利用手持技術定量探究溫度對酶活性的影響

李金月 李韶山

（1 華南師范大學生命科學學院 廣東廣州 510631 2 華南師范大學附屬中學 廣東廣州 510630）

《普通高中生物學課程標準 （2017年版）》提出生物學課程旨在提高學生的生物學學科素養，科學探究作為生物學核心素養之一， 更加凸顯科學探究的重要性。 課程標準中建議加強和完善生物學實驗教學， 在生物學教學過程中重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質。 教師應向學生提供機會學習量的測定， 實事求是地記錄、 整理和分析實驗數據、定量表述實驗結果［1］。

探究溫度對酶活性的影響是人教版高中生物學必修1 第5 章第1 節的一個探究實驗， 教材沒有提供具體的實驗方案， 而是通過問題和分析引導學生自主設計實驗，因此，本實驗是發展學生探究能力、提高學生科學素養的良好材料。 然而，在許多教學資料中， 將該實驗設計為驗證型的定性實驗， 例如記錄淀粉顏色反應由藍色到棕黃色的變色時間t，以1／t 反映淀粉酶的活性［2］，僅有少數設計為探究型的定量實驗。手持技術（handheld technology）是由數據采集器、傳感器和計算機及配套的軟件組成的定量采集數據的實驗技術系統，具有便捷、準確、實時、綜合和直觀等特點［3］。結合手持技術定量采集數據的優勢， 在觀察淀粉顏色反應的同時，采用色度傳感器進行定量檢測，實時生成圖表，為中學生物學實驗教學提供參考。

1 實驗設計

1.1 試劑選擇與用量 選擇淀粉和淀粉酶進行實驗，而不選擇過氧化氫和過氧化氫酶，因為加熱會促進過氧化氫分解，導致實驗中存在2 個變量。斐林試劑檢測還原糖需要加熱條件， 故不使用斐林試劑檢測產物量， 而使用碘液檢測剩余底物的量。在使用碘液檢測淀粉水解程度時，應將淀粉液冷卻至常溫后再加碘液， 在高溫條件下碘液不能檢測淀粉。因為淀粉是由α-葡萄糖組成的螺旋結構，可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，其中碘分子嵌入直鏈淀粉螺旋結構中心，形成淀粉-碘絡合物。 這種絡合物吸收除藍色以外的其他可見光， 因此使溶液呈現藍色。 高溫條件下， 淀粉螺旋結構被破壞，不能與碘分子形成絡合物，因此溶液不變藍，淀粉溶液在冷卻后螺旋結構恢復， 再加碘液可呈現 藍色［4］。

通過預實驗發現，常溫下在淀粉液中加入10 μL 碘液呈現淺藍色， 測得透光率為37.44，加入50 μL 碘液呈現深藍色， 測得透光率為1.35。為增加不同溫度下色度差別， 統一加入50 μL 碘液進行顯色反應。

1.2 溫度設置 學生根據生活經驗，認為唾液淀粉酶的最適溫度在37℃左右。 然而有些實驗方案僅設置0℃、60℃和100℃3 個溫度，60℃是工業淀粉酶的最適溫度，但對于唾液淀粉酶來說，這種溫度設置顯然不夠嚴謹。 通過冰浴和恒溫水浴設置溫度梯度0℃、20℃、40℃、60℃、80℃，更有利于學生探究溫度對酶活性的影響，更加科學嚴謹，符合學生的認知方式。

1.3 操作順序 在淀粉液與酶液混合前，應分別將其預熱至相對應的溫度， 混合后在相應溫度下保溫。如果僅將淀粉液保溫至相應的溫度，再加入常溫下的酶液， 短時間內溫度的變化會影響實驗結 果［5］。

1.4 定量檢測 通過檢測相同時間后剩余底物量或產物量， 出現相同底物量或產物量所需時間的差異可以達到定量檢測的目的。 本實驗通過淀粉和碘液的顯色反應檢測相同時間剩余底物量，碘液可使淀粉溶液變藍， 唾液淀粉酶催化淀粉水解，唾液淀粉酶的活性越高，淀粉水解程度越大，加入碘液后的顏色越淺，透光率越大。采用色度傳感器可以測得溶液的透光率， 進而定量反映唾液淀粉酶的活性。

2 探究教學流程

通過本探究實驗的設計與實施， 結合探究性教學，使學生體驗“提出問題—作出假設—設計實驗—進行實驗—分析結果—得出結論—反思評價—表達交流”等科學探究的一般過程和方法，進而發展學生的科學探究能力。

2.1 提出問題 聯系學生生活，創設問題情境。例如加酶洗衣粉的包裝袋上，為什么往往注明這種洗衣粉的適用溫度范圍？為什么發燒時會出現食欲不振、渾身乏力等癥狀？ 引導學生思考溫度與酶活性的關系，進而提出問題：你認為溫度和酶活性之間有什么關系，能用坐標圖的形式表示嗎？

2.2 作出假設 學生通過思考討論可能形成多種具體的假設和預測。學生預測實驗結果，并繪制預測的坐標圖。

2.3 設計實驗 教師通過問題引導學生進行實驗設計，例如實驗設計要遵循哪些原則？實驗自變量是什么？如何控制？實驗因變量是什么？如何檢測？如何排除無關變量的影響？如何設計實驗組或對照組？學生思考問題小組討論進行實驗設計，并由教師和學生共同完善實驗設計。

2.4 進行實驗 學生利用手持技術進行實驗，觀察實驗現象并記錄數據變化。 在分小組開展實驗的過程中通過分工合作完成實驗， 組間可看作重復實驗。

1）連接色度傳感器，數據采集器和計算機。

2）配制系列標準淀粉溶液，分別測定其色度（SD），根據公式A=2-lg（SD），計算得出吸光值（A），繪制“吸光值-淀粉濃度”標準曲線。

3）取5 支試管分別加入0.2%的淀粉液2 mL。另取6 支試管加入稀釋50 倍的唾液1 mL。

4）將淀粉液和唾液分別在0℃、20℃、40℃、60℃、80℃條件下保溫5 min。 再分別混合保溫20 min（表1）。

5）加碘液顯色，觀察并記錄顏色變化。

6）啟動色度傳感器，設置采集參數，采集數據。

7）根據標準曲線計算得出不同溫度下的淀粉含量，進一步計算得出淀粉水解速率，繪制“淀粉水解速率-溫度”曲線。

表1 溫度對唾液淀粉酶活性的影響實驗設計表

2.5 分析結果、得出結論 教師引導學生分析實驗結果與預期結果是否一致？ 不同小組間的實驗結果有哪些異同？哪些因素可能會造成實驗誤差？在實驗結果分析方面， 教師綜合各小組的實驗結果，通過問題引導學生從宏觀實驗現象、微觀實驗原理、 曲線變化趨勢多重表征的角度對實驗結果進行分析。

1）宏觀表征：實驗中有哪些明顯的現象，如何解釋？

本實驗中淀粉與碘液的顏色反應是可以觀察到的宏觀實驗現象。實驗中設置2 個對照組，對照組1 為稀碘液（3 mL 蒸餾水+50 μL 碘液）和對照組2（2 mL 淀粉液+1 mL 蒸餾水+50 μL 碘液）。從表2 可見，溫度在0℃和80℃條件下，溶液呈深藍色，溶液透光率與對照組2 接近，說明淀粉完全沒有水解， 唾液淀粉酶活性很低或失去活性。 溫度60℃時，溶液呈深紫色，說明淀粉僅部分水解，唾液淀粉酶活性較低。 溫度20℃和40℃條件下，溶液均呈淺黃色，說明唾液淀粉酶活性均較高，40℃條件下透光率更接近對照組1， 說明40℃更接近唾液淀粉酶的最適溫度。

表2 溫度對唾液淀粉酶活性的影響

2）曲線表征：如何解釋實驗曲線？

根據標準曲線方程（y=881.4x+2.55）計算不同溫度下的淀粉含量， 與純淀粉碘化鉀溶液相比計算淀粉水解速率， 用Excel 記錄數據后可自動生成坐標曲線（圖1）。 由曲線可以看出，唾液淀粉酶的最適溫度為40℃左右，這與人體的體溫37℃左右的條件相符。在不同溫度條件下，唾液淀粉酶的活性不同。 在最適溫度之前（0～37℃），溫度越高，淀粉水解速率越快，唾液淀粉酶的活性越高；超過最適溫度后（大于37℃），溫度越高，酶活性反而隨之下降。

圖1 溫度對唾液淀粉酶活性的影響

3）微觀表征：結合所學知識，如何解釋實驗原理？

根據已學知識， 學生根據酶的本質是蛋白質或RNA，絕大多數酶是蛋白質，分析得知溫度會影響蛋白質的結構，因而影響酶的活性。溫度過高時，蛋白質變性，即蛋白質的空間結構遭到破壞，酶失去活性。0℃左右時，酶的空間結構穩定，但酶的活性很低。

學生根據結果分析進一步得出結論， 并將結論應用于解釋探究問題和有關的生活情境。2.6 反思評價、表達交流 教師引導學生回顧探究的過程，對實驗過程進行反思和評價。例如對手持儀器的使用、實驗設計與實施、組內或組間的分工合作等方面。

采用色度傳感器測定淀粉與碘液顯色反應的色度，定量檢測相同時間后淀粉剩余量的差異，計算得出淀粉水解速率， 進而達到定量比較不同溫度條件下唾液淀粉酶活性的目的。 在學生探究性學習的基礎上，進行定量實驗，讓學生通過小組合作進行定量測定、記錄、整理和分析實驗數據，并繪制溫度對酶活性影響的曲線。 學生在體驗科學探究一般流程和方法的同時， 進一步深化對實驗相關原理和概念的理解， 在量的變化中了解科學的實證性等科學本質。 結合手持技術和多重表征教學模式開展中學生物學探究實驗教學有利于提高學生的科學素養， 手持技術在中學生物學教學中的應用有待進一步的實踐探索。