高中生物 专题4 酶的研究与应用 课题3 酵母细胞的固定化练习 新人教版.docx

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高中生物专题4酶的研究与应用课题3酵母细胞的固定化练习新人教版

课题3酵母细胞的固定化

1．固定化酶常采用化学结合法和物理吸附法，而固定化细胞则常采用包埋法。

2．制备固定化酵母细胞的基本步骤是：

酵母细胞的活化―→配制CaCl2溶液―→配制海藻酸钠溶液―→海藻酸钠与酵母细胞混合―→固定化酵母细胞。

3．配制海藻酸钠溶液浓度过高，则难以形成凝胶珠；若浓度过低，则固定的酵母细胞少，影响实验效果。

4．配制海藻酸钠溶液应小火加热或间断加热。

5．固定化酶和固定化细胞技术既实现了对酶的重复利用，降低了成本，又提高了产品质量。

固定化酶和固定化细胞技术

[自读教材·夯基础]

1．概念

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．方法

（1）包埋法：

多适于细胞的固定化；

（2）多适于酶的固定化。

3．载体

包埋法固定化细胞常用的是不溶于水的多孔性载体材料，如明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。

4．优点

（1）固定化酶既能与反应物接触，又能与产物分离，可以反复利用。

（2）固定化细胞技术制备的成本低，操作容易。

5．实例——高果糖浆的生产

（1）原理：

葡萄糖果糖。

（2）生产过程：

①将葡萄糖溶液从反应柱的上端注入。

②使葡萄糖溶液流过反应柱，与固定化葡萄糖异构酶接触。

③转化成的果糖，从反应柱的下端流出。

（3）反应柱：

酶固定在一种颗粒状的载体上，再将其装入反应柱内，柱子底端装上分布着许多小孔的筛板。

酶颗粒无法通过筛板上的小孔，而反应溶液却可以自由通过。

（4）优点：

反应柱能连续使用半年，大大降低了生产成本，提高了果糖的产量和质量。

1．酶能加快化学反应速率，但溶液中的酶难以回收，不能利用。

要想既降低生产成本，又不影响产品质量，该如何解决这一问题？

提示：

将酶固定于不溶于水的载体上，使酶既能与反应物接触，又能与反应物分离，还可重复利用。

2．固定化酶和固定化细胞一般采用什么方法？

为什么？

提示：

固定化酶常用化学结合法或物理吸附法。

因酶分子小，易从包埋材料中漏出，故一般不用包埋法进行固定。

固定化细胞常用包埋法，因个大的细胞难以被吸附或结合。

3．从操作角度来考虑，你认为固定化酶技术与固定化细胞技术哪一种方法更容易？

哪一种方法对酶活性的影响更小？

提示：

固定化细胞技术。

固定化细胞技术。

4．固定化细胞固定的是一种酶还是一系列酶？

如果想将微生物的发酵过程变成连续的酶反应，应该选择哪种方法？

提示：

一系列酶；固定化细胞技术。

5．如果反应物是大分子物质，又应该采用哪种方法？

为什么？

提示：

固定化酶技术。

因为大分子物质不容易进入细胞内，如果采用固定化细胞技术会使反应效率下降。

[跟随名师·解疑难]

直接使用酶、固定化酶和固定化细胞的比较

项目

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

常用载体

无

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

无

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

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

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

[特别提醒]

（1）固定化细胞使用的都是活细胞，在反应时需要适宜的生存条件。

（2）由于被固定的细胞保证了完整性，酶的环境改变较小，所以对酶活性影响不大。

酵母细胞固定化的实验操作

[自读教材·夯基础]

1．制备固定化酵母细胞

2．用固定化酵母细胞发酵

（1）操作步骤：

将用蒸馏水冲洗过的固定好的酵母细胞（凝胶珠）用于发酵的葡萄糖溶液中。

（2）现象

1．在配制海藻酸钠溶液时，用小火加热并不断搅拌的目的是什么？

提示：

防止海藻酸钠焦糊。

2．为什么海藻酸钠溶液要冷却后才能加入酵母细胞？

提示：

防止温度过高杀死酵母菌。

3．将凝胶珠在CaCl2溶液中浸泡30min的作用是什么？

提示：

使胶体聚沉，以便形成稳定的结构。

[跟随名师·解疑难]

1．制备固定化酵母细胞的注意事项

（1）在缺水状态下，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正常的生活状态。

酵母细胞需要的活化时间较短，一般为0.5～1h，但实验时需要提前做好准备。

（2）酵母细胞活化时体积会变大，因此活化前应该选择体积足够大的容器，以避免酵母细胞的活化液溢出。

（3）加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环，关系到实验的成败，一定要按照教材的提示进行操作。

加热时要用小火，或者间断加热，反复几次，直到海藻酸钠溶化为止。

（4）海藻酸钠的浓度关系到固定化细胞的质量。

如果海藻酸钠浓度过高，将很难形成凝胶珠；如果浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目少，影响实验效果。

（5）溶化好的海藻酸钠溶液必须冷却至室温，否则会因温度过高而导致酵母菌死亡。

（6）可利用海藻酸钠制成不含酵母菌的凝胶珠，用作对照。

（7）刚形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡30min左右，以便形成稳定的结构。

检验凝胶珠的质量是否合格，可以使用下列方法：

一是用镊子夹起一个凝胶珠放在实验桌上用手挤压，如果凝胶珠不容易破裂，没有液体流出，就表明凝胶珠制作成功。

二是在实验桌上用力摔打凝胶珠，如果凝胶珠很容易弹起，也能表明制备的凝胶珠是成功的。

2．实验结果分析与评价

（1）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，固定的酵母细胞数目较少；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，需要再做尝试。

（2）利用固定的酵母细胞发酵产生酒精，可以看到产生了很多气泡，同时会闻到酒味，而不含酵母菌的凝胶珠所做的对照实验则无此现象。

固定化酶和固定化细胞

[例1]下列关于固定化酶和固定化细胞的叙述，正确的是（　　）

A．固定化细胞技术在多步连续催化反应方面优势明显

B．在固定化酶的应用中，要控制好pH、温度和溶解氧

C．利用固定化酶降解水体中有机磷农药，需提供适宜的营养条件

D．利用固定化酵母细胞进行发酵，糖类的作用只是作为反应底物

[解析]　固定化酶不像普通酶那样对环境要求那么高，耐受性也比较好，和溶解氧没什么关系；利用固定化酶降解水体中有机磷农药，不需要提供营养条件；利用固定化酵母细胞进行发酵，糖类不仅是反应底物，同时也作为碳源来提供能量和营养。

[答案]　A

归纳拓展

（1）固定化酶是指限制或固定于特定空间位置的酶，具体来说，是指经物理或化学方法处理，使酶变成不易随水流失即运动受到限制，而又能发挥催化作用的酶制剂，不会比一般酶制剂的生物活性更强。

（2）固定化细胞仍能进行正常的生长、繁殖和代谢，可以像游离的细胞一样用于发酵生产。

制备固定化酵母细胞

[例2]根据下面制备固定化酵母细胞实验的流程回答问题：

酵母细胞活化→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）观察形成的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）制备固定化酶不宜用包埋法，为什么？

_________________________________

________________________________________________________________________。

[解析]　

（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菌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菌细胞的数目减少，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，固定的酵母菌数目较少；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，需要再做尝试。

（5）由于酵母菌细胞个体较大，不易从包埋材料中漏出，故细胞的固定化一般采用包埋法。

[答案]　

（1）缺水　正常的生活　体积增大　

（2）配制海藻酸钠溶液　（3）减少　（4）固定的酵母细胞数目较少　海藻酸钠浓度偏高，制作失败　（5）因为酶分子很小，容易从包埋材料中漏出

易错提醒

（1）选用的干酵母要具有较强的活性，而且物种要单一。

（2）溶解CaCl2时勿用自来水，以免杂质离子影响实验结果。

（3）固定化酵母细胞时，应将海藻酸钠与酵母细胞的混合液用注射器缓慢滴加到CaCl2溶液中，而不是注射，以免影响凝胶珠的形成。

[随堂基础巩固]

1．下列关于固定化酶技术的说法，正确的是（　　）

A．固定化酶技术就是固定反应物，使酶依附着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：

选D　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，不足是无法催化一系列酶促反应。

2．分析下图，与用海藻酸钠作载体制备固定化酵母细胞相似的是（　　）

解析：

选D　A是吸附法，B是化学结合法，C、D是包埋法，C一般是将酶包埋在细微网格里，D是将酶包埋在凝胶中。

制备固定化酵母细胞采用包埋法，即将酵母菌包埋在海藻酸钠制成的凝胶中，与D相似。

3．下列说法错误的是（　　）

A．固定化酶和固定化细胞的技术方法包括包埋法、化学结合法和物理吸附法

B．固定化酶更适合采用化学结合法和物理吸附法

C．由于细胞个大，而酶分子很小，因此细胞多采用物理吸附法固定

D．反应物是大分子物质时应采用固定化酶

解析：

选C　由于细胞个大，酶分子很小，个大的细胞难以被吸附或结合，而个小的酶容易从包埋材料中漏出。

因此，细胞多采用包埋法固定，酶更适合采用化学结合法和物理吸附法固定。

4．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．葡萄糖异构酶在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

解析：

选A　细胞难以被吸附或结合，固定化细胞多采用包埋法；反应产物积累能影响酶的结构，从而使酶的活性下降；葡萄糖异构酶在固定前后专一性不变；固定化细胞固定的是一系列的酶，可以催化一系列的反应，但不能催化各种反应底物的一系列反应。

5．某实验小组的同学制备固定化酵母细胞的过程如下：

①活化酵母细胞：

称取定量干酵母与定量蒸馏水混合并搅拌，使酵母细胞活化。

②配制CaCl2溶液：

将无水CaCl2溶解在定量蒸馏水中，配制成一定浓度的CaCl2溶液。

③配制海藻酸钠溶液：

用定量的海藻酸钠直接溶解在定量的蒸馏水中，配制成溶液。

④海藻酸钠溶液和酵母细胞混合：

将活化的酵母细胞迅速加入刚配制成的海藻酸钠溶液中，充分搅拌混合均匀。