用血糖儀法改進“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗

胡桂平 余 芳 潘 陽

(江西師范大學生命科學學院 南昌 330022)

測量是一項科學研究過程的重要技能。高中生物學教材中都充分體現科學探究的思想。但從目前教材的生物學實驗設置來看，大多數是以定性為主，定量探究性實驗較少。基于學習進階設計以提高學生生物科學素養的思路，本文采用血糖儀法，進行“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗的改進。

1 實驗基本分析及相關改進

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是高中生物學教材中經典的實驗。該實驗在知識方面要求達到理解水平，能力方面要能設計和實施探究酵母菌的呼吸方式實驗，通過實驗探討酵母菌在有氧和無氧條件下選擇不同的細胞呼吸方式以及反應產物的差異。

人教版教材中對該實驗的設計體現了典型的科學探究思路，而且實驗設計環節的參考資料可操作性較強。特別是對CO2和酒精的定性檢測，更體現探究的科學性。但是，在實踐中也存在著一些困難： 如耗時較長，實驗中有氧與無氧難以把握，實驗器材多而且較大，藥品用量較多等。為此，有許多教師對該實驗進行了不同程度的改進： ①葉麗培[1]、方金艷[2]等通過反復實驗后，進行課前活化酵母菌、澄清石灰水檢驗CO2和酒精鑒定實驗時間設定等方面的改進；②謝明桂[3]則通過使用注射器嚴格控制氧氣有無和對酵母菌進行提前活化，從而有效地縮短了實驗時間，達到減量、簡化實驗，實現了實驗隨堂化的目的。但是，學生還是缺乏對細胞呼吸原理的深刻認識。③鄧金霞等[4]運用綜合理科的方法，將生物學中的細胞呼吸、化學中的原電池及物理中的電學等知識點聯系起來，設計一種簡單可行的檢測細胞呼吸的“沉積物電池組”，進而幫助學生更深刻地理解細胞呼吸原理及其應用。但從科學探究的角度來看，缺少科學定量探究的成分。④俞如旺等[5]利用分光光度計測定OD值來分別檢測有氧呼吸和無氧呼吸所產生CO2的量，實現了科學探究從定性到定量化的轉變。但是，分光光度計價格較貴，操作也比較復雜。

2 對該實驗定量探究的改進

2.1 實驗改進的原理 酵母菌是一種兼性厭氧菌，可進行有氧、無氧兩種細胞呼吸方式。通過測定一定時間內酵母菌分解反應物葡萄糖的量，可以分別計算出酵母菌在有氧或無氧條件下進行細胞呼吸的速率。

血糖儀(GA-3型)的工作原理屬于電化學法，葡萄糖濃度測試范圍為1.1mmol/L～33.3mmol/L，測量誤差在±20%之內。因此，能較精確地測量酵母菌培養液中葡萄糖的濃度值，通過檢測反應物葡萄糖的濃度變化，可計算出該反應條件下有氧或無氧呼吸的速率。

2.2 實驗用品的選擇 ①實驗材料： 安琪高活性干酵母、無水葡萄糖；②實驗用具： 血糖儀(GA-3型)、血糖儀試紙條、10mL注射器若干支、試管、試管架、軟橡膠塞、水浴鍋、膠頭滴管、燒杯、標簽紙、玻璃棒、電子天平(稱量紙)。

2.3 實驗的定量探究 ①制備酵母菌液： 配制10%葡萄糖溶液100mL；將其置于35℃水浴鍋中進行預熱；秤取10g干酵母，加入預熱的葡萄糖溶液，混勻，活化4～7min。②測定初始葡萄糖濃度： 活化液用蒸餾水稀釋10倍；血糖儀測定葡萄糖濃度值。③有氧、無氧分組實驗： 分別用3支注射器抽取5mL活化酵母的葡萄糖液，將針頭插入橡膠塞進行密封(無氧呼吸組)；同時，分別用注射器吸取等量(5mL)的活化酵母葡萄糖液注入3支編號的試管中(有氧呼吸組)；將上述注射器與試管同時放置于35℃水浴鍋，水浴加熱，并記錄時間。注意及時觀察實驗裝置，排放注射器內產生的氣體，防止活塞噴射出。有氧組需要震蕩試管，使得空氣與酵母菌液充分接觸。還應注意安全使用注射器、提高操作速度與小組默契配合度。④葡萄糖濃度測定： 操作方法同初始葡萄糖濃度的測定，記錄數據(表1)。

表1 酵母菌不同細胞呼吸方式下的葡萄糖濃度值

(條件： 35℃下，1g干酵母/10mL葡萄糖溶液，質量分數10%葡萄糖)

2.4 實驗結果與結論 根據實驗數據求平均值得到表1數據；再分別計算有氧呼吸、無氧呼吸的反應速率，得到表2。

表2 酵母菌不同細胞呼吸方式下分解葡萄糖的反應速率

(條件： 35℃下，1g干酵母/10mL葡萄糖溶液，質量分數10%葡萄糖)

其中，有氧或無氧呼吸的反應速率計算公式如下： 0～15min呼吸速率(有氧/無氧)=(初始濃度值-有氧/無氧1濃度值)/15；16～30min呼吸速率(有氧/無氧)=(有氧/無氧1濃度值-有氧/無氧2濃度值)/15。

依據表1、表2的數據分析，可以發現： 相同時間段(等時)，有氧呼吸的葡萄糖消耗速率大于無氧呼吸的葡萄糖消耗速率；無論是有氧呼吸還是無氧呼吸，16～30min時段細胞呼吸消耗的葡萄糖速率要大于0～15min時間段的速率。

由此可以說明，在一定時間范圍內，酵母菌進行有氧呼吸時消耗的葡萄糖比無氧呼吸的要多，即酵母菌細胞的有氧呼吸強度大于無氧呼吸的強度；在適宜的條件下，無論是有氧還是無氧呼吸，酵母菌細胞的初期代謝速率都會一定程度地增加，這更進一步說明酵母菌為什么要活化的原因。

3 思考與討論

血糖儀測定葡萄糖含量的原理是葡萄糖與含有葡糖糖酶和氰鐵化物的試紙接觸后產生一個小電流，電流通過血糖儀測定，并顯示相應數值。因此，血糖儀檢測血糖具有快速簡便、操作簡單、樣品用量少的優點。相關研究表明，血糖儀法與辣根過氧化物酶法、大豆種皮過氧化物酶法等方法測得的血糖值無顯著差異[6]。近年來，也有專家使用血糖儀法，對不同酒質、不同米質、不同禽蛋中和不同豆類中的葡萄糖含量測定。因此，使用血糖儀法進行“探究酵母菌細胞呼吸的方式”的定量探究實驗改進是科學、合理的。

但是，根據學習進階的設計原則，教師在開展“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗教學時，應該注意學生的能力基礎和探究的層次性，將課堂討論探究與課后實踐拓展有機結合[7]，做到定性檢測與定量探究協調統一，從而有效培養學生的生物學核心素養。