2019_2020学年高中生物专题4课题3酵母细胞的固定化教学案含解析新人教版选修.pdf
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1、 酵母细胞的固定化 酵母细胞的固定化 一、固定化酶的应用实例高果糖浆的生产 1反应原理:葡萄糖葡萄糖异构酶,果糖。 2生产过程 二、固定化酶和固定化细胞技术 1概念: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。 2固定方法连线 1.固定化酶常采用化学结合法和物理吸附法,而固定化细胞则常采用包埋法。 2固定化酶和固定化细胞技术既实现了对酶的重复利用,降低了成本,又可 使酶与产物分离,提高了产品质量。 3 固定化细胞发挥作用除了需要适宜的温度、 pH 外, 还需要有机营养的供应。 4配制海藻酸钠溶液时应小火加热或间断加热,溶化好的海藻酸钠溶液要冷 却至室温,才能加入已活化的酵母细胞。 5配
2、制的海藻酸钠溶液若浓度过高,则难以形成凝胶珠;若浓度过低,则固 定的酵母细胞少,影响实验效果。 3常用载体:包埋法固定化细胞常用的是不溶于水的多孔性载体,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,还可以被反复利用。 (2)固定化细胞制备成本更低,操作更容易。 三、固定化酵母细胞的实验操作 1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。 2配制海藻酸钠溶液时,要使用小火或者间断加热,反复几次,直到海藻酸钠溶化为止。 3溶化好的海藻酸钠溶液要先冷却至室温,再加入已活化的酵母细胞。 4在 CaCl2溶液中形成的凝胶珠需在
3、 CaCl2溶液中浸泡 30_min 左右。 1制备固定化酵母细胞,常用的载体和固定方法依次是( ) A海藻酸钠、化学结合法 B氯化钙、物理吸附法 C海藻酸钠、包埋法 D氯化钙、化学结合法 解析:选 C 酵母细胞体积大,难以用化学结合法和物理吸附法,宜采用包埋法固定。固 定化细胞应当选用不溶于水的多孔性载体材料,常用的是海藻酸钠。 2海藻酸钠在水中溶解的速度较慢,需要通过加热促进其溶解,采用的最好的加热方法 是( ) A快速加热 B持续高温加热 C小火或间断加热 D灼烧加热 解析:选 C 溶解海藻酸钠时需加热,旨在加速其溶解,但是务必要避免温度过高,使其 焦糊,应用小火或间断加热。 3下面制备
4、固定化酵母细胞的正确步骤是( ) 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 酵母细胞 的活化 固定化酵母细胞 A B C D 解析:选 D 制备固定化酵母细胞的正确步骤为酵母细胞的活化配制 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。 4 目前, 酶已经大规模地应用于各个领域, 下列属于酶应用中面临的实际问题的是( ) A酶对有机溶剂不敏感,但对高温、强酸、强碱非常敏感 B加酶洗衣粉因为额外添加了酶制剂,比普通洗衣粉更易污染环境 C固定化酶可以反复利用,但在固定时可能会造成酶的损伤而影响活性 D酶的催化功能很强,但需给予适当的营养物质才能
5、较长时间维持其作用 解析:选 C 酶对有机溶剂也非常敏感;普通洗衣粉中含有 P,更容易污染环境;酶发挥 催化作用时不需要提供营养物质。 5酶制剂、固定化酶、固定化细胞已经广泛应用于各个领域,下列叙述正确的是( ) A用于治疗消化不良症的肠溶多酶片含有多种消化酶,但嚼服后会失去疗效 B固定化酵母细胞的常用方法是吸附法,这种方法对酵母细胞活性影响最小 C固定化酶的应用中,要控制好 pH、温度、溶解氧和营养条件 D固定化细胞用于生产胞外酶和分泌到胞外的产物 解析:选 A 消化酶的本质是蛋白质,能被消化道中的水解酶水解;固定化酶和固定化细 胞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,包括包
6、埋法、化学结合法和 物理吸附法;固定化酶的应用中,不需要营养条件且与溶解氧无关,但要控制好 pH、温度; 固定化细胞在多步酶促反应中发挥连续催化作用,无分泌到胞外的产物。 Error!核心要点一固定化酶和固定化细胞技术 1固定化酶或固定化细胞的方法 名称原理图示 包埋法 将酶或微生物细胞均匀地包埋在不溶于 水的多孔性载体中, 分为凝胶包埋法和微 囊化法 化学结 合法 利用共价键、 离子键将酶分子或细胞相互 结合, 或将其结合到载体上, 分为交联法、 共价结合法、离子结合法 物理吸 附法 通过物理吸附作用, 把酶或细胞固定在醋 酸纤维素、琼脂糖、多孔玻璃或聚丙烯酰 胺等载体上 2.直接使用酶、固
7、定化酶和固定化细胞的比较 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 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 优点 催化效率高,低耗能、 低污染等 既能与反应物接触, 又能与产物分离, 提高了产品质量; 可重复使用,降低 了成本 成本更低, 操作更容 易 缺点 对环境条件非常敏感, 易失活;酶难回收,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, 可能导致反应效 率
8、下降 实例果胶酶固定化葡萄糖异构酶固定化酵母细胞 题组冲关 1下列说法错误的是( ) 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固定化酶更适合用化学结合法和物理吸附法制备 C由于细胞个体大,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 解析:选 C 在酶和细胞的固定化技术中,通常有包埋法、化学结合法和物理吸附法。由 于酶分子小, 又多带电荷, 易从多孔性物质中漏出, 因此多使用化学结合法与物理吸附法制备, 而细胞个体大,难以被多孔性物质吸附或结合,因而多采用包埋法制备。 2.如图为固定化酶的反应柱示意图,请据图回答问题: (1)请在横线
9、上填出各标号的名称。 _, _, _。 (2)固定化酶的优点在于(多选)( ) A能被重复利用 B降低生产成本,操作容易 C有利于提高酶活性 D有利于产物的纯化 (3)的作用是_。 (4)制作固定化葡萄糖异构酶所用的方法有_或_。 (5)研究认为,用固定化酶技术处理污染物是很有前途的,如将从大肠杆菌中得到的三磷 酸酯酶固定到尼龙膜上制成酶制剂,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 B酸碱度 C水分 D营养 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,反应成本低,操作更容易。使用固定化酶技术往往
10、利用一个反应柱,下端 有一个分布着小孔的筛板,酶颗粒无法通过筛板,而反应液却可以自由流出。制作固定化葡 萄糖异构酶的方法有化学结合法和物理吸附法。酶和微生物细胞相比较,二者的正常活动都 需要一定的条件,如温度、酸碱度、水分等,但是酶本身是一种大分子物质,不需要营养, 而细胞的生活离不开营养物质。 答案:(1)反应柱 固定化酶 多孔筛板 (2)ABD (3)使酶颗粒无法通过,反应溶液却可以自由流出 (4)化学结合法 物理吸附法 (5)D Error!核心要点二固定化酵母细胞的实验操作 1实验操作流程 2注意事项 (1)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
11、的活化液溢出。 (2)CaCl2要称量准确,不能用自来水配制溶液;CaCl2溶液的作用是使海藻酸钠胶体发生 聚沉,形成凝胶珠,因此需将凝胶珠在 CaCl2溶液中浸泡 30 min 左右,以便形成稳定的结构。 (3)海藻酸钠溶液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。 (4)溶解海藻酸钠时,要用小火或间断加热,并不断搅拌,防止海藻酸钠发生焦糊。 (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)用海藻酸钠制成不含酵母菌的凝胶珠,作为对照。 (7)在工业生产中,需反复
12、使用固定化细胞,因此必须保证在固定化细胞的制备、应用及 提取再利用过程中,严格按照无菌操作要求,避免其他微生物污染。 3结果分析与评价 (1)观察凝胶珠的颜色和形状:如果制作的凝胶珠颜色过浅,呈白色,说明海藻酸钠溶液 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 酸钠溶液的浓度偏高,制作失败,需要再做尝试。 (2)酵母菌发酵的反应式为 C6H12O62C2H5OH2CO2能量。如果实验成功,应该有气 酶 泡产生,并具有酒味;而不含酵母菌的凝胶珠所做的对照实验,则无此现象。 题组冲关 3下列对配制海藻酸钠溶液的叙述,错误的是( ) A加热制备海藻酸钠溶液是操作
13、中最重要的一环 B海藻酸钠的浓度涉及固定化细胞的质量 C海藻酸钠的浓度过高,易形成凝胶珠 D海藻酸钠的浓度过低,形成的凝胶珠内包埋细胞过少 解析:选 C 海藻酸钠的浓度过高,凝胶珠不易形成;海藻酸钠的浓度过低,形成的凝胶 珠内包埋的细胞过少。加热制备海藻酸钠溶液是操作中最重要的一环,因为海藻酸钠的浓度 影响固定化细胞的质量。 4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或间断加热,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
14、影响发酵效果 解析:选 D 凝胶珠在 CaCl2溶液中需浸泡 30 min 左右,时间过长或过短都会影响酶的活 性,从而影响发酵效果。 5某实验小组的同学制备固定化酵母细胞的过程如下: 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; 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; 配制海藻酸钠溶液:将定量的海藻酸钠直接溶解在定量的蒸馏水中,配制成溶液; 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; 固定化酵母细胞:用注射器以恒定的速度缓慢地将海藻酸钠和酵母细胞混合液滴加到
15、 配制好的 CaCl2溶液中,观察凝胶珠形成。 (1)请你改正其中两处错误的操作: 第一处_; 第二处_。 (2)刚 形 成 的 凝 胶 珠 要 在 CaCl2溶 液 中 浸 泡 30 min 左 右 , 目 的 是 _。 (3)如果制作的凝胶珠颜色过浅, 呈白色, 则说明海藻酸钠浓度_(填 “过低” 或 “过 高”)。 解析 : (1)海藻酸钠的溶化应用小火或间断加热至完全溶化。溶化冷却后再加入酵母细胞, 否则会杀死酵母细胞。(2)刚形成的凝胶珠要在 CaCl2溶液中浸泡 30 min 左右,目的是让凝胶 珠形成稳定的结构。(3)凝胶珠颜色过浅,呈白色,说明海藻酸钠浓度过低。 答案:(1)海
16、藻酸钠溶解应用小火或间断加热 海藻酸钠溶液冷却后再加入酵母细胞 (2)让凝胶珠形成稳定的结构 (3)过低 随堂基础巩固 1下列关于酶和细胞固定化的叙述,错误的是( ) A酶分子很小,易采用包埋法固定 B酶分子很小,易采用化学结合法或物理吸附法固定 C细胞个大,难被吸附或结合 D细胞易采用包埋法固定 解析:选 A 酶分子很小,易采用化学结合法或物理吸附法固定;细胞个大,难被吸附或 结合,易采用包埋法固定。 2下列关于固定化酶和一般酶制剂应用效果的说法,错误的是( ) A固定化酶生物活性强,可长久使用 B一般酶制剂应用后和产物混合在一起,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
17、酶可以反复利用,降低生产成本,提高产品质量 解析:选 A 固定化酶是因为可回收重新利用而可以较长时间使用的,并不是因为生物活 性强而可长久使用。单纯从生物活性方面分析,固定化酶与一般酶制剂的活性差别不大。 3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,防止异物的进入 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 解析:选 C 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
18、筛板,酶颗粒 无法通过筛板上的小孔,而反应液却可以自由出入。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,与固定化酶接触,转化成果糖,从反应柱下端流出, 反应柱能连续使用半年,大大降低了生产成本。 4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,将酶依附于载体上,围绕反应物旋转的技术 B固定化酶技术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;不足之处是无法同时催化一系列
19、酶促反应。在固定化过程 中,固定的是酶而不是反应物。 5下列关于固定化细胞的说法,错误的是( ) A固定化细胞技术是利用物理或化学方法将细胞固定在一定空间内的技术 B固定化酶技术是固定化细胞技术的基础 C一般来说,细胞常采用化学结合法固定化 D包埋法常用的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等 解析:选 C 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,所以酶更适合采用化学结合法和物理吸附法固定化,而细胞多采用包埋法 固定化。 6某校学生尝试用琼脂作载体,用包埋法固定 淀粉酶来探究固定化酶的催化效果。 实验结果如下表所示(假设加入试管中的固
20、定化淀粉酶量与普通 淀粉酶量相同)。 实验表明 1 号试管中淀粉未被水解,你认为最可能的原因是( ) 比较项目1 号试管2 号试管 固定化淀粉酶 普通 淀粉酶 淀粉溶液 60 保温 5 分钟,取出冷却至室温,滴加碘液 现象变蓝不变蓝 A实验中的温度过高,导致固定化淀粉酶失去活性 B淀粉是大分子物质,难以通过琼脂与淀粉酶接触 C水浴保温时间过短,固定化淀粉酶未将淀粉水解 D实验程序出现错误,试管中应先加入碘液后保温 解析:选 B 1 号试管中加入的是固定化淀粉酶,由于淀粉分子太大,难以通过琼脂扩散 与淀粉酶接触,因而导致反应无法进行,所以加碘液后变蓝。 7小球藻可用于污水净化,其繁殖能力(生长量
21、)在一定程度上可以反映藻细胞消耗 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。 相关叙述错误的是( ) 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 海藻酸钠固定化一般是包埋法;CaCl2浸泡凝胶珠使其形成稳定结构;由图 可知,随着时间的增加,固定化小球藻生长量更大,说明生长速率快;固定化小球藻有利于 重复使用且可避免水体二次污染。 8在 20 世纪 50 年代,酶已经大规模地应用于各个
22、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,固定化细胞技术固定的是_。 (2)制 备 固 定 化 酵 母 细 胞 , 常 用 的 包 埋 材 料 是 _, 应 使 用 下 图 中 方 法 _(填 序 号 及 名 称 ), 而 制 备 固 定 化 酶 则 不 宜 用 此 方 法 , 原 因 是 _。 (3)制作固定化酵母细胞时,混合均匀的酵母细胞溶液可在饱和_溶液中形成凝胶 珠。观察形成的凝胶珠的颜色和形状,如果颜色过浅,说明海藻酸钠溶液浓度_,形 成的凝胶珠所包埋的酵母细胞数目_。如果形成的凝胶珠不是圆形或椭
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