臺灣化學教育

跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇

廖旭茂^{1, 2,*}、陳許玉鈴¹

¹台中市立大甲高級中等學校

²教育部高中化學學科中心

*[email protected]

n  簡介

數千年前，中國神農氏，嘗百草，解救了千千萬萬黎民眾生，形形色色的植物的根、莖葉、果實，成了華人醫療保健、養生飲食的首選，更進一步發展成獨具特色的中醫。本實驗模組研究肉桂、豆蔻、香草、檸檬、柑橘等具有特殊香氣的芳香植物，與其體內所含的精油理化性質的探究與鑑定¹。

肉桂是古老的香料植物，也是長久以來最常用的中藥材之一；特殊的香氣，是五香之一，常用於燉肉提味上；近年來，肉桂皮研磨的粉末多用於風味麵包、甜點與調味咖啡的製作；肉桂在醫藥上可以增強消化功能，幫助排除消化道的積氣，甚至可以降低血糖的功用¹。肉桂的氣味與功效主要來自製肉桂精油中的肉桂醛（含有90 %以上），學名為2-丙烯醛，結構中含有烯基與醛基，這兩個官能基在化學上可進行加成、氧化還原反應。本實驗利用自製的電熱式微型蒸餾器²，透過加熱酒精蒸氣，分離出土肉桂葉中的肉桂精油等成分；隨著運用薄層層析TLC鑑定經由中肉桂醛的存在，並檢測其分子不飽和的結構與反應性。肉桂醛因具令人愉悅的天然香氣，並具有殺菌功能，常用於口香糖，冰淇淋，糖果，飲料中。下圖為常見的肉桂。

圖1：由左而右依序為肉桂皮、肉桂粉與土肉桂葉

本單元是學校高二生物化學跨科探究與實作的課程的一部份，會選土肉桂做為題材，起因於2010年前後，筆者參加的一場演講說起，當時中央大學的洪蘭教授在會中分享了一個有關屏東縣新埤國中將肉桂葉變黃金的故事³，這麼一個有溫度、在地的故事深深吸引筆者，跟自然科討論後，列入探究與實作的主題。台灣土肉桂屬於樟科的常綠喬木，跟中國、東南亞的肉桂不同，其肉桂精油分布在土肉桂葉片而不是樹皮，取精油時，不用剝除其樹皮，傷其樹幹，因此適合作為探究的主題。本課程另一部分生物篇將探討抗菌設計的部分課程，有機會待下回再分享。

n  原理與概念

本實驗的設計分為精油的提煉、性質檢測，以及TLC鑑定三個部分，其原理和概念分述如下：

大部分的植物精油是疏水性的，密度也多比水輕，以水蒸氣蒸餾法來提煉法居多，為避免高溫影響精油的結構，也有一些使用溶劑萃取，或CO₂超臨界流的方式萃取⁴；肉桂醛，微溶於水，密度為1.05g/mL，略重於水，可與酒精完全互溶，沸點為248℃。為避免高溫蒸餾，影響結構，先以酒精萃取肉桂葉粉末，並以超音波震盪，破壞細胞壁，促使精油提煉效率提高。下圖為肉桂醛的結構式。

圖2：肉桂醛的結構式

肉桂醛的結構中，有烯基、醛基，若欲檢測烯基，可使用溴水溶液，溴可與烯2-丙烯醛的烯基產生加成性反應，轉為2, 3- 二溴苯丙醛；若欲檢測醛基的存在，實驗室中最方便的可先以KMnO₄(aq)溶液的酸性溶液反應，轉變成丙烯酸，而使紫紅色褪色；不過使用高錳酸鉀液來檢驗肉桂醛情況可能有些複雜，高錳酸鉀在酸性環境可與醛基反應，產生無色的亞錳離子與肉桂酸，但也有可能與酒精作用，只是反應速率較慢，此外高酸酸鉀亦有可能與烯基作用，生成二醇類與二氧化錳沉澱。下圖左、右發現第一排最左邊的對照組靜置5分鐘後，發生紫紅色褪色，且有黃褐色沉澱物，判斷為二氧化錳。

圖3：圖左為剛加入試液的顏色，圖右為5分鐘後的顏色，對照組的紫紅色發生褪色

有鑑於此，多侖試液可以用來檢驗醛基，產生銀鏡反應，似乎是比較適合的檢測試劑，下圖為肉桂醛與多侖試液作用。

圖4：左邊孔穴為對照組，右邊是肉桂醛標準液發生銀鏡反應

    TLC的鑑定，展開液的選擇是一個大問題，考量點有二，一是從溶劑的極性考量，根據文獻⁵溶劑的相對極性的大小：醋酸（1.049）>水（0.998）>甲醇（0.762）>乙醇（0.654）>乙酸（0.648）>丙酮（0.355）>氯仿（0.259）>乙酸乙酯（0.228）>乙醚（0.117）>苯（0.111）>四氯化碳（0.052）>正己烷（0.009）。二是方便性，容易取得，三是安全考量，毒性越低的適當。因此選了正己烷與乙酸乙酯。

展開結束後，以殺菌用254nm的紫外光照射事先塗布螢光劑的TLC片，標準肉桂醛溶液會出現紫黑色信號，如果蒸餾液也在相同位置出現信號，則可確認蒸餾液中含有肉桂醛。下圖為紫外光下的肉桂醛信號。

圖5：UVC光下TLC片出現的肉桂醛吸收光的情況

n  器材與藥品

1.      藥品：乾的肉桂葉0.5克、試藥級肉桂醛（>98 %）、乙醇5毫升、0.01 M高錳酸鉀（KMnO₄）溶液 (盛裝於10毫升樣本瓶中）、1.0 M硫酸（H₂SO₄）溶液（盛裝於10毫升樣本瓶中）、0.5M硝酸銀（AgNO₃）溶液(盛裝於10毫升樣本瓶中）、乙酸乙酯2毫升、正己烷6毫升。

2.      器材：微型電熱式蒸餾模組、陶瓷孔盤（3ⅹ4）1個、TLC薄層層析片（3 cm × 7 cm）/組、120毫升樣本瓶/組、毛細管（10 cm）2支/組、塑膠滴管（3毫升）3支、強力磁鐵（Φ=5mmⅹ2mm）、L型鍍鋅角鐵。

n  建議實施實施步驟

l 建議實驗活動步驟-1：利用微型蒸餾萃取土肉桂中的精油

1.      事先摘取土肉桂葉，曬乾後（亦可用烘箱60℃低溫烘乾），撕裂成碎片後，以研磨機(或磨豆咖啡機器)打成粉末，備用。下圖為研磨成品。

圖6：研磨成品的肉桂粉及肉桂葉

2.      取自製的電熱式蒸餾瓶²，打開瓶蓋，以刮勺取約0.5公克的肉桂葉粉末，加入瓶中，再加入10毫升的酒精，隨後以玻棒適當攪拌均勻，蓋在瓶蓋，隨後以超音波震盪約5~10分鐘，水溫設定50℃。下圖為震盪過程。

圖7：多組肉桂液試液一起震盪的過程

3.      震盪結束，將微型電熱式蒸餾器組裝好，冷凝管循環水杯中放入少許冰塊與自來水，以冷卻凝結蒸餾出蒸氣。再取一直流電源供應器，將紅、黑鱷魚夾線導線分別連接微型蒸餾器的兩個卡扣（作法如筆者前一篇文章所述，請參見台灣化學教育期刊¹），下圖為微型蒸餾與收集瓶的裝置圖。

圖8：微型蒸餾與收集瓶的裝置

4.      將變壓器電源打開，開始加熱。幾分鐘後觀察玻璃管中開始產生蒸氣與凝結的蒸餾液滴，仔細觀察收集瓶中液滴的顏色，記錄第一滴液滴餾出的時間及數位溫度計上的溫度。

5.      10分鐘後，關閉電源，停止蒸餾。移開收集瓶的矽膠塞，觀察蒸餾液，並以手在瓶口揮動，聞聞蒸餾液的味道，是否有肉桂的味道。

6.      將餾液倒入10毫升的量筒中，讀取餾液的的體積。

l 建議實驗活動步驟-2：肉桂醛性質的檢測–官能基的測試

1.      於陶瓷孔盤，利用滴管吸取0.3 %Br₂(aq)溶液，依序於第一排最左邊、中間及右邊的孔洞中，各滴入1滴Br₂(aq)溶液，觀察溶液的顏色為何？

2.      接著以滴管吸取1滴乙醇，滴入最左邊的孔洞中，作為對照組，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？

3.      隨後於孔盤第一排中間的孔洞滴入一滴體積百分比5 %（5毫升的肉桂醛溶於95毫升的乙醇）的肉桂醛標準液，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？

4.      隨後於孔盤第一排右邊的孔洞滴入一滴蒸餾液，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？

5.      承上，若觀察溶液的顏色若有變淡，但黃褐色色尚未完全褪色，繼續滴入蒸餾液直到黃褐色完全褪去，紀錄滴入的蒸餾液滴數多少？

6.      於上述的陶瓷孔盤，利用滴管吸取0.005 M KMnO₄(aq)溶液，依序於第二排最左邊、中間及右邊的孔洞中，各滴入1滴KMnO₄(aq)溶液。隨後以滴管吸取1.0M的硫酸溶液，於上述三個孔洞各滴入1滴硫酸溶液，觀察溶液的顏色為何？

7.      接著以滴管吸取1滴乙醇，滴入最左邊的孔洞中，作為對照組，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？

8.      隨後於孔盤第二排中間的孔洞滴入一滴體積百分比5 %（5毫升的肉桂醛溶於95毫升的乙醇）的肉桂醛標準液，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？

9.      隨後於孔盤第二排右邊的孔洞滴入一滴蒸餾液，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？

10.  承上，若觀察溶液的顏色若有變淡，但紫紅色尚未完全褪色，繼續滴入蒸餾液直到紫紅色完全褪去，紀錄滴入的蒸餾液滴數多少？下圖為性質檢測過程。

圖9：肉桂醛性質檢測過程

l 建議實驗活動步驟-3：肉桂精油中肉桂醛的鑑定–薄層色層TLC鑑定

1.      以滴管吸取上述5 %的肉桂醛標準液1毫升，滴入1個5毫升的樣本瓶中，以標籤標示為A （代表肉桂醛標準品，cinnamaldehyde），肉桂蒸餾液滴入另一個5毫升的樣本瓶中，標示為B靜置備用。

2.      配置展開液：取乙酸乙酯與正己烷體積比1:3的展開液8毫升，倒入110毫升的樣本瓶中作為展開劑，蓋上瓶蓋讓展開液充分蒸發，控制液面高度約0.5公分。

3.      取一片裁剪好的TLC片（3 cm × 7 cm），平放在桌上，分別在長邊的兩邊距離上、下邊界各約1.0公分處，輕輕地以鉛筆各畫出一條直線，作為展開劑的起始線與終點線。接著，在其中一直線均分3等分，並用鉛筆輕輕地畫上2個點作為點樣本的標記點。在裁剪和標記各點的過程，盡可能避免手指碰到TLC片的矽膠表面而導致污染。下圖為TLC片的標記過程。

圖10：做好標記的TLC片

4.      準備2根毛細管，依序放進標準品瓶A、與蒸餾液瓶B中，先以毛細管A吸取A瓶內的液後，點在第1個標記點上，樣點直徑大小約2~4 mm。點樣本之前先將毛細管前端接觸衛生紙，讓衛生紙吸走毛細管的內部分溶液，控制毛細管液面的高度不高於0.5公分。承上，接續將樣本瓶B點樣在TLC片起始線上的另一點上，待乾備用。

圖11：TLC片的點樣過程

5.      為維持TLC片在展開過程中，能保持垂直挺立，先取一個L型的鍍鋅角鐵，將 TLC片水平、放置在角鐵上，隨後以直徑5mm的強力磁鐵放置在TLC片靠近起始線的底部，吸住角鐵，將TLC片固定在角鐵上，下圖為強力磁鐵的位置。

圖12：以磁鐵固定的TLC片

6.      隨後利用鑷子穩定夾住TLC片，緩慢地平放進展開劑中；務必小心輕放，否則濺起水花，沾濕TLC片，必須重來。當展開劑因毛細作用上升至上邊界線時，用鑷子夾出TLC片，終止層析。相關展開過程如下圖所示。

圖13：展開液上升過程

7.      等待溶劑揮發後，放置到UV殺菌燈下觀察。用鉛筆描出TLC片上的黑點形狀，並在最黑處，以鉛筆標記。相關結果如下圖所示。

圖14：標記TLC片上樣品上黑點的位置

n  教師教學提示與建議

l 提問建議：

實驗課程前，學生對土肉桂必須要有一些基本的認識。於此提供教師幾個問題，可用來對學生提問，包括：

1.      生活中那裡可以看到肉桂的身影？

2.      肉桂皮有哪些特點？

3.      肉桂精油的主要成分是甚麼？

4.      如何透過物質分離的方法提煉出肉桂精油？

5.      如何檢測精油中的主要成分肉桂醛的化學性質？

6.      如何鑑定精油中肉桂醛的存在？

7.      肉桂醛抗菌效果如何？

問題1~7，教師可以適時的提問，請同學進行資料搜尋外，教師亦可以事先提供土肉桂葉、桂皮、或肉桂粉（可購自中藥店），供同學視覺，甚至味覺的體驗，以提高學生的學習動機。接下來的活動主要針對問題4~6，而進行實驗設計，可參考之前的實驗步驟

l 實驗提示

1.      角鐵不可為不鏽鋼材質，否則強力磁鐵無法靠吸力夾住TLC片。

2.      沉水馬達須事先浸泡在水中，再啟動電源；若在無水的狀況，啟動馬達，馬達極可能在30秒內燒毀。水杯最好放置冰塊，以提升冷卻效果。

3.      肉桂葉中含有糖甘類的皂素，加熱過程會產生泡泡，避免泡沫被蒸出，可加入數滴沙拉油消泡；同時體積最好少於10毫升，以免過熱產生的突沸，液體衝入收集瓶。若發生突沸現象，必須拆下冷凝管，以蒸餾水清洗、擦乾再用。

n  安全注意及廢棄物處理

1.          電熱式加熱可達100℃以上，實驗中或實驗剛結束，不可直接碰觸，以免燙傷。若一定要移動裝置，請戴上防熱手套，以免燙傷。

2.          殺菌燈管為短波高能紫外線，觀察時最好戴上護目鏡，亦不可直視太久，以免光灼傷。

3.          所有實驗後的廢液，依規定回收處理。

n  參考資料

1.      張上鎮、鄭森松、王升陽。土肉桂葉子精油的生物活性與應用。台灣林業。2009年2月，卷35，第1期，頁116~122。

2.      廖旭茂（2020）。綠色創客-3：微型電熱式蒸餾器的設計與製作。臺灣化學教育，2020年11月，期40，取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=39263。

3.      郭芷瑄（2010年11月04日）。肉桂樹煉精油 新埤國中活教育。台灣英文新聞。民110年1月17日，取自：https://www.taiwannews.com.tw/ch/news/1422868。

4.      Essential oil（2021, January 12）. In Wikipedia. Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Essential_oil。

5.      Properties of Organic Solvents（2021, January 12）.In Millers Home. Retrieved from https://sites.google.com/site/miller00828/in/solvent-polarity-table 。

分組學習單：肉桂精油的微型蒸餾與檢測(小組學習單)

n  實驗前資料蒐集

一、請說出自然界中具有特殊香氣，可提煉作為香水、食用香料、驅蟲的植物，及其主要成分。

二、查詢資料，將肉桂葉中肉桂醛的物理、化學性質及結構式，填入表格並以紅筆圈出官能基。

結構式：

三、試問本校台灣土肉桂的位置〈請簡繪地理位置，並標出經緯度〉

四、本實驗的酒精萃取液必須再經過超音波震盪約10分鐘，再進行蒸餾，請各組討論推敲一下用超音波震盪的理由是：_________________________________________________

〈建議答案〉：超音波震盪，破壞細胞壁，促使精油提煉效率提高。

五、蒸餾開始計時，第一滴蒸餾液出現的溫度為________。實驗終了，本組總共花了多少時間？_________分，收集到的蒸餾液是多少體積？_____毫升。

六、請將在紫外光燈下TLC片上的紫黑色信號的位置，核實騰入下圖中。並自行畫上起始線與展開終點線。

七、測量標準品與蒸餾液訊號的位置，並測量標準品紫黑色最大訊號A與展開液起始線的距離，藉此計算肉桂醛的R_f值。並將結果填入下表中。

u  計算標準品肉桂醛的R_f值=___________。蒸餾液肉桂醛的R_f值=___________(小數點後2位)。

〈建議答案〉：標準品肉桂醛的R_f值=0.73，蒸餾液肉桂醛的R_f值=0.72

八、請根據實驗的結果，判斷並說出蒸餾液是否含有肉桂醛？根據研判，您收集到的蒸餾液中，濃度比標準液_______（高或低）