2017-2018学年人教版高中生物选修一专题4 酶的研究与应用 课题3 酵母细胞的固定化 Word版含答案

课题3酵母细胞的固定化

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．方法

(1)包埋法：多适于细胞的固定化； (2) }化学结合法

物理吸附法多适于酶的固定化。 3．载体

包埋法固定化细胞常用的是不溶于水的多孔性载体材料，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，可以反复利用。

(2)固定化细胞技术制备的成本低，操作容易。

5．实例——高果糖浆的生产

(1)原理：葡萄糖―――――→葡萄糖异构酶果糖。

(2)生产过程：

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接触。

③转化成的果糖，从反应柱的下端流出。 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．制备固定化酵母细胞的基本步骤是：酵母细胞

的活化―→配制CaCl 2溶液―→配制海藻酸钠溶

液―→海藻酸钠与酵母细胞混合―→固定化酵

母细胞。

3．配制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。

(3)反应柱：酶固定在一种颗粒状的载体上，再将其装入反应柱内，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，而反应溶液却可以自由通过。

(4)优点：反应柱能连续使用半年，大大降低了生产成本，提高了果糖的产量和质量。

1．酶能加快化学反应速率，但溶液中的酶难以回收，不能利用。要想既降低生产成本，又不影响产品质量，该如何解决这一问题？

提示：将酶固定于不溶于水的载体上，使酶既能与反应物接触，又能与反应物分离，还可重复利用。

2．固定化酶和固定化细胞一般采用什么方法？为什么？

提示：固定化酶常用化学结合法或物理吸附法。因酶分子小，易从包埋材料中漏出，故一般不用包埋法进行固定。固定化细胞常用包埋法，因个大的细胞难以被吸附或结合。

3．从操作角度来考虑，你认为固定化酶技术与固定化细胞技术哪一种方法更容易？哪一种方法对酶活性的影响更小？

提示：固定化细胞技术。固定化细胞技术。

4．固定化细胞固定的是一种酶还是一系列酶？如果想将微生物的发酵过程变成连续的酶反应，应该选择哪种方法？

提示：一系列酶；固定化细胞技术。

5．如果反应物是大分子物质，又应该采用哪种方法？为什么？

提示：固定化酶技术。因为大分子物质不容易进入细胞内，如果采用固定化细胞技术会使反应效率下降。

[跟随名师·解疑难]

直接使用酶、固定化酶和固定化细胞的比较

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

常用载体无高岭土、皂土、硅胶、

凝胶

明胶、琼脂糖、海藻

酸钠、醋酸纤维素、

聚丙烯酰胺

制作方法无化学结合固定化、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

被固定的酶可重复使

用

成本低，操作更容易缺点

①对环境条件非常敏感，易

失活；②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

近，尤其是大分子物

质，反应效率下降[特别提醒]

(1)固定化细胞使用的都是活细胞，在反应时需要适宜的生存条件。

(2)由于被固定的细胞保证了完整性，酶的环境改变较小，所以对酶活性影响不大。

酵母细胞固定化的实验操作

[自读教材·夯基础]

1．制备固定化酵母细胞

2．用固定化酵母细胞发酵

(1)操作步骤：将用蒸馏水冲洗过的固定好的酵母细胞(凝胶珠)――→

加入到

用于发酵的葡萄糖溶液中。

(2)现象

⎩⎪

⎨

⎪⎧有气泡产生

有酒精味散发

1．在配制海藻酸钠溶液时，用小火加热并不断搅拌的目的是什么？

提示：防止海藻酸钠焦糊。

2．为什么海藻酸钠溶液要冷却后才能加入酵母细胞？

提示：防止温度过高杀死酵母菌。

3．将凝胶珠在CaCl2溶液中浸泡30 min的作用是什么？

提示：使胶体聚沉，以便形成稳定的结构。

[跟随名师·解疑难]

1．制备固定化酵母细胞的注意事项

(1)在缺水状态下，微生物处于休眠状态。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。酵母细胞需要的活化时间较短，一般为0.5～1 h，但实验时需要提前做好准备。

(2)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。

(3)加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环，关系到实验的成败，一定要按照教材的提示进行操作。加热时要用小火，或者间断加热，反复几次，直到海藻酸钠溶化为止。

(4)海藻酸钠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。

(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)可利用海藻酸钠制成不含酵母菌的凝胶珠，用作对照。

(7)刚形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡30 min左右，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。

2．实验结果分析与评价

(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；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，需要再做尝试。

(2)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，而不含酵母菌的凝胶珠所做的对照实验则无此现象。

固定化酶和固定化细胞

[例1]

A．固定化细胞技术在多步连续催化反应方面优势明显

B．在固定化酶的应用中，要控制好pH、温度和溶解氧

C．利用固定化酶降解水体中有机磷农药，需提供适宜的营养条件

D．利用固定化酵母细胞进行发酵，糖类的作用只是作为反应底物

[解析]固定化酶不像普通酶那样对环境要求那么高，耐受性也比较好，和溶解氧没什么关系；利用固定化酶降解水体中有机磷农药，不需要提供营养条件；利用固定化酵母细胞进行发酵，糖类不仅是反应底物，同时也作为碳源来提供能量和营养。

[答案] A

归纳拓展