有關(guān)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(xué) 衢州 324006)

生物學(xué)是一門實驗學(xué)科，通過實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、實驗探究等核心素養(yǎng)是實現(xiàn)生物學(xué)育人目標(biāo)的重要手段。在浙科版生物學(xué)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(guān)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(guān)資料發(fā)現(xiàn)，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(jié)合成束狀結(jié)構(gòu)，即不溶性晶體沉淀。濃的淀粉糊冷卻時，在有限的區(qū)域內(nèi)，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(fā)現(xiàn)，NaCl溶液中的Na+和Cl-由于半徑較大、極性較強，對淀粉顆粒結(jié)構(gòu)(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(nèi)，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(wěn)定在同一水平[1]。王鏡巖主編的《生物化學(xué)》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(nèi)的氫鍵卷曲成螺旋狀，碘液中的碘分子可以嵌入到螺旋結(jié)構(gòu)的空隙處，并且借助范德華力與直鏈淀粉聯(lián)系在一起，形成了一種絡(luò)合物。這種絡(luò)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(xiàn)出藍色來。支鏈淀粉遇碘則呈現(xiàn)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(zhì)碘容易揮發(fā)，又導(dǎo)致溶液濃度的降低。加入KI后，發(fā)生可逆的離子反應(yīng)：

3 KI-I2配制時KI為什么要過量

在選修1《生物技術(shù)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)》GB/T 601-2002，即化學(xué)試劑標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的制備中的第4.9.1條發(fā)現(xiàn)，在制備碘標(biāo)準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)，在國家標(biāo)準(zhǔn)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(fā)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(xué)生都疑惑能否用方便易得的唾液淀粉酶代替呢？生物學(xué)的問題要到實驗中去尋求答案。學(xué)生通過設(shè)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(huán)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(jié)果是： 1號試管變藍，2號試管無色，3號試管呈現(xiàn)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(jié)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(fā)生如下反應(yīng)：

2號試管中的唾液淀粉酶已經(jīng)在堿性條件下失活，也就是說淀粉并未水解，但I2已經(jīng)與NaOH反應(yīng)產(chǎn)生了無色的NaI、 NaIO，便不會再和淀粉發(fā)生反應(yīng)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(xiàn)藍色。在查閱資料時，筆者還發(fā)現(xiàn)淀粉在酸性環(huán)境下也同樣可以發(fā)生水解反應(yīng)，而這個反應(yīng)在室溫下進行得很慢。據(jù)此學(xué)生又進行了如下的后續(xù)研究： 將1號試管進行80℃水浴加熱，觀察試管內(nèi)溶液的顏色變化；在2號試管中繼續(xù)滴加KI-I2，直至出現(xiàn)顏色變化。結(jié)果顯示(圖2)，1號試管中出現(xiàn)了藍色沉淀，而上清液呈現(xiàn)出碘液的顏色。沉淀依然為藍色，說明沉淀的物質(zhì)是淀粉，這是因為加熱會增加溶液內(nèi)粒子的碰撞形成聚沉，同時酸性環(huán)境也會導(dǎo)致淀粉的老化。雖然淀粉會在酸性條件下水解，但由于反應(yīng)條件和時間的限制，水解現(xiàn)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(yīng)出現(xiàn)了藍色。

圖2 1號試管加熱和2號試管KI-I2過量的實驗結(jié)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(xiàn)象，堿性條件下I2又會與NaOH反應(yīng)，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(xué)實驗課堂是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要陣地。學(xué)生通過主動質(zhì)疑、自主釋疑的過程發(fā)展科學(xué)思維能力，通過分析、借鑒他人研究成果的間接經(jīng)驗及自主設(shè)計完成實驗獲取的直接經(jīng)驗提升科學(xué)探究素養(yǎng)。與此同時獲得的成就感更激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和內(nèi)驅(qū)力。