多功能酵母培养实验装置的设计及教学应用

王姝妍 李建宏

摘要 描述了模拟微生物连续培养的装置。通过止水夹调控不同回路，使该装置可以模拟有氧、无氧发酵以及连续培养3种培养方式，并可同时检测发酵过程中CO2的产生和发酵产物的变化，探寻酵母的不同代谢过程。通过该装置实验运行结果的分析，可进一步加深对酵母呼吸代谢相关知识点的认识，以及酵母培养在生产实践中运用的理解。该装置材料易得，操作简捷，实验现象明显，适用于实验教学。

关键词 酵母 连续培养装置 呼吸作用 酒精发酵 CO2

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

“探究酵母细胞的呼吸方式”实验是高中生物学《必修1·分子与细胞》的内容。通过该实验，学生了解了酵母细胞的兼性厌氧特性：在有氧气存在的情况下进行需氧呼吸，迅速产生二氧化碳;在氧气缺乏的情况下进行厌氧发酵，缓慢产生CO2并产生乙醇。在2004年版高中生物学教材中，另一个与酵母相关的实验是《选修1·生物技术实践》中的“酵母细胞的固定化”。这一实验的内容旨在让学生了解固定化细胞技术与其生产应用。针对上述涉及酵母细胞的实验，笔者设计了一款多功能的实验装置。该简易装置可实现以下功能：作为酵母细胞厌氧发酵装置、作为酵母细胞有氧呼吸装置、以及作为酒精工业生产的连续培养装置。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出以学科大概念为核心，培养学生的科学探究能力和社会责任感。该装置在教学中的使用可以促进学生实现相关知识点的融会贯通，并进一步了解酵母细胞培养在生产实践中的应用。下面就该装置的设计和搭建以及其在教学中的应用展开讨论。

1装置设计

1.1器材和试剂

器材：锥形瓶、烧杯、烧瓶、硬纸箱/泡沫箱、玻璃导管、橡胶塞、橡皮管、止水夾、希尔球、磁力搅拌器。

试剂：干酵母粉、海藻酸钠、无水CaCl2、质量分数为10%的葡萄糖溶液、质量分数为10%的NaOH溶液、澄清石灰水、石蜡。

1.2设计思路实验装置如图1所示。通过止水夹对装置进行调

整，可以实现3个不同的功能（表1）：1酵母细胞厌氧发酵装置：关闭磁力搅拌器，夹紧止水夹a和止水夹c，打开止水夹b，就能营造一个无氧的密闭发酵环境。2酵母细胞有氧呼吸装置：关闭磁力搅拌器，夹紧止水夹a，打开止水夹b和止水夹c，在锥形瓶D的橡胶塞上插入临时玻璃导管，利用洗耳球不断向导管吹入空气，就能营造一个有氧呼吸环境。此时锥形瓶D中的溶液是质量分数为10%的NaOH溶液，除去吹入空气中的CO2，保证了实验的严谨性。3酒精工业生产的连续培养装置：酒精工业生产中，往往采用连续培养的体系，且与固定化酵母细胞配合。夹紧止水夹b，打开止水夹a和止水夹c，打开磁力搅拌器。利用虹吸原理可使锥形瓶D中质量分数为10%的葡萄糖溶液不断流入锥形瓶B中，而发酵产品则同时流入容器A中。这样就能模拟酒精工业生产中的连续培养体系。酵母细胞在锥形瓶B中厌氧发酵产生酒精，产物收集在容器A中。

2装置搭建

首先准备2个500mL锥形瓶，2个500mL烧杯（或1个500mL烧杯，1个500mL烧瓶），清洗干净。将制备好的酵母细胞凝胶珠用清水冲洗2或3次。接着，根据实验需要向锥形瓶中倒入质量分数为10%的葡萄糖溶液或质量分数为10%的NaOH溶液约300mL，向装有葡萄糖溶液的锥形瓶中倒入约30粒凝胶珠并放入磁子。用橡胶塞密封两个锥形瓶瓶口。向一个烧杯中倒入澄清石灰水约150mL。随后，利用玻璃导管和橡皮管将装置联通，并将止水夹夹在特定的位置。最后采用硬纸箱或泡沫箱调整装置高度。

3装置运行实验

3.1材料准备

1制备酵母细胞凝胶珠：称取0.83g无水CaCl2粉末，溶于150mL水中，得到物质量浓度为0.05mol/L的CaCl2溶液。称取0.7g海藻酸钠，溶于10mL水中，在60°C的水浴加热条件下搅拌至成为糊状，用蒸馏水定容至10mL，冷却至室温，得到海藻酸钠悬液。将海藻酸钠悬液和酵母细胞悬液均匀混合后吸入注射器，以恒定速度滴入CaCl2溶液中，得到酵母细胞凝胶珠。

2制备质量分数均为10%的葡萄糖溶液和NaOH溶液。

3制备澄清石灰水：用药匙取少量的生石灰固体于烧杯中，加水后搅拌使之溶解。过滤即得到澄清石灰水。

4制备酸性重铬酸钾溶液用于发酵产物酒精的检测。

3.2探究酵母细胞的呼吸方式

1当探究酵母细胞的有氧呼吸时，关闭磁力搅拌器，夹紧止水夹a，打开止水夹b和止水夹c，在锥形瓶D橡胶塞上插入临时玻璃导管。此时，锥形瓶D中液体为质量分数为10%的NaOH溶液。利用洗耳球向临时导管中吹入空气。酵母细胞在锥形瓶B中进行有氧呼吸，迅速产生CO2，使烧杯C中的澄清石灰水变浑浊。

2当探究酵母细胞厌氧发酵时，关闭磁力搅拌器，夹紧止水夹a和止水夹c，打开止水夹b，酵母细胞在锥形瓶B中进行厌氧发酵，产生乙醇，并缓慢产生CO2，使得烧杯C中的澄清石灰水轻微变浑浊。为了达到更好的密封效果，可在锥形瓶B溶液液面铺一层石蜡。

3.3酒精工业生产的连续培养装置

夹紧止水夹b，打开止水夹a和止水夹c，打开磁力搅拌器。此时锥形瓶D中为质量分数为10%葡萄糖溶液。利用洗耳球在容器A导管中抽气，直到锥形瓶D中的溶液不断流入锥形瓶B的锥形瓶中，而发酵产品则同时流入容器A中。打开止水夹b，可观察到澄清石灰水变浑浊。为了达到更好的密封效果，可在锥形瓶B溶液液面铺一层石蜡。

4总结讨论

固定化细胞是中学中熟知的实验，但大部分人对于固定化酵母细胞的实际运用却所知甚少。在发酵生产乙醇过程中，由于酵母对于细胞是有毒害作用的物质，伴随发酵过程的进展，发酵液中乙醇浓度不断升高，就会毒害酵母，限制发酵过程。只有从发酵液中不断移除已产生的乙醇，才能进一步发酵。用固定化细胞进行连续培养，既可以使含高浓度乙醇的发酵液持续流出，新鲜的发酵液流入发酵容器，同时酵母细胞又可完全保留在发酵容器中，维持高细胞浓度，获得较高的产率。本实验就是基于这一生产原理，设计搭建了这一实验装置。

该多功能装置既可运用于新知识教学，又可运用于复习课中。在开展教学前，教师可根据需要录制装置的组装视频以辅助教学。以往学生在学习“探究酵母细胞呼吸方式”与“固定化酵母细胞”的知识点时，常常难以将其与实际工业生产进行联系。利用本装置中的“酒精工业生产的连续培养装置”，教师可以引导学生深入探索酒精的工业生产过程。首先，酒精工业生产过程既涉及到酵母细胞的有氧呼吸，用于酵母细胞的大量增殖，亦涉及到厌氧发酵，用于酒精的转化。在对比单个酵母细胞两种呼吸方式时，教材中使用“产生大量CO2”和“产生少量CO2”分别形容有氧呼吸和厌氧发酵。然而，根据巴斯德效应，酵母细胞的糖发酵会为氧气所抑制。因此，结合生产，教师可启发学生思考：“酵母有氧呼吸产生的CO2是否一定多于厌氧发酵？”。其次，固定化细胞与连续培养体系的结合在酒精的工业生产中具有十分重要的意义。在连续培养中，游离酵母细胞因产物流出而导致密度下降，而固定化酵母细胞在发酵中能维持较大细胞密度;固定化酵母细胞相比于游离酵母细胞对酒精产物胁迫的耐受性更强。最后，酒精除了与食品工业相关，还是重要的化工原料和代用燃料。教师可借此背景进一步引领学生体会微生物与人类生活的联系，生物技术与人类生产的联系。

参考文献：

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