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Word下载.docx
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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?
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?
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?
一系列酶;
5.如果反应物是大分子物质,又应该采用哪种方法?
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
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
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)
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
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?
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?
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?
使胶体聚沉,以便形成稳定的结构。
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;
(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( )
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
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
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。
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