“制备固定化酵母细胞”实验疑难探究与改进

刘铁华 赵倩

【摘要】  人教版选修1“制備固定化酵母细胞”是一个实验时间较长、实验成功率较低的疑难实验，按照教材给定的有关实验数据和方法制作凝胶珠时，易产生拖尾和上浮等问题。通过设置系列浓度梯度实验探究适宜的海藻酸钠溶液浓度和CaCl2溶液浓度，以及自制简易滴注装置，使实验成功率明显提高。

【关键词】  实验疑难 凝胶珠 拖尾 上浮 改进

【中图分类号】  G633.8            【文献标识码】  A 【文章编号】  1992-7711（2020）21-126-01

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制备固定化酵母细胞的实验是去年高考考试说明“选修一”的新增考查内容，因实验涉及到的细节较多，如计算、称量、搅拌、配制和滴注等，在实验中获得高质量凝胶珠的成功率较低，而且完成实验耗时较长。通过以教材中所给的海藻酸钠溶液以及CaCl2溶液配制实验数据为基础，进行浓度梯度的探究实验，并结合自制简易滴注装置，使获得的凝胶珠饱满均匀而无拖尾现象。通过对部分实验操作的改进，解决了凝胶珠内部密度分布不均或密度过小导致在CaCl2溶液中上浮的问题。以下是针对本实验疑难问题所作的探析与改进。

1.本实验的主要疑难点及原因分析

疑难点1：按照人教版高中生物选修一P50-51制作凝胶珠的方法滴注成形时易产生拖尾现象

可能原因是：（1）预先配制的海藻酸钠溶液的浓度偏高，粘稠度加大，导致拖尾;（2）CaCl2溶液浓度偏低，使凝胶珠的聚沉变慢，导致拖尾产生。（3）手推注射器的力度和速度难以均匀，产生的凝胶珠大小不一，使其下降分离的速度快慢不同，一般来说，分离速度慢的容易导致拖尾。

疑难点2：凝胶珠注入CaCl2溶液时容易上浮

可能原因是：（1）在酵母菌活化时，因发酵和搅拌产生了较多气泡，被包埋在凝胶珠中，使凝胶珠的密度变小而上浮;（2）海藻酸钠溶解不充分导致部分凝胶珠密度变小而上浮;（3）海藻酸钠与酵母菌混合时搅拌方式不恰当，如不按同一方向搅拌产生了较多气泡混在材料中，使材料密度变小。

疑难点3：凝胶珠的大小不一

可能原因是：（1）手推注射器活塞的力度和速度不一致，导致凝胶珠的大小不一致。如果力度大、速度快，则产生的凝胶珠较大，反之，较小。（2）与海藻酸钠溶液的浓度有关，浓度越大，粘柔度也越大，滴注时张力也越大，则产生的凝胶珠就越大。反之，越小。

2.本实验疑难问题的探究与改进

2.1针对凝胶珠成形易产生拖尾现象的探究与改进

（1）在CaCl2溶液浓度（0.05mol/L）一定的情况下，遵循单一变量原则，通过设置系列海藻酸钠溶液浓度梯度（从0.02g/mL至0.07g/mL）共6组进行对比实验，通过相互比较，得出6组海藻酸钠溶液中，效果最佳的一组的浓度是0.05g/mL;（2）通过用90℃水浴加热替代小火间断加热来溶化海藻酸钠，可明显减少水分的过度蒸发以避免海藻酸钠溶液浓度的升高，同时也缩短了实验时间;（3）在海藻酸钠溶液浓度（0.05g/mL）一定的情况下，遵循单一变量原则，通过设置系列CaCl2溶液浓度梯度（从0.02mol/L至0.20mol/L）共7组对比实验，通过相互比较，得出7组CaCl2溶液中，效果最佳一组的浓度为0.14mol/L

2.2针对凝胶注入CaCl2溶液后形成的凝胶珠容易上浮的问题改进方法如下：

（1）通过对比实验，发现在30℃下水浴加热活化酵母菌产生气泡不明显，且使活化时间缩短;（2）在其它条件相同的情况下，用90℃水浴加热替代小火间断加热，能加速海藻酸钠充分溶解，减少水分蒸发，减少气泡产生;（3）将海藻酸钠溶液与酵母菌混合时采取同方向搅拌，可减少气泡产生。基于以上三种改进，明显减少了气泡的产生，从而确保凝胶珠质地均匀，且密度不易减小，从而解决了上浮的问题。

2.3针对凝胶珠大小不一的问题改进如下

（1）在本实验中通过自制简易滴注装置，利用适当重物（200g砝码）均匀推动注射器活塞，从而减少手动操作导致力度和速度不均一的问题。（2）尽量将海藻酸钠溶液混合均匀，使其密度均一，从而使凝胶珠在一定条件下大小一致。

3.实验器材

电子天平1台、50ml烧杯1个、200ml烧杯1个、500ml烧杯1个、10ml量筒1个、200ml量筒1个、铁架台1个、石棉网1个、酒精灯1盏、火柴1盒、温度计1支、玻璃棒2支、试管夹1个、药匙2个、称量纸10片、胶头滴管1支、自制简易滴注装置1个（含10mL注射器、铁架台、200g砝码、稳定用品等）

4.实验过程及数据处理

4.1实验准备

由于酵母细胞的活化过程耗时较长，在实验前30分钟按照教材要求将1g干酵母放入50mL小烧杯中，加入蒸馏水10mL，用玻璃棒搅拌成糊状，使其活化备用。

4.2实验步骤

（1）配置0.14mol/L的CaCl2溶液：称取无水CaCl22.33g（人教版选修1P50为0.83g），放入200mL烧杯中，加入150mL蒸馏水，用玻璃棒搅拌使其充分溶解，待用（约3分钟）。在此期间，将配制好的海藻酸钠溶液冷却至室温。

（2）配制海藻酸钠溶液：称取0.5g海藻酸钠（人教版选修1P51为0.7g），放入50mL小烧杯中，加入10mL蒸馏水，90℃水浴加热，用玻璃棒搅拌使其充分溶解（约5分钟）;

（3）海藻酸钠溶液与酵母细胞混合：在装有溶化好的已冷却至室温的海藻酸钠溶液的50mL小烧杯中，加入已预备好的酵母细胞活化液（10mL），用玻璃棒进行充分搅拌，使其混合均匀（约3分钟）。

[ 参  考  文  献 ]

[1]朱正威，孙万儒，赵占良.普通高中课程标准实验教科书：生物：选修1生物技术实践[M].北京：人民教育出版社，2007：50-51.

[2]朱正威，孙万儒，赵占良.普通高中课程标准实验教科书：生物：选修1生物技术实践：教师教学用书.北京：人民教育出版社，2007：35-36.