有關浙科版教材實驗中淀粉和碘液若干問題的釋疑

洪 波

(浙江省衢州高級中學 衢州 324006)

生物學是一門實驗學科，通過實驗教學培養學生科學思維、實驗探究等核心素養是實現生物學育人目標的重要手段。在浙科版生物學的必修和選修教材中，有多個實驗涉及了淀粉和碘液的使用，但都未作具體說明，筆者對相關問題進行分析、釋疑解惑。

1 在“探究酶的專一性”實驗中淀粉溶液為什么要溶解在0.3%的氯化鈉溶液中

分析相關資料發現，對于這個問題的理解主要有兩種觀點： 一種觀點認為，氯化鈉溶液可以阻止淀粉溶解度的降低。稀淀粉溶液冷卻后，線性分子重新排列并通過氫鍵結合成束狀結構，即不溶性晶體沉淀。濃的淀粉糊冷卻時，在有限的區域內，淀粉分子重新排列較快，線性分子締合，溶解度也會減小。淀粉溶解度減小的整個過程稱為老化。影響淀粉老化的因素有很多，如淀粉的種類(直鏈淀粉還是支鏈淀粉)、貯存的溫度、含水量、酸堿度、無機鹽種類等。有研究發現，NaCl溶液中的Na+和Cl-由于半徑較大、極性較強，對淀粉顆粒結構(主要是氧鍵的鍵合)破壞較明顯，從而促進淀粉顆粒在水溶液中的溶解，阻止淀粉溶液老化。

另一種觀點認為，氯化鈉是淀粉酶的激活劑。Na+對淀粉酶有激活作用。在0～0.25 mg/mL范圍內，Na+對淀粉酶的激活隨濃度的增加而增強，達到0.1 mg/mL時相對酶活性可達到116.23%。濃度在0.25～1.25 mg/mL時，相對酶活性基本穩定在同一水平[1]。王鏡巖主編的《生物化學》中也曾提到Cl-是唾液淀粉酶的激活劑[2]。但值得注意的是，在本實驗中所用到的唾液為稀釋了200倍的新鮮唾液，也就是說并不存在酶活性不夠的問題，氯化鈉作為酶的激活劑在此處難免牽強。綜上所述，筆者更贊同第一種觀點。

2 為什么淀粉指示劑是KI-I2

淀粉遇碘變色是因為溶于水的直鏈淀粉借助分子內的氫鍵卷曲成螺旋狀，碘液中的碘分子可以嵌入到螺旋結構的空隙處，并且借助范德華力與直鏈淀粉聯系在一起，形成了一種絡合物。這種絡合物能夠比較均勻地吸收除了藍光以外的其他可見光，從而使淀粉溶液呈現出藍色來。支鏈淀粉遇碘則呈現紫色或紫紅色。因此，碘是淀粉的指示劑。但是，碘在水中的溶解度很低，常溫下100 g的水中僅可溶解約0.02 g碘，配成的溶液溶解度很低，且溶液中的單質碘容易揮發，又導致溶液濃度的降低。加入KI后，發生可逆的離子反應：

3 KI-I2配制時KI為什么要過量

在選修1《生物技術實踐》的實驗6“α-淀粉酶的固定化及淀粉水解作用的檢測”中，5 mmol/L的KI-I2是在100 mL蒸餾水中完全溶解0.127 g I2和0.83 g KI配制而成的。通過化學計算不難看出，這樣的配制方法得到的溶液中I2的濃度是5 mmol/L，而KI的濃度則為50 mmol/L。KI的濃度明顯過量了，是不是錯了呢？

通過查閱《中華人民共和國國家標準》GB/T 601-2002，即化學試劑標準滴定溶液的制備中的第4.9.1條發現，在制備碘標準溶液C(1/2I2)=0.1 mol/L時，需要稱取13 g碘及35 g碘化鉀，溶于100 mL水中，稀釋至1 000 mL，搖勻，貯存于棕色瓶中。通過計算發現，在國家標準的KI-I2溶液配制中，I2的濃度是0.05 mol/L， KI的濃度為0.2 mol/L，即KI的濃度也是過量的。在KI-I2溶液中，與淀粉發生作用的是I2分子，KI的濃度并不會影響碘液的有效濃度，因此KI過量并非錯誤。為什么KI要過量呢？

4 能否使用KI-I2檢測pH對唾液淀粉酶活性的影響

教材中探究pH對酶活性影響的實驗用的是肝臟研磨液中的過氧化氫酶，很多學生都疑惑能否用方便易得的唾液淀粉酶代替呢？生物學的問題要到實驗中去尋求答案。學生通過設計實驗(表1)，對該問題進行了探究。理論上分析，1號和2號試管中的酶在酸性和堿性環境中都已失活，試管中的淀粉不會水解遇碘會變藍，3號試管的淀粉酶可以將試管中的淀粉水解，遇碘不變色。但實際的結果是： 1號試管變藍，2號試管無色，3號試管呈現碘液的顏色(圖1)。

表1 實驗記錄列表

圖1 用KI-I2檢測不同pH對唾液淀粉酶活性影響的實驗結果

為什么2號試管無色呢？難道淀粉被水解了？碘液的顏色怎么也褪去了？在查閱過資料后，我們得知原來I2會和NaOH發生如下反應：

2號試管中的唾液淀粉酶已經在堿性條件下失活，也就是說淀粉并未水解，但I2已經與NaOH反應產生了無色的NaI、 NaIO，便不會再和淀粉發生反應了，所以2號試管無色。依此原理分析可知，只要KI-I2過量，依然可以出現藍色。在查閱資料時，筆者還發現淀粉在酸性環境下也同樣可以發生水解反應，而這個反應在室溫下進行得很慢。據此學生又進行了如下的后續研究： 將1號試管進行80℃水浴加熱，觀察試管內溶液的顏色變化；在2號試管中繼續滴加KI-I2，直至出現顏色變化。結果顯示(圖2)，1號試管中出現了藍色沉淀，而上清液呈現出碘液的顏色。沉淀依然為藍色，說明沉淀的物質是淀粉，這是因為加熱會增加溶液內粒子的碰撞形成聚沉，同時酸性環境也會導致淀粉的老化。雖然淀粉會在酸性條件下水解，但由于反應條件和時間的限制，水解現象并不明顯。2號試管中并未水解的淀粉與過量的KI-I2反應出現了藍色。

圖2 1號試管加熱和2號試管KI-I2過量的實驗結果

綜上可知，如果用唾液淀粉酶來研究pH對酶活性的影響，酸性條件下淀粉會水解，干擾了酸會使酶失活的實驗現象，堿性條件下I2又會與NaOH反應，起不到檢測劑的作用。因此，用唾液淀粉酶和KI-I2做該實驗是不合適的。

生物學實驗課堂是培養學生核心素養的重要陣地。學生通過主動質疑、自主釋疑的過程發展科學思維能力，通過分析、借鑒他人研究成果的間接經驗及自主設計完成實驗獲取的直接經驗提升科學探究素養。與此同時獲得的成就感更激發了學生的學習興趣和內驅力。