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楓葉變紅了–天然色素的顏色化學

春夏秋冬交替,大自然就像一個魔法師,上演著一幕幕多采多姿的美景。主導這些顏色變化的,就是自然界豐富的天然色素與有趣的顏色化學,它們同時也是光合作用所需要的催化劑。
 
 
 
自然界的天然色素

在四季分明的地區,大自然就像一個魔法師,上演著一幕幕的美景,把整個空間裝扮得格外生動美麗。

每年三、四月百花盛開,樹梢長出粉紅色細嫩的新芽,告訴人們春天到了。到了夏天,大地布滿了綠油油的樹葉,一片欣欣向榮的景色。當秋天來臨時,大地又像一張畫布,任憑大自然揮灑,樹葉一下子由綠轉黃、變金黃、變紅,滿山遍野五彩繽紛,構成了美麗的秋天景色。進入冬天後,落葉樹張著光禿禿的樹幹,寒帶植物也帶著青翠的綠色樹枝,頂著皚皚白雪,伴隨著聖誕與新年節慶的到來。

這些多采多姿的顏色變化,背後的魔法師就是自然界豐富的天然色素。同時,這些天然色素也是維繫植物生長的光合作用所需要的催化劑。

植物體內含有許多色素,各有不同的功能,主要的植物色素有葉綠素、葉黃素、胡蘿蔔素和花青素等。葉子的色素存在於細胞質內的色粒中,分為綠色粒,呈綠色或黃色;無色粒,不呈現顏色;與雜色粒,呈紅色或黃色,等三種。隨著細胞的成長,色粒會分裂而增多,或分化變色。

葉綠素 葉綠素是一個巨大分子,其基本單位是普菲林環,結構與血紅素有些類似,但以鎂離子為中心離子,是葉子進行光合作用時,吸取光能的主要發色團,共有葉綠素a、b、c與d四種。葉綠素a及b存在於高等植物與藻類及氰細菌的葉綠體中,葉綠素a會選擇性吸收太陽光內430及660 奈米波長的光波,吸收後剩下的光線經由反射便呈現藍綠色。而葉綠素b,最高吸光的波長位置是435及643奈米。葉綠素c與d則存在於藻類中。

一個葉綠細胞中可含百個以上的葉綠體,葉綠體的外層稱為囊膜,內有蛋白類的細胞間質叫基質,基質內有葉綠餅,葉綠餅是由多層的葉綠層所疊成,葉綠層內含有綠色的葉綠素及其他色素。葉綠素不溶於水,不會在細胞內流動。

在充足陽光與溫暖的環境下,植物可以用氧、氮、鎂、水、醣類等成分合成葉綠素,鐵、錳、鋅等微量元素則有助於葉綠素的合成。合成葉綠素的最適溫度,隨著植物種類而異,小麥的最適生成溫度在攝氏26~30度之間,馬鈴薯的最適生成溫度在攝氏11~19度之間。葉綠素並不穩定,葉子內各組織缺乏水分,或受到強烈陽光照射時,葉綠素便會被破壞。

胡蘿蔔素類 胡蘿蔔素與葉黃素通稱為胡蘿蔔素類,貯存在葉綠體及雜色粒內。胡蘿蔔素是碳氫化合物,不含氧原子,分為α-胡蘿蔔素和β-胡蘿蔔素。胡蘿蔔素結構高度不飽和,容易被氧化成為葉黃素,葉黃素在植物中的含量約是胡蘿蔔素的二倍。胡蘿蔔素類為脂溶性,不溶於水,但可被有機溶劑萃取出來。

胡蘿蔔素類是一種助吸光素,可以吸收藍、紫部分的可見光中的能量,最高吸光的波長是466 與497 奈米,吸收後剩下的光線呈紅及黃色。所吸收能量可以轉移給葉綠素,幫助葉綠素取得光合作用所需的能量。值得注意的是,胡蘿蔔素類比葉綠素穩定,不會因受到照光而分解。

花青素 花青素屬於類黃酮,不同於其他色素,花青素是水溶性,存在於表皮細胞的液胞中,但不與細胞膜相接觸,與光合作用無關,也不會干擾葉肉組織中葉綠體進行的光合作用。有趣的是,花青素的顏色會隨著酸鹼值而變,遇酸變紅,遇鹼變藍,顏色範圍從紅色、粉紅色、紫色到藍色,是一種天然的酸鹼指示劑。

花青素普遍存在於許多成熟果實中,果實顏色視其酸鹼值而定。例如,蘋果成熟時,表皮含有豐富的花青素,吸收藍光、藍綠光、綠光,而呈現紅色。相對地,葡萄表皮則呈紫色。

花青素很容易被水萃取出來,我們可以在家裡進行一個簡單有趣的實驗。紫紅色高麗菜含有豐富的花青素,常用於生菜沙拉、餐桌上裝飾或做德國泡菜。到市場買回半個,切碎後裝入五百毫升玻璃杯內,加滿煮沸的蒸餾水,蓋上蓋子,讓其自然冷卻後,倒出藍紫色液體,即得花青素萃取液。取出約二毫升花青素萃取液,滴入幾滴稀鹽酸,即變為鮮紅色;再滴入幾滴檸檬水,便呈紅紫色;滴入一些鹼性的肥皂水,又變成藍色。

另外,可以取一張白紙或濾紙剪成紙條,浸入花青素萃取液中,將之晾乾後,便是一張酸鹼試紙,滴上洗髮精或其他酸鹼試液,由所顯示的顏色,即可大約得知試液的酸鹼值程度。 

光合作用

植物進行光合作用,產生碳水化合物,才得以生長、開花與結果,同時提供了動物維持生存的基本食物。因此,光合作用是地球上的生物得以延續的主要方法。光合作用的奧祕在於葉綠素的電子傳遞與能量轉換機制,其反應簡式是

xCO2+yH2O+hv ─→葉綠素、陽光─→ xO2+Cx(H2O)y

光合作用產物是氧氣與以醣類為主的Cx(H2O)y碳水化合物,全反應是一吸熱反應,將能轉換成化學能,以碳水化合物方式儲存能量。

光合作用是依賴著一連串的電荷與能量轉移反應所推動,其中的關鍵性角色是發色團結構。分子內有許多電子軌域,各個電子軌域有不同且不連續的能量,有如樓梯一樣,電子裝填的原則是先填滿低能階電子軌域之後,再進駐高能階電子軌域。

依此規則,發色團結構的電子組態稱為基態,其中最高能量的電子軌域稱為「最高裝填軌域」。當發色團電子吸收光線,最高裝填軌域上的電子獲得光子能量,跳到高能階的「最低未裝填軌域」,稱為激態電子。

葉綠素分子發色團為高度共軛雙鍵結構,將葉綠素的電子由「最高裝填軌域」,激發到高能階的「最低未裝填軌域」所需能量很低,僅相當於紅色光波的光子能量,因此可以吸收太陽光的紅色光而呈現綠色。

當這個電子由高能階的電子軌域跳回到低能階的電子軌域時,即將這些能量釋放出來,轉移到水分子進行光水解作用,亦稱為光反應,促使水分子分解產生H、氧及電子,合成腺核苷三磷酸(ATP)與(還原型)菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)。在葉綠素基質中進行暗反應,將二氧化碳固定化後,經由酵素催化,與光水解作用產生的ATP與NADPH反應,合成碳水化合物。

胡蘿蔔素是一種助吸光素,具有共軛雙鍵發色團結構,其激發能量高低隨著共軛雙鍵數目而定,共軛雙鍵結構越多,電子便越容易被激發,所需的光子能量也就比較低。C40 胡蘿蔔素具有11個雙鍵,其吸收光波長增加到466與497 奈米,相當於藍綠色光波的光子能量,可以把「最高裝填軌域」電子激發到高能階的「最低未裝填軌域」,該能量高於葉綠素芳香烴發色團結構的光子能量。也因為如此,胡蘿蔔素可以將所吸收的高能光子傳遞給葉綠素光子,由於胡蘿蔔素可以吸收葉綠素吸收不到的光波長,而使得光合作用的色光光譜變寬。

光合作用所需的二氧化碳與水分子,從植物的下表皮進入葉肉細胞的葉綠體進行光合作用,光合作用的產品氧氣則以氣態方式經過下表皮組織擴散到大氣中,碳水化合物產物則經過葉柄基部,運輸到樹木各部位。

賞楓季節

秋天裡可以看到許多變色的植物,五角楓、銀杏等植物的葉子,到了深秋變成金黃色,而葉子變成紅色的有野漆樹、烏木臼、槭樹、爬牆虎、欖仁樹等,秋天賞楓已經蔚為國民旅遊的風潮。

有賞楓經驗的人都知道,要觀賞到滿山楓紅的景色,事前需要詳細周密的行程規劃,包括選擇賞楓景點與安排恰當的時間,即使如此,還需要氣溫的配合,也就要些許的運氣,必須在天時與地利的配合下,才能演出一個完美的賞楓行程。完美賞楓困難度這麼高的原因,係因為楓葉變紅乃是一個精密的化學反應。

賞楓首先需要認識楓樹,我們到各大賞楓勝地觀賞的楓樹多是青楓。另外一種楓香樹與青楓長得很像,葉子大都呈現黃葉或綠葉,不如青楓紅得漂亮,我們可以由一些特徵予以分辨。

「青楓」亦稱為「槭樹」,槭樹大多生長在溫帶地區,屬於槭樹科槭樹屬。「楓香」是亞熱帶落葉喬木,屬於金縷梅科楓香屬,在臺灣生長在低海拔至一千五百公尺的高度。就葉子而言,楓香葉是交互排列,葉形呈三裂的掌狀,就像把拇指和小指彎下比出「三」的手勢一樣,葉緣平滑。槭葉是兩兩對生,葉形呈五裂的掌狀,就像手掌張開一樣,葉緣呈鋸齒狀。就果實而言,楓香樹的果實像圓形有刺的蒴果;槭樹果實則呈八字型的翅膀。

在驚嘆楓葉變紅的大自然美景時,讓我們來探討有趣的顏色化學。植物體內主要的色素有葉綠素、葉黃素、胡蘿蔔素和花青素,葉子變色主要由植物體內色素的變化所主導。春、夏季日照長,光合作用特別活躍,葉片行光合作用除合成醣類外,也加速葉綠素的分解,夜晚時,葉綠素又開始合成。由於葉綠素持續不停地分解與再生,因此,葉子含有豐富的葉綠素。當葉子內同時含有葉綠素與胡蘿蔔素時,葉子會吸收紅光、藍光、藍綠光,剩下的光線反射,葉子便呈現綠色。

進入秋天後,日照時間縮短,夜間漸長,因應日照時間的變化,落葉樹種會在葉柄基部產生離層素,葉子因而脫落,卻也阻止養分的運輸。同時,溫度降低後,葉綠素合成的速率會變慢。葉內水分減少的結果,葉綠素在低溫發生分解,但葉綠素合成的速率卻來不及補充,因此葉綠素色素含量逐漸降低。此外,胡蘿蔔素遠比葉綠素穩定,即使葉綠素消失了,胡蘿蔔素仍可存於葉子中,葉片中的葉黃素、胡蘿蔔素等逐漸主宰樹葉顏色,導致葉片呈現黃色。

由於植物輸送養料的能力減弱,葡萄糖就被留在葉子裡,於是甜度越來越高。有些植物會將葉子內的葡萄糖和葉黃素在陽光作用下,逐漸生成花青素。

到了深秋,葉子的葉綠素不斷減少,葉子的綠色褪去,而花青素卻不斷增加,紅色增強,於是就變成鮮紅可愛的樹葉了。日光愈強,植物產生的花青素就愈多,溫差越大,葉綠素降得越低,葉片的顏色變得越紅。研究發現,楓樹缺氮養分時,楓葉會更紅,更早變紅。因此,楓葉變紅的程度與日照、氣溫、乾旱、污染、氮元素有關。

另外,紅色楓葉有遮光劑的作用,使得落葉時間延後,楓樹因而可以吸收更多的營養,因此,楓葉變紅的現象可以看成楓樹對自然界環境變化反應的結果。葉綠素與花青素相對含量與生成速率,也可以解釋植物的嫩芽和新葉呈現紅色的原因。葉綠素的生成速率高於花青素時,植物的嫩芽和新葉便綠得快。當花青素的生成速率高於葉綠素時,植物的的嫩芽和新葉就呈現紅色。等到葉綠素色素增加後,葉子就變回綠色。

臺灣的賞楓景點大多呈點狀或帶狀分布,整片楓樹純林只有在南投奧萬大、苗栗馬拉邦山、石門水庫等少數地區才可看到。賞楓必須選在秋冬交替,氣候由暖乍寒,頭兩波寒流來襲後的三、四天,是楓葉轉紅的時候,但這兩波寒流間隔最好約半個月到三周時間,若間隔太近,樹葉還來不及轉紅;若間隔太長,在第二波寒流到來之前,就已落葉歸根。

賞楓最好位置是北風吹得到樹的區域,例如稜線上,至於懸崖邊、空曠地等位於山谷、低窪地區的楓樹,通常還來不及轉紅,葉片就飄落了!。平地的楓葉因為日夜溫差太小,沒有辦法變紅。不過,你可以剪下一片楓葉,在家裡把它浸在砂糖水中,過些時候,糖分變成花青素,楓葉就變紅了。

師法自然

一年四季,一幕幕美麗的大自然景致,都蘊含著自然的奧祕,在有趣的顏色化學背後,亦與地球萬物賴以生存的植物光合作用息息相關。科學家師法自然界的光合作用,發明了光觸媒,藉著光的能量催化許多有用的人造光合作用化學反應,包括太陽能電池、空氣淨化、有毒物質分解等,展現出人類智慧與大自然奧祕的結晶。
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