运用酵母菌发酵测定奶茶的糖含量

摘要

基于常见糖含量测定方法及人教版高中生物学教材中糖类相关内容，尝试采用酵母菌发酵法，定量测定糖标准溶液发酵产生的二氧化碳体积，建构糖含量与二氧化碳产量之间的数学模型，并运用该方法初步测定不同品牌奶茶中的糖含量，以期为中学生物学探究实践活动提供教学参考。

Graphical abstract

关键词

酵母菌 / 发酵 / 糖含量 / 奶茶 / 探究实践

人教版生物学教科书中与糖类相关的实验共出现三次：其一，义务教育生物学八年级上册第四章第五节演示实验“发酵现象”，酵母菌将糖转化为酒精和二氧化碳，属于糖酵解产物的定性实验；其二，高中生物学必修1第2章第1节探究实践“检测生物组织中的糖类”，利用斐林试剂与还原糖反应生成砖红色沉淀的颜色反应来检测生物组织中的还原糖，属于糖类的定性实验；其三，高中生物学必修1第5章第3节探究实践“探究酵母菌细胞呼吸的方式”，在有氧条件下酵母菌通过细胞呼吸产生大量二氧化碳和水，在无氧条件下则产生酒精和少量二氧化碳，该实验也属于定性实验。

目前，已有诸多研究对“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验进行了优化与改进，其中包括实验材料、实验装置、实验条件以及反应产物的检测方法等方面^［1］。例如，在实验选材方面，采用高活性干酵母粉可显著缩短实验时间；在实验方法优化上，将酵母菌复水活化20 min后的活性最佳，且酵母菌与葡萄糖溶液按1∶1比例混合可获得最佳实验效果；在装置选择上，使用具有清晰刻度的注射器，既能保证实验组与对照组试剂用量一致，又能方便定量测量二氧化碳体积，同时可严格控制氧气的有无，减少实验误差，使结果更加真实可靠，且实验结果易于统计，材料易得，经济实惠。

基于教材内容及现有研究基础，笔者尝试采用酵母菌发酵产生二氧化碳的方法，对糖含量进行定量测定，并将该方法应用于奶茶中糖含量的检测，旨在引导学生运用所学知识和方法解决现实生活中的问题，培养其创新思维与科学探究精神。

1 实验方法的确定

奶茶由多种原料混合制作而成，现制现售奶茶中主要含有反式脂肪酸、咖啡因、糖类、蛋白质等。其中奶茶店使用的糖类多为果糖、蔗糖。糖含量的常见测定方法有密度法、折光法、滴定法、二硝基水杨酸比色法。这些方法都是基于糖类的物理和化学性质，操作简单，现象明显。但是，密度法和折光法容易受样品澄清度影响，奶茶中的蛋白质、脂类会干扰测量数据的准确性；滴定法和比色法常用于测量还原糖，但奶茶中糖成分复杂，不全为还原糖，需经水解处理。此外，需要对奶茶样品进行过滤、澄清处理，以去除其中含有的蛋白质和脂质，故操作复杂、费时，且奶茶呈浑浊状态，会干扰滴定终点的判断。

根据糖类是主要能源物质的生物学特性，在无氧条件下，酵母菌利用葡萄糖产生酒精和二氧化碳，只要检测产物二氧化碳的量，即可推算出酵母菌分解糖的含量。该实验条件容易控制，运用生物学方法还可以避免其他物质的干扰，且操作简单易行。因此，笔者选用酵母菌发酵的生物学方法设计实验方案检测奶茶的糖含量。

2 实验方案的设计

2.1 实验原理

在无氧条件下，酵母菌以单糖或双糖为原料。以葡萄糖为例，通过无氧呼吸产生酒精和二氧化碳，其化学反应式简写成：C₆H₁₂O₆→2C₂H₅OH（酒精）+2CO₂+少量能量。因此，通过酵母菌分解葡萄糖产生二氧化碳的体积可以计算出测试样品中糖的含量。

酵母菌的生命活动（包括自身生长与生物量增加）会消耗部分糖类，因此，需要以糖标准溶液为参照，测定酵母菌分解糖类产生二氧化碳的实际测量值，建构糖含量与产生二氧化碳气体体积的数学模型。根据被测样品经酵母菌分解产生二氧化碳的气体体积推算样品中的糖含量。

2.2 材料与方法

（1） 实验准备。

【实验用品】烧杯、玻璃棒、量筒、试管、10 mL注射器若干（带密封帽）、电子天平、培养箱、超纯水、酵母粉（安琪）、葡萄糖（分析纯）、果糖（分析纯）、蔗糖（分析纯）。

【试剂配制】①酵母菌悬浮液：将1 g酵母粉溶于20 mL超纯水中，混合均匀，放置30 min将其活化，备用。②不同浓度的糖标准溶液：将2 g糖溶于50 mL超纯水中，浓度为40 mg/mL，再将其稀释分别配制成4 mg/mL、8 mg/mL、12 mg/mL、16 mg/mL的糖标准溶液。

【待测奶茶样品】选用多种品牌奶茶作为检测样品，其中以“C颜悦色”品牌奶茶为主要检测对象，该品牌奶茶按甜度分为“标准糖（100%）、少糖（70%）、半糖（50%）、微糖（30%）、无糖（0%）”5种。“甜度”即奶茶店根据顾客需求所添加的糖量，其中“标准糖”表示加入100%的糖量。不同品牌奶茶店的甜度设置存在差异，如“C百道”“S亦”“M雪冰城”“G茗”均选用其“全糖”或“标准糖”标识的产品进行糖含量测定。实验前，将各奶茶样品用超纯水稀释5倍，备用。

【对照组】为检验奶茶中的蛋白质和脂质是否对酵母菌无氧呼吸产生影响，另设两个对照组，其蛋白质与脂质的浓度分别参照奶茶中对应物质的含量，即蛋白质含量为0.6 g/100.0 g，脂肪含量为2.50 g/100.00 g^［2］。将0.3 g乳清蛋白（纯度为80%）溶于50 mL超纯水中配制成6 mg/mL的乳清蛋白标准液；将1.25 g大豆油（纯度为99.9%）和0.20 g聚甘油酸酯溶于50 mL超纯水中使其充分乳化，配制成25 mg/mL脂肪悬浊液。实验前，分别将上述两种溶液用超纯水稀释5倍，备用。

（2） 方法步骤。

测定溶液中糖含量的实验步骤：①取10 mL注射器若干，分别吸取1 mL不同浓度的糖标准溶液或待测奶茶稀释液、乳清蛋白标准稀释液或脂肪悬浊液稀释液，再吸取1 mL酵母菌悬浮液加入每支注射器中；另取1 mL酵母菌悬浮液加入1 mL超纯水作为空白对照。②将溶液混合均匀，反复轻推注射器活塞，排出注射器内的气体，移走针头，并用注射器密封帽密封，记录此时每支注射器中橡胶塞对应的刻度V₀。③将注射器置于28 ℃培养箱，培养期间轻微振荡，防止酵母菌沉底，培养6 h，确保酵母菌尽可能将溶液中的糖分解完全，记录注射器中橡胶塞对应的刻度V₁和注射器液面对应的刻度V₂。④拔下注射器下端的密封帽，让注射器中溶液从下端自然流出，待液体不再外流，记录此时注射器中液面对应的刻度V₃。酵母菌分解糖类产生二氧化碳体积的计算公式：V=（V₁-V₀）+（V₂-V₃）。每个实验设置3组平行实验。

3 结果与分析

3.1 糖标准溶液及其产生二氧化碳的体积

不同类型糖的标准溶液经酵母菌分解后产生的二氧化碳体积测定结果如图1所示。将酵母菌无氧呼吸分解的糖质量与对应二氧化碳产量进行线性拟合，得到以下回归方程：①葡萄糖Y=0.19X+0.07，R²为0.997 1；②果糖Y=0.20X-0.06，R²为0.986 6；③蔗糖Y=0.21X-0.02，R²为0.993 3。三者均具有良好的线性关系，实测二氧化碳体积均低于理论值。葡萄糖和果糖同为单糖，理论上产生二氧化碳气体的体积应该一样多，且低于蔗糖，而实际检测值与理论值趋势一致。在一定糖含量范围内，等质量的葡萄糖、果糖、蔗糖发酵产生的二氧化碳体积非常接近。因此，在计算奶茶样品中的糖含量时，选用葡萄糖对应的回归方程Y=0.19X+0.07。

3.2 奶茶中的糖含量

根据被测奶茶发酵产生的二氧化碳体积，利用上述葡萄糖线性回归方程计算奶茶中的糖含量，并据此进行甜度分析（表1）。

“C颜悦色”4种加糖奶茶的糖含量由高到低依次为“标准糖”“少糖”“半糖”“微糖”，基本符合该奶茶店定制的甜度：标准糖（100%）、少糖（70%）、半糖（50%）、微糖（30%），但“微糖”实测值略低于其甜度标准。“无糖”奶茶、乳清蛋白标准液、脂肪悬浊液样品中均未检测到二氧化碳。

不同品牌“标准糖”奶茶中的糖含量如表2所示，5个品牌“全糖”或“标准糖”的糖含量最高的为“G茗”，是“C颜悦色”糖含量的2.2倍，其次是“M雪冰城”“S亦”，分别是“C颜悦色”糖含量的1.7倍、1.5倍，“C百道”的糖含量与“C颜悦色”相同。按照一杯奶茶500 mL的中杯规格计算，一杯“C颜悦色”和“C百道”的糖含量均约为20 g，一杯“S亦”的糖含量约30 g，一杯“M雪冰城”的糖含量约33 g，一杯“G茗”的糖含量约44 g。

4 结论与讨论

本实验设计了酵母菌发酵测量奶茶中糖含量的方法。酵母菌的呼吸方式包括有氧呼吸和无氧呼吸，本实验装置分别用密封帽和橡皮塞密封注射器两端，与空气隔绝，确保酵母菌能进行无氧呼吸；实验结束后，因为注射器内气柱的压强大于外界，需拔下注射器密封帽，使注射器内、外气压相等。经实验证明：在一定浓度范围内，酵母菌分解糖的量与生成二氧化碳的体积呈线性关系。

糖类分为单糖（葡萄糖、果糖）、双糖（蔗糖、麦芽糖）、多糖（淀粉、纤维素）等，现制奶茶中主要使用果糖、葡萄糖、蔗糖^［3］，蔗糖由一分子果糖和一分子葡萄糖组成，在适宜的条件下，酵母均可以分解这些糖类，所以本研究的实验方案可以测量奶茶中的总糖含量。酵母菌在发酵过程中会消耗一部分糖类用于自身繁殖与生物量增加，因此，测得二氧化碳气体的体积会略小于理论值。本研究还分别设置了蛋白质和脂肪溶液的实验组，结果显示这两组实验中都没有气体产生，可以推断奶茶中的蛋白质和脂肪对酵母菌无氧呼吸无显著影响。

实验结果显示：在5种现制现售奶茶品牌中，“G茗”的糖含量高于其他品牌的糖含量，其“标准糖”甜度的糖含量高达87.9 mg/mL。若一天摄入一杯500 mL的奶茶，不考虑其他途径摄入的糖量，则一天摄入的糖为44 g，而一杯“M雪冰城”的糖含量也达到了33 g。根据《中国居民膳食指南（2022年）》建议，每日添加糖摄入量不应超过50 g，最好控制在25 g以下^［4］。过量摄入糖会增加肥胖、代谢性疾病的发生风险，甚至引发一系列心脑血管疾病。日常饮食中人体已摄入一定量的糖，若再饮用一杯奶茶，极易导致当日糖摄入量超标。因此，应适量饮用现制现售奶茶，重视糖分过量摄入对人体健康带来的影响。

本实验设计的基于酵母菌发酵测量奶茶糖含量的方法，所用器材源于生活，操作简便，结果直观且重复性良好，可应用于检测市面上大多数奶茶等饮料的糖含量。该探究实践活动能引导学生关注生活实际，培养其发现与解决实际问题的意识和实践能力，发展科学认知水平，并进一步提升其科技创新思维与科学探究能力。

参考文献

[1] 杨然，王任翔，吴海锋，等.“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验改进综述［J］.中学生物教学，2023（11）：4-7.

[2] 史泽环，孙卓，宋琪，等.上海122种市售现制奶茶中的营养成分［J］.环境与职业医学，2023，40（07）：756-760，768.

[3] 王宇雯.现制奶茶含糖量分析与讨论［J］.食品工业，2023，44（10）：101-104.

[4] 中国营养学会.中国居民膳食指南（2022）［M］.北京：人民卫生出版社，2022.

基金资助

湖南省学位与研究生教学改革研究项目“基于项目制教学发展教育硕士跨学科能力的探索与实践”(2022JGYB076)

湖南省教育厅第三届湖南省基础教育教学改革研究项目“高中生物学教学中学生创造性思维的培养策略研究”(25JGYB0896)