专题4酶的研究与应用.ppt

专题4 酶的研究与应用,商南县鹿城中学 朱建国,生物技术实践,酶是生物催化剂，具有高效、专一和所需反应条件温和的优点。目前，酶已广泛应用于食品、医疗、环保和化工等各个行业，取得了良好的经济效益。本专题是在必修课的基础上，通过实验研究影响酶活性的因素以及酶在日常生活和工业生产上的应用。,尝试利用酶活力测定的一般原理和方法,课题1探讨酶在食品制造和洗涤等方面的应用 课题1、课题2尝试制备和应用固相化酶 课题3通过本专题的学习，学生应该掌握测定酶活力的简单方法；能够研究影响酶活性的因素；理解固定化酶和固定化细胞的原理和方法；探讨酶在生产生活中的应用。,本专题的技术操作难度不高，涉及的主要技术归纳如下。 1.制备果泥的技术。 2.海藻酸钠溶液的制备。 3.固定化酵母细胞的制备。,设备条件 完成本专题需要配置果汁搅拌器、水浴锅、注射器等。,课题1 果胶酶在果汁生产中的作用,一、课题目标 简述果胶酶的作用；检测果胶酶的活性；探究温度和pH对果胶酶活性的影响以及果胶酶的最适用量；搜集有关果胶酶应用的资料。,二、课题重点与难点 课题重点：温度和pH对果胶酶活性的影响。 课题难点：果胶酶的最适用量。,知识要点： 1.果胶酶的作用； 2.酶的活性的定义； 3.影响酶活性的因素； 4.果胶酶的用量。,在实际的操作过程中，还需要注意下列事项。 1与其他工业用酶基本相同，果胶酶的适宜温度范围也比较宽泛，因此，可以选用10 作为温度梯度，设置的具体温度为10 、20 、30 、40 、50 和60 等，也可以尝试以5 作为温度梯度。 2苹果、橙子和葡萄等水果都可以作为反应物，水果不用去皮。如用苹果为原材料，一般可按每个中等大小的苹果加水100200 mL的比例进行搅拌，获得稀的苹果泥。 3果泥的用量可以采用5 mL左右，果胶酶的用量可采用质量浓度为2%的果胶酶溶液2 mL。 4水浴时间可以为2030 min。 5过滤果汁时，漏斗中应放置滤纸。,6探究pH对果胶酶活性的影响，只须将温度梯度改成pH梯度，并选定一个适宜的温度进行水浴加热。反应液中的pH可以通过体积分数为0.1%的氢氧化钠或盐酸溶液进行调节。 探究果胶酶的用量是建立在探究最适温度和pH对果胶酶活性影响的基础之上的。此时，研究的变量是果胶酶的用量，其他因素都应保持不变。实验时可以配制不同浓度的果胶酶溶液，也可以只配制一种浓度的果胶酶溶液，然后使用不同的体积即可。需要注意的是，反应液的pH必须相同，否则将影响实验结果的准确性。,课题成果评价 本课题评价的重点应放在对学生探究报告的评价上。报告的主要内容应该包括：根据实验数据绘制出的温度和pH对果胶酶活性影响的曲线图；不同果胶酶用量对出汁量影响的曲线图（在浓度和体积相同的条件下）；并最终得到果胶酶最适温度、pH以及果胶酶的最适用量。,答案和提示,1为什么在混合苹果泥和果胶酶之前，要将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理？ 提示：将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理，可以保证底物和酶在混合时的温度是相同的，避免了果泥和果胶酶混合时影响混合物的温度，从而影响果胶酶活性的问题。 2在探究温度或pH的影响时，是否需要设置对照？如果需要，又应该如何设置？为什么？ 提示：需要设置对照实验，不同的温度梯度之间或不同的pH梯度之间就可以作为对照，这种对照称为相互对照。,3A同学将哪个因素作为变量，控制哪些因素不变？为什么要作这样的处理？B同学呢？ 提示：A同学将温度或pH作为变量，控制不变的量有苹果泥的用量、果胶酶的用量、反应的时间和过滤的时间等。只有在实验中保证一个自变量，实验结果才能说明问题。B同学对于变量的处理应该与A同学相同，只是观察因变量的角度不同。 4想一想，为什么能够通过测定滤出的苹果汁的体积大小来判断果胶酶活性的高低？ 提示：果胶酶将果胶分解为小分子物质，小分子物质可以通过滤纸，因此苹果汁的体积大小反应了果胶酶的催化分解果胶的能力。在不同的温度和pH下，果胶酶的活性越大，苹果汁的体积就越大。 5当探究温度对果胶酶活性的影响时，哪个因素是变量，哪些因素应该保持不变？ 提示：温度是变量，应控制果泥量、果胶酶的浓度和用量、水浴时间和混合物的pH等所有其他条件不变。只有这样才能保证只有温度一个变量对果胶酶的活性产生影响。,练习 大规模生产与实验室制备的主要不同点是： 1.有两次瞬间高温灭菌； 2.酶处理的时间相对较长； 3.有离心分离步骤和浓缩步骤。,课题2 探讨加酶洗衣粉的洗涤效果,一、课题目标 说出加酶洗衣粉的洗涤原理； 探讨温度对加酶洗衣粉洗涤的影响； 探讨不同种类的加酶洗衣粉对同一污物和不同污物洗涤效果的区别。,课题重点与难点 课题重点：区别不同种类的加酶洗衣粉对同一 污物和不同污物的洗涤效果。 课题难点：实验过程中各种变量的控制。,课题背景分析,本课题探究的是加酶洗衣粉与普通洗衣粉洗涤效果的区别，以及不同的加酶洗衣粉对不同污渍洗涤效果的区别。本课题与学生的生活比较接近，因此，具有较强的现实意义，同时，因为探究的结果可用于指导日常生活中衣物的洗涤，所以很容易激发学生的学习兴趣。教师在引导学生开展本课题的研究时，不要只注重基本原理，而忽视了本课题在现实生活中的作用。,知识要点： 1.蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和 纤维素酶的作用； 2.影响酶活性的因素。,子课题一 探究不同温度对加酶洗衣粉洗涤效果的影响 1.变量的分析和控制 阅读课本资料一、资料二，结合已有的生活经验可以知道，影响加酶洗衣粉洗涤效果的因素有水温、水量、水质、洗衣粉的用量，衣物的质料、大小及浸泡时间和洗涤的时间等。在这些因素中，水温是我们要研究的对象，而其他因素应在实验中保持不变。 选择什么样的水温进行实验最符合实际情况呢？这就需要实验者根据当地一年中的实际气温变化来确定水温，这既是确定实验变量的基本原则，也可以引导学生将课堂学习与现实生活相联系。通常情况下，冬季、春季、秋季和夏季可分别选取5 、15 、25 和35 的水温，因为这4个水温是比较符合实际情况的，对现实也有指导意义。教师可以引导学生通过实验分析：“在自然条件下，什么季节适合使用加酶洗衣粉”，“在什么样的水温下不适合使用加酶洗衣粉”，等等。,第二个问题是洗涤方式和材料的选择。在洗涤方式中有机洗和手洗两种方式，应考虑其中哪一种比较科学？哪一种更有利于控制变量？再有，洗衣机又可以分为半自动和全自动两种，相比之下，采用全自动洗衣机比较好，并且应该尽量使用同一型号小容量的洗衣机，其机械搅拌作用相同。关于洗涤材料的选择也有一些讲究。用衣物作实验材料并不理想，这是因为作为实验材料的衣物，其大小、颜色、洁净程度等应该完全一致，而这并不容易做到；此外，人为地在衣物上增加污物，如血渍、油渍等，也令人难以接受。因此，选用布料作为实验材料比较可行。在作对照实验时，可以控制布料的大小、颜色以及污物的量，使其相同；同时，也便于洗涤效果的比较。,第三个问题是水量、水质和洗衣粉用量的问题。水的用量和布料的大小是成正比的。做实验用的布料不易过大，水量不易过多，但应该让布料充分浸泡在水中。水量和洗衣粉的用量可以参考表4-1。实验时可根据表中的数据换算出实际用量。如果在实验中使用手洗的方法，如课本中图4-4所示，使用1 000 mL的烧杯作为容器，可以用500 mL的水，洗衣粉的用量可以用1 g或1.5 g。,水量和洗衣粉用量的参考表,洗涤方式 机洗 手洗 水量 0.5 L 0.5 L 洗衣粉量 0.5 g 1 g或1.5 g,实验方案的设计 教师应该要求学生写出完整的实验方案，方案中应包括实验材料、方法步骤等各个方面。下面的实验方案供参考： 实验材料：添加了复合酶的洗衣粉，大小相同的白棉布4块（在上面分别滴加4滴同种的植物油，放置至干燥）。 水温、水质及水量：水温的温度梯度为5 、15 、25 和35 （其中5 可以通过冰箱冷藏室来控制，其他温度可以通过水浴控制）；水质为自来水；水量为500 mL。 实验仪器：1 000 mL的烧杯、玻璃棒等。,子课题二不同种类的洗衣粉对同一污渍或不同污渍洗涤效果的比较,比较子课题一与子课题二：在子课题一中，水温是变量，其他因素在实验中保持不变；而在子课题二中，水温则应保持不变。在实施子课题二时，通常应采用当地的常温，如果是冬季水温过低，就应采用水浴的方法，使温度达到25 35 。 市场中的洗衣粉有多种类型，应选择不同种类的加酶洗衣粉和普通洗衣粉。污物的选择也应该多样化，只有这样才具有实践指导意义。表4-2的选择供参考，表中的“”号表示可以进行实验。此外，学生也可以针对污渍相同、布料（如化纤或棉布）的不同情况，探究不同种类洗衣粉的洗涤效果。,不同种类的洗衣粉对同一污渍或不同污渍洗涤效果的列表比较,污染物 蛋白酶洗衣粉 复合酶洗衣粉 普通洗衣粉 油渍 血渍 奶渍 果汁渍 ,课题成果评价,本课题的评价可以分为三个方面：一是设计的实验方案是否思路清晰、科学性和操作性强；二是实验报告是否全面，是否涵盖了本课题所要求达到的目标；三是能否根据自己的探究成果，结合生活中的实际情况，设计一份宣传板报或有关加酶洗衣粉的使用说明材料，供家人或本校的教职员工参考。学生完成课题后，应该得出以下三方面的结论。 1加酶洗衣粉与普通洗衣粉洗涤效果的比较分析。 2各种不同品牌的加酶洗衣粉对油渍、血渍和奶渍等污物的不同的洗涤效果分析。 3使用加酶洗衣粉时应注意的一些事项。,答案和提示 1查阅资料，看看普通洗衣粉中包含哪些化学成分？ 提示：普通洗衣粉中通常包含有：表面活性剂、水软化剂、碱剂、漂白剂等成分，有的洗衣粉中还含有增白剂、香精和色素，以及填充剂等 2在本课题中你打算使用什么方法和标准判断洗涤效果？ 提示：可在洗涤后比较污物的残留状况，如已消失、颜色变浅、面积缩小等，最好能进行定量的比较。,练习 1.答：列表比较如下。 普通洗衣粉 加酶洗衣粉 相同点 表面活性剂可以产生泡沫，可以将油脂分子分散开；水软化剂可以分散污垢；等等。 不同点 酶可以将大分子有机物分解为小分子有机物，小分子有机物易于溶于水，从而与纤维分开。,2.答：不合适。因为丝绸的主要成分是蛋白质，它会被加酶洗衣粉中的蛋白酶分解，损坏衣物。,参考资料 1家用洗衣粉的成分及作用 表面活性剂 表面活性剂是洗衣粉的主要成分。表面活性剂有阴离子、阳离子、非离子和两性离子等四大类，但用于洗涤的表面活性剂则以阴离子和非离子为主。最普通、最传统的阴离子表面活性剂就是人类使用了几百年的肥皂（高级脂肪酸钠）。合成洗涤工业问世之后，使用最普遍的是十二烷基苯磺酸钠，非离子表面活性剂应用最广泛的是聚氧乙烯醚类。 水软化剂 水软化剂可防止水中的钙、镁离子造成的阴离子表面活性剂失活，提高表面活性剂利用率。三聚磷酸钠是最为常用的一种水软化剂，它具有软化水质、分散污垢、缓冲碱剂及抗结块性能等特点，三聚磷酸钠广泛应用于各种洗衣粉中，无磷洗衣粉中不含有三聚磷酸钠。 碱剂 在适当的碱度下，纤维和污垢可被最大限度地离子化，更易于污垢的水解和分散。一般洗衣粉配方中都含有纯碱和硅酸钠，其中硅酸钠还具有使污垢颗粒悬浮、防止再沉积的作用。,漂白剂 某些洗衣粉中含有过硼酸钠一类的漂白剂，可以延缓衣物的泛黄程度，但对衣物有一定的损伤。 酶 洗衣粉中一般添加了蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶等。酶是一种专一性的生物催化剂，蛋白酶可以催化水解肉、蛋和奶渍，淀粉酶可以催化水解酱、粥等污渍，脂肪酶可以催化水解各类动植物油脂和人体皮脂腺分泌物及化妆品污垢，纤维素酶可使织物增艳（新）、去除颗粒性污垢，但过量使用，也能损伤棉、麻等天然纤维织物。 增白剂 丝、棉、毛类等天然纤维的浅色衣物容易变黄，加入增白剂后，它能够留存在衣物上，吸收阳光中的紫外线，反射出与黄光互补的蓝色光线，从而掩盖了衣物上的黄色。 香精和色素 改善洗衣粉的气味和外观，给人清新愉悦的感受，并掩盖某些化学成分的异味。,2加酶洗衣粉 加酶洗衣粉就是在合成洗衣粉中，加入0.20.5的酶制剂制成的。在洗衣粉中添加的酶的种类很多，如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶等。我国在洗衣粉中添加的酶最主要的是碱性蛋白酶。这种酶能耐碱性条件，而且耐贮存，对皮肤、衣物没有刺激和损伤作用。碱性蛋白酶能使蛋白质水解成可溶于水的多肽和氨基酸。衣物上附着的血渍、汗渍、奶渍、酱油渍等污物，都会在碱性蛋白酶的作用下，结构松弛、膨胀解体，稍加搓洗，污迹就会从衣物上脱落。 使用加酶洗衣粉时必须注意以下几点：（1）碱性蛋白酶能使蛋白质水解，因此，蛋白质类纤维（羊毛、蚕丝等）织物就不能用加酶洗衣粉来洗涤，以免使纤维受到破坏；（2）使用加酶洗衣粉时，必须注意洗涤用水的温度。碱性蛋白酶在35 50 时活性最强，在低温下或70 以上就会失效；（3）加酶洗衣粉也不宜长期存放，存放时间过长会导致酶活力损失；（4）加酶洗衣粉不宜与三聚磷酸盐共存，否则酶的活性将会丧失；（5）添加了碱性蛋白酶的洗衣粉可以分解人体皮肤表面蛋白质，而使人患过敏性皮炎、湿疹等，因此，应避免与这类洗衣粉长时间地接触。,课题3 酵母细胞的固定化,一、课题目标 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。,二、课题重点与难点 1课题重点：制备固定化酵母细胞。 2课题难点：制备固定化酵母细胞。,三、课题背景分析 课题背景简单介绍了从酶到固定化酶、再到固定化细胞的发展过程。这一过程体现了科学技术的发展是不断地提出问题和解决问题的动态过程。教师在教学中，可以参考课题背景提供的素材，联系生产实践和学生已有的认识，引导学生认同上述观点，并进而认识到：科学知识既来源于科学实验，也来源于生产生活实践，知识的学习应该与生产实践相联系；人们在生产实践中所发现的问题能够促进科学技术的发展。,（一）固定化酶的应用实例 知识要点： 1.利用固定化酶技术生产高果糖浆的实例； 2.固定化酶的反应柱示意图； 3.固定化酶在生产实践中的优点。 课程标准中要求学生尝试制备和应用固定化酶，但考虑到制作固定化酶的技术要求比较高，中学生难以掌握，因此只要求学生制作技术难度较低的固定化酵母细胞，对于固定化酶的作用、原理及其在生产中的应用，主要是让学生通过生产实例来了解。教师在教学时可以采用让学生阅读自学的方式，并在阅读之前，布置一些思考题让学生思考。例如，在葡萄糖的异构反应中，如果不将葡萄糖异构酶固定化，而是直接使用葡萄糖异构酶，会对生产过程产生哪些影响？,二）固定化细胞技术 知识要点：1.将酶或细胞固定化的方法； 2.固定化酶和固定化细胞的联系与区别； 3.固定化酶和固定化细胞常用的载体材料。 固定化酶和固定化细胞通常采用包埋法、化学结合法和物理吸附法。教师在教学过程中，可以通过提问的方式，引导学生认识这三种方法的特点与适用范围。此外，教师还可以引导学生思考课本中提出的问题，引导学生理解固定化细胞和固定化酶这两种技术的区别与联系，辩证地认识这两种技术的优势与不足。例如，固定化细胞操作容易、对酶活性的影响更小、可以催化一系列的反应、容易回收等，但由于大分子物质难以自由通过细胞膜，因此固定化细胞的应用也受到限制。,在具体的操作过程中，还应该注意下列问题。 （一）酵母细胞的活化。在缺水的状态下，微生物会处于休眠状态。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。酵母细胞所需要的活化时间较短，一般需要0.51 h，教师需要提前做好准备。此外，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，以避免酵母细胞的活化液溢出容器外。,（二）加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环，涉及到实验的成败，教师一定要提醒学生按照教材的提示进行操作。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。 （三）刚形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡一段时间，以便形成稳定的结构。检验凝胶珠的质量是否合格，可以使用下列方法。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，就表明凝胶珠的制作成功。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。,课题成果评价 （一）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，则说明海藻酸钠的浓度偏高，制作失败，需要再作尝试。 （二）观察发酵的葡萄糖溶液 利用固定的酵母细胞发酵产生酒精，可以看到产生了很多气泡，同时会闻到酒味。 不仅要对学生制作的固定化酵母细胞进行评价，还要对学生的操作过程进行评价。此外，对酵母细胞固定化原理和实验操作方法的理解，也应是评价的有机组成部分。,练习 1.答：直接使用酶、固定化酶和固定化细胞催化的优缺点如下表所示。 类型 优点 不足 直接使用酶 催化效率高，低耗能、低污染等。 对环境条件非常敏感，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；反应后酶会混在产物中，可能影响产品质量。 固定化酶 酶既能与反应物接触，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。 一种酶只能催化一种化学反应，而在生产实践中，很多产物的形成都通过一系列的酶促反应才能得到的。 固定化细胞 成本低，操作更容易。 固定后的酶或细胞与反应物不容易接近，可能导致反应效果下降等。 3.提示：可以从酶的结构的多样性，对理化条件的敏感程度等角度思,谢谢合作,