实验五：从番茄酱中提取番茄红素和胡萝卜素

实 验 目 的 学习从固体中萃取有机化合物的方法 学习用薄层层析法检验有机化合物的基本原理，点样，展开和计算Rf值的方法

背 景 资 料：视觉的化学 眼睛时如何发挥其功能的？这是一个有待化学家去探明的有趣而又有挑战性的研究课题。光的被察觉和把这个信息传递到脑部的过程中涉及到怎样的化学呢？ 第一次对眼睛功能的正式研究由Franz Boll在1877年开始进行的。Boll证实蛙眼睛的视网膜的红颜色可被强光褪成黄色。如果随后把蛙保持在暗处，视网膜的红颜色重新又慢慢恢复。Boll认为蛙觉察光的能力必定与一种能褪色的物质有联系。 目前大家所知的关于视觉的大部分知识是哈佛大学George Wald的出色工作的结果。这一工作开始于1933年。他最终获得了Nobel生物医学奖。Wald验证了把光转变成某种形式的，能被传递到脑部的化学信息的方法以下证实这一过程的概要。

眼睛的视网膜由两种光受体细胞组成，即视网膜杆细胞和视网膜锥细胞。视网膜杆细胞负责暗淡光线时的色视觉，而视网膜锥细胞则负责明亮光线时的色视觉。施加于视网膜杆细胞和视网膜锥细胞的化学原理时相同的，但对视网膜锥细胞的化学作用原理的了解不及视网膜杆细胞的了解详细。 每个视网膜杆细胞中含几百万盖视紫红质分子。视紫红质视一种叫做视蛋白的蛋白质和一个由维生素A衍生的11－顺－视网膜醛（有时称为视黄醛）分子组成的络合物。关于视蛋白的结构几乎毫无所知。11-顺-视网膜醛的结构则如下所示

光的察觉涉及11-顺-视网膜醛的最初转变成它的全反式异构体。这是光在这一过程中所扮演的唯一角色。可见光的光子的能量引起C11和C12间的键的开裂， 键开裂后，就由可能使由此造成的自由基绕键自由旋转。当经过这种旋转后再重新形成键时，便生成全反式视网膜醛。全反式视网膜醛比11-顺-视网膜醛稳定，这就是异构化作用为何按以下所示方向自动地进行地原因

这两种分子由于结构不同，因而形状各异。11-顺-视网膜醛具有明显弯曲地形状，且该分子顺式双键两侧地两个部分倾向于处在不同地两个平面内。由于蛋白质有非常复杂和专一地三维结构（三级结构），因此11-顺-视网膜醛能和称为视蛋白地蛋白质以特殊地方式互相缔合。全反式视网膜醛具有一种伸直的形状，整个分子倾向于处在单一平面内。这种和11-顺-异构体相当不同的形状意味着全反式视网膜醛与视蛋白之间会有一种很不同的缔合作用。

事实上，全反式视网膜醛由于其形状与这个蛋白质的形状不符合，因而缔合得非常之弱。因此，紧接于视网膜醛异构化之后的一步是全反式视网膜醛与视蛋白解离。视蛋白在这一解离过程中发生构型改变，而这异构型改变触发某种信息，后者由视神经传递至脑部，脑部就把对一个光子的察觉登录下来，至于构型改变怎样被转译成神经脉冲，目前仍不清楚。图中形象地表明了这一过程。

全反式视网膜醛受酶的作用又被变回到11-顺-视网膜醛。11-顺-视网膜醛的再生包含着全反式维生素A的形成，后者异构成它的异构体11-顺-异构体。维生素A被氧化成11-顺-视网膜醛，后者与视蛋白结合形成视紫红质。这个过程可以说明如下：

利用这一过程，可以察觉出从一种典型闪光灯射出的光子数少到10-14的弱光。光转换成异构化的视网膜醛表明了一种非常高的量子效率。被一个视紫红质分子所吸收的每个光量子实际上都能使11-顺-视网膜醛异构成全反式视网膜醛。 可从上面那个反应图解中看出，视网膜醛从维生素A衍生，而维生素A只需将其一个CH2OH基团氧化为醛基便转化为视网膜醛了。存在于食物中的维生素A的前体为-胡萝卜素，它可以转化为维生素A。 -胡萝卜素是胡萝卜的黄色色素，它是一族称为类胡萝卜素的长链多烯化合物的一个实例。

Willstatter在1907年确定了胡萝卜素的结构，但直到1931-1933年才知道胡萝卜素实际上存在三中异构体。-胡萝卜素和 -胡萝卜素不同， -异构体C4和C5间有个双键，不像-异构体在C5和C6间有双键，-异构体只有一个环，与-异构体中的一个环相同，但在-体中C1’和C6’间的一个环是打开的。三个异构体中-异构体无疑是最普遍的。

-胡萝卜素在肝脏中被转变为维生素A。从理论上说，一分子-胡萝卜素通过C15和C15’之间的双键开裂理应生成两分子维生素A，但实际上每一分子胡萝卜素只能产生一分子维生素A。如此生成的维生素A在眼睛中被转变成11-顺-视网膜醛。 还有一个有待解决的有趣的问题，即视蛋白改变构型时导致向脑部发生信息所用的方式问题。这个问题需要视蛋白的整个结构方面的某些有关知识。视网膜的视网膜锥细胞的色视觉特性的本质也是未来的一个有趣的研究课题。对于和11-顺-视网膜醛有同样高的量子效率的其它吸光物质的研究定能在诸如照相领域中获得有益的应用。

天然产物中有机成分的提取方法 浸取法：选用合适的溶剂，根据相似相溶原理，直接把溶剂加到固体样品上加热回流提取，本次试验就用的是此法。平时熬中药也是使用的该方法。用水煮中药就是把中药的有效成分提取出来。 水蒸汽蒸馏法：天然动植物中含有一些较易挥发的成分。利用水蒸汽可以把这些物质蒸出提取。天然的很多香料的提取（如橙油的提取）就是用的此法。 连续提取法：原理同第一种方法，但是使用了一种特殊的装置—索氏提取器。使用少量的溶剂能重复用来浸取达到浓缩的目的。如：茶叶种咖啡因的提取就是用此法。

本实验中的具体方法 取一平勺番茄酱于50ml圆底烧瓶中，加5 ml 95％ 的乙醇，装上冷凝管，回流3-5分钟，冷却。用玻璃漏斗垫棉花过滤。滤液置于带塞子的锥形瓶内，滤渣放回原烧瓶。加入乙醇的目的是破坏细胞壁，为下一步用石油醚的提取创造条件。 上部的滤渣加棉花加入10 ml石油醚，加热回流10分钟，冷却，过滤。滤液和上面滤液合并，滤渣扔掉。 将合并的滤液倒入分液漏斗中，加入5 ml饱和食盐水，萃取，分层。其中有机层进行薄板层析，无机层作对比用。加入饱和食盐水的目的：1）盐析，分层快且清；2）因为NaCl溶液是饱和水溶液，所以溶解有效成分少，即损失小。 有机相加入少量Na2SO4干燥—很重要。-胡萝卜素是合成VB6的原料，极性小，Rf值大。番茄红素: 作染料用，极性大。

加热回流装置图

本实验中薄板层析的爬板 介绍色谱法包括薄层法，柱色谱，纸色谱气相色谱和液相色谱。今天只作薄层色谱。 色谱法是分离和鉴定有机化合物的常用方法。 原理：利用混合物个组分在固定相和流动相的溶解度不同，即在两相间分配系数的不同而使各组分分开。 特点：时间短；分离效果好；需要样品量少；适用于在较高温度霞容易发生化学变化的化合物。

1. 薄层色谱法 事先准备：用铅笔和尺子轻轻画出起始线和终止线； 1. 薄层色谱法 事先准备：用铅笔和尺子轻轻画出起始线和终止线； 点样：用直径1mm的平头毛细管点取提取物，先在废纸上点一下（快速），然后在起始线线上少量多次地点样（保证一定浓度，一般需要50次以上）。待溶剂挥发以后，轻放到装好展开剂地展开缸内，不要让展开剂溅起或倾斜； 展开（爬板）：当展开剂爬到终止线时，停止爬行，取出。因为-胡萝卜素（黄点）易挥发，所以要尽快画出黄点的位置； Rf值的计算：分离效果好时Rf应为0.15 ~ 0.75之间。 意义：定性鉴定，监测化学反应等等。

点样：再薄板一端10mm（下）及另一端5mm（上）处用铅笔轻轻画一道痕迹，用直径小于1mm的毛细管（平口）点样，点样时样点一定要小，可重复再一点上点几次，使样品点小而又有一定的浓度，一块板上可以点两点； 展开剂的选择：根据样品的极性而定，极性大的化合物可选用极性较大的展开剂。为达到较好的分离效果，可用混合溶剂。做多次展开后可确定一合适的配比。展开时，至溶剂前沿离板顶5mm停止。 显示方法：A)有色化合物可直接观察；B)无色的，用显色剂显色，如碘熏法；紫外光显色，用硅胶GF254，有样品点的位置再紫外灯光照射下发暗。 Rf值计算公式：Rf=溶剂的最高浓度中心  溶剂前沿至原点中心的距离。

注 意 事 项 本次实验使用95％乙醇和石油醚提取。两种混合后用NaCl水溶液洗涤。乙醇主要进入水相，建议水相不要弃去。点样时在一块板上点两点：一为有机相，一为水相。观察比较有何不同。 展开剂的配比一定要控制为石油醚:丙酮=9:1。否则分离效果不太好。同时可以做一个比较，采用12:1。在混合展开剂中丙酮的极性大于石油醚，因此如果丙酮含量增大，极性增大，使得分离效果很差。如果增加石油醚的含量，使展开剂的极性变小，分离效果较好。 观察：如果红点紧追黄点，且Rf>0.75，则要增加石油醚的用量如达到12:1。

注意事项（II） 番茄红素为红色，-胡萝卜素为黄色，展开后的薄板放置一段时间后，样品颜色褪去。因为-胡萝卜素极易氧化，故在提取和展开过程中，注意不要敞开口，要用瓶盖盖住。 番茄红素的双键比-胡萝卜素的双键多，因此番茄红素的极性大，在爬板时爬地慢，在下面，-胡萝卜素的极性小，爬地快，且易氧化。 展开缸用后不要用水洗！ 薄板展开后临摹在实验报告上，板用后洗干净放回窗台上地塑料筐内。

要 求 在实验报告临摹一块走好的薄板—最理想的，如果第一块走的很好的话，就不用再走其他的板了。

关于色谱方面的基本理论知识见教材73－77

薄层层析在有机化学中的应用 薄层层析在有机化学中有好多种用途，主要如下： 1 证实两个化合物相等； 2 测定混合物种组分的数目； 1 证实两个化合物相等； 2 测定混合物种组分的数目； 3 决定适用于柱层析分离用的溶剂； 4 监控柱层析分离； 5 检查通过柱层析、结晶或萃取索达到的分离的有效程度； 6 监控一个反应的进程。

薄层层析（TLC）的优缺点 优点：只需使用少量物料，物料不浪费。用许多种显示法中，可以检测出少于十分之一微克（10 -7克）的物料； 另一方面，也可使用多达1mg的样品，使用尺寸大（边长9英寸），涂层相对较厚（大于500微米）的制备性大板，往往一次就可能分离0.2~0.5g物料。 主要缺点是不同用于挥发性的物料，因为它们会从板上挥发掉。

薄层层析可以证实两个猜想等同的化合物事实上确实等同。只需将两个化合物并排地点在一块板上，然后将板展开。如果两个化合物在板上移动同样地距离，即有同一Rf值，它们就有可能是等同地。如果斑点地位置不一样，则这两个化合物肯定是不同的。重要的是将两个化合物点在一块板上。 薄层层析法可以用于证实一个化合物究竟是单纯物质还是混合物。不论板在展开时用何种溶剂，单纯的物质总是只给出一个点。另一方面，若用各种溶剂对一个混合物进行实验时，该混合物中组分的数目就可以被确定下来。 当有一个给定的混合物拟用柱层析进行分离时，可以用TLC来选择最佳溶剂。 TLC常可用于监控一个反应的进程，可在反应过程中的各点取出反应混合物样品并进行TLC分析。