Problem Analysis of the Experiments Illustrating pH Effects on Enzyme Activities in High School Science Textbooks - Focus on Starch-Iodine Reaction -

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 ${I_3}^-$ and/or ${I_5}^-$ subunits of polyiodides within the starch helix in starch-iodine complex, showing blue, decreases above pH 10 due to disproportionation to HOI, ${IO_3}^-$, and $I^-$ by the reaction with $OH^-$.

고등학교 과학 교과서에서 "pH가 효소의 작용에 미치는 영향" 실험의 문제점 분석 -녹말과 요오드 반응을 중심으로-

본 연구에서는 고등학교 과학 교과서에 제시된 'pH가 효소의 활성에 미치는 영향'에 대한 실험의 문제점을 분석하였다. 본 실험은 16종의 교과서 중 5개의 교과서에 소개되어 있으며, 실험 조건을 분석하였다. 교과서 분석 결과 산성 조건은 pH 3 이하이고, 염기성 조건은 pH 11이상이었다. 우선 교과서에 제시된 실험조건을 토대로 pH 조건을 다양하게 하여 실험을 실시하였다. 교과서에 제시된 것처럼 완충 용액을 사용하지 않고 pH 조건을 맞춰주었을 때, 침의 완충 작용으로 pH 범위로 pH가 맞춰지는 현상이 발견되었다. 그래서 본 연구에서는 pH 2에서 13인 완충 용액을 이용하여 효소 활성에 대한 실험을 수행하였다. pH 2에서 4사이에서 시료는 파란색을 나타내었고 pH 5부터 pH 8 에서는 색이 없어졌다. 이는 효소활성으로 인해서 녹말이 소화된 것을 나타낸다. pH가 9에서는 옅은 파란색이 나타났는데 이는 효소활성이 감소한 것을 나타낸다. 그러나 pH가 10이상으로 더 증가했을 때 효소의 비활성으로 인해 파란색이 더 짙어질 것이라는 기대와 달리, pH 10일 때 파란색이 더 옅어졌고, pH 11이상에서는 색이 없어졌다. 이는 이렇게 강한 염기성 조건에서 효소가 활성화된다고 학생들이 잘못해석하도록 영향을 미칠 수 있는 사안이다. 분석 결과 ${I_3}^-$, ${I_5}^-$는 녹말-요오드 화합물에서 녹말 나선 안에 존재하는 폴리요오드화 이온의 기초가 되며 이들이 색을 띄게 되는데, 이들이 $OH^-$와 반응하여 $I^-$, HOI, ${IO_3}^-$로 분해되기 때문으로 해석되었다.