“果酒、果醋的制作及制作泡菜并检测亚硝酸盐含量”的教学组织

  制作果酒、果醋及检测泡菜中亚硝酸盐的含量,是高中阶段新的实验内容,由于学习的是与日常生活有关的制作技术,难度并不大,又是学生喜欢的动手操作,因此,这些活动深受学生欢迎。下面谈谈其教学组织。

  1 果酒和果醋制作的教学组织

  1.1 学习实验原理,比较两种实验菌的特点

  果酒、果醋的制作原理非常简单,都是利用微生物发酵产生特定的产物,以下为制作过程中所需要的两种微生物的基本特点的比较。

  

  酵母菌

  醋酸菌

  生物类型

  单细胞真菌

  细菌(原核生物)

  需氧情况

  兼性厌氧型

  需氧型

  适宜生长的温度

  1825

  3035

  生殖类型

  出芽生殖

  分裂生殖

  上述表格中,需要重点注意的是需氧情况和温度控制。在制作果酒的过程中,酵母菌先进行有氧呼吸,大量繁殖形成种群优势,然后进行无氧呼吸产生酒精,因此,对氧气的控制十分关键。醋酸菌是好氧型细菌,能将酒精氧化成醋酸。酵母菌与醋酸菌生长所需要的适宜温度相差较大,特别是醋酸菌需要的温度比较高,因此,在酿酒的过程中,温度控制过高,酒就有可能变酸,这也就是我们常说的“酿酒不成变成醋”的原因。

  1.2 注意操作步骤及细节

  果酒和果醋在发酵过程中极容易因杂菌污染而腐败,因此,需要注意操作细节。

  (1)葡萄的选择和处理。实验时要选取无破损、无病虫害的葡萄,先用流水冲洗干净,再去除枝梗,然后以1:4的比例加水进行榨汁处理,此时得到的葡萄汁有较多的固形物(包括籽粒),可用消毒后的单层纱布过滤,得到滤液,这些滤液就可以装瓶发酵。

  (2)酵母菌菌种的来源。成熟的葡萄表皮含有大量的酵母菌,放久的葡萄散发出有酒味就是这个道理。实际上我们在市场上购买的葡萄表面的酵母菌与酿酒酵母差异较大,而且数量稀少,如果发酵时没有控制好杂菌的生长,制作的葡萄汁极容易污染,因此,加大接种量使酵母菌形成种群优势是保证实验成功的关键因素之一,但市场上很难购买酿酒酵母,可用食品发酵的干酵母代替,因此,在实验中可适当接种食品发酵的酵母菌,以保证实验的成功。

  (3)注意对容器进行消毒。由于发酵的时间比较长,而葡萄表面的酵母菌较少,很难在短时间内形成种群优势,容易被杂菌污染而腐败,因此,需要特别注意保持容器和葡萄汁的洁净。具体的操作是,葡萄不能用洗涤灵等化学洗涤剂清洗,以避免杀死酵母菌,容器应用清水或洗涤灵冲洗干净,并用75%的酒精擦试消毒,以减少杂菌的污染。

  (4)发酵过程中应选择塑料容器。塑料容器有一定的伸缩度,可容纳一定的气体量,有利于放气和避免被杂菌污染。塑料瓶中不能装满葡萄汁,应留三分之一左右的空间,有利于酵母菌有氧呼吸大量繁殖形成种群优势。当酵母菌消耗掉容器中的氧气后,开始进行无氧呼吸产生酒精,因此,一定要在发酵过程中盖好容器的盖子,使酵母菌进行无氧呼吸产生酒精。另外,要特别注意发酵初期对温度的控制,此时由于酵母菌较少而杂菌可能较多,容易发生腐败现象。

  (5)醋酸菌菌种的来源。前期厌氧发酵产生酒精时,并不是严格厌氧,因此有少量的醋酸菌存留,当转入好氧发酵时,残存的醋酸菌会大量繁殖,产生醋酸。同时,我们的实验条件并不是严格无菌,通入的空气中会有一些醋酸菌被带到发酵液中大量繁殖,其他菌因不适应环境条件而被抑制。在工业生产中,醋的发酵要进行人工接种。另外,在实际操作时,由于菌株的量较少,可能需要很长的时间。为了缩短时间,可进行人工接种,具体的方法是,打开一瓶食醋或果醋,将其暴露在空气中,一段时间后,醋的表面就会形成一层薄膜(主要是醋酸菌),可以用这层薄膜进行接种,这样可以明显缩短制作果醋的时间。

  1.3 课时安排及实施建议

  由于学生对制作葡萄酒和苹果醋非常好奇,因此,教师可以事先制作好果酒和果醋,教学时展示给学生,以激发学生学习兴趣和制作欲望。

  本课题可安排3课时,其中,自学和讲解及学生设计实验1课时;教师准备水果,学生准备发酵的仪器(可乐瓶、饮料瓶等),动手制作1课时。建议将学生分成不同的组,部分学生制作果酒,部分学生制作果醋。3~4周后,由学生展示实验成果、分析成败及评定成绩用时1节课。另外,还应指定小组组长在课下管理、观察和记录发酵情况。

  2 制作泡菜并检测亚硝酸盐的含量的教学组织

  2.1 理解实验原理

  制作泡菜的原理比较简单,利用的是乳酸菌在无氧条件下发酵生成乳酸。但检测亚硝酸盐的原理和方法则复杂得多,见下表。

  名称

  原理或方法

  显色反应

  在盐酸酸化条件下,亚硝酸盐与对氨基苯磺酸发生重氮化反应生成重氮盐,重氮盐与N-1-萘基乙二胺盐酸盐偶合形成玫瑰红色染料(见下图的反应式)

  去杂反应

  用氢氧化镉、氢氧化钡和氢氧化铝等无机颗粒吸附泡菜碎片和有机大分子

  (人工)比色

  将标准比色液与显色液(实验液)进行比较,以确定显色液中亚硝酸盐的含量

  2.2 操作步骤及说明

  尽管显色反应和人工比色容易理解,但学生对实验过程中的诸多步骤并不清楚,而且在实验过程中极容易操作失误而导致实验失败,为此,可在黑板上展示下面的流程图,供学生实验时参考。

  上面的实验步骤尽管看起来复杂,实际上原理和目的却很简单,即通过吸附法从泡菜汁中去除泡菜碎片和大分子有机物,使泡菜汁澄清透明,然后通过人工比色,以确定泡菜汁中亚硝酸盐的含量。然而,要去除泡菜汁中的泡菜碎片和大分子有机物并不是一件容易的事情,主要的障碍在于,一是小的碎片及悬浊颗粒极容易堵塞滤纸片的滤孔,导致过滤速度非常缓慢(一次过滤大约需要近1个小时),上述流程中有三处使用了离心,其目的就在于加快过滤速度;二是隔离子和钡离子通过静电吸附在泡菜碎片上的过程非常缓慢,必须通过长时间的振荡,效果才会明显,这就需要摇床,如果没有摇床则只能用手振荡,这就会增加了实验的困难。

  2.3 教学建议

  2.3.1设置问题情景,帮助学生深入理解操作步骤 本实验的每一步操作因为有量化指标十分重要,学生只有真正理解操作步骤的目的和意义,操作起来才能细心和耐心,因此,教师可通过问题的形式,引导学生深入理解,以下为部分问题。

  过程

  问题

  参考答案或目的

  制作泡菜阶段

  制作泡菜时选择的材料有何要求?

  白色或浅色的蔬菜,如白萝卜、圆白菜等,以避免比色时造成颜色干扰

  为什么要将水浇开冷却后再制作泡菜?

  除去水中的细菌和氧气

  用水封的目的是什么?

  不让空气进入,创造一个封闭无氧的环境

  

  

  除杂阶段

  配制提取剂时为什么要加入浓盐酸调节PH1

  防止镉离子和钡离子形成氢氧化镉和氢氧化钡沉淀

  为什么需要用处理样品与提取剂在摇床上振荡提取1小时?

  通过静电吸附将镉离子和钡离子大量地吸附在泡菜的碎片上

  为什么振荡后还需要加入氢氧化钠溶液?

  进一步吸附泡菜液汁中的泡菜碎片,使泡菜汁澄清透明

  2.3.2引导学生设计对比实验泡菜中的亚硝酸盐含量受很多因素的影响,在本实验中,可探讨食盐浓度和发酵时间对泡菜中亚硝酸盐含量的影响。食盐浓度影响乳酸菌及其他细菌的繁殖,发酵时间不同,产生亚硝酸盐的含量不同。为此,可将食盐浓度设置为3%、5%和7%三个对比实验,然后在不同的时间里测定泡菜中的亚硝酸盐的含量。以下是我和学生以白萝卜和圆白菜为实验材料,经过13天的严格实验所得到的数据(图中的百分比为食盐浓度,表格中的数据为亚硝酸盐的浓度,单位为mg/kg,发酵温度为13~15℃)。

  从上面的曲线图中可以看出,泡菜中亚硝酸盐含量在发酵刚刚开始的时候都处于上升趋势,在5天或者7天的时候会达到一个最高值,之后就会慢慢下降,在发酵时间达到13 天左右的时候下降到一个相对比较稳定的数值,达到了动态平衡。

  对比不同食盐浓度的泡菜中亚硝酸盐含量发现,食盐浓度为3%的泡菜中亚硝酸盐含量总体上是3坛泡菜中最高的;食盐浓度为5%的泡菜中亚硝酸盐含量变化最快,其最高值是三坛中最高的,当亚硝酸盐降到最低值时,也是3坛泡菜中最低的;而食盐浓度为7%的泡菜中亚硝酸盐含量变化不大,一直处于较低的数值。这可能与食盐对微生物生长的抑制作用有关。

  2.3.3课时安排及实施建议本实验最大的难点是实验时间长,实验操作复杂,不可能所有的操作都由学生在课堂上完成,因此,只需要安排一些关键的实验步骤,让学生学会实验仪器的操作,深入理解实验原理和方法即可达到学习目标。以下为课时分配。教师提前3天制作好3坛泡菜(食盐浓度分别是3%、5%、7%);教材中的文本的学习安排1课时;第2课时讨论实验方案和制作泡菜,此时的制作泡菜由教师带领学生在课堂上演示完成;第3、4课时(可连排或临时换课完成)可将教师提前制作好的泡菜拿出供学生进行实验,教师和学生的实验步骤如下。

  实验步骤

  实验内容

  完成说明

  配制溶液

  1.显色试剂  2.提取剂

  2. 

  3.氢氧化铝乳液

  本处实验由教师提前配制好,也可由兴趣小组的学生帮助教师配制好

  制备标准显色液

  制作相当于1μg2μg3μg4μg5μg6μg7μg的亚硝酸盐溶液,并进行显色反应

  本处操作由学生在课堂上完成,能较好地培养学生熟悉操作移液管等精密实验仪器的能力

  制备样品处理液

  通过吸附法去除泡菜汁中泡菜碎片和大分子有机物的过程

  本处可分成3组(3组分别处理3种不同食盐浓度的泡菜),由学生全部在课堂上完成

  比色

  确定样品中的亚硝酸盐的浓度

  比色得到的数据做进一步的处理,才能得到样品中亚硝酸盐含量的数据,也可使用色谱仪测量

  结果和结论

  对数据进行分析

  由教师和学生共同完成

  2.4 实验中其他问题探讨

  以下是学生经常问到的两个问题,也是教学中无法回避的问题,现作简单介绍。

  2.4.1如何确定泡菜中亚硝酸的浓度 人工比色只能确定测试液中亚硝酸盐的浓度,还不足以得出最初样品中的亚硝酸盐的浓度,因此,需要经过一系列的数据处理,下图是根据实验步骤中的数据进行的计算。

  如测试液与标准比色液中的3μg相当,则亚硝酸盐的含量为:3/1000/0.0096=3.125 mg/kg。需要说明的是,由于操作上存在误差,上述数据的处理也存在误差。

  2.4.2泡菜中的亚硝酸为什么会发生先上升后下降的变化 这是因为,发酵初期,泡菜中的微生物繁殖很快,微生物将蔬菜中的硝酸盐还原成亚硝酸盐,如此同时,蔬菜中的酚类和维生素C等物质也会将亚硝酸盐氧化,但总体来看,生成的亚硝酸盐大于被还原的亚硝酸盐,因此,随着发酵时间的进行,亚硝酸盐的含量会逐渐上升。随着微生物代谢活动的持续,氧气被消耗殆尽,泡菜坛中的环境不利于除乳酸菌以外的其他微生物的生长。与此同时,蔬菜中的硝酸盐含量由于被氧化而减少,因此,亚硝酸盐的含量会逐渐下降并趋于一个相对稳定的数值。

  3 实验和教学体会

  果酒和果醋的制作相对简单,在制作过程中只需要注意卫生和温度控的制,就比较容易成功,果酒的制作过程中还需要及时放气,这两项制作活动学生都能够很好地完成,制作的积极性也非常高。除在实验室中制作外,还有部分学生在家里也制作葡萄酒,而且成功的学生还比较多。

  学生在初中就已经学过和尝试过制作泡菜,因此,制作泡菜不是实验的重点。通过检测亚硝酸盐的含量的实验,能够很好地训练学生对容量瓶、移液管等精确仪器的使用,同时理解分析化学对实验数据获取的重要性,是实验的重点,但这部分内容难度较大,部分操作能力较差的学生很难独立完成,需要教师悉心指导。 [本文发自《生物学通报》09年第2期]

  参考文献

  吴成军.食盐浓度和发酵时间对泡菜中亚硝酸盐含量影响. 西安:生物学教学2006,3


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