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制作泡菜的原理比较简单,利用的是乳酸菌在无氧条件下发酵生成乳酸。但检测亚硝酸盐的原理和方法则复杂得多,例如:
在盐酸酸化条件下,亚硝酸盐与对氨基苯磺酸发生重氮化反应生成重氮化盐,重氮盐与N-1-萘基乙二胺盐酸盐耦合形成玫瑰红色染料
用氢氧化镉、氢氧化钡和氢氧化铝等无机颗粒吸附泡菜碎片和有机大分子
将标准比色液与显色液(实验液)进行比较,以确定显色液中亚硝酸盐的含量
尽管显色反应和人工比色容易理解,但学生对实验过程中的诸多步骤并不清楚,而且在实验过程中极容易操作失误而导致实验失败,为此,可在黑板上展示下面的流程图,供学生实验时参考。
上面的实验步骤尽管看起来复杂,实际上原理和目的却很简单,即通过吸附法从泡菜汁中去除泡菜碎片和大分子有机物,使泡菜汁澄清透明,然后通过人工比色,以确定泡菜汁中亚硝酸盐的含量。
然而,要去除泡菜汁中的泡菜碎片和大分子有机物并不是一件容易的事情,主要的障碍在于:
小的碎片及悬浊颗粒极容易堵塞滤纸片的滤孔,导致过滤速度非常缓慢(一次过滤大约需要近1小时),上述流程中有3处使用了离心,其目的就在于加快过滤速度;
镉离子和钡离子通过静电吸附在泡菜碎片上的过程非常缓慢必须通过长时间的振荡,效果才会明显,这就需要摇床,如果没有摇床则只能用于振荡,这就会增加了实验的困难。
设置问题情景,帮助学生深入理解操作步骤
本实验的每一步操作因为有量化指标十分重要,学生只有真正理解操作步骤的目的和意义,操作起来才能细心和耐心,因此,教师可通过问题的形式,引导学生深入理解,以下为部分问题,回答部分仅供参考。
制作泡菜时选择的材料有何要求?
为什么要将水烧开冷却后再制作泡菜?
除去水中的细菌和氧气
用水封的目的是什么?
不让空气进入,创造一个封闭无氧的环境
配置提取剂时为什么要加入浓盐酸调节pH至1?
防止镉离子和钡离子形成氢氧化镉和氢氧化钡沉淀
为什么需要用处理样品与提取剂在摇床上振荡提取1小时?
通过静电吸附将镉离子和钡离子大量吸附在泡菜的碎片上
为什么振荡后还需要加入氢氧化钠溶液?
进一步吸附泡菜汁液中的泡菜碎片,使泡菜汁澄清透明
引导学生设计对比实验
泡菜中的亚硝酸盐含量受很多因素的影响,在本实验中,可探讨食盐浓度和发酵时间对泡菜中亚硝酸盐含量的影响。
食盐浓度影响乳酸菌及其他细菌的繁殖,发酵时间不同,产生亚硝酸盐的含量不同。为此,可将食盐浓度设置为3%、5%和7% 3个对比实验,然后在不同的时间里测定泡菜中的亚硝酸盐的含量。
以下是笔者和学生以白萝卡和圆白菜为实验材料,经过13天的严格实验所得到的数据(图中的百分比为食盐浓度表格中的数据为亚硝酸盐的浓度,单位为mg/kg,发酵温度为13-15℃)
从上面的曲线图中可以看出,泡菜中亚硝酸盐含量在发酵刚刚开始的时候都处于上升趋势,在第5天或者第7天的时候会达到一个最高值,之后就会慢慢下降,在发酵时间达到第13天左右的时候下降到一个相对比较稳定的数值,达到了动态平衡。
对比不同食盐浓度的泡菜中亚硝酸盐含量发现,食盐浓度为3%的泡菜中亚硝酸盐含量总体上是3坛泡菜中最高的;食盐浓度为5%的泡菜中亚硝酸盐含量变化最快,其最高值是3坛中最高的,当亚硝酸盐降到最低值时,也是3坛泡菜中最低的;而食盐浓度为7%的泡菜中亚硝酸盐含量变化不大,一直处于较低的数值。这可能与食盐对微生物生长的抑制作用有关。
课时安排及实施建议
本实验最大的难点是实验时间长,实验操作复杂,不可能所有的操作都由学生在课堂上完成,因此,只需要安排一些关键的实验步骤,让学生学会实验仪器的操作,深入理解实验原理和方法即可达到学习目标。以下为课时分配:
教师提前3天制作好3坛泡菜(食盐浓度分别是3%、5%、7%);教材中的文本的学习安排1课时
第2课时讨论实验方案和制作泡菜,此时的制作泡菜由教师带领学生在课堂上演示完成;
第3、4课时(可连排或临时换课完成)可将教师提前制作好的泡菜拿出供学生进行实验,教师和学生的实验步骤如下
如何确定泡菜中亚硝酸的浓度
人工比色只能确定测试液中亚硝酸盐的浓度,还不足以得出最初样品中的亚硝酸盐的浓度,因此,需要经过一系列的数据处理,下图是根据实验步骤中的数据进行的计算
如测试液与标准比色液中的3 μg相当,则亚硝酸盐的含量为:
3/1000/0.0096=3.125mg/kg。
需要说明的是,由于操作上存在误差,上述数据的处理也存在误差。
泡菜中的亚硝酸为什么会发生先上升后下降的变化
这是因为,发酵初期,泡菜中的微生物繁殖很快,微生物将蔬菜中的硝酸盐还原成亚硝酸盐,与此同时,蔬菜中的酚类和维生素C等物质也会将亚硝酸盐氧化,但总体来看,生成的亚硝酸盐大于被还原的亚硝酸盐,因此,随着发酵时间的进行,亚硝酸盐的含量会逐渐上升。
随着微生物代谢活动的持续,氧气被消耗殆尽,泡菜坛中的环境不利于除乳酸菌以外的其他微生物的生长。与此同时,蔬菜中的硝酸盐含量由于被氧化而减少,因此,亚硝酸盐的含量会逐渐下降并趋于一个相对稳定的数值。
学生在初中就已经学过和尝试过制作泡菜,因此,制作泡菜不是实验的重点。通过检测亚硝酸盐的含量的实验,能够很好地训练学生对容量瓶、移液管等仪器的使用,同时理解分析化学对实验数据获取的重要性,是实验的重点,但这部分内容难度较大,部分操作能力较差的学生很难独立完成,需要教师悉心指导。
文章来源:
吴成军. “生物技术实践”教学研讨(5)“果酒、果醋的制作及制作泡菜并检测亚硝酸盐含量”的教学组织. 生物学通报,2009,,44(2):23-26.
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