《酵母細胞的固定化》說課稿

1、酵母細胞的固定化說課稿一、使用教材：高中生物選修 1 生物技術(shù)實踐（人民教育出版社）專題4 課題 3 酵母細胞 的固定化二、實驗器材：酒精燈、燒杯、玻璃棒、試管、錐形瓶、蠕動泵、鐵架臺、砝碼、一次性注 射器、一次性輸液器、酒精檢測儀、培養(yǎng)皿、刀片三、實驗創(chuàng)新要點：（一）對教材實驗的改進直接加熱促溶海藻酸鈉改進為水浴加熱蒸餾水活化酵母細胞改進為 5%葡萄糖溶液活化注射器改進為小型蠕動泵制作凝膠珠，實現(xiàn)了自動化、標(biāo)準(zhǔn)化觀察顏色、摔打法檢測凝膠珠質(zhì)量改進為砝碼檢測錐形瓶發(fā)酵裝置改進為注射器+輸液器裝置，將發(fā)酵時間由24h縮減至15min對產(chǎn)物的檢測由觀察氣泡、聞酒味改進為溴麝香草酚藍水溶液檢測CO及

2、酸性重鉻2 酸鉀溶液檢測酒精（二）對教材實驗的延伸探究固定化酵母的發(fā)酵效率低于未固定酵母，但固定化酵母便于回收，可重復(fù)利用圓形凝膠珠比拖尾狀的異形凝膠珠發(fā)酵效率更高提出了使用瓊脂糖固定酵母細胞的完整方法四、實驗原理：固定化細胞技術(shù)是將細胞固定于不溶于水的載體上，使細胞既能與反應(yīng)物接觸，又能與 產(chǎn)物分離。同時，固定于載體上的細胞還可以反復(fù)利用。成本低，操作簡單，廣泛的應(yīng)用于 工業(yè)生產(chǎn)中。海藻酸鈉是一種無毒的親水性物質(zhì)，呈粉末狀，遇水會形成粘性團塊，通過加熱可形成 粘稠性膠狀物質(zhì)。溶化的海藻酸鈉中的鈉離子可迅速被鈣離子置換，交聯(lián)后形成多孔的、不 溶于水的海藻酸鈣結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒓毎潭ú⒂幸欢ǖ臋C械強

3、度。酶固定化酵母細胞以葡萄糖作為底物進行酒精發(fā)酵，產(chǎn)生 CO 及酒精，反應(yīng)式如下所示 ：2CH O-2CH0H+2C0+ 能量。6126252五、實驗教學(xué)目標(biāo)： 生命觀念：認同酶是由活細胞產(chǎn)生的；理解細胞固定化原理 科學(xué)思維：通過對原有實驗的改進培養(yǎng)創(chuàng)造性思維、批判性思維 科學(xué)探究：培養(yǎng)科學(xué)探究精神；領(lǐng)悟“設(shè)計實驗、交流討論”等科學(xué)探究方法 社會責(zé)任：致力于改善工業(yè)生產(chǎn)體系，設(shè)計工業(yè)生產(chǎn)裝置六、實驗教學(xué)過程： 共分為三個環(huán)節(jié)：課前探究、課堂展示、課后延伸。（一）課前探究：小組預(yù)實驗，體驗固定化酵母細胞的制備流程并利用固定化酵母細胞進行 酒精發(fā)酵。在預(yù)實驗中發(fā)現(xiàn)問題并合作探究，對實驗加以改進。整

4、個過程以學(xué)生為主體，教 師為客體，教師僅推送相關(guān)拓展資料、提供完善的實驗器材，在必要的時候加以引導(dǎo)，使學(xué) 生們真正達到了自主、合作、探究式的學(xué)習(xí)。預(yù)實驗，發(fā)現(xiàn)問題：教材做法出現(xiàn)問題小火或間斷加熱促溶海藻酸鈉時間長、易焦糊蒸餾水活化酵母細胞活化效果差注射器制備凝膠珠可控性差，制備的凝膠珠拖尾嚴重觀察顏色、摔打法檢測凝膠珠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一，誤差過大錐形瓶作發(fā)酵裝置發(fā)酵時間長，產(chǎn)物少，難以收集并檢測氣體觀察氣泡、聞酒味檢測發(fā)酵產(chǎn)物檢測結(jié)果缺乏說服力合作探究，提出改進方案：改進一 直接加熱促溶海藻酸鈉改進為水浴加熱圖 1 直接加熱促溶海藻酸鈉圖 2 水浴加熱促溶海藻酸鈉改進二 蒸餾水活化酵母細胞改進為 5

5、%葡萄糖溶液活化圖 4 一系列濃度梯度的葡萄糖溶液改進三 注射器改進為小型蠕動泵制作凝膠珠，實現(xiàn)了自動化、標(biāo)準(zhǔn)化圖 5 注射器制備凝膠珠 圖 圖 4 一系列濃度梯度的葡萄糖溶液改進三 注射器改進為小型蠕動泵制作凝膠珠，實現(xiàn)了自動化、標(biāo)準(zhǔn)化圖 5 注射器制備凝膠珠 圖 6 蠕動泵制備凝膠珠圖 3 蒸餾水活化酵母細胞 活化酵母細胞圖8蠕動泵制備的凝膠圖圖8蠕動泵制備的凝膠珠改進四 觀察顏色、摔打法檢測凝膠珠質(zhì)量改進為砝碼檢測圖 9 砝碼檢測凝膠珠質(zhì)量改進五 錐形瓶發(fā)酵裝置改進為注射器+輸液器裝置，將發(fā)酵時間由24h縮減至15min圖 10 錐形瓶發(fā)酵裝置圖 圖 10 錐形瓶發(fā)酵裝置圖 11 注射器

6、+輸液器發(fā)酵裝置改進六 對發(fā)酵產(chǎn)物的檢測由觀察氣泡、聞酒味改進為溴麝香草酚藍水溶液檢測CO酸性 重鉻酸鉀溶液檢測酒精圖 12 溴麝香草酚藍水溶液檢測 CO2圖 13 酸性重鉻酸鉀溶液檢測酒精（由藍變綠再變黃） （由橙 色變灰綠色）（二）課堂展示：在積極的探索后，每個小組都收獲了豐碩的成果，品嘗到了探索的喜悅。在課堂上都迫不及待的展示自己的成果。成果展示后教師組織小組自評、互評，充分的論證每個改進方案的優(yōu)缺點，提出優(yōu)化的實驗體系。圖 14 改進后實驗方案（三）課后延伸：一堂課結(jié)束，同學(xué)們意猶未盡。我不失時機的鼓勵大家，繼續(xù)對本實驗進 行探索。延伸一：比較未固定酵母與固定化酵母的發(fā)酵效果 使用等量

7、的酵母細胞設(shè)置了一組對比實驗，一組固定，一組未固定，其他條件完全一致。發(fā)酵 24 小時后，普通酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生了更多的氣泡，使用酒精計檢測發(fā)現(xiàn)其酒精含量為 0.255mg/L。相比之下，固定化酵母組，氣泡少，酒精含量僅為0.16 mg/L。結(jié)果表明普通 酵母發(fā)酵效果更好。固定化細胞不易與反應(yīng)物接觸，因此發(fā)酵效率下降。同時，同學(xué)們也觀 察到固定化酵母發(fā)酵液更為澄清，且固定化酵母便于回收，可重復(fù)利用，這正是固定化技術(shù) 的優(yōu)勢所在。該實驗使學(xué)生辯證的認識了固定化技術(shù)的優(yōu)劣性。圖 15 未固定酵母與固定化酵母發(fā)酵對比實驗延伸二：探究拖尾狀的異形凝膠珠是否會影響發(fā)酵效率使用包埋等量酵母菌的異形和圓形凝膠珠

8、同時進行了發(fā)酵實驗。發(fā)酵相同時間后，圓形 凝膠珠組推動注射器活塞運動了更長的距離，表明發(fā)酵產(chǎn)生了更多的氣體，因此圓形凝膠珠 發(fā)酵效率更高。圓形凝膠珠表面積更大，與底物接觸面積大，有利于發(fā)酵。関形購動泵制作）関形購動泵制作）圖 16 異形和圓形凝膠珠發(fā)酵對比實驗延伸三：使用瓊脂糖固定酵母細胞 海藻酸鈉固定酵母細胞受海藻酸鈉濃度、鈣離子濃度、交聯(lián)時間、凝膠珠形狀等多種因 素的影響，有小組大膽提出更換包埋材料。經(jīng)過查閱資料確定使用低熔點瓊脂糖進行包埋， 然而文獻資料中對如何使用瓊脂糖進行包埋鮮有報道。于是小組設(shè)置一系列濃度梯度的瓊脂 糖溶液，融化后降至室溫，與酵母細胞混合，靜置凝固。觀察發(fā)現(xiàn)，1%的

9、瓊脂糖無法凝固（圖 17）。用刀片將凝固的瓊脂糖切成1 厘米大小的方塊。發(fā)現(xiàn)，1-2%瓊脂糖包埋的凝膠塊難以 成形，無法使用（圖 18）。使用 3-6%的瓊脂糖凝膠塊進行酒精發(fā)酵實驗，每組中包埋的酵母 菌數(shù)量相等，但其發(fā)酵速度并不相同，這是因為瓊脂糖的濃度決定凝膠塊的孔隙大小，進而 影響酵母菌與底物的接觸。以到達反應(yīng)終點所需時間為指標(biāo)，對比發(fā)現(xiàn)，5%瓊脂糖包埋的酵 母菌到達反應(yīng)終點所需時間最短，發(fā)酵速率最快（圖19）。利用瓊脂糖和海藻酸鈉各固定1g酵母菌，進行酒精發(fā)酵實驗發(fā)現(xiàn)，其到達反應(yīng)終點所 需時間相當(dāng)（圖20）。說明瓊脂糖同海藻酸鈉一樣均可作為良好的包埋材料。iwm :I-*Wtaa1觀蘇賠麒2%lu圖 17 1% - 6%的瓊脂糖包埋實驗圖 18 凝膠塊的制備圖 19 3% - 6%的凝膠塊發(fā)酵實驗用海艇酸鈉和瓊脂耕咎固足1 gi穆母菌圖 20 瓊脂糖和海藻酸鈉固定酵母細胞發(fā)酵對比實驗七、實驗效果評價：實驗教學(xué)是生物學(xué)教學(xué)的靈魂，更是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要法寶。整個教學(xué) 過程以學(xué)生為主體，教師在一旁引導(dǎo)、追問，使學(xué)生們真正達到了自主、合作、探究式的學(xué) 習(xí)。在本次實驗探究中，同學(xué)們大膽假設(shè)，小心求證，在探索中優(yōu)化了教材中的實驗體系。 蠕動泵及砝碼的應(yīng)用解決了凝