pH對淀粉酶活性影響實驗的再探究

陳九云

1 探究背景

為迎接年度江蘇省基礎教育青年教師教學基本功大賽，筆者所在的縣級市對青年教師進行了選拔賽。本次比賽實驗設計與操作技能測試的內容是：利用提供的實驗材料（α-淀粉酶、可溶性淀粉溶液）和藥品，設計一個實驗“探究pH對酶活性的影響”。筆者觀察到，老師們拿到課題的第一反應是：“這個實驗不好做！”在迫不得已的情況下，參賽教師設計并操作了如下的實驗（表1）。

實驗結果是1號試管中溶液不變藍，這與實驗預期不相符。因此參賽教師都認為，不能用所給材料“探究pH對淀粉酶活性的影響”。

筆者逐一對這些教師進行訪談，詳細了解這些一線教師對本實驗的一些看法，具體如下：（1） 堿性條件下，碘液不可用于淀粉的檢測。因為碘會與NaOH反應，產生無色的碘化鈉和次碘化鈉，失去作為檢測試劑的功能，影響對實驗結果的判斷。（2） 酸性條件下，斐林試劑不可用于檢測還原糖。因為斐林試劑的有效成分Cu（OH）2可與HCl反應生成CuCl2，使斐林試劑失去鑒定作用。另外，斐林試劑鑒定還原糖時對溫度的要求（50～60℃）也會影響到酶的活性。（3） 酸性條件下淀粉會水解，尤其是高溫條件下，水解速度會加快，影響實驗結果。這三種看法可從理論上解釋參賽老師設計的實驗無法獲得預期現象的原因。

但是筆者注意到：在上述實驗中，質量分數為5%的NaOH溶液和體積分數為5%的HCl溶液用量均達到了2 mL，而整個反應體系的總量約為5 mL。如此多的酸堿用量會不會是影響實驗的關鍵呢？能不能通過降低鹽酸和氫氧化鈉的用量來優化實驗設計呢？筆者從化學計算和實驗驗證兩個方面進行了探究。

2 探究方法

2.1 化學計算溶液的pH

計算1滴體積分數為5%的HCl溶液滴入1 mL某中性溶液中，溶液的pH變為多少？

先計算1 L體積分數為5%的HCl溶液中H+的濃度是多少？

已知溫度為20℃，濃度為5%時，鹽酸的密度為1.023 g/mL，由于C（HCl物質的量濃度）=n（HCl物質的量）/v（溶液的體積），n（HCl物質的量）=HCl的質量/HCl的相對分子質量=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。

再計算1滴體積分數為5%的HCl溶液滴入1 mL某中性溶液后，H+的濃度是多少？

根據C（H+）·V1=C（H+）′·V2計算（1滴約為0.05ml，滴入后溶液體積的變化忽略不計），將相關數據代入后得到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。

同理計算1滴質量分數為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，NaOH的密度約為1 g/mL）。因為C（NaOH物質的量濃度）=n（物質的量）/v（溶液的體積），n（物質的量）=NaOH的質量/NaOH的相對分子質量=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，將相關數據代入得1.25×0.05（1滴）=C（OH-）′×1 mL，得到C（OH-）′=0.0625 mol/L，因為pOH=-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。

由化學計算可知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就會發生顯著的變化，達到pH對淀粉酶活性影響的實驗中對pH的要求。因此，在pH對淀粉酶活性影響實驗操作中，控制pH時只需要加入1滴HCl溶液或1滴NaOH溶液就可使酶永久失活。

2.2 實驗驗證

2.2.1 實驗步驟

① 加酶液：取3支試管，編號，分別注入1 mL新鮮的淀粉酶溶液。② 調節pH：在1號試管中加入1滴體積分數為5%的HCl溶液；2號試管中加入1滴蒸餾水；3號試管加入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 實驗結果（表2）

3 研究結果及分析

實驗結果顯示，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后，用碘液檢測皆成深藍色，用斐林試劑檢測結果呈斐林試劑本色（藍色）。而蒸餾水中對照實驗結果顯示，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。若反應體系中NaOH量太多，會消耗掉體系中的I2；同樣若反應體系中HCl太多，會消耗掉體系中的Cu（OH）2，造成對實驗結果的誤判。但是通過探究發現減少酸和堿的用量就可有效解決這個難題。

文獻資料雖然顯示，HCl處理（尤其是高溫條件下的HCl處理）會導致淀粉的水解，但筆者通過實驗發現：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并不會引起淀粉的明顯水解。可見淀粉水解是個緩慢的過程，而酶促反應非常迅速，如果在反應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。

綜上所述，高中生物實驗中用少量HCl-NaOH溶液處理淀粉酶，探究pH對酶活性的影響可獲得理想的實驗效果。