微量化學實驗

楊水平

國立彰化師範大學化學系
[email protected]

微量化學（Microscale chemistry）的發展有兩條主流：一條是與普通化學實驗（酸和鹼、氧化和還原、電化學等）相關，另一條是與有機化學實驗有關。推展到普通化學實驗的想法是使用更簡單的設備，花費比傳統實驗室的玻璃器皿還要便宜，這方面的拓展以埃及的Egerton C. Grey（1928）和Mahmoud K. El-Marsafy（1989）以及在美國的Stephen Thompson等最為著名。這想法被進一步應用是在南非的John Bradley在Radmaste中心研究發展的微型實驗器材，主要是缺乏水電技術服務的發展中國家在學校進行有效的普通化學實驗。引進微量化學在有機化學的合成工作方面，關鍵性的突破是在1983年，由在美國的Dana W. Mayo (Bowdoin College), R. Pike (Merrimack College) 及S. Butcher (Brown University) 開發的有機化學實驗器材及其編寫的專書；以及由Williamson證明經驗不足的學生能夠完成數十毫克的有機合成，這技能以前被認為需要多年的訓練和經驗才能完成。目前，微量化學不僅在普通化學實驗和有機化學實驗中實施，而且推展到無機化學、物理化學、分析化學及生物化學的教學實驗室。^[1-3]

在1989年，化學教育期刊（Journal of Chemical education, JCE）開闢〝微量實驗（Microscale Laboratory）〞的專欄，提供大學和中學在設備、技術和製備實驗方面的大量資料，已成為美國教育現場的主要採用來源，在英國有較小程度的使用，許多國家和機構的工作人員也熱衷採用。在2014年五月創刊，《臺灣化學教育》就開闢〝微型化學實驗〞的專欄，在其他專欄也有出版這類實驗，目前已經出版約20篇微量化學實驗的文章。在1993年美國成立國家微量化學中心（National microscale chemistry center, NMCC），專門開發微量化學實驗，以呼應綠色化學的理念。^{[1, 4]}

n         微量化學的意涵

美國國家微量化學中心提到：如何維持無污染的環境以及如何處理化學廢棄物長久以來已經引起科學家、教育家及社會大眾的重視。成功之道是消除化學廢棄物的來源和減少化學藥品的使用到最低的程度，化學實驗可以有效地進行，稱此為微量化學（Microscale Chemistry）^[1]，或中文翻譯為微型化學、微尺度化學。微量化學是使用少量的化學藥品而沒有影響到教育和工業在化學應用的品質和標準，在進行化學的過程十分關切環境安全和污染防治的方法。^[1] 微量化學是透過三點重要原則來執行：大幅減少（drastically reduced）化學藥品的用量、安全和容易操作的技巧、以及迷你型實驗器皿（miniature labware）和高品質的技能。微量化學無異於全面品質管理（Total Quality Management, TQM）的方式來使用的化學藥品。微量化學是由純粹與應用化學國際聯盟（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）承認為小量化學（Smallscale Chemistry）。^[5]

維基百科提到：微量化學（通常被稱為小量化學）是一種分析方法，也是教學方法，廣泛使用在學校和大學的階段，使用少量化學物質的工作。雖然傳統的化學教學大多使用數克（multi-gramme）的化學藥品，但是微量化學使用數毫克（milligrammes）就足夠。在大學裡，使用現代和昂貴的實驗室玻璃器皿和用於產物檢測和特性的現代方法是很常見的，然而在學校裡和在南半球的許多國家，小量化學的工作常用低成本甚至無成本的材料。^[1]

JCE在1989年開闢的特色專欄，由該專欄編輯Arden P. Zipp提到有機溶劑使用量從數百毫升降到數毫升，但是沒有提到有機藥品或化學藥品的使用量要下降多少毫克或毫升。在器材方面，他提到在高中程度的微量實驗可使用塑膠滴管以及12、24和96個凹槽的反應皿。^[6] Butcher等在JCE提到：學生以前使用10-50克的原料和50-500克的溶劑進行實驗，他們現在可能只用10-150毫克的反應物和1-10克的溶劑在工作。^[7]

美國國家小量化學中心（National Small-Scale Chemistry Center, NSCC）提到：小量化學（small-scale chemistry）是以創新的、全面的、數位化的、人性化的，透明的、定量的和尖端的構想為取向，讓學生參與化學的實驗。它提供有關實驗室教學大多數問題的解決方案。小量化學涉及使用非傳統的方法、裝置及技術，已經在微生物學、分子生物學及奈米技術的研究方面有所開發。小量化學的基本特點是：(1)縮小化學試劑的體積和質量，比傳統的實驗室使用量要小1000倍。(2)在轉移、儲存及反應設備方面，從玻璃器皿轉變為現代化聚合物或塑膠的材料。(3)採用多重樣本觀測工具，讓所有階段快速的和直觀的準備，在氣體、液體及固體中可進行化學系統的變項和比較。雖然它是專為一次性使用和丟棄設計的器材，但是可以回收再使用。全套實驗設備的價格低於美金$10的成本，可透過科學材料公司購買。進行小量化學的所有的設備是非常便宜的。^[8]

綜觀以上，微量化學提到化學藥品的使用量要大幅減少，從數克降到數毫克；使用微型實驗器皿，在學校使用低成本甚至無成本的材料。微量化學也要重視操作的安全和講求高品質的技能。小量化學強調化學實驗使用量下降到傳統的1000倍，這一點無異於微量化學的規範；器材方面強調使用價格便宜的塑膠製品並可回收再利用。

n         微量化學的優點

美國國家微量化學中心提到，微量化學有許多好處：(1)減少化學品的使用促進源頭的廢棄物減少；(2)大大地提高實驗室的安全（如：減少暴露於有毒化學物質，無火災和爆炸危險）；(3)顯著地降低實驗的成本；(4)需要更短的實驗時間；(5)降低玻璃破碎的成本；(6)節省存儲空間；(7)實現極佳的實驗操控技術；(8)提高實驗技能；(9)提供清潔的且生產的環境；(10)促進3R原理：減量（reduce）、回收（recover）及再生（recycle）；(11)創建綠色化學的認知；(12)改變使用化學物質的心理；(13)對身體障礙者友善。這是一個具有成本效益，生產及污染防治的方案。^[5]

維基百科提到，微量化學的優點：(1)節省準備和清理的時間；(2)從源頭上減少藥品的浪費；(3)更安全；(4)降低化學物質和設備來的成本；(5)較小的存儲空間；(6)降低通風系統的依賴；(7)愉快的工作氛圍；(8)較短的反應時間；(9)有更多的時間進行評估和溝通。^[1]

英國皇家化學會的一篇〈Microscale chemistry revisited〉提到，微量方法滿足以下幾點：(1)允許更安全地進行危險的實驗；(2)縮短實驗的時間以致有更多時間用於課堂；(3)降低設備和消耗材料的成本；(4)學生可使用更高濃度的藥品；(5)當拍攝或投影到銀幕時有驚人的視覺效果；(6)降低技術人員準備和清理的時間；(7)減少浪費；(8)顯示相同或更好的定量結果。^[9]

綜觀以上，微量化學的優點實在很多，包括在縮短教學的時間、減少準備和清理的時間、節省實驗成本、降低廢棄物的量、實驗更安全等。

n         微量化學實驗的資源

一、   書籍和網站

微量化學實驗的出版物和網站資源涵蓋有機化學實驗、無機化學實驗、分析化學實驗、普通化學實驗、中學化學實驗、以及其他，如下所述。^[10]

l        有機化學實驗

·       Microscale Organic Laboratory, Dana W. Mayo, R. Pike, and S. Butcher, Wiley, 2nd Edition.

·       Microscale Organic Laboratory: with Multistep and Multiscale Syntheses, Dana W. Mayo, Ronald M. Pike, and Peter K. Trumper, Wiley, 4th Edition.

·       Theory and Practice in the Organic Laboratory with Microscale and Standard Scale Experiments, John A. Landgrebe, Brooks/Cole, 5th Edition.

·       Organic Chemistry Experiments: Microscale and Semi-Microscale, Bruce Campbell, and Monica McCarthy Ali, Brooks/Cole, 1st Edition.

·       Macroscale and Microscale Organic Experiments, Kenneth L. Williamson, Robert Minard, and Katherine M. Masters, DC Heath, 5th Edition.

·       Introduction to Organic Laboratory Techniques, A Microscale Approach, Donald L. Pavia, Gary M. Lampman, George S. Kriz, and Randall G. Engel, Saunders, 2nd Edition.

·       Organic Chemistry Laboratory: Standard and Microscale Experiments, Charles E. Bell, Douglas Taber, and K. Clark, Saunders, 3rd Edition.

·       Experiments in Organic Chemistry: From Microscale to Macroscale, Jonathan S. Nimitz, Prentice Hall, 1st Edition.

·       Experimental Organic Chemistry: A Miniscale & Microscale Approach, John C. Gilbert, and Stephen F. Martin, Cengage Learning, 6th Edition.

·       Experimental Organic Chemistry: A Small Scale Approach, Jr., Mary F. Wilcox Charles F. Wilcox, Prentice Hall, 2nd Edition.

·       Organic Chemistry Laboratory With Qualitative Analysis Standard and Microscale Experiments, Charles E. Bell, K. Clark, and Douglas Taber, Charles E. Bell, K. Clark, and Douglas Taber, 3rd Edition.

·       半微量有機化學實驗，王慶義，International Thomson。

·      有機化學實驗—附微量實驗（上）和（下），廖德章、莊彥和，高立圖書公司。

l        無機化學實驗

·       Microscale Inorganic Chemistry: A Comprehensive Laboratory Experience, Zvi Szafran, Ronald M. Pike, and Mono M. Singh, Wiley, 1st Edition.

l        分析化學實驗

·       微量化學分析 Trace Chemical Analysis，國立成功大學。

·       半微量定性分析化學，施錫龍，大行出版社。

l        普通化學實驗

·       Microscale General Chemistry Laboratory with Selected Macoscale Experiments, Zvi Szafran, Ronald M. Pike, and Judith C. Foster, Wiley, 2nd Edition.

·       Microscale and Selected Macroscale Experiments for General and Advanced General Chemistry: An Innovative Approach, Mono M. Singh, Ronald M. Pike, Zvi Szafran, Wiley, 1st Edition.

·       Microscale Laboratory Manual for General Chemistry, Zvi Szafran,Ronald M. Pike, Judith C. Foster, McGraw-Hill.

·       Chemtrek: Small-Scale Experiments for General Chemistry, Stephen Thompson, Allyn and Bacon

·       普通微量化學實驗，科技圖書。

l        中學化學實驗

·       Microscale Chemistry by Ehrenkranz and Mauch, David Ehrenkranz, and John J. Mauch, Kendall-Hunt.

·       Microscale Chemistry: Experiments in Miniature, John Skinner, Royal Society of Chemistry.

·       Micro Action Chemistry, Vols. I and II, Student Edition and Teachers Edition, Flinn Scientific, Inc.

·       Microscale Gas Chemistry, http://mattson.creighton.edu/Microscale_Gas_Chemistry.html.

·       All Gases, http://mattson.creighton.edu/AllGases.html.

·       Microscale Chemistry, https://goo.gl/x8PMiA.

l        其他

·       Safety Considerations in Microscale Chemistry Laboratories, Ruth A. Hathaway. 1991 Ex-library Edition.

·       Microscale Techniques for the Organic Laboratory, Dana W. Mayo, Ronald M. Pike, and Peter K. Trumper, Wiley, 2nd Edition.

·       Laboratory Manual for Principles of General Chemistry, J.A. Beran, John, Wiley, 2nd Edition.

·       Chemistry in Context Lab Manual, Silberman, American Chemical Society, WC Brown, 7th Edition.

二、   在網路上的微量實驗舉隅

·       Microscale chemistry experiment of chlorine gas, https://www.youtube.com/watch?v=ova4dRk51ZY.

·       Microscale experiments, http://goo.gl/r8Mqec.

·       Microchemuk, http://goo.gl/YJi5YZ. 

·       Microscale chemistry: experiments for schools, http://goo.gl/O2Jz1t.  

·       Microscale chemistry, http://goo.gl/O3lcwK. 

·       Microscale chemistry revisited, http://goo.gl/Wwp2Nl. 

·       Microscale Electrolysis of Copper Chloride, https://www.youtube.com/watch?v=KvW-g1FQV9E. 

·       Micro-scale thermite reaction, https://www.youtube.com/watch?v=wl3ELmnLI_w. 

·       Boyle’s Law Lab, https://www.youtube.com/watch?v=vSFVMJQ4J7U. 

·       Microscale Chemistry: experiments in miniature, http://goo.gl/dmGukW.  

·      創意微型實驗—微型化學環保鞭炮，方金祥，臺灣化學教育，第6期。

·      綠色化學創意競賽：臺灣師大附中學生設計微量的沉澱實驗，廖靜宜、王威傑、周秉滽，臺灣化學教育，第6期。

·      可攜式微型電化學電池與電解實驗教具的製作，廖旭茂、林宸緯、孫妤瑄，臺灣化學教育，第6期。

·      創意微型實驗—簡易環保電解裝置，方金祥，臺灣化學教育，第8期。

·      創意微型實驗—可自動歸零的微型滴定裝置，方金祥、黃琴扉，臺灣化學教育，第8期。

·      創意微型實驗—微型氫能燃料電池，方金祥，臺灣化學教育，第9期。

·      動手動腦學化學：猜猜我是誰—溶液篇，施建輝，臺灣化學教育，第9期。

·      創意微型實驗— 微型鋅銅電池及其在化學教學上的應用，方金祥，臺灣化學教育，第10期。

·      創意微型實驗—微型質量守恆裝置，方金祥，臺灣化學教育，第12期。

·      化學探究教學：融入綠色化學於化學探究課程設計，周芳妃、張永佶、詹莉芬、陳祖望、繆慧娟、林依萱、王琳嘉、林采緹、鄭如芬，臺灣化學教育，第13期。

·      第34屆國際化學奧林匹亞微量實作模組與評量，方泰山、陳玉玲、趙潤隆，科學教育月刊，第254期，91年11月。

·      化學教室活動：維他命C含量的微量測定〔I〕 〔II〕 〔III〕 〔IV〕，蔡亞柏，科學Online – 科技部高瞻自然科學教學資源平台。

·      微量鈷離子的定量，國立臺灣大學化學系普通化學小組。

n         本期專題的文章特色

本期專題〝微量化學實驗〞的開闢，旨在呼應環境保護和愛護地球的理念，開發適用於國中自然科、高中化學科、高工化工科以及大學普通化學的微量化學實驗，提供給現場教學的化學教師參考。為方便教師使用這些微量化學實驗，每一篇文章製作一份學生實驗手冊，教師可立即用於教學。這一期的專題文章計有14篇，其篇名、作者及其特色分述如下：

1.        微量化學實驗╱楊水平教授╱此文為本期專題的領頭文章，描述微量化學的歷史發展和貢獻者、微量化學的意涵、微量化學的優點、微量化學實驗的資源以及本期專題各文章的特色。

2.        誰是口水王—酸鹼性和溫度對澱粉酶催化效率之影響╱張馨云老師和佘瑞琳老師╱本微量實驗使用學生個人的唾液，以配製澱粉酶溶液，探討酸鹼性及溫度對酵素催化效率的影響。作者設計澱粉酶活性測定表，直接影印在投影片上，再襯墊白紙以便呈色更明顯，實驗後清洗並擦拭就可重複使用；需用的藥品和器材均容易取得。

3.        常見食物酵素的微量檢驗╱蘇韋嘉同學、李佳蕙同學及楊水平教授╱作者設計常見食物酵素（澱粉酶、蛋白酶、脂肪酶及氧化氫分解酶）微量檢驗表，影印後放入透明塑膠資料夾內，取代試管和燒杯，不但簡易方便而且不具危險性。本微量實驗降低藥品成本和減少廢棄物，器材可回收再利用，並且減少操作時間，實驗場地不受限制，可以在教室中進行。

4.        常見食物營養成分的微量檢驗╱李佳蕙同學、蘇韋嘉同學及楊水平教授╱作者設計常見食物營養成分微量（碳水化合物╱醣類、蛋白質和胺基酸、酯質╱油和脂）檢驗表，放入透明塑膠資料夾內取代試管和燒杯，以棉花棒和吹風機取代試管和熱水浴，檢驗食品非常多樣。本微量設計不但簡易方便而且不具危險性，降低藥品成本和減少廢棄物，器材可回收再利用，並且減少操作時間，實驗場地不受限制，可以在教室中進行。

5.        酸鹼七彩調色盤的點滴實驗╱周芳妃老師、李盈萱老師及陳靜瑋同學╱本微量實驗使用熱熔膠和投影片製作簡易的調色盤，實驗後擦拭乾淨可回收再利用。使用環保玉米塑膠杯亦可重複使用。本微量實驗利用酸鹼指示劑調配七彩顏色，讓學生欣賞化學變化與多彩顏色的呈現。

6.        小綠綠晶體與藍印術微量實驗╱周芳妃老師、李盈萱老師及陳靜瑋同學╱本微量實驗設計引入「循環經濟」的工業設計精神，達到實驗減廢的功能。本實驗進行草酸鐵鉀晶體的微量合成反應，學習養晶技術，內容涵蓋光化反應、氧化還原反應、離子沉澱反應等。本實驗也講求化學與藝術的結合，完成藍印術的創作，使學生體驗學習化學的精采與樂趣。

7.        電解的微量實驗╱陸冠輝老師╱本實驗透過微型化的實驗設計，改良傳統的電解實驗，達到減量和減廢的目的，符合綠色化學的原則，達到永續地球的目標。本實驗的微量電解包含，水的電解、碘化鉀水溶液的電解、硫酸銅水溶液的電解，使用藥品量約為一般電解的1/50倍。

8.        酸鹼滴定的微量實驗╱黃稜蘊同學和楊水平教授╱本實驗為微量酸鹼滴定，在藥品用量、器材大小、經費花費及時間花費方面比一般滴定更為優勢；本實驗設計的微量滴定管（容量僅2 mL）之精確度與準確度並不亞於一般滴定管，因使用藥品用量非常少而降低實驗的危險性，也降低對環境的污染。

9.        碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定╱黎渝秀老師、簡菀萱同學及范祺展同學╱本實驗開發微量的檢驗方式和氧化還原滴定，以自製的過濾針筒取代傳統濾紙的重力過濾，並以針筒取代傳統的滴定管，操作簡便且時間較短，準確度不亞於傳統滴定。此微量實驗便於課堂上進行。

10.    水的總硬度微量測定╱黃稜蘊同學和楊水平教授╱本實驗為微量錯合滴定，在藥品用量、器材大小、經費花費及時間花費方面的優勢設計比一般滴定好很多，其精確度不亞於一般滴定。此微量滴定因藥品用量少而降低實驗的危險性，也降低對環境的污染。

11.    波以耳定律的微量實驗╱李錡峰老師及楊水平教授╱本微量實驗包含波以耳定律的定性觀察和定量測量。本實驗不需使用化學藥品，因而無汙染物產生、使用的器材不多且容易取得並可回收再使用，實驗操作不具危險性，可在一般的教室或家中進行。

12.    亞佛加厥定律的微量實驗╱李錡峰老師及楊水平教授╱本實驗使用無毒的家用物品和小型的器材，開發亞佛加厥定律的微量實驗。本實驗的器材易於攜帶且可回收再使用，可在一般教室中或在家中進行實驗。

13.    製作五彩焰色試驗棒╱賴亭伶老師和陳斾玎老師╱本實驗以仙女棒的概念出發，透過在線香上附著不同成分金屬鹽類，製作彩色焰色棒，讓學生透過肉眼看到顏色，進而理解煙火的發光原理。為過濾鈉焰色的干擾，本實驗的照片拍攝以藍色玻璃紙包覆相機鏡頭拍攝而成，拍出來照片的焰色與理論一致。

14.    鋁熱反應的微量示範實驗╱林聖揚同學、顧展兆同學及楊水平教授╱一般的化學示範需要以大型和大量的巨觀呈現，以展現視覺的效果。由於鋁熱反應是非常激烈氧化還原反應，本實驗以微量實驗來展現就足以使觀眾驚訝，適合用於化學示範教學。

這一期的13篇專題文章（領頭文章除外）的微量化學實驗，其編號、篇名縮寫、所屬領域（有機化學、無機化學、分析化學、物理化學及生物化學）、適用層級（國中理化、高中化學、高工化學及大學普通化學）及適用場地（實驗室和教室），如表一所示：

表一：專題文章的微量化學實驗分類

n         參考資料

1.        Microscale Chemistry, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Microscale_chemistry.

2.        Microscale Organic Laboratory, Dana W. Mayo, R. Pike, and S. Butcher, Wiley, 2nd Edition.

3.        Microscale Organic Laboratory: with Multistep and Multiscale Syntheses, Dana W. Mayo, Ronald M. Pike, and Peter K. Trumper, Wiley, 4th Edition.

4.        Microscale chemistry – Current use and future opportunities, http://www.eventlink.org.uk/uploads/DOCS2/30-Colin_Gibson_York_14.pdf.

5.        What is Microscale Chemistry? The National Microscale Chemistry Center, http://www.microscale.org/about.asp.

6.        Arden P. Zipp, Introduction to “The Microscale Laboratory”, J. Chem. Educ., 1989, 66 (11), 956. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed066p956.

7.        Samuel S. Butcher, Dana W. Mayo, Ronald M. Pike, Caroline M. Foote, Janet R. Hotham and David S. Page, Microscale organic laboratory: I: An approach to improving air quality in instructional laboratories, J. Chem. Educ., 1985, 62 (2), 147. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed062p147.

8.        What is Small-Scale Chemistry? The National Small-Scale Chemistry Center, http://www.smallscalechemistry.colostate.edu/what_is_ssc.html.

9.        Microscale chemistry revisited, Royal Society of Chemistry, http://www.rsc.org/education/eic/issues/2012May/microscale-chemistry-revisited.asp.

10.    Microscale Publications, The National Microscale Chemistry Center, http://www.microscale.org/publications.asp.

 

微量化學實驗：誰是口水王
—酸鹼性和溫度對澱粉酶催化效率之影響

張馨云、佘瑞琳*

國立臺灣大學化學系
*[email protected]

n  前言

相信大家都有「望梅止渴」，或是看牙醫時，由於口不能閉，而口水一直分泌的經驗。的確，一個人在一天中會因狀況不同而有不同程度的口水分泌，大約每天分泌1到1.5公升至口腔中。唾液腺分泌出來的口水經由管道送到口腔中，它可使我們的口腔保持濕潤、幫忙清潔口腔、潤滑食物使易於吞嚥，同時還具有幫助消化的作用。這是因唾液中含有一種消化酵素，澱粉酶，可以催化澱粉的水解，成為小分子的寡醣或麥芽糖。酵素又稱為酶，在生物體內扮演非常重要的角色。舉凡細胞生長週期的調控、代謝反應、訊息傳導、基因的複製、養分的運送及維持細胞生長等重要功能，都需要酵素的參與。酵素催化反應的選擇性高及催化效率佳，它的本質是具有特殊結構的蛋白質，由於酸鹼性及溫度會影響蛋白質的結構，因此酵素催化反應的效率受環境影響很大。本實驗以極為容易取得的唾液澱粉酶，操作簡易及用量少的點滴實驗，探討酸鹼性及溫度對酵素催化效率的影響^1-3。

n  原理與概念

一、觸媒

化學反應的速率快慢不一，例如：氯化銀之沉澱反應速率很快，但以氮氣及氫氣反應製造氨氣的哈柏法（見式[1]），由於反應之活化能高，於室溫下的反應速率很慢。因此反應過程中常加入適當觸媒以降低反應之活化能、加快反應速率。觸媒又稱催化劑，是一種加到反應系統中，可以參與反應以加快反應速率，而本身不被消耗或轉化的物質。一般依據相態的不同，分為均相觸媒、異相觸媒及生物觸媒（酶或酵素）三大類。以雙氧水的分解反應為例，可以使用均相觸媒KI水溶液、異相觸媒MnO₂固體及生物觸媒過氧化氫酶催化分解反應（見式[2]）。

    [1]

    [2]

酵素是生物體內之催化劑，一般是由蛋白質所組成，具有特殊的立體結構，對反應受質之選擇性高，且在一般體溫的溫度下就有很好的催化效率，而酵素的催化機制可以鎖鑰模式說明（見式[3]）。因此當環境的酸鹼度或溫度改變，酵素的結構發生變化，而影響它的催化效率。

酵素（E）+ 受質（S）® 酵素–受質（ES）® 酵素（E）+ 產物（P）    [3]

二、澱粉酶催化效率測定原理

本實驗使用取自唾液的澱粉酶來催化澱粉水解，成為小分子的寡醣或麥芽糖。由於澱粉與三碘錯離子（I₃^–，褐色）反應會產生藍黑色的錯合物（見圖一），觀察碘試液顏色的變化，即可判斷溶液中澱粉被澱粉酶催化水解之程度。因此將含澱粉及澱粉酶之反應液滴加到碘試液並混合均勻，反應剛開始時因含有澱粉，因此混合後碘試液呈現藍黑色。隨著澱粉酶催化水解反應之進行，混合液中澱粉含量減少而碘試液逐漸轉為紅棕色。最後當反應液中澱粉完全被水解時，混合液呈現碘試液原有之黃棕色（見式[4]）。因此，記錄定量澱粉被完全水解所需的時間（即反應液與碘試液混合，無藍黑色呈現），代表酵素催化反應之速率，水解所需的時間越短者表示酵素的催化效率越高。

    [4]

圖一：澱粉與三碘錯離子形成錯合物

（圖片來源：Starch and Iodine, http://goo.gl/0YHlQ7）

n  藥品、器材與材料

一、藥品

每組用量：0.5％氯化鈉 25 mL、碘試液（1% I₂ / 2% KI） 3～5 mL、2％澱粉溶液 6 mL、pH 7緩衝溶液 4 mL、pH 5和pH 9緩衝溶液 1 mL。

二、器材與材料

每組用量：試管（10 mL） 10支、試管架 1個、乳帽和玻璃滴管（或塑膠滴管） 2支、燒杯（100 mL） 2個、量筒（10 mL）1支、漏斗 1支、玻璃棒 1支、刻度吸量管（2 mL）1支、安全吸球 1個、保麗龍湯杯（200 mL） 2個、溫度計 1個、計時器 1個、碎冰 100 g、投影片及襯墊白紙 1套，如相片一所示。

 

   

相片一：試管和滴管、投影片和襯墊白紙、燒杯、安全吸球和刻度吸量管、計時器以及保麗龍湯杯

三、藥品配製

l  0.5%氯化鈉：秤0.5 g氯化鈉（NaCl）加水至100 g。

l  2%澱粉溶液：秤2 g可溶性澱粉以少量水攪拌成乳狀液，沖加熱水至100 g，煮沸後靜置放冷。

l  碘試液（1%I₂ / 2%KI）：秤1 g碘（I₂）及2 g碘化鉀（KI）加水稀釋至100 g。

l  pH 5緩衝液：秤14.0 g鄰苯二甲酸氫鉀（KHP）及2.7 g碳酸氫鈉（NaHCO₃），加水稀釋至1公升。

l  pH 7緩衝液：秤1.20 g磷酸二氫鈉（NaH₂PO₄）及0.885 g磷酸氫鈉（Na₂HPO₄），加水稀釋至1公升。

l  pH 9緩衝液：6.2 g硼酸（H₃BO₃）及38.1 g硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O），加水稀釋至1公升。

n  實驗步驟

一、唾液澱粉酶活性測定

1.          洗淨烘乾10支試管，放冷後備用；準備一張「澱粉酶活性測定」投影片及襯墊白紙。

2.        配製唾液澱粉酶溶液：經由漏斗收集1 mL唾液於10 mL量筒中，加入0.5%氯化鈉溶液至量筒10 mL標線處以稀釋唾液，並轉置於乾淨的100 mL燒杯中，再加入15 mL的0.5%氯化鈉溶液，以玻璃棒攪拌並混合均勻，此為唾液澱粉酶溶液，如相片二所示。

相片二：配製唾液澱粉酶溶液

3.        準備碘試液：以滴管吸取碘試液，在「澱粉酶活性測定」投影片及襯墊白紙上，於橫向方格內的每格滴入1滴碘試液，預先準備5～10滴碘試液，如相片三所示。

相片三：於投影片上的橫向方格內滴入碘試液

4.        取1 mL之pH 7緩衝溶液置於乾淨試管中，再加入1 mL的2%澱粉溶液，此為反應試液，如相片四所示。

 

相片四：反應試液準備於試管中

5.        以2 mL刻度吸量管（或有刻度的塑膠滴管）量取2 mL唾液澱粉酶溶液，加入於上述反應試液中，立刻以彈震試管方式或以乾淨之玻璃滴管吸排溶液數次，將溶液混合均勻並開始計時，如相片五所示。

 

相片五：以2 mL刻度吸量管量取2 mL唾液澱粉酶溶液

6.        溶液混合後，立即以玻璃滴管取1滴反應液與投影片上1滴碘試液混合顯色。每隔30秒或1分鐘，取1滴反應液與投影片上碘試液混合，隨時間觀察顏色的變化，直到溶液之藍黑色消失呈現碘試液的黃棕色，如相片六所示。

相片六：觀察顏色隨時間的變化

二、酸鹼性對唾液澱粉酶活性之影響

1.        另取2支試管，分別量取1 mL的pH 5和pH 9緩衝溶液，並各加入1 mL之2%澱粉溶液。重複步驟一之5～6操作，測定唾液澱粉酶在不同pH溶液中之催化效率，如相片七所示。

相片七：觀察顏色隨時間的變化

三、溫度對澱粉酶活性之影響

1.        取2個交疊之保麗龍杯，加入碎冰及少量的水。取2支試管，一支裝盛2 mL唾液澱粉酶溶液，另一支裝盛反應試液（含1 mL之pH 7緩衝溶液和1 mL之2%澱粉溶液），同時置於約0℃冰水浴中5分鐘，以溫度計量測反應試液之平衡溫度，如相片八所示。

相片八：冰水浴反應裝置

2.        將唾液澱粉酶溶液倒入反應試液中，迅速混合均勻後將試管置回冰水浴，並立刻開始計時。依照步驟一之5～6，測定澱粉酶之催化效率；測定過程中同時觀察記錄溶液溫度的變化。

3.        經測定10分鐘後，將反應液試管自冰水浴中取出，儘速回復室溫後，再繼續測定觀察5分鐘。

4.        重複步驟1～3，但改為置於80℃以上的熱水及50℃左右的溫水中進行反應。

n  結果與討論

本實驗於臺灣大學普通化學實驗由大一學生實作，發現於pH 7的緩衝溶液中，反應試液與碘試液之呈色反應，從初始含澱粉之藍黑色，至澱粉完全水解後僅呈現碘試液的黃棕色約需時6分鐘；而大部分學生之唾液澱粉酶於pH 7緩衝液中催化水解效率最佳，但也有少部分學生的實驗結果於pH 5或9的條件效果較好。

唾液澱粉酶於冰水浴中與澱粉試液混合，反應約10分鐘，仍未出現明顯顏色變化，顯示低溫下催化活性降低許多；但回復室溫後，澱粉酶會恢復活性，繼續催化澱粉水解，而可觀察到碘試液的顏色變化至呈現黃棕色。若將唾液澱粉酶溶液加熱至80℃以上時，澱粉酶會完全失去催化活性，縱然回復到室溫，依舊無法催化澱粉之水解。這是由於高溫破壞了唾液澱粉酶的結構，使其失去催化活性。然而，若將反應溫度改變為50℃左右，唾液澱粉酶則不會被破壞，反而會因為溫度較高，而提升水解效率。

學生實驗過程中，我們亦發現上午實驗班級之學生，因多未吃早餐，唾液澱粉酶活性較差，催化水解效率不佳，故建議實驗前先進食，且最好是吃含澱粉的食物。

n  注意事項

l  碘試液必須存放於茶色瓶或於瓶身包覆鋁箔紙以避免照光分解。澱粉溶液需新鮮配製或添加防腐劑，以避免久放後長霉變質。

l  澱粉反應試液應懸空滴下以與投影片上碘試液混合，避免滴管碰觸碘試液而致污染。每次點滴測試，均應重新吸取試管內之反應液。

l  若澱粉酶催化反應速率較慢（> 6分鐘），可延長測定觀察時間為每分鐘一次，或可再增加0.5～1 mL唾液於溶液中以增加酵素濃度。

l  若測試之變色時間短於2分鐘，可再增加5～10 mL氯化鈉溶液，以稀釋酵素濃度。

n  教學指引

l  本微量實驗可搭配高中基礎化學（三）之「化學反應速率」或大學普通化學實驗之「化學動力學」課程內容，進行實驗印證。

l  於操作實驗之前，教師可先簡述酵素的本質及其催化活性受酸鹼度和溫度的影響，再說明實驗操作與注意事項（參考臺灣大學化學系普通化學實驗的上課簡報，下載檔案在：http://www.ch.ntu.edu.tw/~genchem99/doc/presentation/searching-for-the-champion-of-saliva-zh.pdf），而後讓學生進行分組操作，實驗可於2小時內完成。

l  教師亦可隨實驗時間安排進行部分實驗，例如僅測試溫度效應。或者可先讓學生閱讀相關資料，思考其他可能影響酵素活性之因素，設計延伸實驗，作為一項探索實驗教材。

l  本微量實驗教師所需準備的藥品和器材均容易取得。部分器材可隨學生年級與實驗環境做彈性調整。例如：玻璃滴管可以改為使用塑膠滴管；2 mL刻度吸量管可以改為使用具有粗略刻度之塑膠滴管；投影片可以改為使用白色陶瓷點滴板；可以加熱板加熱水或使用煮沸之熱水等。

l  本微量實驗之「澱粉酶活性測定表」是直接印在投影片上，再襯墊白紙以讓呈色更明顯；實驗後以擦手紙擦拭、清水清洗擦乾後可重複使用。也可將測定表印在白紙上，上方襯墊投影片，唯當移動時可能格位錯置，記錄結果時須小心。

l  本微量實驗讓學生吐出並吸取各人之唾液以配製澱粉酶溶液，吐口水時雖略感噁心尷尬，但經加入0.5%NaCl稀釋後，口水的黏性消失，即可順利完成實驗。

l  學生經由此實驗結果瞭解個別唾液澱粉酶之催化特性，互相比較實驗結果，可以讓學生瞭解生物體之奧妙，增進學習興趣。

n  結語

本實驗是一個有趣且生活化的實驗。學生以簡易、可重複使用的投影片及滴管，進行藥品用量極少的點滴實驗，其中每毫升碘試液，約可進行30滴次試驗。實驗所使用之唾液澱粉酶極易取得，其他所用藥品毒性低，而且廢液可以直接沖洗至水槽，是一個減廢、減量的學生實驗。另外於投影片上進行簡單的實驗測試，藉由澱粉和三碘錯離子的呈色反應可以定量唾液澱粉酶催化水解反應之效率，瞭解生物觸媒的最適作用pH，以及溫度對酵素催化反應之影響。學生還可延伸此實驗至其他影響因素如溶劑、重金屬、殺菌劑等之影響，進一步認識我們生物體中一直在進行各種生化反應。

n  參考資料

1.        Enzyme Hydrolysis of Starch, http://faculty.mansfield.edu/bganong/biochemistry/spitlab.htm.

2.        Experiment 10 – Enzymes, http://www.laney.edu/wp/cheli-fossum/files/2012/01/10-Enzymes.pdf.

3.        臺灣大學化學系，《大學普通化學實驗》第14版，民國104年9月，臺大出版中心：台北。

n  謝誌

本微量實驗是為臺灣大學暑期化學營的實作實驗而開發，於本校普通化學教學組歷任教師及助教協助下進行修訂與改進，而有各項多媒體教材如教學簡報及網頁教材之呈現，教學資源可參考臺灣大學化學系網頁：http://www.ch.ntu.edu.tw/~genchem99/index.htm。

n  學生實驗手冊

下載本微量實驗的學生實驗手冊—「誰是口水王—酸鹼性和溫度對澱粉酶催化效率之影響」。

 

微量化學實驗：常見食物酵素的微量檢驗

蘇韋嘉、李佳蕙、楊水平*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n  前言

與「食物酵素（又稱酶，enzyme）」有關的高中課程，在102課程綱要的高級中學選修化學提到「生物體中的大分子」的應修內容，和「醯胺基、肽鍵與蛋白質、酵素」的說明；高級中學基礎化學（三）提到「影響反應速率的因素」的應修內容，和「催化反應與催化劑」的說明；並且在高中基礎化學實驗中提到「碘酸鉀與亞硫酸氫鈉的反應速率」的說明。在107新課程綱要（草案）的化學選修中提到「CJe-Ⅴa-4催化劑與酵素的性質及其應用」的學習內容，和「以常見實例說明催化劑與酵素的性質與應用」的說明。無論新舊課程綱要，有關酵素的化學學習內容只有知識面的學習，而沒有催化劑與酵素方面的動手做實驗。

本實驗設計旨在讓學生連結化學到生活中，以動手操作化學實驗體驗生物化學中酵素的奧妙，透過微量實驗的設計，減少廢棄物的產生，建立綠色化學與永續發展的概念。藉由親自操作實驗讓學生了解到生活常見的酵素。現行國外傳統檢驗食物中酵素的方法，大多以大量或少量的方式進行，而非以微量方式展現，藥品使用量大，實驗過程時間長，並且在化學實驗室中進行。因此，我們企圖改善這些缺點，以貼近生活為導向，設計適合於教堂中教學的微量化學實驗。

n  原理和概念

一、  澱粉酶（Amylase）

澱粉分為直鏈澱粉（amylose）和支鏈澱粉（amylopectin）；直鏈澱粉遇到碘分子或三碘離子生成藍紫色的錯合物，如圖一左所示。而支鏈澱粉遇碘試劑（Iodine reagent）呈紫紅色的錯合物。澱粉酶能使澱粉分解成葡萄糖，如圖一右所示。葡萄糖無法使碘液變成藍紫色或紫紅色，而呈現碘液原本的棕色，此與對照組的藍紫色不同，因此呈現棕色視為含有澱粉酶的陽性反應。

 

圖一：澱粉與三碘錯離子形成錯合物（左）；澱粉酶使澱粉分解成葡萄糖的示意圖（右）

（圖片來源：http://goo.gl/0YHlQ7和https://pmgbiology.com/tag/amylase/）

圖二：呈現藍紫色視為陰性反應（左）；呈現碘液原本的棕色視為陽性反應（右）

二、  蛋白酶（Proteases）

在鹼性溶液中，蛋白質或肽鍵與雙縮脲試劑（Biuret reagent）中的Cu²⁺反應而形成紫紅色的複合物，如圖三左所示；呈現的顏色深淺與蛋白質濃度成正比。蛋白質分子較小，呈現淡紫紅色，而分子量較大的則呈現紫色或藍紫色。蛋白酶是生物體內的一種酵素，能分解蛋白質，打斷蛋白質的胜肽鍵成為胺基酸，如圖三右所示。蛋白酶具有嚴格的選擇性，一種蛋白酶只能水解在蛋白質中一定的胜肽鍵上。當蛋白酶分解蛋白質而生成胺基酸，就無法與雙縮脲試劑反應，呈現試劑原本的藍色或紫色變淡，視為含有蛋白酶的陽性反應，如圖四所示。

 

圖三：蛋白質或肽鍵與Cu²⁺反應而形成複合物（左）；蛋白酶水解蛋白質而生成胺基酸（右）

（圖片來源：https://goo.gl/ShV7A6和https://pmgbiology.com/tag/protease/）

圖四：右邊呈現藍色視為含有蛋白酶的陽性反應

三、  脂肪酶（Lipases）

油脂（Oils and Fats）是油與脂肪的合稱，又稱為三酸甘油酯，由脂肪酸和甘油的脫水反應產生而成。脂肪酶能催化脂類的酯鍵的水解反應，使三酸甘油酯分解成甘油單脂和脂肪酸，如圖五左所示。水解反應產生的脂肪酸具有酸性，導致被檢驗的溶液之pH值下降，而使酚紅（phenol red）指示劑呈現黃色。酚紅在pH 8.2以上呈現紅色，在酸在pH 6.8以下呈現黃色，此檢驗的實驗組呈現黃色，視為陽性反應，如圖五右所示，這與對照組的紅色不同。

 

圖五：三酸甘油酯（Triglyceride）分解成甘油單脂（monoglyceride）和脂肪酸（fatty acids）（左）；呈現黃色視為含有脂肪酶的陽性反應（右）

（圖片來源：http://goo.gl/fBhY4cl（左））

四、  過氧化氫分解酶（Catalase）

過氧化氫分解酶催化過氧化氫分解成氧氣和水的酵素，有冒泡的現象（氧氣產生）視為陽性反應，如圖六所示。

圖六：右邊有冒泡的現象視為陽性反應

n  藥品、器材及配製試劑

一、  藥品和器材（全班用量）

吹風機 1支╱兩組、棉花棒 1盒、眼藥水瓶（10-15 mL） 7瓶╱組、塑膠杯 4個、澱粉 少許、蛋白 少許、植物油 少許；配製試劑的藥品及其用量如下所示。

二、  配製試劑（全班用量）

1.        用於澱粉酶（amylase）檢驗，(1)配製0.5％澱粉液：0.5 g的澱粉溶於50 mL的水中，煮成透明狀。(2)碘試劑：直接使用市售優碘（含1%有效碘）。這兩種溶液分裝在6-10個眼藥水瓶中。

2.        用於蛋白酶（proteases）檢驗，(1)配製2.5％蛋白液：溶於1 mL的雞蛋蛋白在40 mL的蒸餾水。(2)配製雙縮脲試劑（Biuret reagent）：取10 g的NaOH，溶於100 mL的蒸餾水中；取1.4 g的CuCl₂·2H₂O溶於100 mL的蒸餾水中。使用時再混合需要的量，此試劑分裝在6-10個眼藥水瓶中。(3)配製0.025 M NaOH：溶解0.10 g的氫氧化鈉在100 mL的蒸餾水中。這三種溶液分裝在6-10個眼藥水瓶中。

3.        用於脂肪酶（lipase）檢驗，(1)配製酚紅指示劑：取0.04 g的酚紅（phenol red）溶解在5.7 mL的0.02 N NaOH，稀釋到100 mL的蒸餾水中。此溶液分裝在6-10個眼藥水瓶中。

4.        用於過氧化氫分解酶（catalase）檢驗，直接使用市售的3% H₂O₂即可。此溶液分裝在6-10個眼藥水瓶中。

n  檢驗表和待測食物

一、   檢驗表

由作者設計的常見食物酵素（澱粉酶、蛋白酶、脂肪酶、過氧化氫分解酶）微量檢驗表，如圖七所示。學生在檢驗前，先填寫待檢驗的食物名稱在表格的左邊空格上，然後放入透明塑膠資料夾內，即可進行食物檢驗。

圖七：各種酵素的檢驗表

二、   待測食物的準備和前處理

1.        準備天然食物或加工食品的待測物，可依教師教學需要或學生常吃的食物來準備，這些待測物可由師生共同準備。

2.        優先準備一些富含特定酵素的食物或加工食品，例如：香蕉、木瓜、番茄、蘋果及藥局販賣的綜合酵素等。

3.        在檢驗前，有些食物或加工食品適合榨成蔬果汁，有些適合切成細小塊，有些適合壓成碎小塊，需要量不多，以方便放在檢驗表的表格內即可。

n  檢驗步驟

一、  澱粉酶（Amylase）

1.        分別在對照組和實驗組的表格內滴加一滴0.5％澱粉液。

2.        以壓汁等方式使待測物成液體狀，或直接使用液體的待測物，在實驗組的表格內滴加一滴待測物，對照組則不加；然後用牙籤均勻攪拌混合液。

3.        等待5分鐘後，分別在對照組和實驗組的表格內滴加一滴優碘，用牙籤均勻攪拌後，觀察兩組顏色變化的差異。若在實驗組的表格內加入碘液後沒有變色（呈現褐色），則表示待測物中含有澱粉酶視為陽性反應，如圖八所示。

圖八：左邊為對照組；右邊為實驗組，呈現褐色表示待測物含有澱粉酶視為陽性反應

二、  蛋白酶（Proteases）

1.        分別在對照組和實驗組的表格內滴加一滴2.5％蛋白液。

2.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式，使各種天然食物或加工食品成為細碎狀或液狀，在實驗組的表格內加上少許待測物，對照組則不加；然後用牙籤均勻攪拌實驗組的混合液。

3.        等待5分鐘後，在對照組和實驗組的表格中，分別滴加一滴雙縮脲試劑。若原來食物中含有蛋白酶，則在實驗組的顏色依舊是藍色視為陽性反應，如圖九所示。

圖九：左邊為對照組；右邊為實驗組，依舊呈現藍色表示待測物含有蛋白酶視為陽性反應

三、  脂肪酶（Lipase）

1.        在實驗組的表格內，滴加一滴植物油，攪拌均勻。

2.        以壓汁等方式使待測物成液狀，或直接使用液體的待測物，分別在對照組和實驗組表格內滴加一滴待測物。

3.        等待5分鐘，再分別加上一滴酚紅指示劑，若在對照組呈現紅色且在實驗組呈現黃色，則表示待測物含有脂肪酶視為陽性反應，如圖十所示。

4.        此時，若發現對照組和實驗組皆呈現黃色，則表示待測物為酸性。則需要使用0.025 M NaOH，調整待測物成為中性或弱鹼性。調整作法：在對照組上，滴加一滴0.025 M NaOH，用牙籤均勻攪拌，若還是呈黃色，再滴加一滴，直到呈現粉色，記下滴數；然後在實驗組上，滴入相同滴數的0.025 M NaOH，攪拌均勻，觀察兩組顏色的差別。若在實驗組呈現黃色，則表示待測物含有脂肪酶視為陽性反應，如圖十所示。

圖十：左邊對照組呈現紅色；右邊實驗組呈現黃色表示待測物含有脂肪酶視為陽性反應

四、  過氧化氫分解酶（Catalase）

1.        分別在對照組和實驗組表格上各滴加二滴3% H₂O_2。

2.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式，使各種天然食物或加工食品成為細碎狀或液體狀，在實驗組上放置待測物。

3.        觀察是否有冒泡的現象。若有冒泡現象，則表示待測物含有過氧化氫分解酶，如圖十一所示。

圖十一：有冒泡現象表示待測物含有過氧化氫分解酶視為陽性反應

n  結果與討論

本實驗檢驗的酵素待測物（食物名稱）有：綜合酵素（購自藥局）、木瓜、香蕉、蕃茄、蘋果、櫻桃、小黃瓜、普洱茶，檢驗結果如圖十二所示。

圖十二：待測食物的酵素檢驗結果（上下兩張）

待測物（如澱粉酶）與反應物（如0.5%澱粉）的反應時間需要等待5分鐘，反應完全才可再滴加檢驗試劑（如碘液），否則檢驗容易失敗。檢驗結果：大部分的蔬菜水果類可觀察到有明顯的氣泡，表示含有過氧化氫酶。在脂肪酶的檢驗方面，原本變成黃色後，經過2分鐘後會變回粉色，其原因有待探討。

待測物呈現陽性反應者如表一所示。陽性反應非常明顯者，以「+++」表示；普通明顯者，以「++」表示；稍微明顯者，以「+」表示：陰性反應者，以「–」表示。

表一：待測物的酵素檢驗結果

根據表一的檢驗結果，所有檢驗的待測物中含澱粉酶者有綜合酵素和香蕉；含蛋白酶者有綜合酵、木瓜·、蕃茄及蘋果；含脂肪酶者有綜合酵素、蕃茄、蘋果及櫻桃；所有水果都含有過氧化氫分解酶，非水果類（綜合酵素和普洱茶）則不含過氧化氫分解酶。

n  廢棄物處理和安全注意事項

l  在配製雙縮脲試劑時，必須注意藥品加入順序，先加氫氧化鈉溶液，再慢慢地加氯化銅溶液。若相反程序加入，則無法充分製造鹼性環境，此時氯化銅會與NaOH發生複分解反應，生成藍色的氫氧化銅沉澱，導致觀察現象不清楚。配製此試劑時一定要邊加入邊攪拌，而且必須新鮮配製，長時間放置易生成氫氧化銅沉澱。

l  檢驗完後，可用衛生紙擦拭檢驗的殘留物，丟棄到一般垃圾統。檢驗表的紙張和擦拭乾淨的塑膠資料夾可回收再利用。

l  檢驗酵素需要等待3~5分鐘，等反應完全才加入檢驗試劑，不宜過急加入，否則檢驗容易失敗。

n  教學提示

l  上課時間：教師實驗解說：約15分鐘，學生分組與領取待測物：約5～10分鐘，學生實驗操作和記錄：約20分鐘。學生資料處理（家庭作業或課堂討論）：約15分鐘。若事前規劃好學生分組與待測物分配，可以節省上課時間約5~10分鐘。

l  本實驗可配合新舊課程綱要的相關學習內容實施，並且可規劃為探索方式或探究導向的實驗活動。

l  教師可以在上實驗課前，分配學生組別，並指定需要攜帶待檢驗的食物種類。

n  結語

酵素為人體維持生命不可或缺的生化反應的催化劑，由於其涉及的生物化學原理深奧，對中小學生難以理解，以致在國內課程綱要中在高中階段提到學生的學習內容僅為簡易的知識面介紹，沒有規範學生操作的化學實驗。然而，在網際網路中，可發現豐富的英文資料，詳細地介紹食物和食品的酵素檢驗，不過這些檢驗絕大部分採用大量或少量的藥品，以致產生多量的廢棄物。透過仔細的設計並經過測試和改良，本微量實驗以檢驗表和透明資料夾取代試管和燒杯，不但簡易方便而且不具危險性，降低藥品成本和減少廢棄物，器材可回收再利用，並且減少操作時間，實驗場地不受限制，可以在教室中進行。期望透過此實驗的操作，讓學生認識自己常吃食物的酵素，也體驗化學與生活的密切關係，並享受操作化學實驗的樂趣。

n  參考資料

1.      Carbohydrate tests, http://goo.gl/oCiYGO.  

2.     雙縮脲試劑，https://zh.wikipedia.org/wiki/雙縮脲試劑。

3.     蛋白酶，https://zh.wikipedia.org/wiki/蛋白酶。

4.     脂肪酶，https://zh.wikipedia.org/脂酶。

5.     Enzyme experiment amylase, starch, iodine, https://goo.gl/xLUZhJ.  

6.     Testing for enzymes, http://goo.gl/J4qAHP.

7.     Enzyme lab – Ex. 4, http://samson.kean.edu/~breid/enzyme/enzyme.html.

8.     Laboratory #5 – Enzymes, http://goo.gl/qUjiRf.  

9.     Digestion and enzymes, http://goo.gl/Zh7O2v.

10.   Digestive enzymes, https://goo.gl/znwoua.  

n  學生實驗手冊

下載本微量實驗的學生實驗手冊—「常見食物酵素的微量檢驗」。

微量化學實驗：常見食物
營養成分的微量檢驗（上）

李佳蕙、蘇韋嘉、楊水平*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n  前言

與「食物營養成分」和「微量化學」有關者，在102課程綱要的高級中學基礎化學（二）提到「生活中的化學」的應修內容，和「簡介化學、化工與日常生活的關係」的說明；並且提到「含碳元素的物質」的主題，「生物體中的有機物質：醣類、蛋白質、脂肪、核苷酸」的應修內容，和「單醣、雙醣、多醣；胺基酸及其結構、蛋白質；脂肪酸、三酸甘油酯；核苷酸的構造及核酸」的說明。在107新課程綱要（草案）的化學選修中提到「CMa-Ⅴa-1 …建立綠色化學與永續發展的概念…」的學習內容；並且提到「CMc-Ⅴa-6生物體中的大分子：多肽、蛋白質、酵素、核酸等。」的學習內容，「6-1 醯胺基、肽鍵與蛋白質、酵素。」的說明。無論新舊課程綱要，有關食物營養成分的化學學習內容只有知識面的學習而沒有提到動手做實驗。

本實驗設計旨在讓學生連結化學到生活中，以動手操作化學實驗體驗生物化學的奧妙，透過微量實驗的設計，減少廢棄物的產生，建立綠色化學與永續發展的概念。藉由親自操作實驗讓學生了解到生活常見的食物所含的重要營養成分。現行國外傳統檢驗食物中碳水化合物、蛋白質及脂肪的方法，大多以大量或少量的方式進行，對於藥品使用量和廢棄物處理是可觀的，而且實驗過程需要花費相當的時間，在化學實驗室中進行。因此，我們企圖改善這些缺點，以貼近生活為導向，設計適合中學教師於課堂中教學的微量化學實驗。

n  原理和概念

一、  碳水化合物⁄醣類（Carbohydrates / Saccharides）

(一)      本氏試驗（Benedict’s test）

本氏試驗用來檢測還原糖的存在與否，還原糖包括單醣：葡萄糖（醛醣）、果糖（酮醣）、半乳糖（醛醣）；雙糖：麥芽糖（醛醣）、乳糖（醛醣）。當還原糖與藍色的本氏試劑（含Cu²⁺）一起加熱時，會產生磚紅色氧化亞銅（Cu₂O）的沈澱物，如式[1]所示。

    [1]

（圖片來源：http://goo.gl/te37Ju）

陽性反應的顏色取決於還原糖的含量，磚紅色（最多）、橙色（多）、綠色（些許）；陰性反應呈現藍色（無還原糖），如圖一所示。

 

圖一：藍色視為陰性反應；綠色、橙色、磚紅色視為陽性反應

（圖片來源：http://goo.gl/te37Ju和http://goo.gl/cBchtE）

(二)      謝氏試驗（Seliwanoff’s test）

謝氏試驗（中文翻譯暫稱）用來區分酮醣與醛醣。在酸性條件下，加熱多醣和寡醣，水解反應生成單醣，酮醣進一步形成5-羥甲基呋喃甲醛（5-hydroxymethylfurfural），然後與兩當量的間苯二酚（resorcinol）進行脫水的縮合反應，產生深櫻桃紅色的分子，如式[2]所示。

    [2]

（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Seliwanoff’s_test）

由於謝氏試劑對酮糖進行縮合反應比醛糖更容易，因此酮糖快速變成櫻桃紅色而被視為陽性反應，對醛糖的反應則較慢，呈現淡粉色被視為陰性反應，如圖二所示。

圖二：無色透明視為陰性反應（左）；櫻桃紅色視為陽性反應（右）

（圖片來源：http://goo.gl/te37Ju）

(三)      碘試驗（Iodine test）

澱粉分為直鏈澱粉（amylose）和支鏈澱粉（amylopectin）；直鏈澱粉遇到碘分子或三碘離子生成藍紫色的錯合物，如圖三左所示。而支鏈澱粉遇碘呈紫紅色的錯合物。藍紫色或紫紅色被視為陽性反應，如圖三右所示。

 

圖三：澱粉與三碘錯離子形成錯合物（左）；棕色視為陰性反應，藍紫色視為陽性反應（右）

（圖片來源：http://goo.gl/0YHlQ7和http://goo.gl/te37Ju）

二、  蛋白質和胺基酸（Proteins and Amino Acids）

(一)      雙縮脲試劑（Biuret test）

在鹼性溶液中，蛋白質或肽鍵與Cu²⁺反應而形成複合物，呈現紫紅色，如圖四所示；而顏色深淺與蛋白質濃度成正比。蛋白質分子較小，呈現淡紫紅色，而分子量較大的則呈現紫色或藍紫色。從淡紫紅色到藍紫色視為陽性反應，藍色視為陰性反應，如圖四所示。

  

圖四：生成的複合物（左）；藍色視為陰性反應，紫紅色或藍紫色視為陽性反應（中和右）

（圖片來源：https://goo.gl/ShV7A6、http://goo.gl/oCmti6及https://goo.gl/ShV7A6）

(二)      寧海準試驗（Ninhydrin test）

寧海準（茚三酮）被廣泛用於檢測一級和二級胺類，尤其是胺基酸。所有胺基酸和與具有游離的α-氨基與寧海準分子反應產生hydrindantin，再與第二個寧海準分子產生藍紫色複合物，只有脯胺酸和羥脯胺酸與寧海準反應產生亮黃色物質。其反應過程如式[3]所示。淡黃色視為陰性反應，亮黃色或紅紫色和藍紫色視為陽性反應，如圖五所示。

    [3]

（圖片來源：http://pms.iitk.ernet.in/wiki/index.php/Amino_acids）

 

圖五：藍紫色（中）和紅紫色（右）視為陽性反應

（圖片來源：http://goo.gl/9Dng6L和https://en.wikipedia.org/wiki/Ninhydrin）

三、  酯質（Lipids / Oil and Fat）

(一)      牛皮紙試驗（Kraft paper test）：棕色的牛皮紙對油脂吸附很明顯，紙上會出現更深的顏色，視為陽性反應，如圖六左和中所示。

(二)      秤量紙試驗（Weighing paper test）：秤量紙是玻璃紙（glassine）做成的，表面平滑而有光澤是由於表面空氣、水及耐油脂所造成的，吸附油脂後透明度增加，視為陽性反應。

(三)      清潔劑試驗（Detergent test）：清潔劑具有親水端和親油端，其作用為包附油脂在親油端中，親水端向外與水互溶，形成膠體溶液，發生乳化作用視為陽性反應，如圖六所示。

  

圖六：牛皮紙出現更深的顏色（左和中）視為陽性反應；加入清潔劑發生乳化作用視為陽性反應，右邊的乳化程度比左邊為高（右）

（圖片來源：http://goo.gl/u48xGl、https://goo.gl/3Q9XJk及http://goo.gl/J3uX5P）

n  藥品、器材及配製試劑

一、  碳水化合物⁄醣類（Carbohydrates）

(一)      藥品和器材（全班用量）

量筒（100 mL） 1支、量筒（10 mL）1支、燒杯（100 mL） 1個、藥勺 1支、秤量紙 2張、電子天平（或攜帶型電子天平） 1台、棉花棒 1盒、吹風機 1支╱兩組、剪刀 1支、眼藥水瓶（10-15 mL） 3瓶╱組、水果刀 1支、各種醣類（如葡萄糖、蔗糖、高果糖糖漿） 少許、澱粉（如玉米澱粉） 少許；配製試劑的藥品及其用量如下所示。

(二)      配製試劑（全班用量，見圖十一）

1.        本氏試劑（Benedict’s reagent）：溶解17.3 g的檸檬鈉（citric acid, C₆H₈O₇）和20 g的碳酸鈉（sodium carbonate, Na₂CO₃）於80 mL的蒸餾水中。另外溶解1.73 g的二合水氯化銅（cupric chloride, CuCl₂·2H₂O）於10 mL的水中。緩慢地加入氯化銅溶液到檸檬鈉和碳酸鈉溶液中，邊加邊攪拌成100 mL的混合溶液。此試劑分裝在6-10個眼藥水瓶中。

2.          謝氏試劑（Seliwanoff’s reagent）：溶解0.3 g的間苯二酚（resorcinol, benzene-1,3-diol）在100 mL的4 M HCl中。此試劑分裝在6-10個眼藥水瓶中。

3.        碘試劑（Iodine reagent）：直接使用市售的優碘（含1%有效碘），分裝在6-10個眼藥水瓶中。

二、   蛋白質和胺基酸（Proteins and Amino Acids）

(一)      藥品和器材（全班用量）

量筒（100 mL） 1支、量筒（10 mL）1支、燒杯（100 mL） 1個、藥勺 1支、秤量紙 2張、電子天平（或攜帶型電子天平） 1台、棉花棒 1盒、吹風機 1支╱兩組、剪刀 1支、眼藥水瓶（10-15 mL） 2瓶╱組、水果刀 1支、容量瓶（100 mL） 2支；配製試劑的藥品及其用量如下所示。

(二)      配製試劑（全班用量，見圖十一）

1.        雙縮脲試劑（Biuret reagent）：取10 g的NaOH，溶於100 mL的蒸餾水中。取1.4 g的CuCl₂·2H₂O溶於100 mL的蒸餾水中。使用時再混合需要的量，此試劑分裝在6-10個眼藥水瓶中。

2.        寧海準試劑（Ninhydrin reagent）：取0.2 g的Ninhydrin，溶於100 mL的乙醇中。此試劑分裝在6-10個眼藥水瓶中。

三、  酯質（Lipids / Oil and Fat）

(一)      藥品和器材（全班用量）

牛皮紙（1.5 cm見方） 5張╱組、秤量紙（1.5 cm見方） 5張╱組、清潔劑 少許、剪刀 1支；待測富含酯質的天然食物和加工食品（可依教師教學需要和學生喜好而準備）；配製試劑的藥品及其用量如下所示。

(二)      配製試劑（全班用量，見圖十一）

1.        牛皮紙（Kraft paper）：剪成1.5公分見方，每組5張。

2.        稱量紙（Weighing paper）：剪成1.5公分見方，每組5張。

3.        清潔劑（Detergent）：一般市售即可，不需要稀釋。

圖十一：裝在眼藥水瓶的各種檢驗試劑，由左而右分別是：本氏試劑、謝氏試劑、碘試劑、雙縮脲試劑、寧海準試劑、牛皮紙、秤量紙、清潔劑

n  檢驗表和待測食物

一、   檢驗表

由作者設計的常見食物營養成分微量（碳水化合物╱醣類、蛋白質和胺基酸、酯質╱油和脂）檢驗表，如圖十二所示。學生在檢驗前，先填寫待檢驗的食物名稱在表格的左邊空格上，然後放入透明塑膠資料夾內，即可進行食物檢驗。

圖十二：常見營養成分的檢驗表

二、   待測食物的準備和前處理

1.        準備天然食物或加工食品待測物，可依教師教學需或學生常吃的食物來準備，這些待測物可由師生共同準備，如圖十三所示。

2.        優先準備一些富含特定營養成分（碳水化合物、蛋白質和胺基酸、油脂）的食物或食品，例如：玉米澱粉、餅乾、雞蛋、植物油、水果、肉類、堅果等。

3.        在檢驗前，有些食物或食品適合榨成蔬果汁，有些適合切成細小塊，有些適合壓成碎小塊，需要量不多，以方便放在檢驗表的表格內即可。

圖十三：天然食物或加工食品待測物之舉例

n  檢驗步驟

一、  碳水化合物⁄醣類（Carbohydrates / Saccharides）

(一)      本氏試驗（Benedict’s test）

1.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式，使各種天然食物或加工食品成為細碎狀，再沾附於棉花棒的棉花上，如圖十四左所示。（必要時，可加入一些水，使食物容易沾附於棉花棒的棉花上。）

2.        滴上一滴本氏試劑在棉花上，再以吹風機的熱風吹棉花棒的棉花進行加熱，如圖十四右所示。若待測物中含有還原醣，則棉花棒上會出現磚紅色的變化。

 

圖十四：待測物沾在的棉花棒，再滴加本氏試劑（左），以吹風機加熱（右）

3.        用剪刀，剪斷棉花棒，取得棉花的部分，放置在檢驗表的適當空格內。

(二)      謝氏試驗（Seliwanoff’s test）

1.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式，使各種天然食物或加工食品成為細碎狀，再沾附於棉花棒的棉花上，如圖十五左所示。（必要時，可加入一些水，使食物容易沾附於棉花棒的棉花上。）

2.        滴上一滴謝氏試劑在棉花上，再以吹風機的熱風吹棉花棒的棉花進行加熱，如圖十五右所示。若食物中含有酮醣，則棉花棒上會出現酒紅色的變化。

 

圖十五：待測物沾在棉花棒上，滴加試劑（左）；謝氏試驗的陽性反應（右）

3.        用剪刀，剪斷棉花棒，取得棉花的部分，放置在檢驗表的適當空格內。

(三)      碘試驗（Iodine test）

1.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式，使各種天然食物或加工食品成為細碎狀，放置待測物於檢驗的合適表格中，如圖十六左所示。

2.        滴加一滴優碘，等待5分鐘，觀察變色變化。若待測物中含有直鏈澱粉，則在待測物上會出現藍黑色，如圖十六右所示。

 

圖十六：待測物放於表格中（左）；碘試驗的陽性反應（右）

二、  蛋白質和胺基酸（Proteins and Amino Acids）

(一)      雙縮脲試驗（Biuret test）

1.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式，使各種天然食物或加工食品成為細碎狀，放置於檢測表的表格中。

2.        滴加一滴雙縮脲試劑，以牙籤輕輕地攪拌，等待幾分鐘後，觀察顏色變化。若是食物中含有蛋白質的成分，則其顏色從淡藍色轉變成紫色。

(二)      寧海準試驗（Ninhydrin test）

1.        以刀切、擠壓、撕開或壓汁等方式，使各種天然食物或加工食品成為細碎狀，放置於檢測表格中。

2.        滴加一滴寧海準試劑，以牙籤輕輕攪拌，等待幾分鐘後，若是食物中含有胺基酸的成分，則其顏色從淡黃色轉變成紫色。

三、  酯質（Lipids）

(一)      牛皮紙試驗（Kraft paper test）

1.        剪裁牛皮紙成為小張紙，其大小比檢驗表的表格大小稍小一點。

2.        放置小張牛皮紙在適當的位置，滴加一滴液狀的待測物，若待測物為固狀，則在牛皮紙上壓碎，觀察紙張是否變為深色。若變為深色，則表示此待測物含有油或脂。

(二)      秤量紙試驗（Weighing paper test）

1.        剪裁秤量紙成為小張紙，其大小比檢驗表的表格大小稍小一點。

2.        放置小張牛皮紙在適當的位置，滴加一滴液狀的待測物，若為固狀的待測物，則在秤量紙上壓碎，觀察紙張是否變為深色。若變為深色，則表示此待測物含有油或脂。

(三)      清潔劑試驗（Detergent test）

1.        以壓汁等方式使待測物成液狀，或直接使用液體的待測物，滴加一滴在表格上，再滴加一滴清潔劑，然後用牙籤攪拌均勻，觀察是否有乳化現象。若有乳化現象，則表示此待測物含有油或脂。

〔續《微量化學實驗：常見食物營養成分的微量檢驗（下）》〕