_温度对淀粉酶活性的影响_实验的改进

“温度对淀粉酶活性的影响”实验的改进

高　云　马　香　刘蕴 唐　亮　陈　理　李耀军

(北京师范大学生命科学学院北京100875)

人民教育出版社2000年6月出版的新高中教材《生物・第一册》(实验修订本・必修)里,编写了“探索影响淀粉酶活性的条件”的实验,目的在于:1)初步学会探索影响酶活性条件的方法;2)探索淀粉酶在不同温度和pH下催化淀粉水解的情况。通过该实验的学习可以让学生了解酶作为生物催化剂,其活性的发挥需要适宜的条件。其基本流程略。

在经过近2年的试行收到了良好的效果,同时从各地从事生物学教学的中学教师的反馈信息中了解到,“温度对淀粉酶活性的影响”实验在实际教学过程中,或多或少的遇到一些问题和令人遗憾之处:首先是材料 -淀粉酶购买困难,据了解甚至到有的省会城市化学试剂商店都买不到所需的淀粉酶,因此对该实验的普及推广十分不利;其次,在实验过程中,由于实验条件不易准确控制等原因,实验结果不理想,淀粉酶与在沸水和冰水中底物淀粉反应后,加入碘液后,出现与预期结果不符的多种颜色变化,令许多中学的师生感到困惑。

鉴于以上情况,我们受人民教育出版社生物自然研究室同志的委托,对该实验方案进行分析、优化和改进,以解答广大中学师生的疑问,并供教材编写者修订新版高中教材时参考。为此,我们分析了该实验的原理、方法与步骤以及实验结果,并进行了大量的独立实验,对在不同实验条件下所出现的各种实验现象加以归纳总结与分析,发现导致多种颜色变化的原因主要如下:

1)从实验原理分析,淀粉遇碘,形成紫蓝色的复合物。淀粉酶水解淀粉是一个逐步进行的过程,淀粉水解

不同阶段的中间产物遇碘有不同的颜色反应,最后才形成遇碘不显色的麦芽糖和葡萄糖,其颜色变化顺序依次为紫蓝色(淀粉)→紫色→红褐色→红棕色→无色(麦芽糖、葡萄糖)。

2)反应体系的局部温度变化: -淀粉酶的温度耐受范围较广,当酶∶底物以1∶2加入时,在100℃和0℃

情况下,由于局部的降温或升温和酶的远远过量,酶的活性并未立即丧失或受到抑制,从而使得淀粉被部分降解为糊精,形成紫色、红褐色或红棕色、橙红色等中间产物与碘的显色反应。因此,建议酶与底物应分别在同一温度保温后再混合。

3)商品 -淀粉酶的特性:

市售的 -淀粉酶活性非常高,稳定性好,温度耐受范围很广,在本实验设计中2%的淀粉酶质量分数偏高,此时淀粉酶是绝对过量的,因此即使是酶与淀粉分别在冰水中保温5min后再混合,仍不能完全抑制其活性,导致淀粉发生部分水解。因此,我们将 -淀粉酶的质量分数降至0.25%后,实验获得了良好的重现性。

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参考文献

　1　冯文凯.利用互联网促进中学生物学教学.生物学通报, 2002,37(7):35—36.

(BZ)

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—生　物　学　通　报 2003年第38卷第8期

市售的 -淀粉酶是枯草芽孢杆菌的粗提物,其中含有大量的不溶性杂质,在沸水浴的高温作用下,这些杂质会因碘的歧化作用,干扰淀粉与碘的显色反应,使溶液呈现无色。

4)碘歧化反应的影响:高温下碘会与水分子发生歧化反应:

3I2+3H2O←→5HI+HIO3,淀粉只与I2形成紫蓝色复合物,而不与I-或IO-3形成紫蓝色的复合物。这是虽然沸水中淀粉酶已丧失活性,滴入1滴碘液后溶液也不变色的原因。在试管冷却后再加碘液,即可避免这种情况的发生。

在以上对实验原理、实验材料和在不同实验条件下获得的各种实验结果的归纳总结与分析的基础上,为了让实验便于普及和推广,让一般的普通中学更方便地开展该实验,使该实验具有良好的重复性,我们从教学角度出发,尽量消除可能影响实验结果的实验条件,并对唾液淀粉酶进行了试验,经过多次重复实验的验证,提出了改进的实验方案。现将改进后的实验原理、方法与步骤及注意事项详细介绍如下:

1　实验原理　淀粉遇碘,形成紫蓝色的复合物。淀粉酶可以使淀粉逐步水解,最后形成遇碘不显色的麦芽糖和葡萄糖,而在淀粉水解不同阶段的中间产物遇碘有不同的颜色反应,其颜色变化顺序依次为紫兰色(淀粉)→紫色→红褐色→红棕色→无色(麦芽糖、葡萄糖)。

2　材料　1)质量分数为3%的可溶性淀粉;2)质量分数为0.25%的新鲜淀粉酶溶液;3)若购买淀粉酶困难的地区和普通中学,可按下面的方法收集唾液淀粉酶代替;4)碘酊。

3　方法与步骤

3.1　准备材料

1)称取3g可溶性淀粉于烧杯中,加入100mL水搅匀,煮沸溶解后冷却备用。

2)称取0.25g -淀粉酶于烧杯中,加入100mL 水,充分搅拌后静置澄清,取上清液备用。

3)唾液(淀粉酶的来源)的收集:将消毒过的棉花含于口中3～5min,直到棉球不再吸胀时取出,将唾液挤入小烧杯中备用。

3.2　取6支洁净的试管,编号后,向其中3支试管注入2mL可溶性淀粉溶液,另外3支注入1mL新鲜的淀粉酶溶液;将装有淀粉和酶液的试管分别放入60℃左右的热水、沸水和冰水中,维持各自温度5min。

3.3　将在相同温度下保温的淀粉酶溶液倒入可溶性淀粉溶液中,摇匀,继续维持各自温度5min。

3.4　在3支试管中各滴入1～2滴碘液,然后摇匀。

3.5　观察并记录试管中溶液颜色的变化情况。

4　注意事项

1)质量分数为3%可溶性淀粉溶液必须用沸水配制,煮沸溶解成透明或半透明的溶液,否则不能与碘结合成紫兰色的复合物。

2)淀粉酶溶液与可溶性淀粉溶液在混合前,务必在同一温度下保温5min,以避免两者混合后溶液温度发生变化,导致沸水浴、冰水浴中的淀粉发生部分水解,形成紫色、红褐色或红棕色、橙色等中间产物与碘的显色反应。

3)使用0.25%淀粉酶溶液时,应尽量取澄清后的上清液,因为市售的 -淀粉酶是枯草芽孢杆菌的粗提物,其中含有大量的不溶性杂质,在沸水浴的高温作用下,这些杂质会干扰淀粉与碘的显色反应,使溶液不变蓝。若出现这种情况,可在试管稍加冷却后,补加1滴碘液即可解决。

4)使用唾液淀粉酶时,必须严格按照实验方法与步骤中介绍的方法收集唾液,棉球含于口中的时间不得少于3～5m in,每次收集的唾液量以10mL左右为宜。否则,唾液中淀粉酶的含量过少,60℃时不足以将淀粉完全水解,从而出现中间产物的呈色反应。另外,收集的唾液尽量在1h内使用,以免淀粉酶活性降低,同样将导致60℃时,不能将淀粉完全水解。

5　思考与讨论

以上介绍的改进后的实验方案,不仅试剂用量少,操作简单,不需要任何特殊仪器,而且实验条件明确,经多次独立实验证实,结果明显,具有良好的重复性;此外,由于增加了唾液淀粉酶的备选实验,解决了材料来源问题,一般的普通中学甚至乡镇中学均能开设,对该实验的普及推广十分有利。

然而在此中学教材的修订过程中,却引起了我们对中学生物学教学改革的深思:是否只有那些与预期结果相一致实验才算是成功呢?是不是所有学生的实验结果必须完全一致,该实验设计才算完善?事实上,中学生物学教学改革和新一轮的课程改革都越来越多的关注开展“探究式教学”,强调改变以往学生被动接受知识,引导学生向主动认识生物活动的基本规律、分析解决问题转变。

我们认为只要加以认真准备与合理设计,“温度对淀粉酶活性的影响”实验可以作为探究性教学的一个范例,通过学生对实际教学过程中所出现的各种颜色及深浅变化的观察与分析,不仅可以帮助学生透彻理解酶活性的高低就是酶催化底物发生反应的速度快慢这一基本概念的本质,而且能加深学生对生命活动的渐进性、多样性以及受到多种因素影响的认识,使学生理解酶的生物催化作用乃至新陈代谢活动,都不是一个非此即彼,或简单的有无问题,而是一个逐步发生的渐进过程,而非从有到无跳跃式出现的。还可以指导学生通过设立实验对照等方法,自己设计实验,亲自动手

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2003年第38卷第8期 生　物　学　通　报