利用手持技术定量探究温度对酶活性的影响

李金月 李韶山

（1 华南师范大学生命科学学院 广东广州 510631 2 华南师范大学附属中学 广东广州 510630）

《普通高中生物学课程标准 （2017年版）》提出生物学课程旨在提高学生的生物学学科素养，科学探究作为生物学核心素养之一， 更加凸显科学探究的重要性。 课程标准中建议加强和完善生物学实验教学， 在生物学教学过程中重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。 教师应向学生提供机会学习量的测定， 实事求是地记录、 整理和分析实验数据、定量表述实验结果［1］。

探究温度对酶活性的影响是人教版高中生物学必修1 第5 章第1 节的一个探究实验， 教材没有提供具体的实验方案， 而是通过问题和分析引导学生自主设计实验，因此，本实验是发展学生探究能力、提高学生科学素养的良好材料。 然而，在许多教学资料中， 将该实验设计为验证型的定性实验， 例如记录淀粉颜色反应由蓝色到棕黄色的变色时间t，以1／t 反映淀粉酶的活性［2］，仅有少数设计为探究型的定量实验。手持技术（handheld technology）是由数据采集器、传感器和计算机及配套的软件组成的定量采集数据的实验技术系统，具有便捷、准确、实时、综合和直观等特点［3］。结合手持技术定量采集数据的优势， 在观察淀粉颜色反应的同时，采用色度传感器进行定量检测，实时生成图表，为中学生物学实验教学提供参考。

1 实验设计

1.1 试剂选择与用量 选择淀粉和淀粉酶进行实验，而不选择过氧化氢和过氧化氢酶，因为加热会促进过氧化氢分解，导致实验中存在2 个变量。斐林试剂检测还原糖需要加热条件， 故不使用斐林试剂检测产物量， 而使用碘液检测剩余底物的量。在使用碘液检测淀粉水解程度时，应将淀粉液冷却至常温后再加碘液， 在高温条件下碘液不能检测淀粉。因为淀粉是由α-葡萄糖组成的螺旋结构，可分为直链淀粉和支链淀粉，其中碘分子嵌入直链淀粉螺旋结构中心，形成淀粉-碘络合物。 这种络合物吸收除蓝色以外的其他可见光， 因此使溶液呈现蓝色。 高温条件下， 淀粉螺旋结构被破坏，不能与碘分子形成络合物，因此溶液不变蓝，淀粉溶液在冷却后螺旋结构恢复， 再加碘液可呈现 蓝色［4］。

通过预实验发现，常温下在淀粉液中加入10 μL 碘液呈现浅蓝色， 测得透光率为37.44，加入50 μL 碘液呈现深蓝色， 测得透光率为1.35。为增加不同温度下色度差别， 统一加入50 μL 碘液进行显色反应。

1.2 温度设置 学生根据生活经验，认为唾液淀粉酶的最适温度在37℃左右。 然而有些实验方案仅设置0℃、60℃和100℃3 个温度，60℃是工业淀粉酶的最适温度，但对于唾液淀粉酶来说，这种温度设置显然不够严谨。 通过冰浴和恒温水浴设置温度梯度0℃、20℃、40℃、60℃、80℃，更有利于学生探究温度对酶活性的影响，更加科学严谨，符合学生的认知方式。

1.3 操作顺序 在淀粉液与酶液混合前，应分别将其预热至相对应的温度， 混合后在相应温度下保温。如果仅将淀粉液保温至相应的温度，再加入常温下的酶液， 短时间内温度的变化会影响实验结 果［5］。

1.4 定量检测 通过检测相同时间后剩余底物量或产物量， 出现相同底物量或产物量所需时间的差异可以达到定量检测的目的。 本实验通过淀粉和碘液的显色反应检测相同时间剩余底物量，碘液可使淀粉溶液变蓝， 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，加入碘液后的颜色越浅，透光率越大。采用色度传感器可以测得溶液的透光率， 进而定量反映唾液淀粉酶的活性。

2 探究教学流程

通过本探究实验的设计与实施， 结合探究性教学，使学生体验“提出问题—作出假设—设计实验—进行实验—分析结果—得出结论—反思评价—表达交流”等科学探究的一般过程和方法，进而发展学生的科学探究能力。

2.1 提出问题 联系学生生活，创设问题情境。例如加酶洗衣粉的包装袋上，为什么往往注明这种洗衣粉的适用温度范围？为什么发烧时会出现食欲不振、浑身乏力等症状？ 引导学生思考温度与酶活性的关系，进而提出问题：你认为温度和酶活性之间有什么关系，能用坐标图的形式表示吗？

2.2 作出假设 学生通过思考讨论可能形成多种具体的假设和预测。学生预测实验结果，并绘制预测的坐标图。

2.3 设计实验 教师通过问题引导学生进行实验设计，例如实验设计要遵循哪些原则？实验自变量是什么？如何控制？实验因变量是什么？如何检测？如何排除无关变量的影响？如何设计实验组或对照组？学生思考问题小组讨论进行实验设计，并由教师和学生共同完善实验设计。

2.4 进行实验 学生利用手持技术进行实验，观察实验现象并记录数据变化。 在分小组开展实验的过程中通过分工合作完成实验， 组间可看作重复实验。

1）连接色度传感器，数据采集器和计算机。

2）配制系列标准淀粉溶液，分别测定其色度（SD），根据公式A=2-lg（SD），计算得出吸光值（A），绘制“吸光值-淀粉浓度”标准曲线。

3）取5 支试管分别加入0.2%的淀粉液2 mL。另取6 支试管加入稀释50 倍的唾液1 mL。

4）将淀粉液和唾液分别在0℃、20℃、40℃、60℃、80℃条件下保温5 min。 再分别混合保温20 min（表1）。

5）加碘液显色，观察并记录颜色变化。

6）启动色度传感器，设置采集参数，采集数据。

7）根据标准曲线计算得出不同温度下的淀粉含量，进一步计算得出淀粉水解速率，绘制“淀粉水解速率-温度”曲线。

表1 温度对唾液淀粉酶活性的影响实验设计表

2.5 分析结果、得出结论 教师引导学生分析实验结果与预期结果是否一致？ 不同小组间的实验结果有哪些异同？哪些因素可能会造成实验误差？在实验结果分析方面， 教师综合各小组的实验结果，通过问题引导学生从宏观实验现象、微观实验原理、 曲线变化趋势多重表征的角度对实验结果进行分析。

1）宏观表征：实验中有哪些明显的现象，如何解释？

本实验中淀粉与碘液的颜色反应是可以观察到的宏观实验现象。实验中设置2 个对照组，对照组1 为稀碘液（3 mL 蒸馏水+50 μL 碘液）和对照组2（2 mL 淀粉液+1 mL 蒸馏水+50 μL 碘液）。从表2 可见，温度在0℃和80℃条件下，溶液呈深蓝色，溶液透光率与对照组2 接近，说明淀粉完全没有水解， 唾液淀粉酶活性很低或失去活性。 温度60℃时，溶液呈深紫色，说明淀粉仅部分水解，唾液淀粉酶活性较低。 温度20℃和40℃条件下，溶液均呈浅黄色，说明唾液淀粉酶活性均较高，40℃条件下透光率更接近对照组1， 说明40℃更接近唾液淀粉酶的最适温度。

表2 温度对唾液淀粉酶活性的影响

2）曲线表征：如何解释实验曲线？

根据标准曲线方程（y=881.4x+2.55）计算不同温度下的淀粉含量， 与纯淀粉碘化钾溶液相比计算淀粉水解速率， 用Excel 记录数据后可自动生成坐标曲线（图1）。 由曲线可以看出，唾液淀粉酶的最适温度为40℃左右，这与人体的体温37℃左右的条件相符。在不同温度条件下，唾液淀粉酶的活性不同。 在最适温度之前（0～37℃），温度越高，淀粉水解速率越快，唾液淀粉酶的活性越高；超过最适温度后（大于37℃），温度越高，酶活性反而随之下降。

图1 温度对唾液淀粉酶活性的影响

3）微观表征：结合所学知识，如何解释实验原理？

根据已学知识， 学生根据酶的本质是蛋白质或RNA，绝大多数酶是蛋白质，分析得知温度会影响蛋白质的结构，因而影响酶的活性。温度过高时，蛋白质变性，即蛋白质的空间结构遭到破坏，酶失去活性。0℃左右时，酶的空间结构稳定，但酶的活性很低。

学生根据结果分析进一步得出结论， 并将结论应用于解释探究问题和有关的生活情境。2.6 反思评价、表达交流 教师引导学生回顾探究的过程，对实验过程进行反思和评价。例如对手持仪器的使用、实验设计与实施、组内或组间的分工合作等方面。

采用色度传感器测定淀粉与碘液显色反应的色度，定量检测相同时间后淀粉剩余量的差异，计算得出淀粉水解速率， 进而达到定量比较不同温度条件下唾液淀粉酶活性的目的。 在学生探究性学习的基础上，进行定量实验，让学生通过小组合作进行定量测定、记录、整理和分析实验数据，并绘制温度对酶活性影响的曲线。 学生在体验科学探究一般流程和方法的同时， 进一步深化对实验相关原理和概念的理解， 在量的变化中了解科学的实证性等科学本质。 结合手持技术和多重表征教学模式开展中学生物学探究实验教学有利于提高学生的科学素养， 手持技术在中学生物学教学中的应用有待进一步的实践探索。