2019-2020学年高中生物 专题4 酶的研究与应用 课题3 酵母细胞的固定化课件 新人教版选修1

2．判一判 (1)固定化细胞相当于固定了一系列酶( √ ) (2)生产高果糖浆时所固定的葡萄糖异构酶可以无休止重复使用下去( × ) (3)配制海藻酸钠溶液时，加热要间断加热或用小火加热( √ ) (4)用固定化细胞进行酒精发酵时，不受温度的影响( × ) (5)固定化酶反应柱可重复使用，极大地降低了生产成本( √ )
探究主体 2 制备固定化酵母细胞并发酵 [问题情境] 下面是制备固定化酵母细胞的实验步骤，请回答下列问题：
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 (1)什么叫作酵母细胞的活化？ 提示：酵母细胞在缺水的状态下休眠。活化是加入水使酵母细胞恢复到生活状态。 (2)固定酵母细胞的过程中三次使用到蒸馏水，请说出是哪三个环节？ 提示：酵母细胞的活化、配制CaCl2溶液以及配制海藻酸钠溶液定容时需要使用蒸馏 水。
接触。
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．常用方法
序号 固定方法 固定对象
图例
① 包埋 法 固定化 细胞
② 化学结合 法 固定化 酶 ③ 物理吸附 法 固定化 酶
3.优点 (1)固定化酶既能与反应物 接触，又能与 产物 分离，可反复使用。 (2)固定化细胞制备成本 低 ，操作 容易 。
[方法技巧] 选择固定化酶与固定化细胞的方法
(1)根据固定方法选择 ①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法进行 固定，它催化的是单一的化学反应。 ②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 ①在固定化酶应用过程中，反应溶液中只需要加入酶的底物。 ②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要的营养物质等。 (3)根据反应的特点选择 ①固定化酶可以催化的反应物是小分子或大分子。 ②固定化细胞则只能催化小分子反应物。
提示：(1)反应柱 固定化酶 分布着小孔的筛板 (2)使酶颗粒无法通过，而反应溶液却可以自由出入 (3)化学结合法 物理吸附法 (4)包埋 明胶 琼脂糖 海藻酸钠 醋酸纤维素 聚丙烯酰胺
直接使用酶、固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
酶的种类
一种或几种
一种
制作方法
化学结合法物理吸附法
一、固定化酶的应用实例——生产高果糖浆
1．生产高果糖浆的原理 葡萄糖异构酶
葡萄糖 ―――――――→ 果糖。
2．传统生产方法的优缺点 (1)优点： 稳定性 好，能持续发挥作用。 (2)缺点 ①酶通常对强酸、强碱、高温和有机溶剂等条件非常 敏感 ，容易 失活 。 ②溶液中的酶很难回收，不能 被再次利用 ，提高了生产成本。 ③反应后会混在 产物 中，可能影响产品质量。
探究主体 1 固定化酶和固定化细胞技术 [问题情境] 如图为利用固定化酶生产高果糖浆的反应柱示意图，请据图回答：
(1)请在横线上填出各标号的名称。 ①________；②________；③________。 (2)③的作用是_____________________________________________________。 (3)制作固定化葡萄糖异构酶所用的方式有________和________。 (4) 一 般 常 采 用 ________ 法 固 定 细 胞 。 常 用 的 载 体 有 ________ 、 ________ 、 ________、________和________等。
课题3 酵母细胞的固定化
学习目标
1.说出固定化酶和固定化细胞的 作用和原理。 2.列举固定化技术的常用方法。 3.简述固定化细胞的制备过程。 4.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。(重点、难点)
知识体系
01 探新知 自主梳理 02 破重难 讲练互动 03 固双基 当堂达标 04 课后 巩固提升
1．制备固定化酵母细胞
步骤
操作
注意事项
酵母细胞的活化
选用较大的烧杯，避免
配制 CaCl2 溶液 向小烧杯中加入 1 g 干酵母、10 mL 蒸馏水 活化液溢出容器
称取 0.83 g 无水 CaCl2，放入 200 mL 烧杯中，
配制海藻酸钠溶 加入 150 mL 蒸馏水
液
称取 0.7 g 海藻酸钠，加入 10 mL 水，溶化 小火或间断加热，防止
[夯实生命观念] 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。 3．若配制的海藻酸钠溶液浓度过高，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。 4．配制海藻酸钠溶液应小火加热或间断加热。 5．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，又提高了 产品质量。
三、实验操作
1．制备固定化酵母细胞 (1)固定方法： 包埋法 。 (2)常用载体：一些不溶于水的 多孔性 载体，如 海藻酸钠 、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。
明胶 、琼脂糖、
(3)实验操作
酵母细胞的 活化 ↓
配制 CaCl2 溶液 ↓
配制母细胞 混合 ↓
固定化酵母细胞
2．用固定化酵母细胞发酵 将固定好的酵母细胞(凝胶珠)用 蒸馏水
冲洗 2～3 次
↓
将 150 mL 质量分数为 10%的 葡萄糖 溶液转移到锥形瓶中
↓
加入固定好的酵母细胞(凝胶珠)
↓
置于 25 ℃下发酵 24 h
↓ 发现有 气泡 产生，同时有酒味散发
[预习小测] 1．想一想 固定化酶为什么不适合采用包埋法？ 提示：因为酶分子较小。
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，将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：固定化酶技术是利用物理或化学方法将酶固定在一定空间内的技术， 而不是固定反应物，A错误，D正确；固定化酶技术一般固定的是一种酶，只 能催化一种或一类化学反应，但固定的酶可以重复利用，B、C错误。 答案：D
后，用蒸馏水定容至 10 mL
海藻酸钠焦糊
海藻酸钠溶液与 溶化好的海藻酸钠冷却至室温后，加入已活 溶化好的海藻酸钠若未
酵母细胞混合 化的酵母细胞，并搅拌，移至注射器中
冷却，会杀死酵母细胞
固定化酵母细胞
将注射器中的混合液缓慢地滴加到 CaCl2 溶 液中
缓慢匀速地推进注射器
2.凝胶珠质量的鉴别 (1)挤压法：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，表明凝胶珠制作成功。 (2)摔打法：在实验桌上用力摔打凝胶珠，如果凝胶珠很容易弹起，表明制备 的凝胶珠是成功的。 (3)根据凝胶珠的颜色鉴别 ①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。 ②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。
1．下列关于固定化酵母细胞的制备步骤的说法中，不恰当的是( ) A．应使干酵母与水混合并搅拌，以利于酵母细胞活化 B．配制海藻酸钠溶液时要用小火间断加热的方法 C．向刚溶化好的海藻酸钠溶液中加入已活化的酵母细胞，充分搅拌并混合均匀 D．将与酵母细胞混匀的海藻酸钠溶液注入CaCl2溶液中，会观察到CaCl2溶液中 有球形或椭球形的凝胶珠形成 解析：在制备固定化酵母细胞的过程中，刚溶化好的海藻酸钠溶液温度较高，需 等其冷却至室温后才能加入已活化的酵母细胞，否则细胞会在高温下死亡。 答案：C
[注重语言表达] 1．固定化酶适于采用化学结合和物理吸附法，固定化细胞适于采用包埋法， 原因是什么？ 提示：细胞个大，而酶分子很小；个大的细胞难于被吸附或结合，而个小的 酶容易从包埋材料中漏出。 2．发酵过程中锥形瓶为什么要密封？锥形瓶中的气泡和酒精是怎样形成的？ 提示：酵母菌的酒精发酵需要无氧条件；无氧条件下，酵母菌进行无氧呼吸 产生二氧化碳和酒精。
(3)海藻酸钠溶化过程中的注意事项是什么？ 提示：要用小火或间断加热，避免海藻酸钠发生焦糊。 (4)制备好的固定化酵母细胞可以用于酒精发酵，如果酵母细胞没有活化或溶 化好的海藻酸钠溶液没有冷却就加入了酵母细胞，则对酒精发酵会产生怎样 的影响？ 提示：如果酵母细胞没有活化，则仍处于休眠状态；如果溶化好的海藻酸钠 溶液没有冷却就加入了酵母细胞，则酵母细胞会被高温杀死。以上两种情况 都会导致酒精发酵失败，而最终无酒精产生。
是否需要营养物质
否
否
催化反应
单一或多种
单一
反应底物
各种物质(大分子、 各种物质(大分子、小
小分子)
分子)
固定化细胞 一系列酶 包埋法 是 一系列
小分子
比较项目
直接使用酶
固定化酶
固定化细胞
优点
催化效率高、低耗能、 被固定的酶可 成本低，操作更容易，可
低污染等
重复使用 以催化一系列化学反应
缺点
①酶不能回收利用，增 加了生产成本 ②酶混在产物中影响产 品质量
2．下列有关用海藻酸钠作为载体固定酵母细胞实验的叙述，错误的是( ) A．溶化海藻酸钠应采用酒精灯小火或间断加热 B．海藻酸钠的浓度过低，形成的凝胶珠内包埋的细胞过少 C．在酵母细胞的活化或配制CaCl2溶液时，可使用自来水 D．利用固定化酵母细胞进行发酵，糖类的作用不只是作为反应底物
解析：溶化海藻酸钠时，将其调成糊状，用酒精灯小火或间断加热，促进溶 化，若加热太快，海藻酸钠会发生焦糊，A正确；如果海藻酸钠浓度过低， 形成的凝胶珠颜色过浅，所包埋的酵母细胞数目较少，B正确；在酵母细胞 的活化或配制CaCl2溶液时，为避免杂菌污染，应使用蒸馏水，C错误；利用 固定化酵母细胞进行发酵，糖类的作用不只是反应底物，同时也为酵母细胞 提供碳源和能量，D正确。 答案：C
2．固定化单宁酶应用于茶饮料加工，可消除其中的苦涩味。下列有关叙述正 确的是( ) A．溶解氧交换受阻是固定化单宁酶应用的重要限制因素 B．化学结合法比吸附法对单宁酶活性影响更小 C．温度、pH和重金属离子都可能影响固定化单宁酶活性 D．酶的高效性决定固定化单宁酶不会降解茶饮料中的有益成分
解析：固定化酶发挥作用时不需要溶解氧和营养等条件。A项错误；吸附法 固定单宁酶不会影响其活性，而化学结合法会影响酶的结构，肯定会影响其 活性，B项错误；温度、pH过高或过低都会影响酶的活性，重金属离子会破 坏蛋白质分子的空间结构从而影响单宁酶的活性，C项正确；酶的高效性指 的是酶能显著降低化学反应所需的活化能，加快反应速率，与单宁酶是否会 降解茶饮料中的有益成分无关，D项错误。 答案：C
一种酶只能催 化一种化学反
应
固定后的细胞与反应物不 容易接近，尤其是大分子 物质，可能导致反应效率 下降等
[易错警示] 有关固定化细胞与固定化酶的两点提醒
(1)固定化细胞使用的都是活细胞，应该为其提供一定的营养物质，而固定化 酶不需要。 (2)由于固定化细胞固定的是完整的细胞，因而酶的环境较稳定，所以对酶的 活性影响较小，更能抵抗外界环境的变化。
3．用固定化酵母细胞发酵 (1)冲洗：将固定好的酵母细胞(凝胶珠)用蒸馏水冲洗2～3次。 (2)发酵：150 mL质量分数为10%的葡萄糖溶液→200 mL锥形瓶→加入固定 化酵母细胞→25 ℃发酵24 h。
[易错警示] 制备固定化酵母细胞的三点提醒
(1)选用的干酵母要具有较强的活性，而且不能含有其他杂菌。 (2)溶化好的海藻酸钠溶液必须冷却至室温，否则会因温度过高杀死酵母菌。 (3)海藻酸钠的浓度涉及固定化细胞的质量：如果海藻酸钠浓度过高，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。
3．使用固定化酶的生产原理 (1)制备固定化酶：将葡萄糖异构酶固定在颗粒状的 载体 上。 (2)制备固定化酶反应柱：将这些酶颗粒装入 反应柱 中，柱子底端装上分布 着许多小孔的筛板。 (3)酶与反应液分离的原理：酶颗粒 无法通过筛板上的小孔，而 反应溶液 可 以自由出入。
4．生产操作 (1)将葡萄糖溶液从反应柱的 上端 注入。 (2)使葡萄糖溶液流过反应柱，与 固定化葡萄糖异构酶 (3)转化成的果糖从反应柱的 下端 流出。