綿棒を利用した植物の色に関する
マイクロスケール実験の試み
佐野（熊谷） 史
An attempt of a micro-scale experiment
on plant pigment using swabs
Fumi KUMAGAI-SANO
群馬大学共同教育学部紀要 自然科学編 第69巻 35―40頁 2021 別刷
綿棒を利用した植物の色に関する
マイクロスケール実験の試み
佐野（熊谷） 史
群馬大学共同教育学部理科教育講座生物学教室 （2020年9月30日受理）
An attempt of a micro-scale experiment
on plant pigment using swabs
Fumi KUMAGAI-SANO
Department of Biology, Cooperative Faculty of Education, Gunma University Maebashi, Gunma 371-8510, Japan
（Accepted on September 30th, 2020）
１ はじめに
2019年末から猛威を振るい始めたコロナウイル スへの対応として、大学の授業はオンラインで行う ことが基本となった。理科の教員になるには欠かせ ない学生実験についても、対面授業を最低限にとど める工夫として、オンラインで手順を説明した上で、 学生各自が自宅で実験を行う方法を可能な範囲でと ることとした。 学生各自が自宅で行えるようにするためには、作 業が簡便で、どこの家にもある物品と危険性の少な い化学物質を使って実施可能であり、汚れにくく悪 臭を出さず、廃棄物をなるべく少量にとどめられる 方法が望ましい。親元から離れて自活している学生 がいることも考えると、新たに購入する場合でも廉 価に入手できる物品や化学物質を選ぶ必要がある。 そこで、これまで対面の学生実験で行っていた内容 の中からこれらの条件を満たせそうなものをピック アップし、方法を再検討することとした。その一つと して取り上げたのが植物の色に関する実験である。 植物は緑色の葉とさまざまな色の花や果実を持つ カラフルな生物であり、小学校理科では最初に観察 対象となる身近な材料である。植物は種や部位に応 じて化学的性質が異なるさまざまな色素を持つが、 中でもブルーベリーやナス、赤シソなど身近な野菜 や果物に含まれるアントシアニンは、色水を作って pHを変えると酸性からアルカリ性にかけて赤、紫、 青、緑、黄色とカラフルに変化する興味深い色素で あり、小学校生活科において色水遊びに活用されて いる例や1）、高校生物の探究活動の題材として提示 されている例が見られる2）。また、小学校理科化学 分野の「水溶液の性質」の単元では、教科書の発展 内容として、アントシアニンを含むムラサキキャベ ツ液が取り上げられていることもある3）。そのため、 学習指導要領に記載されている理科の学習内容では ないものの、将来小・中・高の教員となる教育学部 理科専攻の学生にとって、花や果実の色に関する実 験を経験しておくことには意味がある。また、栄養 成長段階にはあまり見られない色素が花や果実にわ ざわざ作られる意義を考えることにより、植物の生 群馬大学共同教育学部紀要 自然科学編 第69 巻 35―40 頁 2021 35殖や子孫の散布方法について考え直すこともできる だろう。 アントシアニンを用いた実験では、花や果実を 絞ったり煮出したりして色水を作り、酸性やアルカ リ性の液体を加えることで色を変化させる方法が多 く紹介されている1）2）。また、筆者も科学イベント で実施したことがあるが、紙などにその色水を吸わ せて使うこともある。しかし、学生が自宅や下宿で 実験を行うことを考えると、たくさんの種類の花や 果実を大量に入手してそれぞれの色水を作ることは、 手間、時間、お金などさまざまな面で現実的ではな い。そこで、扱う液体量を最小限にとどめ、しかも 結果がわかりやすく検出できる方法を検討し、綿棒 を用いる簡便な実験方法を考案した。この方法では、 1種類の植物につき数枚の花弁や一かけらの果実と いったわずかな材料と、数mLの身の回りにある酸 性・アルカリ性の液体、そして数分の時間があれば 実験することができるため、コロナウイルス対応に よる自宅待機期間中でも十分実施可能であった。本 論文ではこの実験方法を実際に用いた結果の一例に ついて報告し、その有用性について考察する。
２ 方 法
材料には、群馬大学荒牧キャンパス内で採取した マ ル バ ル コ ウ（Ipomoea coccinea、 ヒ ル ガ オ 科 ）、 ツユクサ（Commelina communis、ツユクサ科）、クズ（Pueraria lobata、 マ メ 科 ）、 カ タ バ ミ（Oxalis corniculata、 カ タ バ ミ 科 ）、 セ イ ヨ ウ タ ン ポ ポ （Taraxacum officinale、 キ ク 科 ）、 ヒ メ ジ ョ オ ン （Erigeron annuus、キク科）の花弁およびスーパー で購入したニンジン（Daucus carota、セリ科）の可 食部を用いた。花および花序の中に明瞭に異なる色 の部分を有するツユクサ、クズ、ヒメジョオンにつ いては、ツユクサは青色の花弁のみ、クズは濃い紫 色の旗弁のみ、ヒメジョオンは白色の舌状花の花冠 のみを用いた。 材料となる花弁や果実に綿棒を押し当て、こする ように色を移し取って試料とした。同じものを3本 作り、1本はそのまま何もせず（無処理）、1本は酸 性条件としてクエン酸の飽和水溶液、もう1本はア ルカリ性条件として重曹の飽和水溶液に、色を移し 取った綿棒の先端を1秒程度浸たした。水溶液から 出してすぐに3本を並べて色の違いを確認し、デジ タルカメラで撮影した。
３ 結 果
7種類の材料いずれについても、綿棒を押し当て てこすることで、簡単に色を移すことができた。目 視で色を確認するために必要な材料の量は、綿棒1 本あたり5 mmから1 cm四方程度であり、例えば ツユクサでは同じ花の花弁2枚から綿棒3本に色を 移すことができた。また、どの材料でも数回こする だけで色が移り、花弁より堅く“汁”が出にくいニ ンジンでも、押し当て方を少し強くすれば色を移す ことができた。 それぞれの試料について、酸性、アルカリ性条件 で色の変化を確認した結果を図1に示す。 酸性、アルカリ性条件で顕著な色の変化が確認で きたのは3種類であった。ツユクサは花弁の色は青 色で、綿棒に移し取った色もほぼ同じであった。酸 性条件では色が薄くなっただけのように見えたが、 時間が経つとピンク色になった（図2）。アルカリ 性条件では明るい青緑色になった。クズは花弁の色 は濃い紫色、綿棒に移し取った色は青紫色で、酸性 条件では濃いピンク色、アルカリ性条件では青緑色 になった。マルバルコウは花弁の色は橙がかった赤 色だが、綿棒に移し取った色は褐色であった。酸性 条件では花弁に近い赤褐色、アルカリ性条件ではほ ぼ黒色になった。 ヒメジョオンは花冠の色が白く、無処理および酸 性条件では白いままであったが、アルカリ性条件で は薄い黄色になった。 カタバミとセイヨウタンポポは花弁の色と移し 取った色はともに黄色、ニンジンは可食部の色と移 し取った色はともに橙色で、いずれもpHによる色 の変化はほとんど見られなかった。 ツユクサとクズの水溶液に浸した2本の綿棒では、 水溶液の浸み込みにしたがって、色が綿棒の上部方 佐野（熊谷） 史 36向に広がっていくのが観察された（図2）。ツユク サの酸性条件の綿棒では、色が広がっていくだけで なく、時間の経過とともに色がピンク色に変わった。 ニンジンなど他の材料では、時間経過に伴う顕著な 色の広がりは見られなかった。 マルバルコウでは、綿棒に移し取った色は花弁の 橙がかった赤色とは異なり褐色になった。予め食塩 水を含ませておいた綿棒に色を移し取ったところ、 すぐには褐色にならず、赤色が保たれた。
４ 考 察
4―1 実験方法の実用性 今回の方法では、材料を直接こすって色を移し 取った綿棒を酸性・アルカリ性の水溶液に浸すこと で、pHによる色の変化を明瞭に見分けることがで きた。色の変化はそれぞれの水溶液に浸けてすぐに 起こるため、色を移し取るところから検出までにか かる時間は材料1種類につき1分以内であった。こ のように簡便かつ短時間で行えることから、この方 法では多くの種類の植物について実験することが容 易である。実際に学生実験で18名の学生に行って もらったところ、一人あたり平均6種類、最大12 種類の材料を用いており、簡便に短時間でわかりや すく結果が出ることが多くの種類を使う意欲につな がったのではないかと考えている。また、水溶液が 浸み込むことに伴う色の広がりを見ることで、その 色素が水溶性かどうかの判断も可能であり、何名か の学生はそのことにも気づいて考察を加えていた。 よって、この方法は、植物が種や部位によって、化 学的な性質が異なる色素を含んでいることを実感さ せる教材として活用が期待できる。 図１ 材料と色を移した綿棒の様子 各植物において、左から酸性条件、無処理、アルカリ 性条件の綿棒の先端部を示している。 図２ 綿棒に移し取った色の時間変化 a：ツユクサ（実験直後）、b：ツユクサ（aの撮影か ら15分後）、c：ニンジン（実験直後）、d：ニンジン（c の撮影から15分後）。いずれも左から酸性条件、無処 理、アルカリ性条件の綿棒。 図３ マルバルコウの色を移し取った 綿棒の様子 左：予め食塩水を含ませておいた綿棒、 右：無処理の綿棒 綿棒を利用した植物の色に関するマイクロスケール実験の試み 37今回考案した方法のように、簡便な手順で、小型 の器具と少量の薬品を使い、一人で実施可能な実験 は「マイクロスケール実験」と呼ばれ、化学分野で は先行研究が多く報告されている。マイクロスケー ル実験のメリットとして、試薬や廃棄物が少量で済 み、省資源、省エネルギーで環境にやさしいこと、 試薬等が少ないため、結果的に安全性につながるこ と、一人一実験を設定しやすく、生徒が実感を持ち やすいことなどが挙げられる4）5）。生物分野におけ る活用の研究は化学分野ほど盛んではないが、高校 において化学との境界領域にあたる酵素反応の実験 や6）7）小学校における「だ液のはたらき」の実験で の活用8）9）などの報告がある。また、植物のアント シアニンをpHによる色の変化を基に検出しようと する本論文とは逆に、寒天で固めた葡萄ジュースに 含まれるアントシアニンをpH指示薬として、身近 な液体の酸性・アルカリ性を調べる化学分野のマイ クロスケール実験の提案も行われている10）。 一方、綿棒は100本100円程度で入手できる身近 な物品であり、理科の教材開発の中で液体を少量ス ポットしたり、液体を均一に塗布したりする際に用 いている例がある11）12）。これらの例では、綿棒はあ くまで“器具”としての活用にとどまっているが、 今回報告した方法と同様に、綿棒の白さを利用して、 色の変化を見るための基材として活用している先行 研究もいくつか報告されている。前述した「だ液の はたらき」のマイクロスケール実験では、綿棒の片 方の端にだ液を、もう片方の端に純水を含ませた後、 両端にデンプンをつけ、アルミホイルで巻いてから 加温して、ヨウ素デンプン反応でだ液によるデンプ ンの分解を検出している8）9）。また、高校化学の分 野では、タンパク質やアミノ酸の熱分解により発生 した硫化水素を検出する方法として、硫酸銅（II） を浸み込ませた綿棒の色の変化を確認する方法が開 発されている13）。今回考案した方法も含め、いずれ の教材においても、綿棒は省資源、省エネルギー化 を図り、一人一実験を目指すマイクロスケール実験 と相性がいい物品であり、更なる教材開発が期待さ れる。 4―2 今回の結果の解釈と今後の課題 今回用いた7種類の植物の結果は大きく二つのパ ターンに分かれた。パターン1は酸性・アルカリ性 条件で色の変化が見られたものであり、クズ、ツユ クサ、マルバルコウ、ヒメジョオンであった。パター ン2は酸性・アルカリ性での変色がほとんど見られ なかったものであり、カタバミ、セイヨウタンポポ、 ニンジンの可食部がこれにあたる。 植物に含まれる色素は主に四種類、フラボノイド、 カロテノイド、ベタレイン、クロロフィルに分けら れる14）。このうちフラボノイドの一種であるアント シアニンは細胞内の液胞に溜められている水溶性の 色素で、その種類だけでなく、液胞内のpH、金属 イオンとの錯体の状態、共存色素（コピグメント） との会合状態などさまざまな要因により、植物体の 中で赤、紫、青などさまざまな色を示す。また、抽 出した水溶液中では酸性条件で赤、アルカリ性条件 で緑から黄色まで変色する1）∼3）10）14）15）。パターン1 の中でもクズとツユクサでは、無処理で青から紫色、 酸性条件で赤色、アルカリ性条件で青緑色を示し、 時間とともに綿棒上部へと顕著に色が広がるという 共通点が見られ、アントシアニンの化学的性質と合 致していた。実際にツユクサの青色はアントシアニ ンの一種であるコンメリニンによるものであること が明らかになっている14）。これに対し、パターン2 に含まれるカタバミ、セイヨウタンポポ、ニンジン の可食部の色素は黄色から橙色であり、pHによる 色の変化を示さず、また水溶性ではなさそうであっ た。これらの結果はカロテノイドの性質と一致して いるとともに、一般的によく知られた事実としてニ ンジンの可食部にカロテノイドの一種であるβ カ ロテンが豊富に含まれていることとも合致している。 以上のように今回考案した方法は、身の回りの任意 の植物について、植物色素のうち主にアントシアニ ンが含まれているかどうかを調べるのに適当な、簡 便で有効な方法と考えられる。 一方、マルバルコウとヒメジョオンについては解 釈が難しい結果が得られた。まず、クズやツユクサ とは異なる色調ではあるが、pHにより顕著な色の 変化を示したマルバルコウについて述べる。マルバ 佐野（熊谷） 史 38
ルコウの結果は、無処理で褐色、酸性条件で赤褐色、 アルカリ性条件でほぼ黒色であった。アントシアニ ンは非糖部分であるアグリコンの種類によって分類 されるが、同じサツマイモ属のアサガオやサツマイ モがシアニジン型アントシアニンを蓄積した青や紫 の花をつけるのと異なり、マルバルコウを含むルコ ウソウの仲間は赤色の花をつける。この赤色は、ゼ ラニウムの花やイチゴの“果実”と同じペラルゴニ ジン型アントシアニンに由来し15）、シアニジン型ア ントシアニンを持っていた祖先から、送粉者が昆虫 から鳥に変わることに適応して起こった変化の一つ と考えられている16）。しかし、マルバルコウの色は 綿棒に移し取った時点で本来の赤色から変化して褐 色になっており、pHによる色の変化も典型的なア ントシアニンの色の変化とは異なっていた。原因の 一つとして、リンゴの褐変と同じようにポリフェ ノールが酸化された可能性を考え、あらかじめ食塩 水を含ませておいた綿棒を用いたところ17）、図3の ように褐色になりづらいことがわかった。よって、 今回マルバルコウで見られた独特の色の変化は、ペ ラルゴニジン型アントシアニンがpHによって示し た色の変化に褐変の影響が加わった結果を見たもの と考えられる。ただ、食塩水を浸した綿棒を使って も、酸性条件では赤褐色、アルカリ性条件では黒色 の結果となったため（未発表データ）、ポリフェノー ルの酸化以外にも原因がある可能性もある。また、 植物には何かしらポリフェノールが含まれているが、 7種類の植物のうちマルバルコウのみで褐変が見ら れた理由も不明である。もう一種類のヒメジョオン は白色の花弁を持ち、無処理および酸性条件では綿 棒は白色のままだったが、アルカリ性条件では薄い 黄色を示した。このような色の変化はベタレインで 見られることが知られているが、ベタレインはナデ シコ目のヒユ科、サボテン科など特定の植物にしか 見つかっておらず、キク科は該当しない14）。キク科 の植物の多くはもともとアントシアニンの合成経路 を持っていること、白色の花は微量の色素を持って いても表皮細胞の形状などで光を反射して白色に見 えることなどから、この方法によって微量に含まれ ていたアントシアニンを検出した可能性があるが、 詳細は不明である。 以上のように、アントシアニンを含む植物もしく はアントシアニンを含まない植物による典型的な結 果以外の場合に解釈が難しいことが、現段階でのこ の方法の課題である。解決方法の一つとして、アン トシアニン以外の色素についても同じように綿棒を 用いて確認できる手順を開発することが挙げられる。 あるいは、解釈が難しい結果が含まれることを前提 として任意の植物について実験を行わせ、今回食塩 水を用いたように追加実験を考えさせることまでを パッケージとすることで、科学的な思考力を養う教 材とすることも可能かもしれない。 参考文献 1）中尾安男（2006） 色水遊びを通しての生活科指導法， 中国学園紀要，5，113-117． 2）本川達夫，谷本英一他 16 名 「生物基礎」啓林館，平成 23 年 3 月 30 日検定済． 3）毛利 衛，大島まり他 100 名 「新しい理科」東京書籍， 平成31 年 3 月 5 日検定済． 4）荻野和子（2001） マイクロスケール実験の広場へのお 誘い，化学と教育，49，110． 5）芝原寛泰（2016） マイクロスケール実験による理科学 習 個別実験による新しい授業展開の可能性，理数啓林， 12，8-9． 6）椎葉昌美，土師麻里奈，久野香月，水野暢子，中川徹夫 （2011） マイクロスケール実験を用いたキウイに含まれ るタンパク質分解酵素の教材開発，神戸女学院大学論集， 58，79-86． 7）宮田理恵，中川徹夫（2015） ウェルプレートを活用し た酵素反応の教材開発と授業実践，神戸女学院大学論集， 62，153-161． 8）佐藤美子（2015） 理科教育法の改善を図るマイクロス ケール実験の導入－新たな授業展開と「考える力の育 成」を目指して－，四天王寺大学紀要，59，263-274． 9）佐藤美子，芝原寛泰（2016） 呈色板を用いたマイクロ スケール実験の教材開発と授業実践－理科教育実験への 普及を目指した汎用性のある器具の活用－，理科教育学 研究，57，123-131． 10）高田慎司，中村秀夫，松浦俊彦（2008） 100 円グッズ を活用した酸性・アルカリ性判別マイクロスケール実験 綿棒を利用した植物の色に関するマイクロスケール実験の試み 39
とその応用実験－葡萄ジュースを指示薬として－，北海 道教育大学紀要（教育科学編），59，43-50． 11）中 達朗（2014） クロマトグラフィー学習のための携 帯用実験教材の試作と実践，工学教育，62，53-58． 12）小田義治，川村康文（2009） 色素増感太陽電池を搭載 した模型自動車の実験教材の開発，物理教育， 57，220-223． 13）冨田友貴，井上正之（2017） アミノ酸・タンパク質中 の硫黄の検出－メチオニンまでをカバーする簡易分析 法－，化学と教育，65，584-587． 14）国立研究開発法人 農業・食品産業技術総合研究機構 野 菜 花 き 研 究 部 門 花の基礎知識 http://www.naro.affrc. go.jp/archive/flower/kiso/index.html（最終閲覧 2020 年 9 月15 日）． 15）中川裕子，一柳孝志，小西徹也，松郷誠一（2006） 生 理活性植物因子アントシアニンの色と構造，J. Jpn. Soc. Colour Mater., 79, 113-119．
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