“酶的应用”的教学组织

  “酶的应用”包括“研究酶的存在和简单制作方法”、“尝试利用酶活力测定的一般原理和方法”、“探讨酶在食品制造中的应用”、“探讨酶在洗涤等方面的应用”、“尝试制备和应用固相化酶”等五项具体内容标准。在人教版高中生物教科书中,这些具体内容标准体现在“果胶酶在果汁生产中的作用”、“探讨加酶洗衣粉的洗涤效果”和“ 酵母细胞的固定化”三个课题内容及具体要求方面。下面谈谈对“酶的应用”专题的教学组织。

  1. 探讨果胶酶在果汁生产中的作用

  1.1 探究课题的确定 果胶酶是多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶和果胶酯酶等一系列酶的总称,其作用是分解细胞壁及胞间层的半糖醛酸高分子聚合物,将果胶等物质分解成可溶性的半乳糖醛酸等物质,使浑浊的果汁变得澄清,增加果汁的稳定性,提高果汁的品质。影响果胶酶活性的常见因素是温度和pH,因此,实验程序应起始于引导学生提出一个适于他们探究的问题。一般情况下,可将学生分成两大组,一组学生探究温度对果胶酶活性的影响,别一组探究pH对果胶酶活性的影响。在此基础上,可继续探究在适宜的温度和pH条件下,果胶酶的适宜用量,最后计算将水果通过果胶酶的作用形成果汁饮料的价值。

  1.2 学生分组设计实验方案 在必修模块的学习过程中,学生曾参与“影响酶活性的条件”一组探究实验。本实验的原理和操作基本步骤相对容易些,可让学生在阅读教材的基础上,确定下列实验流程及操作:

  在此基础上,要求学生根据具体课题讨论实验设计中的变量,并提出相应问题供学生思考和讨论:(1)本实验的自变量是什么?因变量是什么?有哪些无关变量?(2)自变量如何进行定量控制?(3)因变量如何进行有效的检测?(4)怎样严格控制无关变量?

  下表是以不同温度对果胶酶活性探讨的分析,可通过表中的部分内容引导学生讨论。

  试管编号

  1

  2

  3

  4

  无关变量

     50mL苹果汁

  无关变量

   5mL质量分数为2%的果胶酶

  自变量

  20恒温水浴

  40恒温水浴

  60恒温水浴

  80恒温水浴

  无关变量

  分开保温及保温时间等

  因变量检测

  生果汁产量(果胶酶活性检测)

  1.3 操作注意事项 果胶酶的催化效果远不如过氧化氢酶明显,教师最好提前配制果胶酶溶液,适当增加果胶酶浓度,以缩短实验时间。果胶酶价格较贵,酶液浓度过高会增加实验成本。果胶酶是利用微生物发酵生产的,适宜温度比较宽泛,实验设置的温度梯度可相应间隔大一些,可采取20℃、30℃、50℃、60℃、70℃等温度梯度。设置pH梯度时,可参考下述中的右图。

  测定酶活力的方法很多,除用单位时间内的果汁产量来反映酶活性外,比较科学的方法是用分光光度法测定,上图就是依据测定单位时间内果汁(橘子)的透光率而获得的酶活力数据,分光光度法不仅可以获得准确的数据,而且还可以减少实验的时间。

  2 探讨加酶洗衣粉的洗涤效果

  加酶洗衣粉中一般添加了蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等酶制剂,可以有效地清除奶渍、油渍、血渍和果汁渍等不易清洗的污渍。该实验可分成几个小的探讨课题:一是探讨普通洗衣粉和加酶洗衣粉的洗涤效果,二是探讨温度对加酶洗衣粉洗涤效果的影响,三是探讨加酶洗衣粉对不同污渍的洗涤效果。三个课题可分组进行。

  进行实验设计时要解决好控制变量的问题,可以启发学生讨论下列思考性问题:⑴检验洗涤效果最好采用机洗、手洗,还是人工模拟洗衣机洗?为什么(人工模拟洗衣机洗。这是因为洗衣机太大,而污染太小,无法控制水量等无关变量;手洗时无法控制手的搓洗的力度和次数等)? ⑵用人工模拟洗衣机洗时需要考虑哪些因素(搅拌的方式、力度和时间需要保持一致等)?⑶水温如何控制(水浴)?⑷选择衣服还是布料为实验材料?对实验材料的质地有何要求?为什么(布料;布料应大小一致,相对较小,而且为白色的棉布类;白色的棉布易吸附污渍,显色明显,洗后容易判断效果)?⑸水的用量和洗衣粉的用量怎样确定(一般采用500 mL的水,洗衣粉的用量为1 g或1.5 g)?⑹如何判断洗涤效果(比较污渍的大小和深浅)? 等等。

  探究温度对加酶洗衣粉的影响时,学生往往会不加思索地设计从0 ℃开始到100 ℃的温度梯度,这时应提醒学生思考确定温度范围应考虑季节性变温,采用5 ℃、10 ℃(相当于冬季,下同)、15 ℃、20 ℃、25 ℃(春季和秋季)、30 ℃、35 ℃(夏季),这7个水温值比较符合实际。一般来说,北方学生可探讨冬季(低温)时使用加酶洗衣粉的效果,南方学生探讨夏季(高温)时使用加酶洗衣粉的效果。

  3 酵母细胞的固定化

  3.1 重视实验中的认知成分

  在生物技术实践活动中,经常涉及技术原理和实践意义等内容,实验教学中要重视这些认知成分。自1969年世界上首次成功地将氨基酰化酶固定化用于拆分氨基酶以来,固定化酶和固定化细胞技术得到迅猛地发展,已广泛应用于氨基酸的拆分和提纯、葡萄糖和果糖的生产、诊断和分析试剂的制造、消除环境污染、特定的化学反应等等。教学中,不仅应遵循人类对固定化技术的研究历程来逐步引导学生理解固定化技术的意义,而且要重视用典型实例(高果糖浆的生产)的剖析来引导学生认识固定化技术的应用价值。以下为人类对固定化技术的认识历程。

  常用的固定化技术:包埋法、吸附法和结合法,教学时先让学生讨论哪些方法适于酶固定化?哪些方法适于细胞的固定化?在讨论的基础上加以总结如下:

  

  常用方法

   操作缺陷

  

  包埋法

  酶分子一般相对较小,容易从大分子有机物网格中逸出;如果反应物分子较大,则不易进入网格中与酶接触

  吸附法

  将酶吸附在不溶于水的载体上比较困难,同时酶也容易从载体上脱落

  结合法

  需要改变酶的某些结构(基团),酶的催化作用受到一定程度的影响

  细胞

  包埋法

  处于中心的细胞容易缺氧而受到损害,同时,反应原料不易进入到这些细胞之中

  3.2 操作的注意事项

  本实验是一个定量实验,海藻酸钠溶液的浓度和酵母细胞溶液混合后的溶液浓度是决定实验成败的关键因素,这有赖于实验操作的各个环节严格按照要求进行。教学时结合下图分析可能存在的操作误差。从左图看,成功的凝胶珠如珍珠状,色白而圆润,而那些不规则的凝胶珠在CaCl2溶液的位置通常是飘浮在溶液的上面或中间,这主要是混合溶液的浓度过小或混入空气而造成的。

  下表为实验步骤中的一些注意事项,可结合上图进行分析。

  实验步骤

   注意事项

  酵母细胞的活化

  活化时应用大一点的小烧杯,避免细胞溶液逸出,活化时间不易过长,20℃时只需1小时即可,该步骤由教师在课前完成

  配制CaCl2溶液

  可实验前配制好,放入冰箱中储存

  配制海藻酸钠溶液

  小火间断加热,并不断搅拌,直到完全融化,最后一定要定容

  海藻酸钠溶液与酵母细胞混合

  待海藻酸钠溶液冷却至室温时再混合,要充分搅拌并避免出现气泡。转移至注射器时,也要注意不要产生气泡

  固定化酵母细胞

  注射器与CaCl2溶液的距离应保持在1米左右,混合溶液滴入烧杯时应保持匀速

  Ca2+与Na+交换需要一定时间,形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡一段时间。只有形成稳定的凝胶珠,才能在后续反应中进行利用。是否形成凝胶珠的检验方法是:用镊子夹起一个凝胶珠放在实验桌上用手挤压,若不容易破裂且没有液体流出,表明制备凝胶珠成功。还可以将凝胶珠用力摔打在实验桌上,若凝胶珠容易弹起,表明制备凝胶珠成功。

  4 教学实施的总体建议

  4.1 做好实验预处理 为方便大家提前做好准备,本人以人教版教材为例,将本专题所需要的仪器、设备和药品列表如下:

     课题名称

   实验仪器和设备

  实验试剂或药品

  果胶酶在果汁生产中的作用

  榨汁机、烧杯、量筒、锥形瓶、试管、漏斗、温度计、水浴箱、玻璃棒、注射器、酒精灯、三角架、石棉网等

  果胶酶、盐酸、氢氧化钠

  探讨加酶洗衣粉的洗涤效果

  普通洗衣粉、加酶洗衣粉、白棉布

  酵母细胞的固定化

  海藻酸钠、CaCl2、干酵母、葡萄糖

  4.2 做好课时安排及计划 以下为本专题的三个课题的课题数及其说明。

  课题名称

  课时数

  说明

  果胶酶在果汁生产中的作用

  3

  基本知识0.5;实验讨论及设计1;动手实验1;结果的分析与讨论0.5

  探讨加酶洗衣粉的洗涤效果

  3

  基本知识0.5;实验讨论及设计1;动手实验1;结果的分析与讨论0.5

  酵母细胞的固定化

  3

  基本知识1;实验讨论和操作1;实验结果的分析与讨论1

  4.3 与研究性学习相结合 果胶酶在果汁生产中的作用和探讨加酶洗衣粉的洗涤效果这两个课题除在课堂上完成相应的实验外,如果学生感兴趣,可以组织部分学生进一步研究,对于课题1果胶酶在果汁生产中的作用,我们可以准确探讨果胶酶对苹果、橘子等果汁的最适宜的温度和pH;对于课题2,我们可以探究普通洗衣粉与加酶洗衣粉的洗涤效果的比较,同一加酶洗衣粉对不同污渍的洗涤效果的比较,不同品牌的加酶洗衣粉对同一污渍的洗涤效果的比较,这都具有实际意义,都会激发学生的探究兴趣。

  本文发自《生物学通报》08年第11期


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