對“酵母細胞的固定化實驗”中若干問題的探究及實驗改進

王梅霞

摘 要：對高中生物選修教材“酵母細胞的固定化實驗”中存在的若干問題進行分析，并提出行之有效的實驗改進方案。

關(guān)鍵詞：固定化;酵母細胞;過氧化氫酶;實驗改進

一、教材分析

酵母細胞的固定化實驗是人教版普通高中課程標準實驗教科書生物選修1《生物技術(shù)實踐》專題4《酶的研究與應(yīng)用》中第三個課題的實驗。該實驗原理簡單易懂，實驗操作過程也不復(fù)雜。按照教材提供的方法和步驟在一節(jié)實驗課的時間里完成菌體活化、溶液配制和固定化并最終得到凝膠珠是完全可行的。但僅僅按照教材提示完成實驗操作并不能很好地解決教學(xué)中的問題。通過對教學(xué)過程中相關(guān)問題的思考和反復(fù)實驗，筆者對該實驗進行了一些拓展和改進。

二、實驗改進與拓展

1.包埋法真的不適合固定小分子的物質(zhì)嗎？

教材第50頁中介紹：“一般來說，酶更適合采用化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法固定化，而細胞多采用包埋法固定化。這是因為細胞體積大，而酶分子很小，體積大的細胞難以被吸附或結(jié)合，而體積小的酶很容易從包埋材料中漏出?！标P(guān)于這一點能否通過實驗進行驗證呢？在實驗教學(xué)中，我讓學(xué)生在酵母細胞和海藻酸鈉的混合溶液中滴加了幾滴紅墨水，這樣做出來的凝膠珠就帶有了顏色。將固定好的紅色凝膠珠轉(zhuǎn)移入葡萄糖溶液進行發(fā)酵實驗時會出現(xiàn)發(fā)酵液變紅的現(xiàn)象。通過直觀的現(xiàn)象可以讓學(xué)生很好地理解包埋法的適用范圍。

2.包埋后的酶或細胞還有活性嗎？其活性有變化嗎？

課本實驗采用酵母菌作為實驗材料進行包埋固定，通過凝膠珠發(fā)酵葡萄糖的實驗來研究固定化操作對酶或細胞的影響。從理論上分析實驗是可行的，但是實際操作中會遇到很多問題：（1）課堂實驗時間有限，僅有45分鐘，而酵母菌發(fā)酵葡萄糖需要一段時間才會出現(xiàn)相應(yīng)的產(chǎn)物。實驗不能在一節(jié)實驗課中完成。（2）酒精的檢測不易進行。利用酸性重鉻酸鉀檢測酒精的原理是乙醇具有一定的還原性能夠被酸性重鉻酸鉀溶液氧化。但是發(fā)酵液中的葡萄糖同樣具有還原性，因此實驗結(jié)果的可信度不高。上述問題可以通過改變實驗材料來解決。在實驗教學(xué)中我讓學(xué)生進行了過氧化氫酶（豬肝研磨液）的固定并研究了固定化酶的活性。實驗采用教材提供的固定化方法，固定化效果的研究采用圖1所示裝置。兩個注射器之間通過軟管相連通，左側(cè)注射器內(nèi)裝有過氧化氫溶液，右側(cè)注射器內(nèi)為過氧化氫酶（固定化形成的凝膠珠或豬肝研磨液），當(dāng)?shù)孜锖兔附佑|，反應(yīng)開始時用夾子將軟管夾緊。

實驗過程：取游離的和固定化的過氧化氫酶各1毫升置于50毫升的注射器中，分別加入2毫升3%的過氧化氫溶液，充分反應(yīng)后記錄注射器刻度。如圖2所示（左邊注射器內(nèi)為游離酶催化過氧化氫的反應(yīng)，右側(cè)注射器內(nèi)為固定化酶催化過氧化氫的反應(yīng)）。重復(fù)試驗分別記錄達到反應(yīng)平衡（注射器相應(yīng)刻度）所需要的時間。通過實驗發(fā)現(xiàn)利用1毫升豬肝研磨液催化2毫升3%過氧化氫溶液分解僅需要8秒鐘即可達到反應(yīng)平衡，而利用固定化的凝膠珠則需要2分18秒。通過實驗學(xué)生很容易得出固定化對酶促反應(yīng)的影響。

3.固定化酶（細胞）可以反復(fù)利用嗎？

采用豬肝研磨液作為實驗材料使研究固定化酶是否可以重復(fù)使用變得簡單可行。取固定好的凝膠珠與過氧化氫混合反應(yīng)后，將凝膠珠取出沖洗后再次重復(fù)實驗，可以證明固定化的過氧化氫酶是可以反復(fù)利用的。每次反應(yīng)僅需要兩到三分鐘，并且實驗現(xiàn)象容易觀察和測量筆者認為其課堂教學(xué)的效果要優(yōu)于固定化的酵母細胞。

三、結(jié)語

“科學(xué)探究”是高中生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一，而實驗教學(xué)是進行科學(xué)探究的重要手段。在實際教學(xué)中，實驗教學(xué)往往受教學(xué)條件、實驗器材、課時數(shù)量等的限制，開展一節(jié)實驗課費時費力，如果實驗課結(jié)束，實驗不成功，或者實驗效果不明顯，將會打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，嚴重影響課堂教學(xué)效果。

改進后的實驗取材方便，可操作性強，用時短，實驗現(xiàn)象明顯，實驗結(jié)果容易測量，使固定化酶的催化反應(yīng)既可以定性也可以定量研究。在一定程度上解決了教材上實驗方案的不足，可以作為教材實驗的補充在中學(xué)課堂中推廣。

參考文獻：

[1]季忠云.“酵母細胞的固定化”實驗方法的優(yōu)化[J].生物學(xué)教學(xué)，2015，40（3）：56-57.

[2]楊鳳華.細胞固定化實驗的幾點思考[J].生物學(xué)教學(xué)，2012，37（7）：46-47.