专题4 酵母细胞的固定化.docx
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专题4酵母细胞的固定化
第12课时 酵母细胞的固定化
[目标导读] 1.阅读教材P49“课题背景”,认识在应用酶的过程中,存在的实际问题及解决办法。
2.通过阅读教材P49“
(一)”,了解高果糖浆及生产高果糖浆的固定化酶技术。
3.结合教材P50“
(二)”,掌握固定化技术的方法及适合不同固定方法的材料。
4.阅读教材P50“实验操作”,掌握固定化酵母细胞的实验操作过程,达到能够进行实际操作。
[重难点击] 1.说出固定化酶和固定化细胞的作用和原理。
2.尝试制备固定化酵母细胞,并利用固定化酵母细胞进行酒精发酵。
1.加酶洗衣粉是指含有酶制剂的洗衣粉,目前常用的酶制剂有四类:
蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶。
其中应用最广泛、效果最明显的是碱性蛋白酶和碱性脂肪酶。
2.酶制剂具有催化效率高,低耗能、低污染等优点,可以大规模地应用于食品、化工等各个领域。
3.酶大多数是蛋白质,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。
4.酵母菌是一种真核生物,代谢类型是异养兼性厌氧型,即在有氧条件下进行有氧呼吸,在无氧条件下进行无氧呼吸,产生酒精和二氧化碳。
课堂导入
由于酶具有催化效率高、低耗能、低污染等优点,被大规模应用于食品、化工等各个领域。
在应用酶的过程中,人们发现了一些实际问题:
通常对强酸、强碱、高温和有机溶剂等条件非常敏感,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;反应后会混在产物中,可能影响产品质量。
于是,有人设想将酶固定在不溶于水的载体上,使酶能够被反复利用,这一节我们将制备固定化酵母细胞,掌握固定化酶的作用。
探究点一 固定化酶和固定化细胞技术
由于酶的分离与提纯有许多技术性难题,造成酶制剂来源有限、成本高、不利于大规模使用。
利用固定化酶和固定化细胞技术可以解决这些难题。
1.固定化酶的应用实例
(1)固定化酶的装置
将酶固定在一种颗粒状的载体(如图中②)上,再将这些酶颗粒装到一个反应柱(如图中①)内,柱子底端装上分布着许多小孔的筛板(如图中③)。
酶颗粒无法通过筛板的小孔,而反应溶液却可以自由出入。
(2)高果糖浆的生产
使装置中②固定的酶为葡萄糖异构酶,从反应柱的甲端注入葡萄糖溶液,使葡萄糖溶液流过反应柱,与固定化葡萄糖异构酶接触,转化成果糖,从反应柱的下端流出。
(3)固定化酶技术的优点:
与一般酶制剂相比,固定化酶既能与反应物接触,又能与产物分离,同时还可以被反复利用。
小贴士 高果糖浆是指果糖含量为42%左右的糖浆。
作为蔗糖的替代品,高果糖浆不会像蔗糖那样诱发肥胖、糖尿病、龋齿和心血管病,对人类的健康更有益。
2.固定化细胞技术
(1)常用的几种固定方式
①是包埋法,能将酶或者细胞包埋在不溶于水的多孔性载体中。
②是化学结合法,能将酶或者细胞相互连接或者结合到载体上。
③是物理吸附法,能将酶或者细胞吸附到载体表面。
(2)固定化酶和固定化细胞的比较
固定化酶
固定化细胞
固定对象
酶
细胞
适宜固定法
化学结合法、物理吸附法
包埋法
特点
体积小,固定一种酶。
使用包埋法容易从包埋材料中漏出
体积大,固定一系列酶。
难用化学结合法和物理吸附法
(3)固定化细胞常用的载体:
明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。
它们都是不溶于水的多孔性物质。
归纳提炼
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
-
化学结合法固定化、物理吸附法固定化
包埋法
固定化
是否需要
营养物质
否
否
是
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
催化反应
单一或多种
单一
一系列
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
反应物不易与固定后的细胞接触,尤其是大分子物质,反应效率下降
优点
催化效率高、低耗能、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,能产生一系列酶
活学活用
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,并将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内的技术
[问题导析] 固定化技术最大的优点就是可以反复利用;固定化酶是将酶固定在一定空间内,而不是固定反应物;固定化酶发挥作用仍然是原先酶起作用,只能催化一种或一类化学反应。
答案 D
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以重复利用,缺点是无法同时催化一系列酶促反应;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。
2.下列对固定化酶和固定化细胞的说法,正确的是( )
A.固定化细胞常用物理吸附法,固定化酶常用包埋法
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所固定的酶都可以反复使用,但酶的活性迅速下降
D.固定化酶不溶于反应液中,易于回收,可以重复利用
[问题导析]
(1)固定化细胞常用包埋法,固定化酶常用物理吸附法和化学结合法。
(2)固定化酶中酶的活性一段时间后会下降,但并不是迅速下降。
(3)固定化技术是将酶或者细胞固定于不溶于水的多孔性载体中。
答案 D
解析 某种固定化酶的优势是酶可以反复使用;固定化细胞技术一次能固定多种酶;固定化酶和固定化细胞都能反复使用,酶的活性一段时间后会下降,但并不是迅速下降。
探究点二 制备固定化酵母细胞并发酵
利用酵母菌发酵可以生产酒精,利用固定化细胞技术可以提高发酵效率。
实验中可以用海藻酸钠来包埋酵母细胞。
1.制备固定化酵母细胞
步骤
酵母细胞的活化
配制CaCl2溶液
配制海藻
酸钠溶液
实例
图像
主要
操作
在50mL烧杯中加入1g干酵母,再加入10mL蒸馏水,用玻璃棒搅拌均匀,放置1小时使其活化
0.83gCaCl2加入150mL蒸馏水,使其溶解,配制物质的量浓度为0.05mol/L的CaCl2溶液
0.7g海藻酸钠加入10mL水中,用酒精灯小火或间断加热,边加热边搅拌,直至溶化
步骤
海藻酸钠溶液与酵母细胞混合
固定化酵母细胞
用固定化酵母细胞发酵
实例
图像
主要
操作
将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温,加入已经活化的酵母细胞,进行充分搅拌,使其混合均匀,再转移至注射器中
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,观察液滴在CaCl2溶液中形成凝胶珠的情形
将凝胶珠用蒸馏水冲洗2~3次,加入到葡萄糖溶液中,置于25℃下发酵24h
2.实验中注意的问题
(1)为什么海藻酸钠溶液的浓度要控制好,不能过高或者过低?
答案 海藻酸钠的浓度涉及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。
(2)加热溶化海藻酸钠时微火加热并不断搅拌的目的是什么?
答案 防止加热太快导致海藻酸钠发生焦糊。
(3)为什么要海藻酸钠溶液冷却后才能加入酵母细胞?
答案 防止高温杀死酵母细胞。
(4)发酵过程中锥形瓶为什么要密封?
锥形瓶中的气泡和酒精是怎样形成的?
答案 酵母菌的酒精发酵需要无氧条件;无氧条件下,酵母菌进行无氧呼吸产生酒精和二氧化碳。
(5)在利用固定化酶或固定化细胞进行生产的过程中,需要无菌操作吗?
答案 如果希望反复使用固定化酵母细胞,需要避免其他微生物的污染,因此需要无菌操作。
归纳提炼
1.酵母细胞的固定化的实验需要注意的事项
(1)选用的干酵母要具有较强的活性,而且物种单一。
(2)酵母细胞活化时体积会变大,因此活化前应选择体积足够大的容器,防止酵母细胞的活化液溢出。
(3)溶解CaCl2时勿用自来水,以免杂质离子影响实验结果。
(4)制备固定化酵母细胞时,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。
(5)可利用海藻酸钠制成不含酵母菌的凝胶珠作为对照。
2.检测凝胶珠是否制作合格的方法
(1)机械法:
用镊子夹取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;也可以在实验桌上用力摔打凝胶珠,如果凝胶珠很容易弹起,也表明制备的凝胶珠是成功的。
(2)目测法:
合格的凝胶珠应是淡黄色、圆形或椭圆形的。
如果颜色过浅呈白色,说明海藻酸钠溶液的浓度过低,固定的酵母细胞数目较少;如果形成的凝胶珠形状不规则,则说明海藻酸钠的浓度偏高。
活学活用
3.下列有关固定化酵母细胞制备步骤的叙述,恰当的是( )
A.应使干酵母与自来水混合并搅拌,以利于酵母菌活化
B.配制海藻酸钠溶液时要用小火或间断加热的方法
C.向刚溶化好的海藻酸钠溶液中加入已活化的酵母细胞,充分搅拌并混合均匀
D.将与酵母细胞混匀的海藻酸钠溶液注入CaCl2溶液中,会观察到CaCl2溶液中有球形或椭球形的凝胶珠形成
[问题导析]
(1)活化是将干酵母与蒸馏水混合,防止杂菌污染。
(2)配制海藻酸钠溶液时要用小火或间断加热的方法,防止加热太快导致海藻酸钠发生焦糊。
(3)海藻酸钠溶液必须冷却至室温才能加入已活化的酵母细胞,否则高温会杀死酵母细胞。
(4)海藻酸钠溶液是滴加到CaCl2溶液中,合格的凝胶珠应是淡黄色、圆形或椭圆形的。
答案 B
解析 由于缺水时微生物处于休眠状态,为了加速酵母细胞的活化,将干酵母与蒸馏水混合后用玻璃棒充分搅拌,而不应用自来水,因为自来水可能会有杂菌;为避免海藻酸钠发生焦糊,溶化时要小火或间断加热;如果将刚溶化好的海藻酸钠与已活化的酵母细胞混合,有可能会杀死酵母细胞;将与酵母细胞混匀的海藻酸钠的混合液用注射器缓慢滴加到CaCl2溶液中,而不是注入。
4.用固定化酵母细胞发酵葡萄糖溶液时发现无酒精产生,其原因不可能是( )
A.试验瓶盖了塞子
B.瓶内氧气充足,进行了有氧呼吸
C.固定化的凝胶珠内可能没有酵母细胞
D.所谓的葡萄糖溶液可能是其他物质
[问题导析] 酵母细胞只有在葡萄糖溶液中,进行无氧呼吸时才能产生酒精。
答案 A
1.下列属于固定化酶应用特点的是( )
①可以被反复利用 ②有利于酶与产物分离 ③能自由出入载体 ④一种固定化酶只催化一种酶促反应 ⑤酶多用包埋法固定化
A.①②③B.③⑤
C.①②④D.①②⑤
答案 C
解析 酶被固定后可与产品分离,故可反复使用,但不能自由出入依附的载体。
通常情况下固定化酶种类单一,所以不能催化一系列酶促反应。
2.下列说法中,哪项不是在应用酶的过程中常遇见的问题( )
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,绝大多数是蛋白质
答案 D
3.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
答案 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。
4.如图为固定化酶的反应柱示意图,请据图回答:
(1)请在横线上填出各标号的名称。
①____________,②__________,③__________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)与一般酶制剂相比,固定化酶的突出优点是__________________________________
________________________________________________________________________;
固定化细胞的优点是_______________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)③的作用是_____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)制作固定化葡萄糖异构酶所用的方式有______________或______________。
(5)据图说出反应柱的作用原理。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)反应柱 固定化酶 分布着小孔的筛板
(2)既能与反应物接触,又能与产物分离,还能被反复利用 成本更低,操作更容易,且能催化一系列的反应 (3)使酶颗粒无法通过,反应溶液却可以自由出入
(4)化学结合法 物理吸附法
(5)反应液从反应柱的上端注入,使反应物溶液流过反应柱,与固定化酶接触,得到的产物从反应柱下端流出
解析 与一般的酶制剂相比,固定化酶不仅能与反应物充分接触,还能与产物分离,并且可以反复利用;与固定化酶相比,固定化细胞能催化一系列的化学反应,并且固定化细胞成本更低,操作更容易;使用固定化酶技术往往利用一个反应柱,反应柱下端有一个分布着小孔的筛板,酶颗粒无法通过筛板,而反应溶液却可以自由出入。
基础过关
知识点一 固定化酶和固定化细胞技术
1.酶的固定方法不包括( )
A.将酶吸附在载体表面上
B.将酶相互连接起来
C.将酶包埋在细微网格里
D.将酶制成固体酶制剂,如加酶洗衣粉中的酶
答案 D
2.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.由于细胞体积大,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应采用固定化酶
答案 C
解析 由于细胞体积大,酶分子很小,体积大的细胞难以被吸附或结合,而体积小的酶分子容易从包埋材料中漏出。
因此,细胞多采用包埋法固定化,酶更适合采用化学结合法和物理吸附法固定化。
3.关于固定化酶中酶的说法,正确的是( )
A.酶的种类多样,可催化一系列的酶促反应
B.酶被固定在不溶于水的载体上,可反复利用
C.酶作为催化剂,反应前后结构不改变,所以固定化酶可永远利用下去
D.固定化酶由于被固定在载体上,所以丧失了酶的高效性和专一性特点
答案 B
解析 固定化酶不能催化一系列酶促反应的进行;固定化酶被固定在不溶于水的载体上,可以反复利用,但是随着利用次数的增加,受到外界因素的影响,其活性会逐渐降低;固定化酶具有高效性和专一性的特点。
4.下列关于使用固定化酶技术生产高果糖浆的说法,正确的是( )
A.高果糖浆的生产需要使用果糖异构酶
B.在反应柱内的顶端装上分布着许多小孔的筛板,防止异物进入
C.将葡萄糖溶液从反应柱的上端注入,果糖从反应柱下端流出
D.固定化酶技术复杂,成本较高
答案 C
解析 生产高果糖浆时所用的酶应为葡萄糖异构酶,将这种酶固定在一种颗粒状的载体上,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,与固定化葡萄糖异构酶接触,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。
知识点二 制备固定化酵母细胞并发酵
5.有关制备固定化酵母细胞的叙述,正确的是( )
A.首先用蒸馏水把干酵母、CaCl2、海藻酸钠配制成溶液,但配制CaCl2溶液需要加热
B.配制海藻酸钠的溶液成糊状
C.配制酵母细胞溶液,要用玻璃棒搅拌,使酵母细胞混合均匀
D.酵母细胞溶液首先要和CaCl2溶液混合
答案 C
解析 配制CaCl2溶液不需加热;配制海藻酸钠溶液需要加热,直至将海藻酸钠完全溶化;溶化好的海藻酸钠冷却至室温加入活化的酵母细胞,进行充分搅拌,使其混合均匀。
6.在制备固定化酵母细胞的实验中,CaCl2溶液的作用是( )
A.用于调节溶液pHB.用于进行离子交换
C.用于胶体聚沉D.用于为酵母菌提供Ca2+
答案 C
解析 海藻酸钠胶体在CaCl2这种电解质溶液的作用下,发生聚沉,形成凝胶珠,其作用机理是由于盐离子的电荷与胶体微粒电荷相互吸引,形成更大的胶体颗粒,类似于人体红细胞与抗凝集素之间的凝集反应。
7.下列关于配制海藻酸钠溶液的措施,正确的是( )
A.用酒精灯加热,加热时不能搅拌
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.采用小火或间断加热,促进溶解,防止发生焦糊
答案 D
解析 海藻酸钠采用小火或间断加热,需搅拌防止焦糊;酒精喷灯产生高温火焰,主要用于需强热的实验,此实验中不使用。
8.下列关于制备固定化酵母细胞的过程,错误的是( )
A.酵母细胞活化时,其吸水方式为渗透作用
B.将凝胶珠在0.05mol/L的CaCl2中浸泡
C.固定好的凝胶珠用蒸馏水冲洗2~3次
D.固定化酵母细胞的发酵成本较低
答案 A
解析 活化初期主要靠吸胀作用吸水,且吸水量约为自身干重的10倍。
能力提升
9.下面是制备固定化酵母细胞的步骤,正确的是( )
①配制CaCl2溶液 ②配制海藻酸钠溶液 ③海藻酸钠与酵母细胞混合 ④酵母细胞活化 ⑤固定化酵母细胞
A.①②③④⑤B.④①③②⑤
C.④⑤②①③D.④①②③⑤
答案 D
解析 制备固定化酵母细胞的基本步骤是:
酵母细胞的活化→配制物质的量浓度为0.05mol/L的CaCl2溶液→配制海藻酸钠溶液→与酵母细胞混合→固定化酵母细胞。
10.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细胞混合制备混合液
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为了使培养液与酵母细胞充分接触
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
解析 刚溶化的海藻酸钠要冷却至室温,才能与活化的酵母细胞混合制备混合液,以免高温使酵母细胞失活;混合液加入CaCl2溶液进行固定化酵母细胞,CaCl2的作用是使海藻酸钠形成凝胶珠;发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母细胞充分接触,以利于发酵过程的顺利进行;制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤(去除残留的CaCl2)后再转移到图2装置中进行发酵。
11.制备好的凝胶珠是否符合应用要求,常用的检测方法有( )
①挤压法 ②摔打法 ③观察法 ④培养法
A.①②④B.①③④
C.②③④D.①②③
答案 D
解析 检测凝胶珠是否合格,经常使用下列检测方法:
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。
还可以通过观察凝胶珠的颜色和形状来判断。
12.右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 加入反应液后关闭活塞1和活塞2。
13.下图中所示的酶固定化技术中属于包埋法的一组是( )
A.①②B.①③④
C.①④D.③④
答案 D
解析 ①为吸附法,②为化学结合法,③④为包埋法,③包埋于网格中,④包埋于微胶囊中。
14.根据下面的实验原理、实验过程分析讨论相关问题。
实验原理:
麦芽汁可以渗入到由海藻酸钠和啤酒酵母制成的凝胶珠中。
啤酒酵母可以利用自身细胞内的一系列酶将可发酵的糖转化成乙醇。
实验过程:
①取斜面培养基上的新鲜啤酒酵母,接种于10mL麦芽汁液体培养基中,25℃培养24~30h。
②取1.6g海藻酸钠放入无菌小烧杯中,加无菌水少许调成糊状,再加入无菌水至40mL,在98kPa条件下灭菌15min。
冷却至45℃左右后,与预热至35℃左右的10mL酵母培养液混合搅拌均匀,立即倒入带喷嘴的无菌小塑料瓶中(或装有5号针头的注射器外套中),以恒定的速度滴入盛有葡萄糖、氯化钙混合液的容器中,浸泡30min制成凝胶珠。
③倒去葡萄糖、氯化钙混合液,用无菌水洗涤凝胶珠三次后,将凝胶珠放入500mL三角瓶中,加入300mL无菌麦芽汁液体培养基,置于25℃下封口发酵5d左右,倒出发酵后的麦芽汁即为生啤酒,品尝其口味。
(1)凝胶珠是由什么组成的?
它有什么作用?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)如果进行多批次的生产,本实验中的啤酒酵母与普通发酵中的酶或菌种在使用上有何区别?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)制作成功的凝胶珠需用______________________,其颜色为____________。
将凝胶珠加入用于发酵的葡萄糖溶液后,发现有________产生,同时有________味散发。
答案
(1)凝胶珠是由啤酒酵母和固定酵母菌
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