한국과학교육학회지, 29 권 8 호, pp. 923-933(2009. 12) J Korea Assoc. Sci. Edu, Vol. 29, No. 8, pp. 923-933(2009. 12) 고등학교과학교과서에서 ph 가효소의작용에미치는영향 실험의문제점분석 - 녹말과요오드반응을중심으로 - 지재화 1 정대홍 * 1 태릉고등학교 서울대학교 Problem Analysis of the Experiments Illustrating ph Effects on Enzyme Activities in High School Science Textbooks - Focus on Starch-Iodine Reaction - Jaehwa Ji 1 Dae Hong Jeong* 1 Taereung High School Seoul National University Abstract: In this study, analysis was carried out on science experiment in high school textbooks, illustrating the effect of ph on enzyme activity. Five of the total 16 science textbooks introduced in this experiment, and the experimental conditions therein were analyzed. Textbook analysis revealed that ph of below 3 was used for 'acidic condition' and that of over 11 was used for basic condition. Using the experimental conditions described in the textbooks, review experiments were performed. Buffering effect with the addition of saliva was found in the ph region around 7 when buffer solution was not used to control ph as was in the textbooks. The enzyme activity experiments were performed controlling ph from ph 2 to 13 with buffer. The color of the sample was blue from ph 2 to 4, and then disappeared from ph 5 to 8, reflecting that starch was digested owing to enzyme activity. In ph 9 light blue color appeared, indicating de-activation of enzyme under this basic condition. However, the blue color of the sample became lighter at ph 10 and disappeared from ph 11, which was different from the expected behavior anticipating dark blue color due to de-activation of enzyme under strong basic condition. These results can wrongly influence students to interpret that enzyme can be activated in this ph condition. So, we analyzed the reason for the color of the sample turning light blue in ph 10 and disappeared from ph 11. The analysis resulted that I3 - and/or I5 - subunits of polyiodides within the starch helix in starch-iodine complex, showing blue, decreases above ph 10 due to disproportionation to HOI, IO3 -, and I - by the reaction with OH -. Key words: Saliva, Enzyme Activity, ph Dependence, Starch-Iodine Complex Ⅰ. 서론 실험은과학교육의핵심적활동중하나로서 (Lazarowitz, Tamir, 1994), 과학을다른분야와구분짓는중요한특징이다 (Hofstein, Lunett, 2004). 실험활동은추상적인과학개념을가르치는데유용하며, 학생들에게구체적인학습개념을제공하여과학개념이해에도움을준다. 각급학교에서는과학지식의획득과이해, 과학의본질에대한이해, 과학적태도의함양, 과학적탐구력의배양이라는목표를이루기위해실험수업을실시하고있다 ( 조희형, 박승재, 1995). 학교현장에서실험수업은교육과정의틀안에서이루어지고있으며, 우리나라의경우과학수업및과학학습시교과서의비중은매우크다 ( 김효진등, 1999). 특히실험수업에대한의견을조사한결과, 설문에참여한중 고등학교교사의 50% 이상이실험수업을중시하고있었으며, 전체중 30.6% 의과학교사가교과서에제시된실험수업을하는것으로나타났다 ( 이진승등, 2006). 그러나교과서의실험과정과정리및설명에대한만족도는낮아초 중등학교교사와학생모두교과서보다참고서에더만족하였고 ( 김범기등, 2005), 교과서에제시된실험들중에는실험을수행할때이론을통해예측한결과와차이가 * 교신저자 : 정대홍 (jeongdh@snu.ac.kr) **2009.07.24( 접수 ) 2009.09.23(1 심통과 ) 2009.10.05(2 심통과 ) 2009.10.07( 최종통과 ) *** 이논문은 2009 년도서울특별시수학과학과우수교사위탁특별연수프로그램의지원을받아연구되었음.
924 지재화 정대홍 나는등의오류가발견되기도했다 ( 방정아등, 2006; 고영신등, 2004; 박동조등, 2001; 류오현등, 2001). 교과서에제시된실험을살펴보았을때, 화학뿐만아니라생물영역의실험에서는화학적방법이나산과염기용액, 지시약등의화학약품을이용하는경우가많다. 김용진, 박인근 (2007) 에따르면광합성산물실험에서에탄올중탕방법이이용되고있고, 문경원, 김영수 (2008) 는광합성과호흡실험에서광합성및호흡의여부를확인하기위해 BTB 용액을이용하고있으며, 물속의이산화탄소농도를높이기위해탄산수소나트륨을이용한다고했다. 화학이아닌타교과영역에서화학약품을이용하여실험을진행할때, 화학물질의특성및주의사항에대한정보가부족한상태로화학약품을다루게되므로실험상의문제및실험결과의오류가발생할수있다. 그러나화학적방법및화학약품의사용에대한주의점이교과서에제시되어있지않을뿐아니라화학약품의농도및첨가량등이충분히제시되어있지않은경우가많다. 김용진, 박인근 (2007) 에따르면광합성산물실험에서녹말확인시 I2/KI 용액을이용하는데 I2/KI 용액의농도가명시되어있지않고, 농도가진할경우반응색이검게될우려가있음을지적하고있다. 본연구에서는 7 차교육과정고등학교생물 Ⅰ, 생물 Ⅱ 교과서에소개된 ph 가효소의작용에미치는영향 실험을녹말과요오드반응을중심으로분석하고, 실험에서오류가발생하는원인을녹말과요오드화합물의형성조건과관련지어살펴보고자한다. ph 가효소의작용에미치는영향 실험은 5 차, 6 차교육과정에거쳐현장에서많이실시되었으며 ( 정충덕, 박행신, 1995; 김경희등, 1999), 7 차교육과정의교과서에도소개되어있다. 또한개정교육과정에서도 생명과학 Ⅰ 의 생명체의유지 단원의 소화효소를이용한실험하기 탐구활동, 생명과학 Ⅱ 의 세포와물질대사 단원의 효소의작용실험하기 탐구활동이명시되어있어개정되는교과서에소개될가능성이높다. 그러나김경희등 (1999) 에따르면 ph 가효소의작용에미치는영향실험시교과서에제시된실험조건에해당하는센염기성조건에서요오드에의한녹말의착색현상을관찰할수없는것으로나타났다. 이는실험결과의오류를유발할수있으며, 실험결과의오류는학생들에게학교과학수업에대한흥미를저하시킬뿐아니라오개념을형성하게될우려가 있다. 더불어선행연구에서는센염기성조건에서녹말의착색현상을관찰할수없는원인에대해서충분히논의되어있지않기때문에현장에서관련교육내용을개선하려고할때한계가발생할수있다. 그러므로본연구에서는 ph 가효소의작용에미치는영향 실험의문제점과그원인을분석하여현장에서실험을실시하는데도움을주고자한다. Ⅱ. 연구내용및방법 7 차교육과정에따른고등학교생물 Ⅰ 과생물 Ⅱ 교과서에서 ph 가효소의작용에미치는영향 실험을분석하였다. 분석을토대로문제점을파악하고, 그원인을밝히기위하여다음과같이연구를수행하였다. 첫째, 7 차교육과정에따른고등학교 생물 Ⅰ 교과서 8 종, 생물 Ⅱ 교과서 8 종총 16 종의교과서에서제시된 효소의활성에영향을주는요인 실험을분석하였다. 분석에사용된교과서를가, 나, 다순으로나열하여, 생물 Ⅰ 교과서에는 A 부터 H 까지알파벳을부여하였고, 생물 Ⅱ 교과서에는 a 부터 h 까지알파벳을부여하였다. 이중녹말과 I2/KI 용액을이용하여 ph 에따른소화효소의작용을알아보는실험에대해각교과서에제시된시약의첨가량과농도를전체반응용기속각시약의몰농도로변환하여실험조건을비교분석하였다. 둘째, 교과서분석결과를바탕으로교과서에제시된방법에따라실험을실시하되, 본연구의목적에맞게 ph 조건을교과서에제시된것보다다양하게하여실험결과를분석하였다. 셋째, 강한염기성조건일때는녹말과요오드화합물이형성되지않은이유를분석하기위해 ph 가녹말과요오드의반응및요오드화이온의형성에미치는영향을분석하였다. 좀더정확한분석을위해 UV/Visible 흡수분광기를이용하여흡광도를비교하였다. 본연구에서증류수는 ELGA 사의 PURELAB UHQ 를이용하여실험실에서제조하였고, 시약은별도의정제과정없이구입한대로이용하였다. 시약은수산화나트륨 (NaOH, 대정화금주식회사, 98.0%), 염산 (HCl, Merck, 37%), 녹말 (Junsei Chemical, chemical pure), 요오드 (I2, 대정화금주식회사, 99%), 요오드화칼륨 (KI, Junsei Chemical, 99.5%), 완충용
고등학교과학교과서에서 ph 가효소의작용에미치는영향 실험의문제점분석 - 녹말과요오드반응을중심으로 - 925 액 (ph 2, 3, 6, 8, 10, 11, 13: Samchun Pure Chemical; ph 4, 7, 9: Shinyo Pure Chemicals; ph 5: Crown Analytical Reagents; ph 12: 대정화금주식회사 ) 을사용하였으며, UV/Visble 흡수분광기는 Varian 사의 CARY 300 BIO 를이용하였다. UV/Visble 흡수분광기에이용한큐벳은두께 2 mm의석영유리큐벳과 10 mm일회용플라스틱큐벳을이용하였다. 0.05 M I2/KI 용액은증류수 100 ml 에 0.002 mol 의요오드화칼륨과 0.005 mol 의요오드를넣어제조하였으며, 녹말수용액은물에녹말을넣고끓인후식혀서이용하였다. 1. 교과서분석 Ⅲ. 결과및논의 7 차교육과정의고등학교 생물 Ⅰ 교과서 8 종, 생물 Ⅱ 교과서 8 종을분석한결과 (Figure 1), 실험이제시되어있지않은 A 교과서를제외한총 15 종의교과서에서 효소의작용에영향을미치는요인 에대한실험을소개하고있었다. 이중 B, C, D, E, F, H, d, e, h 9 종의교과서에서녹말을기질, 아밀라아제를효소로이용하고있었으며, 아밀라아제와녹말을이용한실험의지시약은베네딕트용액을지시약으로이용한 E 교과서를제외한 7 종의교과서에서 I2/KI 용액을지시약으로이용하고있었다. 또한 D 교과서는 I2/KI 용액과베네딕트용액둘다를지시약으로이용하고있었다. 그외카탈라아제 ( 효소 ) 와과산화수소 ( 기질 ) 를이용한실험은 a, b, c, f, g 교과서에제시되어있었고, 펩신 ( 효소 ) 과단백질 ( 기질 ) 을이용한교과서는 G 교과서 1 종뿐이었다. 아밀라아제의작용에영향을미치는요인을다룬교과서 9 종 (B, C, D, E, F, H, d, e, h ) 중에서온도만다룬것은 3 종 (B, H, e), ph 만다룬것은 1 종 (E) 이있었으며, 온도와 ph 를모두다룬것은 5 종 (C, F, D, d, h) 이있었다. ph 가효소의작용에미치는영향 을다룬교과서 6 종중본연구와관련된 I2/KI 용액을지시약으로이용한교과서 5 종 (C, F, D, d, h) 에제시된실험조건을분석한결과는 Table 1 과같다. 효소와기질의경우교과서마다제시된농도와양은달랐으나대부분의교과서에서정확한농도와양을명시하고있었다. 예를들어 5 배희석한침 1 ml, 또는 10 배희석한 Fig. 1 The kinds of enzyme and substrate introduced in the experiments demonstrating factors influencing enzyme activity in the high school science textbooks.,, and indicate frequency of experiments dealing with only temperature, only ph, and both of temperature and ph, respectively 침 2 ml, 5% 아밀라아제용액 1 ml 등으로제시되어있었고, 녹말용액은 1% 녹말용액을 2~10 ml 정도첨가하도록되어있었다. 그러나 h 교과서의경우효소로서이용되는엿기름물의농도와양이명시되어있지않았다. 산과염기의농도및첨가량은 C, D, h 교과서에명시되어있었고, C 와 D 교과서는 % 농도, h 교과서는몰농도로명시되어있었다. F 와 d 교과서는농도가명시되어있지않거나 묽은 으로명시되어있어그정보가불충분했다. I2/KI 용액의경우대부분의교과서에농도가명시되어있지않았고, d 교과서에서만 묽은 용액으로언급되어있었다. 대부분의교과서에서산이나염기용액, 기질용액, 효소용액을반응시킨반응용액을슬라이드글라스에떨어뜨린후지시약인 I2/KI 용액을떨어뜨리는형태로진행되는데, C, F, h 교과서에서는슬라이드글라스에떨어뜨리는반응용액과 I2/KI 용액의양이제시되어있지않거나불충분하게제시되어있었다. I2/KI 용액은지시약이므로그농도와양이중요하지는않으나소량만첨가되어야하므로, 1 방울, 2 방울 등의양제시는필요하다고여겨진다. 교과서를분석한결과, 반응에사용되는용액의농도와양이불충분하게제시되어있었다. 김경희등 (1999) 이 6 차교육과정교과서의본실험에대한분석하여실험에사용되는용액의농도와양이정확하게표기된경우가거의없었던결과와일치한다.
926 지재화 정대홍 Table 1 Analysis of experimental conditions demonstrating factors influencing enzyme activation in the textbooks C D F d h Enzyme saliva saliva saliva amylase solution malt solution Concentration of enzyme Added volume of enzyme Concentration of substrate Added volume of substrate Concentration of acid Added volume of acid Concentration of base Added volume of base Concentration of iodine solution Added volume of iodine solution : presented, : insufficiently presented, : not presented Table 2 The analysis of the concentration of reagents presented in the textbooks Concentration of substrate (starch) Dilution ratio of enzyme (saliva) C D F d h 0.6% 0.91% 0.33% 0.5% 0.83% 0.04 0.02 0.03 (amylase sol.) 2% (malt sol.) 0.08% Acid HCl HCl HCl CH3COOH CH3COOH HCl Acid Concentration 0.6 M 0.001 M 0.9 M 0.7 M 0.3 M 0.08 M condition Calculated ph a 0.3 3 0.02 2.5 2.6 1.1 Base NaOH NaOH NaOH NaOH NaOH NaOH Base Concentration 0.5 M 0.001 M 0.9 M 0.1 M 0.3 M 0.08 M condition Calculated ph a 13.7 11 13.9 13.1 13.4 13 a ph was calculated by considering only H + concentration 5 종의교과서에제시된실험조건을좀더자세히분석하기위하여제시된실험에서용액의농도와양을고려하여전체반응용액에서의농도로변환시켜보았다. 이때농도가제시되지않은용액이나 묽은 용액이라고제시된용액은 10% 농도로가정하여계산하였다. 중 고등학교교육과정에서묽은용액의절대적인기준이제시되어있지않으며, ph 에따른효소의활성정도를살펴보는다른실험에서 10% 농도의염산과수산화나트륨용액을이용하는경우가많아 10% 로가정하였다. 1 방울은 0.02 ml 로가정하여계산하였으며, 침희석액을효소로이용한경우 기준농도 를 희석하지않은침 으로정하여기준농도에대한비율 로나타냈다. % 농도로제시된것은 wt/v% 로가정하여화학에서흔히사용하는몰농도로표현하였고, 산, 염기용액의몰농도를다시 ph 로환산하였다. 분석한결과는 Table 2 에구체적으로제시하였다. 전체반응용액에서기질의농도는 0.33% 에서 0.91% 로다양했으나 1% 를넘지않았으며, 산의종류는대부분염산 (HCl) 을이용하였으나 d 교과서에서만아세트산 (CH3COOH) 을이용하였다. 산의농도는교과서마다달라 0.001 M 에서 0.9 M 까지그분포범위가넓었으며, 산을제외한다른용액을증류수로가정하여 ph 를계산한결과 ph 3 이내의산성조건에해당했다. 염기의종류는모든교과서에서수산화나트
고등학교과학교과서에서 ph 가효소의작용에미치는영향 실험의문제점분석 - 녹말과요오드반응을중심으로 - 927 륨 (NaOH) 을이용하였고, 0.001 M 에서 0.9 M 까지농도의분포가다양하였으며, 염기를제외한다른용액을증류수로가정하여 ph 를계산한결과 ph 11 이상의염기성조건에해당했다. 2. 교과서에제시된실험결과분석 교과서분석을바탕으로 ph 가아밀라아제의녹말분해에미치는영향 에대한실험을실시하였으며, ph 에의한효과를알아보기위해교과서에제시된것보다 ph 조건을다양하게설계하였다. 실험조건은 Table 3 과같다. 염산또는수산화나트륨용액, 녹말수용액, 침희석액 (10 배희석 ) 을 24 홈판에서반응시킨후약 5 분후에 I2/KI 용액을첨가하였다. 각조건의 ph 를살펴보면, d-i 의경우산과염기의농도만고려했을때는 ph 가약 5-10 범위이어야하지만, 측정된 ph 는 6.7-7.1 로중성에가까운값이나온것을알수있다. 일반적으로침의 ph 는 6.3-6.9 사이에분포되어있는데 ( 남현근, 1990), 산, 염기용액의농도가묽은경우는용액의 ph 가침의부근으로맞춰진것으로보아완충작용이일어난것임을알수있다. 침속의아밀라아제가작용하기적절한중성에가까운조건 ( 윤교희, 양희태, 2004) 에맞춰진것이라고할수있으며, 이는침의완충작용으로인해의도한 ph 조건에서실험이실시되지않았음을의미한다. a, b, c 조건과 j, k, l 과같이산, 염기용액의농도가 진한경우도완충작용이조금일어나긴했지만침수용액의완충용량을초과하였기때문에, 중성에가까운조건이되지않았다. ph 2 에서 13 까지의조건을맞춰주기위해염산과수산화나트륨용액을첨가한경우침의완충작용으로인하여의도한 ph 조건에서실험이진행되지않았다. 그래서본연구에서는염산과수산화나트륨용액대신완충용액을이용한실험설계를하였다. 실험조건은 Table 4 와같다. 완충용액을이용한경우 a, j, k, l 에서 ph 변화가있었지만, 전체적으로염산과수산화나트륨용액을이용했을때에비해 ph 변화가적었다. 그결과비교적의도한조건대로실험을진행할수있었으며, 실험실시결과는 Figure 2 와같다. Fig. 2 The result of the enzyme activity experiments under controlling ph with buffer 시료 a, b, c 는 ph 2.3-4.0 에해당하는산성조건으로침속의아밀라아제가활성이되지않아녹말이분해되지않았고, 분해되지않고남아있는녹말과 Table 3 Experimental conditions used in the review experiments Acid or Base 1% Starch solution Diluted saliva ( 10 diluted) 0.05 M I2/KI solution Measured ph a HCl 3 10-2 M 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 2.4 b HCl 3 10-3 M 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 3.5 c HCl 3 10-4 M 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 5.8 d HCl 3 10-5 M 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 6.7 e HCl 3 10-6 M 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 6.7 f Distilled water 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 6.7 g NaOH 3 10-6 M 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 7.1 h NaOH 3 10-5 M 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 7.1 i NaOH 3 10-4 M 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 7.2 j NaOH 3 10-3 M 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 9.7 k NaOH 3 10-2 M 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 12.0 l NaOH 3 10-1 M 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 12.8
928 지재화 정대홍 Table 4 Experimental conditions used in the enzyme activity experiments under controlling ph with buffer Buffer 1% Starch solution Diluted saliva ( 10 diluted) 0.05M I2/KI solution Measured ph a ph 2 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 2.3 b ph 3 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 3.1 c ph 4 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 4.0 d ph 5 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 5.1 e ph 6 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 6.0 f ph 7 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 7.0 g ph 8 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 7.9 h ph 9 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 8.9 i ph 10 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 9.9 j ph 11 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 10.7 k ph 12 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 11.8 l ph 13 buffer 0.5 ml 0.5 ml 0.5 ml 2 drops 12.7 I2/KI 용액이반응하였다. 녹말은아밀로오스와아밀로펙틴두성분이다양한비율로존재하며 ( 양철학, 2009), 녹말의아밀로오스와아밀로펙틴이각각요오드화이온과반응하여청남색과보라색화합물을형성한다 (Rundle, Baldwin, 1943; Rundle, French, 1943; Jarvis, Walker, 1993). Starch + I2/KI solution starch-iodine complex (dark blue) [1] 시료 d, e, f, g 는 ph 5.1-7.9 로중성에가까운조건이므로침속의아밀라아제에의해녹말이분해되었고, 갈색의 I2/KI 용액으로인해옅은노란색을나타냈다. Starch + amylase maltose + dextrine [2] No starch + I2/KI solution no reaction [3] 시료 h 는 ph 8.9 의약한염기성조건으로침속의아밀라아제가작용을하나, 활성정도가떨어지므로분해되지않고남아있는약간의녹말에의해옅은파란색을띠었다. Starch + amylase maltose + dextrine [4] starch + I2/KI solution starch-iodine complex (light blue) [5] 시료 i, j, k, l 은 ph 9.9-12.7 의염기성조건이므로아밀라아제의활성이떨어져녹말의분해활성범위를넘어선다. 그러므로녹말의분해가되지않아녹말과 I2/KI 용액이반응하여청남색을나타낼것이라고예측할수있다. 그러나 i 는옅은파란색을띠고, j, k, l 은무색이었으며, I2/KI 용액의색또한나타나지않았다. 색변화만으로판단하면 ph 9.9 에서효소가약간활성이며, ph 10.7-12.7 사이에서효소활성이있는것으로보인다. 그러나이영역에서는효소활성이없는것으로알려져있으며그럼에도이같은결과가관찰되는것은효소활성이아닌다른요인이작용하고있는것을의미한다. 선행지식이없는고등학생이효소활성에대한지식을실험을통해서얻는과정에서이같은실험결과를관찰하게된다면실험을통해서개념을학습시키고자하는교육의도에반하는효과가예상된다. 교과서분석결과에따르면교과서에서의도한염기성조건은 ph 11 이상으로나타났으며, 이실험결과에따르면예측과다른실험결과를얻을수밖에없다. 3. 녹말과 I2/KI 용액의반응에대한고찰 ph 10 이상의염기성조건일때침희석액과녹말을반응시킨후 I2/KI 용액을떨어뜨렸을때옅은파란색이나무색이나타난원인은침속의효소와는관계가없을것으로판단된다. 이를확인하기위하여침희석
고등학교과학교과서에서 ph 가효소의작용에미치는영향 실험의문제점분석 - 녹말과요오드반응을중심으로 - 929 액대신에증류수를첨가하고다른조건은 Table 3 에제시된조건과동일하게하여녹말과 I2/KI 용액의반응이 ph 의영향을받는지를알아냈다. 수행한실험조건은 Table 5 와같다. 용하였다. 시료를 2 mm두께의큐벳에덜어 UV/Visible 흡수분광기로흡광도를측정하였고, 결과는 Figure 4 와같다. Jarvis(1993) 에따르면녹말의아밀로오스와아밀로펙틴은요오드와반응하여화합물을형성하는데, 이때아밀로오스 - 요오드화합물, 아밀로펙틴 - 요오드화합물에의한흡수가합쳐져 500-800 nm에걸쳐폭이넓은흡수밴드가나타난다. Fig. 3 The color of starch-iodine complex in different ph 반응용액을 24 홈판에조금씩덜어비교한결과는 Figure 3 에제시되어있다. 실험결과 ph 2.2-9.0 사이에해당하는 a, b, c, d, e, f, g, h 는청남색을띠며, ph 10 인 i 부터는색이옅어져 ph 10.8 인 j 는무색에가까웠고, 각각 ph 12.0, 12.7 인 k, l 은무색이었다. 녹말 - 요오드화합물은색이진하므로, ph 에따른녹말 - 요오드화합물의형성정도를색의농도를통해가늠할수있다. 그러므로 a-h 는녹말 - 요오드화합물이형성되었고, i 에서 k 및 l 로갈수록녹말 - 요오드화합물이잘형성되지않았다고할수있다. 그러나육안으로는관찰의한계가있으므로이를더정량적으로분석하기위하여 UV/Visible 흡수분광기를이 Fig. 4 The UV-visible spectra of starch-iodine complex in different ph a-g 는 550 nm에서 800 nm사이에서흡수가있었으며흡광도는 0.8 정도로나타났다. 그러나 ph 가높아질수록흡광도가떨어지는데, ph 9 인 h 의흡광도는산성, 중성조건과비슷한 0.8 부근이지만, ph 10 인 i 에서는 0.4 로떨어지고, ph 10.8 인 j 에서는 0.1 로떨 Table 5 Experimental conditions used in experiment to verify the effect of ph in the formation of starch-iodine complex Buffer 1% Starch solution Distilled water 0.05 M I2/KI solution ph a ph 2 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 2.2 b ph 3 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 3.0 c ph 4 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 3.9 d ph 5 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 4.9 e ph 6 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 6.0 f ph 7 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 7.0 g ph 8 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 8.0 h ph 9 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 9.0 i ph 10 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 10.0 j ph 11 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 10.8 k ph 12 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 12.0 l ph 13 buffer 10 ml 10 ml 10 ml 0.15 ml 12.7
930 지재화 정대홍 어지며, ph 12 이상인 k, l 에서는 0.1 도채되지않았다. 이로부터 ph 10 부터녹말 - 요오드화합물의생성이감소되며, ph 11 이상의센염기성조건에서녹말 - 요오드화합물이거의형성되지않는다는것을확인할수있다. [6] 수용액에서요오드화이온은 288-292 nm, 349-352 nm영역의빛을흡수하며 (McGrance et al., 1998), 이는다음과같은반응에의해생성되는트라이요오드화이온 (I3 - ) 과펜타요오드화이온 (I5 - ) 에의한것으로알려져있다 (Cornell, Rix, 2006). Fig. 5 The structure of starch-iodine complex (Teitelbaum et al., 1980) 2I2 + I - I5 - [7] I2 + I - I3 - [8] 녹말과요오드화합물의형성시요오드화이온은녹말의아밀로오스나선안에존재하며, 그형태는 Figure 5 와같다. 이때아밀로오스나선안에존재하는요오드화이온은트라이요오드화이온 (I3 - ) 로알려져있었으나, Teitelbaum et al.(1978) 에따르면녹말과요오드화합물의주된발색단은펜타요오드화이온 (I5 - ) 이라고한다. 더최근연구에의하면녹말의아밀로오스나선안에요오드와요오드화이온들이다음과같이평형으로존재하며트라이요오드화이온 (I3 - ) 과펜타요오드화이온 (I5 - ) 이폴리요오드화이온사슬의중요한기초가된다고한다 (Xiaochun Yu et al., 1996). 녹말 - 요오드화합물이형성되기위해서는트라이요오드화이온 (I3 - ) 과펜타요오드화이온 (I5 - ) 이용액속에존재하여야하며, 요오드화이온들의농도가녹말과요오드화합물의형성에영향을미칠수있다. 그래서본연구에서는녹말의영향과관계없이요오드화이온들의농도가 ph 의영향을받는가를알아보기위하여, 녹말수용액대신증류수를첨가하고나머지조건은 Table 5 의조건과동일하게하여실험을실시하였다. 실험조건은 Table 6 과같다. 반응용액을 24 홈판에덜어비교한결과는 Figure 6 과같다. a-g 는옅은노란색을띠나 h, i, j, k, l 은무색을나타내는것을확인할수있다. 요오드화이온 Table 6 Experimental conditions used in experiment to verify the effect of ph in iodine solution Buffer Distilled water 0.05 M I2/KI solution ph a ph 2 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 2.1 b ph 3 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 3.0 c ph 4 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 4.2 d ph 5 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 5.0 e ph 6 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 6.0 f ph 7 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 7.0 g ph 8 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 8.0 h ph 9 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 9.1 i ph 10 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 10.1 j ph 11 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 10.8 k ph 12 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 11.9 l ph 13 buffer 10 ml 20 ml 0.15 ml 12.7
고등학교과학교과서에서 ph 가효소의작용에미치는영향 실험의문제점분석 - 녹말과요오드반응을중심으로 - 931 은자외선영역의빛을주로흡수하므로정확한분석을위해시료를 10 mm큐벳에덜어 UV/Visible 흡수분광기를이용하여분석하였다. Fig. 6 The color of iodine solution in different ph 본연구에서는완충용액의종류에따라 288-292 nm에서완충용액에의한밴드가나타나는경우가있어 349-352 nm의밴드만분석대상으로정했으며, 분석결과는 Figure 7 과같다. a, b, c, d, e, f 조건에서 349-352 nm영역의흡수밴드는흡광도가 0.4-0.5 로일정하였으며, 이는 ph 2.1-7.0 의산성조건에서요오드화이온들 (I3 -, I5 - ) 의농도가 ph 의영향을받지않는것을의미한다. 그러나염기성조건에서 349-352 nm밴드의흡광도는 g 의경우 0.35 부근, h 는 0.15 부근으로나타났고, i, j, k, l 에서는밴드가나타나지않았다. 이는 ph 8 이상의염기성조건에서요오드화이온들 (I3 -, I5 - ) 의농도는 ph 가증가함에따라감소하며, ph 10 이상에서는요오드화이온들 (I3 -, I5 - ) 의농도가급격하게감소한다는것을의미한다. 센염기성용액에서트라이요오드화이온 (I3 - ) 은요오드화이온 (I - ) 과하이포요오드산 (HOI) 과요오드산이온 (IO3 - ) 으로반응을일으키며 (Harris, 1999), 반응식은다음과같다. 12I3 - + 21OH - 30I - + 3HOI + 3IO3 - + 9H2O [10] 그러므로 ph 10 에서부터녹말 - 요오드화합물의형성이감소하여, ph 11 이상부터녹말 - 요오드화합물이거의형성되지않은것은센염기성용액일수록트라이요오드화이온 (I3 - ) 과펜타요오드화이온 (I5 - ) 이수산화이온 (OH - ) 과반응하여농도가감소했기때문이라고할수있다. 그결과녹말의아밀로오스나선에내포되는폴리요오드화이온이형성되지못했고, 녹말 - 요오드화합물이형성되지못해색을띄지않은것이다. 따라서효소활성에미치는요인으로 ph 의영향을소개하는실험에서녹말반응에의한색변화 Fig. 7 The UV-visible spectra of iodine solutions in different ph 를이용하는실험이라면염기성조건을설정할때 ph 10 을넘지않도록실험조건을설정할필요가있다. Ⅳ. 결론및제언 본연구에서는 ph 가효소의작용에미치는영향 실험에대해녹말과요오드반응을중심으로교과서분석을실시하였다. 또한본실험에서나타날수있는문제점및그원인을분석하였다. 교과서분석결과본실험에사용되는효소의농도및첨가량, 기질의농도및첨가량, 산과염기의농도및첨가량, I2/KI 용액의농도및첨가량이모두정확히명시된교과서는 1 종도없었다. 또한본실험에서중요한변인인산과염기의농도가명시되지않거나불충분하게제시되어있는교과서도있었다. 이는교과서에제시된자료만으로학생들이실험을올바르게수행하는데는한계가있을수있음을의미한다. 교과서의실험조건을기준으로염산과수산화나트륨을첨가해 ph 조건을설정해준결과, 침수용액의완충작용으로인해의도한값으로 ph 가맞추어지지않았고, 이를보완하기위하여완충용액을이용하여 ph 조건을설정한결과, 의도한 ph 조건으로실험을실시할수있었다. 즉, 완충용액을사용하지않고산과염기의양을조절하는것으로는정확한실험을수행할수없음을확인하였다. ph 10 이상의센염기성용액에서효소활성이떨어져서녹말이분해되지않고, 녹말 - 요오드화합물이형성되면서청남색이나타날것이라는예상과달리
932 지재화 정대홍 색이옅어지거나나타나지않았다. 이는이조건에서효소의활성이다시높아진다고잘못해석할여지를학생들에게남기게되거나, 이를교사가추가로설명하기위하여교육과정의수준을넘어선개념을도입해야하는상황을발생할여지가있어수업활동에부정적인영향을줄수있다. ph 10 이상의센염기성조건에서녹말 - 요오드화합물의색이옅어지거나나타나지않은이유를조사하기위하여 UV/Visible 흡수스펙트럼을이용하여분석하였다. 분석결과로센염기성조건에서침속의아밀라아제에의해녹말이완전히분해되어색이나타나지않은것이아니라, 녹말 - 요오드화합물의생성이감소되었기때문인것으로밝혀졌다. 녹말 - 요오드화합물이형성될때는녹말의아밀로오스나선에폴리요오드화이온이내포되어야한다. 그런데센염기성조건에서는요오드화이온 (I3 -, I5 - ) 이수산화이온 (OH - ) 과반응하여요오드화이온의농도가낮아지게된다. 그결과요오드화이온은폴리요오드화이온을형성하기어려워져, 녹말 - 요오드화합물이형성되지못하는것이다. 본연구결과를바탕으로 ph 가효소의작용에미치는영향 실험을정확하게진행하기위해염산이나수산화나트륨대신완충용액을사용할것을제안한다. 또한센염기성조건에서는요오드화이온의낮은농도로인하여녹말 - 요오드화합물이형성되지못해정확한실험결과를얻을수없으므로교과서서술및실험설계시녹말 - 요오드화합물형성에적합한 ph 10 미만의조건을고려해야할것이다. 국문요약 본연구에서는고등학교과학교과서에제시된 ph 가효소의활성에미치는영향 에대한실험의문제점을분석하였다. 본실험은 16 종의교과서중 5 개의교과서에소개되어있으며, 실험조건을분석하였다. 교과서분석결과산성조건은 ph 3 이하이고, 염기성조건은 ph 11 이상이었다. 우선교과서에제시된실험조건을토대로 ph 조건을다양하게하여실험을실시하였다. 교과서에제시된것처럼완충용액을사용하지않고 ph 조건을맞춰주었을때, 침의완충작용으로 ph 범위로 ph 가맞춰지는현상이발견되었다. 그래서본연구에서는 ph 2 에서 13 인완충용액을이용 하여효소활성에대한실험을수행하였다. ph 2 에서 4 사이에서시료는파란색을나타내었고 ph 5 부터 ph 8 에서는색이없어졌다. 이는효소활성으로인해서녹말이소화된것을나타낸다. ph 가 9 에서는옅은파란색이나타났는데이는효소활성이감소한것을나타낸다. 그러나 ph 가 10 이상으로더증가했을때효소의비활성으로인해파란색이더짙어질것이라는기대와달리, ph 10 일때파란색이더옅어졌고, ph 11 이상에서는색이없어졌다. 이는이렇게강한염기성조건에서효소가활성화된다고학생들이잘못해석하도록영향을미칠수있는사안이다. 분석결과 I3 -, I5 - 는녹말 - 요오드화합물에서녹말나선안에존재하는폴리요오드화이온의기초가되며이들이색을띄게되는데, 이들이 OH - 와반응하여 I -, HOI, IO3 - 로분해되기때문으로해석되었다. 참고문헌 고영신, 김세경, 이혜경 (2004). 초등학교과학과이산화탄소발생실험의개선에관한연구. 초등과학교육, 23(2), 152-158. 김경희, 박성호, 양홍준, 송방호, 정화숙, 권덕기, 정원우, 권용주, 손종경 (1999). 고등학교생물교과서에침의소화작용에대한실험방법의분석. 한국생물교육학회지, 27(1), 25-34. 김범기, 곽영순, 김찬종, 손정우, 송진웅, 이경호, 차희영, 허명 (2005). 초 중등과학교육혁신방안연구. 국가과학기술자문회의. 103-120. 김용진, 박인근 (2007). 과학교과서에제시된광합성산물실험의적절성연구. 한국생물교육학회지, 34(5)( 특별호 ), 595-604. 김효진, 김위규, 박현주 (1999). 중학교학생의과학학습방법및전략에관한연구. 대한화학회지, 43(5), 552-563. 남현근 (1990). 생화학. 학문사. p187-190. 류오현, 최문영, 송주현, 권중건, 백성혜, 박국태 (2001). 중학교과학교과서분별증류실험의비교분석및개선. 대한화학회지, 45(5), 481-490. 문경원, 김영수 (2008). 광합성실험과호흡실험에대한중고등학생들의실험과정이해도및실험수행능력조사. 한국생물교육학회지, 36(4), 537-554. 박동조, 백성혜, 강성주 (2001). 열역학적관점에
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