驱物质，醇类化合物主要来自发酵过程中有氧条件下糖的转化及无氧条件下氨基酸的转化而形成10。图图4 兰陵美酒关键香气化合物结构 兰陵美酒关键香气化合物结构 3 诗魔眼中的诗情“化”意诗魔眼中的诗情“化”意 古人在休闲娱乐之时不仅喜欢品酒，更喜欢饮茶。“茶之为饮，发乎神农氏”。茶叶源自中国，其独特的风味、香气以及对人体健康有益，饱受世人喜爱。让我们一起走进白居易的山泉煎茶有怀，有诗云：“坐酌冷冷水，看煎瑟瑟尘。无由持一碗，寄与爱茶人。”自古以来关于茶的诗词歌赋众多，古人闲暇之时与三五好友烹茶、饮茶、品茶，“茶，香叶，嫩芽，慕诗客，爱僧家”，茶为何深受古人喜爱呢？这要从茶的化学组成说起，茶叶的成分有五百多种，主要为多酚类、生物碱以及维生素，这些成分在人体营养价值和药理作用方面起着关键作用。多酚类是多种酚类衍生物的总称，是一种天然的抗氧化剂。多酚类中的羟基能够与自由基反应，从而清除自由基，起到抗氧化的作用。它还可以有效地阻断脂质的过氧化反应，使人体机能保持良好的状态11。儿茶素类化合物是多酚类的主要成分(图5)，儿茶素是一种对人体健康有益的酚类化合物12。多酚类中的儿茶素能增强微血管的弹性，降低血脂，从而有效预防糖尿病和高血压。所以，多酚类化合物可谓是人体中的“功臣”。图图5 儿茶素结构 儿茶素结构 茶叶中的含氮杂环结构的有机化合物，我们称为生物碱，这类化合物主要为嘌呤碱，也含有少量的嘧啶碱，其中生物碱中的咖啡碱(图6)对人体起着关键作用，它属于嘌呤碱，是形成茶叶滋味的重要物质。白居易有诗云：“驱愁知酒力，破睡见茶功。”这首诗中也表明了茶叶中的咖啡碱可以提高大脑皮质的兴奋，减少身体的疲乏感。俗话说：“茶叶浓，小便通。三杯落肚，一利轻松。”咖啡碱既能协助利尿，又有助于醒酒，解除酒精中毒。元稹的茶有诗云：“洗尽古今人不倦，将至醉后岂堪夸。”这首诗也说到了茶能提神醒酒。在茶叶冲泡后，大部分咖啡碱溶解于沸水中。咖啡碱可以迅速使人的大脑处于兴奋状态，加快人体内的新陈代谢，并且刺激泌尿系统，使机体产生尿意，即具有利尿功能。同时，作为茶叶主要功效成分之一的咖啡碱，为阿尔兹海默症患者带来了“福音”，它可以有效预防和治疗阿尔茨海默症，降低阿尔茨海默病的发病风险13。No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202208024 241图图6 咖啡碱的结构咖啡碱的结构 当然，茶叶中维生素的含量也很丰富，其中，维C的含量最多。人体每天需要摄入0.6克维生素，而100克茶叶中就富含维C 0.10.5克。茶叶中维A原(一些类胡萝卜素具有与维A1相同的环状结构，可在人体内转化为维A，因此我们称他们为维生素A原)，可以有效预防干眼症，同时还可以增强视网膜的光敏性，防止夜盲14。茶叶中的维D原可以调节脂肪代谢。茶叶中的维B1(图7左)可谓是“脚气病的克星“，可以有效治疗脚气病15。维B1不仅可以抗脚气病，还可以有效治疗多发性神经炎等疾病。茶叶中维B6(图7右)，不仅参与氨基酸的代谢，而且还参与脂肪代谢。图图7 维生素维生素B1结构式结构式(左左)和维生素和维生素B6结构式结构式(右右)中国诗词卷帙浩繁，其中不乏与化学相关的名篇佳作，以上诗词也只是冰山一角。诗词不仅让我们对化学多了一份美好的想象，更为其自身增添了一份妙曼的艺术色彩。以诗会友，以“化”求知，人生自有诗情“化”意。我们的诗情“化”意之旅到此结束，读诗诵词可以让我们感受中国传统文化的力量，同样，“半亩方塘一鉴开，天光云影共徘徊”，我们也可以从诗词中学到有趣的化学知识。参参 考考 文文 献献 1 鞠紫昕.植物靛蓝染料的结构与性能研究硕士学位论文.上海:东华大学,2020.2 王欢,林青青,王萌,王梦琛,杨斌,张伟,张婷,赵军龙.大学化学,2020,35(11),127.3 王华.上海染料,2006,34(2),28.4 Baeyer,A.Emmerling A 1870,3,514.5 何琦婷,张皓帆.大学化学,2021,36(10),2107107.6 张淑芬.化工学报,2019,70(10),3704.7 刘玲.泾阳产区葡萄与葡萄酒质量研究硕士学位论文.西安:西北农林科技大学,2010.8 黄东竹,李梦茹，陈琪，宛晓春.茶叶通讯,2021,48(4),589.9 芮汉明,郭凯.食品工业科技,2008,29(7),277.10 樊杉杉,管桂坤,苏雅芝,万自然,刘明坤,王涛,郭一民,徐岩,范文来,陈双.食品与发酵工业,2021,47(1),243.11 刘艳红,李静,李坤,余孝其,吴迪.大学化学,2019,34(8),102.12 陈时宏.海峡药学,2015,27(9),28.13 文雨洁,彭书锋,冯江,刘瑞鸽,寇静.食品安全导刊,2022,No.191,4.14 凌光汉,徐国斌.茶报,2001,No.25,2.15 张丰,张振明,杨德红,王坤,陈思如,张留学.大学化学,2020,35(11),110.