摘要：食品安全是民生之本。其中，黑米作为广受欢迎的健康谷物，其真实性却屡遭不法商家挑战。他们为谋取薄利，以染黑的假米替代真品，不仅侵害消费者利益，更对公共健康构成了潜在威胁。为了提升公众维护自身权益的能力，并弘扬学科精神，我们精心设计了一系列趣味科学实验，实现在家庭中有效鉴别真假黑米。鉴于黑米富有天然花青素的特性，我们利用花青素酸碱显色原理，通过简单浸泡提取花青素溶液，然后改变外部酸碱环境，观察提取液的颜色变化，进而辨别真假黑米。最后通过一系列拓展实验来探究市场上可能出现的其他伪劣假冒黑色食品。该实验内容丰富，维护消费者的利益和健康的同时，倡导科学力量，宣传化学之美。
关键词：食品安全，黑米，花青素
Abstract:Food safety is a major livelihood issue related to each family and each individual. Black rice, a highly popular healthy grain, has repeatedly faced challenges from unscrupulous merchants regarding its authenticity. Driven by meager profits, these merchants replace genuine black rice with dyed counterparts, which not only infringes on consumers' rights but also poses a potential threat to public health. To empower the public to safeguard their own interests and promote the spirit of science, we have meticulously designed a series of engaging scientific experiments to effectively discern authentic from fake black rice at home. Capitalizing on the unique property of black rice being rich in natural anthocyanins, we employ the principle of anthocyanin's color change in response to different pH levels. By simply soaking and extracting an anthocyanin solution, then altering the external acid-base environment and observing the subsequent color change in the extract, we can discern the authenticity of black rice. Finally, a range of expanded experiments is conducted to investigate the potential mat black products prevalent in the market. This multifaceted experiment not only safeguards the interests and health of consumers, but also praises the power of science and promotes the beauty of chemistry.
Key words: Food safety, black rice, anthocyanins.
食品安全始终是人们关注的热点问题。稻米是人们的主要食物之一，其中黑米具有丰富的营养价值、保健价值和药用价值[1]。《本草纲目》中对黑米有记载：黑米，又名“粳谷奴”，性味甘平，有滋阴补肾、健脾暖肝、明目活血之功，被誉为“补血米”、“长寿米”。因此，黑米自古至今都被认为是滋补的佳品，销售价格也比普通大米高，这使得不法分子通过弄虚作假，将白米染色冒充黑米进行销售以谋取利益[2]。用色素染色的黑米不仅会对消费者造成经济损失，且危及人们的身体健康。
黑米的米皮中含有丰富的花青素，这是其具有抗氧化、保护心血管等功效的关键所在[3]。花青素可以在不同的酸碱环境下显现出不同的颜色，酸性条件下为红色，碱性条件下为蓝色，显色明显，直观效果好，易于区分，且此反应可逆。经文献调研[4-5]可知，市面上的假黑米主要是通过黑色色素或染料把白精米或者糯米进行染色制得，而色素分子不具备在酸碱显色的特征。那么，根据花青素的这个特点，针对真假黑米我们设计了简单、直观的鉴别实验，让美丽的花青素助力食品安全。
基于此，本实验以从市场上购买的黑米作为基础材料，通过水和乙醇的混合溶液提取黑米中的花青素。向花青素溶液中滴加白醋或小苏打溶液以制造酸碱环境，使溶液呈现红色或者蓝色。然而由于花青素的不稳定性，尤其在碱性环境中，花青素的显色不能持久。为更清楚地显示实验效果，本实验巧妙选用表面皿作为反应仪器，即在表面皿中放入真假黑米，直接滴加白醋和小苏打溶液，即刻产生明显颜色。该方法有效缩短了反应时间，解决了花青素易氧化和碱性、高温、光照条件下易分解的特点。为了丰富实验内容，本实验以黑米鉴别实验为基础举一反三，拓展了在日常生活中黑豆、黑芝麻和黑枸杞的鉴别方法，同样简单易操作。最后，为增加科普实验的趣味性和接受人群，根据花青素的特点，本实验依据花青素的特性，设计了“变色龙”“神秘画笔”“彩虹桥”“趣味染色”等趣味拓展实验。
本科普实验中所用到的实验试剂均为廉价易得、绿色无污染的试剂，基本上是厨房中常见的调料和日常的饮料，符合绿色化学的要求。实验仪器操作简便，实验步骤执行简单，实验现象明显且成功率高，便于包括小学生在内的大众操作。本实验从食品安全的角度出发，利用花青素的酸碱显色反应这一知识点，揭开真假黑米的神秘面纱，实验内容丰富，具有创造性和普及性，从而激发大众对化学知识的兴趣，更多地关注食品安全。
2.1 实验原理
2.1.1 黑米鉴别原理
对于劣质的假黑米通常是把白精米或糯米经过染色处理而得到，与真黑米在外观上、米皮的状态、米肉等都有一定的差别[6]，具体如表1所示，那么依次可以采取对比米皮或者米肉即可偏出真假。但对于“伪装”较深的假黑米来说，该方法则不再适用。
表1. 真假黑米的区别
真黑米的米皮中含有的天然色素花青素，属于水溶性色素。当真黑米与水接触时，花青素逐渐溶解于水中，使水呈现出紫红色。而假黑米通常是经过染色处理，这些染料溶解到水中，使水呈现出深黑色。因此，可以通过真假黑米的提取液是否存在酸碱显色反应来进行鉴别。
2.1.2 花青素变色原理
黑米中的花青素由两个苯环和一个含氧杂环组成，如图1所示，其中R1-4为取代基，取代基不同花青素的类别不同，具体可分为矢车菊素、天竺葵素、飞燕草素、芍药色素、牵牛色素和锦葵色素6种[7]。
图1. 花青素的基本结构。（用作封面图）
花青素的结构或组成受溶液中的pH影响较大，从而使其呈现出各种不同颜色，如图2所示。当溶液的pH较低时，如pH＜2时花青素分子带正电，呈鲜亮的红色。若pH值继续降低，花青素分子的羟基将失去氢离子，形成不稳定的红色或者蓝色的醌型醛碱。当3＜pH＜8时，花青素分子可能发生水合反应，形成无色的甲醇假碱，同时伴有C—O键裂解和氢离子转移，这些反应导致花青素分子结构的进一步变化，从而呈现红色或者紫色。当在较高的pH值（pH＞9）时，花青素分子容易转换成离子化的醌型醛碱，产生高吸光效应和吸收波长的迁移，形成蓝色或者墨绿色[8]。
图2. 花青素提取液在不同pH环境下的显色情况。
2.1.3 花青素的不稳定性
由图1可知，花青素具有缺电子结构，容易被空气中的氧气氧化，造就了其不稳定的特征。另外，花青素的稳定性还受溶液的酸碱性、温度、光照、金属离子等因素影响[9]。研究发现，pH值对花青素的稳定性有较大影响，其稳定性随pH值的增加逐渐降低。且当pH ≤ 3时，存放10天后花青素的保留率保持在83%以上，稳定性良好，因此花青素保存的适宜pH条件应为pH ≤ 3。而当pH > 7.0时，花青素稳定性将迅速下降[10]。
2.2 实验试剂和设备
实验试剂：黑米、白米、白醋、小苏打、黑色素、蒸馏水、无水乙醇、纯碱和雪碧。
仪器设备：烧杯、玻璃棒、电子天平、滴管、量筒、试管、试管架、表面皿（仪器和称量设备均可由家庭中的餐具等代替）。
2.3 实验步骤及结果
2.3.1 假黑米的制备
将购买得到的黑色素按照1：10的体积比与蒸馏水混合均匀，把一定量的白米加入到黑色素溶液中，搅拌30 min让白米充分染色，过滤得到染色黑米，将其放置到干净滤纸上晾干即可。
2.3.2 真假黑米的简单鉴别
（1）外观观察法：取一定量的真假黑米于干净的白纸上，观察两者的形状、大小、色泽、表皮状态等，并记录结果。
图3. 真假黑米的照片对比。
实验结果：根据图3所示的真假黑米的照片对比，真假黑米存在一定的区别，两者具体差异如表2所示。
表2. 真假黑米的对比。
（2）摩擦法：把真假黑米放在白色纸巾上进行摩擦，观察对比摩擦前后纸巾的状态，并记录结果。
图4. （a、b）真黑米和（c、d）假黑米用纸巾摩擦前后对比。
实验结果：如图4所示，用白色纸巾摩擦真假黑米之后发现，由于真黑米的颜色是本身的生长的颜色，没有出现掉色现象，白纸巾上没有发现明显的残渣；而假黑米有明显的掉色现象，白纸巾上有明显的色素残渣。
（3）灼烧法：把真假黑米进行火烧，观察用火烧前后的黑米的状态和现象，并记录现象。
图5. 真假黑米灼烧前后对比。
实验结果：用火灼烧真黑米时散发出自然的焦香味，灼烧后米粒表皮脱落，米肉呈黄色，在如图5所示；用火灼烧假黑米时散发出刺激性气味，烧过的米粒颜色为焦黑色。
2.3.3 真假黑米花青素显色鉴别法
（1）分别称取10 g真假黑米分别浸泡于20 mL蒸馏水中，1 h后过滤即可得到花青素的蒸馏水提取液。分别取2 mL真假黑米的提取液于多个试管中，分别滴加白醋和1 mol·L-1的小苏打溶液，观察溶液颜色的变化并做好记录。
图6. 真假黑米水提取液加白醋和小苏打后溶液对比。
实验结果：如图6所示，真黑米的花青素水提取液呈浅粉色，当加入白醋和小苏打溶液之后分别变成红色和蓝色。而假黑米的水提取液呈黑色，加入白醋和小苏打溶液之后溶液的颜色未发生明显变化。这是由于真黑米表皮中含有丰富的花青素，在不同的酸碱条件下可以显现出不同的颜色，而假黑米中没有花青素，无论加入酸还是碱溶液的颜色保持不变。
（2）分别称取10 g真假黑米分别浸泡于20 mL乙醇中，1 h后过滤得到花青素的乙醇提取液。分别取2 mL真假黑米的提取液于多个试管中，分别滴加白醋和1 mol·L-1的小苏打溶液，观察溶液颜色的变化并做好记录。
图7. 真假黑米乙醇提取液加酸、碱后溶液对比。
实验结果：如图7所示，真黑米的花青素乙醇提取液加入白醋和小苏打溶液之后分别变成红色和绿色。而假黑米提取的乙醇溶液加入白醋和小苏打溶液之后溶液的颜色还依旧是黑色。
（3）分别称取两份2 g真假黑米于干净的表面皿上，直接滴加白醋和1 mol·L-1的小苏打溶液，观察溶液颜色的变化并做好记录。
图8. 真假黑米直接加酸、碱后对比。
实验结果：为让实验现象更加明显，直接把白醋和小苏打溶液滴加到真假黑米上，由图8对比可以看出，真黑米滴加白醋和小苏打溶液之后分别变成红色和墨绿色，而假黑米滴加白醋和小苏打溶液之后溶液呈现了黄色和绿色。
食品安全当然不止黑米，随着人们保健意识的增强，包括黑米在内的黑色食品都具有丰富的营养价值和保健功能，且越来越受到消费者的青睐。当然其市场价格也相对较高，这让一些不法商家为谋取利益而以假乱真，扰乱市场。我们把利用花青素鉴别真假黑米的实验进行拓展，依然适用于其他黑色食品，以下将以黑豆、黑芝麻、黑枸杞为例开展鉴别拓展实验，让花青素继续助力食品安全。
3.1 黑豆鉴别
分别将10 g真假黑豆分别放入20 mL蒸馏水中，并放于酒精灯上稍微加热（这是由于黑豆中的花青素往往以可溶型和结合型两种形式存在，结合型花青素与植物细胞壁中的纤维素、半纤维素等大分子物质紧密结合，难以直接溶解在溶剂中，因此提取难度较大）以方便提取其中的花青素。把得到真假黑豆提取液量取3份2 mL于试管中，其中一份作为空白对照，另外两份分别滴加白醋和1 mol·L-1的小苏打溶液，对比实验结果并记录现象。
图9. 真假黑豆提取液加酸、碱后溶液对比。
实验结果：如图9所示，真黑豆的花青素提取液呈现浅橙色，当加入白醋和小苏打溶液之后溶液分别变成橙红色和浅蓝色。而假黑豆的提取液则呈现黑色，加入白醋和小苏打溶液之后溶液的颜色并未发生明显的变化。这是由于真黑豆中的花青素遇酸变红遇碱变蓝，以此来鉴别真假黑豆。
3.2 黑芝麻鉴别
将10 g 真假黑芝麻分别加入到20 mL蒸馏水中，用玻璃棒稍微搅拌后静置1 h即可得到提取液。把得到的提取液分别取3份2 mL于试管中，其中一份作为空白对照，另外两份分别滴加白醋和1 mol·L-1的小苏打溶液，对比实验结果并记录现象。
图10. 真假黑芝麻提取液加酸、碱后溶液对比。
实验结果：如图10所示，真黑芝麻的花青素提取液呈现黄色，当加入白醋和小苏打溶液之后分别变成红色和绿色。而假黑芝麻的提取液则呈现黑色，加入白醋和小苏打溶液之后溶液的颜色没有明显变化。真假黑芝麻提取液滴加酸碱后的现象不同，以此来鉴别真假黑芝麻。
3.3 黑枸杞鉴别
将10 g 真假黑枸杞分别加入到20 mL蒸馏水中，用玻璃棒搅拌均匀后静置30 min即可得到提取液。把得到的提取液分别取3份2 mL于试管中，其中一份作为空白对照，另外两份分别滴加白醋和1 mol·L-1的小苏打溶液，对比实验结果并记录现象。
图11. 真假黑枸杞提取液加酸、碱后溶液对比。
实验结果：如图11所示，真黑枸杞的花青素提取液呈现淡淡的粉色，当加入白醋和小苏打溶液之后分别变成红色和黄绿色。而假黑枸杞的提取液则呈现棕色，加入白醋后溶液的颜色没有发生明显变化，而加入小苏打溶液之后溶液的颜色加深呈深棕色。真假枸杞的提取液遇到酸碱的颜色变化不同，以此来鉴别真假黑枸杞。
花青素的作用远不止于此，下面开展几个趣味小实验，继续在花青素的世界里遨游。首先选用花青素含量较多且提取简单的紫甘蓝作为原材料，通过破壁机打碎后过滤得到紫色的花青素提取液。然后选用生活中常用的材料调节花青素提取液的酸碱度，从而得到一系列色彩不同的花青素溶液。如图12所示，在花青素提取液中分别加入纯碱溶液、小苏打溶液、雪碧和白醋，溶液的颜色由初始的紫色分别变为绿色、蓝色、玫红色和红色，以此作为趣味实验的原料。
图12. 花青素提取液以及加入纯碱、小苏打、雪碧和白醋以后的溶液颜色对比。
4.1 可爱的变色龙
在干净的纸张上画出恐龙的轮廓，首先用花青素的提取液进行填涂，小恐龙呈现紫色。然后向紫色的小恐龙喷洒小苏打溶液，小恐龙就由紫色变成了淡蓝色。最后向蓝色的小恐龙喷洒白醋，此时小恐龙又从蓝色变成了粉色。
图13. 可爱的变色龙效果图。
4.2 神秘的画笔
在白纸上先用铅笔做出画的基本轮廓，然后用白醋和小苏打溶液选择性地进行填色，组后使用毛笔蘸取花青素提取液，直接画在原来画画的地方，彩色的画面便呈现出来了。这是由于花青素遇酸变红，遇碱变蓝，不同的酸碱度就会呈现不同的颜色，那么就可以通过一支笔做出美丽的画来。
图14. 神秘的画笔效果图。
作为科普实验，可能要面对小朋友，为了迎合小朋友的兴趣，我们也做了一些可爱的画，以拉近与小朋友的距离。
图15. 神秘的画笔作图效果。
4.3 美丽的彩虹桥
分别取40 mL不同颜色的花青素提取液于干净的烧杯中，把烧杯排成一排，在相邻的烧杯上放入纸巾相连接，稍等片刻就会呈现美丽的彩虹桥。
图16. 美丽的彩虹桥效果图。
4.4 趣味染色
取一张白色的纸折成千纸鹤的样子，用上述方法得到不同颜色的花青素提取液为基础染料放入喷壶中，用喷壶向千纸鹤喷上自己喜欢的颜色，白色的千纸鹤即可变成彩色的千纸鹤。
图17. 趣味染色的效果图。
食品安全作为基本民生问题，关系到人们的身体健康和生命安全。为助力食品安全，本实验利用花青素遇酸变红遇碱变蓝的特点为大众提供了家庭鉴别真假黑米及类似食品，方法简单易操作。进而将实验进行拓展，通过趣味小实验体验花青素的彩色世界。整个实验设计合理，趣味性强，可在普及化学知识、助力食品安全的同时，体验化学实验的乐趣。
[1] 张启发. 保障粮食安全，促进营养健康：黑米主食化未来可期[J]. 华中农业大学学报，2021，40（3）：1-2.
[2] 胡莉，薛康，仲伶俐，等. 掺假黑米家庭中建议鉴别方法[J]. 食品安全质量检测学报，2014，5（10）：3265-3268.
[3] 吕秋洁，甘钊生，车桂珍，等. 黑米花青素生物活性研究进展[J]. 食品安全导刊，2024，22：94-96.
[4] 钟耕，邓立清，张运芳，等. 黑米色素性质及掺假黑米鉴别方法的研究[J]. 食品科学，2009，30（12）：150-153.
[5] 辛欣. 怎样鉴别黑米的真伪[J]. 农产品加工，2012，2：24.
[6] 闵军. 四招快速鉴别真假黑米[J]. 湖南农业，2013，10：40.
[7] 赵卓，梁大鑫. 美丽俏佳人之花青素篇[J]. 大学化学，2023，38（7）：199-205.
[8] 郭笑汝，于小满，张伊径，等. 姹紫嫣红，与花青素的浪漫邂逅[J]. 大学化学，2023，38（4）：124-133.
[9] 邱菊，陈婧司，陈冰艺，等. 桑葚花青素的稳定性及降解动力学研究[J]. 中国调味品，2024，49（8）：179-185.
[10] 王健霞，余元善，吴继军，等. 花青素讲解机制与稳态化研究进展[J]. 食品安全质量检测学报，2024，15（11）：244-253.
建议将此句“随着生活水平的提高，食品安全已经成为人们关注的热点问题，尤其是粮食安全。稻米类粮食是人们的主要食物之一”，修改为“食品安全始终是人们关注的热点问题。稻米是人们的主要食物之一”。
作者：王鑫，何尚华，司海星，汤炎，温鹤然，郭祎星，张永亚，王涛，陈淑敏
作者单位：商丘师范学院
作者邮箱：chensm2014@163.com
审稿人：曹际娟
编辑：朱真逸
审核：佘婉宁