高中生物选修一学案11：4.3 酵母细胞的固定化

酵母细胞的固定化
[知识点提炼]
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。

[学习过程]
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]
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CaCl2溶液中浸泡30min左右。

[核心要点]
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
分为交联法、
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C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋能量。

如果实验成功，应该有气泡产生，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。

[自我检测]
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
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．固定化酶可以反复利用，降低生产成本，提高产品质量
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
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
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
6．某校学生尝试用琼脂作载体，用包埋法固定α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定化淀粉酶量与普通α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()
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
7．小球藻可用于污水净化，其繁殖能力(生长量)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
8．在20世纪50年代，酶已经大规模地应用于各个生产领域，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圆形，说明
________________________________。

——★参考答案★——自我检测
1．[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．[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．[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．[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酶促反应。

在固定化过程中，固定的是酶而不是反应物。

5．[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．[解析]选B1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．[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．[解析](1)将酶固定化后，能使酶在催化反应之后并不进入产物溶液，可反复使用；将细胞固定化后，可以将一种细胞内的多种酶同时进行固定。

(2)海藻酸钠不能参与化学反应，在高温时容易溶化，温度降低时又可以形成多孔性固体颗粒，是包埋酵母菌的好材料。

图示①为化学结合法，②为物理吸附法，③为包埋法。

固定化酶适宜用化学结合法、物理吸附法；固定化酵母细胞适宜用包埋法。

(3)凝胶珠是用溶化后冷却的海藻酸钠与酵母菌混合后在CaCl2溶液中形成的。

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，形成的凝胶珠所包埋的酵母菌细胞的数目较少，影响实验效果；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，说明海藻酸钠溶液的浓度偏高，制作失败，需要再尝试。

[答案](1)酶既能与反应物接触，又容易与产物分离，固定在载体上的酶能反复使用多酶系统(或一系列酶、多种酶)
(2)海藻酸钠[③]包埋法酶分子很小，容易从包埋材料中漏出(3)CaCl2偏低较少
海藻酸钠溶液浓度偏高，制作失败。