1、学年高中生物 第三章 酶的应用技术实践 第二节 固定化酶的制备和应用学案 苏教版选修1第二节固定化酶的制备和应用学习导航明目标、知重点难点固定化酶和固定化细胞的应用。(重点)固定化酶与固定化细胞的制备方法。(难点) 学生用书P43一、阅读教材P63分析固定化酶1概念：是指用物理学或化学的方法将酶与固相载体结合在一起形成的仍具有酶活性的酶复合物。2优点：在催化反应中，它以固相状态作用于底物，反应完成后容易与水溶性反应物和产物分离，可被反复使用，且保持了酶的催化性能，可实现酶促反应的连续化和自动化。3制备固定化酶的常用方法目前，制备固定化酶的方法主要有物理吸附法、化学结合法、包埋法等。二、阅读教材
2、P6465分析固定化细胞技术的应用1应用：固定化细胞可以取代游离的细胞进行发酵，生产各种物质。2优点(1)固定化细胞技术无须进行酶的分离和纯化，减少了酶的活力损失，同时大大降低了生产成本。(2)固定化细胞不仅可以作为单一的酶发挥作用，而且可以利用细胞中所含的复合酶系完成一系列的催化反应。(3)对于活细胞来说，保持了酶的原始状态，酶的稳定性更高。(4)细胞生长停滞时间短，反应快等。3缺点(1)固定化细胞只能用于生产细胞外酶和其他能够分泌到细胞外的产物。(2)由于载体的影响，营养物质和产物的扩散受到一定限制。(3)在好氧性发酵中，溶解氧的传递和输送成为关键的限制因素。4酵母菌细胞的固定化技术的主要
3、流程准备各种实验药品和器材制备麦芽汁活化酵母菌细胞配制物质的量浓度为0.05 mol/L的氯化钙溶液制备固定化细胞浸泡凝胶珠，用蒸馏水洗涤发酵麦芽汁 判一判(1)酶在催化时会发生变化，不可反复利用。()(2)某种固定化酶的优势在于能催化一系列生化反应。()(3)固定化细胞所固定的酶都在细胞外起作用。()(4)制备固定化细胞的方法主要有包埋法、化学结合法和物理吸附法。() 连一连固定化酶技术学生用书P44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。人们针对酶的这种不足寻着改善的方法之一是固定化酶技术的应用。结合教材P63内容完成以下探究。(1)图A为物理吸附
4、法，它的显著特点是工艺简便且条件温和，在生产实践中应用广泛。(2)图B为化学结合法，它是利用多功能试剂进行酶与载体之间的交联，在酶和多功能试剂之间形成共价键，从而得到三维的交联网架结构。(3)包埋法是将酶包埋在能固化的载体中。将酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶中(如图C)，包埋成格子型；或包裹在硝酸纤维素等半透性高分子膜中(如图D)，包埋成微胶囊型。各种固定化酶方法的比较物理吸附法包埋法化学结合法制备易较难较难结合程度弱强强活力回收率高，但酶易流失高中等再生可能不可能不可能固定化成本低低中等底物专一性不变不变可变 突破1固定化酶的各种固定方法1下图是酶的几种固定方式示意图，其所采用的固定方法
5、依次是()A物理吸附法、化学结合法、包埋法B化学结合法、物理吸附法、包埋法C包埋法、物理吸附法、化学结合法D包埋法、化学结合法、物理吸附法解析：选D。图表示酶包埋在细微网格里，应属包埋法；图表示许多酶分子通过特殊载体连接起来，成交联网状结构，应属化学结合法；图表示将酶固定在一定的支持物上，可用物理吸附法。 突破2固定化酶特征2下图中符合固定化酶特征的是( )解析：选D。固定化酶技术是利用物理或化学的方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术，包括包埋法、化学结合法和物理吸附法。固定化酶优点是使酶既能与反应物接触，又能与产物分离，还可以被反复利用，在装置中酶是固定不动的，反应物是动的。判断固定化酶的方
6、法固定化酶技术是利用物理或化学的方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术。所以识别固定化酶的方法是观察酶是否固定不动，若是则属于固定化酶，否则不属于固定化酶。 固定化细胞技术及酵母菌细胞的固定化技术学生用书P45固定化细胞在环境保护、能源开发等领域都有重要的应用。结合教材P6465内容完成下面酵母菌细胞的固定化操作流程，理解细胞固定化过程。主要药品有：干麦芽粉、干酵母、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠、无水氯化钙、蒸馏水、葡萄糖溶液、碘液干麦芽粉蒸馏水麦芽汁无菌麦芽汁干酵母蒸馏水活化的酵母菌无水氯化钙蒸馏水聚乙烯醇(PVA)海藻酸钠蒸馏水酵母菌聚乙烯醇海藻酸钠溶液凝胶珠待凝胶珠在溶液中浸泡30 min
7、后，取出并用蒸馏水洗涤3次备用将凝胶珠加入无菌麦芽汁中1制备固定化酵母菌细胞的注意事项(1)选用的干酵母要具有较强的活性，而且物种单一。(2)酵母菌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，防止酵母菌细胞的活化液溢出。(3)海藻酸钠溶液的配制是固定化酵母菌细胞的关键，因为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菌细胞的数量少，也会影响实验效果。(4)溶化海藻酸钠时要用小火间断加热，避免海藻酸钠发生焦糊。(5)将溶化后的海藻酸钠先冷却至室温，再与酵母菌细胞混合，避免高温杀死酵母菌。(6)固定化酵母菌细胞时，应将酵母菌聚乙烯醇海藻酸钠溶液用注射器
8、缓慢滴加到氯化钙溶液中，而不是注射，以免影响凝胶珠的形成。2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)小分子物质缺点对环境条件非常敏感，易失活；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触，尤其是大分子物质，反应效率下降优点催化效率高、耗能低、低污染既能与反应物接触，又能与产物分离；可以反复利用成本低、操作容易 突破1制备固定化酵母菌细胞1下面的流程图
9、表示制备固定化酵母菌细胞的过程，请据图回答：酵母菌细胞活化配制CaCl2溶液配制海藻酸钠溶液海藻酸钠溶液与酵母菌细胞混合固定化酵母菌细胞(1)酵母菌活化前应选择足够大的容器，因为酵母菌细胞活化时_。(2)影响此实验成败的关键步骤是_。此步的操作应采用_。(3)如果海藻酸钠浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母菌细胞数目_。(4)观察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_，说明海藻酸钠的浓度偏高，实验操作失败。(5)本实验所用的固定化技术是_，而制备固定化酶则不宜用此方法，原因是_。解析：(1)酵母菌在干燥时，处于休眠状态，需加水活化，活化后的酵母菌细胞体积增加。(2)该实
10、验的关键是海藻酸钠溶液的配置。(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量过少，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。如果形成的凝胶珠不是球形或椭圆形，则说明海藻酸钠的浓度偏高，制作失败，需要再作尝试。(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，而固定化酶不宜用此方法。答案：(1)体积增加较大(多)(2)配制海藻酸钠溶液小火间断加热(3)较少(4)固定的酵母菌细胞数目较少球形或椭圆形(5)包埋法酶分子很小，容易从包埋材料中漏出检验凝胶珠的质量是否合格的方法(1)用镊子夹起一个凝胶珠放在实验桌上用手
11、挤压，如果凝胶珠不容易破裂，且没有液体流出，就表明凝胶珠的制作成功。(2)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。 突破2固定化技术的比较2下列叙述不正确的是()A从操作角度来考虑，固定化细胞比固定化酶更容易B固定化细胞比固定化酶对酶活性的影响更小C固定化细胞固定的是一种酶D将微生物的发酵过程变成连续的酶反应，应选择固定化细胞技术解析：选C。固定化细胞内酶的活性基本没有损失，保留了细胞内原有的多酶系统，所以固定化细胞不同于固定化酶，它能固定多种酶。选择固定化酶与固定化细胞的方法(1)根据固定方法选择固定化酶技术：由于酶分子较小，可以采用物理吸附法和化学结合
12、法进行固定，它催化的是单一的化学反应。固定化细胞技术：细胞一般体积较大，适合应用包埋法固定，而且细胞能够产生多种酶，因此固定化细胞可以催化一系列化学反应。(2)根据反应液中加入物质选择在固定化酶应用过程中，反应溶液中只需要加入酶的底物。固定化细胞在应用过程中，要保持细胞的正常生命活动，反应溶液中除需要加入反应的底物外，还应加入满足细胞生命活动所需的营养物质等。(3)根据反应的特点选择固定化酶可以催化的反应物是小分子或大分子。固定化细胞则只能催化小分子反应物。 核心知识小结网络构建关键语句 固定化酶是指用物理学或化学的方法将酶与固相载体结合在一起形成的仍具有酶活性的酶复合物。 制备固定化酶的方法
13、主要有物理吸附法、化学结合法、包埋法等。 在固定化细胞技术中，从操作角度考虑，包埋法更容易；固定化细胞对酶活性的影响小；如果想将微生物的发酵过程变成连续的酶反应，应选择固定化细胞的方法；如果反应物是大分子，应选择固定化酶方法。随堂检测 学生用书P47 知识点一固定化酶技术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，让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固定化酶技术是将酶固定在一定空间内的技术解析：选D。固定化酶是指通过物理或化学的方法，将水溶性的酶与不溶性的载体结合，使酶固定在载体上，并在一定的空间范
14、围内进行反应的酶。因此，固定化酶技术固定的不是反应物而是酶。因为被固定的只是一种酶，所以不能催化一系列的酶促反应，但固定的酶可以重复利用。2固定化酶与普通酶制剂相比较，主要优点是()A可以反复使用，降低成本B固定化酶不受酸碱度、温度等的影响C酶的制备更简单容易D酶能够催化的反应类型大大增加解析：选A。固定化酶与普通酶制剂相比较主要优点是可以反复使用，降低成本，固定化酶仍具有酶的特性。 知识点二固定化细胞技术3下列关于“酵母细胞的固定化技术”实验的叙述，正确的是()A活化酵母时，将适量干酵母与蒸馏水混合并搅拌成糊状B配制CaCl2溶液时，需要边小火加热边搅拌C将海藻酸钠溶液滴加到CaCl2溶液时
15、，凝胶珠成形后应即刻取出D海藻酸钠溶液浓度过高时凝胶珠呈白色，过低时凝胶珠易呈蝌蚪状解析：选A。将适量干酵母与蒸馏水混合并搅拌成糊状，可以活化酵母，A项正确；配制海藻酸钠溶液时需用小火间断加热，配制CaCl2溶液时不需加热，B项错误；凝胶珠成形后应在CaCl2溶液中浸泡30分钟左右，以便形成稳定的结构，C项错误；海藻酸钠溶液浓度过低时固定的酵母细胞数目少，凝胶珠呈白色，过高时凝胶珠易呈蝌蚪状，D项错误。4小球藻可用于污水净化，其繁殖能力(生长量)在一定程度上可以反映小球藻细胞消耗N、P等的能力。科研人员比较游离小球藻和用海藻酸钠固定化后的小球藻生长量变化，结果如图所示。下列相关叙述错误的是()
16、A本研究中固定化小球藻采用的方法是包埋法B实验中可用CaCl2浸泡凝胶珠使其形成稳定结构C结果表明固定化小球藻的生长期较短、生长速率低D使用固定化小球藻有利于重复使用且可避免水体二次污染解析：选C。固定化小球藻常用的方法为包埋法，实验中凝胶珠加入到CaCl2中主要是为了维持凝胶珠的稳定结构，固定化小球藻可以反复使用而且有利于回收防止造成二次污染，据曲线分析，固定化小球藻生长速率变低、生长期延长。5下列在制备固定化酵母细胞的操作中，正确的是()A制备好海藻酸钠后，需立即将其与酵母细胞混合以防凝固B制备固定化酵母细胞过程应用注射器C以恒定的速度把酵母菌聚乙烯醇海藻酸钠胶液滴入CaSO4溶液内D凝胶
17、珠在硼酸CaCl2溶液中应浸泡10 min左右解析：选B。海藻酸钠应先冷却至室温，否则会把酵母细胞杀死。胶液滴入硼酸CaCl2溶液中。凝胶珠应在硼酸CaCl2溶液中浸泡30 min左右。6在上个世纪50年代，酶已经大规模地应用于各个生产领域，到了70年代又发明了固定化酶与固定化细胞技术。(1)在实际生产中，固定化酶技术的优点是_。与固定化酶技术相比，固定化细胞固定的是_。(2)制备固定化酵母菌细胞，常用的包埋材料是_，使用了下图中方法_(填出号码及名称)。(3)制作固定化酵母菌细胞时，充分混合均匀的酵母菌聚乙烯醇海藻酸钠溶液可在_溶液中形成凝胶珠。部分同学实验制得的凝胶珠不是球形或椭圆形，其主
18、要原因是_。解析：(1)固定化酶使酶与反应物易接触，与产物易分离，并且能反复利用，降低了生产成本。固定化酶固定的是纯净的酶。固定化细胞能固定一系列酶。(2)制备固定化酵母菌细胞，由于细胞比酶分子体积大，难以被吸附或结合，多采用包埋法，常用的载体是海藻酸钠等。(3)酵母菌聚乙烯醇海藻酸钠溶液能在CaCl2溶液中形成凝胶珠。若海藻酸钠浓度过高或针筒距离液面过近，得到的凝胶珠可能不是球形或椭圆形。答案：(1)酶既能与反应物接触，又容易与产物分离，固定在载体上的酶能反复利用多酶系统(一系列酶、多种酶)(2)海藻酸钠包埋法(3)CaCl2海藻酸钠浓度过高(或针筒口离液面距离过近，高度不够)课时作业 学生
19、用书P85(单独成册)一、选择题1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解析：选C。固定化酶由于酶被固定在不溶于水的载体上，很容易与产品分离，同时酶也能反复使用，这是固定化酶的主要优点。但酶已被固定在载体上，不能自由出入。通常固定化酶的种类单一，所以不能催化一系列酶促反应。2固定化酶和固定化细胞技术是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，其中适合细胞固定化的方法是()A包埋法 B物理吸附法C化学结合法 D高温冷却法解析：选A。固定化酶常用物理吸附法和化学结合法，因为酶分子较小
20、；而固定化细胞常用包埋法，因为细胞较大，难以被吸附或结合。3关于固定化酶中的酶，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解析：选B。固定化酶不能催化一系列的酶促反应，因此A错误；固定化酶被固定在不溶于水的载体上，可以重复利用，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，故B正确、C错误；固定化酶虽被固定在载体上，但仍有高效性和专一性的特点，故D错误。4研究认为，用固定化酶技术处理污染物是很有前途的。如
21、将从大肠杆菌中得到的磷酸二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 BpHC水分 D营养解析：选D。酶与微生物相比较，它的活性发挥不需要营养。5下列关于固定化酶和一般酶制剂在应用效果上的说法，错误的是()A固定化酶可长久使用B一般酶制剂应用后和产物混在一起，产物的纯度不高C一般酶制剂参加反应后不能重复利用D固定化酶可以反复利用，降低生产成本，提高产量和质量解析：选A。固定化酶是将酶固定在不溶于水的载体上，使酶既能与底物接触，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，降低成本，产物中也不含酶，提高了产品的纯度。固
22、定化酶虽可以多次利用，但不可长久使用。6下列有关酵母细胞固定化实验操作目的及结果分析，错误的是()A干酵母细胞处于休眠状态，需置于蒸馏水中活化B配制海藻酸钠溶液时需要小火间断加热，以防海藻酸钠焦糊C若海藻酸钠的浓度偏低时凝胶珠呈白色，固定的细胞数目过少D凝胶珠在CaCl2溶液中浸泡时间的长短，不影响发酵效果解析：选D。凝胶珠在CaCl2溶液中浸泡时间的长短，会影响酶的活性，所以会影响发酵效果，D错。7在用包埋法固定细胞时，下列哪一项不是常用的载体()A明胶 B琼脂C海藻酸钠凝胶 D纤维素解析：选D。纤维素不能用于细胞的包埋。8下列关于固定化酶的说法，不正确的是()A固定化酶需要适宜的反应条件B
23、固定化酶可再次利用C固定后的酶既能与反应物接触，又能与反应物和产物分离D固定化酶易溶于水解析：选D。酶制剂本身不够稳定，价格昂贵且不能回收以反复利用，从而限制了酶制剂的进一步发展；固定化酶解决了普通酶制剂的缺点，既能与反应物接触，又能与反应物和产物分离，能重复利用；固定化酶不溶于水。9制备固定化酵母菌细胞的正确步骤是()用无菌水洗涤凝胶珠制备固定化细胞制备麦芽汁活化酵母菌细胞发酵麦芽汁配制CaCl2溶液A BC D解析：选B。制备固定化酵母菌细胞的基本步骤是：制备麦芽汁活化酵母菌细胞配制CaCl2溶液制备固定化细胞用无菌水洗涤凝胶珠发酵麦芽汁。10下列关于酶和固定化酵母细胞的研究与应用的叙述，
24、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 和杂菌解析：选C。化学结合法可能影响酶的活性部位而影响反应效果，而吸附法是物理方法不影响酶的分子结构，故A正确；消化酶在消化道内起作用，则蛋白酶制剂以口服方式给药，故B正确；尿糖试纸由于使用后不能将反应物和酶分开，而不能再次使用，故C错误；固定化酵母细胞在凝胶珠中，用无菌水冲洗可洗去CaCl2和表面的杂菌，故D正确。11下列有关制备固定化酵母细胞的叙述，错误的是()A在向溶化好的
25、海藻酸钠溶液中加入的必须是已活化的酵母细胞B溶化好的海藻酸钠溶液必须冷却至室温，才能加入细胞C溶解海藻酸钠，最好采用小火，或者持续加热的方法D在固定化酵母细胞的过程中，要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溶液中解析：选C。向溶化的海藻酸钠溶液中加入的是活化的酵母细胞，故A正确。溶化好的海藻酸钠溶液需要冷却到室温才能加入细胞，否则细胞可能失去活性，故B正确。溶解海藻酸钠需用小火，或者间断加热，故C错误。固定化酵母细胞过程中，需要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，故D正确。12固定化脂肪酶的方法一般是：将酶液和一定浓度的海藻酸钠溶液混合后，用
26、注射器滴到一定浓度的硼酸氯化钙溶液中，25 静置固定化2 h，过滤、洗涤，再加入到戊二醛溶液中，25 化学结合2 h，过滤、洗涤、干燥后就可得到颗粒状固定化脂肪酶。某兴趣小组对固定化酶的性质和其最佳固定化条件进行了探究，如图显示的是部分研究结果(注：纵坐标为酶活力包括酶活性和酶的数量，a为游离酶，b为固定化脂肪酶)，下列分析中正确的是()A在温度或pH变化时，与游离酶相比，固定化酶具有的缺点是稳定性较低B这种固定化脂肪酶使用的方法是物理吸附法、包埋法和化学结合法三种方法的结合C氯化钙的量太少时，酶活力较低的原因可能是包埋不完全，包埋在内部的部分酶会流失D海藻酸钠浓度较高时，酶活力较低的原因可能
27、是形成的凝胶孔径较大，影响酶与底物的结合解析：选C。在温度或pH变化时，与游离酶相比，固定化酶的优点是稳定性比较高；此酶采用了包埋法和交联法两种方法相结合，并未用物理吸附法；氯化钙的作用是使凝胶珠稳固聚沉，如果含量太少，可能会使部分酶流失；海藻酸钠浓度较高时，形成的凝胶孔径比较小。二、非选择题13如图1表示制备固定化酵母细胞的某步操作，图2是利用固定化酵母细胞进行酒精发酵的示意图，请据图分析回答：(1)图1中，将溶化好的海藻酸钠溶液_，加入已活化的酵母细胞，进行充分搅拌，使其混合均匀，再转移至注射器中。(2)图1中X溶液为_，其作用是_。(3)某同学在图1步骤结束后得到右图所示的实验结果，出现
28、此结果的可能原因有海藻酸钠浓度过_(填“高”或“低”)或注射器中的混合液推进速度过_(填“快”或“慢”)。(4)图1中制备的凝胶珠用_后再转移到图2装置中，发酵过程中搅拌的目的是_。解析：(1)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。(2)将注射器中的海藻酸钠与酵母菌混合液滴加到CaCl2溶液中进行固定化酵母细胞，故图1中X溶液为CaCl2溶液，CaCl2的作用是使海藻酸钠形成凝胶珠。(3)图3中所示的凝胶珠不是圆形或椭圆形，说明海藻酸钠浓度偏高或注射器中的混合液推进速度过快。(4)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，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。答案：(1)冷却至室温(2)CaCl2溶液使海藻酸钠形成凝胶珠(3)高快(4)蒸馏水洗涤为了使培养液与酵母菌充
