探究3酵母菌.doc

探究3】探究酵母菌细胞呼吸的方式
活动目标
1．进行酵母菌细胞呼吸方式的探究。
2．说出酵母菌细胞呼吸的方式。
背景资料 
1．相关知识
（1）活细胞都要进行细胞呼吸。细胞通过细胞呼吸获得生命活动所需的能量和中间产物。细胞呼吸分成两种类型，即有氧呼吸和无氧呼吸。
（2）酵母菌是一种单细胞真菌，在有氧和无氧条件下都能生存，属于兼性厌氧菌。酵母菌取材方便，培养简单，是做细胞呼吸研究的好材料。
（3）检测酵母菌细胞呼吸产物的方法简单易行。
（4）制酒业普遍使用不同的酿酒酵母生产葡萄酒、啤酒等。例如，啤酒生产过程就分为麦芽制造、麦芽汁制造、前发酵、后发酵、过滤灭菌、包装等几道工序。
麦芽的制造  大麦（也正在试验用小麦）浸渍吸水后，在适宜的温度和湿度下发芽，发芽时产生各种水解酶，如蛋白酶、糖化酶、葡聚糖酶等，这些酶可将麦芽本身的蛋白质分解成肽和氨基酸，将淀粉分解成糊精和麦芽糖等。发芽到一定程度，就要中止发芽，经过干燥，制成水分含量较低的麦芽。
麦芽汁的制造  麦芽经过适当的粉碎，加入温水，在一定的温度下，利用麦芽本身的酶，进行糖化，主要是将麦芽中的淀粉水解成麦芽糖。为了降低生产成本，还可以加入一定比例的大米粉作辅料，大米粉先加水煮沸。制成的麦芽醪，用过滤槽进行过滤，得到麦芽汁，将麦芽汁输送到麦芽汁煮沸锅中，将多余的水分蒸发掉，并加入酒花。酒花是一种植物的花，加到啤酒中，可使啤酒带有特殊的酒花香味和苦味，同时，酒花中的一些成分还具有防腐作用，可延长啤酒的保存期。
发酵  麦芽汁经过冷却后，加入酵母菌，输送到发酵罐中。一般先通入少量空气，酵母菌可进行短时间的有氧呼吸，使自身增殖，而后开始发酵。传统工艺分为前发酵和后发酵，分别在不同的发酵罐中进行。现在流行的作法是在一个罐内进行前发酵和后发酵。前发酵主要是利用酵母菌将麦芽汁中的麦芽糖转变成酒精，后发酵主要是产生一些具有特殊风味的物质，除掉啤酒中的异味，并促进啤酒的陈熟。这一期间，需要控制一定的罐内压力，使后发酵中产生的二氧化碳保留在啤酒中。
过滤灭菌  经过两个星期左右的发酵，有些啤酒发酵期可能长达几个月，将啤酒经过过滤，除去啤酒中的酵母菌和微小的颗粒，再经过62 ℃左右的灭菌，然后冷却，啤酒就可以包装。
包装  包装方式主要有瓶装和罐装，还有桶装等。
（5）重铬酸钾可以检测酒精的存在。这一原理可以用来检测司机是否喝了酒。具体做法是：让司机呼出的气体直接接触到载有用硫酸处理过的重铬酸钾或三氧化铬的硅胶（二者均为橙色），如果呼出的气体中含有酒精，重铬酸钾或三氧化铬就会变成灰绿色的硫酸铬。
2．实验原理
（1）在有氧条件下，酵母菌进行有氧呼吸，可以将葡萄糖氧化分解形成二氧化碳和水，并释放能量。在无氧条下，酵母菌进行无氧呼吸，能将葡萄糖转变成酒精和二氧化碳。
酵母菌有氧呼吸：
C6H12O6+6O2+6H2O6CO2+12H2O+能量
酵母菌无氧呼吸：
C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量
（2）检验酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸产生的CO2的量的多少
①将酵母菌两种呼吸方式产生的气体分别通入澄清的石灰水，根据产生的碳酸钙沉淀的多少，即可判断两种方式产生的CO2的量的多少，辨别酵母菌的呼吸类型。反应式如下：
CO2+Ca(OH)2→CaCO3+H2O
有条件的地区可考虑用Ba(OH)2代替Ca(OH)2，现象将更明显。
②将酵母菌两种呼吸方式产生的气体分别通入溴麝香草酚蓝溶液，根据溶液颜色的变化，判断两种方式产生的CO2的量的多少。
溴麝香草酚蓝溶液在pH6．0～7．6的环境中，其颜色随着pH值的降低，将发生由蓝→绿→黄绿→黄的颜色变化。
有氧呼吸释放的CO2多，生成的H2CO3多，使溴麝香草酚蓝溶液由蓝→绿→黄绿→黄的时间短；无氧呼吸释放的CO2相对较少，溴麝香草酚蓝溶液由蓝→绿→黄绿→黄的时间较长。根据溴麝香草酚蓝溶液颜色变化的时间长短，可以比较酵母菌两种呼吸方式中CO2释放量的多少。
（3）检验酵母菌无氧呼吸产生酒精
酵母菌无氧呼吸产生的酒精，在酸性条件下很容易与重铬酸钾反应生成灰绿色的硫酸铬。稀的重铬酸钾溶液为透明的橙色。化学反应式为：
3C2H5OH＋2K2Cr2O7＋8H2SO4=3CH3COOH＋2K2SO4＋2Cr4（SO4)3＋11H2O

制作指南 
1．材料  新鲜酵母（或干酵母），质量分数为5％的葡萄糖溶液。
2．用具  玻璃棒，玻璃导管，试管，研钵，烧杯，量筒，500 mL广口瓶或锥形瓶，胶塞，滴管。
3．试剂  质量分数为10％的NaOH溶液，澄清的石灰水（或Ba（OH）2溶液），蒸馏水，浓硫酸，重铬酸钾晶体，色拉油，溴麝香草酚蓝溶液。
4．操作要点
（1）制备酵母液
取两份新鲜酵母，每份10 g，分别放入两个编好号的500 mL广口瓶或锥形瓶中，再向瓶中分别加入200 mL质量分数为5％的葡萄糖溶液，制成酵母发酵液，简称酵母液。
（2）实验装置
装置1：

      　　质量分数为10%的NaOH溶液　　　酵母液　　　石灰水（或Ba(OH)2溶液）
装置2：

　　酵母液　　　石灰水（或Ba(OH)2溶液） 
（在装置2的酵母液中加一些色拉油，以隔绝空气）
装置3：同装置1或装置2，但要将酵母液换成葡萄糖液。
（3）检测
①使用石灰水（或Ba(OH)2溶液）检测CO2的生成
在室温25 ℃、湿度55%条件下，10 min时，可见装置1中石灰水变混浊，装置2中石灰水刚冒出气泡；20 min时，装置2中石灰水变混浊。
实验现象：比较单位时间内两种装置中石灰水混浊的程度。
可观察到装置1与装置2中的酵母液均有气体产生，并使石灰水变浑浊，但装置1中石灰水的混浊程度（沉淀）多于装置2，装置1中石灰水变混浊的时间早于装置2。装置3中不出现石灰水变混浊的现象。
②使用溴麝香草酚蓝溶液检测CO2的生成
溴麝香草酚蓝溶液的配制：在锥形瓶中加入5 mL质量浓度为10-4 g/mL的溴麝香草酚蓝溶液、100 mL蒸馏水、1滴质量浓度为0．1 g/mL的NaOH溶液。此时溶液为蓝色。
注意：仍使用装置1和装置2，但要将瓶中的石灰水换成溴麝香草酚蓝溶液，按装置图将反应容器连接好，装置1和装置2要同时连通溴麝香草酚蓝溶液。
实验现象：在室温25 ℃、湿度55%条件下，20 min时可见以下现象。
装置1　溴麝香草酚蓝溶液在130 s时由蓝色变成绿色；190 s时变成黄绿色；270 s时变成黄色。
装置2　溴麝香草酚蓝溶液需330 s才变成黄色。

装置3　溴麝香草酚蓝溶液仍为蓝色。
③检测酒精的生成
取3支试管，按装置标号分别给试管标上1、2、3号。向1、2、3号试管中各加入0．1 g重铬酸钾晶体，然后分别向3支试管中小心地加入0．5 mL浓硫酸，振荡试管使晶体溶解，待溶液冷却后备用。在室温25 ℃、湿度55%条件下，20 min时，将装置1和装置2中的酵母液和装置3中的葡萄糖液取出，分别过滤，将滤液盛在3支干净的试管中。各取出2 mL滤液，分别加入1、2、3号试管中，振荡试管。
实验现象：看单位时间内溶液颜色的变化。
1号试管的溶液（即装置1的溶液）橙色略有变化，即有一点灰绿色出现。
2号试管的溶液（即装置2的溶液）由橙色变为灰绿色（在橙色背景中可能显青黄色）。
3号试管的溶液（即装置3的溶液）仍为橙色。
5．需要意的几个问题
（1）各装置的连通管尽量不漏气。
（2）检测酒精生成时，配药后要马上检测。
（3）由于装置简单，不可能形成完全的有氧或无氧条件，因此不排除装置1中有酒精生成。检测酒精生成的实验中，装置1可能出现少许的灰绿色。
（4）注意对照装置3的实验结果。
（5）建议将全班学生分成若干个小组进行实验，每组4～6人。
教学设计
1．提出问题
创设情境：可从工业制酒引入。
围绕学生对酵母菌的了解，以及如何进行酵母菌细胞呼吸的实验展开教学。
2．作出假设
引导学生围绕酵母菌细胞呼吸的两种可能方式进行讨论。
3．设计实验

重点在引导学生思考以下问题。
（1）如何控制实验中的有氧条件和无氧条件？
（2）怎样鉴定细胞呼吸的产物？重点放在如何检测二氧化碳和酒精的生成，如何比较两种呼吸产物的多少。
4．实施计划
同前面的“操作指南”。
5．分析结果
（1）如果在室温25 ℃、湿度55%条件下，安装好装置，一般在实验开始后25 min左右就会出现比较明显的实验现象。
（2）无论是酵母菌的有氧呼吸还是无氧呼吸，都可以检测到二氧化碳的生成。二氧化碳的生成量可依据单位时间内石灰水变混浊的程度来判断。
（3）在酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸的装置中都可以检测到酒精的生成。这是因为在我国目前中学生物实验室的条件下，难以做到让有氧装置中的每一个酵母菌细胞都处于有氧环境中。因此在有氧呼吸装置中也可能有部分酵母菌进行无氧呼吸，产生酒精。
6．得出结论
教师引导学生通过讨论，得出以下结论。
（1）细胞呼吸有两种方式：有氧呼吸和无氧呼吸
（2）细胞的无氧呼吸包括两种形式：生成酒精的无氧呼吸和生成乳酸的无氧呼吸。
7．表达交流
从学生开始进行实验，到得到实验结果，大约需要30 min。实验结束后可以安排时间让学生讨论并整理实验结果，各小组派代表汇报、交流。
评价建议 
1．评价等级分为优、良、及格、不及格四个档次。
2．能较完整地完成探究活动的学生或小组获得“良”以上的成绩。
3．在探究活动的某个环节有创意、有想法，并进行认真思考和实践的学生或小组获得提高一档的评价。

替代方案
1．澄清的石灰水可用Ba(OH)2溶液代替。
2．有条件的学校可使用“密度计法”检测酒精。
密度计法的原理  密度计又叫玻璃浮计，是一种能迅速测定液体密度的仪器。它是一支中空的玻璃浮柱，上部有分度标线，下部为一个装有铅粒的重锤（图6）。密度计是根据阿基米德原理制作的。密度计沉入液体的深浅与液体的密度有关，液体密度愈小，密度计沉入愈深。因此，密度计上的靠上的标度表示较小的密度，靠下的标度表示较大的密度。
密度计有的分重表和轻表两种。重表用于测量密度大于1的液体，轻表用于测量密度小于1的液体。为了能在比较大的范围内精确地测量液体的密度，还有由若干支（如20支）密度计组成的成套密度计，测量的液体密度可从0．700到1．840，但每支密度计的量程很小，只是0．06个单位密度。
测量液体密度时，要把被测液注入长的玻璃筒或量筒中，密度计不能与筒壁和筒底接触。为了避免密度计在液体中上下浮动和左右摇摆，将密度计插入液体时动作要轻，并用手拿好密度计的上端。读数时，视线要与液面保持水平。如果对数据的要求比较严格，还应该同时测量液体的温度，对测得的密度数据进行温度校正。用完密度计，要用水将密度计洗净、擦干，放回盒内。
用密度计进行测量的方法  将两个装置中的酵母液取出，利用蒸馏装置分别蒸馏成液体，然后用密度计法测定哪种液体有酒精产生。