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 *yangsp@cc.ncue.edu.tw 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。 […]

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 *yangsp@cc.ncue.edu.tw 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。    […]

微量化學實驗：常見食物營養成分的微量檢驗（下） 李佳蕙、蘇韋嘉、楊水平* 國立彰化師範大學化學系*yangsp@cc.ncue.edu.tw 〔承《微量化學實驗：常見食物營養成分的微量檢驗（上）》〕 n  結果與討論 一、  碳水化合物⁄醣類、蛋白質和胺基酸、酯質⁄油和脂的檢測結果 (一)      富含基本成份類 本實驗檢驗富含基本成份類的待測物（食物名稱）有：葡萄糖、蔗糖、高果糖糖漿、玉米澱粉、蛋白、蛋黃、植物油（風味油）、動物油（牛油），檢驗結果如圖十七所示。 圖十七：富含基本成份類的待測食物的檢驗結果（上下兩張照片） 富含基本成份類的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：富含基本成份類的待測物的檢驗結果 根據表一的檢驗結果，葡萄糖含有還原糖；蔗糖含有酮糖；高果糖糖漿含有還原糖和酮糖；玉米澱粉含有澱粉和胺基酸；雞蛋蛋白含有多量的蛋白質和少量的胺基酸；雞蛋蛋黃含有多量的蛋白質和胺基酸及少量的油脂，蛋白和蛋黃的胺基酸含量有明顯的不同，蛋黃含有油脂；風味油和牛油富含油脂。 (二)      全穀根莖類 本實驗檢驗全穀根莖類的待測物（食物名稱）有：玉米、馬鈴薯、麵包、科學麵、洋芋片，檢驗結果如圖十八所示。 圖十八：全穀根莖類的待測食物的檢驗結果。 全穀根莖類的待測物呈現陽性反應者如表二所示。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。 表二：全穀根莖類的待測物的檢驗結果 根據表二的檢驗結果，玉米、馬鈴薯、麵包、科學麵、洋芋片呈現紫藍色（偏黑）效果明顯，含澱粉的量較多；玉米含有酮糖；麵包、科學麵及洋芋片含有胺基酸；科學麵和洋芋片含油脂。 (三)      水果類 本實驗檢驗水果類的待測物（食物名稱）有：小蕃茄、蘋果、芭樂、木瓜、鳳梨，檢驗結果如圖十九所示。 圖十九：水果類的待測食物的檢驗結果 水果類的待測物呈現陽性反應者如表三所示。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。 表三：水果類的待測物的檢驗結果 根據表三的檢驗結果，被檢驗的水果都含有還原醣和酮醣；蕃茄、芭樂含有少量胺基酸。 (四)      堅果類 本實驗檢驗堅果類的待測物（食物名稱）有：花生、杏仁、核桃、腰果、毛豆，檢驗結果如圖二十所示。 圖二十：堅果類的待測食物的檢驗結果 堅果類的待測物呈現陽性反應者如表四所示。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。 表四：堅果類的待測物的檢驗結果 根據表四的檢驗結果，被檢驗的堅果類都有還原糖和酮糖，且富含胺基酸和油脂；而清潔劑的乳化作用較不明顯，建議事前需將食物打成液態狀，以提高檢驗的效果。 (五)      加工食品類 本實驗檢驗加工食品類的待測物（食物名稱）有：布丁、果凍、巧克力餅乾、杏仁奶油餅、可樂果，檢驗結果如圖二十一所示。 圖二十一：加工食品類的待測食物的檢驗結果 加工食品類的待測物呈現陽性反應者如表五所示。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。 表五：加工食品類的待測物的檢驗結果 根據表五的檢檢結果，被檢驗的加工食品類中多數含有還原醣，全部含有酮醣，有些含有澱粉；有些含有蛋白質和胺基酸；布丁和果凍不含油脂，其餘含有油脂。 (六)      蛋豆魚肉類 本實驗檢驗蛋豆魚肉類的待測物（食物名稱）有：魚肉、豆腐、蝦仁、雞胸肉、豬肉，檢驗結果如圖二十二所示。 圖二十二：蛋豆魚肉類的待測食物的檢驗結果 蛋豆魚肉類的待測物呈現陽性反應者如表六所示。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。 表六：蛋豆魚肉類的待測物的檢驗結果 根據表六的檢驗結果，所有被檢驗的蛋豆魚肉類待測物都不含還原糖和酮醣；蝦仁和豬肉含有較多的蛋白質，魚肉、雞胸肉及豬肉含有較多的胺基酸，魚肉和豆腐含還原糖；除豆腐外，被檢驗的蛋豆魚肉類含有油脂；因選擇肉類的部位不同，以致油脂的檢驗有不一樣的結果。 (七)      蔬菜類 本實驗檢驗蔬菜類的待測物（食物名稱）有：紅蘿蔔、萵苣、小黃瓜、紫色高麗菜、高麗菜，檢驗結果如圖二十三所示。 圖二十三：蔬菜類的待測食物的檢驗結果 蔬菜類的待測物呈現陽性反應者如表七所示。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。 […]

微量化學實驗：碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定（上） 黎渝秀*、簡菀萱、范祺展 國立中央大學附屬中壢高級中學*candy@clhs.tyc.edu.tw n  前言 在實施國立中央大學附屬中壢高級中學的彈修課程「化學發想與實作」時，學生進行硫酸銅與碘化鉀的反應。剛開始，他們以為產物是硫酸鉀與碘化銅，他們沒想到加入過量的碘化鉀時，卻產生灰白色沉澱物和像碘酒般的溶液，這特殊的反應引起學生的好奇。經文獻探討，灰白色沉澱是碘化亞銅沉澱，而像碘酒般的溶液為三碘錯離子。 為呼應綠色化學實驗減量和減廢的原則，以及落實環境保護和永續經營的理念，我們參考微量滴定的實驗，改善滴定管不易攜帶且價格昂貴的缺點。我們設計的實驗改用注射針筒進行微量氧化還原滴定，並比較其與傳統滴定管實驗的準確值。此外，產生碘化亞銅的沉澱以針筒進行簡單過濾和減壓抽濾，以進行三碘錯離子的微量檢驗。 n  原理 還原劑是一類具有還原性的物質，亦即失去電子的物質；反之，氧化劑是一類具有氧化性的物質，亦即接受電子者。在硫代硫酸鈉與三碘離子（或碘分子）的反應中，硫代硫酸鈉為還原劑，而三碘離子（或碘分子）氧化劑。利用此特性，我們分成兩部分，首先是硫代硫酸鈉溶液的標定，另一部分是以標定過的硫代硫酸鈉溶液測定未知濃度的硫酸銅溶液。 (一)   硫代硫酸鈉溶液的標定 精秤碘酸鉀固體與過量碘化鉀溶液混合，再加入強酸使氧化產生碘分子，如式[1]所示。 IO3–(aq) + 5 I–(aq) + 6H+(aq) → 3I2(s) +3H2O(l)    [1] 而過量的碘化鉀溶液會與產生的碘分子形成三碘錯離子，如式[2]所示。 I–(aq) + I2(s) → I3–(aq)  K1 = 770    [2] 再以硫代硫酸鈉溶液滴定產生的三碘錯離子至溶液變為淡黃色時，加入澱粉指示劑，溶液呈藍色，直至達當量點時，藍色消失，其反應如式[3]所示： I3–(aq) + 2S2O32–(aq) → 3I–(aq) + S4O62–(aq)    [3] 由式[1]~ [3]得知碘化鉀（KIO3）與硫代硫酸鈉的莫耳數比為1：6，因而硫代碘酸鈉的濃度可以用碘化鉀來標定。 (二)   測定未知濃度的硫酸銅溶液 理論上，Cu2+與I–不易進行氧化還原反應，而生成Cu+和I2，如式[4]所示。 2Cu2+(aq) + 2I–(aq) →2Cu+(aq) + I2(s)    […]

微量化學實驗：碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定（下） 黎渝秀*、簡菀萱、范祺展 國立中央大學附屬中壢高級中學*candy@clhs.tyc.edu.tw 〔承《微量化學實驗：碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定（上）》〕 n  結果與討論 一、  檢驗碘化亞銅 在「微量檢驗」方面，消耗藥品體積少，因此呈現的顏色與「傳統檢驗」較淺，當試管甲加入2 乙酸乙酯時，顯然「微量分析」能充分將水溶液層中的碘分子溶解至上層的有機層，而乙酸乙酯對環境的污染較正己烷小，而且碘於有機溶劑中的顏色略為不同（碘分子在正己烷為紫色，在乙酸乙酯為紅棕色），正好讓學生互相比較（見圖十）。 在試管乙中，逐滴地滴加硫代硫酸鈉時，「微量檢驗」所呈現是白色混濁溶液，較「傳統檢驗」易於觀察。起初硫代硫酸鈉溶液滴加8滴時，黃褐色溶液變為透明溶液及原碘化亞銅的白色沉澱；再滴加硫代硫酸鈉溶液12滴時，碘化亞銅與過量的硫代硫酸鈉形成透明無色的錯離子，故白色沉澱消失。而「傳統檢驗」所需滴加硫代硫酸鈉溶液滴數較多，所需分析時間較長（見圖十）。 圖十：微量檢驗與傳統檢驗示意圖 二、  標定硫代硫酸鈉溶液 (一)   以針筒微量滴定 (二)   以滴定管傳統滴定 (三)   分析與比較 1.          「以針筒微量滴定」指示劑為澱粉時，相對誤差百分比為2.0 %；指示劑為寬版麵條時，相對誤差百分比幾乎為0.0%，顯示微量滴定時，指示劑為為寬版麵條時，相對誤差百分比小，且易於觀察。 2.          「以滴定管傳統滴定」，均以澱粉為指示劑，相對誤差百分比為9.0%，較「以針筒微量滴定」的相對誤差百分比大，若以磁石攪拌器輔助滴定實驗，則相對誤差百分比明顯下降許多，可見人為誤差的影響。 三、  測定未知濃度硫酸銅 (一)   以針筒微量滴定 (二)  以滴定管傳統滴定 (四)   分析與比較 1.        「以針筒微量滴定」中，指示劑為澱粉時，快達當量點時，因澱粉–碘錯合物可逆性佳，有時變無色後，靜置1分鐘又呈淡藍色，滴定所需時間較指示劑為寬版麵條久，判斷滴定終點不易。因此我們從相對誤差百分比中端倪：前者23.5%，後者1.25%，顯示指示劑為寬版麵條時準確度較澱粉為佳，相對也是影響硫酸銅濃度準確度的主要原因。 2.        「以滴定管傳統滴定」中，指示劑均為澱粉時，快達當量點時，因濃度較濃，並未如「以針筒微量滴定」中的澱粉–碘錯合物的可逆反應，因此判斷滴定終點非常明顯。相對誤差百分比為5.5%，仍在可予許誤差範圍內。顯然「以滴定管傳統滴定」的指示劑宜以澱粉為佳；「以針筒微量滴定」的指示劑宜以寬版麵條為佳。 3.        在以針筒微量滴定中，當硫酸銅和碘化鉀形成碘化亞銅固體和三碘錯離子溶液時，我們試圖以式[7]作為滴定終點：首先不過濾直接與硫代硫酸鈉進行反應，溶液先由紅棕色混濁變成透明混濁液，再繼續滴加至沉澱消失為止，此時所消耗的硫代硫酸鈉的體積為13 mL，以此作為滴定終點而換算硫酸銅濃度為0.217，相對誤差百分比為8.5 %，依式[7]換算而得。因此依式[7]為滴定終點，判斷不易，且相對誤差百分比明顯增加。註⑦ 註⑦ n  教學指引 (一)   教學時間：以下均為微量實驗操作。 本次專題包含三個主題，教師可依上課時間，調整不同的主題。若是一堂課時間，建議先作第一主題（碘化亞銅的檢驗），同時練習針筒吸取及控制滴數，作為下次主題的前置練習。如此也比較有充分的時間和學生討論硫酸銅與碘化鉀相遇的種種。 主題 碘化亞銅的檢驗 硫代硫酸銅的標定 未知濃度硫酸銅測定 教師解說實驗裝置時間（分鐘） 5 5 5 […]