生物組織中有機(jī)物含量測定方法的改進(jìn)與創(chuàng)新

呂慧明 虞 馳

（浙江省寧波市第四中學(xué) 浙江寧波 315016）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020年修訂）》，建議教學(xué)實(shí)施過程中要加強(qiáng)和完善生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是促成學(xué)生達(dá)成生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要支柱[1]。以探究為特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力?！皺z測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”，是新版人教版教材必修1《分子與細(xì)胞》第2 章第1 節(jié)細(xì)胞中的元素和化合物中的探究實(shí)踐內(nèi)容。該部分內(nèi)容安排在學(xué)習(xí)具體的無機(jī)物和有機(jī)物結(jié)構(gòu)與功能之前，旨在讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究活動發(fā)現(xiàn)生物組織中所含有的化合物，這種通過真實(shí)的實(shí)踐活動獲得的知識更真實(shí)，更有利于學(xué)生理解，優(yōu)于傳統(tǒng)講授法的學(xué)習(xí)效果。本文嘗試讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中通過觀察與思考，發(fā)現(xiàn)問題，提出質(zhì)疑，進(jìn)而提出新的研究課題。從觀察定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果到定量實(shí)驗(yàn)探究，既培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維及科學(xué)探究，又培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)試劑的創(chuàng)新

1.1 實(shí)驗(yàn)材料創(chuàng)新 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)使用的生物材料種類較少，勻漿液是由教師制備，每種勻漿液濃度只有一種，學(xué)生實(shí)驗(yàn)得到的現(xiàn)象基本沒有差異，不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并提出質(zhì)疑。本文實(shí)驗(yàn)提供多種生物材料，學(xué)生可自主選擇，并制備不同濃度的勻漿液，通過觀察對比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的差異，激發(fā)學(xué)生積極思考，提出質(zhì)疑并尋找解決方案，進(jìn)而推進(jìn)探究實(shí)驗(yàn)的開展。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑創(chuàng)新 按照傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)提供雙縮脲試劑（A 液：0.1 g/mL NaOH 溶液，B 液：0.01 g/mL CuSO4溶液）、斐林試劑（甲液：0.1 g/mL NaOH 溶液，乙液0.05 g/mL CuSO4溶液）。本實(shí)驗(yàn)又自行準(zhǔn)備了葡萄糖試劑、酪蛋白試劑、優(yōu)利特尿糖試紙和尿蛋白試紙，可定量測定勻漿液中葡萄糖和蛋白質(zhì)的含量[2]。學(xué)生依據(jù)自己的探究內(nèi)容自行決定是否使用，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。

2 探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的創(chuàng)新

本節(jié)課由學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室通過小組合作方式進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，斐林試劑和雙縮脲試劑使用原理及方法已在新人教版第2 章第1 節(jié)細(xì)胞中的元素和化合物第1 課時(shí)學(xué)習(xí)。教師提供學(xué)生熟悉且易于研磨的生物材料，例如，雞蛋、大蒜、綠豆芽、梨、葡萄、香蕉、黃瓜、西紅柿等。課堂環(huán)節(jié)分3 個(gè)階段，第1 階段驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)操作階段：限時(shí)15 min，學(xué)生6 人一組，每組選擇1 種生物材料分別制成25%、10%、5% 3 種不同濃度的勻漿液，分別測定蛋白質(zhì)與還原糖含量，并完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表。第2 階段驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示、交流和討論：限時(shí)16 min，各小組展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推選1 名學(xué)生發(fā)言陳述本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果及觀點(diǎn)。通過學(xué)生的交流和討論，提出可進(jìn)一步探究的問題。第3 階段開展探究實(shí)驗(yàn)，并交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果。教師旨在組織學(xué)生進(jìn)行討論交流，激發(fā)學(xué)生積極思考，能順利開展探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生既有實(shí)驗(yàn)操作技能的鍛煉，又有探究能力和思維能力的培養(yǎng)。探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程如圖1。

圖1 探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程圖

2.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)果交流及討論 各小組展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并匯報(bào)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論和質(zhì)疑。表1 匯總了其中3 個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)記錄及發(fā)表的觀點(diǎn)。學(xué)生通過觀察不同勻漿液顏色變化差異，提出質(zhì)疑，并給出合理的解決方法，激發(fā)了學(xué)生積極思考。通過各小組交流，學(xué)生認(rèn)識到教材中的檢測方法只能對物質(zhì)進(jìn)行定性檢測，可確定有機(jī)物的種類不能確定有機(jī)物的含量。學(xué)生提出的質(zhì)疑：不同濃度勻漿液顏色變化的差異可能與物質(zhì)含量有關(guān)？勻漿液未出現(xiàn)明顯的顏色變化，不一定是不含此物質(zhì)，可能與物質(zhì)含量過低有關(guān)？需要進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)確定。學(xué)生交流討論后，確定利用尿糖和尿蛋白試紙，快速定量測定出各勻漿液中的有機(jī)物含量，以證實(shí)他們的質(zhì)疑。同時(shí)有學(xué)生提出，可用已知含量的蛋白質(zhì)和葡萄糖配制成不同濃度的溶液，通過對比勻漿液和標(biāo)準(zhǔn)樣液的顏色，確定樣品含量，教師鼓勵這組學(xué)生用葡萄糖試劑和酪蛋白試劑進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。

表1 不同小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)質(zhì)疑

2.2 探究生物組織中蛋白質(zhì)和還原糖含量 尿糖和尿蛋白試紙測定結(jié)果見表2 。各組交流討論后得出：各勻漿液顏色變化的差異，確實(shí)與勻漿液中有機(jī)物含量不同有關(guān)。試紙檢測可得出具體數(shù)據(jù)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。蛋清和綠豆芽用試紙測定含有還原糖，但與斐林試劑反應(yīng)無明顯現(xiàn)象。香蕉、黃瓜與雙縮脲試劑反應(yīng)無紫色，但試紙鑒定其含有少量蛋白質(zhì)。通過數(shù)據(jù)學(xué)生明確斐林試劑和雙縮脲試劑有其測定的濃度范圍，未出現(xiàn)明顯顏色反應(yīng)的生物組織可能是相關(guān)物質(zhì)含量較少；若生物組織中蛋白質(zhì)含量較高，還原糖含量較低時(shí)，雙縮脲試劑可檢測出蛋白質(zhì)，但斐林試劑無法檢測出還原糖存在，反之亦然。試紙法較靈敏，檢測結(jié)果不受蛋白質(zhì)和還原糖含量的相互影響，且含量越低測定結(jié)果越準(zhǔn)確。但試紙測定時(shí)，有的顏色變化介于2個(gè)色卡之間，則不能精確判斷物質(zhì)含量。

表2 不同濃度組織勻漿液蛋白質(zhì)和葡萄糖含量測定（試紙測定）

學(xué)生配制不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液顯色反應(yīng)如圖2 和圖3。1%濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，與相應(yīng)顯色液反應(yīng)，也不能出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)顏色變化，從另一個(gè)角度再次證明，教材提供的實(shí)驗(yàn)方法需要與合適濃度的勻漿液反應(yīng)才能出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)顯色反應(yīng)。通過與不同濃度標(biāo)準(zhǔn)液對比顏色，學(xué)生可粗略估算含量范圍。教師借此機(jī)會介紹比色法測定物質(zhì)含量的原理，可得出更加精確的數(shù)值，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生積極探索的興趣，鼓勵學(xué)生課后收集一些比色法的實(shí)驗(yàn)操作方法，組織生物學(xué)興趣小組學(xué)生，進(jìn)一步開展更加精確地定量探究實(shí)驗(yàn)。

圖2 不同濃度葡萄糖溶液與斐林試劑反應(yīng)

圖3 不同濃度酪蛋白溶液與雙縮脲試劑反應(yīng)

3 進(jìn)一步探究生物組織中蛋白質(zhì)和還原糖含量

教師指導(dǎo)生物學(xué)興趣小組的學(xué)生，通過搜索文獻(xiàn)資料，確定在高中實(shí)驗(yàn)室中可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)方法，分別用雙縮脲試劑法和DNS 比色法定量測定生物組織中蛋白質(zhì)和還原糖的含量[3]。

實(shí)驗(yàn)試劑：干酪素（酪蛋白）、葡萄糖、雙縮脲試劑、DNS 試劑、蒸餾水。

實(shí)驗(yàn)器材：研缽、小刀、紗布、燒杯、分析天平、容量瓶、試管、SP-72 系列比色計(jì)。

實(shí)驗(yàn)原理：1）雙縮脲試劑法：蛋白質(zhì)分子在堿性條件下與Cu2+形成紫色絡(luò)合物，顏色深淺與蛋白質(zhì)濃度成正比，待測樣液、標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)溶液同時(shí)與雙縮脲試劑反應(yīng)，在540 nm 處測定光密度值，繪制蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線即可求出待測樣品的蛋白質(zhì)濃度；2）DNS 比色法測還原糖：3,5－二硝基水楊酸與還原糖共熱后被還原為棕紅色的3-氨基-5-硝基水楊酸。在一定范圍內(nèi)，還原糖的量與棕紅色物質(zhì)顏色的深淺成正比關(guān)系，在540 nm波長下測定光密度值，繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線即可求出樣品中還原糖的濃度[3]。

實(shí)驗(yàn)步驟：1）配制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制酪蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液；2）樣品處理；3）測定標(biāo)準(zhǔn)溶液OD值，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線；4）測定樣品OD值，并計(jì)算樣品含量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：圖4、圖5 是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液測定的OD值，繪制出的標(biāo)準(zhǔn)曲線。表3 是利用測定的樣品OD值，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，計(jì)算得出的樣品百分含量。由表3 可知：蛋清蛋白質(zhì)含量較高為6.39%，大蒜其次為2.27%，二者與雙縮脲試劑反應(yīng)顯色明顯，適合作為定性測定蛋白質(zhì)的材料。香蕉和豆芽中蛋白質(zhì)含量分別為1.04%和0.50%，與雙縮脲試劑反應(yīng)顯藍(lán)色，說明含有少量蛋白質(zhì)。香蕉、梨和葡萄還原糖含量較高，與斐林試劑反應(yīng)均可出現(xiàn)明顯的顏色反應(yīng)。黃瓜和西紅柿還原糖含量分別為2.33%和2.47%，在合適稀釋度下與斐林試劑反應(yīng)可出現(xiàn)磚紅色。

圖4 酪蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線

表3 不同生物組織蛋白質(zhì)和還原糖含量定量測定

4 小結(jié)

生物組織中蛋白質(zhì)和還原糖的測定實(shí)驗(yàn)，比較簡單，很容易開展成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。通過引導(dǎo)學(xué)生觀察比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在共性中找差異，思考原因，調(diào)動學(xué)生積極思維，變驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為探究實(shí)驗(yàn)，通過提供尿糖和尿蛋白試紙，激發(fā)學(xué)生探究興趣并主動參與探究。通過2 種實(shí)驗(yàn)方法的結(jié)果比較分析，學(xué)生體會定性實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)的區(qū)別，在量的變化中了解事物的本質(zhì)。

通過再次定量實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生繪制表格，記錄、處理和分析數(shù)據(jù)的能力，將抽象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過定量數(shù)據(jù)進(jìn)行表述，學(xué)會用數(shù)學(xué)模型解決實(shí)際問題，既培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究能力，又可發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。通過實(shí)驗(yàn)獲得的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料更有說服力，讓學(xué)生了解到不同食物營養(yǎng)物質(zhì)含量有差異，所以，要合理膳食，才能確保營養(yǎng)全面，同時(shí)學(xué)會主動關(guān)注生活，指導(dǎo)自己和他人健康飲食，將所學(xué)知識應(yīng)用于生活，培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任，落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。