酵母细胞的固定化实验改进与教学设计*

彭韶冲

酵母细胞的固定化是人教版《生物(选修1)》生物技术实践中专题4中的一个实验，包括制备固定化酵母细胞和用固定化酵母细胞发酵两个实验过程。然而，按照教材中的实验流程，酵母细胞活化步骤需要1小时，凝胶珠在CaCl2溶液中浸泡需要30分钟，将固定好的酵母细胞(凝胶珠)转移到葡萄糖溶液中发酵需要24小时，整个实验需要超过一天的时间。可见这个实验不可能在一节常规实验课中完成，一个教学班至少需要三个不同日期的连续实验课才能完成一次完整的实验。对该实验的操作步骤进行优化改进，提高实验效率，大大缩短实验时间，让整个实验能在一节实验课(40分钟)内完成，而且让发酵的观察效果更加直观。

一、实验方法的改进

1.酵母细胞的活化

教材原文：称取1 g干酵母，放入50 mL的小烧杯中，加入蒸馏水10 mL，用玻璃棒搅拌，使酵母细胞混合均匀成糊状，放置1 h左右，使其活化[1]。

实验改进：通过反复实验，得出酵母细胞活化不需要1 h，1 g干酵母加入10 mL蒸馏水进行活化，用玻璃棒搅拌，15 min便可以使得酵母细胞充分活化，不会对最终的实验效果造成影响。

2.海藻酸钠溶液的配置

教材原文：称取0.7 g海藻酸钠，放入50 mL小烧杯中，加入10 mL水，用酒精灯加热，边加热边搅拌，将海藻酸钠调成糊状，直至完全溶化，用蒸馏水定容至10 mL。

实验改进：0.7 g海藻酸钠用10 mL蒸馏水进行溶化的配比，在教材实验操作(一)“制备固定化酵母细胞”步骤5中滴出来的凝胶珠由于海藻酸钠浓度过高，会成“蝌蚪”状(如图1所示)。这不仅会降低凝胶珠的发酵效率，而且也会影响学生对固定化酶技术中酶颗粒形状的直观感受。通过反复实验，得出以下实验改进。

(1)称取0.25 g海藻酸钠，放入50 mL小烧杯中，加入10 mL蒸馏水。这样的配比能使得滴出来的凝胶珠呈圆形或者椭圆形，而且能节省药品使用量和缩短溶化时间(如图2所示)。

图1 呈蝌蚪状的凝胶珠

图2 呈圆形的凝胶珠

(2)改用水浴锅代替酒精灯加热。水浴锅能提供稳定的温度环境，节省实验时间。将水浴锅的温度调到90 ℃即可，实验证明90 ℃可以将海藻酸钠充分并快速溶化，而且能有效防止学生在操作过程中被水蒸气烫伤。

(3)增加试管夹和1 L大烧杯。用试管夹夹着小烧杯在水浴锅中加热搅拌，可以防烫手；准备好盛冷水的大烧杯，将盛有刚溶化好海藻酸钠的小烧杯放在冷水中快速冷却，节约实验时间。

3.酵母细胞的发酵

教材中的实验操作(二)第2步，将150 mL质量分数为10%的葡萄糖溶液转移到200 mL的锥形瓶中，再加入固定好的酵母细胞，置于25 ℃下发酵24 h。

实验改进：可将200 mL的锥形瓶替换成小容量的饮料瓶，例如，100 mL等容量小且瓶口细的塑料瓶。瓶子可以让学生自己在实验前准备，尽量要求学生携带同一规格的瓶子，以方便估算葡萄糖溶液的需要量。将10%葡萄糖装入塑料瓶中，加入固定好的酵母细胞(凝胶珠)，在瓶口处套上气球。学生将此装置带回课室或家里继续观察，约4～6 h后可见气球鼓起，气体为酵母细胞发酵产生的大量二氧化碳(如图3所示)。

图3 酵母细胞发酵后使得气球鼓起

二、实验教学设计

1.教学目标

研究固定化酶和固定化细胞的作用和原理。尝试制备固定化酵母细胞，并利用固定化酵母细胞进行酒精发酵[2]。

2.实验前的药品和仪器准备(两人/组)

(1)实验材料：干酵母、无水CaCl2、海藻酸钠、10%葡萄糖溶液、蒸馏水。

(2)器材用具：电子天平1个、称量纸2张、50 mL烧杯2个、200 mL烧杯1个、玻璃棒2根、20 mL塑料注射器1个、 试管夹1个、1 000 mL烧杯1个(用于冷却和清洗凝胶)，90 ℃水浴锅1个、小气球2个。

3.实验步骤(见表1)

表1

表1(续)

三、教学过程

1.导入实验

向学生介绍“固定化酶的应用实例——高果糖浆的生产”，让学生对酶催化反应有初步认识；讲解固定化酶和固定化细胞技术、固定化的方法、常用载体等基础知识。在学生对固定化细胞技术有一定的了解后，过渡到酵母细胞的固定化实验。

2.明确要求及实验改进的步骤

首先引导学生熟悉教材实验中的原理、步骤，其次讲解优化后实验步骤的改进部分，以及各个步骤的时间安排和注意事项。特别指出：海藻酸钠的称取量和配制比例，溶化海藻酸钠的注意事项，海藻酸钠酵母细胞混合液的滴定高度。

3.分组实验

学生分组，每组两人。两名学生分工合作，例如分别完成活化酵母和配制CaCl2溶液的步骤，共同完成实验。教师及时提醒每一个实验步骤中的注意事项，解决学生在实验过程中遇到的问题。

四、教学反思

1.优点

本实验优化教材原有实验中的步骤和方法，缩短实验时间和提高实验效率，在有限的课堂时间里科学地安排实验步骤，统筹各个实验步骤的时间，使得本来耗时很长的实验能在40分钟的常规课堂时间内完成，且能使学生的实验成功率达100%。通过改进实验装置，让学生能用肉眼观察到酵母细胞的发酵过程所产生的气体变化，激发学生的兴趣。

2.不足

由于发酵的时间需要几个小时，因此不能在实验课堂中马上呈现出实验结果，需要学生将自己制作的实验装置带回观察，在一定程度上影响了立即对实验现象进行总结归纳的教学步骤。