新高考生物人教版一轮复习讲义选择性必修部分 模块3 第1单元 第3讲 生物技术在其他方面的应用.docx

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新高考生物人教版一轮复习讲义选择性必修部分模块3第1单元第3讲生物技术在其他方面的应用

第3讲　生物技术在其他方面的应用

考纲研读备考定位

考纲要求

核心素养

1.从生物材料中提取某些特定的成分

2.蛋白质的提取和分离技术

1.生命观念——通过蛋白质分离技术的深入理解建立生命的物质观。

2.科学思维——分析与综合：

分析玫瑰精油、橘皮精油和胡萝卜素的提取原理及过程。

3.科学探究——设计实验探究成分提取的条件等。

4.社会责任——关注人体健康，关注胡萝卜素缺乏引起的疾病

考点一　蛋白质的提取和分离

1．血红蛋白的提取

（1）红细胞的洗涤

①目的：

去除杂蛋白。

②方法：

采集的血样要及时分离红细胞，分离时采用低速短时间离心，然后用胶头吸管吸出上层透明的黄色血浆，将下层暗红色的红细胞液体倒入烧杯，再加入五倍体积的生理盐水稀释，再离心，重复洗涤三次，直至上清液中不再呈现黄色，表明红细胞已洗涤干净。

（2）血红蛋白的释放

加蒸馏水（作用是使红细胞吸水涨破）到原血液的体积，再加40%体积的甲苯（作用是溶解细胞膜），充分搅拌，细胞破裂释放出血红蛋白。

（3）分离血红蛋白溶液

①将搅拌好的混合液转移到离心管中，以2000r/min的速度离心10min后，可以明显看到试管中的溶液分为4层。

②将试管中的液体用滤纸过滤，除去脂溶性沉淀层，于分液漏斗中静置片刻后，分出下层的红色透明液体，即血红蛋白溶液。

2．血红蛋白的粗分离——透析

（1）原理：

透析袋能使小分子自由进出，而将大分子保留在袋内。

（2）过程：

取1mL的血红蛋白溶液装入透析袋中，将透析袋放入盛有300mL的物质的量浓度为20mmol/L的磷酸缓冲液中（pH为7.0），透析12h。

（3）目的：

除去样品中相对分子质量较小的杂质。

3．血红蛋白的纯化——凝胶色谱法

（1）原理：

相对分子质量较小的蛋白质由于扩散作用进入凝胶颗粒内部，路程较长，移动速度较慢而被滞留；相对分子质量较大的蛋白质被排阻在凝胶颗粒外面，在颗粒之间迅速通过。

（2）过程

①调整缓冲液面：

打开色谱柱下端的流出口，调整缓冲液与凝胶面平齐

↓

②滴加透析样品：

关闭下端出口，用吸管小心将1mL样品加到色谱柱顶端

↓

③样品渗入凝胶床：

加样后，打开下端出口，使样品渗入凝胶床内

↓

④再调整缓冲液面：

关闭下端出口，小心加入物质的量浓度为20mmol/L的磷酸缓冲液到适当高度

↓

⑤洗脱：

打开下端出口，用磷酸缓冲液洗脱

↓

⑥收集：

待红色的蛋白质接近色谱柱底端时，用试管收集流出液，每5mL收集一管，连续收集

4．纯度鉴定——电泳

判断纯化的蛋白质是否达到要求，需要进行蛋白质纯度的鉴定。

在鉴定的方法中，使用最多的是SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳。

易错整合，判断正误。

（1）透析法可去除小分子化合物杂质，原理是不同分子所携带净电荷不同（　×　）

（2）通过控制离心速率，可使分子大小、密度不同的蛋白质沉降分层，从而分离不同的蛋白质（　√　）

（3）不同的物质在同一电场中的泳动速度不同，因此可用电泳法分离蛋白质（　√　）

（4）影响泳动速度的因素包括带电颗粒的性质、电场强度、溶液的pH等（　√　）

　右图是用凝胶色谱法分离a、b两种蛋白质的示意图，请分析：

（1）先从层析柱中洗脱出来的是哪种蛋白质？

为什么？

（2）d是什么？

有什么特点？

（3）层析柱装填时不能有气泡的原因是什么？

[提示]

（1）a蛋白质先洗脱出来，因为a的相对分子质量较大，被排阻在凝胶颗粒外面，在颗粒之间迅速通过。

（2）d是多孔板，蛋白质可以通过，凝胶颗粒不能通过。

（3）气泡会扰乱蛋白质的洗脱次序，干扰实验结果。

1．常用的蛋白质分离方法

（1）凝胶色谱法

蛋白质

项目

相对分子质量大

相对分子质量小

凝胶内部

不能进入

能进入

运动方式

垂直向下

垂直向下和无规则扩散运动

经过路程

较短

较长

洗脱次序

先流出

后流出

（2）电泳法原理

a．在一定pH下，蛋白质分子的某些基团解离后带上正电或负电。

在电场的作用下，带电分子会向着与其所带电荷相反的电极移动。

b．由于待分离样品中各种分子带电性质的差异以及分子本身的大小、形状的不同，使带电分子产生不同的迁移速度，从而实现样品中各种分子的分离。

2．比较琼脂糖凝胶电泳和SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳

（1）从载体上看，利用琼脂糖凝胶作为载体的是琼脂糖凝胶电泳，利用SDS—聚丙烯酰胺凝胶作为载体的是SDS一聚丙烯酰胺凝胶电泳。

（2）从依据上看，利用了分子带电性质差异和分子大小的是琼脂糖凝胶电泳，仅利用了分子大小的是SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳。

（3）从优点上看，琼脂糖凝胶电泳操作简单，电泳速度快，样品不需处理，电泳图谱清晰，分辨率高，重复性好；SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳消除了净电荷对迁移率的影响，使电泳迁移率完全取决于分子的大小。

例1请完成有关血红蛋白提取与分离的相关问题：

（1）实验前取新鲜血液，要在采血器中预先加入柠檬酸钠，取血回来，马上进行破碎离心，收集血红蛋白溶液。

加入柠檬酸钠的目的是防止血液凝固。

（2）在对样品进行处理时，主要包括红细胞的洗涤、血红蛋白的释放；对样品进行粗分离时主要包括：

分离血红蛋白溶液、透析等步骤。

其中透析技术的原理是小分子可以自由进出透析袋（半透膜），而大分子不能通过。

（3）同学甲利用琼脂糖凝胶电泳技术，将得到的蛋白质进行分离，在电泳过程中，影响蛋白质迁移速度的因素包括蛋白质分子的大小、带电性质__以及分子的形状等。

而加入SDS后，使得蛋白质的迁移率只取决于分子的大小。

（4）同学乙利用凝胶色谱法进行血红蛋白的分离（如下图1），他在操作中加样的正确顺序是④①②③，在执行图1中②所示操作时，色谱柱下端连接的尼龙管应该关闭（填“打开”或“关闭”）。

（5）图2是同学乙利用样品分离得到的结果，则图2中蛋白质相对分子质量最小的是丙。

[解析]　

（1）新鲜血液中加入柠檬酸钠的目的是防止血液凝固。

（2）样品的处理包括红细胞的洗涤、血红蛋白的释放等步骤。

分离血红蛋白中所用的透析方法的原理是半透膜的半透性，即小分子可以自由通过，大分子不能自由通过。

（3）琼脂糖凝胶电泳时，影响蛋白质迁移速度的因素有蛋白质分子大小、带电性质及分子的形状等。

而加入SDS后，使得蛋白质的迁移率只取决于分子的大小。

（4）装填完毕的凝胶柱需用缓冲液充分洗涤，使其装填紧密，加样时应先加入样品，后加入一定量的缓冲液到适当高度，即正确顺序为④①②③；进行②所示的环绕加缓冲液时，应关闭下端出口。

（5）凝胶色谱法分离蛋白质时，洗脱时间最长的蛋白质相对分子质量最小。

由图2可看出，丙的洗脱时间最长，相对分子质量应是最小的。

考点二　植物有效成分的提取

1．提取玫瑰精油实验

（1）方法：

水蒸气蒸馏法。

（2）实验流程：

2．提取橘皮精油的实验

（1）方法：

一般采用压榨法。

（2）实验流程

3．胡萝卜素的提取

（1）胡萝卜素性质：

不溶于水，微溶于乙醇，易溶于石油醚等有机溶剂。

（2）提取方法及流程

①方法：

萃取法，石油醚最适宜作萃取剂。

②实验流程

胡萝卜→粉碎→干燥→萃取→过滤→浓缩→胡萝卜素。

（3）鉴定方法：

纸层析法。

易错整合，判断正误。

（1）油水混合物中加入无水硫酸钠，有利于分离油层（　×　）

（2）蒸馏法的实验原理是利用水将芳香油溶解出来，再把水蒸发掉，剩余的就是芳香油（　×　）

（3）原料易焦糊和有效成分易水解的植物芳香油的提取，不宜采用水蒸气蒸馏法，宜采用压榨法（　√　）

（4）萃取是利用了芳香油易溶于有机溶剂的特性进行提取的一种方法（　√　）

（5）由于胡萝卜素易溶于石油醚等有机溶剂中，所以可以采用萃取的方法进行提取（　√　）

（6）影响萃取效率的因素除了萃取剂的性质和使用量之外，还有原料颗粒的大小、紧密程度、含水量、萃取的温度和时间等（　√　）

　下图是提取植物有效成分的两种方法，据图分析：

（1）图甲、图乙分别为何种装置？

（2）图中a、b哪一个是进水口，哪一个为出水口？

加热时为何常向液体中加入几片碎石或瓷片？

（3）提取玫瑰精油时，能否用干燥的玫瑰花瓣？

（4）在提取橘皮精油的实验中，使用石灰水充分浸泡原料的目的是什么？

[提示]

（1）图甲为水蒸气蒸馏装置，图乙为萃取装置。

（2）图中a为出水口，b为进水口，这与蒸气流方向相反；加热时向液体中加入几片碎石或瓷片的目的是“防暴沸”。

（3）由于玫瑰精油易挥发，干燥后玫瑰精油已挥发。

因此用水蒸气蒸馏法提取玫瑰精油时应选择新鲜的玫瑰花瓣。

（4）目的是破坏细胞结构，分解果胶，防止橘皮压榨时滑脱，提高出油率。

1．三种提取方法的比较

提取方法

水蒸气蒸馏法

压榨法

有机溶剂萃取法

实验原理

利用水蒸气将挥发性较强的植物芳香油携带出来

通过机械加压，压榨出果皮中的芳香油

使芳香油溶解在有机溶剂中，蒸发溶剂获得芳香油

方法步骤

①水蒸气蒸馏

②分离油层

③除水过滤

①石灰水浸泡、漂洗

②压榨、过滤、静置

③再次过滤

①粉碎、干燥

②萃取、过滤

③浓缩

适用范围

适用于提取玫瑰油、薄荷油等挥发性强的芳香油

适用于柑橘、柠檬等易焦糊原料的提取

适用范围广，要求原料的颗粒要尽可能细小，能充分浸泡在有机溶剂中

优点

简单易行，便于分离

生产成本低，易保持原料原有的结构和功能

出油率高，易分离

局限性

水中蒸馏会导致原料焦糊和有效成分水解等问题

分离较为困难，出油率相对较低

使用的有机溶剂处理不当会影响芳香油的质量

2.植物有效成分提取过程的注意事项

（1）在玫瑰精油的提取过程中，加入NaCl的目的是增加水层的密度，有利于玫瑰油与水分层，加入无水Na2SO4的目的是吸收精油中残留的水分。

（2）在提取橘皮精油时，为了提高出油率，需要将柑橘皮干燥去水，并用石灰水浸泡，浸泡时间为10h以上。

橘皮要浸透，这样压榨时不会滑脱，且出油率高，过滤时不会堵塞筛眼。

（3）在胡萝卜素的提取中，原料颗粒的大小、紧密程度、含水量、萃取的温度和时间等条件也能影响萃取。

因此在萃取的过程中，要先将胡萝卜进行粉碎和干燥，使之与萃取剂充分接触，提高溶解度。

　　■

（1）植物芳香油提取成功的关键点

①水蒸气蒸馏要适当延长蒸馏时间，温度不能太高。

②用于萃取的有机溶剂必须事先精制，除去杂质。

③压榨时原料必须要浸透，这样压榨时不会滑脱，出油率高，不堵塞筛眼；使用石灰水充分浸泡原料的目的是破坏细胞结构，分解果胶，防止橘皮压榨时滑脱，提高出油率。

（2）影响萃取的因素

①主要因素：

萃取剂的性质和使用量

②次要因素：

原料颗粒的大小、紧密程度、含水量、萃取的温度、萃取的时间等。

总之，溶解越充分，效果就越好。

（3）水蒸气蒸馏法特点

①水中蒸馏设备简单、成本低、易操作，而水上蒸馏和水气蒸馏时间短，出油率高。

②水中蒸馏对于柑橘和柠檬等原料不适用。

因为水中蒸馏会导致原料焦糊和有效成分水解。

③水蒸气蒸馏法只适用于具有挥发性的，能随水蒸气蒸馏而不被破坏，与水不发生反应，且难溶或不溶于水的成分的提取。

例2（全国卷Ⅱ）回答与胡萝卜素有关的问题：

（1）胡萝卜含有的胡萝卜素中，最主要的是β－胡萝卜素（填“α－胡萝卜素”“β－胡萝卜素”或“γ－胡萝卜素”），该胡萝卜素在人体内可以转变成两分子维生素A，后者缺乏会引起人在弱光下视物不清的病症，该疾病称为夜盲症。

胡萝卜素是非挥发性（填“挥发性”或“非挥发性”）物质。

（2）工业生产上，用养殖的岩藻作为原料提取胡萝卜素时，需要（填“需要”或“不需要”）将新鲜的岩藻干燥。

（3）现有乙醇和乙酸乙酯两种溶剂，应选用其中的乙酸乙酯作为胡萝卜素的萃取剂，不选用另外一种的理由是萃取胡萝卜素的有机溶剂应不与水混溶，而乙醇为水溶性有机溶剂。

[解析]　

（1）胡萝卜含有的胡萝卜素有三类，其中最主要的是β－胡萝卜素，β－胡萝卜素在人体内可以转变成维生素A，维生素A缺乏会导致夜盲症。

胡萝卜素是非挥发性物质。

（2）胡萝卜素的提取一般采用萃取法，萃取前需要对材料进行干燥处理，以提高萃取的效率。

（3）萃取胡萝卜素的有机溶剂应该具有很高的沸点，能够充分溶解胡萝卜素，并且不与水混溶，如乙酸乙酯。

乙醇是水溶性有机溶剂，因萃取过程中能与水混溶而影响萃取效果，所以不选用它作萃取剂。

〔对应训练〕

1．（2019·河北省石家庄市高三一模）植物组织中存在许多有机物，不同有机物的提取和鉴定方法不尽相同。

根据所学知识，回答下列问题：

（1）植物芳香油具有的共同特点有挥发性强、易溶于有机溶剂。

（2）提取玫瑰精油和橘皮精油过程中都要用到的一种化学试剂是Na2SO4。

（3）从橘皮中提取橘皮精油时，为提高出油率，需要将橘皮干燥，并用石灰水浸泡；为探究浸泡时间对出油率的影响，设置未经浸泡的样品作为空白对照。

（4）胡萝卜素为橘黄色结晶，精提取胡萝卜素所用的萃取剂应该具有较高的沸点而且不与水混溶，能充分溶解胡萝卜素。

课末总结

1．〔思维导图〕

2．〔简答题常考长句分析〕

1．辨析胡萝卜素粗品鉴定过程中的四个易错点

（1）层析时没有选择干净的滤纸，导致实验现象不明显。

（2）点样时点样圆点太大（直径大于2mm）导致最终无法辨认被提取的色素。

（3）将点好样的滤纸卷成圆筒时，滤纸两边不能相互接触。

（4）层析液不可没及样品原点。

2．增加植物有效成分提取量的关键措施

（1）用水蒸气蒸馏法提取植物芳香油时应选择新鲜的植物材料（干燥的植物芳香油挥发）。

（2）植物材料中的果胶、果蜡会影响压榨和出油率，压榨前通常采用石灰水浸泡的方法除去果胶、果蜡，以提高出油率。

3．〔探究高考·明确考向〕

（2017·全国卷Ⅲ，37）绿色植物甲含有物质W，该物质为无色针状晶体，易溶于极性有机溶剂，难溶于水，且受热、受潮易分解。

其提取流程为：

植物甲→粉碎→加溶剂→振荡→收集提取液→活性炭处理→过滤去除活性炭→蒸馏（含回收溶剂）→重结晶→成品。

回答下列问题：

（1）在提取物质W时，最好应选用的一种原料是晾干（填“高温烘干”“晾干”或“新鲜”）的植物甲，不宜选用其他两种的原因是高温烘干过程中，植物甲中的物质W易被破坏；新鲜的植物甲含水量高，用于提取的极性有机溶剂会被水稀释，进而降低对物质W的提取效果。

（2）提取物质W时，振荡的作用是使原料和溶剂充分混匀。

（3）活性炭具有很强的吸附能力，在提取过程中，用活性炭处理提取液的目的是去除提取液中的色素。

（4）现有丙酮（沸点56℃）、乙醇（沸点约78℃）两种溶剂，在提取物质W时，应选用丙酮作为提取剂，理由是丙酮沸点低于乙醇，蒸馏时物质W分解较少。

（5）该实验操作过程中应注意的事项是在温度较低的情况下操作，防火（答出两点即可）。

[解析]　

（1）依据题干信息，物质W受热、受潮易分解，因此不宜选择高温烘干的原料，而新鲜的植物甲含水量高，用于提取的极性有机溶剂会被水稀释，进而降低对物质W的提取效果，故不应选用新鲜的植物甲。

（2）提取物质W时，振荡可以使原料和所加有机溶剂充分混匀。

（3）利用活性炭的吸附能力，可以去除提取液中植物甲所含的色素，从而得到较为纯净的物质W与有机溶剂的混合物。

（4）丙酮沸点低于乙醇，蒸馏时物质W分解较少。

（5）物质W容易受热分解，因此蒸馏操作适宜在较低的温度下进行，同时因实验中使用了有机溶剂，要注意防火。