专题243 酵母细胞的固定化高三生物一轮总复习.docx
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专题243酵母细胞的固定化高三生物一轮总复习
【学案导航】---明方向！
【课程学习目标】
1.简述固定化酶、固定化细胞的应用、原理和意义
2.说出制备固定化酶、固定化细胞的一般方法
3.尝试用包埋法制备固定化酵母细胞，并利用固定化酵母细胞进行发酵
第一层级：
预学区.不看不讲
【知识体系梳理】
（一）课题背景
酶：
优点：
催化效率高，低耗能、低污染，大规模地应用于食品、化工等各个领域。
实际问题：
对环境条件敏感，易失活；溶液中的酶很难回收，不能再次利用，提高了生产成本；反应后的酶会混合在产物中，如不除去，会影响产品质量。
固定化酶：
优点：
。
实际问题：
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。
固定化细胞：
优点：
（二）固定化酶的应用实例
高果糖浆是指。
能将葡萄糖转化为果糖的酶是。
使用固定化酶技术，将这种酶固定在一种上，再将这些酶颗粒装到一个反应柱内，柱子底端装上分布着许多小孔的。
酶颗粒无法通过筛板的小孔，而反应溶液却可以自由出入。
生产过程中，将葡萄糖溶液从反应柱的上端注入，使葡萄糖溶液流过反应柱，与接触，转化成果糖，从反应柱的下端流出。
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。
（三）固定化细胞技术
固定化酶和固定化细胞是利用或方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术，包括、和法。
一般来说，酶更适合采用和法固定，而细胞多采用法固定化。
这是因为细胞个大，而酶分子很小；个大的难以被或，而个小的酶容易从中漏出。
包埋法固定化细胞即将微生物细胞包埋在不溶于水的中。
常用的载体有、、、和等。
（四）实验操作
（1）制备固定化酵母细胞
制备固定化酵母细胞需要的材料是、和。
1.酵母菌的活化
活化就是处于状态的微生物重新恢复正常的生活状态。
2.配制物质的量浓度为0.05mol/L的CaCl2溶液
3.配制海藻酸钠溶液
加热溶化海藻酸钠时要注意：
。
4.海藻酸钠溶液与酵母菌细胞混合
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溶液中，并浸泡（时间）。
（2）用固定化酵母细胞发酵
1.将固定好的酵母细胞用冲洗2-3次。
2.发酵时的温度为，时间。
【预习效果检测】
1.目前，酶已经大规模地应用于各个领域，下列属于应用中面临的实际问题的是（ ）
A.酶通常对强酸、强碱、高温非常敏感，但对有机溶剂不敏感
B.酶的结构比较稳定，所以催化功能很高
C.酶用于生产时可能会混在产物中，影响产品质量
D.直接用于生产中的酶可以多次利用
2.下列不属于固定化酶在利用时的特点的是（ ）
A.有利于酶与产物分离B.可以被反复利用
C.能自由出入依附的载体D.一种固定化酶一般情况下不能催化一系列酶促反应
3.能将葡萄糖转化成果糖的酶是（ ）
A.麦芽糖酶B.果糖酶C.葡萄糖异构酶D.蔗糖酶
4.关于固定化酶中用到的反应柱理解正确的是（ ）
A.反应物和酶均可自由通过反应柱B.反应物和酶均不能通过反应柱
C.反应物能通过，酶不能通过D.反应物不能通过，酶能通过
5.酵母细胞的活化是指（）
A．让酵母细胞恢复运动状态
B.让酵母细胞在缺水状态下更容易休眠
C.让酵母细胞内酶活性加倍
D.让处于休眠状态的酵母细胞重新恢复正常的生活状态
第二层级：
导学区.不议不讲
【重点难点探究】
1.对固定化酶的作用影响较小的固定方法是什么？
2.将谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸的发酵过程变为连续的酶反应，应当固定；若将蛋白质变成氨基酸，应当固定。
3.加热溶化海藻酸钠时微火加热并不断搅拌的目的是什么？
4.为什么要海藻酸钠溶液冷却后才能加入酵母细胞？
5.发酵过程中锥形瓶为什么要密封？
6.锥形瓶中的气泡和酒精是怎样形成的？
7.在利用固定化酶或固定化细胞进行生产的过程中，需要无菌操作码？
第三层级：
固学区.不练不讲
【基础智能检测】
1.固定化酶和固定化细胞常用的方法不包括（ ）
A.射线刺激法B.包埋法C.化学结合法D.物理吸附法
2.固定化细胞常用包埋法固定化，原因是（ ）
A.包埋法固定化操作最简便B.包埋法对酶活性的影响最小
C.包埋法固定化具有普遍性D.细胞体积大，难以被吸附或结合
3.常用的包埋法固定化细胞，需用到不溶于水的多孔性载体，下列不能当作载体的是（ ）
A.琼脂糖B.蔗糖C.海藻酸钠D.明胶
4.下面制备固定化酵母细胞的正确步骤是（ ）
①配制CaCl2溶液 ②海藻酸钠溶化 ③海藻酸钠溶液与酵母细胞混合 ④酵母细胞活化 ⑤固定化酵母细胞
A.①②③④⑤B.④①③②⑤C.④⑤②①③D.④①②③⑤
5.关于配制海藻酸钠溶液的措施正确的是（ ）
A.用酒精灯加热，加热中不能搅拌
B.由于海藻酸钠溶解速度快，所以不用加热
C.海藻酸钠在水中溶解的速度慢，需用酒精喷灯加热
D.采用小火间断加热，促进溶解
6.请参照细胞固定化技术的相关基础知识，完成下列问题：
（1）细胞固定化技术一般采用包埋法固定化，采用该方法的原因是。
（2）包埋法固定化是指。
（3）包埋法固定化细胞常用的载体有。
（4）与固定化酶技术相比，固定化细胞技术的优点是。
（答出两种即可）
（5）制备固定化酵母细胞的四个大步骤是：
①。
②。
③。
④。
第四层级：
思学区.不思不复
【思维导图构建】
【参考答案】
【知识体系梳理】
（一）能否有一种方法使酶发挥它的优点，而没有这些缺点？
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。
细胞中有多种酶，能否用固定化酶类似的技术来处理细胞？
成本低，操作更容易
（二）果糖含量为42%的糖浆葡萄糖异构酶颗粒状的载体上筛板葡萄糖异构酶
（三）物理化学包埋化学结合法物理吸附法化学结合法、物理吸附法包埋
化学结合吸附包埋材料均匀多孔性载体明胶琼脂糖海藻酸钠醋酸纤维素聚丙烯酰胺
（四）干酵母CaCl2海藻酸钠溶液休眠微火加热并不断搅拌，防止海藻酸钠焦糊CaCl230分钟蒸馏水25℃24h
【预习效果检测】
1．C【解析】A选项中酶对有机溶剂也非常敏感；B选项中，酶的结构在强酸、强碱、高温等条件下很容易被破坏；直接用于生产中的酶很难被再次利用。
2.C【解析】固定化酶是将酶固定在一种载体上，因此它不能自由出入依附的载体。
3.C【解析】酶具有专一性，将葡萄糖转化成果糖的酶是葡萄糖异构酶。
4.C【解析】在反应柱中，酶颗粒无法通过筛板上的小孔，而反应液却可以自由出入。
【重点难点探究】
1．吸附法
2．细胞酶
3．防止海藻酸钠焦糊
4．防止高温杀死酵母细胞
5．酵母菌的酒精发酵需要缺氧条件
6．酵母菌进行无氧呼吸产生的
7．需要
【基础智能检测】
1.A【解析】固定化酶和固定化细胞常用物理或化学方法固定，如包埋法、化学结合法和物理吸附法。
2.D【解析】由于细胞体积大，难以被吸附或结合，常用包埋法固定化。
3.B【解析】包埋法固定化细胞常用的载体有：
明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。
4.D【解析】固定化酵母细胞的实验程序为④①②③⑤。
5.D【解析】配制海藻酸钠溶液实验中，用酒精灯加热，边加热边搅拌，采用小火间断加热，促进溶解。
6.【答案】
（1）细胞个大，不易从包埋材料中漏出
（2）将微生物细胞均匀地包埋在不溶于水的多孔性载体中 （3）明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素、聚丙烯酰胺等
（4）成本更低，操作更容易 （5）①酵母细胞的活化 ②溶化海藻酸钠 ③海藻酸钠溶液与酵母细胞混合 ④酵母细胞的固定化
【典例指津】---授技法！
热点题型一直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较
例1、下列有关固定化酶和固定化细胞的说法，正确的是（）
A．某种固定化酶的优势在于能催化一系列生化反应
B．固定化细胞技术一次只能固定一种酶
C．固定化酶和固定化细胞的共同点是所固定的酶都可在细胞外起作用
D．固定化酶和固定化细胞都能反复使用，但酶的活性迅速下降
【答案】C
【解析】酶具有专一性，一种酶固定后不能催化一系列生化反应；固定化细胞技术固定的是细胞内的一系列酶；固定化酶和固定化细胞都能反复使用，若条件适宜，一般不会出现酶的活性迅速下降的问题。
【提分秘籍】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
酶的种类
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
化学结合法、物理吸附法
包埋法
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
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
成本低，操作更容易
不足
对强酸、强碱、高温和有机溶剂等环境条件非常敏感，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
一种酶只能催化一种化学反应，而在生产实践中，很多产物都是通过一系列的酶促反应才能得到
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
【举一反三】
下列说法不正确的是（）
A．固定化酶和固定化细胞的方法包括包埋法、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．细胞由于个体大，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
【答案】C
【解析】在酶和细胞的固定化技术中，通常有包埋法、化学结合法和物理吸附法。
酶分子小，又多带电荷，易从多孔性物质中漏出，因此多使用化学结合法与物理吸附法，而细胞个体大，难以被多孔性物质吸附或结合，因而多采用包埋法。
热点题型二制备固定化酵母细胞
例2、下图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菌混合制备混合液
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菌充分接触
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
【答案】A
【提分秘籍】
1．酵母细胞所需要的活化时间较短，一般需要1h左右。
此外，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容器外。
2．加热海藻酸钠加速溶解的过程中，需使用小火，或者间断加热，防止加热过快，使海藻酸钠焦糊。
海藻酸钠的浓度涉及固定化细胞的质量。
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。
3．用蒸馏水定容和最后冲洗凝胶珠，不用自来水，防止自来水中的离子对固定好的酵母细胞产生影响。
4．海藻酸钠溶液与酵母细胞混合：
冷却后再混合，防止过热杀死酵母菌。
注意混合均匀，不要进入气泡。
5．细胞的固定要在严格无菌条件下进行；反复使用固定化酵母细胞时，需要避免微生物的污染。
6．刚形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡一段时间，以便形成稳定的结构。
7．凝胶珠的颜色和形状：
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，需要再作尝试。
8．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，就表明凝胶珠的制作成功。
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。
【举一反三】
下列有关配制海藻酸钠溶液的叙述，不准确的是（）
A．加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环
B．海藻酸钠的浓度关系到固定化细胞的质量
C．海藻酸钠可在水中迅速溶解，无须再加温
D．海藻酸钠的浓度过低，形成的凝胶珠内包埋的细胞过少
【答案】C
【解析】海藻酸钠在水中溶解较慢，需要通过加热促进其溶解，最好用小火或间断加热的方法。
如果加热太快，海藻酸钠会发生焦糊。
【真题回眸】---知难易！
1.（2009·江苏高考）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
【答案】A
【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。
2.（2012•江苏）下列关于酶和固定化酵母细胞的研究与应用的叙述，错误的是（ ）
A．从酶的固定方式看，吸附法比化学结合法对酶活性影响小
B．作为消化酶使用时，蛋白酶制剂以口服方式给药
C．尿糖试纸含有固定化的葡萄糖酶和过氧化氢酶，可以反复使用
D．将海藻酸钠凝胶珠用无菌水冲洗，目的是洗去CaCl2和杂菌
【答案】C
3.（2015年江苏）关于固定化酶和固定化细胞的叙述,错误的是（）
A.固定化酶的主要目的是实现酶的重复利用
B.溶解氧交换受阻是固定化酶应用的重要限制因素
C.固定化细胞用于生产能分泌到细胞外的产物
D.凝胶与被包埋细胞之间不是通过共价键结合
【答案】B
【解析】本题考查固定化酶和固定化细胞的应用及特点,意在考查考生灵活运用所学知识进行辨别比较的能力。
固定化酶既能与反应物接触,又能与产物分离,还能被重复利用;固定化酶发挥作用时不需要溶解氧和营养等条件;固定化细胞能用于生产胞外酶和其他能够分泌到细胞外的产物;包埋法固定化细胞是将细胞均匀地包埋在不溶于水的载体中,凝胶与被包埋的细胞之间不形成共价键。
【能力提升】---长士气！
一、选择题
1.下列说法中，哪项不是在应用酶的过程中常遇见的一些实际问题（）
A．酶与反应物混合，产品难以提纯
B．酶在生物化学反应中往往难以回收
C．酶遇强酸、强碱、高温等条件易失活
D．酶作为催化剂，绝大多数酶是蛋白质
【答案】D
【解析】蛋白质是绝大多数酶的化学本质，这一属性不会因为酶的固定化而改变。
2．大分子反应物应采用的固定化技术和理由是（）
A．固定化酶技术；可应用化学结合法或物理吸附法对酶固定，利于大分子和酶的接触
B．固定化酶技术；可应用包埋法对酶固定，利于大分子和酶的接触
C．固定化细胞技术；一般应用化学结合法或物理吸附法对细胞固定，利于大分子和细胞的接触
D．固定化细胞技术；一般应用包埋法对细胞固定，利于大分子和细胞的接触
【答案】A
3．对固定化细胞的叙述，正确的是（）
A．催化效率高，低耗能、低污染
B．对环境的条件非常敏感，容易失活
C．既能与反应物充分接触，又能与产物分离
D．成本低，操作简单，但反应效果可能很低
【答案】D
【解析】A、直接使用酶催化效率高，耗能低、低污染，A错误；
B、直接使用酶对环境条件非常敏感，易失活，B错误；
C、固定化酶既能与反应物接触，又能与产物分离，C错误；
D、固定化细胞成本低、操作简单，但反应效率可能很低，D正确．故选：
D。
4.对所固定酶的作用影响较小的固定方法是（）
A．包埋法 B．化学结合法
C．物理吸附法 D．生物法
【答案】C
【解析】酶适合用化学结合法和物理吸附法固定，而对酶影响较小的是物理吸附法。
5．酶制剂、固定化酶、固定化细胞已经广泛地应用于各个领域，下列有关叙述错误的是（）
A．90℃高温会使TaqDNA聚合酶失去催化活性
B．制备固定化酶的方法主要有包埋法、交联法和吸附法等
C．固定化酶固定时可能会造成酶的损伤而影响活性
D．固定化细胞可以催化一系列酶促反应
【答案】A
【解析】TaqDNA聚合酶是一种用于PCR技术的耐高温的酶，90℃的高温不会让该酶失活。
6．研究认为，用固定化酶技术处理污染物是很有前途的，如将大肠杆菌得到的三磷酸酯酶固定到尼龙膜上制成制剂，可用于降解残留在土壤中的有机磷农药，与微生物降解相比，其作用不需要适宜的（）
A．温度 B．酸碱度 C．水分 D．营养
【答案】D
7．下图所示为应用固定化酵母进行葡萄糖发酵的装置，下列说法中不正确的是（）
A．为使固定化酵母可以反复使用，实验过程一定要在无菌条件下进行
B．加入反应液后应保持活塞1始终打开，活塞2则必须关闭
C．装置的长导管主要是为了释放CO2并防止杂菌进入反应柱
D．加入的反应液浓度不能过高以免酵母细胞因失水过多而死亡
【答案】B
【解析】A、实验过程一定要在无菌条件下进行，防止其它菌的污染，A正确；
B、加入到反应液后，底物溶液进入反应柱，在反应柱发生反应，生成物需从活塞2处的导管流出，所以，活塞2必须保持打开状态，B错误；
C、装置的长导管主要是为了防止杂菌和酵母菌在反应柱中竞争营养物质，应使反应柱内保持无菌环境，C正确；
D、加入反应液的浓度不能过高以免酵母细胞因失水过多而死亡，D正确．
故选：
B。
二、非选择题
8．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）固定化酶技术一般不采用包埋法固定化，原因是_________________________________________。
【答案】
（1）缺水 正常的生活 体积增大
（2）配制海藻酸钠溶液 （3）少 （4）固定化酵母细胞数目较少 海藻酸钠浓度偏高，制作失败 （5）酶分子很小，容易从包埋材料中漏出
9．酿造工业中经常使用酵母菌，某科研小组对固定化技术在酿酒酵母上的应用做了一些研究。
下表是海藻酸钠浓度和氯化钙浓度对固定化酵母的影响实验数据表，下图是在相同的发酵条件下，固定化酵母细胞与游离酵母细胞3次循环发酵的糖度变化比较曲线图，请分析回答下列问题。
海藻酸
钠/%
2
2.5
3
2
2.5
3
2
2.5
3
CaCl2/%
2
2
2
3
3
3
4
4
4
固定化
强度/
g·30
个－1
930
950
990
1030
1100
1140
1170
1170
1160
酒精
量/%
6.7
6.5
6.5
6.7
6.4
6.2
6.7
6.4
6.2
残糖
量/%
2.5
2.75
2.75
2.60
2.65
2.65
2.65
2.75
2.75
（1）固定酵母细胞的方法常用__________法，实验中要注意将刚溶化好的海藻酸钠溶液__________后，加入已活化的酵母细胞，进行充分搅拌。
（2）Ca2＋是决定海藻酸钠固定化酵母机械强度的重要因素，根据表中数据分析，随着Ca2＋浓度的增加，固定化酵母的强度__________，最终选择海藻酸钠与氯化钙的浓度分别为__________时固定化效果好。
海藻酸钠是一种多孔性载体，在一定浓度范围内选择较低的海藻酸钠的浓度进行固定化酵母，产生酒精量较高的原因是________________________________________________________________________。
（3）比较曲线图可以看出，__________发酵速度较快，游离酵母在重复使用__________次后，其活性完全丧失，由此可见固定化酵母细胞的优点是______________________________________。
【答案】
（1）包埋 冷却
（2）增加 2%、4% 凝胶珠的相对渗透性较强，利于底物的进入和产物的排出
（3）固定化酵母 2 可以重复使用
【解析】
（1）细胞常用包埋法固定，刚溶化好的海藻酸钠要冷却到室温后再加入酵母细胞，防止高温杀死酵母细胞。
（3）比较a、b、c图，可见固定化酵母细胞作用下残糖量较低，而游离酵母在使用2次后则失去作用，即固定化酵母细胞可以重复使用。
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