pH對(duì)淀粉酶活性影響實(shí)驗(yàn)的再探究

陳九云

1 探究背景

為迎接年度江蘇省基礎(chǔ)教育青年教師教學(xué)基本功大賽，筆者所在的縣級(jí)市對(duì)青年教師進(jìn)行了選拔賽。本次比賽實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作技能測試的內(nèi)容是：利用提供的實(shí)驗(yàn)材料（α-淀粉酶、可溶性淀粉溶液）和藥品，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)“探究pH對(duì)酶活性的影響”。筆者觀察到，老師們拿到課題的第一反應(yīng)是：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)不好做！”在迫不得已的情況下，參賽教師設(shè)計(jì)并操作了如下的實(shí)驗(yàn)（表1）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是1號(hào)試管中溶液不變藍(lán)，這與實(shí)驗(yàn)預(yù)期不相符。因此參賽教師都認(rèn)為，不能用所給材料“探究pH對(duì)淀粉酶活性的影響”。

筆者逐一對(duì)這些教師進(jìn)行訪談，詳細(xì)了解這些一線教師對(duì)本實(shí)驗(yàn)的一些看法，具體如下：（1） 堿性條件下，碘液不可用于淀粉的檢測。因?yàn)榈鈺?huì)與NaOH反應(yīng)，產(chǎn)生無色的碘化鈉和次碘化鈉，失去作為檢測試劑的功能，影響對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的判斷。（2） 酸性條件下，斐林試劑不可用于檢測還原糖。因?yàn)殪沉衷噭┑挠行С煞諧u（OH）2可與HCl反應(yīng)生成CuCl2，使斐林試劑失去鑒定作用。另外，斐林試劑鑒定還原糖時(shí)對(duì)溫度的要求（50～60℃）也會(huì)影響到酶的活性。（3） 酸性條件下淀粉會(huì)水解，尤其是高溫條件下，水解速度會(huì)加快，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這三種看法可從理論上解釋參賽老師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)無法獲得預(yù)期現(xiàn)象的原因。

但是筆者注意到：在上述實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH溶液和體積分?jǐn)?shù)為5%的HCl溶液用量均達(dá)到了2 mL，而整個(gè)反應(yīng)體系的總量約為5 mL。如此多的酸堿用量會(huì)不會(huì)是影響實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵呢？能不能通過降低鹽酸和氫氧化鈉的用量來優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)呢？筆者從化學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)方面進(jìn)行了探究。

2 探究方法

2.1 化學(xué)計(jì)算溶液的pH

計(jì)算1滴體積分?jǐn)?shù)為5%的HCl溶液滴入1 mL某中性溶液中，溶液的pH變?yōu)槎嗌伲?/p>

先計(jì)算1 L體積分?jǐn)?shù)為5%的HCl溶液中H+的濃度是多少？

已知溫度為20℃，濃度為5%時(shí)，鹽酸的密度為1.023 g/mL，由于C（HCl物質(zhì)的量濃度）=n（HCl物質(zhì)的量）/v（溶液的體積），n（HCl物質(zhì)的量）=HCl的質(zhì)量/HCl的相對(duì)分子質(zhì)量=1 000×1.023×5%÷36.5=1.40 mol，所以HCl溶液中H+的濃度C（H+）為1.40 mol/L。

再計(jì)算1滴體積分?jǐn)?shù)為5%的HCl溶液滴入1 mL某中性溶液后，H+的濃度是多少？

根據(jù)C（H+）·V1=C（H+）′·V2計(jì)算（1滴約為0.05ml，滴入后溶液體積的變化忽略不計(jì)），將相關(guān)數(shù)據(jù)代入后得到1.40×0.05（1滴）=C（H+）′·1，C（H+）′=0.07 mol/L，pH=-lg0.07=1.15。通過計(jì)算可知，向某中性溶液中滴加1滴5%HCl溶液，該溶液的pH約為1.15。

同理計(jì)算1滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH溶液滴入1 mL某中性溶液中后的pH（已知溫度為20 ℃，濃度為5%時(shí)，NaOH的密度約為1 g/mL）。因?yàn)镃（NaOH物質(zhì)的量濃度）=n（物質(zhì)的量）/v（溶液的體積），n（物質(zhì)的量）=NaOH的質(zhì)量/NaOH的相對(duì)分子質(zhì)量=1×1×5%/40=1.25 mol，所以NaOH溶液中的OH-的濃度C（OH-）為1.25（mol/L）。再由C（OH-）·V1=C（OH-）′·V2，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入得1.25×0.05（1滴）=C（OH-）′×1 mL，得到C（OH-）′=0.0625 mol/L，因?yàn)閜OH=-lg0.0625=1.2，所以pH=14-1.2=12.8。也就是說，向某中性溶液中滴加1滴5%NaOH溶液，該溶液的pH約為12.8。

由化學(xué)計(jì)算可知1滴5%HCl溶液或5%NaOH溶液滴入1 mL某中性溶液中，溶液的pH就會(huì)發(fā)生顯著的變化，達(dá)到pH對(duì)淀粉酶活性影響的實(shí)驗(yàn)中對(duì)pH的要求。因此，在pH對(duì)淀粉酶活性影響實(shí)驗(yàn)操作中，控制pH時(shí)只需要加入1滴HCl溶液或1滴NaOH溶液就可使酶永久失活。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

① 加酶液：取3支試管，編號(hào)，分別注入1 mL新鮮的淀粉酶溶液。② 調(diào)節(jié)pH：在1號(hào)試管中加入1滴體積分?jǐn)?shù)為5%的HCl溶液；2號(hào)試管中加入1滴蒸餾水；3號(hào)試管加入1滴5%的NaOH溶液。③ 測pH：用pH試紙測定pH，并記錄。④ 加底物：在1、2、3號(hào)試管中分別加入2 mL可溶性淀粉溶液，搖勻；均在60 ℃水浴中保溫5 min。⑤ 鑒別：將0.1 g/mL的NaOH溶液和0.05 g/mL的CuSO4溶液等量混合，制成斐林試劑；在1、2、3號(hào)試管中分別加入2 mL斐林試劑，50～60 ℃水浴加熱1 min。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）

3 研究結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，用1滴5%的HCl溶液或1滴5%的NaOH溶液處理的淀粉酶催化淀粉水解反應(yīng)后，用碘液檢測皆成深藍(lán)色，用斐林試劑檢測結(jié)果呈斐林試劑本色（藍(lán)色）。而蒸餾水中對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，滴加碘液不變色，滴加斐林試劑水浴后呈磚紅色。這說明1滴5%的HCl溶液和1滴5%的NaOH溶液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。

碘液鑒定淀粉的有效成分是I2，斐林試劑鑒定還原性糖的有效成分是Cu（OH）2。若反應(yīng)體系中NaOH量太多，會(huì)消耗掉體系中的I2；同樣若反應(yīng)體系中HCl太多，會(huì)消耗掉體系中的Cu（OH）2，造成對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤判。但是通過探究發(fā)現(xiàn)減少酸和堿的用量就可有效解決這個(gè)難題。

文獻(xiàn)資料雖然顯示，HCl處理（尤其是高溫條件下的HCl處理）會(huì)導(dǎo)致淀粉的水解，但筆者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在唾液淀粉酶（37℃）和α-淀粉酶（60℃）的最適溫度下，用5%的HCl溶液處理10 min并不會(huì)引起淀粉的明顯水解。可見淀粉水解是個(gè)緩慢的過程，而酶促反應(yīng)非常迅速，如果在反應(yīng)體系中大大減少鹽酸的用量，則淀粉的水解完全可以忽略不計(jì)。

綜上所述，高中生物實(shí)驗(yàn)中用少量HCl-NaOH溶液處理淀粉酶，探究pH對(duì)酶活性的影響可獲得理想的實(shí)驗(yàn)效果。