课题3酵母细胞的固定化

课题3酵母细胞的固定化一、固定化酶的应用实例——生产高果糖浆1.反应原理:葡萄糖果糖。2.葡萄糖异构酶的优缺点:(1)优点:这种酶的_______较好,能持续发挥作用。(2)缺点:酶溶解于葡萄糖溶液后,无法从糖浆中回收,造成很大的浪费。_____________葡萄糖异构酶稳定性3.使用固定化酶的生产原理:将葡萄糖异构酶固定在颗粒状的_____上,再将这些酶颗粒装入_______中,柱子底端装上分布着许多小孔的筛板。_______无法通过筛板上的小孔,而__________可以自由出入。4.生产操作:(1)将_______溶液从反应柱的上端注入。(2)使葡萄糖溶液流过反应柱,与___________________接触。(3)转化成的果糖,从反应柱的下端流出。载体反应柱酶颗粒反应溶液葡萄糖固定化葡萄糖异构酶二、固定化技术的方法1.固定化酶和固定化细胞技术的概念:是指利用物理或__________将酶或细胞固定在一定空间内的技术。2.常用的方法:包埋法、___________和物理吸附法。(1)酶适合采用化学结合法和___________固定化,而细胞多采用_______固定化。(2)包埋法固定化细胞是将微生物细胞均匀地包埋在不溶于水的___________中。常用的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。化学方法化学结合法物理吸附法包埋法多孔性载体三、固定化酵母细胞实验操作1.酵母细胞的活化:向盛有干酵母的小烧杯中加入_______,让处于_____状态的酵母菌恢复正常的生活状态。2.配制CaCl2溶液:配制物质的量浓度为0.05mol·L-1的_____溶液。3.配制海藻酸钠溶液:用酒精灯加热时,边加热边_____,要用小火,或者_________,直至完全溶化。蒸馏水休眠CaCl2搅拌间断加热4.海藻酸钠溶液与酵母细胞混合:将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温,加入已活化的酵母细胞,进行充分搅拌,使其混合均匀,再转移至_______中。5.固定化酵母细胞:以_____的速度缓慢地将注射器中的溶液滴加到配制好的_________中,浸泡___min左右。6.用固定化酵母细胞发酵:将固定好的酵母细胞(凝胶珠)用_______冲洗2～3次,放入用于发酵的葡萄糖溶液中,再置于25℃下发酵24h后,会发现有_____产生,同时有酒味散发。注射器恒定CaCl2溶液30蒸馏水气泡【思考辨析】1.判断正误(1)酶的固定化提高了酶的催化效率。()【分析】酶的固定化使酶能够反复利用,提高了酶的利用率,但并未提高酶的催化效率。(2)柱子底端分布着许多小孔的筛板属于半透膜。()【分析】半透膜是只允许离子和小分子自由通过的膜结构。葡萄糖异构酶已经被固定在载体上,与反应溶液的分离属于较大固体颗粒与液体的分离,已超出半透膜分离溶质分子的范畴。××(3)固定化酵母常采用化学结合法和物理吸附法。()【分析】化学结合法和物理吸附法是固定化酶常采用的方法,固定化酵母一般采用包埋法。(4)酵母细胞的固定化可提高发酵产品的质量。()×√2.问题思考(1)固定化酶和固定化酵母在营养物质提供方面有何差别?提示：固定化酶不需要提供营养物质,固定化酵母需要提供营养物质以保证酵母菌存活。(2)如果制作的凝胶柱颜色过浅,呈白色,则说明了什么?提示：说明海藻酸钠浓度偏低,固定的细胞数目少。一、直接使用酶、固定化酶、固定化细胞催化的比较直接使用酶固定化酶固定化细胞酶的种类一种或几种一种一系列酶制作方法化学结合法、物理吸附法包埋法是否需要营养物质否否是直接使用酶固定化酶固定化细胞催化反应单一或多种单一一系列反应底物各种物质(大分子、小分子)各种物质(大分子、小分子)小分子优点催化效率高、低耗能、低污染等被固定的酶可重复使用成本低,操作更容易直接使用酶固定化酶固定化细胞缺点①溶液中的酶不能回收利用,增加了生产成本②反应后酶会混在产物中,可能影响产品质量一种酶只能催化一种化学反应,而在生产实践中,很多产物的形成都是通过一系列的酶促反应才能得到的固定后的细胞与反应物不容易接近,尤其是大分子物质,可能导致反应效率下降等【易错提醒】有关固定化细胞与固定化酶的两点提醒(1)固定化细胞使用的都是活细胞,应该为其提供一定的营养物质,而固定化酶不需要。(2)固定化细胞由于固定的是完整的细胞,因而酶的环境较稳定,所以对酶的活性影响较小,更能抵抗外界环境的变化。【典例训练1】(2013·江苏高考)下列有关固定化酶和固定化细胞的叙述,正确的是()A.可用包埋法制备固定化酵母细胞B.反应产物对固定化酶的活性没有影响C.葡萄糖异构酶固定前后专一性不同D.固定化细胞可以催化各种反应底物的一系列反应【解题关键】解答本题，需要注意以下两点：(1)明确固定化的对象是细胞还是酶，不同的对象，固定化的方法不同。(2)明确酶促反应中存在反馈调节，其产物可以和酶结合。【解析】选A。本题考查固定化酶和固定化细胞技术。A项中，固定化酵母细胞使用包埋法，固定化酶适合采用化学结合法和物理吸附法，故正确。B项中，酶促反应的产物积累如pH变化会影响酶的活性，故错误。C项中，酶固定前后专一性不变，故错误。D项中，固定化细胞固定的是一系列酶，可以催化一系列反应，但不能催化各种反应底物的反应，故错误。【变式训练】下列关于固定化细胞的说法错误的是()A.固定化细胞技术是利用物理或化学方法将细胞固定在一定空间内的技术B.酶固定化技术是固定化细胞技术的基础C.一般来说,细胞常采用物理吸附法固定D.包埋法常用的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等【解析】选C。细胞体积大,酶分子体积很小;体积大的细胞难以被吸附或结合,而体积小的酶容易从包埋材料中漏出,所以酶更适合采用化学结合法和物理吸附法固定化,而细胞多采用包埋法固定化。二、固定化酵母细胞的制备与应用1.固定化酵母细胞的制备:(1)酵母细胞的活化:在缺水的状态下,微生物会处于休眠状态。活化就是让处于休眠状态的微生物恢复正常的生活状态。(2)配制CaCl2溶液:0.83g无水CaCl2+150mL蒸馏水→200mL烧杯→溶解备用。(3)配制海藻酸钠溶液:0.7g海藻酸钠+10mL水→50mL烧杯→酒精灯小火(或间断)加热,并不断搅拌,使之溶化→蒸馏水定容至10mL。(4)海藻酸钠溶液与酵母细胞的混合:将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温,加入已活化的酵母细胞,充分搅拌后吸入注射器中。(5)固定化酵母细胞:以恒定速度缓慢地将注射器中的溶液滴加到CaCl2溶液中,形成凝胶珠。2.用固定化酵母细胞发酵:(1)冲洗:将固定好的酵母细胞(凝胶珠)用蒸馏水冲洗2～3次,刚形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡30min左右,形成稳定结构。(2)发酵:150mL质量分数为10%的葡萄糖→200mL锥形瓶→加入固定化酵母细胞→25℃发酵24h。【易错提醒】制备固定化酵母细胞的三点提醒(1)CaCl2要称量准确,不能用自来水配制溶液,防止自来水中各种离子影响实验效果,应用蒸馏水。(2)制备过程严格要求无菌操作,防止微生物污染。(3)海藻酸钠溶液的浓度影响固定化细胞的质量,如果海藻酸钠浓度过高,很难形成凝胶珠;如果浓度过低,形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目就少,影响实验效果。【典例训练2】(2010·江苏高考改编)如图1表示制备固定化酵母细胞的有关操作,图2是利用固定化酵母细胞进行酒精发酵的示意图。下列叙述不正确的是()A.刚溶化的海藻酸钠应迅速与活化的酵母细胞混合制备混合液B.图1中X溶液为CaCl2溶液,其作用是使海藻酸钠形成凝胶珠C.图2发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母细胞充分接触D.图1中制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤后再转移到图2装置中【解题关键】解题关键是了解制备固定化酵母细胞的过程,明确各种溶液的作用和每个步骤的意义。溶化海藻酸钠时需要加热,图1为凝胶珠的形成过程,图2为酵母细胞发酵的过程。【解析】选A。刚溶化的海藻酸钠溶液要冷却至室温,才能与活化的酵母细胞混合制备混合液,以免高温使酵母细胞失活;混合液加入CaCl2溶液进行固定化酵母细胞,CaCl2溶液的作用是使海藻酸钠形成凝胶珠;发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母细胞充分接触,以利于发酵过程的顺利进行;制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤(去除残留的CaCl2)后再转移到图2装置中进行发酵。【互动探究】(1)酵母细胞固定前要活化,原因是什么?提示：让处于休眠状态的酵母细胞恢复正常的生活状态。(2)图2容器中的气泡和酒精是怎样形成的?提示：酵母菌进行无氧呼吸产生CO2(形成气泡)和酒精。