多功能酵母培養實驗裝置的設計及教學應用

王姝妍 李建宏

摘要 描述了模擬微生物連續培養的裝置。通過止水夾調控不同回路，使該裝置可以模擬有氧、無氧發酵以及連續培養3種培養方式，并可同時檢測發酵過程中CO2的產生和發酵產物的變化，探尋酵母的不同代謝過程。通過該裝置實驗運行結果的分析，可進一步加深對酵母呼吸代謝相關知識點的認識，以及酵母培養在生產實踐中運用的理解。該裝置材料易得，操作簡捷，實驗現象明顯，適用于實驗教學。

關鍵詞 酵母 連續培養裝置 呼吸作用 酒精發酵 CO2

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

“探究酵母細胞的呼吸方式”實驗是高中生物學《必修1·分子與細胞》的內容。通過該實驗，學生了解了酵母細胞的兼性厭氧特性：在有氧氣存在的情況下進行需氧呼吸，迅速產生二氧化碳;在氧氣缺乏的情況下進行厭氧發酵，緩慢產生CO2并產生乙醇。在2004年版高中生物學教材中，另一個與酵母相關的實驗是《選修1·生物技術實踐》中的“酵母細胞的固定化”。這一實驗的內容旨在讓學生了解固定化細胞技術與其生產應用。針對上述涉及酵母細胞的實驗，筆者設計了一款多功能的實驗裝置。該簡易裝置可實現以下功能：作為酵母細胞厭氧發酵裝置、作為酵母細胞有氧呼吸裝置、以及作為酒精工業生產的連續培養裝置。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出以學科大概念為核心，培養學生的科學探究能力和社會責任感。該裝置在教學中的使用可以促進學生實現相關知識點的融會貫通，并進一步了解酵母細胞培養在生產實踐中的應用。下面就該裝置的設計和搭建以及其在教學中的應用展開討論。

1裝置設計

1.1器材和試劑

器材：錐形瓶、燒杯、燒瓶、硬紙箱/泡沫箱、玻璃導管、橡膠塞、橡皮管、止水夾、希爾球、磁力攪拌器。

試劑：干酵母粉、海藻酸鈉、無水CaCl2、質量分數為10%的葡萄糖溶液、質量分數為10%的NaOH溶液、澄清石灰水、石蠟。

1.2設計思路實驗裝置如圖1所示。通過止水夾對裝置進行調

整，可以實現3個不同的功能（表1）：1酵母細胞厭氧發酵裝置：關閉磁力攪拌器，夾緊止水夾a和止水夾c，打開止水夾b，就能營造一個無氧的密閉發酵環境。2酵母細胞有氧呼吸裝置：關閉磁力攪拌器，夾緊止水夾a，打開止水夾b和止水夾c，在錐形瓶D的橡膠塞上插入臨時玻璃導管，利用洗耳球不斷向導管吹入空氣，就能營造一個有氧呼吸環境。此時錐形瓶D中的溶液是質量分數為10%的NaOH溶液，除去吹入空氣中的CO2，保證了實驗的嚴謹性。3酒精工業生產的連續培養裝置：酒精工業生產中，往往采用連續培養的體系，且與固定化酵母細胞配合。夾緊止水夾b，打開止水夾a和止水夾c，打開磁力攪拌器。利用虹吸原理可使錐形瓶D中質量分數為10%的葡萄糖溶液不斷流入錐形瓶B中，而發酵產品則同時流入容器A中。這樣就能模擬酒精工業生產中的連續培養體系。酵母細胞在錐形瓶B中厭氧發酵產生酒精，產物收集在容器A中。

2裝置搭建

首先準備2個500mL錐形瓶，2個500mL燒杯（或1個500mL燒杯，1個500mL燒瓶），清洗干凈。將制備好的酵母細胞凝膠珠用清水沖洗2或3次。接著，根據實驗需要向錐形瓶中倒入質量分數為10%的葡萄糖溶液或質量分數為10%的NaOH溶液約300mL，向裝有葡萄糖溶液的錐形瓶中倒入約30粒凝膠珠并放入磁子。用橡膠塞密封兩個錐形瓶瓶口。向一個燒杯中倒入澄清石灰水約150mL。隨后，利用玻璃導管和橡皮管將裝置聯通，并將止水夾夾在特定的位置。最后采用硬紙箱或泡沫箱調整裝置高度。

3裝置運行實驗

3.1材料準備

1制備酵母細胞凝膠珠：稱取0.83g無水CaCl2粉末，溶于150mL水中，得到物質量濃度為0.05mol/L的CaCl2溶液。稱取0.7g海藻酸鈉，溶于10mL水中，在60°C的水浴加熱條件下攪拌至成為糊狀，用蒸餾水定容至10mL，冷卻至室溫，得到海藻酸鈉懸液。將海藻酸鈉懸液和酵母細胞懸液均勻混合后吸入注射器，以恒定速度滴入CaCl2溶液中，得到酵母細胞凝膠珠。

2制備質量分數均為10%的葡萄糖溶液和NaOH溶液。

3制備澄清石灰水：用藥匙取少量的生石灰固體于燒杯中，加水后攪拌使之溶解。過濾即得到澄清石灰水。

4制備酸性重鉻酸鉀溶液用于發酵產物酒精的檢測。

3.2探究酵母細胞的呼吸方式

1當探究酵母細胞的有氧呼吸時，關閉磁力攪拌器，夾緊止水夾a，打開止水夾b和止水夾c，在錐形瓶D橡膠塞上插入臨時玻璃導管。此時，錐形瓶D中液體為質量分數為10%的NaOH溶液。利用洗耳球向臨時導管中吹入空氣。酵母細胞在錐形瓶B中進行有氧呼吸，迅速產生CO2，使燒杯C中的澄清石灰水變渾濁。

2當探究酵母細胞厭氧發酵時，關閉磁力攪拌器，夾緊止水夾a和止水夾c，打開止水夾b，酵母細胞在錐形瓶B中進行厭氧發酵，產生乙醇，并緩慢產生CO2，使得燒杯C中的澄清石灰水輕微變渾濁。為了達到更好的密封效果，可在錐形瓶B溶液液面鋪一層石蠟。

3.3酒精工業生產的連續培養裝置

夾緊止水夾b，打開止水夾a和止水夾c，打開磁力攪拌器。此時錐形瓶D中為質量分數為10%葡萄糖溶液。利用洗耳球在容器A導管中抽氣，直到錐形瓶D中的溶液不斷流入錐形瓶B的錐形瓶中，而發酵產品則同時流入容器A中。打開止水夾b，可觀察到澄清石灰水變渾濁。為了達到更好的密封效果，可在錐形瓶B溶液液面鋪一層石蠟。

4總結討論

固定化細胞是中學中熟知的實驗，但大部分人對于固定化酵母細胞的實際運用卻所知甚少。在發酵生產乙醇過程中，由于酵母對于細胞是有毒害作用的物質，伴隨發酵過程的進展，發酵液中乙醇濃度不斷升高，就會毒害酵母，限制發酵過程。只有從發酵液中不斷移除已產生的乙醇，才能進一步發酵。用固定化細胞進行連續培養，既可以使含高濃度乙醇的發酵液持續流出，新鮮的發酵液流入發酵容器，同時酵母細胞又可完全保留在發酵容器中，維持高細胞濃度，獲得較高的產率。本實驗就是基于這一生產原理，設計搭建了這一實驗裝置。

該多功能裝置既可運用于新知識教學，又可運用于復習課中。在開展教學前，教師可根據需要錄制裝置的組裝視頻以輔助教學。以往學生在學習“探究酵母細胞呼吸方式”與“固定化酵母細胞”的知識點時，常常難以將其與實際工業生產進行聯系。利用本裝置中的“酒精工業生產的連續培養裝置”，教師可以引導學生深入探索酒精的工業生產過程。首先，酒精工業生產過程既涉及到酵母細胞的有氧呼吸，用于酵母細胞的大量增殖，亦涉及到厭氧發酵，用于酒精的轉化。在對比單個酵母細胞兩種呼吸方式時，教材中使用“產生大量CO2”和“產生少量CO2”分別形容有氧呼吸和厭氧發酵。然而，根據巴斯德效應，酵母細胞的糖發酵會為氧氣所抑制。因此，結合生產，教師可啟發學生思考：“酵母有氧呼吸產生的CO2是否一定多于厭氧發酵？”。其次，固定化細胞與連續培養體系的結合在酒精的工業生產中具有十分重要的意義。在連續培養中，游離酵母細胞因產物流出而導致密度下降，而固定化酵母細胞在發酵中能維持較大細胞密度;固定化酵母細胞相比于游離酵母細胞對酒精產物脅迫的耐受性更強。最后，酒精除了與食品工業相關，還是重要的化工原料和代用燃料。教師可借此背景進一步引領學生體會微生物與人類生活的聯系，生物技術與人類生產的聯系。

參考文獻：

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