魚類脂肪酸提取及甲酯化虛擬仿真實驗教學

王少琴　胡松

[摘 要] 魚類脂肪酸數據測定在魚類營養學及水生生態系統中具有重要作用。鑒于在魚類脂肪酸實驗教學中大量的重復有機化學實驗會導致實驗耗材的大量損耗，且危及學生的人身安全，因此采用虛擬仿真方法建設魚類脂肪酸提取及甲酯化操作過程，促進教學過程中原理與操作相結合，增強教學過程中學生的興趣和實際操作的可觀性。

[關鍵詞] 虛擬仿真;脂肪酸提取;脂肪酸甲酯化

[基金項目] 2019年度上海海洋大學一流本科實踐教學平臺建設項目“魚類脂肪酸提取及甲酯化虛擬仿真實驗”（A1-2023-18-0003）

[作者簡介] 王少琴（1990—），女，安徽安慶人，上海海洋大學海洋科學學院工程師，主要從事魚類攝食生態學研究;胡 松（1978—），男，安徽祁門人，上海海洋大學海洋科學學院副院長（通信作者），主要從事物理海洋學研究。

[中圖分類號] G642.41 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）04-0152-04 [收稿日期] 2021-06-14

一、問題的提出

脂肪酸是由碳、氫、氧三種元素組成的一類有機物，是中性脂肪、磷脂和糖脂的主要成分。脂肪酸根據碳氫鏈飽和與不飽和可分為三類，即飽和脂肪酸（saturated fatty acids，SFA），碳氫上沒有不飽和鍵;單不飽和脂肪酸（Monounsaturated fatty acids，MUFA），碳氫鏈有一個不飽和鍵;多不飽和脂肪（Polyunsaturated fatty acids，PUFA），碳氫鏈有兩個或兩個以上不飽和鍵。營養學和生物臨床醫學研究認為，脂肪酸在維持人體健康方面具有重要作用，尤其是多不飽和脂肪酸，能夠保持細胞膜的相對流動性，以保證細胞的正常生理功能;使膽固醇酯化，降低血中的膽固醇和甘油三酯;降低血液黏稠度，改善血液微循環;提高腦細胞活性，增強記憶力和思維能力[1，2]。

魚油中含有較豐富的多不飽和脂肪酸，如我們平時說的二十二碳六烯酸和二十碳五烯酸（DHA和EPA）。因此，研究魚類脂肪酸含量，一方面有助于評估魚類的營養價值[3，4];另一方面了解魚類脂肪酸含量有助于研究魚類的攝食狀況，進而了解其在水生生態系統方面的重大作用[5]。由于魚類脂肪酸提取和甲酯化實驗過程操作復雜，需要用到大量的有機化學試劑，在教學過程中實驗耗時長（一個實驗過程要2～3天才能完成），實驗耗材和試劑損耗量大，且具有一定的危險性，因此傳統教學無法滿足每個學生都進行魚類脂肪酸測定實驗的操作需求。虛擬仿真實驗教學是通過動畫與計算機模擬，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象;因此，虛擬仿真實驗教學降低了實驗安全風險和實驗成本[6，7]。虛擬仿真實驗已經成功應用于多領域的教學實踐中，如環境復雜多變的物理海洋學實踐教學[8，9]。本實驗將魚類脂肪酸提取及甲酯化操作步驟以虛擬仿真建設呈現出來，旨在讓學生了解魚類脂肪酸提取和甲酯化原理，學習脂肪酸的提取方法，熟練脂肪酸甲酯化步驟。

上海海洋大學的海洋資源與環境專業學生主要學習生物學、水域環境學的基本理論，掌握生物資源調查評價、增殖與保護、海洋環境監測與評價、海洋與漁業管理等方面的基本知識和技能，接受有關生物學和化學的實驗技能、生物資源增殖、資源與環境調查實踐性環節、計算機應用能力等方面的訓練，使學生具有生物資源調查評價、增殖保護、海洋環境監測與保護、海洋與漁業管理等方面的基本能力和素質。在培養人才過程中，“漁業資源生物學”“海洋生物學”“海洋生態學”“魚類硬組織分析方法與數據應用”“海洋環境生態學”“海洋生物化學”和“海洋生物地球化學”等課程均需要進行脂肪酸的提取，要求學生熟練掌握脂肪酸甲酯化步驟。

二、魚類脂肪酸提取及甲酯化實驗目的和設計原理

實驗目的：魚類脂肪酸提取及甲酯化虛擬仿真實驗的主要設計目標是滿足海洋資源與環境等本科專業實驗教學以及部分研究生課程教學的需要，是對相關專業理論教學的補充。虛擬仿真實驗設計以更加生動及感知的呈現方式，使學生對真實理論與虛擬對象進行自由交互，了解魚類脂肪酸提取和甲酯化原理，學習脂肪酸的提取方法，熟練脂肪酸甲酯化步驟，達到探索學習、協同學習的目的，使其能夠獲得真實的體驗。

設計原理：鑒于脂肪酸的沸點高、高溫下不穩定易裂解、分析中易造成損失的特性，對脂肪酸進行組分分析時，先將脂肪酸與甲醇反應，制備脂肪酸甲酯，降低沸點，提高穩定性，然后進行氣相色譜分析。本實驗利用三氯甲烷-甲醇法提取脂肪酸，然后用三氟化硼甲醇法將脂肪酸進行甲酯化。

三氯甲烷-甲醇法提取脂肪酸的實驗原理：脂肪是甘油和脂肪酸組成的脂類化合物，能溶于脂質;根據相似相溶原理，選擇三氯甲烷-甲醇溶液溶解有機物組織中的脂類物質，從而分離出粗脂肪，再利用氫氧化鉀-甲醇溶液脫去甘油，生成脂肪酸。

三氟化硼甲醇法進行脂肪酸甲酯化的原理：由于脂肪酸不容易氣化，因此測定時須先進行甲酯化以降低沸點。利用三氟化硼甲醇溶液作為催化劑，可加速脂肪酸甲酯化反應。

三、魚類脂肪酸甲酯化虛擬仿真建設過程

魚類脂肪酸提取及甲酯化虛擬仿真實驗主要依托上海海洋大學國家遠洋漁業工程技術研究中心、大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室及海洋科學與技術教學示范中心等實體教學和科研平臺，以魚類營養學和攝食生態學研究專業為背景，借助現代化計算機和物聯網等技術，實現對魚類脂肪酸提取和甲酯化真實過程進行虛擬化呈現，達到虛實結合和相互補充的學習效果。

（一）建設模塊

本虛擬仿真項目包含四個基本模塊：實驗目的、實驗原理、課后鞏固和實驗步驟。具體模塊界面如圖1所示。

1.操作前準備。實驗開始前，呈現本實驗所需所有化學試劑、耗材、電子天平和高速冷凍離心機等小型儀器設備，以及準備好已經冷凍干燥并磨成粉末狀的魚類肌肉組織樣本。虛擬仿真實驗設置鼠標放置在試劑和耗材圖標上，就能顯示該試劑或耗材的專業名稱以及在本次實驗中的作用，使學生深刻認識本實驗過程，加深對實驗原理的理解。

2.實驗過程。（1）脂肪提取。打開天平電源開關，打開天平，放置稱量紙，關閉天平，按去皮。打開天平，用稱量勺取適量粉末于稱量紙中，關閉天平，讀數，待天平顯示數字穩定時再打開天平，將稱量紙中的粉末倒至離心管中，貼好標簽。用移液槍取配置好的適量三氯甲烷-甲醇溶液，加入裝有粉末的離心管中，輕輕搖晃均勻并靜置，待20小時以后再進入下一步操作。樣品靜置以充分溶解肌肉組織中的總脂后，此時脂肪酸溶解于三氯甲烷-甲醇溶液中，須離心提取上清液。具體操作是：打開冷凍離心機開關，調節轉速至5000，調節時間為10分鐘，打開離心機上蓋，將浸泡的樣品放入冷凍離心機中，點擊開始按鈕進行冷凍離心。待離心完成后，打開離心機，取出離心管，將上清液倒入干凈的離心管中。用移液槍取適量提前配置好的0.9%的氯化鈉溶液于上清液中，靜置約2小時后出現化學分層，用移液槍取下層溶液于干燥的圓底燒瓶中。將圓底燒瓶放置于氮吹儀平板上，打開氮吹儀氣閥，打開壓力閥，進行氮吹蒸發，約1小時后吹干，得到圓底燒瓶底部黃色部分，即為總脂。（2）脂肪酸甲酯化。在圓底燒瓶中加入適量已經配置好的氫氧化鉀-甲醇溶液，充分搖勻后，用夾子夾住圓底燒瓶連接水域回流裝置（水域回流裝置由水浴鍋、冷凝管和導水管組成，冷凝管下進上出以達到對圓底燒瓶中樣品冷凝的效果），水浴加熱5～10分鐘。加入適量三氟化硼甲醇溶液煮沸25～30分鐘。取適量正己烷加入圓底燒瓶中回流萃取2分鐘。取出圓底燒瓶，快速加入適量飽和氯化鈉溶液，充分搖晃混合后倒入干凈消毒的離心管中，靜置分層10～15分鐘。待液體分層后，上層為溶解脂肪酸甲酯的正己烷層，用注射器吸取一定量的上層正己烷層，用濾膜過濾后移入進樣瓶中，將進樣瓶用標簽紙標好樣品名稱及編號以待進儀器測樣。

3.課后鞏固。課后練習是為鞏固學習效果而安排的檢測辦法，是教學過程的重要組成部分。本虛擬仿真實驗設計了魚類脂肪酸提取和甲酯化實驗理論、實驗操作過程的課后練習題，用于鞏固和檢測本虛擬仿真實驗教學效果，使學生進一步掌握實驗原理等理論知識。

（二）實驗流程圖

魚類脂肪酸提取和甲酯化虛擬仿真實驗流程的呈現主要是為了讓學生對脂肪酸提取和甲酯化的步驟有整體的感觀認識。具體流程如圖2所示。

結束語

虛擬仿真實驗教學是通過動畫與計算機模擬，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，通過形象化描述抽象內容[10]，提升教學的直觀性，提高學習效果。高校虛擬仿真實驗教學在人才培養、科學研究、學科建設和產學研合作方面具有不可替代的作用。脂肪酸提取與甲酯化虛擬仿真實驗教學，從實驗本身來說，可將抽象深奧的化學理論知識變得具體形象，變色和分層的化學反應過程讓學生肉眼可見，有利于培養學生將理論知識轉化為實踐動手能力。從安全性上說，它降低了實驗安全風險和實驗成本，降低了實驗教學中的危險程度，使學生參與實驗的同時能保證安全。

新世紀高校人才培養著重于信息技術與教育教學的深度融合，創新高校實驗教學改革，提升師資隊伍建設水平。國內“雙一流”建設高校更著重于通過虛擬仿真平臺提高學生創新創業意識，構建虛實結合、科教融合、產教聯合的實驗實踐教育教學體系，有力促進高校提高教學水平。

參考文獻

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The Virtual Simulation Experiment of Lipid Extraction and Methyl Ester Derivation of Fish

WANG Shao-qina， b， HU Songa， c

（a.College of Marine Sciences， b. Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources， Ministry of Education， c. Experimental Teaching Demonstration Center for Marine Science and Technology， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306， China）

Abstract： The determination of fish fatty acid data plays an important role in studying fish nutrition and aquatic ecosystem. In view of the fact that a large number of repeated organic chemistry experiments in fish fatty acid experimental teaching will lead to a large amount of loss of experimental consumables and endanger the personal safety of students， the virtual simulation method is used to teach the operation process of fish fatty acid extraction and methyl esterification. By this way， we may promote the combination of principle and operation， enhance the students’ interest， and improve the intuitive of practical operation.

Key words： virtual simulation; lipid extraction; lipid methyl ester esterification

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