有关浙科版教材实验中淀粉和碘液若干问题的释疑

洪 波

(浙江省衢州高级中学 衢州 324006)

生物学是一门实验学科，通过实验教学培养学生科学思维、实验探究等核心素养是实现生物学育人目标的重要手段。在浙科版生物学的必修和选修教材中，有多个实验涉及了淀粉和碘液的使用，但都未作具体说明，笔者对相关问题进行分析、释疑解惑。

1 在“探究酶的专一性”实验中淀粉溶液为什么要溶解在0.3%的氯化钠溶液中

分析相关资料发现，对于这个问题的理解主要有两种观点： 一种观点认为，氯化钠溶液可以阻止淀粉溶解度的降低。稀淀粉溶液冷却后，线性分子重新排列并通过氢键结合成束状结构，即不溶性晶体沉淀。浓的淀粉糊冷却时，在有限的区域内，淀粉分子重新排列较快，线性分子缔合，溶解度也会减小。淀粉溶解度减小的整个过程称为老化。影响淀粉老化的因素有很多，如淀粉的种类(直链淀粉还是支链淀粉)、贮存的温度、含水量、酸碱度、无机盐种类等。有研究发现，NaCl溶液中的Na+和Cl-由于半径较大、极性较强，对淀粉颗粒结构(主要是氧键的键合)破坏较明显，从而促进淀粉颗粒在水溶液中的溶解，阻止淀粉溶液老化。

另一种观点认为，氯化钠是淀粉酶的激活剂。Na+对淀粉酶有激活作用。在0～0.25 mg/mL范围内，Na+对淀粉酶的激活随浓度的增加而增强，达到0.1 mg/mL时相对酶活性可达到116.23%。浓度在0.25～1.25 mg/mL时，相对酶活性基本稳定在同一水平[1]。王镜岩主编的《生物化学》中也曾提到Cl-是唾液淀粉酶的激活剂[2]。但值得注意的是，在本实验中所用到的唾液为稀释了200倍的新鲜唾液，也就是说并不存在酶活性不够的问题，氯化钠作为酶的激活剂在此处难免牵强。综上所述，笔者更赞同第一种观点。

2 为什么淀粉指示剂是KI-I2

淀粉遇碘变色是因为溶于水的直链淀粉借助分子内的氢键卷曲成螺旋状，碘液中的碘分子可以嵌入到螺旋结构的空隙处，并且借助范德华力与直链淀粉联系在一起，形成了一种络合物。这种络合物能够比较均匀地吸收除了蓝光以外的其他可见光，从而使淀粉溶液呈现出蓝色来。支链淀粉遇碘则呈现紫色或紫红色。因此，碘是淀粉的指示剂。但是，碘在水中的溶解度很低，常温下100 g的水中仅可溶解约0.02 g碘，配成的溶液溶解度很低，且溶液中的单质碘容易挥发，又导致溶液浓度的降低。加入KI后，发生可逆的离子反应：

3 KI-I2配制时KI为什么要过量

在选修1《生物技术实践》的实验6“α-淀粉酶的固定化及淀粉水解作用的检测”中，5 mmol/L的KI-I2是在100 mL蒸馏水中完全溶解0.127 g I2和0.83 g KI配制而成的。通过化学计算不难看出，这样的配制方法得到的溶液中I2的浓度是5 mmol/L，而KI的浓度则为50 mmol/L。KI的浓度明显过量了，是不是错了呢？

通过查阅《中华人民共和国国家标准》GB/T 601-2002，即化学试剂标准滴定溶液的制备中的第4.9.1条发现，在制备碘标准溶液C(1/2I2)=0.1 mol/L时，需要称取13 g碘及35 g碘化钾，溶于100 mL水中，稀释至1 000 mL，摇匀，贮存于棕色瓶中。通过计算发现，在国家标准的KI-I2溶液配制中，I2的浓度是0.05 mol/L， KI的浓度为0.2 mol/L，即KI的浓度也是过量的。在KI-I2溶液中，与淀粉发生作用的是I2分子，KI的浓度并不会影响碘液的有效浓度，因此KI过量并非错误。为什么KI要过量呢？

4 能否使用KI-I2检测pH对唾液淀粉酶活性的影响

教材中探究pH对酶活性影响的实验用的是肝脏研磨液中的过氧化氢酶，很多学生都疑惑能否用方便易得的唾液淀粉酶代替呢？生物学的问题要到实验中去寻求答案。学生通过设计实验(表1)，对该问题进行了探究。理论上分析，1号和2号试管中的酶在酸性和碱性环境中都已失活，试管中的淀粉不会水解遇碘会变蓝，3号试管的淀粉酶可以将试管中的淀粉水解，遇碘不变色。但实际的结果是： 1号试管变蓝，2号试管无色，3号试管呈现碘液的颜色(图1)。

表1 实验记录列表

图1 用KI-I2检测不同pH对唾液淀粉酶活性影响的实验结果

为什么2号试管无色呢？难道淀粉被水解了？碘液的颜色怎么也褪去了？在查阅过资料后，我们得知原来I2会和NaOH发生如下反应：

2号试管中的唾液淀粉酶已经在碱性条件下失活，也就是说淀粉并未水解，但I2已经与NaOH反应产生了无色的NaI、 NaIO，便不会再和淀粉发生反应了，所以2号试管无色。依此原理分析可知，只要KI-I2过量，依然可以出现蓝色。在查阅资料时，笔者还发现淀粉在酸性环境下也同样可以发生水解反应，而这个反应在室温下进行得很慢。据此学生又进行了如下的后续研究： 将1号试管进行80℃水浴加热，观察试管内溶液的颜色变化；在2号试管中继续滴加KI-I2，直至出现颜色变化。结果显示(图2)，1号试管中出现了蓝色沉淀，而上清液呈现出碘液的颜色。沉淀依然为蓝色，说明沉淀的物质是淀粉，这是因为加热会增加溶液内粒子的碰撞形成聚沉，同时酸性环境也会导致淀粉的老化。虽然淀粉会在酸性条件下水解，但由于反应条件和时间的限制，水解现象并不明显。2号试管中并未水解的淀粉与过量的KI-I2反应出现了蓝色。

图2 1号试管加热和2号试管KI-I2过量的实验结果

综上可知，如果用唾液淀粉酶来研究pH对酶活性的影响，酸性条件下淀粉会水解，干扰了酸会使酶失活的实验现象，碱性条件下I2又会与NaOH反应，起不到检测剂的作用。因此，用唾液淀粉酶和KI-I2做该实验是不合适的。

生物学实验课堂是培养学生核心素养的重要阵地。学生通过主动质疑、自主释疑的过程发展科学思维能力，通过分析、借鉴他人研究成果的间接经验及自主设计完成实验获取的直接经验提升科学探究素养。与此同时获得的成就感更激发了学生的学习兴趣和内驱力。