“制備固定化酵母細(xì)胞”實(shí)驗(yàn)疑難探究與改進(jìn)

劉鐵華 趙倩

【摘要】 ?人教版選修1“制備固定化酵母細(xì)胞”是一個實(shí)驗(yàn)時間較長、實(shí)驗(yàn)成功率較低的疑難實(shí)驗(yàn)，按照教材給定的有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和方法制作凝膠珠時，易產(chǎn)生拖尾和上浮等問題。通過設(shè)置系列濃度梯度實(shí)驗(yàn)探究適宜的海藻酸鈉溶液濃度和CaCl2溶液濃度，以及自制簡易滴注裝置，使實(shí)驗(yàn)成功率明顯提高。

【關(guān)鍵詞】 ?實(shí)驗(yàn)疑難 凝膠珠 拖尾 上浮 改進(jìn)

【中圖分類號】 ?G633.8 ?? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 ?A?【文章編號】 ?1992-7711（2020）21-126-01

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制備固定化酵母細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)是去年高考考試說明“選修一”的新增考查內(nèi)容，因?qū)嶒?yàn)涉及到的細(xì)節(jié)較多，如計(jì)算、稱量、攪拌、配制和滴注等，在實(shí)驗(yàn)中獲得高質(zhì)量凝膠珠的成功率較低，而且完成實(shí)驗(yàn)耗時較長。通過以教材中所給的海藻酸鈉溶液以及CaCl2溶液配制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行濃度梯度的探究實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合自制簡易滴注裝置，使獲得的凝膠珠飽滿均勻而無拖尾現(xiàn)象。通過對部分實(shí)驗(yàn)操作的改進(jìn)，解決了凝膠珠內(nèi)部密度分布不均或密度過小導(dǎo)致在CaCl2溶液中上浮的問題。以下是針對本實(shí)驗(yàn)疑難問題所作的探析與改進(jìn)。

1.本實(shí)驗(yàn)的主要疑難點(diǎn)及原因分析

疑難點(diǎn)1：按照人教版高中生物選修一P50-51制作凝膠珠的方法滴注成形時易產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象

可能原因是：（1）預(yù)先配制的海藻酸鈉溶液的濃度偏高，粘稠度加大，導(dǎo)致拖尾;（2）CaCl2溶液濃度偏低，使凝膠珠的聚沉變慢，導(dǎo)致拖尾產(chǎn)生。（3）手推注射器的力度和速度難以均勻，產(chǎn)生的凝膠珠大小不一，使其下降分離的速度快慢不同，一般來說，分離速度慢的容易導(dǎo)致拖尾。

疑難點(diǎn)2：凝膠珠注入CaCl2溶液時容易上浮

可能原因是：（1）在酵母菌活化時，因發(fā)酵和攪拌產(chǎn)生了較多氣泡，被包埋在凝膠珠中，使凝膠珠的密度變小而上浮;（2）海藻酸鈉溶解不充分導(dǎo)致部分凝膠珠密度變小而上浮;（3）海藻酸鈉與酵母菌混合時攪拌方式不恰當(dāng)，如不按同一方向攪拌產(chǎn)生了較多氣泡混在材料中，使材料密度變小。

疑難點(diǎn)3：凝膠珠的大小不一

可能原因是：（1）手推注射器活塞的力度和速度不一致，導(dǎo)致凝膠珠的大小不一致。如果力度大、速度快，則產(chǎn)生的凝膠珠較大，反之，較小。（2）與海藻酸鈉溶液的濃度有關(guān)，濃度越大，粘柔度也越大，滴注時張力也越大，則產(chǎn)生的凝膠珠就越大。反之，越小。

2.本實(shí)驗(yàn)疑難問題的探究與改進(jìn)

2.1針對凝膠珠成形易產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象的探究與改進(jìn)

（1）在CaCl2溶液濃度（0.05mol/L）一定的情況下，遵循單一變量原則，通過設(shè)置系列海藻酸鈉溶液濃度梯度（從0.02g/mL至0.07g/mL）共6組進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，通過相互比較，得出6組海藻酸鈉溶液中，效果最佳的一組的濃度是0.05g/mL;（2）通過用90℃水浴加熱替代小火間斷加熱來溶化海藻酸鈉，可明顯減少水分的過度蒸發(fā)以避免海藻酸鈉溶液濃度的升高，同時也縮短了實(shí)驗(yàn)時間;（3）在海藻酸鈉溶液濃度（0.05g/mL）一定的情況下，遵循單一變量原則，通過設(shè)置系列CaCl2溶液濃度梯度（從0.02mol/L至0.20mol/L）共7組對比實(shí)驗(yàn)，通過相互比較，得出7組CaCl2溶液中，效果最佳一組的濃度為0.14mol/L

2.2針對凝膠注入CaCl2溶液后形成的凝膠珠容易上浮的問題改進(jìn)方法如下：

（1）通過對比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在30℃下水浴加熱活化酵母菌產(chǎn)生氣泡不明顯，且使活化時間縮短;（2）在其它條件相同的情況下，用90℃水浴加熱替代小火間斷加熱，能加速海藻酸鈉充分溶解，減少水分蒸發(fā)，減少氣泡產(chǎn)生;（3）將海藻酸鈉溶液與酵母菌混合時采取同方向攪拌，可減少氣泡產(chǎn)生。基于以上三種改進(jìn)，明顯減少了氣泡的產(chǎn)生，從而確保凝膠珠質(zhì)地均勻，且密度不易減小，從而解決了上浮的問題。

2.3針對凝膠珠大小不一的問題改進(jìn)如下

（1）在本實(shí)驗(yàn)中通過自制簡易滴注裝置，利用適當(dāng)重物（200g砝碼）均勻推動注射器活塞，從而減少手動操作導(dǎo)致力度和速度不均一的問題。（2）盡量將海藻酸鈉溶液混合均勻，使其密度均一，從而使凝膠珠在一定條件下大小一致。

3.實(shí)驗(yàn)器材

電子天平1臺、50ml燒杯1個、200ml燒杯1個、500ml燒杯1個、10ml量筒1個、200ml量筒1個、鐵架臺1個、石棉網(wǎng)1個、酒精燈1盞、火柴1盒、溫度計(jì)1支、玻璃棒2支、試管夾1個、藥匙2個、稱量紙10片、膠頭滴管1支、自制簡易滴注裝置1個（含10mL注射器、鐵架臺、200g砝碼、穩(wěn)定用品等）

4.實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)處理

4.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

由于酵母細(xì)胞的活化過程耗時較長，在實(shí)驗(yàn)前30分鐘按照教材要求將1g干酵母放入50mL小燒杯中，加入蒸餾水10mL，用玻璃棒攪拌成糊狀，使其活化備用。

4.2實(shí)驗(yàn)步驟

（1）配置0.14mol/L的CaCl2溶液：稱取無水CaCl22.33g（人教版選修1P50為0.83g），放入200mL燒杯中，加入150mL蒸餾水，用玻璃棒攪拌使其充分溶解，待用（約3分鐘）。在此期間，將配制好的海藻酸鈉溶液冷卻至室溫。

（2）配制海藻酸鈉溶液：稱取0.5g海藻酸鈉（人教版選修1P51為0.7g），放入50mL小燒杯中，加入10mL蒸餾水，90℃水浴加熱，用玻璃棒攪拌使其充分溶解（約5分鐘）;

（3）海藻酸鈉溶液與酵母細(xì)胞混合：在裝有溶化好的已冷卻至室溫的海藻酸鈉溶液的50mL小燒杯中，加入已預(yù)備好的酵母細(xì)胞活化液（10mL），用玻璃棒進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁蛊浠旌暇鶆颍s3分鐘）。

[ 參 ?考 ?文 ?獻(xiàn) ]

[1]朱正威，孫萬儒，趙占良.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書：生物：選修1生物技術(shù)實(shí)踐[M].北京：人民教育出版社，2007：50-51.

[2]朱正威，孫萬儒，趙占良.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書：生物：選修1生物技術(shù)實(shí)踐：教師教學(xué)用書.北京：人民教育出版社，2007：35-36.