Metabolizm drożdży

Autor: Ksawery Stojda

Więcej ciekawych lekcji na blogu autora

Lekcja do wykorzystania od szkoły podstawowej po gimnazjum. Lekcja świetnie nadająca się do przeprowadzenia w dużej klasie, angażując wszystkich uczniów w łatwe do przeprowadzenia i bezpieczne doświadczenia (zapożyczyłem ten pomysł z austriackiej szkoły, gdzie było prowadzone we wrześniu — w sezonie winobrania — z moszczem i drożdżami winnymi — w klasie 12-latków).

Badamy wpływ temperatury na tempo metabolizmu drożdży.

 

Grupa docelowa:
Od szkoły podstawowej po gimnazjum.

 

Cele edukacyjne:
Doświadczenie angażujące wszystkich uczniów. Wpływ temperatury na metabolizm. Fermentacja alkoholowa. Przeliczanie objętości, gęstości, masy, liczby moli substancji. Metodologia doświadczalna. Prezentacja danych — wykresy.

Doświadczenie:
Badamy zależność tempa metabolizmu drożdży od temperatury, mierząc ilość wyprodukowanego CO₂ w zależności od temperatury, w jakiej zachodzi fermentacja. Każdy z uczniów prowadzi niezależny pomiar w innej temperaturze. Porównujemy wyniki indywidualnych pomiarów.

 

Sprzęt:
Wspólne dla wszystkich:
– drożdże piekarskie (u mnie) lub lepiej: winne (w oryginalnej wersji z austriackiego winobrania);
– cukier (lub lepiej: moszcz z winogron, w oryginale użyto popularnej w tamtej okolicy odmiany Zierfandler);
– woda;
– naczynie do przygotowania roztworu cukru (zlewka 1l, powyżej 20 uczniów — 2l);
– naczynie do przygotowania zaczynu drożdży (kolba 0.5l);
– ocet;
– termometr (jeden na kilkoro uczniów);
– lód i czajnik z wrzątkiem;
– cylinder miarowy 100ml;
– pipeta lub cylinder miarowy 20ml;
– waga;
– zegar/stoper;
– opcjonalnie: mikroskop o powiększeniu 50-100x.

Dla każdego ucznia:
– spore (2 litry lub więcej) naczynie na łaźnię wodną: krystalizator, albo i zwykły garnek;
– naczynie fermentacyjne (ok. 200 ml): okrągła kolba, albo szklana butelka po np. soku;
– pasujący do kolby/butelki korek z przechodzącą przez niego rurką;
– plastikowa lub gumowa rurka, długości ok. 75cm, o średnicy dopasowanej do rurki w korku;
– naczynie do zbierania CO₂: cylinder miarowy 250 ml lub zwykła ćwierćlitrowa szklana butelka;
– naczynie do zamknięcia wodnego (około 1l): krystalizator albo i zwykły garnek czy miska;
– statyw z odpowiednimi łapami, ale może być i zupełnie improwizowane mocowanie z kawałka sznurka i oparcia od krzesła.

 

Doświadczenie: Każdy z uczniów będzie prowadził identyczne doświadczenie, różniące się jedynie temperaturą. Każdemu uczniowi wyznaczamy inną temperaturę, równo rozłożoną w przedziale od +5°C do +45°C. Ja, prowadząc zajęcia z dwójką uczniów, dałem każdemu z nich po trzy pomiary: 5°C, 15°C, 25°C, 30°C, 35°C, 45°C. W większej grupie dajemy każdemu z uczniów jeden pomiar, rozdzielając je np. co 2°C.

 

Przygotowujemy zaczyn drożdżowy, ma wystarczyć po ok. 20ml dla każdego z uczniów, drożdże powinny być w pełni aktywne (zaczyn warto przygotować na godzinę przed zajęciami).

 

Przygotowujemy roztwór cukru (o stężeniu ok. 10% dla drożdży piekarskich lub nawet 20% dla drożdży winnych) lub przynosimy moszcz z winogron.
Każdemu uczniowi dajemy naczynie fermentacyjne (kolbkę/butelkę) z jednakową ilością roztworu/moszczu, około połowy objętości naczynia.
Każdy uczeń dostaje spore naczynie (łaźnię wodną), w której przygotowuje (używając wrzątku lub lodu) wodę o zadanej mu temperaturze i umieszcza w nim swoje naczynko fermentacyjne (z moszczem), ewentualnie mocując je przy pomocy statywu lub improwizowanego zamocowania z drutu czy sznurka. Czekamy, aż temperatura w naczyniu fermentacyjnym wyrówna się z temperaturą łaźni, korygujemy temperaturę przy pomocy wrzątku lub lodu.

Każdy uczeń dostaje też drugie naczynie, do którego nalewamy trochę wody lekko zakwaszonej octem (stężenie rzędu 0.5% — dla zmniejszenia rozpuszczalności CO₂). Do naczynia tego wstawia szyjką na dół butelkę pomiarową (lub cylinder miarowy) również wypełniony tą lekko zakwaszoną wodą. Ewentualnie mocujemy butelkę/menzurkę statywem lub improwizowanym mocowaniem.

 

Każdemu z uczniów do jego naczynia fermentacyjnego wlewamy identyczną odmierzoną ilość zaczynu (u mnie: 20ml). Powinniśmy to zrobić dość szybko. Uczniowie mieszają swoje próbki i zamykają naczynka fermentacyjne korkami z zamocowanymi rurkami. Czekamy kilka minut, po czym wszyscy uczniowie jednocześnie wkładają wolne końce rurek do szyjek naczyń miarowych (pod zakwaszoną wodą). Zaczynamy mierzyć czas.

Uczniowie odpowiedzialni są za utrzymanie stabilnej temperatury w ich łaźniach — używając do tego gorącej wody lub lodu.

 

Po 20 minutach wyjmujemy węże z naczyń zbierających gaz. Każdy mierzy ile gazu zebrał: albo odczytując to z podziałki cylindra miarowego, albo, jeśli używał butelki — zatykając ją palcem, wyjmując, i przy pomocy cylindra miarowego mierząc, ile wody trzeba dolać, by dopełnić butelkę.

 

Dyskusja: Robimy wykres ilości zebranego gazu w zależności od temperatury. Może lepiej go będzie zrobić w skali logarytmicznej? Ile gazu powstało najwięcej? Ile to jest w gramach? w molach? Ile alkoholu powstało w tej kolbce? Jakie reakcje zachodzą w czasie fermentacji? Dlaczego w wyższej temperaturze powstaje więcej gazu? W jakiej najniższej temperaturze drożdże w ogóle mogą pracować? Jak się robi wino? A jak piwo? A jak ciasto drożdżowe? Co się dzieje z alkoholem w cieście, gdy pieczemy wielkanocną babę? A co drożdże mają wspólnego z podgrzybkami i prawdziwkami?

 

Pytanie problemowe: Czy po przekroczeniu pewnej temperatury drożdże tylko przestają pracować, czy umierają? Jak to sprawdzić? Jak dokładnie wyznaczyć tę temperaturę?

 

Doświadczenie (zaproponowane przez ucznia): Bardzo powoli będziemy podgrzewać buteleczkę fermentacyjną, obserwując ile gazu z niej się wydziela (patrzymy na bąbelki unoszące się z rurki). Kiedy ilość bąbelków nagle spadnie — zapisujemy temperaturę, przerywamy ogrzewanie i ochłodzimy naczynie. Czy zacznie znów produkować gaz po ochłodzeniu?

 

Dyskusja: Czy nie mieliśmy w ostatnim doświadczeniu do czynienia z dodatkowymi efektami? Rozszerzalnością cieplną gazu w naczynku fermentacyjnym i uwalnianiem się rozpuszczonego w roztworze ditlenku węgla wraz ze wzrostem temperatury? Jak zależy rozpuszczalność gazów w wodzie od temperatury?

 

Doświadczenie (na żądanie ucznia): Oglądamy pod mikroskopem żywe drożdże z naszej hodowli. Przyznaję, że próba wybarwienia ich błękitem metylenowym nie była udana, może jakiś nauczyciel biologii z praktyką w przygotowywaniu preparatów mikroskopowych mógłby podpowiedzieć dobre rady. Ale nie wybarwione i tak było nieźle widać, zobaczyliśmy również ich podział.

 

Doświadczenie do domu: Powtórzyć (uzupełnić) nasz komplet pomiarów o drożdże pracujące w niskich temperaturach (poniżej 15°C) prowadząc te pomiary przez znacznie dłuższy czas — kilka godzin.