2024-2025學(xué)年高中生物專題四酶的研究與應(yīng)用課題3酵母細(xì)胞的固定化學(xué)案新人教版選修1

PAGE8-課題3酵母細(xì)胞的固定化學(xué)習(xí)目標(biāo)課程標(biāo)準(zhǔn)1．說出固定化酶和固定化細(xì)胞的作用和原理。2．列舉固定化技術(shù)的常用方法。3．簡(jiǎn)述固定化細(xì)胞的制備過程。4．嘗試制備固定化酵母細(xì)胞，并利用固定化酵母細(xì)胞進(jìn)行酒精發(fā)酵。(重點(diǎn)和難點(diǎn))嘗試制備和應(yīng)用固定化酶自主學(xué)習(xí)·預(yù)習(xí)熱身一、固定化酶的應(yīng)用實(shí)例1．高果糖漿的生產(chǎn)須要運(yùn)用__葡萄糖異構(gòu)酶__，它能將葡萄糖轉(zhuǎn)化成__果糖__。這種酶的穩(wěn)定性好，可以__持續(xù)__發(fā)揮作用。但是，酶溶解于葡萄糖溶液后，就無法從糖漿中回收，造成很大的奢侈。2．運(yùn)用__固定化酶__技術(shù)，將這種酶固定在一種顆粒狀的載體上，再將這些酶顆粒裝到一個(gè)反應(yīng)柱內(nèi)。生產(chǎn)過程中，將葡萄糖溶液從反應(yīng)柱的__上端__注入，使葡萄糖溶液流過反應(yīng)柱，與__固定化葡萄糖異構(gòu)酶__接觸，轉(zhuǎn)化成__果糖__，從反應(yīng)柱的__下端__流出。反應(yīng)柱能連續(xù)運(yùn)用半年，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了果糖的產(chǎn)量和質(zhì)量。二、固定化細(xì)胞技術(shù)1．概念：利用__物理__或__化學(xué)__方法將酶或細(xì)胞固定在肯定空間內(nèi)的技術(shù)。2．方法：包括__包埋法__、化學(xué)結(jié)合法和__物理吸附法__，細(xì)胞多采納__包埋法__固定化，而酶多采納__化學(xué)結(jié)合__和__物理吸附__法固定化。3．載體：包埋法固定化細(xì)胞常用的是__多孔性__載體材料，如__明膠__、瓊脂糖、__海藻酸鈉__、醋酸纖維素和聚丙烯酰胺。4．優(yōu)點(diǎn)(1)固定化酶既能與__反應(yīng)物__接觸，又能與__產(chǎn)物__分別，可以__反復(fù)__利用。(2)固定化細(xì)胞技術(shù)制備的成本__低__，操作__簡(jiǎn)便__。思索1．假如想將微生物的發(fā)酵過程變成連續(xù)的酶反應(yīng)，應(yīng)選擇哪一種方法？假如反應(yīng)物是大分子物質(zhì)，又應(yīng)當(dāng)采納哪種方法？為什么？提示：前者可選擇固定化細(xì)胞技術(shù)，后者可選擇固定化酶技術(shù)。固定化細(xì)胞固定的是一系列酶，可以催化一系列反應(yīng)；大分子物質(zhì)難以自由通過細(xì)胞膜，固定化細(xì)胞——應(yīng)用受到限制。2．為何酶適合用化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法固定，而細(xì)胞多采納包埋法固定？提示：細(xì)胞體積大，而酶分子很小，個(gè)大的細(xì)胞難以被吸附或結(jié)合，而個(gè)小的酶簡(jiǎn)潔從包埋材料中漏出。┃┃活學(xué)巧練__■推斷題1．利用固定化酶技術(shù)生產(chǎn)高果糖漿時(shí)，從固定化酶反應(yīng)柱下端流出的只有果糖。(×)分析：高果糖漿是指果糖含量為42%左右的糖漿，也含有肯定量的葡萄糖。反應(yīng)柱下端的篩板不允許固定化酶顆粒通過，但是不影響反應(yīng)物和產(chǎn)物的通過，因此下端流出的既有果糖，又有沒反應(yīng)完的葡萄糖。2．加酶洗衣粉中的酶是固定化酶，能反復(fù)利用。(×)分析：加酶洗衣粉添加了酶制劑，但沒有固定化，因此不能反復(fù)利用。3．酶分子很小，常采納包埋法固定。(×)分析：酶分子很小，簡(jiǎn)潔從包埋材料中漏出，故酶更適合采納化學(xué)結(jié)合和物理吸附法固定。4．包埋法常用的載體是不溶于水的多孔性載體。(√)5．固定化細(xì)胞是可以催化各種反應(yīng)底物的一系列反應(yīng)。(×)分析：固定化細(xì)胞固定的是一系列特定的酶，可以催化一系列特定的化學(xué)反應(yīng)，而不是催化各種反應(yīng)底物的反應(yīng)。6．反應(yīng)物是大分子物質(zhì)時(shí)最好采納固定化細(xì)胞技術(shù)。(×)分析：大分子物質(zhì)難以自由通過細(xì)胞膜，因此固定化細(xì)胞不易使反應(yīng)物充分反應(yīng)，最好采納固定化酶技術(shù)。新知解讀·互動(dòng)探究學(xué)問點(diǎn)固定化酶和固定化細(xì)胞┃┃要點(diǎn)歸納__■1．固定化酶和固定化細(xì)胞的應(yīng)用及特點(diǎn)(1)固定化酶的應(yīng)用實(shí)例：高果糖漿的生產(chǎn)①原料：葡萄糖(由淀粉轉(zhuǎn)化而來)②反應(yīng)原理：葡萄糖eq\o(→,\s\up7(葡萄糖異構(gòu)酶))果糖③生產(chǎn)過程將葡萄糖異構(gòu)酶固定在顆粒狀的載體上↓放在底部有很多小孔的篩板的反應(yīng)柱內(nèi)(酶顆粒不能通過，反應(yīng)溶液能通過)↓葡萄糖液從反應(yīng)柱上端注入↓流經(jīng)反應(yīng)柱↓與葡萄糖異構(gòu)酶接觸并進(jìn)行反應(yīng)↓果糖溶液從反應(yīng)柱下端流出④優(yōu)點(diǎn)a．可循環(huán)反復(fù)運(yùn)用酶制劑。據(jù)報(bào)道，在某些狀況下酶制劑可運(yùn)用上千次，極大地降低了生產(chǎn)成本。b．在生產(chǎn)中，可通過離心法或過濾法把酶與反應(yīng)液相互分開，在大規(guī)模的生產(chǎn)中，所需的工藝設(shè)備比較簡(jiǎn)潔。c．穩(wěn)定性能好。(2)酶固定化的方法酶的固定方法大致可分為以下三種：名稱原理圖示包埋法將微生物細(xì)胞勻稱地包埋在不溶于水的多孔性載體中化學(xué)結(jié)合法利用共價(jià)鍵、離子鍵將酶分子或細(xì)胞相互結(jié)合，或?qū)⑵浣Y(jié)合到載體上物理吸附法通過物理吸附作用，把酶固定在醋酸纖維素、瓊脂糖、多孔玻璃和離子交換樹脂等載體上┃┃典例評(píng)析__■典例1試分析圖示中，哪一種與海藻酸鈉作載體制備的固定化酵母細(xì)胞相像(D)[解析]A、B選項(xiàng)適合于酶的固定化，C既用于酶固定，也可用于細(xì)胞固定，制備固定化酵母細(xì)胞用的是包埋法，即將酵母菌包埋在海藻酸鈉制成的凝膠珠中，所以與D相像。┃┃變式訓(xùn)練__■1．關(guān)于固定化酶技術(shù)說法正確的是(D)A．固定化酶技術(shù)就是固定反應(yīng)物，將酶依附于載體，圍繞反應(yīng)物旋轉(zhuǎn)的技術(shù)B．固定化酶的優(yōu)勢(shì)在于能催化一系列的酶促反應(yīng)C．固定化酶中的酶無法重復(fù)利用D．固定化酶是將酶固定在肯定空間的技術(shù)[解析]固定化酶是利用物理或化學(xué)方法將酶固定在肯定空間內(nèi)的技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是酶被固定在肯定裝置內(nèi)可重復(fù)利用，不足是無法同時(shí)解決一系列酶促反應(yīng)。在固定過程中，固定的是酶而不是反應(yīng)物，因此A、B、C均錯(cuò)誤。學(xué)問點(diǎn)固定化酵母細(xì)胞的制備與應(yīng)用┃┃要點(diǎn)歸納__■1．制備固定化酵母細(xì)胞的試驗(yàn)流程酵母細(xì)胞的活化eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al(使處于休眠狀態(tài)的酵母細(xì)胞重新復(fù)原正常的生活,

狀態(tài)：稱取1g干酵母，放入50mL的小燒杯中，,

加入蒸餾水10mL，用玻璃棒攪拌，使酵母細(xì)胞,

混合勻稱，成糊狀，放置1h左右，使其活化)))配制0.05mol/LCaCl2溶液eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al(稱取0.83g無水CaCl2,溶于150mL蒸餾水中)))配制海藻酸鈉溶液eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al(稱取0.7g海藻酸鈉，放入50mL小燒杯中，加入,

10mL水，用酒精燈小火或間斷加熱，邊加熱邊,

攪拌，至完全溶解，定容至10mL)))海藻酸鈉溶液與酵母細(xì)胞混合eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al(混合之前要冷卻至室溫，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁?

混合勻稱后，再轉(zhuǎn)移至注射器中)))固定化酵母細(xì)胞eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al(將混合液滴在CaCl2中，形成凝膠珠，,

并在CaCl2溶液中浸泡30min)))2．用固定化酵母細(xì)胞發(fā)酵(1)沖洗：將固定好的酵母細(xì)胞凝膠珠用蒸餾水沖洗2～3次，剛形成的凝膠珠應(yīng)在CaCl2溶液中浸泡30min左右，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。(2)發(fā)酵：150mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%葡萄糖溶液＋固定化酵母細(xì)胞→200mL錐形瓶→密封→25℃學(xué)問貼士試驗(yàn)勝利的關(guān)鍵及留意事項(xiàng)1．酵母菌活化，就是指處于休眠狀態(tài)的酵母菌重新復(fù)原正常的生活狀態(tài)的過程。因?yàn)樵谌彼疇顟B(tài)下酵母菌處于休眠狀態(tài)，而固定酵母菌，使其發(fā)揮作用時(shí)，必需活化，并在活化酵母菌時(shí)，酵母菌體積會(huì)變大，應(yīng)選擇足夠大的容器。2．加熱海藻酸鈉加速溶解的過程中，需運(yùn)用小火，或者間斷加熱，防止加熱過快，使海藻酸鈉焦糊，難以制成合適的凝膠珠。3．剛形成的凝膠珠應(yīng)在CaCl2溶液中浸泡一段時(shí)間，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。4．制備過程要求嚴(yán)格的無菌操作，防止微生物污染。3．結(jié)果分析與評(píng)價(jià)(1)假如制作的凝膠珠顏色過淺，呈白色，說明海藻酸鈉的濃度偏低，固定的酵母細(xì)胞數(shù)目較少；假如形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，則說明海藻酸鈉的濃度偏高，制作失敗，須要再次嘗試。(2)酵母菌發(fā)酵的反應(yīng)式為C6H12O6eq\o(→,\s\up7(酶))2C2H5OH＋2CO2＋能量。假如試驗(yàn)勝利，應(yīng)當(dāng)有CO2氣體產(chǎn)生，并具有酒味；而不含酵母菌的凝膠珠所做的比照試驗(yàn)，則無此現(xiàn)象。┃┃典例評(píng)析__■典例2下列關(guān)于固定化酵母細(xì)胞的制備步驟中不恰當(dāng)?shù)氖?C)A．應(yīng)使干酵母與水混合并攪拌，以利于酵母細(xì)胞活化B．配制海藻酸鈉溶液時(shí)要用小火，或者間斷加熱的方法C．向剛?cè)芑玫暮Ｔ逅徕c溶液中加入已活化的酵母細(xì)胞，充分?jǐn)嚢璨⒒旌蟿蚍QD．將與酵母細(xì)胞混勻的海藻酸鈉溶液注入CaCl2溶液中，會(huì)視察到CaCl2溶液中，有球形或橢球形的凝膠珠形成[解析]在制備固定化酵母細(xì)胞的過程中，剛?cè)芑玫暮Ｔ逅徕c溶液溫度較高，需等其冷卻后才能加入已活化的酵母細(xì)胞，否則細(xì)胞會(huì)在高溫下死亡。答案為C。┃┃變式訓(xùn)練__■2．有關(guān)制備固定化酵母細(xì)胞的敘述錯(cuò)誤的是(A)A．溶解海藻酸鈉，最好采納大火持續(xù)加熱的方法B．溶化好的海藻酸鈉溶液必需冷卻至室溫才能加入酵母細(xì)胞C．假如海藻酸鈉濃度過低，形成的凝膠珠所包埋的酵母細(xì)胞數(shù)目少D．制備凝膠珠時(shí)要緩慢地將注射器中的溶液滴加到CaCl2溶液中[解析]在制備固定化酵母細(xì)胞的過程中，溶解海藻酸鈉時(shí)，采納小火或間斷加熱，避開海藻酸鈉焦糊，影響試驗(yàn)效果，A錯(cuò)誤；溶化好的海藻酸鈉溶液必需冷卻至室溫才能加入酵母細(xì)胞，避開溫度過高殺死酵母細(xì)胞，B正確；制成的凝膠珠，假如海藻酸鈉濃度過低，則形成的凝膠珠所包埋的酵母細(xì)胞數(shù)目少，C正確；制備凝膠珠時(shí)要緩慢地將注射器中的溶液滴加到CaCl2溶液中，D正確。指引迷津·撥云見日干脆運(yùn)用酶、固定化酶、固定化細(xì)胞的比較干脆運(yùn)用酶固定化酶固定化細(xì)胞酶的種數(shù)一種或幾種一種一系列酶常用載體高嶺土、皂土、硅膠、凝膠明膠、瓊脂糖、海藻酸鈉、醋酸纖維素、聚丙烯酰胺制作方法化學(xué)結(jié)合法固定化、物理吸附法固定化包埋法固定化是否須要養(yǎng)分物質(zhì)否否是催化反應(yīng)單一或多種單一一系列反應(yīng)底物各種物質(zhì)(大分子、小分子)各種物質(zhì)(大分子、小分子)小分子物質(zhì)缺點(diǎn)①對(duì)環(huán)境條件特別敏感，易失活②難回收，成本高，影響產(chǎn)品產(chǎn)量不利于催化一系列的酶促反應(yīng)反應(yīng)物不易與酶接近，尤其是大分子物質(zhì)，反應(yīng)效率下降優(yōu)點(diǎn)催化效率高、耗能低、低污染①既能與反應(yīng)物接觸，又能與產(chǎn)物分別②可以反復(fù)利用成本低、操作簡(jiǎn)潔典例3下列敘述不正確的是(C)A．從操作角度來考慮，固定化細(xì)胞比固定化酶更簡(jiǎn)潔B．固定化細(xì)胞比固定化酶對(duì)酶活性的影響更小C．固定化細(xì)胞固定的是一種酶D．若要將微生物的發(fā)酵過程變成連續(xù)的酶促反應(yīng)，應(yīng)選擇固定化細(xì)胞技術(shù)[解析]固定化細(xì)胞固定的是一系列酶，能催化一系列的酶促反應(yīng)，C錯(cuò)誤。核心素養(yǎng)·技能培優(yōu)案例下列關(guān)于酶和固定化酵母細(xì)胞的探討與應(yīng)用的敘述，錯(cuò)誤的是(C)A．從酶的固定方式看，吸附法比化學(xué)結(jié)合法對(duì)酶活性影響小B．作為消化酶運(yùn)用時(shí)，蛋白酶制劑以口服方式給藥C．尿糖試紙含有固定化的葡萄糖酶和過氧化氫酶，可以反復(fù)運(yùn)用D．將海藻酸鈉凝膠珠用無菌水沖洗，目的是洗去CaCl2和雜菌[思維過程]A項(xiàng)：酶的固定方式；B項(xiàng)：蛋白酶制劑的特點(diǎn)；C項(xiàng)：尿糖試紙的原理；D項(xiàng)；制備固定化酵母細(xì)胞的過程。[解析]酶的固定方式有包埋法、化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法，物理吸附法的過程是利用吸附劑本身的表面張力，對(duì)旁邊的分子產(chǎn)生吸附，吸附劑不會(huì)與被吸附物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使其發(fā)生性質(zhì)變更，所以物理吸附法對(duì)酶活性影響很小，A項(xiàng)正確；消化酶在人體消化道內(nèi)發(fā)揮作用，作為消化酶運(yùn)用的蛋白酶制劑一般在最外面加上糖衣后通過口服方式給藥，B項(xiàng)正確；尿糖試紙是一種酶試紙，是將葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶和某種無色化合物固定在紙條上，制成測(cè)試尿糖含量的酶試紙，這種酶試紙與尿液相遇時(shí)，很快會(huì)因?yàn)槟蛞褐衅咸烟呛康亩嗌俣尸F(xiàn)肯定的顏色，再次運(yùn)用時(shí)顏色會(huì)有掩蓋作用，所以不能反復(fù)運(yùn)用，C項(xiàng)錯(cuò)誤；制備固定化酵母細(xì)胞時(shí)，將海藻酸鈉凝膠珠用無菌水沖洗的目的是洗去CaCl2和雜菌，防止凝膠珠硬度過大和雜菌污染，D項(xiàng)正確。[方法技巧]制備固定化酵母細(xì)胞的三點(diǎn)提示(1)選用的干酵母要具有較強(qiáng)的活性，而且不能含有其他雜菌。(2)溶化好的海藻酸鈉溶液必需冷卻至室溫，否則會(huì)因溫度過高殺死酵母菌。(3)海藻酸鈉的濃度涉及固定化細(xì)胞的質(zhì)量。問題釋疑·探究升華[練習(xí)]1．如下表所示。類型優(yōu)點(diǎn)不足干脆運(yùn)用酶催化效率高、低耗能、低污染等對(duì)環(huán)境條件特別敏感，簡(jiǎn)潔失活；溶液中的酶很難回收，不能被再次利用，提高了生產(chǎn)成本；反應(yīng)后酶會(huì)混在產(chǎn)物中，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量固定化酶酶既能與反應(yīng)物接觸，又能與產(chǎn)物分別，同時(shí)，固定在載體上的酶還可以被反復(fù)利用一種酶只能催化一種化學(xué)反應(yīng)，而在生產(chǎn)實(shí)踐中，很多產(chǎn)物都是通過一系列的酶促反應(yīng)才能得到的固定化細(xì)胞成本低，操作簡(jiǎn)潔固定后的細(xì)胞與反應(yīng)物不簡(jiǎn)潔接近，可能導(dǎo)致反應(yīng)速率下降等2．提示：可上網(wǎng)查閱資料。3．提示：可以從酶的結(jié)構(gòu)的多樣性、對(duì)理化條件的敏感程度等角度思索。學(xué)問構(gòu)建·條分縷析eq\a\vs0\al\co1(酵,母,細(xì),胞,的,固,定,化)eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(固定化酶→固定化酶技術(shù)\b\