关于高中生物实验《检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质
发布：办公室 来源：原创 发布时间：2012年01月09日 阅读次数：0
贵阳一中新世界国际学校 姜再平
[摘要]高中生物人教版新课标教材必修一实验《检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质》是高中生物课程中一个重要的实验，涉及对照实验的思路，斐林试剂和双缩脲的使用方法，制作切片和显微镜观察等基本技能，与探究酶作用的条件等实验有较为密切的联系。在教学实践中，学生对部分知识和操作方法不了解，甚至有的内容连教师也并不是很清楚，如还原性糖有哪些，斐林试剂和双缩脲试剂的使用范围如何，淀粉和碘液的呈色反应等，本文针对这些问题进行分析，以期与同行探讨。
[关键词]生物实验 检测 颜色反应 探讨
1. 什么是还原性糖？
简单的说，还原性糖就是指具有还原性的糖类。主要指分子结构中具有游离的还原性的醛基（半缩醛羟基）的糖。高中生物新课程教材必修一第18页举例指出，还原性糖有果糖和葡萄糖等，人教大纲版教材中指出，还原性糖有葡萄糖、果糖和麦芽糖等。可是在高中化学的有机化学内容中，称不具醛基而含酮基的有机物是没有还原性的，果糖属多羟基酮，分子结构中不具有醛基，为什么也是还原性糖呢？高中阶段所涉及的糖类中，哪些是还原性糖？
分析果糖的分子结构会发现，果糖与葡萄糖互为同分异构体，葡萄糖是典型的还原性糖，果糖在碱性条件下，能发生结构变异成为葡萄糖。此外，果糖分子结构中，与酮基相邻的碳原子上连接着羟基，由于受到相邻碳原子上羟基的影响，使得果糖容易被氧化，导致它也能够与斐林试剂发生作用生成砖红色Cu2O沉淀。因而，果糖可以看做是一种还原性糖。
根据分子结构分析，高中生物教材例举的糖类中，具有还原性的糖有葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、麦芽糖等。
2. 斐林试剂可以在哪些实验中使用？
（1）检测生物组织中的还原性糖
生物组织中的还原性糖可以在水浴加热条件下与斐林试剂发生反应生成砖红色沉淀。
（2）探究酶作用的专一性和高效性
探究酶作用是否具有专一性，常用淀粉酶催化淀粉和蔗糖水解进行对比。探究酶作用是否具有高效性，教材是通过实验“比较过氧化氢在Fe3+、清水和猪肝研磨液等条件下的分解”来进行探究的。这两个实验条件温和，既不影响试剂的性质，也不影响酶的活性，可以选用斐林试剂来检测淀粉或蔗糖是否发生分解生成了还原性糖。
（3）探究温度对酶活性的影响
该实验是一个对照实验，反应体系一般设置为100℃、60℃、0℃三组，通过对比三个温度条件下淀粉被催化分解为还原性糖的情况，来探究酶的活性是否受温度的影响。本实验若选用斐林试剂对实验结果进行检测，在检测的操作中，需要水浴加热，原反应体系的温度将发生改变（60℃、0℃两组将逐渐变为100℃），实验的自变量在此过程中将得不到保持，于是酶的活性也发生了相应的变化。因此该实验不宜选用斐林试剂进行检测。
（4）探究pH对酶活性的影响
原实验设置为三组，过酸（加HCl）、中性、过碱（加NaOH），这样的设置简便，效果对比明显，因为强酸、强碱使酶发生不可逆性失活，预期只有在中性条件下发生反应。本实验不宜选用斐林试剂进行检测，原因主要有两个方面，首先，斐林试剂本身具碱性，加入斐林试剂必然改变各实验组原来的pH，虽然这种改变对最终的实验结果无明显影响，但毕竟自变量发生了变化，减弱了该实验的科学性和说服力。其次，在酸性条件下，Cu（OH）2沉淀溶解，与HCl反应生成CuCl2，斐林试剂失效。
3. 班氏试剂的使用与斐林试剂有何区别？
人教教材选修内容中“血糖的调节”实验中，尿糖的测定所用试剂为班氏试剂，该试剂与斐林试剂在检测还原性糖的原理、现象和结果上都完全一致，都是Cu（OH）2与还原性醛基反应，生成砖红色Cu2O沉淀，但是班氏试剂在使用时不必像斐林试剂那样现配现用。
班氏试剂的配方如下：（1）400ml水中加85g柠檬酸钠和50g无水碳酸钠。（2）500ml热水中加85g五水CuSO4，配制成CuSO4溶液。（3）将CuSO4溶液倒入柠檬酸钠溶液中，搅拌。
从班氏试剂的配方中可以看出，柠檬酸钠和碳酸钠均为弱酸盐，在水中均可水解产生OH-，但柠檬酸钠和碳酸钠为一对缓冲物质，水解产生的OH-数量有限，与CuSO4溶液混合产生的Cu（OH）2浓度相对较低，不易析出沉淀，可长期保存。而当加入还原性糖与Cu（OH）2反应时，由于Cu（OH）2减少，促使反应Cu2+ + 2OH- → Cu（OH）2反应不断进行。由于OH-的减少，又促使柠檬酸钠和碳酸钠进一步水解成OH-，这样就能保证不断生成Cu（OH）2以满足实验反应所需。
4. 双缩脲试剂的显色原理是怎样的？
双缩脲试剂的命名来自双缩脲的合成和化学性质，即把尿素加热至180℃时，2分子尿素脱去一分子NH3，生成一分子的双缩脲，其分子结构中含有两个酰胺键（肽键）。
（尿素） （双缩脲）
双缩脲在碱性溶液中与少量的硫酸铜（CuSO4）溶液作用生成紫红色络合物。
（双缩脲） （紫红色络合物）
故0.1g/mlNaOH溶液0.01g/mlCuSO4溶液合成为双缩脲试剂。可见，分子中只要含有两个或两个以上酰胺键（肽键）的化合物如多肽、蛋白质就能发生这种紫色反应，所以证明蛋白酶催化蛋白质水解的实验不能以双缩脲试剂检测蛋白质来加以判定，原因有两个方面，一方面蛋白质水解产物是多肽，也可以发生紫色反应，另一方面蛋白酶本身也是蛋白质且不会自行水解。
5. 检测脂肪的实验中如何改进切片方法?
教材提供的方案是利用花生种子进行脂肪检测，方法有两种，一种是将花生种子研磨成匀浆，然后滴加苏丹Ⅲ染液或苏丹Ⅳ染液，观察颜色变化，另一种是制作花生子叶临时切片，染色后在显微镜下观察。第二种方法可在显微镜下观察到被染上色的脂肪颗粒，更具有实验价值。但实验过程中学生不太容易观察到脂肪颗粒，主要原因都是由于切片太厚，按教材提供的横切花生子叶的方法获取薄片，对于几乎没有切片基本功的学生来说难度很大。
对花生子叶进行切片，若采取纵切然后撕取的办法，所得薄片几乎只有一层细胞，染色后在显微镜下观察的效果极佳，具体方法为： （1）取浸泡过的花生种子，去掉种皮，分开两片子叶。（2）从子叶外侧边缘下刀，朝向子叶内侧纵切，薄厚均可，注意不要切断。（3）用手捏住切开部分，顺着子叶内侧方向撕取，会发现连带着撕下一层薄膜。（4）用刀片小心切取薄膜，染色后进行观察。
6. 淀粉遇碘液一定显蓝色吗？
教材中本实验对淀粉的检测步骤为：（1）用试管取2ml组织样液，（2）向试管内滴加2滴碘液，观察颜色。此外在实验“探究影响酶活性的条件”中也是使用到碘液。根据高中化学知识和初中生物知识，淀粉遇到碘液显蓝色，可是在生物实验中，并不一定都显蓝色，比如有的淀粉与碘液反应显棕红色。
相关资料表明，多糖与碘液反应所呈现的颜色，与多糖的结构、葡萄糖单元的聚合度（即淀粉所含有的葡萄糖基数）、碘液浓度、反应温度、酸碱性等因素有关。
淀粉与碘液反应呈现颜色，原因是淀粉分子具有螺旋状的卷曲，能使淀粉与碘形成淀粉—碘复合物，因而显示颜色。直链淀粉的分子量一般在1.0×104～2.0×106，由250个～300个葡萄糖分子以α—1,4糖苷键缩合而成，通常平均每6个葡萄糖单位形成一圈螺旋。当碘与淀粉接触时，借助于范德华力，碘分子能进入淀粉分子螺旋中心，被葡萄糖螺旋所束缚，整个淀粉分子可以束缚大量的碘分子，从而形成淀粉—碘复合物，在620nm～680nm波长范围内呈现最大的光吸收率，因而呈蓝色。支链淀粉除了以α—1,4糖苷键形成主链之外，还以α—1,6糖苷键形成支链，支链淀粉的分支长度只有24个～30个葡萄糖基，与碘分子的复合物在530nm～555nm波长范围内呈现最大光吸收率，因而呈红紫色。直链淀粉和直链淀粉的混合物中，支链淀粉所占的比例决定了混合物遇碘液所呈现的颜色，一般表现为蓝紫色。此外，淀粉在某些因素影响下可水解成分子量较小的糊精，糊精和碘分子作用呈现红色或者无色。
多糖的分子大小（葡萄糖聚合度）与碘液的呈色反应可总结如下表：
多糖 | 支链淀粉 | 支链淀粉 | 紫糊精 | 红糊精 | 无色糊精 |
葡萄糖聚合度 | ＞34.7 | 29.3 | 20.2 | 7.4～18.3 | 3.8 |
与碘液呈色 | 蓝色 | 蓝紫色 | 紫色 | 红色 | 无色 |
多糖与碘液的呈色反应除受多糖的分子大小和结构影响外，还与其他诸多因素有关。如放置时间若过长，淀粉可分解为麦芽糖或葡萄糖；若对淀粉和碘液的混合物加热，可破坏淀粉的螺旋结构，使碘离开管道，复合物不显蓝色，或加热使淀粉分解，与碘液反应呈红色；若对淀粉溶液加酸，也可使淀粉分解为糊精等物质，与碘液作用呈现红色；若向淀粉—碘混合液中加入少量汽油或苯等有机溶剂，则易导致I2被萃取而从葡萄糖基螺旋圈的包合中逃逸出来，使混合液蓝色消失，等等。
7. 哪些实验中可以用碘液来检测是否存在淀粉？
（1）探究酶作用的专一性和高效性
探究酶作用的专一性实验，常用淀粉酶催化淀粉和蔗糖水解作对照，预期结果是底物为淀粉的反应体系中淀粉被水解，底物为蔗糖的反应体系中蔗糖不被水解，这样，在两个体系中用碘液检测均不呈蓝色反应，实验结果无法判定。
探究酶的高效性若所用底物为淀粉而不是教材中所例举的过氧化氢，则可以使用碘液检测，根据淀粉—碘复合物的蓝色深浅可以判断淀粉的分解程度。
（2）探究温度对酶活性的影响
如前所述，加热可能会导致淀粉的螺旋结构被破坏，使得碘离开螺旋管道，从而无法形成下碘—淀粉蓝色复合物，也可能导致淀粉分解成糊精等小分子多糖而使混合液呈红紫色。所以在该实验的100℃、60℃、0℃三组反应体系中，使用碘液只能对60℃、0℃两组进行检测， 100℃组的检测需要先将温度降至室温。
（3）探究pH对酶活性的影响
强酸性条件下淀粉可能分解为糊精，淀粉—碘混合液呈红色，强碱性条件下碘液可能发生如下反应：
I2 ＋ 2NaOH ＝ NaIO ＋ NaI ＋ H2O，如此，则碘液失效。
前文已经提到，探究pH对酶活性的影响这个实验结果的检测，也不宜使用斐林试剂。笔者认为，人教新课标教材“探究pH对酶活性的影响”实验需要作出改进，可以考虑的方案是：仍然选择不会改变溶液pH的碘液，但是为了避免碱性条件下碘液失效，可以通过设置不同的酸性条件（如分别向5支试管滴加4滴、3滴、2滴、1滴、0滴5%的HCl来控制不同组的pH），然后通过蓝紫色的深浅对比来分析pH对淀粉酶活性是否有影响，虽然酸性条件也可能使淀粉分解而使混合液呈现红紫色，但影响较小。
参考文献
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