程佳佳

(廣東省中山市第一中學 廣東中山 528403)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)在教學建議中提出“組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養(yǎng)的關鍵”“實驗教學是促成學生達成生物學學科核心素養(yǎng)的重要支撐”。針對人教版教材中利用淀粉酶進行“探究溫度對酶活性的影響”的實驗,許多教師在具體操作過程中進行了探索,在材料選擇、因變量的檢測方法、實驗操作順序等方面進行了改進,使實驗現(xiàn)象更易解釋,現(xiàn)象更加明顯。下文以“中國知網(wǎng)”作為數(shù)據(jù)來源,以“溫度對酶活性影響”為主題詞搜索相關文獻,對該實驗的改進進行了綜述,并提出了相關改進思考。

1 實驗原理

反應底物淀粉在淀粉酶的水解下生成還原糖,可以用碘液檢測單位時間內(nèi)淀粉的消耗量或用斐林試劑檢測單位時間內(nèi)還原糖的生成量,從而表征反應速度。單位時間內(nèi)產(chǎn)生的還原糖越多,淀粉消耗量越大,酶活性越高。

2 存在的問題

在該實驗的具體操作中,存在的問題主要包括以下幾方面

(1)選材問題。α-淀粉酶溶解不夠充分,濃度控制不夠精確,且該酶在0 ℃～100 ℃均有較高的活性。

(2)因變量的檢測問題。若利用碘液檢測,高溫條件下,由于淀粉的螺旋結構遭到破壞,使得其與碘之間的吸附結構無法保持,無藍色現(xiàn)象產(chǎn)生;在常壓下,65 ℃以上碘會升華,高溫下不出現(xiàn)藍色反應?；谝陨?根據(jù)實驗現(xiàn)象無法說明酶的活性是否被破壞。而若選用斐林試劑檢測,由于要進行水浴加熱,不能保證是預設溫度下的反應結果。

(3)該實驗為定性實驗,無法由數(shù)據(jù)進行模型構建,需轉變?yōu)槎繉嶒灐?/p>

(4)無法回收溶解在淀粉溶液中的酶。

3 改進措施

3.1 改進實驗條件

實驗條件和是否規(guī)范操作對于實驗的結果影響很大,甚至會影響實驗的成敗。朱小碗認為可以選擇煮沸后的分析純可溶性淀粉,因為煮沸不僅可以使淀粉充分溶解,而且可以使不同溫度處理后的溶液中直鏈淀粉含量基本相同。吳蕾研究得出,α-淀粉酶失活的溫度為85 ℃以上,失活的保溫時間至少應控制在6 min。張進則發(fā)現(xiàn)60 ℃左右淀粉酶活性較高。這些探究結果為實驗溫度范圍的選擇、梯度設計、無關變量的控制提供了重要依據(jù)。

3.2 改進實驗材料

3.2.1 選擇其他酶

在該反應中,無論是反應物還是生成物的檢測,在檢測效果上均存在著爭議,有研究選擇其他酶來探究溫度對酶活性的影響。姚舒等根據(jù)美國教材的建議,選擇兒茶酚溶液代替淀粉溶液,利用分光光度計進行反應程度的定量分析。尹輝發(fā)現(xiàn),使用雞蛋溶液在60 ℃水浴加熱后過濾所形成的渾濁雞蛋花溶液,再利用胃蛋白酶水解,反應迅速,現(xiàn)象明顯,可作為替代材料。張巍波選擇胰蛋白酶和脫脂奶,并結合分光光度計以定量確定酶的相對活性。和淵等用純度較高且純化較好的蛋白酶,結合電泳技術以判斷酶活性的強弱。趙行星通過實驗發(fā)現(xiàn):糖化酶(α-1,4-葡萄糖水解酶)對溫度有較高的敏感性(65 ℃以上活性迅速下降)且對淀粉有適中的催化作用,能夠替代α-淀粉酶。

對酶的種類的拓展,可豐富學生對于生命多樣性和復雜性的認知,樹立生命觀和結構觀。同時,在新情境下,教師引導學生自主設計并完成實驗,可以訓練學生的科學思維和探究能力,助力核心素養(yǎng)的落實。

3.2.2 固定化酶

沈唯軍以海藻酸鈉為載體,采用包埋法固定α-淀粉酶。使用固定化酶不僅節(jié)約成本和用時,由于固定化酶可與產(chǎn)物分離并重復利用,可以讓學生對“高溫對酶空間結構破壞的永久性”這一論述進行驗證。

3.3 改進因變量的檢測方法

圍繞反應物淀粉和產(chǎn)物還原糖的檢測,改進的方向包括兩方面,一是排除檢測方法和試劑對自變量帶來影響,使定性檢測更加科學可信;二是由定性檢測發(fā)展為定量檢測,《課程標準》中提出:“在重視定性實驗的同時,也應重視定量實驗”,將定性實驗發(fā)展為定量實驗,是實現(xiàn)思維進階,培養(yǎng)高階科學思維素養(yǎng)水平的路徑之一。

3.3.1 檢測還原糖的生成量

在定性觀察中,羅建義建議先將各預設溫度條件下的淀粉和淀粉酶溶液裝入半透膜做成的透析袋(淀粉和淀粉酶無法通過)中,收集透析液(含有反應產(chǎn)物還原糖)后再用斐林試劑進行檢測。該改進破除了“水浴加熱會改變原有溫度,改變預設的酶活性,因而不能用斐林試劑進行檢測”的固化思維,為實驗提供了更多思路,有利于在解決問題的過程中發(fā)展學生的科學探究能力。

在定量檢測中,柯文匯利用還原糖與DNS 試劑(3,5-二硝基水楊酸,黃色)可發(fā)生氧化還原反應生成3-氨基-5-硝基水楊酸(棕紅色)的原理,利用分光光度計檢測540 nm 波長下的吸光度值,實現(xiàn)還原糖含量的定量檢測。但該反應需要預實驗確定合適的淀粉溶液和酶溶液濃度、保溫時間和顯色時間等反應條件,操作較繁瑣。以該顯色反應為基礎,藍益添利用數(shù)碼成像比色法定量測定麥芽糖含量。其原理是利用數(shù)碼攝像頭拍攝有色待測溶液的照片,再利用顏色識別軟件如Photoshop 采集該溶液的顏色參數(shù),發(fā)現(xiàn)顏色參數(shù)M 值與麥芽糖含量呈正相關,可用M值表示麥芽糖含量。

3.3.2 檢測淀粉的消耗量

在定性觀察中,胡四新將各組反應后的溶液均至于冰水中再進行檢測,排除了高溫下淀粉結構變化導致遇碘不變藍的問題。

在定量檢測中,李巧靈等通過定時取樣、滴加碘液和觀察顏色,測定相應溫度下達到和碘液相同顏色的時間t,并用1/t反映相對酶活性,實現(xiàn)了定量的觀察。李金月等利用色度傳感器測定淀粉與碘液顯色反應的色度,從而定量比較不同溫度條件下淀粉酶活性,該技術具有便捷、準確、實時、綜合和直觀等特點,但是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和計算機及配套的軟件組成的定量采集數(shù)據(jù)實驗技術系統(tǒng)較難推廣應用。沈唯軍等利用分光光度計檢測620 nm 處淀粉與碘液反應形成藍色物質(zhì)的含量,進行不同條件下淀粉酶活性的比較。蘇錦權巧妙地用智能手機的光線傳感器來測量溶液的吸光度,再利用手機軟件“亮度計”讀到的數(shù)值表征酶活性,從而在課堂中快速獲得實驗證據(jù)。

利用分光光度計,亮度計等技術和方法進行數(shù)據(jù)采集需要教師引導學生理解相應檢測原理,在合理引導的基礎上使學生養(yǎng)成綜合、開放、創(chuàng)造性思維的習慣,但由于對學生儀器操作要求較高,不易在中學開展。

3.4 實驗材料的整合

教材建議在探究pH 及溫度對酶活性影響的實驗中分別選擇過氧化氫和淀粉作為反應物,但在真正的操作中需要更換實驗材料,準備工作繁瑣,難以在一個課時完成實驗內(nèi)容。有研究者就對實驗材料進行了驗證,以探究淀粉酶能否用于pH 影響酶活性的實驗。

宗海鳳等發(fā)現(xiàn)在堿性條件下,用碘液檢測反應體系,結果不變藍,通過一系列的探究實驗發(fā)現(xiàn),若選擇碘液作為鑒定試劑,碘液會與堿性物質(zhì)發(fā)生反應生成次碘化鈉(NaIO)和碘化鈉(NaI),反應無法進行;若選擇斐林試劑作為鑒定試劑,則斐林試劑中的NaOH會與酸性物質(zhì)發(fā)生酸堿中和反應。因此不能用淀粉酶探究pH 對酶活性的影響。

對此,陳九云等在實驗中減少了酸和堿的用量,在3 mL 反應體系中,分別使用1 滴5%的HCl 溶液和1 滴5%的NaOH 溶液,發(fā)現(xiàn)既可有效地使酶失活,又不影響淀粉及降解產(chǎn)物的正常檢測,從而解決了碘液鑒定和斐林試劑鑒定對實驗結果帶來的誤判。此外,他們認為在減少鹽酸用量的基礎上,酸對淀粉水解的影響可以忽略不計,因此可以用淀粉酶探究pH 對酶活性的影響。

4 實驗改進思考

當利用淀粉酶作為實驗材料時,鄧純臻等利用半透膜和U 型管設計如圖1所示的裝置,可直觀地根據(jù)液面高度變化反映酶活性。在此基礎上稍加改進,細化溫度梯度之后,通過測量液面的高度差,即可進行定量分析。改進后的裝置無需進行復雜的試劑檢測,并且融合了多個知識和技能,實現(xiàn)了知識的遷移和問題導向的科學研究。

此外,本實驗操作繁瑣,通過合理設計實驗裝置,使各個溫度下的實驗可以同時進行,大大縮短實驗時間。金慧玉自制了溫度梯度恒溫水浴鍋(圖2),拓寬了改進的思路。但在該裝置中未解決如何讓不同組別酶和底物分別保溫后同時混合的問題,還需進一步改進。

脲酶也可以作為一種補充材料替代淀粉酶,其最適溫度在50 ℃左右,70 ℃以上失活。脲酶分解尿素產(chǎn)生二氧化碳和氨,氨溶于水可以使酚酞變紅,根據(jù)一定時間內(nèi)酚酞變紅的程度即可定性反映酶活性,而利用CO2感應器測量反應過程中CO2的變化情況即可定量反映酶活性。脲酶和尿素價格便宜,成本較低,同時其作為第一個被鑒定為蛋白質(zhì)的酶,對其進行更深入的了解有助于科學史的深入研究,有助于學生科學思維的形成。

“溫度對酶活性的影響”這一探究實驗的改進和創(chuàng)新是多方面、多層次的,可以挖掘的知識還有很多,研究工作還有待進一步加強。對該實驗有效的把握,可以幫助教師創(chuàng)造有效的教學情境,激發(fā)學生的學習熱情,從而培養(yǎng)學生不斷探索、勇于創(chuàng)新的科學精神,實事求是的科學態(tài)度以及終身學習的能力。