pH对淀粉酶活性影响实验的再探究

陈九云

1 探究背景

为迎接年度江苏省基础教育青年教师教学基本功大赛，笔者所在的县级市对青年教师进行了选拔赛。本次比赛实验设计与操作技能测试的内容是：利用提供的实验材料（α-淀粉酶、可溶性淀粉溶液）和药品，设计一个实验“探究pH对酶活性的影响”。笔者观察到，老师们拿到课题的第一反应是：“这个实验不好做！”在迫不得已的情况下，参赛教师设计并操作了如下的实验（表1）。

实验结果是1号试管中溶液不变蓝，这与实验预期不相符。因此参赛教师都认为，不能用所给材料“探究pH对淀粉酶活性的影响”。

笔者逐一对这些教师进行访谈，详细了解这些一线教师对本实验的一些看法，具体如下：（1） 碱性条件下，碘液不可用于淀粉的檢测。因为碘会与NaOH反应，产生无色的碘化钠和次碘化钠，失去作为检测试剂的功能，影响对实验结果的判断。（2） 酸性条件下，斐林试剂不可用于检测还原糖。因为斐林试剂的有效成分Cu（OH）2可与HCl反应生成CuCl2，使斐林试剂失去鉴定作用。另外，斐林试剂鉴定还原糖时对温度的要求（50～60℃）也会影响到酶的活性。（3） 酸性条件下淀粉会水解，尤其是高温条件下，水解速度会加快，影响实验结果。这三种看法可从理论上解释参赛老师设计的实验无法获得预期现象的原因。

但是笔者注意到：在上述实验中，质量分数为5%的NaOH溶液和体积分数为5%的HCl溶液用量均达到了2 mL，而整个反应体系的总量约为5 mL。如此多的酸碱用量会不会是影响实验的关键呢？能不能通过降低盐酸和氢氧化钠的用量来优化实验设计呢？笔者从化学计算和实验验证两个方面进行了探究。

2 探究方法

2.1 化学计算溶液的pH

计算1滴体积分数为5%的HCl溶液滴入1 mL某中性溶液中，溶液的pH变为多少？

先计算1 L体积分数为5%的HCl溶液中H+的浓度是多少？

已知温度为20℃，浓度为5%时，盐酸的密度为1.023 g/mL，由于C（HCl物质的量浓度）=n（HCl物质的量）/v（溶液的体积），n（HCl物质的量）=HCl的质量/HCl的相对分子质量=1 000×1.023×5%÷36.5=1.40 mol，所以HCl溶液中H+的浓度C（H+）为1.40 mol/L。

再计算1滴体积分数为5%的HCl溶液滴入1 mL某中性溶液后，H+的浓度是多少？

根据C（H+）·V1=C（H+）′·V2计算（1滴约为0.05ml，滴入后溶液体积的变化忽略不计），将相关数据代入后得到1.40×0.05（1滴）=C（H+）′·1，C（H+）′=0.07 mol/L，pH=-lg0.07=1.15。通过计算可知，向某中性溶液中滴加1滴5%HCl溶液，该溶液的pH约为1.15。

同理计算1滴质量分数为5%的NaOH溶液滴入1 mL某中性溶液中后的pH（已知温度为20 ℃，浓度为5%时，NaOH的密度约为1 g/mL）。因为C（NaOH物质的量浓度）=n（物质的量）/v（溶液的体积），n（物质的量）=NaOH的质量/NaOH的相对分子质量=1×1×5%/40=1.25 mol，所以NaOH溶液中的OH-的浓度C（OH-）为1.25（mol/L）。再由C（OH-）·V1=C（OH-）′·V2，将相关数据代入得1.25×0.05（1滴）=C（OH-）′×1 mL，得到C（OH-）′=0.0625 mol/L，因为pOH=-lg0.0625=1.2，所以pH=14-1.2=12.8。也就是说，向某中性溶液中滴加1滴5%NaOH溶液，该溶液的pH约为12.8。

由化学计算可知1滴5%HCl溶液或5%NaOH溶液滴入1 mL某中性溶液中，溶液的pH就会发生显著的变化，达到pH对淀粉酶活性影响的实验中对pH的要求。因此，在pH对淀粉酶活性影响实验操作中，控制pH时只需要加入1滴HCl溶液或1滴NaOH溶液就可使酶永久失活。

2.2 实验验证

2.2.1 实验步骤

① 加酶液：取3支试管，编号，分别注入1 mL新鲜的淀粉酶溶液。② 调节pH：在1号试管中加入1滴体积分数为5%的HCl溶液；2号试管中加入1滴蒸馏水；3号试管加入1滴5%的NaOH溶液。③ 测pH：用pH试纸测定pH，并记录。④ 加底物：在1、2、3号试管中分别加入2 mL可溶性淀粉溶液，摇匀；均在60 ℃水浴中保温5 min。⑤ 鉴别：将0.1 g/mL的NaOH溶液和0.05 g/mL的CuSO4溶液等量混合，制成斐林试剂；在1、2、3号试管中分别加入2 mL斐林试剂，50～60 ℃水浴加热1 min。

2.2.2 实验结果（表2）

3 研究结果及分析

实验结果显示，用1滴5%的HCl溶液或1滴5%的NaOH溶液处理的淀粉酶催化淀粉水解反应后，用碘液检测皆成深蓝色，用斐林试剂检测结果呈斐林试剂本色（蓝色）。而蒸馏水中对照实验结果显示，滴加碘液不变色，滴加斐林试剂水浴后呈砖红色。这说明1滴5%的HCl溶液和1滴5%的NaOH溶液既可有效地使酶失活，又不影响淀粉及降解产物的正常检测。

碘液鉴定淀粉的有效成分是I2，斐林试剂鉴定还原性糖的有效成分是Cu（OH）2。若反应体系中NaOH量太多，会消耗掉体系中的I2；同样若反应体系中HCl太多，会消耗掉体系中的Cu（OH）2，造成对实验结果的误判。但是通过探究发现减少酸和碱的用量就可有效解决这个难题。

文献资料虽然显示，HCl处理（尤其是高温条件下的HCl处理）会导致淀粉的水解，但笔者通过实验发现：在唾液淀粉酶（37℃）和α-淀粉酶（60℃）的最适温度下，用5%的HCl溶液处理10 min并不会引起淀粉的明显水解。可见淀粉水解是个缓慢的过程，而酶促反应非常迅速，如果在反应体系中大大减少盐酸的用量，则淀粉的水解完全可以忽略不计。

综上所述，高中生物实验中用少量HCl-NaOH溶液处理淀粉酶，探究pH对酶活性的影响可获得理想的实验效果。