魚類脂肪酸提取及甲酯化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

王少琴　胡松

[摘 要] 魚類脂肪酸數(shù)據(jù)測定在魚類營養(yǎng)學(xué)及水生生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用。鑒于在魚類脂肪酸實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大量的重復(fù)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)耗材的大量損耗，且危及學(xué)生的人身安全，因此采用虛擬仿真方法建設(shè)魚類脂肪酸提取及甲酯化操作過程，促進(jìn)教學(xué)過程中原理與操作相結(jié)合，增強(qiáng)教學(xué)過程中學(xué)生的興趣和實(shí)際操作的可觀性。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;脂肪酸提取;脂肪酸甲酯化

[基金項(xiàng)目] 2019年度上海海洋大學(xué)一流本科實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)項(xiàng)目“魚類脂肪酸提取及甲酯化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（A1-2023-18-0003）

[作者簡介] 王少琴（1990—），女，安徽安慶人，上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院工程師，主要從事魚類攝食生態(tài)學(xué)研究;胡 松（1978—），男，安徽祁門人，上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院副院長（通信作者），主要從事物理海洋學(xué)研究。

[中圖分類號] G642.41 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）04-0152-04 [收稿日期] 2021-06-14

一、問題的提出

脂肪酸是由碳、氫、氧三種元素組成的一類有機(jī)物，是中性脂肪、磷脂和糖脂的主要成分。脂肪酸根據(jù)碳?xì)滏滐柡团c不飽和可分為三類，即飽和脂肪酸（saturated fatty acids，SFA），碳?xì)渖蠜]有不飽和鍵;單不飽和脂肪酸（Monounsaturated fatty acids，MUFA），碳?xì)滏溣幸粋€(gè)不飽和鍵;多不飽和脂肪（Polyunsaturated fatty acids，PUFA），碳?xì)滏溣袃蓚€(gè)或兩個(gè)以上不飽和鍵。營養(yǎng)學(xué)和生物臨床醫(yī)學(xué)研究認(rèn)為，脂肪酸在維持人體健康方面具有重要作用，尤其是多不飽和脂肪酸，能夠保持細(xì)胞膜的相對流動(dòng)性，以保證細(xì)胞的正常生理功能;使膽固醇酯化，降低血中的膽固醇和甘油三酯;降低血液黏稠度，改善血液微循環(huán);提高腦細(xì)胞活性，增強(qiáng)記憶力和思維能力[1，2]。

魚油中含有較豐富的多不飽和脂肪酸，如我們平時(shí)說的二十二碳六烯酸和二十碳五烯酸（DHA和EPA）。因此，研究魚類脂肪酸含量，一方面有助于評估魚類的營養(yǎng)價(jià)值[3，4];另一方面了解魚類脂肪酸含量有助于研究魚類的攝食狀況，進(jìn)而了解其在水生生態(tài)系統(tǒng)方面的重大作用[5]。由于魚類脂肪酸提取和甲酯化實(shí)驗(yàn)過程操作復(fù)雜，需要用到大量的有機(jī)化學(xué)試劑，在教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長（一個(gè)實(shí)驗(yàn)過程要2～3天才能完成），實(shí)驗(yàn)耗材和試劑損耗量大，且具有一定的危險(xiǎn)性，因此傳統(tǒng)教學(xué)無法滿足每個(gè)學(xué)生都進(jìn)行魚類脂肪酸測定實(shí)驗(yàn)的操作需求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是通過動(dòng)畫與計(jì)算機(jī)模擬，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象;因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)降低了實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)驗(yàn)成本[6，7]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功應(yīng)用于多領(lǐng)域的教學(xué)實(shí)踐中，如環(huán)境復(fù)雜多變的物理海洋學(xué)實(shí)踐教學(xué)[8，9]。本實(shí)驗(yàn)將魚類脂肪酸提取及甲酯化操作步驟以虛擬仿真建設(shè)呈現(xiàn)出來，旨在讓學(xué)生了解魚類脂肪酸提取和甲酯化原理，學(xué)習(xí)脂肪酸的提取方法，熟練脂肪酸甲酯化步驟。

上海海洋大學(xué)的海洋資源與環(huán)境專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)生物學(xué)、水域環(huán)境學(xué)的基本理論，掌握生物資源調(diào)查評價(jià)、增殖與保護(hù)、海洋環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)、海洋與漁業(yè)管理等方面的基本知識和技能，接受有關(guān)生物學(xué)和化學(xué)的實(shí)驗(yàn)技能、生物資源增殖、資源與環(huán)境調(diào)查實(shí)踐性環(huán)節(jié)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力等方面的訓(xùn)練，使學(xué)生具有生物資源調(diào)查評價(jià)、增殖保護(hù)、海洋環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)、海洋與漁業(yè)管理等方面的基本能力和素質(zhì)。在培養(yǎng)人才過程中，“漁業(yè)資源生物學(xué)”“海洋生物學(xué)”“海洋生態(tài)學(xué)”“魚類硬組織分析方法與數(shù)據(jù)應(yīng)用”“海洋環(huán)境生態(tài)學(xué)”“海洋生物化學(xué)”和“海洋生物地球化學(xué)”等課程均需要進(jìn)行脂肪酸的提取，要求學(xué)生熟練掌握脂肪酸甲酯化步驟。

二、魚類脂肪酸提取及甲酯化實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮O(shè)計(jì)原理

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模呼~類脂肪酸提取及甲酯化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足海洋資源與環(huán)境等本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及部分研究生課程教學(xué)的需要，是對相關(guān)專業(yè)理論教學(xué)的補(bǔ)充。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以更加生動(dòng)及感知的呈現(xiàn)方式，使學(xué)生對真實(shí)理論與虛擬對象進(jìn)行自由交互，了解魚類脂肪酸提取和甲酯化原理，學(xué)習(xí)脂肪酸的提取方法，熟練脂肪酸甲酯化步驟，達(dá)到探索學(xué)習(xí)、協(xié)同學(xué)習(xí)的目的，使其能夠獲得真實(shí)的體驗(yàn)。

設(shè)計(jì)原理：鑒于脂肪酸的沸點(diǎn)高、高溫下不穩(wěn)定易裂解、分析中易造成損失的特性，對脂肪酸進(jìn)行組分分析時(shí)，先將脂肪酸與甲醇反應(yīng)，制備脂肪酸甲酯，降低沸點(diǎn)，提高穩(wěn)定性，然后進(jìn)行氣相色譜分析。本實(shí)驗(yàn)利用三氯甲烷-甲醇法提取脂肪酸，然后用三氟化硼甲醇法將脂肪酸進(jìn)行甲酯化。

三氯甲烷-甲醇法提取脂肪酸的實(shí)驗(yàn)原理：脂肪是甘油和脂肪酸組成的脂類化合物，能溶于脂質(zhì);根據(jù)相似相溶原理，選擇三氯甲烷-甲醇溶液溶解有機(jī)物組織中的脂類物質(zhì)，從而分離出粗脂肪，再利用氫氧化鉀-甲醇溶液脫去甘油，生成脂肪酸。

三氟化硼甲醇法進(jìn)行脂肪酸甲酯化的原理：由于脂肪酸不容易氣化，因此測定時(shí)須先進(jìn)行甲酯化以降低沸點(diǎn)。利用三氟化硼甲醇溶液作為催化劑，可加速脂肪酸甲酯化反應(yīng)。

三、魚類脂肪酸甲酯化虛擬仿真建設(shè)過程

魚類脂肪酸提取及甲酯化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要依托上海海洋大學(xué)國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心、大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及海洋科學(xué)與技術(shù)教學(xué)示范中心等實(shí)體教學(xué)和科研平臺，以魚類營養(yǎng)學(xué)和攝食生態(tài)學(xué)研究專業(yè)為背景，借助現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對魚類脂肪酸提取和甲酯化真實(shí)過程進(jìn)行虛擬化呈現(xiàn)，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合和相互補(bǔ)充的學(xué)習(xí)效果。

（一）建設(shè)模塊

本虛擬仿真項(xiàng)目包含四個(gè)基本模塊：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、課后鞏固和實(shí)驗(yàn)步驟。具體模塊界面如圖1所示。

1.操作前準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)開始前，呈現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)所需所有化學(xué)試劑、耗材、電子天平和高速冷凍離心機(jī)等小型儀器設(shè)備，以及準(zhǔn)備好已經(jīng)冷凍干燥并磨成粉末狀的魚類肌肉組織樣本。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置鼠標(biāo)放置在試劑和耗材圖標(biāo)上，就能顯示該試劑或耗材的專業(yè)名稱以及在本次實(shí)驗(yàn)中的作用，使學(xué)生深刻認(rèn)識本實(shí)驗(yàn)過程，加深對實(shí)驗(yàn)原理的理解。

2.實(shí)驗(yàn)過程。（1）脂肪提取。打開天平電源開關(guān)，打開天平，放置稱量紙，關(guān)閉天平，按去皮。打開天平，用稱量勺取適量粉末于稱量紙中，關(guān)閉天平，讀數(shù)，待天平顯示數(shù)字穩(wěn)定時(shí)再打開天平，將稱量紙中的粉末倒至離心管中，貼好標(biāo)簽。用移液槍取配置好的適量三氯甲烷-甲醇溶液，加入裝有粉末的離心管中，輕輕搖晃均勻并靜置，待20小時(shí)以后再進(jìn)入下一步操作。樣品靜置以充分溶解肌肉組織中的總脂后，此時(shí)脂肪酸溶解于三氯甲烷-甲醇溶液中，須離心提取上清液。具體操作是：打開冷凍離心機(jī)開關(guān)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至5000，調(diào)節(jié)時(shí)間為10分鐘，打開離心機(jī)上蓋，將浸泡的樣品放入冷凍離心機(jī)中，點(diǎn)擊開始按鈕進(jìn)行冷凍離心。待離心完成后，打開離心機(jī)，取出離心管，將上清液倒入干凈的離心管中。用移液槍取適量提前配置好的0.9%的氯化鈉溶液于上清液中，靜置約2小時(shí)后出現(xiàn)化學(xué)分層，用移液槍取下層溶液于干燥的圓底燒瓶中。將圓底燒瓶放置于氮吹儀平板上，打開氮吹儀氣閥，打開壓力閥，進(jìn)行氮吹蒸發(fā)，約1小時(shí)后吹干，得到圓底燒瓶底部黃色部分，即為總脂。（2）脂肪酸甲酯化。在圓底燒瓶中加入適量已經(jīng)配置好的氫氧化鉀-甲醇溶液，充分搖勻后，用夾子夾住圓底燒瓶連接水域回流裝置（水域回流裝置由水浴鍋、冷凝管和導(dǎo)水管組成，冷凝管下進(jìn)上出以達(dá)到對圓底燒瓶中樣品冷凝的效果），水浴加熱5～10分鐘。加入適量三氟化硼甲醇溶液煮沸25～30分鐘。取適量正己烷加入圓底燒瓶中回流萃取2分鐘。取出圓底燒瓶，快速加入適量飽和氯化鈉溶液，充分搖晃混合后倒入干凈消毒的離心管中，靜置分層10～15分鐘。待液體分層后，上層為溶解脂肪酸甲酯的正己烷層，用注射器吸取一定量的上層正己烷層，用濾膜過濾后移入進(jìn)樣瓶中，將進(jìn)樣瓶用標(biāo)簽紙標(biāo)好樣品名稱及編號以待進(jìn)儀器測樣。

3.課后鞏固。課后練習(xí)是為鞏固學(xué)習(xí)效果而安排的檢測辦法，是教學(xué)過程的重要組成部分。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了魚類脂肪酸提取和甲酯化實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)操作過程的課后練習(xí)題，用于鞏固和檢測本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，使學(xué)生進(jìn)一步掌握實(shí)驗(yàn)原理等理論知識。

（二）實(shí)驗(yàn)流程圖

魚類脂肪酸提取和甲酯化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程的呈現(xiàn)主要是為了讓學(xué)生對脂肪酸提取和甲酯化的步驟有整體的感觀認(rèn)識。具體流程如圖2所示。

結(jié)束語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是通過動(dòng)畫與計(jì)算機(jī)模擬，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，通過形象化描述抽象內(nèi)容[10]，提升教學(xué)的直觀性，提高學(xué)習(xí)效果。高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、學(xué)科建設(shè)和產(chǎn)學(xué)研合作方面具有不可替代的作用。脂肪酸提取與甲酯化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從實(shí)驗(yàn)本身來說，可將抽象深?yuàn)W的化學(xué)理論知識變得具體形象，變色和分層的化學(xué)反應(yīng)過程讓學(xué)生肉眼可見，有利于培養(yǎng)學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐動(dòng)手能力。從安全性上說，它降低了實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)驗(yàn)成本，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的危險(xiǎn)程度，使學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的同時(shí)能保證安全。

新世紀(jì)高校人才培養(yǎng)著重于信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，創(chuàng)新高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提升師資隊(duì)伍建設(shè)水平。國內(nèi)“雙一流”建設(shè)高校更著重于通過虛擬仿真平臺提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合、科教融合、產(chǎn)教聯(lián)合的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教育教學(xué)體系，有力促進(jìn)高校提高教學(xué)水平。

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The Virtual Simulation Experiment of Lipid Extraction and Methyl Ester Derivation of Fish

WANG Shao-qina， b， HU Songa， c

（a.College of Marine Sciences， b. Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources， Ministry of Education， c. Experimental Teaching Demonstration Center for Marine Science and Technology， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306， China）

Abstract： The determination of fish fatty acid data plays an important role in studying fish nutrition and aquatic ecosystem. In view of the fact that a large number of repeated organic chemistry experiments in fish fatty acid experimental teaching will lead to a large amount of loss of experimental consumables and endanger the personal safety of students， the virtual simulation method is used to teach the operation process of fish fatty acid extraction and methyl esterification. By this way， we may promote the combination of principle and operation， enhance the students’ interest， and improve the intuitive of practical operation.

Key words： virtual simulation; lipid extraction; lipid methyl ester esterification

1784501186242