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本刊2024年第12期刊发的《关于检测生物组织中糖类和蛋白质的跨学科探究》一文，基于学生对实验现象的质疑，综合化学反应原理，帮助学生解释现象，引导学生像科学家一样思考，在动手实践中有效落实学生科学探究、科学思维的培养与提升。本期荐读。
关于检测生物组织中糖类和蛋白质的跨学科探究
程珊 （北京市第三中学）
毕诗秀（北京市西城区教育研修学院）
林月明 （北京市第三中学）
关键词
斐林试剂 双缩脲试剂 跨学科探究
“检测生物组织中的糖类和蛋白质”是人教版（2019 年）教材第 2 章“探究实践”中的内容，也是高中生物学教学中必做的实验。该实验依据并落实《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》中模块 1“分子与细胞”核心概念1 的重要概念 1.1“细胞由多种多样的分子组成，包括水、无机盐、糖类、脂质、蛋白质、核酸等，其中蛋白质和核酸是两类最重要的生物大分子”的要求，为帮助学生达成对概念 1 的理解，促进学生生物学学科核心素养的提升，应展开检测生物组织中的还原糖和蛋白质的实验。可溶性还原糖用斐林试剂鉴定，蛋白质用双缩脲试剂鉴定。2 种试剂由 NaOH 和 CuSO4 2 种成分配制而成，但在配比浓度、反应原理、配制方法、用法用量、添加顺序、反应条件、反应现象等方面均存在不同。已有研究指出，2 种试剂可以相互替换使用，双缩脲试剂加入顺序无严格要求，可溶性还原糖的浓度与实验现象有关。2 种试剂替换使用的现象仅有文字描述，对可替换应用的前提条件几乎没有解释；双缩脲试剂加入顺序与几个版本教材中的表述有异；浓度与实验现象相关的范围以及西瓜汁干扰实验结果的程度均鲜有报道。因此在实际教学中，基于学生对实验现象的质疑，笔者带领学生进行了关于上述问题的实验探究，综合化学反应原理，帮助学生解释现象，引导学生像科学家一样思考，在动手实践中有效落实学生科学探究、科学思维的培养与提升。
鉴定试剂均按照教材进行配制，斐林试剂为0.1 g/mL NaOH 溶液和 0.05 g/mL CuSO4 溶液，等量混匀使用（现配现用）；双缩脲试剂为 0.1 g/mLNaOH 溶液（A 液）和 0.01 g/mL CuSO4溶液（B 液）。
探究问题 1：斐林试剂可否替换双缩脲试剂使用？双缩脲试剂的加入顺序是否对实验结果有影响？
实验设计如表 1 所示。
由图 1 可观察到，2 号试管为淡蓝色，3 号试管为深蓝色，4~7 号管均为紫色且颜色没有差异，但 5号试管在加入CuSO4溶液后，会出现乳白色絮状物。8、9号管均为深蓝色，静置一段时间后，上清液为紫色，沉淀物为蓝色沉淀。10~12 号作为对照组，10、11 号呈湖蓝色，12 号呈淡蓝色（图 1-a），静置一段时间后（图1-b），均出现不等量的蓝色沉淀物。
探究问题 2：双缩脲试剂是否可以替换斐林试剂？
实验设计如表 2 所示。
实验结果见图 2。图 2 中，1、4 号试管为空白对照组，加热后，颜色与加热前没有变化。2 号试管呈现红黄色，3 号试管呈现红棕色，5 号试管呈现砖红色，6 号试管呈现浅棕色，试管底部可见少量沉淀。
探究问题 3：可溶性还原糖的浓度是否会干扰实验结果？
实验设计如表 3 所示。
实验结果见图 3。图 3 中，2~4，7、8、11、12 号均出现不同深浅的砖红色；此外，2、7、8 号试管颜色偏黄；5、9、10 号颜色偏浅红棕；13 号试管溶液中可观察到砖红色物质，但整体溶液呈现蓝绿色。
探究问题 4：西瓜汁的颜色对还原糖鉴定的实验结果是否有干扰？
实验设计：实验 1~10 组，分别对照表 3 中的1~10 各个试管进行处理。
实验结果见图 3，除 1、6 号分别为白梨汁和西瓜汁原液与清水混合物，作为原色对照外，其他各试管中均呈现不同深浅的砖红色，其中 2、7、8号试管颜色偏黄，5、9、10 号颜色偏浅红棕。
实验结论及分析
综合上述分析，双缩脲试剂在检验蛋白质的实验中，保证碱性环境是必要环节，必须先添加 A液，与教材所述一致。
图 2 中 3 号试管较 2 号试管更快出现砖红色，随后变成棕红色甚至深棕色。分析原因可能是Cu2O 产量较少，很快被氧化成为黑色的 CuO，颜色迅速覆盖砖红色，呈现出黑色与砖红色的混合颜色。2 号偏黄，6 号呈现浅棕黄色，即从红黄色偏黄到砖红色再到棕红色等一系列不同颜色的变化，可能与 Cu2O 与 CuO 的混合物比例有关。因此笔者不建议利用双缩脲试剂替代斐林试剂使用，不同待测样品反应后颜色有差异，不能直接说明问题，且其中颜色变化原理复杂，学生对于现象的分析存在困难。如果希望代替使用，需进一步探究水浴加热时间、待测样品种类以及鉴定试剂的用量等。
图 3 中的 2~4 号、7~10 号和 11~12 号试管的比较，不能说明可溶性还原糖溶液的浓度与砖红色深浅的相关性。主要原因包括：1）由于溶液进行稀释处理，反应前、后颜色都有所变化，若想要进行比较，需进行变化差异的比较；2）Cu2O 是砖红色沉淀，其颜色的深浅不一定是Cu2O 含量的反映，反应复杂性高 ，可能还包括Cu2+的其他反应产物。由于Cu2+不同反应物的颜色较多变，混合在溶液中将会影响颜色的观察。若其中可溶性还原糖浓度含量过低，如 5、10 和13 号试管稀释倍数过高，就仅能见到少量砖红色沉淀。因此学习过程中，不能通过颜色反应深浅直接判断还原糖浓度与 Cu2O 生成量的相关性，可通过检测 Cu2O 含量，进行定量说明。
从实验结果来看，西瓜汁中主要是西瓜果肉颗粒具有颜色，沸水浴后均以非常浅的西瓜红颗粒悬浮于溶液中。图 3 的 6 号试管比较接近肉眼所见颜色，与 7、8 号因生成 Cu2O 而出现的砖红色沉淀相比，在颜色和沉淀状态上均有差异，说明西瓜汁中的颜色不会干扰实验结果。尤其是稀释 10 倍甚至更多倍数后的西瓜汁溶液，接近淡粉色，与反应结果的颜色变化相差很大。此外，当加入斐林试剂后，溶液颜色会先呈现蓝色，水浴加热后才呈现砖红色，中间态现象的观察也不容忽略。西瓜汁中因可溶性还原糖含量较高，是较好的鉴别材料，但一直碍于原汁颜色干扰的困境，教学中可将榨取的西瓜原液过滤，减少未破碎的果肉颗粒，将原液稀释10~20 倍使用，建议应用于实践时引导学生参与实验现象的剖析。
反思
有机物鉴别实验是高中生物学实验教学的重要开端，可以作为生物学与化学学科联合探究的重要素材。常规教学从原理步骤出发，以观察到预计实验现象为终点，学生对操作步骤、原材料选择、异常现象解释均存在一些误解，对试剂本质差异和原理存在疑问。基于此，教师带领学生围绕发现的问题，检索文献、寻求化学教师的帮助，设计并组织学生开展了一系列创新实验，针对其中的异常现象，运用辩证的思维方式，进一步提出假设，并深入进行跨学科实验探究，最终解决了学生的疑问。在观察、提问、设计实验、实施及对结果讨论和交流的科学探究中，教师不断启迪学生思维，引导学生深化演绎推理，发散思维，创新思路和角度，充分运用思维方法认识并解决实际问题，有效提升了学生的科学素养和关键能力。
本次推送仅节选了文章部分内容，全文阅读详见本刊2024年第12期。欢迎订购！
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