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《生物技術實踐》專題4《酶的研究與應用》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雜。按照教材提供的方法和步驟在一節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中的問題。通過對教學過程中相關問題的思考和反復實驗，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嗎？

教材第50頁中介紹：“一般來說，酶更適合采用化學結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合，而體積小的酶很容易從包埋材料中漏出。”關于這一點能否通過實驗進行驗證呢？在實驗教學中，我讓學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移入葡萄糖溶液進行發酵實驗時會出現發酵液變紅的現象。通過直觀的現象可以讓學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，而酵母菌發酵葡萄糖需要一段時間才會出現相應的產物。實驗不能在一節實驗課中完成。（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。但是發酵液中的葡萄糖同樣具有還原性，因此實驗結果的可信度不高。上述問題可以通過改變實驗材料來解決。在實驗教學中我讓學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，左側注射器內裝有過氧化氫溶液，右側注射器內為過氧化氫酶（固定化形成的凝膠珠或豬肝研磨液），當底物和酶接觸，反應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，充分反應后記錄注射器刻度。如圖2所示（左邊注射器內為游離酶催化過氧化氫的反應，右側注射器內為固定化酶催化過氧化氫的反應）。重復試驗分別記錄達到反應平衡（注射器相應刻度）所需要的時間。通過實驗發現利用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秒鐘即可達到反應平衡，而利用固定化的凝膠珠則需要2分18秒。通過實驗學生很容易得出固定化對酶促反應的影響。

3.固定化酶（細胞）可以反復利用嗎？

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后，將凝膠珠取出沖洗后再次重復實驗，可以證明固定化的過氧化氫酶是可以反復利用的。每次反應僅需要兩到三分鐘，并且實驗現象容易觀察和測量筆者認為其課堂教學的效果要優于固定化的酵母細胞。

三、結語

“科學探究”是高中生物學科核心素養的重要內容之一，而實驗教學是進行科學探究的重要手段。在實際教學中，實驗教學往往受教學條件、實驗器材、課時數量等的限制，開展一節實驗課費時費力，如果實驗課結束，實驗不成功，或者實驗效果不明顯，將會打擊學生學習的積極性，嚴重影響課堂教學效果。

改進后的實驗取材方便，可操作性強，用時短，實驗現象明顯，實驗結果容易測量，使固定化酶的催化反應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”實驗方法的優化[J].生物學教學，2015，40（3）：56-57.

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