高中生物选修一2017-3酵母细胞的固定化(30ppt)

第12课时
1．制备固定化酵母细胞 (1)酵母细胞的活化：活化就是让由于缺水而处于 休眠 状态下的微生物重新恢复正常的生活状态。酵母菌活化需 要 1 h 左右，酵母细胞活化后体积
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变大 。
(2)配制物质的量浓度为 0.05 mol/L 的 CaCl2 溶液。 (3)配制海藻酸钠溶液：将 0.7 g 海藻酸钠放入 50 mL 小烧 杯中， 加入 10 mL 水， 用 酒精灯小火 加热(或者 间断 加 热)，边加热边搅拌，反复几次，直至 馏水定容至 10 mL。
固定化酶 固定 对象 酶
.
固定化细胞 细胞
.
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适宜固
定法
化学 结合法、 物理
吸附法
包埋法
.
体积小，固定 一种
酶。 体积大，固定 一系列 和物理吸附法
特点
使用包埋法容易从包埋材料 酶。难用化学结合法
中漏出
(3)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。 它们都是 不溶于水 的多孔性物质。
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固定化酶的制作目的是降低生产成本。一是能够顺
利地从发酵产物中把酶分离出来，二是使酶反复利用。从 题目中看出，选项 B 是正确的。酶的固定化对酶的活性、 酶作用的发挥、反应速度的提高，并没有多大作用。
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2．下列说法中，哪项不是在应用酶的过程中常遇见的问题 ( D ) A．酶与反应物混合，产品难以提纯 B．酶在生物化学反应中往往难以回收 C．酶遇强酸、强碱、高温等条件易失活 D．酶作为催化剂，绝大多数是蛋白质
答案 防止加热太快导致海藻酸钠发生焦糊。 (3)为什么要海藻酸钠溶液冷却后才能加入酵母细胞？ 答案 防止高温杀死酵母细胞。
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(4) 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？
答案 酵母菌的酒精发酵需要无氧条件；无氧条件下，酵
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母菌进行无氧呼吸产生酒精和二氧化碳。 (5)在利用固定化酶或固定化细胞进行生产的过程中，需要 无菌操作吗？
( A )
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酒精，而有氧时不产生酒精。
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化学结合
反复利用 活化 CaCl2 海藻酸钠
物理吸附
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固定化
发酵
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1．固定化酶的优点是 A.有利于提高酶活性 C.有利于提高反应速度
解析
( B ) B.有利于产物的纯化 D.有利于酶发挥作用
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解析
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由于缺水时微生物处于休眠状态， 为了加速酵母细胞
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的活化，将干酵母与蒸馏水混合后用玻璃棒充分搅拌，而不 应用自来水，因为自来水可能会有杂菌；为避免海藻酸钠发 生焦糊，溶化时要小火或间断加热；如果将刚溶化好的海藻 酸钠与已活化的酵母细胞混合，有可能会杀死酵母细胞；将 与酵母细胞混匀的海藻酸钠的混合液用注射器缓慢滴加到 CaCl2 溶液中，而不是注入。
稳定的结构
。
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2．用固定化酵母细胞发酵 (1)将固定好的 酵母细胞 (凝胶珠)用蒸馏水冲洗 2～3 次。 (2)将 150 mL 质量分数为 10%的葡萄糖溶液 转移到 200 mL 的锥形瓶中，再加入固定好的酵母细胞，置于 25 ℃下发 酵 24 h，可以看到产生了 大量气泡 ,同时会闻到 酒香 。
否
包埋法 固定化 是
是否需要 营养物质
否
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反应 各种物质 各种物质 底物 (大分子、小分子) (大分子、小分子)
催化 反应
小分子物质
单一或多种
单一
一系列
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①对环境条件非 反应物不易与固 常敏感,易失活 不利于催化一系 定后的细胞接触, 缺点 ②难回收,成本高, 列的酶促反应 尤其是大分子物 影响产品质量 质,反应效率下降 ①既能与反应 催化效率高、低 物接触,又能 优点 耗能、低污染 与产物分离; ②可以反复利用
成本低、操作 容易,能产生一 系列酶
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【活学活用】 1．关于固定化酶技术的说法，正确的是 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
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( D )
A．固定化酶技术就是固定反应物，并将酶依附着载体围
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D．固定化酶是将酶固定在一定空间内的技术 解析 固定化酶是利用物理或化学方法将酶固定在一定空
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[学习目标定位]
酵母细胞的固定化
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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。
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1．加酶洗衣粉是指含有 酶制剂 的洗衣粉,目前常用的酶制剂 有四类: 蛋白酶 、 脂肪酶 、 淀粉酶 、 纤维素酶 。其中 应用最广泛、 效果最明显的是 碱性蛋白酶 和 碱性脂肪酶 。 2．酶制剂具有催化效率 高 ，低耗能、低污染等优点，可以 大规模地应用于 食品 、化工等各个领域。 3．酶大多数是 蛋白质 ，对环境条件敏感，易 失活 ；溶液 中的酶 很难回收 ，不能再次利用，提高了生产成本；反 应后的酶会混合在产物中，如不除去会 影响产品质量 。 4．酵母菌是一种 真核 生物,代谢类型是 异养兼性厌氧型 , 即在有氧条件下进行 有氧 呼吸,在无氧条件下进行 无氧 呼吸，产生 酒精 和二氧化碳。
解析
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( D )
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由于细胞体积大，难以被吸附或结合，常用包埋法
固定化。
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探究点二
制备固定化酵母细胞并发酵
利用酵母菌发酵可以生产酒精， 利用固定化细胞技术可以提高 发酵效率。实验中可以用海藻酸钠来包埋酵母细胞。
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答案
B
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4．用固定化酵母细胞发酵葡萄糖溶液时发现无酒精产生，其 原因不可能是 A．试验瓶盖了塞子 B．瓶内氧气充足，进行了有氧呼吸 C．固定化的凝胶珠内可能没有酵母细胞 D．所谓的葡萄糖溶液可能是其他物质
解析 固定化酵母细胞无氧状态下发酵葡萄糖溶液，产生
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2．检测凝胶珠是否制作合格的方法 (1)机械法：用镊子夹取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；也可以在实验桌上用力摔打凝胶珠，如果凝 胶珠很容易弹起，也表明制备的凝胶珠是成功的。 (2)目测法：合格的凝胶珠应是淡黄色、圆形或椭圆形的。 如果颜色过浅呈白色，说明海藻酸钠溶液的浓度过低，固 定的酵母细胞数目较少；如果形成的凝胶珠形状不规则， 则说明海藻酸钠的浓度偏高。
间内的技术，其优点是酶被固定在一定装置内可以重复利 用，缺点是无法同时催化一系列酶促反应；在固定过程中， 固定的是酶而不是反应物，因此 A、B、C 均错误。
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2．固定化细胞常用包埋法固定化，原因是 A．包埋法固定化操作最简便 B．包埋法对酶活性的影响最小 C．包埋法固定化具有普遍性 D．细胞体积大，难以被吸附或结合
解析 某种固定化酶只能催化一种生化反应，其优势是酶
可以反复使用；固定化细胞技术一次能固定多种酶；固定 化酶和固定化细胞都能反复使用，但酶的活性下降。
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【情景导入】 氨苄青霉素是日常应用的一种抗生素， 这种药物生产过程中的一个关键环节 是大肠杆菌细胞(作为药物生产的“工 厂”)中的青霉素酰化酶的活性受环境
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影响很大，容易失去活性；酶溶解在溶剂中很难回收，增加 了成本；而且反应后的酶溶解在产物中会影响产品质量等。 怎么办呢？人们设想： 如果将含有青霉素酰化酶的大肠杆菌 细胞固定起来，就能通过控制其与反应物的接触，来大规模 地生产半合成青霉素。
答案
如果希望反复使用固定化酵母细胞，需要避免其他
微生物的污染，因此需要无菌操作。
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【归纳提炼】 1．酵母细胞的固定化的实验需要注意的事项
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(1)选用的干酵母要具有较强的活性，而且物种单一。 (2)酵母细胞活化时体积会变大，因此活化前应选择体积足 够大的容器，防止酵母细胞的活化液溢出。 (3)溶解 CaCl2 时勿用自来水， 以免杂质离子影响实验结果。 (4)固定化酵母细胞时，应将海藻酸钠与酵母细胞的混合液 用注射器缓慢滴加到 CaCl2 溶液中，而不是注射，以免影 响凝胶珠的形成。 (5)可利用海藻酸钠制成不含酵母菌的凝胶珠作为对照。
完全溶化 ，用蒸
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(4)海藻酸钠溶液与酵母细胞混合：将溶化好的海藻酸钠溶 液
冷却至室温
，加入已经活化的酵母细胞，进行充分 中。 地将注射器
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搅拌，使其混合均匀，再转移至 注射器 (5)固定化酵母细胞：以恒定的速度
缓慢
中的溶液滴加到配制好的 CaCl2 溶液中,观察液滴在 CaCl2 溶液中形成凝胶珠的情形。 刚形成的凝胶珠应在 CaCl2 溶液 中浸泡一段时间(约 30 min),以便形成
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3．讨论
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(1)为什么海藻酸钠溶液的浓度要控制好,不能过高或者过低?
答案
海藻酸钠的浓度涉及到固定化细胞的质量。如果海
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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。
(2)加热溶化海藻酸钠时微火加热并不断搅拌的目的是什么?
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2．固定化细胞技术 (1)常用的几种固定方式
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①是 包埋 法,是将酶或者细胞包埋在 ②是
细微的网格 相互连接
里; 或
化学结合
法，是将酶或者细胞 上；
者结合到 载体 ③是 物理吸附
法,是将酶或者细胞 吸附 到载体表面。
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(2)固定化酶和固定化细胞的比较
导入 那么， 想了解细胞是怎样被固定的吗？固定化技术又 是如何发挥作用的呢？
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探究点一 固定化酶和固定化细胞技术 由于酶的分离与提纯有许多技术性难题，造成酶制剂来源有 限、成本高、不利于大规模使用。利用固定化酶和固定化细 胞技术可以解决这些难题。 1．固定化酶技术
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【归纳提炼】 直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较
直接使用酶
酶的种数 一种或几种
固定化酶
一种
固定化细胞
一系列酶
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常用载体
－
明胶、琼脂糖、 高岭土、皂土、 海藻酸钠、醋 硅胶、凝胶 酸纤维素、聚 丙烯酰胺
制作方法
－
化学结合法固 定化、物理吸 附法固定化
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(1)如图是利用固定化酶技术生产高果糖浆的装置:图中①是
反应柱 ，②是 固定化酶 ,其中的酶是
能将葡萄糖转化为 果糖 (2)甲是 葡萄糖 ，乙是 不允许 酶颗粒 通过，而 反应液
葡萄糖异构
酶, ，
，③是 分布着小孔的筛板 可以自由流出。 。
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果糖
(3)使用固定化酶生产高果糖浆的优点：与一般酶制剂相 比，固定化酶既能与 反应物 接触，又能与 产物 分离， 同时还可以被 反复 利用。 小贴士 高果糖浆是指果糖含量为 42%左右的糖浆。作为蔗 糖的替代品，高果糖浆不会像蔗糖那样诱发肥胖、糖尿病、 龋齿和心血管病，对人类的健康更有益。
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3．下列对固定化酶和固定化细胞的说法，正确的是 A．固定化酶的优势在于能催化一系列生化反应 B．固定化细胞技术一次只能固定一种酶
( C )
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C．固定化酶和固定化细胞的共同点是所固定的酶都可以 反复使用 D．固定化酶和固定化细胞都能反复使用，但酶的活性几 乎不变
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【活学活用】 3． 下列有关固定化酵母细胞制备步骤的叙述， 恰当的是( A．应使干酵母与自来水混合并搅拌，以利于酵母菌活化 B．配制海藻酸钠溶液时要用小火或间断加热的方法 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 )