生物（人教版）选修2导学案：第3章生物科学与工业 第2节酶在工业生产中的应用
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| 名称 | 生物（人教版）选修2导学案：第3章生物科学与工业 第2节酶在工业生产中的应用 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 368.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2015-08-29 13:57:42 | ||
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文档简介
课堂探究
核心解读
1.直接使用酶、固定化酶和固定化细胞催化优缺点的比较
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；溶液中酶很难回收，不能被再次利用，反应后酶会混合在产物中，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，很多产物的形成都是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
2.酶催化反应的优缺点
酶催化反应的优点主要表现在以下几个方面。
（1）酶催化的反应类型十分广泛。六大酶类催化的反应基本上涵盖了各种化学反应类型，因此，酶具有极其广泛的应用范围。
（2）酶催化的反应具有极高的选择性，包括对底物的种类，底物中的区域、位点和立体的选择性，因此，一种酶只能够催化一种底物或一类底物的一种反应，酶反应可以在一个十分复杂的系统内进行特定的反应，而且几乎没有副反应，反应的转化率和产率高。这在临床检验、化学分析和特定产品的生产上要比化学方法具有更大的优势。
（3）酶催化的反应速度高。酶催化的反应速度大约比化学催化剂催化的反应速度高1010倍，因此，酶催化的反应时间短，设备利用率高，生产效率高。
（4）酶催化的反应条件温和，一般是在常温 ( http: / / www.21cnjy.com )、常压、近乎中性pH条件下反应，因此，能耗低，设备要求低，使用时间长，反应成本和操作成本低。即使近期开发出来的极端酶类，如高温酶和嗜酸碱酶等，催化反应的条件也远比化学催化剂催化的反应条件低得多：最高温度在100 ℃左右，最适pH为2～11，不必在强酸、强碱条件下进行。
酶催化反应的缺点主要有以下几个方面。
（1）大多数酶是蛋白质，在不适宜的条件下容易发生变性、失活，因此，在使用和保存酶时要十分小心，要尽可能保持适宜的条件。为了维持酶的稳定和催化效率，在酶催化反应和保存时要使用缓冲液系统；一般的酶不能够耐受高温，可以在低温下保存，但是也有的酶在低温下也会失活，甚至于更不稳定。有些酶对金属离子十分敏感，为保持这些酶的稳定性和催化反应的活性，还需要一些特定的金属离子；大多数酶对有机溶剂比较敏感，在这些有机溶剂中易失活。因此，必须根据具体的酶的性质采取相应的措施。
由于酶对温度、pH和有机溶剂敏感，稳定性差，使之在某些应用上受到限制。
（2）绝大多数酶溶于水，催化反应结束后，多 ( http: / / www.21cnjy.com )数酶还有活性，因而直接从反应液中将酶与产物分离回收十分困难。为了不让酶污染产物，往往通过加热或其他方法使酶变性失活，从反应系统中除去。这样，花了很大力气生产的酶只使用了一次，就不得不使其变性失活，这是很大的浪费。当然，现在发展的酶的固定化技术，可以提高酶的稳定性，还可以解决酶催化反应后，从反应体系中分离重复使用的问题。
（3）有些酶，如氧化还原酶、转移酶、某些裂 ( http: / / www.21cnjy.com )解酶，在催化相应反应时，需要特殊的辅助因子，如NAD+、NADH、NADP+、NADPH、FAD、FMA、ATP，以及金属离子等。因此，在酶催化反应时，需在反应系统中添加相关的辅助因子。而这些辅酶参加反应后，如果没有辅酶再生系统使之再生，一旦辅酶完全被消耗，酶反应就会停止；辅酶一般十分昂贵，在酶催化的反应中不可能大量使用。为解决这个问题，人们可以采用两种办法：一是使用含有酶的微生物细胞，通过提供适当的辅酶再生的底物，如葡萄糖，利用细胞的辅酶再生系统，使辅酶再生循环使用；另一种办法是建立辅酶再生的酶反应系统与主要的酶反应耦联，使辅酶可以再生循环使用。
3.酶制剂的主要品种有哪些？
酶制剂有多种。从形态上分，有固体酶制剂和液体酶制剂，例如，在制糖工业和发酵工业上，经常使用的、用于制备葡萄糖的葡萄糖淀粉酶，就有固体和液体两种。固体酶制剂体积小，容易运输、保存，比较稳定，所以大多数酶制剂以固体形式生产、销售。固体酶制剂的主要缺点是杂质含量高，酶活性较低，生产过程中需要沉淀和干燥，酶活性损失较大。液体酶制剂是继固体酶制剂之后发展的剂型，相对于固体酶制剂，它的生产比较简单，成本较低，使用方便。液体酶制剂的生产关键是要解决酶制剂的稳定性问题，为此，液体酶制剂中大多需要加入适当的稳定剂和保护剂。另外，液体酶制剂的运输和保存也较固体酶制剂难度大些。
按酶制剂在应用领域上的分类，有用于工业生产上作为催化剂的工业酶制剂（如α淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、葡萄糖异构酶、青霉素酰化酶、天冬氨酸酶等等），有用于食品生产加工的酶制剂（又称为食品酶制剂），还有用于临床检测的诊断酶制剂，用于化学分析的酶分析制剂，用作药物的药物酶制剂和用于洗涤剂的洗涤酶制剂等。
按酶的来源不同，还可将酶制 ( http: / / www.21cnjy.com )剂分为植物酶制剂、动物酶制剂和微生物酶制剂。针对应用的需要，按酶生产加工方法的不同，又可将其分为游离酶制剂、固定化酶制剂、酶试纸、酶电极等。
题例领悟
题型一 固定化酶技术的应用
【例题1】 试分析下图中，哪一种与用海藻酸钠作载体制备的固定化酵母细胞相似（ ）
解析：A、B选项适合于酶的固定化，C既 ( http: / / www.21cnjy.com )用于酶固定，也可用于细胞固定。制备固定化酵母细胞用的是包埋法，即将酵母菌包埋在海藻酸钠制成的凝胶珠中，所以与D相似。
答案：D
反思感悟
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。海藻酸钠作载体制备的是固定化酵母细胞。
题型二 固定化酶技术的特点
【例题2】下列不属于固定化酶在利用时的特点的是 …（ ）
A.有利于酶与产物分离
B.可以被反复利用
C.能自由出入依附的载体
D.一种固定化酶一般情况下不能催化一系列酶促反应
解析:固定化酶是采用化学结合法或物理吸附法将酶固定在一定载体上，所以固定化酶不能自由出入依附的载体。
答案:C
反思感悟
固定化技术中固定化酶易和大分子接触 ( http: / / www.21cnjy.com )反应，但易受外界影响而活性降低；固定化细胞由于大分子物质难以自由通过细胞膜，所以易催化小分子物质的反应，而且外界环境对其活性的影响小。
随堂训练
1.下图曲线表示的是温度和果胶酶活性之间的关系，此曲线不能说明的是（ ）
( http: / / www.21cnjy.com )
A.在B点之前，果胶酶的活性和温度成正比；之后，成反比
B.当温度升高到B点时，果胶酶的活性最高，酶的催化作用最高
C.A点时，果胶酶的活性很低，但随着温度升高，果胶酶的活性可以上升
D.C点时，果胶酶的活性也很低，当温度降低时，酶的活性也可以上升
解析：从图中可以看出随着温度升高， ( http: / / www.21cnjy.com )果胶酶的活性在上升，等达到B点时，酶的活性达到最高；随后，随着温度的继续上升，酶的活性迅速下降。但是A点和C点相比，虽然酶的活性都很低，但是A点是低温条件，对酶的分子结构无影响，所以，随着温度的上升，其活性也会不断上升，而C点是高温条件，当温度过高时，会破坏酶的分子结构，使酶的活性发生不可逆的变化。
答案：D
2.酶制剂中含有蛋白酶，不含有肽酶的原因是（ ）
A.肽酶制备成本太高
B.肽酶会影响蛋白酶活性
C.衣物上的大分子蛋白质变为多肽后已很容易脱落
D.蛋白酶把蛋白质全水解成可溶性氨基酸
解析：考虑衣物的实际洗涤情况，当加酶洗衣粉中的蛋白酶将血渍、奶渍等含有的大分子蛋白质水解成小分子多肽后，已经很容易从衣物上脱落了，无需再加肽酶。
答案：C
3.探究温度对果胶酶活性的影响、pH对酶活性的影响、果胶酶的用量三个实验中，实验变量依次为（ ）
A.温度、酶活性、酶用量
B.苹果泥用量、pH、果汁量
C.反应时间、酶活性、酶用量
D.温度、pH、果胶酶用量
解析：首先要明确实验变量、反应变量等基本概念 ( http: / / www.21cnjy.com )，在此基础上，针对三个探究实验进行分析。实验一为探究果胶酶的最适温度，实验二为探究果胶酶的最适pH，实验三为探究果胶酶的最适用量，从而选出正确选项D。
答案：D
核心解读
1.直接使用酶、固定化酶和固定化细胞催化优缺点的比较
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；溶液中酶很难回收，不能被再次利用，反应后酶会混合在产物中，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，很多产物的形成都是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
2.酶催化反应的优缺点
酶催化反应的优点主要表现在以下几个方面。
（1）酶催化的反应类型十分广泛。六大酶类催化的反应基本上涵盖了各种化学反应类型，因此，酶具有极其广泛的应用范围。
（2）酶催化的反应具有极高的选择性，包括对底物的种类，底物中的区域、位点和立体的选择性，因此，一种酶只能够催化一种底物或一类底物的一种反应，酶反应可以在一个十分复杂的系统内进行特定的反应，而且几乎没有副反应，反应的转化率和产率高。这在临床检验、化学分析和特定产品的生产上要比化学方法具有更大的优势。
（3）酶催化的反应速度高。酶催化的反应速度大约比化学催化剂催化的反应速度高1010倍，因此，酶催化的反应时间短，设备利用率高，生产效率高。
（4）酶催化的反应条件温和，一般是在常温 ( http: / / www.21cnjy.com )、常压、近乎中性pH条件下反应，因此，能耗低，设备要求低，使用时间长，反应成本和操作成本低。即使近期开发出来的极端酶类，如高温酶和嗜酸碱酶等，催化反应的条件也远比化学催化剂催化的反应条件低得多：最高温度在100 ℃左右，最适pH为2～11，不必在强酸、强碱条件下进行。
酶催化反应的缺点主要有以下几个方面。
（1）大多数酶是蛋白质，在不适宜的条件下容易发生变性、失活，因此，在使用和保存酶时要十分小心，要尽可能保持适宜的条件。为了维持酶的稳定和催化效率，在酶催化反应和保存时要使用缓冲液系统；一般的酶不能够耐受高温，可以在低温下保存，但是也有的酶在低温下也会失活，甚至于更不稳定。有些酶对金属离子十分敏感，为保持这些酶的稳定性和催化反应的活性，还需要一些特定的金属离子；大多数酶对有机溶剂比较敏感，在这些有机溶剂中易失活。因此，必须根据具体的酶的性质采取相应的措施。
由于酶对温度、pH和有机溶剂敏感，稳定性差，使之在某些应用上受到限制。
（2）绝大多数酶溶于水，催化反应结束后，多 ( http: / / www.21cnjy.com )数酶还有活性，因而直接从反应液中将酶与产物分离回收十分困难。为了不让酶污染产物，往往通过加热或其他方法使酶变性失活，从反应系统中除去。这样，花了很大力气生产的酶只使用了一次，就不得不使其变性失活，这是很大的浪费。当然，现在发展的酶的固定化技术，可以提高酶的稳定性，还可以解决酶催化反应后，从反应体系中分离重复使用的问题。
（3）有些酶，如氧化还原酶、转移酶、某些裂 ( http: / / www.21cnjy.com )解酶，在催化相应反应时，需要特殊的辅助因子，如NAD+、NADH、NADP+、NADPH、FAD、FMA、ATP，以及金属离子等。因此，在酶催化反应时，需在反应系统中添加相关的辅助因子。而这些辅酶参加反应后，如果没有辅酶再生系统使之再生，一旦辅酶完全被消耗，酶反应就会停止；辅酶一般十分昂贵，在酶催化的反应中不可能大量使用。为解决这个问题，人们可以采用两种办法：一是使用含有酶的微生物细胞，通过提供适当的辅酶再生的底物，如葡萄糖，利用细胞的辅酶再生系统，使辅酶再生循环使用；另一种办法是建立辅酶再生的酶反应系统与主要的酶反应耦联，使辅酶可以再生循环使用。
3.酶制剂的主要品种有哪些？
酶制剂有多种。从形态上分，有固体酶制剂和液体酶制剂，例如，在制糖工业和发酵工业上，经常使用的、用于制备葡萄糖的葡萄糖淀粉酶，就有固体和液体两种。固体酶制剂体积小，容易运输、保存，比较稳定，所以大多数酶制剂以固体形式生产、销售。固体酶制剂的主要缺点是杂质含量高，酶活性较低，生产过程中需要沉淀和干燥，酶活性损失较大。液体酶制剂是继固体酶制剂之后发展的剂型，相对于固体酶制剂，它的生产比较简单，成本较低，使用方便。液体酶制剂的生产关键是要解决酶制剂的稳定性问题，为此，液体酶制剂中大多需要加入适当的稳定剂和保护剂。另外，液体酶制剂的运输和保存也较固体酶制剂难度大些。
按酶制剂在应用领域上的分类，有用于工业生产上作为催化剂的工业酶制剂（如α淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、葡萄糖异构酶、青霉素酰化酶、天冬氨酸酶等等），有用于食品生产加工的酶制剂（又称为食品酶制剂），还有用于临床检测的诊断酶制剂，用于化学分析的酶分析制剂，用作药物的药物酶制剂和用于洗涤剂的洗涤酶制剂等。
按酶的来源不同，还可将酶制 ( http: / / www.21cnjy.com )剂分为植物酶制剂、动物酶制剂和微生物酶制剂。针对应用的需要，按酶生产加工方法的不同，又可将其分为游离酶制剂、固定化酶制剂、酶试纸、酶电极等。
题例领悟
题型一 固定化酶技术的应用
【例题1】 试分析下图中，哪一种与用海藻酸钠作载体制备的固定化酵母细胞相似（ ）
解析：A、B选项适合于酶的固定化，C既 ( http: / / www.21cnjy.com )用于酶固定，也可用于细胞固定。制备固定化酵母细胞用的是包埋法，即将酵母菌包埋在海藻酸钠制成的凝胶珠中，所以与D相似。
答案：D
反思感悟
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。海藻酸钠作载体制备的是固定化酵母细胞。
题型二 固定化酶技术的特点
【例题2】下列不属于固定化酶在利用时的特点的是 …（ ）
A.有利于酶与产物分离
B.可以被反复利用
C.能自由出入依附的载体
D.一种固定化酶一般情况下不能催化一系列酶促反应
解析:固定化酶是采用化学结合法或物理吸附法将酶固定在一定载体上，所以固定化酶不能自由出入依附的载体。
答案:C
反思感悟
固定化技术中固定化酶易和大分子接触 ( http: / / www.21cnjy.com )反应，但易受外界影响而活性降低；固定化细胞由于大分子物质难以自由通过细胞膜，所以易催化小分子物质的反应，而且外界环境对其活性的影响小。
随堂训练
1.下图曲线表示的是温度和果胶酶活性之间的关系，此曲线不能说明的是（ ）
( http: / / www.21cnjy.com )
A.在B点之前，果胶酶的活性和温度成正比；之后，成反比
B.当温度升高到B点时，果胶酶的活性最高，酶的催化作用最高
C.A点时，果胶酶的活性很低，但随着温度升高，果胶酶的活性可以上升
D.C点时，果胶酶的活性也很低，当温度降低时，酶的活性也可以上升
解析：从图中可以看出随着温度升高， ( http: / / www.21cnjy.com )果胶酶的活性在上升，等达到B点时，酶的活性达到最高；随后，随着温度的继续上升，酶的活性迅速下降。但是A点和C点相比，虽然酶的活性都很低，但是A点是低温条件，对酶的分子结构无影响，所以，随着温度的上升，其活性也会不断上升，而C点是高温条件，当温度过高时，会破坏酶的分子结构，使酶的活性发生不可逆的变化。
答案：D
2.酶制剂中含有蛋白酶，不含有肽酶的原因是（ ）
A.肽酶制备成本太高
B.肽酶会影响蛋白酶活性
C.衣物上的大分子蛋白质变为多肽后已很容易脱落
D.蛋白酶把蛋白质全水解成可溶性氨基酸
解析：考虑衣物的实际洗涤情况，当加酶洗衣粉中的蛋白酶将血渍、奶渍等含有的大分子蛋白质水解成小分子多肽后，已经很容易从衣物上脱落了，无需再加肽酶。
答案：C
3.探究温度对果胶酶活性的影响、pH对酶活性的影响、果胶酶的用量三个实验中，实验变量依次为（ ）
A.温度、酶活性、酶用量
B.苹果泥用量、pH、果汁量
C.反应时间、酶活性、酶用量
D.温度、pH、果胶酶用量
解析：首先要明确实验变量、反应变量等基本概念 ( http: / / www.21cnjy.com )，在此基础上，针对三个探究实验进行分析。实验一为探究果胶酶的最适温度，实验二为探究果胶酶的最适pH，实验三为探究果胶酶的最适用量，从而选出正确选项D。
答案：D