文化课总结 I

2019-04-12 12:35:45


感谢在这台没有 $Vim$ 的电脑里 $LOJ$ 提供的文本替换效果。

$Biology$

先来试一下生物的效果。

选修一

$1.$ 植物有效成分的提取

$1.$ 植物芳香油

简单介绍一下,植物芳香油就是植物香料的主要成分,一般为萜类化合物及其衍生物

$2.$ 水蒸气蒸馏法

水蒸气蒸馏法就是利用芳香油具有很强的挥发性这一性质,用水蒸气把芳香油携带出来,然后分层形成的油水混合物来提取芳香油。下面我们简单描述一下玫瑰精油的提取。薄荷油、檀香油也满足这一性质。也就是说,和高温没关系,实际上玫瑰精油等化学性质稳定, $\rm 100^\circ C$ 也难以汽化或分解。
首先我们要用到加热装置,也就是铁架台、酒精灯、铁圈、石棉网、蒸馏烧瓶、铁夹、单孔塞及温度计。我们还要用到接收装置,也就是接液管和接收瓶(一般是锥形瓶)。除此之外,还有冷凝装置,也就是冷凝管和(另一个)铁架台


接下来我们组装这些装置。实际上顺序一般满足从左到右,然后自下而上的顺序(拆除时相反),但为了记忆我还是写上一遍。
我们先把酒精灯放到铁架台上,根据酒精灯的高度确定铁圈高度,然后放好石棉网。之后我们就把蒸馏烧瓶固定在铁架台上,随后开始连接冷凝管,把冷凝管固定在另一个铁架台上,将冷凝管进水口的橡皮管的另一端与水龙头相连,将和出水口相连的橡皮管的另一端放在水槽中。此时我们可以来检查气密性了。检查完之后,向蒸馏烧瓶放入几片碎瓷片,用漏斗向烧瓶加入原料,然后塞好带温度计单孔塞,调节好温度计高度。最后把接液管连接在冷凝管末端,并伸入接收瓶中。
其中有一些注意事项:
温度计的玻璃泡应与蒸馏烧瓶的支管口保持水平,目的是测量蒸馏出的蒸气的沸点。
冷凝管的水流方向是下方进水,上方出水,与水蒸气流向相反,目的是更有利于降温。
向液体中加入几片碎瓷片,目的是防止爆沸。


最后我们开始实验,我们以玫瑰精油的提取举例。
第一步,我们把鲜玫瑰花瓣与清水 $1:4$ 混合。
第二步,我们开始蒸馏,蒸馏过程如上,可适当延长蒸馏时间。
第三步,我们在得到的油水混合物中加入 $\rm NaCl$ ,目的是加大 $\rho_\text{水}$ ,使得分层更明显。然后我们用分液漏斗分液,在得到的精油中加入无水 $\rm Na_2SO_4$ ,用于吸收芳香油中残留的水分。最后用过滤的方式去除 $\rm Na_2SO_4$ ,就完成了提取。

$3.$ 压榨法

压榨法一般是在水蒸气蒸馏法会使提取物水解或原料焦糊的时候使用的,是利用机械压力压榨出果皮中的芳香油的方法。
我们以橘皮精油的提取举例。
第一步,我们将橘皮干燥去水,粉碎后浸泡在石灰水中大约 $\rm 10h$ ,目的是去除果蜡、果胶和水分;并且橘皮要浸透,这样压榨时不会滑脱,出油率高,并且压榨液的粘稠度不会太高,过滤时不会堵塞筛眼。
第二步,我们用流水充分漂洗第一步的产物,捞起橘皮后榨干水分。
第三步,我们用压榨器械进行压榨,还要分别加入相当于质量 $0.25\%$ 的 $\rm NaHCO_3$ 和 $5\%$ 的 $\rm Na_2SO_4$ ,并调节 $\rm pH$ 至 $7-8$ ,目的是使橘皮油易于与水分离。
第四步,用普通布袋过滤一次,目的是过滤除去固体物和残渣。
第五步,离心,目的是除去质量较小的残留固体物。再用分液漏斗或吸管将上层橘皮油分离出来。
第六步,此时的橘皮油还含有少量的水和果蜡,我们低温( $\rm 5-10^\circ C$ )处理上一步的产物,静置 $\rm 5-7d$ ,目的是使这些杂质沉淀。
最后一步,首先我们将上一步的产物中,上层澄清的橘皮油用吸管吸出,然后再将其余部分过滤,这次用滤纸过滤,再让滤液与上层橘油合并,就产出了最终的橘皮精油。

$4.$ 胡萝卜素

胡萝卜素是类胡萝卜素的一种,橘黄色结晶,不溶于水,微溶于乙醇,易溶于石油醚、丙酮等有机溶剂。一分子的 $\beta-$ 胡萝卜素在人体内易转化为两分子的维生素 $\rm A$ 。
根据双键的数目可以分为 $\alpha,\beta,\gamma-$ 胡萝卜素。我们主要讨论 $\beta-$ 胡萝卜素。

$5.$ 萃取法

萃取法要求产物易溶于有机溶剂且难溶于水,并且原料的颗粒尽可能细小,萃取温度尽量高,时间尽量长,还能充分浸泡在有机溶剂中
我们需要用到的萃取装置有铁架台、酒精灯、水浴锅、烧瓶、冷凝管。显然安装顺序是自下而上。
这其中有一些需要注意的:
第一,要采用水浴加热,目的是避免明火加热引起有机溶剂(一般是易燃物)燃烧、爆炸。
第二,要在加热瓶口安装回流冷凝装置,目的是防止加热时有机溶剂挥发
我们以胡萝卜素的提取举例。
选取萃取剂的要求是具有较高的沸点,能够充分溶解胡萝卜素,并且不与水混溶。此外还要考虑萃取效率、对人毒性、是否易燃、有机溶剂是否能从产品中完全除去、会不会影响产品质量等问题。一般情况下我们选取的萃取剂是石油醚
第一步,我们将胡萝卜洗净后沥干、粉碎,然后烘干,目的是使颗粒尽可能细小。
第二步,我们将胡萝卜粉和石油醚装入烧瓶。
第三步,我们开始水浴加热(注意水蒸气蒸馏法其实用不到水浴加热),萃取 $\rm 30min$ (时间好像书上没有规定,那就随缘吧)
第四步,我们将第三步的产物过滤,得到萃取液。目的是除去萃取液的不溶物。
最后一步,我们安装上文提到过的蒸馏装置,然后加热萃取液,使萃取剂挥发,就得到了胡萝卜素。

$6.$ 纸层析法

纸层析法的原理是不同色素在层析液中的溶解度不同,在滤纸上的扩散速度也不同。
我们需要用到的层析装置有层析液、 $U$ 形扣、滤纸、色谱容器、玻璃盖。当然还要用到注射器、吹风机、标准样品和提取样品。
我们仍然以胡萝卜素的鉴定为例。
第一步,在 $18\times 30cm$ 滤纸下端距底边 $2cm$ 处做一基线,在基线上取 $A,B,C,D$ 四点,用最细的注射器针头分别吸取 $0.1-0.4mL$ 溶解在石油醚中的标准样品和提取样品,在 $A,D$ 和 $B,C$ 上点样。注意 $A,D$ 是标准样品, $B,C$ 是提取样品。此外点样应该快速细致,在基线上形成 $2mm$ 左右的圆点。
第二步,每次点样后,可用吹风机将溶剂吹干,注意保持滤纸干燥
第三步,待滤纸上的点样液自然挥发干后,将滤纸卷成圆筒状,置于装有 $1cm$ 伸的石油醚的密封玻璃瓶中,密封的目的是防止层析液挥发
第四步,等各种色素完全分开后,取出滤纸,让石油醚自然挥发后,观察标样中位于展开剂前沿的胡萝卜素层析带,看看萃取样品中是否出现对应的层析带,对比观察样品色素点与标准色素点的异同。注意书上画的,萃取样品的下面那个点应该代表杂质,上面四个点代表 $\beta-$ 胡萝卜素

$7.$ 血红蛋白的分离

我们需要的装置有胶头吸管、磁力搅拌器、离心机、滤纸、分液漏斗、透析袋、磷酸缓冲液、生理盐水。
第一步,将红细胞从采集的血样中分离出来。采用低速短时间离心(如 $\rm 500r/min$ 离心 $3\rm min$ ),目的是;然后用胶头吸管吸出上层透明的黄色血浆,将下层暗红色的红细胞液体倒入烧杯,再加入五倍体积的生理盐水(质量分数为 $0.9\%$ 的 $\rm NaCl$ 溶液),目的是;缓慢搅拌 $\rm 10min$ ,然后重新开始离心,重复离心三次,直至上清液不再出现黄色,表明红细胞已洗涤干净。
第二步,进行血红蛋白的释放。将洗涤好的红细胞倒入烧杯中,加蒸馏水到原血液的体积,目的是使红细胞吸水涨破;再加 $40\%$ 体积的甲苯,目的是利用相似相溶原理,破坏细胞膜;然后将这个东西放在磁力搅拌器上充分搅拌 $10\rm min$ ,于是红细胞破裂,释放出血红蛋白,当然还有其它物质。
第三步,分离血红蛋白溶液。将搅拌好的混合液转移到离心管中,以 $\rm 2000r/min$ 的速度离心 $\rm 10min$ 后,能明显看到溶液分为 $4$ 层。其中从上至下第 $1$ 层是无色透明的甲苯层;第 $2$ 层是白色薄层固体,是脂溶性物质的沉淀层;第 $3$ 层是红色透明液体,是血红蛋白的水溶液层;第 $4$ 层是暗红色沉淀物,是其他杂质层。将这个液体用滤纸过滤,除去两个沉淀层,于分液漏斗处静置片刻后,分出下层的红色透明液体。
第四步,透析。取 $\rm 1mL$ 的血红蛋白溶液装入透析袋中,将其放入 $\rm 300mL$ 的物质的量浓度为 $20\rm mmol/L$ 的磷酸缓冲液中( $\rm pH=7.0$ ),透析 $\rm 12h$ ,目的是除去小分子物质。

$8.$ 凝胶色谱柱法

凝胶是一种微小的多孔球体,所以小分子物质容易进入凝胶内部通道,就跑得慢;大分子物质就进不去,就跑得快。于是就可以分离相对分子质量不同的蛋白质分子。
首先我们要做一个凝胶色谱柱。
第一步,取长 $\rm 40cm$ ,内径 $\rm 1.6cm$ 的玻璃管,两端磨平。
第二步,选一个能封管口的橡皮塞,中间打孔,孔要能紧密插入 $\rm 0.5mL$ 的移液管。将橡皮塞上部用刀切出锅底状的凹穴,将移液管头部(出口)往上切下 $\rm 5cm$ 长的一段然后插进去,玻璃管上部不得超出橡皮塞的凹穴底面
第三步,将尼龙网剪成与橡皮塞上部一样大小的圆片,覆盖在橡皮塞的凹穴上,在用大小合适的 $100$ 目的尼龙纱将橡皮塞上部包好,插到玻璃管的下端,然后用移液管头部作为出口部位。
第四步,连接一细的尼龙管,并用螺旋夹控制尼龙管的打开与关闭,然后将尼龙管的另一端放入收集色谱流出液的收集器内。于是现在做好了柱底部。
第五步,在柱顶部插入安装了玻璃管的橡皮塞即可。然后我们就做好了。

接下来我们装填凝胶色谱柱。
第一步,我们先预处理一下。也就是将色谱柱垂直固定在支架上,然后根据色谱柱的内体积计算所需要的凝胶量。
第二步,我们将凝胶用蒸馏水充分溶胀后,配成凝胶悬浮液,在下端尼龙管打开的情况下,一次性缓慢倒入柱内。这时可轻轻敲动色谱柱,使凝胶装填均匀。注意色谱柱内不能有气泡存在,一旦发现有必须重装,因为气泡会对蛋白质的运动产生影响,使得凝胶色谱柱的分离也受到影响
第三步,装填完后,立即连接缓冲液洗脱瓶(在约 $\rm 50cm$ 操作压下),目的是产生冲击,使得缓冲液均匀分布在凝胶中;用 $\rm 300mL$ 的物质的量浓度为 $20\rm mmol/L$ 的磷酸缓冲液,充分洗涤平衡凝胶 $\rm 12h$ ,目的是使凝胶装填紧密。

然后我们开始加入样品并洗脱。目的是洗去小分子物质。
第一步,我们仍然是预处理。打开色谱柱下面的流出口,使得柱内凝胶面上的缓冲液慢慢下降到与凝胶面平齐,关闭出口。显然凝胶是流不出去的,所以这样就没有问题。
第二步,用吸管将 $\rm 1mL$ 透析后的样品加到色谱柱的顶端,注意不要破坏凝胶面。此时由于缓冲液填满了凝胶所以样品无法进入。
第三步,打开下端出口,使样品进入凝胶床内,等样品完全进入后关闭。加入 $\rm 20mmol/L$ 的磷酸缓冲液到适当高度,连接缓冲液洗脱瓶,打开下端出口,进行洗脱。待红色的蛋白质接近色谱柱底端时,用试管收集流出液,每 $\rm 5mL$ 收集一管,连续收集。

$9.SDS-$ 聚丙烯酰胺凝胶电泳法

众所周知电泳利用的是带电性质、分子大小和形状的不同使得分子迁移速度不同的性质,来区分各种分子。但 $SDS$ 会将蛋白质解聚成单条肽链,并且让分子带上的负电荷的量大大超过其原有的电荷量,使电泳迁移率完全取决于分子的大小
这个可能没啥好讲的。

$10.$ 探究温度、 $\rm pH$ 、果胶酶的用量

果胶酶能够分解果胶,使榨取果汁变得更容易,而果胶分解成可溶性的半乳糖醛酸,也使得浑浊的果汁变得澄清
可以通过果汁的体积来判断酶活性的大小。
探究温度和 $\rm pH$ 对酶活性的影响就是设置梯度,相互对照。只要注意找到最好的温度 $T_i$ ,然后在温度区间 $(T_i,T_{i+1})$ 重复实验,多弄几次即可。

$11.$ 探究加酶洗衣粉的洗涤效果

常用酶制剂有四类:蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶。其中应用最广泛、效果最明显的是碱性蛋白酶和碱性脂肪酶。注意纤维素酶不能使纤维素分解,只能使其变蓬松
在洗衣粉中的酶是通过基因工程生产的能耐酸、耐碱、忍受表面活性剂和较高温度的酶,并且通过可溶的特殊化学物质将酶层层包裹,与洗衣粉的其它成分隔离。
对于如何判定洗涤效果的问题,我们可以通过判断污渍的消失程度、颜色变浅的程度、面积变小的程度来判定。

$12.$ 固定化技术

固定化技术就是利用物理或化学方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术,主要有包埋法、化学结合法和物理吸附法三种,具体可以看书(上的图)。
由于酶小细胞打,酶更适合采用化学结合和物理吸附法(小方便结合或吸附),细胞多采用包埋法(大容易被包住不易漏出去)。
首先我们来写固定化酶技术,我们以葡萄糖(由淀粉转化)转化成高果糖浆为例。
预处理就将酶固定在一种颗粒状的载体上,再将这些酶颗粒装到一个反应柱内,柱子底端上分布着许多小孔的筛板。酶颗粒无法通过晒斑上的小孔,但反应溶液却可以自由出入。
生产过程中将葡萄糖溶液从反应柱上端注入,使溶液流过反应柱,与固定化葡萄糖异构酶接触,转化成果糖,从反应柱的下端流出。
然后我们再来写固定化细胞技术。固定化细胞的本质是固定一系列酶

$13.$ 微生物接种相关概念

关于培养基的种类,就是按照物理性质、化学成分或用途三种方式分类,具体可以看书。
培养基的成分主要包括碳源、氮源、生长因子、水、无机盐。
三种灭菌方式的应用如下:
玻璃器皿、金属用具等能耐高温又不适宜用其它方式的物品:干热灭菌,用干热灭菌箱
培养基:高压蒸汽灭菌,用高压蒸汽灭菌锅
其它:灼烧灭菌,直接用酒精灯火焰就可以了。

$14.$ 制备牛肉膏蛋白胨培养基

第一步,计算用量。对着配方算就可以了。
第二步,称量。牛肉膏比较黏稠,可以用玻棒挑取,放在称量纸上称量。因为牛肉膏蛋白胨都容易吸潮,所以动作要迅速。
第三步,化,将牛肉膏连同称量纸放入烧杯,加入少量的水,加热,目的是促进溶解;当牛肉膏溶化并与称量纸分离后,用玻棒取出称量纸。往烧杯中加入蛋白胨、 $\rm NaCl$ ,用玻棒搅拌,目的是促进溶解。然后加入琼脂并使其熔化,在此过程中不断用玻棒搅拌,目的是防止琼脂糊底而导致烧杯破裂
第四步,灭菌,见培养基转移到锥形瓶中(此时还是液体),加棉塞,包上牛皮纸,用皮筋勒紧,放入高压灭菌锅, $\rm 100kPa,121^\circ C$ 下灭菌(此处 $\rm 100kPa$ 指的是比大气压高这么多),培养皿就干热灭菌了。
第五步,倒平板,待培养基冷却到 $\rm 50^\circ C$ 左右就可以在酒精灯火焰附近倒平板。这个温度的目的是使琼脂保持熔化并且手能够承受。
倒平板的过程详细如下:
第一步,将培养皿放在火焰旁的桌面上,右手拿装有培养基的锥形瓶,左手拔出棉塞
第二步,右手拿锥形瓶,使瓶口迅速通过火焰。
第三步,用左手将培养皿打开一条稍大于瓶口的缝隙,右手将锥形瓶中的培养基倒入培养皿,左手立即盖上皿盖。
第四步,等待平板冷却凝固后,将平板倒过来放置,目的是防止水分过快挥发防止皿盖上水珠落入培养基造成污染
检验倒平板是否成功就直接将未接种培养基培养一段时间,无菌落生长说明成功。

$15.$ 平板划线法

平板划线法是通过接种环在固体培养基表面连续划线,然后让最后一个区域的末端位置稀释成只有一个细菌来培养。然后由一个细胞繁殖而来的肉眼可见的子细胞群体就是菌落。
第一步,接种环灼烧灭菌。
第二步,在火焰旁冷却接种环,打开菌液试管,通过火焰,用冷却好的接种环沾取一环菌液,试管口再去灭菌收好。
第三步,左手将皿盖打开一条缝隙,右手将接种环迅速伸入平板内,划 $3-5$ 条横线,注意不要划破培养基。
第四步,灼烧接种环,待其冷却后,从第一区域划线末端往第二区域划线,依此类推。注意不要将最后一区的划线与第一区相连,因为相连就达不到纯化效果了。这一步的目的是使细菌数目随划线次数上升而逐渐下降,最终分散成单个菌落
第五步,灼烧接种环,将平板倒置,放入培养箱中培养。
第一步灼烧接种环的目的是杀死外来微生物,第四步的目的是杀死接种环上原有微生物,第五步的目的是防止杂菌污染环境及操作者。

$16.$ 分解尿素的细菌的分离和计数

首先可以简单写一下选择培养基的制备方法。
就是加入某种允许特定种类微生物生长,同时抑制或阻止其它种类微生物生长的化学成分。这是一个比较宏观的讲法,其实也不一定限制就是一种物质,由多种操作达到这个效果就可以了。
然后就是只有能够合成脲酶的微生物才能分解尿素,并以其为氮源。
实验过程没啥好说的,就是注意一下样品稀释这一步。这里就顺势讲一下系列稀释操作
首先我们在酒精灯火焰旁称取土壤, $\rm 10g\to 90mL$ 单位都不同到底为啥算是 $\sout{10^1}$ 啊的三角烧瓶。然后用无菌吸管从中吸取 $\rm 1mL$ 土壤悬液注入盛有 $\rm 9mL$ 无菌水的试管中,吹吸 $3$ 次,充分混匀,制成 $10^2$ 倍土壤稀释液。以此类推多做几次,取 $10^4,10^5,10^6$ 三种浓度即可。注意每种都要有重复组,至少涂布3个平板;还有移液管需要经过灭菌。
最后我们还要鉴定得到的尿素分解菌是不是真的。
具体比较简单,就是测定 $\rm pH$ 是否升高( $\rm NH_3$ ),测这个就是用酚红试剂就可以了,判断一下指示剂是否变红即可。

$17.$ 分解纤维素的微生物的分离

首先我们要知道,纤维素是由葡萄糖首尾相连而成的高分子化合物,是一种多糖,可被纤维素酶分解成葡萄糖。
纤维素酶是一种复合酶,至少包含 $C_1,C_x$ 酶和葡萄糖苷酶,前两个酶将纤维素分解为纤维二糖,第三个酶将纤维二糖分解为葡萄糖
然后,我们筛选纤维素酶是利用刚果红染色法,其跟纤维素结合产生红色复合物,遇到纤维素酶红色就会消失,因此纤维素分解菌的菌落会产生透明圈。根据这个就可以筛选纤维素分解菌了。但注意刚果红受热会分解,因此 $CR$ 溶液用细菌滤膜过滤灭菌
筛选有两种方法。
第一种是先培养菌落再覆盖 $CR$ 溶液,具体过程如下:
这种方法的缺点是加入 $CR$ 溶液会使菌落之间发生混杂
第二种是先将 $CR$ 溶液配制在培养基里,然后再培养菌落,具体过程如下:
这种方法的缺点是能分解 $CR$ 的微生物也能产生透明圈,不易区分
接下来详细讲述一下实验步骤。
第一步,采集土壤样品。一般微生物会在富含有机质的土壤中生长,于是这次土壤要选择富含纤维素的环境。
第二步,选择培养。这一步的目的是怎加纤维素分解菌的浓度,所以也可忽略。
第三步,梯度稀释。一般情况下是取 $10^4,10^5,10^6$ 的菌落进行培养然后取平均值。
第四步,接种样品。直接涂布就可以了。
第五步,挑选菌落。一个透明圈代表一个纤维素分解菌的菌落;透明圈越大分解纤维素的能力就越强。
最后我们还要鉴定得到的纤维素分解菌是不是真的。
具体比较简单,就是测定发酵是否产生纤维素酶,测这个就是测定是否有还原糖产生。这个就是用斐林试剂就可以了。定量也是测定葡萄糖的含量。

$18.$ 果酒与果醋的制作

酵母菌是用来制作果酒的。它是兼性厌氧菌,有氧呼吸时大量繁殖,方程式就是葡萄糖分解产生二氧化碳,注意是 $\to$ 。无氧呼吸则是将葡萄糖分解产生酒精和二氧化碳。酵母菌的最适温度是 $\rm 20^\circ C$ ,酒精发酵时一般是 $\rm 18-25^\circ C$ 。在缺氧,呈酸性的发酵液中大多数微生物都会受到抑制,但酵母菌可以生长繁殖。
醋酸菌是用来制作果醋的。它是好氧菌。当氧气、糖源都充足时,醋酸菌将葡萄汁中的糖分解成醛酸;当缺少糖源时,醋酸菌将乙醇变为乙醛,再将乙醛变为醋酸。醋酸菌的最适温度是 $\rm 30-35^\circ C$ ,发酵时间大约是 $7-8d$ ,酸性条件。

$19.$ 腐乳的制作

$20.$ 泡菜的制作

$21.$ 检测亚硝酸盐含量