果酒酿造实验探索

２０１３年第４８卷第５期　生物学通报　４３　果酒酿造实验探索　张荣华　李绍元。　（１山西师范大学教师教育学院　山西临汾０４１００４　２山西省晋中市昔阳县中学　山西晋中０４５３００）　摘要　本着“经济、简便、安全、易于操作”的基本原则，对ｋ闻ｘ－易酿造果酒的实验技术进行探　索，从酶的角度深入分析实验原理，通过设置对照组，对果汁发酵产物ＣＯ　和酒精进行检测，　以证明二氧化碳和酒精是果汁经酵母发酵后的产物。研究显示，除了训练学生制作果酒的发　酵技术外．该实验还可以进一步拓展为探究性实验。　关键词　果酒酿造　酶　对照　发酵技术　探究性实验　中国图书分类号：Ｑ一３３　文献标识码：Ｂ　果酒和果醋制作技术是新课标实验教科书生　铬酸钾来检验。　物选修Ｉ“传统发酵技术的应用”中所涉及的技术　在有氧条件下，反应式如下：　之一．旨在通过学生设计实验装置制作果酒和果　酶　醋．掌握传统发酵技术。由于教材中没有明确列出　Ｃ６Ｈ１２０６＋６０２＋６Ｈ２Ｏ—｝６Ｃ０２＋１２Ｈ２０＋能量　实验操作步骤以及技术要点，加之果醋和果酒的　实际上，酵母菌细胞内的葡萄糖要经过许多　制作需要提供新鲜材料，以及学习时间紧张，高中　步骤才产生ｃｏ　、Ｈ　Ｏ并释放能量。其全过程包括　教师几乎不开展这一实验。为此，本着“经济、简　４个部分：糖酵解、丙酮酸氧化脱羧、柠檬酸循环　便、安全、易于操作”的基本原则，开展了酿造果酒　和电子传递链。　的实验探究，以探索利用学生周末或者自习时间，　糖酵解发生在酵母菌胞质溶胶中，参与的酶　在自家厨房、室温条件下制作果酒的简易实验。　有己糖激酶（催化ＡＴＰ和葡萄糖分子的反应，活　化葡萄糖）、葡萄糖磷酸异构酶（使葡萄糖异构为　１　实验原理　果糖）、磷酸果糖激酶（催化ＡＴＰ和果糖一６一磷酸　酵母菌是单细胞的真菌，除了能够分泌胞内　的反应，生成果糖一１—６一二磷酸）、醛缩酶【催化果　酶以外，还能分泌胞外酶（如糖化酶：淀粉酶、麦　糖一１—６一二磷酸裂解为三碳化合物磷酸二羟丙酮　芽糖酶等）进行细胞外消化。利用糖化酶，单个酵　和３一磷酸甘油醛（ＰＧＡＬ）１、丙糖异构酶（使磷酸　母细胞能够将自身环境中的淀粉、麦芽糖等碳水　二羟丙酮转化为ＰＧＡＬ）、ＰＧＡＬ脱氢酶［使ＰＧＡＬ　化合物分解成为葡萄糖，然后将葡萄糖吸收后用　脱氢为ｌ，３二磷酸甘油酸（ＤＰＧＡ），含１个高能　于细胞代谢活动。在有氧条件下酵母菌进行有氧　磷酸键］、磷酸甘油酸激酶（将ＤＰＧＡ的高能磷酸　呼吸，产生水和二氧化碳，并进行大量繁殖；在无　键转移至ＡＤＰ，产生ＡＴＰ和３一磷酸甘油酸）、３一　氧条件下进行酒精发酵，产生酒精和二氧化碳。温　磷酸变位酶（使３一磷酸甘油酸变为２一磷酸甘油　度是影响酵母菌发酵的重要条件，其最适温度是　酸）、烯醇化酶（将２一磷酸甘油酸转化为磷酸烯醇　１８～２５ｑＣ左右．发酵产物中是否有酒精可以通过重　式丙酮酸，含１个高能磷酸键）、丙酮酸激酶（将　主要参考文献　册）．石家庄：河北少年儿童出版社，２００９：６３—６４．　１　中华人民共和国教育部．义务教育生物学课程标准（２０１１年　４　张萍．蚯蚓观察器的制作．生物学通报，２ｏｏ６，４１（５）：６２．　版）．北京，北京师范大学出版社，２０ｔ２：ｌ９—２０．　５徐斌。刘锐，赵好力宝等．蚯蚓的实验室饲养方法研究．食品　２课程教材研究所生物课程教材研究开发中心．义务教育课　研究与开发，２０１０，３１（６）：１８６—１８８．　程标准试验教科书生物学（／ｋ年级上册１．北京：人民教育出　ｆ　Ｅ—ｍａｉｈｚｕｏｓｕｐ＠１２６．ｃｏｒｎ　版社，２ｏｏ１：ｌ４—１５．　王重力３８０５６６４６９＠ｑｑ．ｃｏｒｎ　１　３　刘植义．义务教育课程标准试验教科书，生物学（８年级上　４４　生物学通报　２０１３年第４８卷第５期　磷酸烯醇式丙酮酸转化为２个丙酮酸和２个　ＡＴＰ）。糖酵解过程中，１分子的葡萄糖分解成２分　子的丙酮酸，消耗了２个ＡＴＰ。生成４个ＡＴＰ，净　得２个ＡＴＰ：另有２分子的ＮＡＤ　被还原．产生２　个ＮＡＤＨ和２个Ｈ　。总反应方程式为：　Ｃ　１２Ｏ６＋２ＡＤＰ＋２Ｐｉ＋２ＮＡＤ　２丙酮酸＋２ＡＴＰ＋　２ＮＡＤＨ＋２Ｈ　＋２Ｈ２０　丙酮酸进入线粒体中，在线粒体基质中氧化　脱羧，产生乙酰辅酶Ａ（乙酰ＣｏＡ）并释放ｊ｛＿｛１分　子的ＣＯ：（这是有氧呼吸最早释放出的ＣＯ　），同时　还发生ＮＡＤ　的还原。反应方程式为：　２Ｃ　Ｈ４Ｏ　＋２ＮＡＤ　＋２ＣｏＡ—ＳＨ—｝２乙酰ＣｏＡ＋２ＣＯ，　随后，乙酰ＣｏＡ进入柠檬酸循环（又称三羧　酸循环。Ｋｒｅｂｓ循环）。１分子的乙酰ＣｏＡ经过２次　脱羧反应和４次脱氢反应被彻底分解为２个　ＣＯ２、１个ＡＴＰ、６个ＮＡＤＨ、２个ＦＡＤＨ２。参与的酶　有柠檬酸合成酶（催化草酰乙酸和乙酰ＣｏＡ的反　应）、顺乌头酸酶（催化柠檬酸分子失水形成顺乌　头酸）、异柠檬酸酶（催化顺乌头酸与水结合形成　异柠檬酸）、异柠檬酸脱氢酶（催化异柠檬酸脱氢　和脱羧形成ｏ【一酮戊二酸，并释放１个ＣＯ：）、Ｏｒ．一酮　戊二酸脱氢酶系（包括３个酶和５个辅酶，使　一　酮戊二酸脱氢和脱羧形成琥珀酸ＣｏＡ，并释放１　个ＣＯ　）、琥珀酸硫激酶（使催化琥珀酰ＣｏＡ脱去　ＣｏＡ和高能硫酸键而成琥珀酸）、琥珀酸脱氢酶　（催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸）、延胡索酸酶　（催化延胡索酸与水结合生成苹果酸）、苹果酸脱　氢酶（催化苹果酸脱氢生成新的草酰乙酸，再与新　的乙酰ＣｏＡ分子结合开始新一轮的循环）。此循　环中共有４次脱氢反应，脱下的氢原子以ＮＡＤＨ＋　Ｈ＋和ＦＡＤＨ　的形式进入呼吸链，最后传递给氧，　生成水。　参与三羧酸循环的酶除琥珀酸脱氢酶定位于　线粒体内膜上以外，其余均存在于线粒体基质中。　正是通过琥珀酸脱氢酶，才使三羧酸循环和定位　于线粒体内膜上的电子传递链连接起来。葡萄糖　经过糖酵解和柠檬酸循环而被全部氧化，氧化所　产生的能量一部分储存在ＡＴＰ中，还有一部分保　留在ＮＡＤＨ＋Ｈ＋和ＦＡＤＨ　中的高能电子中，这些高　能电子沿着线粒体上的电子传递链从高能水平向　低能水平传递，最后到达分子氧。在这一过程中释　放的能量通过氧化磷酸化被储存在ＡＴＰ中。　在无氧条件下，酵母细胞进行无氧呼吸以获　取少量能量并维持其生命活动，场所在酵母细胞　基质中。反应式如下：　酶　Ｃ６Ｈｌ２０６＿÷２Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋２ＣＯ２＋能量　无氧条件下，１分子的葡萄糖先是被分解成２　分子的丙酮酸，释放２个ＡＴＰ和少量的［Ｈ］，此过　程同有氧呼吸中的糖酵解。然后，丙酮酸在丙酮酸　脱羧酶的作用下脱羧生成乙醛和二氧化碳，乙醛在　乙醇脱氢酶的作用下，被糖酵解产生的ＮＡＤＨ，还　原为乙醇（酒精）。这个过程没有ＡＴＰ产生。　丙酮酸脱羧酶　乙醇脱氯酶　２Ｃ３Ｈ４０３——　ＣＨ３ＣＨＯ　７—　—　ｃＨ。ｃＨｚ０Ｈ　丙酮酸　乙醛／，　．乙醇　ＣＯｚ　酵母细胞的无氧呼吸又被称为酒精发酵．因　此，其生活的细胞外环境常被称为发酵基质。几乎　所有水果都可以用作果酒制作的发酵基质，但因　不同发酵基质所含碳水化合物的种类和数量各不　相同，酵母菌在不同发酵基质中释放ＣＯ　的速率　就会不同：加之不同发酵基质中有机物的种类和　数量各不相同，就会酿制出不同风味的果酒。本实　验中用到的４种发酵基质，每１００　ｇ可食用水果　中碳水化合物的含量苹果第ｌ、猕猴桃第２、菠萝　第３。最少的为草莓。　２实验材料与用具　１）材料：苹果、菠萝、猕猴桃、草莓。　２）器材：榨汁机、电磁炉、空矿泉水瓶、漏斗、　刀、注射器。　３）药品：７０％的酒精、安琪高活性干酵母等。　３　实验步骤　果酒制作的一般步骤为：　具体步骤为：　１）剔除草莓中有破损的颗粒：　２）将经过挑选的材料用自来水充分洗干净，苹　果和草莓去蒂，菠萝和猕猴桃去皮，用刀切碎待　用：　３）清洗榨汁机、矿泉水瓶、注射器、漏斗等，并　用７０％酒精消毒后晾干；　４）制取酵母菌液。称取２．４　ｇ干酵母粉加入　２０１３年第４８卷第５期　生物学通报　４５　９６　ｍＬ温水中：　５）榨汁。将洗净后切碎的材料分别用榨汁机　榨汁，盛入烧杯中待用。榨汁时加入少许加热煮沸　并冷却的水：　６）装瓶。取４个空矿泉水瓶，贴上标签充当发　酵瓶。将榨好的果汁分别装人其中，为避免果汁沾　到瓶ＦＩ造成杂菌污染，可借助漏斗。同时，另取４　个空矿泉水瓶，装入果汁盖上瓶盖，贴上对照的标　签后放置在冰箱内保存，作为检测ＣＯ：的对照。因　ＣＯ　和酒精的检测不在同一时间内进行，可再取４　个矿泉水瓶，装入果汁盖好瓶盖后放人冰箱内保　存，作为检测酒精的对照：　７）加酵母菌液。用注射器将２　ｍＬ酵母菌液　分别加入４个发酵瓶瓶中．盖上瓶盖，并放置于室　温中避光的地方：　８）放气。据观察，北方春季室温条件下，当天　傍晚发酵瓶中就会有气泡（ＣＯ　）出现；第２天至第　３天各瓶中气体量始有增多；第４天，草莓瓶中的　气体量首先减少；第５天，菠萝瓶中的气体量减　少；第６天，猕猴桃瓶中的气体量减少；第７天苹　果瓶中的气体量减少，此时，４个瓶中均能闻到明　显的酒味。１０　ｄ后４个发酵瓶中都能闻到强烈的　酒味。　４　检测　４．１　ＣＯ：的检测　于第２天至第３天气体量增　多时，选择某一时刻，使用一次性注射器分别抽取　一试管４个对照瓶和４个发酵瓶中的气体。再分　别注入装有澄清石灰水的试管中．观察石灰水的　变化，并作好记录。　４．２酒精的检测　１０　ｄ后将发酵瓶和对照瓶带　入学校进行检测。检测步骤为：取４只试管．用量　筒分别在４个发酵瓶中量取５　ｍＬ发酵液．加入　试管，并贴上相应的标签；再取４只试管，用量筒　分别在４个对照瓶中量取５　ｍＬ果汁．加入试管　并贴上标签；然后，于８个试管的每个试管中滴入　５滴３　ｍｏｌ／Ｌ的ＨｚＳＯ　，振荡混匀，最后滴加常温下　饱和的重铬酸钾溶液５滴，振荡试管，观察颜色变　化并作好记录。　５结果与分析　当将从对照瓶中抽取的气体注人澄清石灰水　时，未见浑浊现象（图１，本文附图见封三）。当将　从发酵瓶中注射器抽取的气体注人澄清石灰水　时，可以观察到石灰水有轻微的浑浊现象（图２）。　由此可以证明果酒发酵中有ＣＯ　生成，即：Ｃ０　确　为果汁经酵母发酵后的产物。　在４个装有果汁（如图３）的试管和４个装有　发酵液的试管（如图５）中滴人浓硫酸后再加重铬　酸钾饱和液，大约１０　ｍｉｎ左右，发酵液便会由重　铬酸钾的橘黄色变为灰绿色（如图６），而装有果　汁的试管颜色未变为灰绿色（如图４）。这一现象　表明发酵液中均有酒精的产生．即酒精确为果汁　经过发酵后的产物。　同时，发酵液也由浑浊变得越来越清晰，瓶底　可见很多沉淀。重铬酸钾（Ｋ　Ｃｒ２０　，又称红矾钾。其　中铬元素的化学价为＋６价，呈橙色，是铬元素的　最高氧化态），易溶于热水，不溶于乙醇。当在试　管中滴加浓硫酸后，浓硫酸被果汁稀释放热，并提　高了果汁的酸性程度，二者都有利于重铬酸钾和　乙醇的反应。加人重铬酸钾饱和液后，饱和液中的　负二价重铬酸根（Ｃｒ２０７２一，铬元素为＋６价）在酸性　环境中被还原为三价的灰绿色铬离子（Ｃｒ２０７２一＋　１４Ｈ　＋６ｅ＝２Ｃ￣　＋７Ｈ２０）；而且，重铬酸钾与浓硫酸　发生反应生成三氧化铬（ＣｒＯ　，红色晶体）。三氧化　铬又称铬酐，与水能生成铬酸（Ｈ：ＣｒＯ　），铬酸中的　六价铬离子也是强氧化剂，酸性环境中也被还原　成三价的灰绿色铬离子（Ｃｒ２０￣一＋８Ｈ＋＋３ｅ＝Ｃｒ３＋＋　４Ｈ２Ｏ）。果汁中的含水量并不高，因此，铬酐就会　与果肉细胞一起沉积在试管底部，形成沉淀。　重铬酸钾本不溶于乙醇，但在酸性环境下，可　以将乙醇氧化成乙酸．而＋６价呈橙红色的重铬酸　钾自身也被还原为呈＋３价灰绿色的硫酸铬．这一　特性常被用来检测司机是否酒驾：　２Ｋ２Ｃｒ２０７（橙色）＋３Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋８Ｈ２Ｓ０４＝２Ｋ２Ｓ０４＋　ＣＨ３ＣＯＯＨ＋２Ｃ￣（ＳＯ４）３（绿）＋１１Ｈ２０　６总结与讨论　以上果酒制作过程中，使用了价格相对低廉　的实验材料和方便易得的实验器材。如苹果是北　方常见水果，在春季，北方大部分地区可以见到猕　猴桃、菠萝以及新上市的草莓，所以实验材料的花　费相对低廉。实验所用器材，如榨汁机、电磁炉、　漏斗、刀等，以及安琪高活性干酵母是现代家庭厨　房必备之品。实验中用到的酒精和检测酒精所需　的药品，也是中学实验室常备药品。整个实验完全　可以在实验室之外的家庭厨房中进行。既节约了　生物学通报　２０１３年第４８卷第５期　初中生对人兽混合胚胎议题的论证能力调查　施　容　范　锴ｚ　陈志伟　（１杭州师范大学生命与环境科学学院　浙江杭州　３１００３６　２杭州第二中学　浙江杭州　３１０００９）　摘要　通过问卷调查的方法对初中学生在社会性科学议题中的论证能力进行了调查。结　果表明，抽样学校学生的论证能力大多处于低论证能力水平。为此建议：重视科学教育中论证　教学；精选论证教学的相关题材；采用多种策略进行论证教学。　关键词　初中生　社会性科学议题　论证能力　中国图书分类号：ＱＧ６３３．９１　文献标识码：Ｂ　科学的进步离不开批判和论证，具有批判和　２０世纪９０年代以后，论证作为一个新兴的　理性质疑精神是科学家的重要特质之一。科学家　研究领域，已经成为科学教育领域的热点问题。美　提出的假设或推论需经历自我论证、说服其他科　国颁布的《国家科学教育标准》指出了科学探究的　学家接受自己的看法、在公开领域发表研究成果、　重点演变为强调“使用证据和策略来发展或修正　呈现于大众面前等４个论证层次。才能成为众人　解释”、“视科学为论证和解释”、“沟通科学解　接受的科学知识¨】］。换言之，科学家提出的理论不　释”，以及“应用实验的结果到科学的论证和解　断地受到挑战或反驳，科学的进步是科学家之间　释”Ｅ３］。虽然我国课程标准中并未直接提出“论　不断对理论进行争论促成的　。因此，论证是科学　证”，但蕴含论证精神的能力指标却有很多，如我　发展的重要基础和过程。　国２０１１年最新颁布的《义务教育生物学课程标　实验成本和时间．又促进了学生对发酵技术技能　的地方，以防止在放气时酒精挥发。　的掌握。在实验室制作果酒的基础上，厨房酿造果　７　拓展　酒步骤有以下改进：　本实验不仅可以训练学生制作果酒的发酵技　１）用干酵母菌替代附着水果表面的野生酵母　术，还可以拓展为探究性实验．探究不同发酵基质　菌，加快了果酒发酵进程；　对酵母菌酿酒产生ＣＯ　速率的影响。在实验前可　２）用空矿泉水瓶替代磨口玻璃瓶做发酵瓶，　让学生预测酵母菌在４种发酵基质中释放Ｃ０，的　费用低廉且做到了废物利用；　速率，然后通过实验来对其假设进行定性检验。注　３）多项措施降低杂菌污染发生概率。如省略　意在“榨汁”和“装瓶”时一定要称取等量的发酵　过滤步骤。一些果酒制作文章都提到了在装瓶前　基质。还可以参考国外生物教材（Ｂｉｏｌｏｇｙ—Ｐｒｉｎｃｉ—　和检测前要使用纱布过滤果汁，但用纱布过滤的　ｐｉｅｓ＆Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｓ＞＞中酵母菌实验的做法　，将发　同时也增加了杂菌污染的机会。考虑到中学实验　酵瓶由空矿泉水瓶换为气球．扎紧气球使其尽可　强调的是定性实验，因此，将过滤步骤省去。以保　能隔绝空气．在一天内进行观察，用卷尺测量气球　证发酵尽量在“自然”状态下进行。放气时可以不　的直径记录相关数据，以便对酵母菌作用于不同　完全打开瓶盖，只需稍稍拧松，立即有气体溢出，　发酵基质所产生的ＣＯ：进行定量研究。　以防止空气或杂菌进入。将果汁装入发酵瓶中时，　主要参考文献　留下ｉ／３的空间用来储存发酵产生的气体，防止　１　陈坤．韦迪兴．对“果酒和果醋的制作”实验的改进．生物学　发酵液溢出而引起的发酵液损失和杂菌污染。实　通报，２００９，４４（５）：５１．　验中用到的水必须是开水冷却至室温，以避免杂　２　陈洁．史永蓉．中美高中生物教材中酵母菌发酵实验比较研　菌混入．和防止高温杀死发酵菌种。　究．新课程研究．２００８，（１０）：１８２—１８４．　最后要注意发酵瓶最好放置在没有阳光照射　（Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｚｈａｎｇｒｈ＠１２６．ｃｏｒｎ）