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。 […]