[细胞发酵与无细胞发酵差异及

影响酶活性因素探究结题报告]

徐州市第一中学 王小可   张博雅

【摘要】本课题探讨了有关发酵的历史，研究谈论并总结了细胞发酵和无细胞发酵的差异，也探究了影响酶活性的诸多因素。通过第一个实验，发现不同浓度的蔗糖溶液对相同质量的酵母发酵效果是不同的。底物浓度会对发酵效果产生影响，并非是浓度越大效果越好，而是合适的浓度对发酵的效果最佳。第二个实验皮管中的液体之所以会移动，是因为酵母提取液和蔗糖溶液反应。酵母液经过研磨和过滤后不存在活酵母，说明活力物质不需要酵母菌存在，在体外照样可以发挥催化作用。第三个实验发现氯化钠对唾液淀粉酶起促进作用，硫酸铜对其起抑制作用。酶的活力受温度、PH、酶的浓度、底物浓度、激活剂和抑制剂等因素的影响。

【关键词】发酵；细胞；无细胞；激活剂；抑制剂

一、研究背景和目的

早在几千年前，发酵就出现在人们的生活中，人们积累了很多发酵的经验，而人们对发酵奥秘的探索则是经历了漫长的研究和总结。

在诺贝尔奖的获奖名单上，毕希纳是个了不起的人物，他曾因付不起学费而辍学，却最终打开了生物化学的神圣大门。他那个时代，人们对于发酵的认识十分浅显，认为各种发酵物是自然产生的。显微镜问世后，研究人员纷纷对“自然发生说”提出质疑。许多人认为发酵是单纯的化学反应。法国科学家巴斯德发现了发酵过程都是由不同的发酵菌引起的，是一种生物学过程。李比希则认为发酵是一种单纯的化学反应。后来，毕希纳将酶和酵素两个概念合并，解决了关于发酵的争论。之后，关于发酵机理之争层出不穷。毕希纳意外地发现无细胞发酵为现代生物化学研究打开了新的领域。本研究的目的是为了进一步明确细胞发酵与无细胞发酵的差异，找出影响酶活性的因素，更好地利用发酵的相关知识，为生产生活创造便利。

二、  研究过程

实验一：底物浓度对酵母细胞发酵效果的影响探究

1 取0.1克酵母放入离心管加水混匀得到样液，显微镜下观察酵母菌。

2 用橡胶管连接90度导管，导管两端分别插入橡胶塞一孔。60度导

  管插入剩余一孔，两个100毫升塑料瓶连接导管，60度导管下放

  离心管。           

3 配制质量分数为10%、20%、30%的蔗糖溶液。

4 称取4份2克活性干酵母，置于清水、浓度10%、20%、30%的蔗糖溶液中。

5 分别记录不同时段离心管收集的液体体积。

6 整理分析数据

实验二：探究无细胞发酵的过程——复现诺奖经典实验

1将1克活性酵母，置于研钵中，加石英砂研磨。研磨物加水， 取1滴于显微镜下观察，酵母菌细胞多，需重复操作。

2用滤纸过滤酵母混合液，显微镜下检测提取液中是否存在活

   酵母。

3取5支针筒标记，加10毫升清水到塑料瓶，滴颜料混匀。将针

   筒塞拔出，向每个针筒中加入实验要求对应添加物。

4    取5段皮管，皮管内注入染料溶液。

5  将带有液滴的皮管装在针筒上做标记，分别于不同时段记录液滴移动的方向和距离。

实验三：探究影响酶活性的因素

1  准备唾液淀粉酶，吐入100毫升塑料瓶内，加入20毫升蒸馏水。

2  制备1%淀粉制备、1%NaCl溶液制备、6 %NaCl溶液制备、 0.1%

   CuSo4溶液制备、0.75%Na2So4溶液制备

3  取5%卢戈氏碘液置于离心管中，用蒸馏水稀释。

4  添加相应试剂于1-6号离心管。

5  取一小碗，放入30-40度的温水，保持水温。将6支离心管置于

   碗中，计时15分钟。

5    依次用滴管取两滴相应试管反应液滴入1-6号凹槽，再依次加 1滴碘液，记录结果。

三、结果与分析

实验一：底物浓度对酵母细胞发酵效果的影响探究

在实验中，对蔗糖、酵母的称量，实验器材的摆放和安装都要细致入微。一直过了10来分钟四组实验都没有收集到任何液体，只有个别组有瓶内有蔗糖和酵母的混合反应，到了15分钟时，含量10%的蔗糖溶液反应较剧烈，含10%的蔗糖溶液旁的离心管开始收集液体，随后含量20%的蔗糖溶液也开始有液体溢出，而且速度越来越快。30%的蔗糖液与酵母混合液的瓶内也有反应，但30分钟内始终没有液体溢出。不添加蔗糖的清水与酵母混合，反应不明显，也没有收集到任何液体。在实验过程中，10%的蔗糖液体瓶上口出现轻微漏气现象，用医用胶布粘贴后情况好转，但也在一定程度上影响了实验结果。

我们发现不同浓度的蔗糖溶液对相同质量的酵母发酵效果是不同的。最先发生反应和收集到液体的是10%的蔗糖溶液，0-30分钟内，20%的蔗糖溶液反应速度和集液量随着时间的增加而增加。到达30分钟时，浓度为0和30%的蔗糖溶液未收集到液体。10%的蔗糖溶液反应效果是最好的。

实验二：探究无细胞发酵的过程——复现诺奖经典实验

首先把实验所需器材准备好。按照无冰箱或冰袋的情况下使用的操作，对活性酵母进行研磨。之后经过多次在显微镜下观察，发现有极少的酵母细胞后开始制作酵母提取液。酵母提取液为乳黄色的液体，约2毫升的滤液。经过观察，发现2号和4号针管内有气泡。也是这两个皮管内的液体移动距离较大。3号管的液体有回退现象。1号皮管内液体移动不明显。5号皮管内液体先回退后往前移动。

皮管中的液体之所以会移动，是因为酵母提取液和蔗糖溶液反应。酵母液经过研磨和过滤后不存在活酵母，说明活力物质不需要酵母菌存在，在体外照样可以发挥催化作用，会产生发酵现象。

实验三：探究影响酶活性的因素

各种溶液配制好以后分别贴上标签，待配制好碘溶液以后，开始进行酶促反应的实验。将离心管放入温水中等待了15分钟，温度始终保持在30-40度之间。将离心管内溶液和碘液滴在凹槽中，发现凹槽中的液体发生了不同程度的色变。6号离心管内液体和碘液结合，显现的蓝色颜色较深，3号管其次。颜色最浅的是2号管。

通过实验，我发现：6个离心管的溶液反应后的蓝色由浅到深依次为6号管、3号管、4号管、1号管、5号管、1号管。发现氯化钠、硫酸钠对唾液淀粉酶起促进作用。硫酸铜对其起抑制作用。根据实验及材料确认，0.1%的硫酸铜为唾液淀粉酶抑制剂，7.5%硫酸钠溶液为唾液淀粉酶激活剂。

四、结论

通过实验一我们发现：不同浓度的蔗糖溶液对相同质量的酵母发酵效果是不同的。最先发生反应和收集到液体的是10%的蔗糖溶液，0-30分钟内，20%的蔗糖溶液反应速度和集液量随着时间的增加而增加。到达30分钟时，浓度为0和30%的蔗糖溶液未收集到液体。10%的蔗糖溶液反应效果是最好的。但就瓶内反应情况而言，含量为30%的蔗糖溶液瓶内反应大于含量为0的蔗糖溶液。底物浓度会对发酵效果产生影响，并非是浓度越大效果越好，而是合适的浓度对发酵的效果最佳。

通过实验二我们发现：在0-30分钟内，蔗糖浓度为10%和30%的皮管里的液滴向外移动，同时针管内有气泡产生。说明酵母提取液可以进行发酵。酵母液经过研磨和过滤后不存在活酵母，说明活力物质不需要酵母菌存在，在体外照样可以发挥催化作用，会产生发酵现象。质量分数10%的蔗糖溶液和30%的蔗糖溶液发酵情况有区别。10%浓度的蔗糖溶液和酵母汁发酵效果更好，液滴移动距离更大。

通过实验三我们发现：6个离心管的溶液 反应后的蓝色由浅到深依次为6号管、3号管、 4号管、1号管、5号管、1号管。发现氯化钠、硫酸钠对唾液淀粉酶起促进作用。硫酸铜对 其起抑制作用。根据实验及材料确认，0.1%的硫酸铜为唾液淀粉酶抑制剂，氯化钠溶液 为唾液淀粉酶激活剂。酶的本质是蛋白质。产生的、对其底物具有高度特异性和高度催 化效能的蛋白质或RNA。酶是一类极为重要的生物催化剂，由于酶的作用，生物体内的 化学反应在极为温和的条件下也能高效和特异地进行。酶的活力受温度、PH、酶的浓度、 底物浓度、激活剂和抑制剂等因素的影响。

五、实验反思

实验一：该实验整体是成功的，从实验中探究发现了不同浓度的蔗糖溶液对发酵的影响是不同的，并找到了最适宜发酵的蔗糖浓度。

实验二：实验中最难操作的是将皮管安装到针筒上。起初几次都是失败的，经过反复操作，把皮管装在了针筒上，却无法保证液滴的位置相同，数据存在一定误差。

实验三：实验溶液制备不够熟练。硫酸钠组实验最初结果不准确。反复实验，得到唾液淀粉酶的激活剂与抑制剂分别是氯离子和铜离子，硫酸钠组没有明显差异。