2019-2020学年高中生物 专题4 酶的研究与应用 4-3 酵母细胞的固定化课件 新人教版选修1

04酶的研究与应用课题3酵母细胞的固定化课标解读知识目标1．说出固定化酶和固定化细胞的作用原理；了解利用固定化酶技术生产高果糖浆的实例2．说出固定化酶在生产实践中的优点；了解固定化酶和固定化细胞的方法及二者的联系与区别能力目标尝试制备和应用固定化酶的方法情感态度与价值观通过制备固定化酵母细胞的实验操作，体验科学制作的乐趣课前导学1．能将葡萄糖转化为果糖的酶是______________。2．固定化酶技术使用的反应柱上的孔应满足酶颗粒________通过，反应溶液________通过，若反应颗粒过大则不能通过。3．固定化酶和固定化细胞技术是利用________或________方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术，包括________、______________和______________。其中细胞多采用__________固定化，而酶多采用__________和________固定化。4．用包埋法固定化细胞，即将微生物细胞均匀地包埋于____________________中。常用的包埋微生物的载体有________、________、________、________和__________等。5．活化就是让处于______状态的微生物重新恢复正常的生活状态。6．制备固定化酵母细胞需要的试剂是________、__________和__________。7．固定化酶和一般酶制剂的主要区别是_____________________________________。答案1．葡萄糖异构酶2．无法自由3．物理化学包埋法化学结合法物理吸附法包埋法化学结合法物理吸附法4．不溶于水的多孔性载体明胶琼脂糖海藻酸钠醋酸纤维素聚丙烯酰胺5．休眠6．干酵母无水CaCl2海藻酸钠7．将分离纯化后的酶固定在一定的载体上，使用时将被固定的酶投放到反应液中，催化结束后又能将被固定的酶回收知识点解读知识点一高果糖浆1．定义高果糖浆是指果糖含量在42%左右的糖浆(果糖浆)。作为蔗糖替代品，高果糖浆具有甜度高，但又不像蔗糖那样易诱发肥胖、糖尿病、龋齿和心血管病等，对人类健康更有益。2．高果糖浆的生产原则以葡萄糖为原料，在葡萄糖异构酶的作用下，将葡萄糖转化为其同分异构体—果糖，而葡萄糖则是由淀粉制得的。3．制备过程(1)含淀粉的浆液在α­淀粉酶的作用下形成糊精(其中含有大量麦芽糖)。(2)糊精经过糖化酶(麦芽糖酶)的作用，形成葡萄糖。(3)在葡萄糖溶液中加入葡萄糖异构酶，分子结构发生异化，形成果糖，这一过程叫葡萄糖的异构化。此时果糖转化率并不高，一般为42%～45%。(4)深加工，将葡萄糖和果糖的混合物分开，进一步使葡萄糖发生异构化，并反应多次，可使混合物中果糖含量高达70%～90%，成为真正的高果糖浆。【例1】现在生产的许多饮料和糖果中的甜味剂不是蔗糖而是高果糖浆，高果糖浆是淀粉通过一系列的催化作用转化而来的，在这一过程中不需要的酶是()A．α­淀粉酶B．糖化酶C．葡萄糖异构酶D．纤维素酶【解析】因为酶具有专一性，在使用酶将淀粉经一系列转化形成高果糖浆的过程中，没有分解纤维素的过程，因此，不需要纤维素酶。【答案】D知识点二固定化酶及固定化细胞1．概念固定化酶和固定化细胞是利用物理或化学方法，将酶或细胞固定在一定空间内的技术。2．固定化技术的优势固定化酶和固定化细胞，将酶或细胞固定在不溶于水的载体上，使酶或细胞可以直接与反应物接触，充分发挥其催化功能，又能与产物分离，被反复利用，还能在一定程度上避免高温、强酸、强碱和有机溶剂对酶活性的影响，以提高催化效率，降低生产成本，提高产品质量。3．固定化技术的固定方法固定方法有包埋法、化学结合法和物理吸附法。(1)包埋法包埋法是指将酶包裹在多孔的载体中，如将酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶中，或包裹在硝酸纤维等半透性高分子膜中。如下图：(2)化学结合法化学结合法是指将酶分子相互结合，或将其结合到纤维素、琼脂糖、离子交换树脂等载体上的固定方式。工艺简便及条件温和是其显著特点，其载体选择范围很大，涉及天然或合成的无机、有机高分子材料，其过程可同时达到纯化和固定化，酶失活后可重新活化，载体可以再生。如下图：(3)物理吸附法物理吸附法是指将酶吸附到固体吸附剂表面的方法，固体吸附剂多为活性炭、多孔玻璃等。4．酶和细胞的固定不同在实际应用中，酶更适于用化学结合和物理吸附法固定，这是因为酶分子小，容易被多孔性物质吸附和更适合与化学物质结合，而容易从包埋材料中漏出，而细胞个体大，难以被吸附和与化学物质结合，因而多采用包埋法，就是将微生物细胞均匀地包埋在不溶于水的多孔性载体中，常用的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维和聚丙烯酰胺等，最常用的是海藻酸钠。固定化细胞操作更容易，对酶活性的影响更小，可以催化一系列的反应，容易回收等，但是由于大分子物质难以自由通过细胞膜，因此固定化细胞的应用也受到限制。【例2】关于固定化酶技术说法正确的是()A．固定化酶技术就是固定反应物，将酶依附于载体，围绕反应物旋转的技术B．固定化酶的优势在于能催化一系列的酶促反应C．固定化酶中的酶无法重复利用D．固定化酶是将酶固定在一定空间的技术【解析】固定化酶是利用物理或化学方法将酶固定在一定空间内的技术，其优点是酶被固定在一定装置内可重复利用，不足是无法同时解决一系列酶促反应。在固定过程中，固定的是酶而不是反应物，因此A、B、C均错误。【答案】D【例3】固定化酶和固定化细胞的主要区别是()A．前者只能固定胞外酶，后者只能固定胞内酶B．前者只能固定胞内酶，后者只能固定胞外酶C．前者可以固定胞内酶和胞外酶，后者只可以固定胞内酶D．前者只可以固定胞外酶，后者可以固定胞外酶和胞内酶【解析】微生物产生的酶的种类很多，有的存在于细胞内，有的分泌到细胞外，因此，固定化酶可以固定胞内酶和胞外酶，固定化细胞只能固定胞内酶。【答案】C知识点三制备固定化酵母细胞及发酵1．固定化酵母细胞的制备(1)酵母细胞的活化。称取1g干酵母，放入50mL的小烧杯中，加入蒸馏水10mL，用玻璃棒搅拌，使酵母细胞混合均匀，成糊状，放置1h左右，使其活化。(2)配制物质的量浓度为0.05mol/L的CaCl2溶液。称取无水CaCl20.83g，放入200mL的烧杯中，加入150mL的蒸馏水，使其充分溶解，待用。(3)配制海藻酸钠溶液。称取0.7g海藻酸钠，放入50mL小烧杯中，加入10mL水，加热至溶化，用蒸馏水定容至10mL。(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，加入已活化酵母细胞，进行分析充分搅拌，再转移至注射器中。(5)固定化酵母细胞。以恒定的速度缓慢地将注射器中的溶液滴加到配制好的CaCl2溶液中，将形成的凝胶珠在CaCl2溶液中浸泡30min左右。2．用固定化酵母细胞发酵(1)将固定化酵母细胞(凝胶珠)用蒸馏水冲洗2～3次，洗去凝胶表面多余的电解质溶液。(2)将150mL质量分数为10%的葡萄糖溶液移到200mL的锥形瓶中，再加入固定好的酵母细胞，置于25℃下发酵24h。【例4】(2018高考·江苏卷)下列关于酵母细胞固定化实验的叙述，正确的是()A．用温水使海藻酸钠迅速溶解，待其冷却到室温后用于包埋细胞B．进行包埋时，用于悬浮细胞的CaCl2溶液浓度要适宜C．注射器(或滴管)出口应尽量贴近液面以保证凝胶珠成为球状D．包埋酵母细胞的凝胶珠为淡黄色半透明状，并具有一定的弹性【解析】海藻酸钠溶解时要先加水，之后小火间断加热并不断搅拌，完全溶化后用蒸馏水定容，冷却至室温后，加入已活化的酵母细胞，进行充分搅拌，使其混合均匀，再固定，A项错误；包埋时氯化钙溶液的作用是使胶体聚沉，B项错误；滴加溶液时注射器或滴管不能贴近液面，否则凝胶珠会呈蝌蚪状，C项错误；制作成功的凝胶珠为淡黄色半透明状，并具有一定的弹性，D项正确。【答案】D思维拓展直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较直接使用酶固定化酶固定化细胞酶的种数一种或几种一种一系列酶常用载体\高岭土、皂土、硅胶、凝胶明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素、聚丙烯酰胺制作方法\化学结合固定化、物理吸附固定化包埋法固定化是否需要营养物质否否是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)小分子物质缺点①对环境条件非常敏感，易失活②难回收，成本高，影响产品质量不利于催化一系列的酶促反应反应物不易与酶接近，尤其是大分子物质，反应效率下降优点催化效率高、耗能低、低污染①既能与反应物接触，又能与产物分离②可以反复利用成本低、操作容易注意：①固定化细胞使用的都是活细胞，因而为了保证其生活的需要，应该为其提供一定的营养物质。②固定化细胞由于保证了细胞的完整性，因而酶的环境改变小，所以对酶的活性影响最小。名题赏析下面是制备固定化酵母细胞的实验步骤，请回答：酵母细胞的活化→配制CaCl2溶液→配制海藻酸钠溶液→海藻酸钠溶液与酵母细胞混合→固定化酵母细胞(1)在________状态下，微生物处于休眠状态。活化就是让处于休眠状态的微生物重新恢复________状态。活化前应选择足够大的容器，因为酵母细胞活化时________。(2)影响实验成败的关键步骤是__________。(3)如果海藻酸钠浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞数目________。(4)观察形成凝胶珠的颜色和形状，如果颜色过浅，说明__________；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，说明__________。(5)固定化细胞技术一般采用包埋法固定化，原因是____________。(6)该实验中CaCl2溶液的作用是________。【解析】该题以制备固定化酵母细胞的过程为载体，考查实验的操作程序、关键步骤、注意事项及有关试剂的作用。(1)酵母菌在干燥时，处于休眠状态，需加水活化，否则制成的固定化酵母在发酵时酶活性较低且酵母菌增殖缓慢。(2)该实验的关键是海藻酸钠溶液的配制。(3)如果海藻酸钠的浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目少，影响实验效果。(4)如果制作的凝胶珠颜色过浅呈白色，说明海藻酸钠的浓度偏低。如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，则说明海藻酸钠的浓度偏高，制作失败，需要再作尝试。(5)由于酵母细胞个体较大，不易从包埋材料中漏出，故细胞的固定化一般采用包埋法。(6)海藻酸钠胶体在CaCl2电解质溶液中发生聚沉，形成凝胶珠。【答案】(1)缺水正常的生活体积会增大(2)配制海藻酸钠溶液(3)少(4)海藻酸钠浓度偏低海藻酸钠浓度偏高，制作失败(5)细胞个体大，不易从包埋材料中漏出(6)使胶体聚沉课本问题提示[练习(P52)]1．提示：直接使用酶、固定化酶和固定化细胞催化的优缺点如下表所示。类型优点不足直接使用酶催化效率高，低耗能、低污染等对环境条件非常敏感，容易失活；溶液中的酶很难回收，不能被再次利用，提高了生产成本；反应后酶会混在产物中，可能影响产品质量固定化酶酶既能与反应物接触，又能与产物分离，同时，固定在载体上的酶还可以被反复利用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通过一系列的酶促反应才能得到固定化细胞成本低，操作更容易固定后的酶或细胞与反应物不容易接近，可能导致反应效果下降等2.提示：可按照酵母细胞活化→固定化酵母细胞→酒精产生及检测这一顺序进行说明，其中点明活化的原因，固定化操作注意的问题及产生酒精的原理及检测方法。3．提示：绝大多数酶是由活细胞产生的催化物质，产生的生物不一样，细胞结构不一样，酶的空间结构、大小、化学耐受性、物理耐热性都不一样，所以很难找出一种普遍适用的固定化酶的方法。