果膠酶在果汁生產(chǎn)中的作用”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施

1、· “果膠酶在果汁生產(chǎn)中的作用”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施Experimental Design and Practice of the Experiment : “The Application of the Pectinase in the Fruit Juice Production”陸奇(Lu Qi)（江蘇省揚(yáng)州市新華中學(xué) 225009）摘要   “果膠酶在果汁生產(chǎn)中的作用”這一課題要求學(xué)生嘗試?yán)妹富盍y(cè)定的一般原理和方法探討酶在食品制造方面的應(yīng)用，本文提供的案例介紹了如何在普通高級(jí)中學(xué)實(shí)驗(yàn)室允許的條件下開(kāi)展此定量實(shí)驗(yàn)，還對(duì)課題的實(shí)驗(yàn)步驟及設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等具體

2、問(wèn)題進(jìn)行討論。關(guān)鍵字： 果膠酶  酶的最適用量 最適溫度 最適pH值中國(guó)圖書分類號(hào)：G633.91   文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C1、簡(jiǎn)介在果汁加工中，果膠不僅會(huì)影響出汁率，還會(huì)使果汁混濁。果膠酶是分解果膠的一類酶的總稱，它可以使榨取果汁更容易，得到的果汁更澄清。“果膠酶在果汁生產(chǎn)中的作用”是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書生物技術(shù)實(shí)踐（選修一）專題四“酶的研究與應(yīng)用”中的課題一，課題要求學(xué)生能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究溫度和pH對(duì)果膠酶活性的影響以及果膠酶的最適用量，此內(nèi)容與學(xué)生的日常生活聯(lián)系緊密，并且又有必修一“探究影響酶活性的條件”作基礎(chǔ)，因此對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)并不困難，適合進(jìn)行實(shí)際動(dòng)手操

3、作。但是，課題比較偏重實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，考慮的變量相對(duì)較多，還涉及到實(shí)驗(yàn)變量的梯度設(shè)計(jì)，要想獲得理想的結(jié)果，必須進(jìn)行反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)和摸索。學(xué)生在探究過(guò)程中，對(duì)教材和參考資料中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案進(jìn)行了討論和實(shí)際操作，提出了不同的問(wèn)題和改進(jìn)措施，筆者選取了一個(gè)較合理的案例，小結(jié)如下，僅供參考。2、實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法2.1 實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)選用蘋果作為實(shí)驗(yàn)材料，榨成汁后使用；實(shí)驗(yàn)中使用的果膠酶購(gòu)自上海藍(lán)季生物技術(shù)有限公司，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%溶液后使用。2.2 實(shí)驗(yàn)方法2.2.1 實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)圖1 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案2.2.2 制備果汁的方法選取一個(gè)中等大小的蘋果（約200g左右）洗凈后，不去皮，切成小塊，放入

4、榨汁機(jī)中，加入約200mL水，榨取2min，制得蘋果泥。量取一定體積的蘋果泥，不同條件下處理后，用濾紙進(jìn)行過(guò)濾即可得到果汁。2.2.3 果膠酶活性的檢測(cè)指標(biāo)果膠酶能將果膠分解成小分子物質(zhì)，小分子物質(zhì)可以通過(guò)濾紙，蘋果汁的體積大小反應(yīng)了果膠酶催化分解果膠的能力。通過(guò)測(cè)定濾出的蘋果汁的體積大小作為果膠酶活性的檢測(cè)指標(biāo)。2.2.4 確定果膠酶的最適用量取五支試管，編號(hào)后各加入10mL蘋果泥，依次加入水、0.5mL、1mL、2mL、4mL2%的果膠酶溶液，加水使每支試管反應(yīng)體系的終體積皆為14mL，室溫下作用足夠長(zhǎng)時(shí)間，過(guò)濾15min，量取濾出的蘋果汁的體積，確定果膠酶的最適用量。2.2.5 確定果膠

5、酶的作用時(shí)間取六支試管，編號(hào)后各加入10mL蘋果泥，一支加入1mL水作為空白對(duì)照，另五支各加入1mL2%的果膠酶溶液，加酶的五支試管依次在室溫下處理1min、5min、10min、15min、20min。處理完用沸水浴使酶失活，過(guò)濾15min，量取濾出的蘋果汁的體積，確定果膠酶的作用時(shí)間。2.2.6 探究不同溫度對(duì)果膠酶活性的影響設(shè)定溫度梯度：10、20、30、40、50、60、70，取7支試管，編號(hào)后各加入10mL蘋果泥，另取7支試管，編號(hào)后各加入1mL2%的果膠酶溶液，先將蘋果泥和果膠酶溶液分別在10、20、30、40、50、60、70水浴保溫10min，然后將相同溫度處理的蘋果泥和果膠酶

6、溶液混勻后在相應(yīng)的溫度下再保溫5min，處理完用沸水浴使酶失活，過(guò)濾15min，量取濾出的蘋果汁的體積，確定不同溫度對(duì)果膠酶活性的影響。若實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有恒溫水浴鍋，可在水浴的大燒杯加入不同比例的冷水和熱水，用溫度計(jì)來(lái)控制水浴溫度（不時(shí)添加適量熱水維持溫度），當(dāng)室溫大于10時(shí)，可用冰塊或冰箱的冷藏室來(lái)控制10的水浴溫度。2.2.7 探究不同pH值對(duì)果膠酶活性的影響設(shè)定pH值梯度：2、3、4、5、6、7、8、9，取8支試管，編號(hào)后各加入10mL蘋果泥，另取8支試管，編號(hào)后各加入1mL2%的果膠酶溶液，用0.1moL/L的HCl溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaOH溶液分別將蘋果泥和果膠酶溶液pH值設(shè)置成：2、

7、3、4、5、6、7、8、9等八種pH值梯度，用pH試紙或pH計(jì)確定pH值，然后將相同pH值的蘋果泥和果膠酶溶液混合，得到八種不同pH值梯度的反應(yīng)體系，用蒸餾水將八支試管中溶液的體積調(diào)成一致（本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)溶液總體積為16mL），室溫下保溫5min，處理完用沸水浴使酶失活，過(guò)濾15min，量取濾出的蘋果汁的體積，確定不同pH值對(duì)果膠酶活性的影響。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1 完全處理10mL蘋果泥大約需要1mL的2%果膠酶溶液設(shè)置2%果膠酶溶液體積梯度，分別催化相同體積的蘋果泥（10mL），催化后過(guò)濾，得到的蘋果汁的體積及澄清度如表所示。表. 酶量對(duì)蘋果汁濾出量的影響試管編號(hào)123452%的果膠酶溶液00.5

8、mL1mL2mL4mL過(guò)濾后蘋果汁的體積5.4 mL8.5 mL9.3 mL9.5 mL9.5 mL過(guò)濾后蘋果汁的澄清度混濁澄清澄清澄清澄清由表和圖2（A）可知，用不同量的果膠酶在室溫下處理10mL蘋果泥足夠長(zhǎng)時(shí)間，在14支試管中，隨著果膠酶量的增加，所得蘋果汁的體積隨之增加，但當(dāng)2%的果膠酶溶液達(dá)到1mL后，繼續(xù)增加酶的量，所得蘋果汁的體積幾乎不再增加，說(shuō)明底物已經(jīng)耗盡，而處理10mL蘋果泥的果膠酶溶液最適用量應(yīng)為1mL左右。3.2 室溫下，1mL2%的果膠酶溶液完全處理10mL蘋果泥只需要510min取1mL2%的果膠酶溶液催化相同體積的蘋果泥（10mL），分別作用不同的時(shí)間，得到的蘋果汁

9、的體積及澄清度如下表所示。表. 酶的作用時(shí)間對(duì)蘋果汁濾出量的影響試管編號(hào)123456果膠酶作用時(shí)間01min5min10min15min20min過(guò)濾后蘋果汁的體積4.5mL5.9 mL7.8 mL8.0 mL8.0 mL8.1 mL過(guò)濾后蘋果汁的澄清度混濁澄清澄清澄清澄清澄清由表和圖2（B）可知，在14支試管中，隨著果膠酶作用時(shí)間的增加，所得蘋果汁的體積隨之增加，但當(dāng)酶作用時(shí)間增加到10min后，繼續(xù)增加酶的作用時(shí)間，所得蘋果汁的體積幾乎不再增加，說(shuō)明底物已經(jīng)耗盡，而當(dāng)酶作用時(shí)間為5min（試管3）時(shí)，蘋果汁的體積幾乎到達(dá)到最大值，所以1mL2%的果膠酶溶液完全處理10mL蘋果泥大概需要51

10、0min。3.3   果膠酶最適作用溫度在30左右取1mL2%的果膠酶溶液催化相同體積的蘋果泥（10mL），在不同梯度的溫度下反應(yīng)，得到的蘋果汁的體積及澄清度如下表所示。表  溫度對(duì)酶活性的影響試管編號(hào)1234567果膠酶的作用溫度10203040506070過(guò)濾后蘋果汁的體積/mL6.87.58.07.05.54.84.8過(guò)濾后蘋果汁的澄清度澄清澄清澄清澄清半混濁混濁混濁由表和圖2（C）可知，在13試管中，隨著果膠酶作用溫度間的升高，蘋果汁的體積隨之增加，說(shuō)明在1030溫度區(qū)間內(nèi)，酶的活性隨著溫度的增加而升高，當(dāng)酶作用溫度增加到30時(shí)，蘋果汁的體積達(dá)到最大值，說(shuō)

11、明此時(shí)果膠酶的活性最強(qiáng)。在36試管中如果繼續(xù)升高溫度，蘋果汁的體積隨之減少，說(shuō)明在3060溫度區(qū)間內(nèi)酶的活性隨溫度的升高而降低。當(dāng)溫度達(dá)到60，繼續(xù)升高溫度，蘋果汁的濾出量不再改變，說(shuō)明此時(shí)酶已經(jīng)完全失活。3.4   果膠酶作用pH值較廣泛，最適pH值約在35之間取1mL2%的果膠酶溶液催化相同體積的蘋果泥（10mL），在不同梯度的pH值下反應(yīng)，得到的蘋果汁的體積及澄清度如表所示。表  pH值對(duì)酶活性的影響試管編號(hào)12345678果膠酶的作用pH值23456789蘋果汁的體積/mL1010.510.510.585.85.75.8蘋果汁的澄清度澄清澄清澄清澄清半混濁

12、混濁混濁混濁由表和圖2（D）可知，在14試管中，濾出的蘋果汁的體積都較大，說(shuō)明在pH值在25時(shí)果膠酶都有較大活性，果膠酶適宜的pH值范圍較廣泛。其中24試管中濾得的蘋果汁的體積最大，說(shuō)明果膠酶的最適pH值約在35之間。在46試管中，隨著pH值的增加，蘋果汁的體積隨之減少，說(shuō)明pH值在57時(shí)，酶的活性隨著pH值的增大而升高，pH值達(dá)到7時(shí)，繼續(xù)升高pH值，蘋果汁的濾出量不再改變，說(shuō)明此時(shí)酶已經(jīng)失活。4、討論4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上的順序問(wèn)題在人教版教材和參考書上，順序上都是先探究果膠酶的最適溫度和最適pH值，再進(jìn)一步研究果膠酶的最適用量，而本案例順序有所調(diào)整，原因是學(xué)生在探究果膠酶的最適溫度和最適pH

13、值時(shí)，考慮到實(shí)驗(yàn)中應(yīng)使用多少酶量，酶作用多長(zhǎng)時(shí)間等問(wèn)題，因此學(xué)生提出應(yīng)該先摸索出酶的用量和作用時(shí)間，然后探究果膠酶的最適溫度和最適pH值，故此，本案例設(shè)計(jì)了圖1所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。4.2 中學(xué)實(shí)驗(yàn)室條件下本實(shí)驗(yàn)的實(shí)施在正常狀況下，本課題的實(shí)驗(yàn)操作需要恒溫水浴鍋、pH計(jì)、分光光度計(jì)等儀器，但是如果中學(xué)實(shí)驗(yàn)室缺乏這些儀器，如何用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室資源來(lái)克服儀器的缺乏也是鍛煉學(xué)生創(chuàng)造性和動(dòng)手能力的一個(gè)課題，可以使用大燒杯中加入不同比例的冷水和熱水，通過(guò)溫度計(jì)來(lái)控制溫度，用此裝置替代恒溫水浴鍋；用pH試紙多次測(cè)試的方法替代pH計(jì)，通過(guò)這樣的鍛煉，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能不會(huì)很精確，但卻可以提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。4

14、.3 本實(shí)驗(yàn)中容易忽略的無(wú)關(guān)變量及其控制本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟較多，由多個(gè)小實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，每個(gè)小實(shí)驗(yàn)需要考慮的變量都不一樣，比較容易忽略的無(wú)關(guān)變量有如下幾個(gè)：（1）蘋果泥的批次及粘稠度；本實(shí)驗(yàn)的大部分步驟及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有邏輯上的關(guān)聯(lián)，因此所有的實(shí)驗(yàn)都應(yīng)該使用同一批次的蘋果泥，同時(shí)果膠泥是粘稠物，進(jìn)行每組實(shí)驗(yàn)時(shí)，都應(yīng)該充分?jǐn)嚢?，減小實(shí)驗(yàn)誤差。（2）同組對(duì)照實(shí)驗(yàn)反應(yīng)體積的一致性；加入不同酶量或調(diào)節(jié)pH值梯度時(shí)都會(huì)影響反應(yīng)體系的體積，而不同體積的反應(yīng)體系會(huì)影響蘋果汁的濾出量，為控制無(wú)關(guān)變量，應(yīng)用蒸餾水將每組對(duì)照實(shí)驗(yàn)的總體積調(diào)至相同。（3）酶的作用時(shí)間；注意酶作用完要失活，否則過(guò)濾時(shí)，蘋果泥中酶還在起作用，不能精確設(shè)定酶的作用時(shí)間。（4）過(guò)濾的時(shí)間。過(guò)濾時(shí)間不同也會(huì)影響蘋果汁的濾出量，同組對(duì)照實(shí)驗(yàn)中酶作用完后，應(yīng)保證過(guò)濾時(shí)間相同。4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通過(guò)探究果膠酶的最適溫度和最適pH值實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)該果膠酶的最適溫度和最適pH值都較廣泛，究其原因，果膠酶不是單一的一種酶，