第48讲 酶的研究和应用（原卷版）
本模块主要包括酶的研究和应用。通过本模块，了解酶活力测定的一般原理和具体方法，果胶酶的组成及在食品制造方面的应用，加酶洗衣粉中酶制剂的种类及作用，举例说明固定化酶(固定化细胞)技术等 。考纲对本模块内容的具体要求如下：
1.酶活力测定的一般原理和方法(理解水平)
2.酶在食品制造和洗涤等方面的应用(应用水平)
3.制备和应用固相化酶(应用水平)
本部分内容在考试中可以结合食品制造和洗涤业考查酶的固定化及实际应用；通过设计实验探究影响酶活力的因素，在复习中需要特别关注酶在食品安全及洗涤方面的应用，并倡导健康的生活方式。
一、 酶活性(力)及加酶洗衣粉
1.果胶酶在果汁生产中的作用
组成：指分解果胶的一类酶的总称，包括 、
(1)果胶酶 果胶分解酶和
作用：瓦解植物的 和胞间层
(2)酶的活性与影响酶活性的因素
①酶的活性:酶催化一定化学反应的能力,可用在一定条件下,酶催化某一化学反应的
来表示。
②影响酶活性的因素: 、pH、酶的抑制剂等。
(3)探究温度对酶活性影响的实验
①实验方案:确定温度梯度→探讨控制温度的方法和措施。
②实验程序:制备苹果泥→苹果泥与果胶酶分别 →将苹果泥与果胶酶混合保温→过滤出果汁→记录果汁量→改变不同 后,重复上面实验。
③记录实验数据,并填入表格。
④得出结论:获得的果汁越多或果汁越澄清,表明果胶酶活性 。
2.探讨加酶洗衣粉的洗涤效果中常用酶制剂的种类及洗涤原理
种类
洗涤原理
洗涤实例
蛋白酶
可将蛋白质水解为易溶解或分散于洗涤液中的
或氨基酸
血渍、奶渍及各种食品类的蛋白质污垢
脂肪酶
把脂肪水解为较易溶解的 和游离的
食品的油渍、人体皮脂、口红
淀粉酶
能使淀粉迅速分解为可溶性的麦芽糖、葡萄糖等
来自面条等污垢
纤维
素酶
使纤维的结构变得蓬松,从而使渗入到纤维深处的尘土和污垢能够与洗衣粉充分接触,达到更好的去污效果
【巧学助记】
1.探究果胶酶活性最适条件的实验设计
(1)思路方法:探究不同温度(或pH)对果胶酶活性的影响时,温度(或pH)作为自变量,有效地控制其他无关变量,通过设置 来确定最适值。
(2)衡量实验结果的指标:①在相同时间内,滤出苹果汁的 多少;②观察苹果汁的 。
2.探究果胶酶的用量
(1)原理:本实验是一个探究性的定量实验,所测出的最适用量是在本实验的温度、pH条件下测出的,因而果胶酶的最适用量应标明 。
(2)确定最适用量的方法:如果随酶用量的增加,过滤到的果汁的体积也增加,说明酶的用量不足;当酶的用量增加到某个值后,再增加酶的用量,过滤到的果汁的体积不再改变,说明酶的用量已经足够,那么,这个值就是酶的 。
3.探究不同种类加酶洗衣粉的洗涤效果
(1)原理:酶的催化作用具有专一性,复合酶洗衣粉加入的酶制剂种类较多,与单一加酶洗衣粉相比,对各种污渍都有较好的洗涤效果。
(2)变量
自变量：
无关变量：如温度、PH等
(3)步骤
步骤
烧杯编号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
注入自来水
500 mL
500 mL
500 mL
加入物质
(等量)
奶渍布
奶渍布
控制水温
37 ℃
37 ℃?
37 ℃
加入洗衣粉
(等量)
蛋白酶
洗衣粉
复合酶
洗衣粉
脂肪酶
洗衣粉
用玻璃
棒搅拌
5 min
5 min
5 min
观察实
验现象
颜色浅
二、 固定化酶的制备和应用
1.固定化酶
(1)应用实例——果糖生产: 将葡萄糖转化为果糖。
(2)固定化酶技术:将酶固定在颗粒状的载体上,再将酶颗粒装到反应柱内,反应柱底端的孔应满足 无法通过而 可以自由通过。
2.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: 法、化学结合法和 法。
(3)制备固定化酵母细胞的操作流程:酵母细胞的 →配制0.05 mol/L CaCl2溶液→配制 溶液→海藻酸钠溶液与酵母细胞混合→固定化酵母细胞→冲洗→发酵。
【巧学助记】
1.直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较
直接使用酶
固定化酶
固定化细胞
酶的
种数
一种或几种
制作
方法
、
固定化
营养
物质
不需要
不需要
需要
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
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
不适用于催化一系列的酶促反应
反应物不易与酶接触,尤其是大分子物质,反应效率下降
优点
催化效率高、耗能低、污染低
能与反应物 ,又能与产物 ;②可以反复利用
成本低、操作容易
2.酶活力是指酶催化一定化学反应的能力。
3.果胶酶并不是特指某一种酶,而是分解果胶的一类酶的总称。包括多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶和果胶酯酶。
4.加酶洗衣粉是指含有酶制剂的洗衣粉,常用的酶制剂有蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶。
5.固定化细胞常用的方法有包埋法、化学结合法和物理吸附法。
判断下列说法的对错：
1．固定化酶和固定化细胞的共同点是所固定的酶都不可在细胞外起作用( )
2．用加酶洗衣粉洗衣物，先要把酶加入到100℃水中溶解，再浸泡衣物( )
3．加酶洗衣粉中的酶是固定化酶( )
一、 酶活性及其在食品制造方面的应用
例1：生产中使用的普通淀粉酶的最适温度在40～60 ℃之间,而极端耐热淀粉酶在100 ℃仍能保持较高的活性,因此具有更为广泛的应用前景。请回答下列有关问题:
(1)在筛选产极端耐热淀粉酶的微生物时,需要将选择培养基置于 环境中进行培养。选择培养基中添加的淀粉为该微生物的生长提供 (填“碳源”或“氮源”)。?
(2)淀粉酶的活性可以用 的量来表示。?
(3)某同学要设计一个实验以探究温度对这两种淀粉酶活性的影响,其中有些问题需要你的帮助。
①此实验中除自变量和因变量外,还需要考虑 等影响因素(至少写出两种)。?
②假设实验结果如下表,请绘制反映该实验结果的坐标曲线图。
温度/℃
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
普通淀
粉酶相对
活性/%
6
25
43
67
83
65
22
2
0
0
极端耐热
淀粉酶相
对活性/%
6
15
25
48
76
92
100
98
82
65
【答案】答案:(1)高温(或100 ℃) 碳源
(2)单位时间内产物增加(单位时间内反应底物减少)
(3)①pH、酶浓度、底物浓度(合理即可)
②如图
【解析】(1)在筛选产极端耐热淀粉酶的微生物时,需要用以淀粉作为唯一碳源的选择培养基进行培养,同时需要提供高温条件。(2)淀粉酶的活性可以用单位时间内产物的增加量或反应底物的减少量来表示。(3)根据实验目的可确定自变量是温度,因变量是产物的增加量或反应底物的减少量。为了保证实验结果的准确性,需要排除pH、酶浓度、底物浓度等无关变量对实验结果的影响。
变式训练1：果胶是植物细胞壁以及胞间层的主要成分之一。果胶酶能够分解果胶,瓦解植物的细胞壁及胞间层。请你完成以下有关果胶酶和果汁生产中的问题。
(1)在果汁生产中应用果胶酶可以提高? 和 。?
(2)某实验小组进行了“探究果胶酶催化果胶水解最适pH”的课题研究。本课题的实验步骤中,在完成“烧杯中分别加入苹果泥,试管中分别注入果胶酶溶液、编号、分组”之后,有下面两种操作:
方法一:将试管中果胶酶溶液和烧杯中的苹果泥相混合,再把混合液的pH分别调至4、5、6……10。
方法二:将试管中果胶酶溶液和烧杯中苹果泥pH分别调至4、5、6……10,再把pH相等的果胶酶溶液和苹果泥相混合。
①请问哪一种方法更科学? 。?
理由是? 。?
②如果用曲线图的方式记录实验结果,在现有的条件下,当横坐标表示pH,纵坐标表示 时,实验的操作和记录是比较切实可行的。根据你对酶特性的了解,分析图中最可能是实验结果的曲线图是 。?
【答案】 (1)出汁率 果汁澄清度
(2)①方法二 方法二的操作能够确保酶的反应环境从一开始便达到实验预设的pH环境(或方法一的操作会在达到预定pH之前就发生了酶的催化反应)
②果胶酶的活性 甲
【解析】果胶酶可以分解果胶,提高出汁率和果汁澄清度,但果胶酶发挥作用需要一定的条件,如温度和pH等。本题是探究pH对果胶酶活性的影响,实验关键是分别将果胶酶溶液和苹果泥调至一定的pH,然后把pH相等的这两种物质混合。如图甲所示,在一定范围内,果胶酶的活性随pH增大而升高,达到最适pH之后,酶活性逐步降低,若过酸或过碱,则酶活性丧失。
二、 酶在洗涤方面的应用
例2：为了探究一种新型碱性纤维素酶的去污效能，研究性学习小组进行了相关实验，结果如图。由图中实验结果能直接得出的结论是 ( )
A．碱性纤维素酶对污布类型2的去污力最强
B．不同类型洗衣粉影响碱性纤维素酶的去污力
C．碱性纤维素酶对污布类型2、3的去污力不同
D．加大酶用量可以显著提高洗衣粉的去污力
【答案】 C
【解析】本题主要考查酶去污效能的实验设计和分析。该实验的自变量有3个：污布类型、洗衣粉类型和酶用量。根据实验设计的对照原则和单一变量原则，只有根据具有单一变量的对照实验才能直接得出结论。根据题目实验设计不能判断Y型洗衣粉对污布类型1、4的去污力，故不能得出A结论；根据题目实验设计不能判断不同类型洗衣粉对4种污布的去污力，故不能得出B结论；由实验结论知碱性纤维酶对污布类型2、3的去污力不同，C正确；根据题目实验设计不能判断加大酶用量对洗衣粉的去污力的影响，故不能得出D结论。
变式训练2：为探究洗衣粉加酶后的洗涤效果,将一种无酶洗衣粉分成三等份,在甲、乙两组洗衣粉中加入一种或两种酶,丙组不加酶,在不同温度下清洗同种化纤布上的两种污渍,即血渍(主要成分是蛋白质)和油渍(主要成分是脂肪),其他实验条件均相同,实验结果如表所示。请回答下列问题:
水温/ ℃
10
20
30
组别
甲
乙
丙
甲
乙
丙
甲
乙
丙
清除血渍
时间/min
67
66
88
52
51
83
36
34
77
清除油渍
时间/min
93
78
95
87
63
91
82
46
85
水温/ ℃
40
50
组别
甲
乙
丙
甲
乙
丙
清除血渍
时间/min
11
12
68
9
11
67
清除油渍
时间/min
75
27
77
69
8
68
(1)实验结果表明,提高洗衣粉去污能力的方法有 和 。?
(2)据表分析,甲组在洗衣粉中加入的酶是 ,乙组在洗衣粉中加入的酶是 。?
(3)由实验结果可知,清除污渍所需要的时间越 ,?
表明酶的活性越高。通过表中的数据, (填“能”或“不能”)得出“酶的最适温度是50 ℃”的结论,理由是 。?
(4)甲、乙组洗涤效果的差异,能够说明酶具有 性。?
(5)如果甲、乙、丙三组均在水温为80 ℃时进行实验,发现这三组的结果无明显差异,原因是? 。?
【答案】 (1)适当提高水温 加酶 (2)蛋白酶 蛋白酶和脂肪酶 (3)短 不能 缺少50 ℃以上水温条件下的实验数据 (4)专一 (5)在水温为80 ℃的条件下,蛋白酶和脂肪酶会变性失活
【解析】(1)实验结果表明,不同的污渍在不同酶的作用下在不同的温度环境中去除的时间不同,可见提高洗衣粉去污能力的方法有适当提高水温和加酶。(2)据表分析,甲组中的酶对血渍的去除能力大于对油渍的去除能力,可见甲组在洗衣粉中加入的酶是蛋白酶,乙组在洗衣粉
中加入的酶是蛋白酶和脂肪酶。(3)从实验结果可知清除污渍所需要的时间越短,酶的活性越高。通过表中的数据,不能得出“酶的最适温度是50 ℃”的结论,因为不知道水温高于50 ℃后酶的清除效果(缺少50 ℃以上水温条件下的实验数据)。(4)由甲、乙组洗涤效果的差异可知,蛋白酶只能催化蛋白质水解,脂肪酶只能催化脂肪水解,能够说明酶具有专一性。(5)在水温为80 ℃的条件下,蛋白酶和脂肪酶均会变性失活,所以这三组的结果无明显差异。
三 固定化酶制备和应用
例3：为了探索海藻酸钠固定化对绿球藻生长的影响,以及固定化藻对含Zn2+污水的净化作用,科研人员用筛选到的一株绿球藻进行实验,流程及结果如下。请回答下列问题:
(1)实验中的海藻酸钠作用是 ,CaCl2的作用是 ? 。?
(2)为洗去凝胶球上残余的CaCl2和其他污染物,并保持绿球藻活性,宜采用 洗涤。图1中1.0%海藻酸钠组培养24 h后,移去凝胶球,溶液呈绿色,原因是 ? 。?
(3)为探索固定化藻对含Zn2+污水的净化作用,应选用浓度为 海藻酸钠制备凝胶球。?
(4)图2中空白凝胶球组Zn2+浓度下降的原因是? 。?
结合图1和图2分析,固定化藻的实验组24～48 h间Zn2+浓度下降速度较快的主要原因是? ;?72～96 h间Zn2+浓度下降速度较慢的原因有? 。?
【答案】 (1)包埋绿球藻(包埋剂) 与海藻酸钠反应形成凝胶球
(凝固剂)
(2)培养液(生理盐水) 海藻酸钠浓度过低(凝胶球孔径过大)
(3)2.0%
(4)凝胶吸附Zn2+ 绿球藻生长(增殖)速度快 绿球藻生长(增殖)速度减慢,溶液中Zn2+浓度较低
【解析】(1)海藻酸钠溶液在CaCl2溶液中会形成凝胶球,包埋绿球藻。
(2)用培养液或生理盐水洗去凝胶球上残余的CaCl2和其他污染物,可保持绿球藻活性。溶液呈绿色,说明固定化的绿球藻数量少,原因是海藻酸钠浓度过低(凝胶球孔径过大)。
(3)根据图1可知,浓度为2.0%的海藻酸钠制备的凝胶球最有利于绿球藻的繁殖。
(4)空白凝胶球可吸附Zn2+,导致溶液中Zn2+浓度下降;根据图1和图2分析,固定化藻的实验组24～48 h间绿球藻数量增加最快,导致Zn2+浓度下降速度较快,72～96 h间绿球藻数量基本不再增加,且溶液中Zn2+浓度已较低,导致Zn2+浓度下降速度较慢。
变式训练3：某一实验小组的同学,欲通过制备固定化酵母细胞进行葡萄糖溶液发酵实验,实验材料及用具齐全。
(1)制备固定化酵母细胞常用 法。?
(2)制备固定化酵母细胞的过程为
①使干酵母与 混合并搅拌,使酵母菌活化;?
②将无水CaCl2溶解在蒸馏水中,配成CaCl2溶液;
③用酒精灯加热配制海藻酸钠溶液;
④海藻酸钠溶液冷却至室温再加入已活化的酵母细胞,充分搅拌并混合均匀;
⑤用注射器将?的混合物缓慢滴入氯化钙溶液中。
(3)该实验小组用如图所示的装置来进行葡萄糖发酵。
①从上端漏斗中加入反应液的浓度不能过高的原因是? 。?
②要想得到较多的酒精,加入反应液后的操作是 活塞1和 活塞2。?
③为使该实验中所用到的固定化酵母细胞可以反复利用,实验过程一定要在 条件下进行。?
④装置中的长导管起的作用是 。?
【答案】 (1)包埋
(2)①蒸馏水 ⑤海藻酸钠溶液和酵母细胞
(3)①葡萄糖溶液的浓度过高会使酵母细胞因失水过多而死亡 ②关闭 关闭 ③无菌 ④释放CO2,防止空气中的杂菌进入反应柱
【解析】细胞固定化常用包埋法,应用酵母细胞固定化发酵时,注意反应物浓度不应过高,过高会使酵母细胞失水过多而死亡,发酵过程中应在无氧条件下,所以关闭活塞,防止酵母菌细胞被杂菌污染,最好在无菌条件下进行,装置中的长导管的作用是既可释放CO2,又可防止空气中杂菌进入反应柱。
1. 回答下列问题:
(1)蛋白酶甲、乙、丙三者的活性随pH的变化如图所示。通常,用清水洗涤衣服上的新鲜血迹时,不应该使用开水,原因是 。?
若要去除衣服上的血渍,应选择含有?
(填“蛋白酶甲”“蛋白酶乙”或“蛋白酶丙”)的碱性洗衣粉,理由是? 。?
(2)某同学为了洗去衣服上的油渍,洗衣时在市售的蛋白酶洗衣液中添加脂肪酶,该同学的做法 (填“合理”或“不合理”),理由是 。?
(3)已知溶液的pH可以影响酶的活性,请推测pH影响某种蛋白酶活性的原因可能是其影响了酶和底物分子中 (填“羧基和氨基”“氨基和甲基”“羧基和甲基”或“甲基和甲基”)等基因的解离状态。?
2.假设你已经探究了果胶酶的最适温度(为45 ℃)和最适pH(为4.8),若还想进一步研究果胶酶的最适用量。合理设置果胶酶用量的梯度后,可通过苹果泥出汁的多少来判断酶的用量是否合适。请根据所给的材料和用具完成以下探究实验。
(1)材料用具:制备好的苹果泥、恒温水浴装置、试管、漏斗、滤纸、量筒、试管夹、质量分数为2%的果胶酶溶液、质量分数为0.1%的NaOH溶液和盐酸。
(2)实验步骤:
①取6支试管,编号为1～6,分别加入 ,调节pH至4.8,然后放入45 ℃的恒温水浴锅中保温。?
②向1～6号试管中分别加入 ,?继续在45 ℃恒温水浴装置中 。?
③ 。?
(3)该实验的自变量是 。?
3.东北农业大学科研人员利用双重固定法,即采用戊二醛作交联剂(使酶相互连接),海藻酸钠作为包埋剂来固定小麦酯酶,来研究固定化酶的性质,并对其最佳固定条件进行了探究。下图显示的是部分研究结果,请分析回答下列问题:
注:酶活力为固定化酶催化化学反应的总效率
(1)测定酶活力时可以用单位时间内、单位体积中反应物的 或产物的 来表示。?
(2)从对温度变化适应性和应用范围的角度分析,甲图所示结果可以得出的结论是 。?
(3)乙图曲线表明浓度为 的海藻酸钠包埋效果最好,当海藻酸钠浓度较低时,酶活力较低原因是 ? 。?
(4)固定化酶的活力随使用次数的增多而下降,由丙图可知,固定化酯酶一般可重复使用 次,酶活力明显下降。?
(5)固定小麦酯酶不仅采用海藻酸钠直接包埋,同时用戊二醛作交联剂,这是因为?
。?
4.制备固定化酵母细胞的过程为酵母细胞活化→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。
请回答下列问题:
(1)活化就是让处于休眠状态的微生物重新恢复 状态。?
(2)海藻酸钠溶液必须冷却至室温后才能和酵母混合,原因是 。?
(3)此固定酵母细胞的方法是 法。?
(4)制备固定化酶则不宜用此方法,原因是? 。?
5.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20世纪70年代,在固定化酶技术的基础上,又发展出了细胞固定化技术。请回答下列有关固定化酶和固定化细胞方面的问题:
(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,固定化细胞固定的是 。?
(2)制备固定化酵母细胞常用的包埋材料是 ,使用了如图所示的方法[ ] (填图号及名称)。?
(3)使用纤维素酶和化学方法都能分解纤维素,请指出使用酶处理的优点:? 。?
(4)为什么一般不能用加酶洗衣粉洗涤丝绸及羊毛衣物? 。?
第48讲 酶的研究和应用（解析版）
本模块主要包括酶的研究和应用。通过本模块，了解酶活力测定的一般原理和具体方法，果胶酶的组成及在食品制造方面的应用，加酶洗衣粉中酶制剂的种类及作用，举例说明固定化酶(固定化细胞)技术等 。考纲对本模块内容的具体要求如下：
1.酶活力测定的一般原理和方法(理解水平)
2.酶在食品制造和洗涤等方面的应用(应用水平)
3.制备和应用固相化酶(应用水平)
本部分内容在考试中可以结合食品制造和洗涤业考查酶的固定化及实际应用；通过设计实验探究影响酶活力的因素，在复习中需要特别关注酶在食品安全及洗涤方面的应用，并倡导健康的生活方式。
一、 酶活性(力)及加酶洗衣粉
1.果胶酶在果汁生产中的作用
组成：指分解果胶的一类酶的总称，包括多聚半乳糖醛酸酶、
(1)果胶酶 果胶分解酶和果胶酯酶
作用：瓦解植物的细胞壁和胞间层
(2)酶的活性与影响酶活性的因素
①酶的活性:酶催化一定化学反应的能力,可用在一定条件下,酶催化某一化学反应的反应速度来表示。
②影响酶活性的因素:温度、pH、酶的抑制剂等。
(3)探究温度对酶活性影响的实验
①实验方案:确定温度梯度→探讨控制温度的方法和措施。
②实验程序:制备苹果泥→苹果泥与果胶酶分别水浴保温→将苹果泥与果胶酶混合保温→过滤出果汁→记录果汁量→改变不同温度后,重复上面实验。
③记录实验数据,并填入表格。
④得出结论:获得的果汁越多或果汁越澄清,表明果胶酶活性越高。
2.探讨加酶洗衣粉的洗涤效果中常用酶制剂的种类及洗涤原理
种类
洗涤原理
洗涤实例
蛋白酶
可将蛋白质水解为易溶解或分散于洗涤液中的小分子的肽或氨基酸
血渍、奶渍及各种食品类的蛋白质污垢
脂肪酶
把脂肪水解为较易溶解的甘油和游离的脂肪酸
食品的油渍、人体皮脂、口红
淀粉酶
能使淀粉迅速分解为可溶性的麦芽糖、葡萄糖等
来自面条等污垢
纤维
素酶
使纤维的结构变得蓬松,从而使渗入到纤维深处的尘土和污垢能够与洗衣粉充分接触,达到更好的去污效果
【巧学助记】
1.探究果胶酶活性最适条件的实验设计
(1)思路方法:探究不同温度(或pH)对果胶酶活性的影响时,温度(或pH)作为自变量,有效地控制其他无关变量,通过设置合理的温度(或pH)梯度来确定最适值。
(2)衡量实验结果的指标:①在相同时间内,滤出苹果汁的体积多少;②观察苹果汁的澄清度。
2.探究果胶酶的用量
(1)原理:本实验是一个探究性的定量实验,所测出的最适用量是在本实验的温度、pH条件下测出的,因而果胶酶的最适用量应标明温度和pH。
(2)确定最适用量的方法:如果随酶用量的增加,过滤到的果汁的体积也增加,说明酶的用量不足;当酶的用量增加到某个值后,再增加酶的用量,过滤到的果汁的体积不再改变,说明酶的用量已经足够,那么,这个值就是酶的最适用量。
3.探究不同种类加酶洗衣粉的洗涤效果
(1)原理:酶的催化作用具有专一性,复合酶洗衣粉加入的酶制剂种类较多,与单一加酶洗衣粉相比,对各种污渍都有较好的洗涤效果。
(2)变量
自变量：加酶洗衣粉
无关变量：如温度、PH等
(3)步骤
步骤
烧杯编号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
注入自来水
500 mL
500 mL
500 mL
加入物质
(等量)
奶渍布
奶渍布
奶渍布
控制水温
37 ℃
37 ℃?
37 ℃
加入洗衣粉
(等量)
蛋白酶
洗衣粉
复合酶
洗衣粉
脂肪酶
洗衣粉
用玻璃
棒搅拌
5 min
5 min
5 min
观察实
验现象
颜色浅
已消失
颜色浅
二、 固定化酶的制备和应用
1.固定化酶
(1)应用实例——果糖生产:葡萄糖异构酶将葡萄糖转化为果糖。
(2)固定化酶技术:将酶固定在颗粒状的载体上,再将酶颗粒装到反应柱内,反应柱底端的孔应满足酶颗粒无法通过而反应溶液可以自由通过。
2.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:包埋法、化学结合法和物理吸附法。
(3)制备固定化酵母细胞的操作流程:酵母细胞的活化→配制0.05 mol/L 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→冲洗→发酵。
【巧学助记】
1.直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较
直接使用酶
固定化酶
固定化细胞
酶的
种数
一种或几种
一种
一系列酶
制作
方法
化学结合法固定化、物理吸附法固定化
包埋法固定化
营养
物质
不需要
不需要
需要
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
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
不适用于催化一系列的酶促反应
反应物不易与酶接触,尤其是大分子物质,反应效率下降
优点
催化效率高、耗能低、污染低
①既能与反应物接触,又能与产物分离;②可以反复利用
成本低、操作容易
2.酶活力是指酶催化一定化学反应的能力。
3.果胶酶并不是特指某一种酶,而是分解果胶的一类酶的总称。包括多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶和果胶酯酶。
4.加酶洗衣粉是指含有酶制剂的洗衣粉,常用的酶制剂有蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶。
5.固定化细胞常用的方法有包埋法、化学结合法和物理吸附法。
判断下列说法的对错：
1．固定化酶和固定化细胞的共同点是所固定的酶都不可在细胞外起作用( )
【答案】×
【解析】固定化酶和固定化细胞的共同点是所固定的酶都可在细胞外起作用
2．用加酶洗衣粉洗衣物，先要把酶加入到100℃水中溶解，再浸泡衣物( )
【答案】×
【解析】若先要把酶加入到100℃水中溶解，则会使得酶的活性丧失，不能发挥作用了，
3．加酶洗衣粉中的酶是固定化酶( )
【答案】×
【解析】加酶洗衣粉中的酶并没有固定
一、 酶活性及其在食品制造方面的应用
例1：生产中使用的普通淀粉酶的最适温度在40～60 ℃之间,而极端耐热淀粉酶在100 ℃仍能保持较高的活性,因此具有更为广泛的应用前景。请回答下列有关问题:
(1)在筛选产极端耐热淀粉酶的微生物时,需要将选择培养基置于 环境中进行培养。选择培养基中添加的淀粉为该微生物的生长提供 (填“碳源”或“氮源”)。?
(2)淀粉酶的活性可以用 的量来表示。?
(3)某同学要设计一个实验以探究温度对这两种淀粉酶活性的影响,其中有些问题需要你的帮助。
①此实验中除自变量和因变量外,还需要考虑 等影响因素(至少写出两种)。?
②假设实验结果如下表,请绘制反映该实验结果的坐标曲线图。
温度/℃
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
普通淀
粉酶相对
活性/%
6
25
43
67
83
65
22
2
0
0
极端耐热
淀粉酶相
对活性/%
6
15
25
48
76
92
100
98
82
65
【答案】答案:(1)高温(或100 ℃) 碳源
(2)单位时间内产物增加(单位时间内反应底物减少)
(3)①pH、酶浓度、底物浓度(合理即可)
②如图
【解析】(1)在筛选产极端耐热淀粉酶的微生物时,需要用以淀粉作为唯一碳源的选择培养基进行培养,同时需要提供高温条件。(2)淀粉酶的活性可以用单位时间内产物的增加量或反应底物的减少量来表示。(3)根据实验目的可确定自变量是温度,因变量是产物的增加量或反应底物的减少量。为了保证实验结果的准确性,需要排除pH、酶浓度、底物浓度等无关变量对实验结果的影响。
变式训练1：果胶是植物细胞壁以及胞间层的主要成分之一。果胶酶能够分解果胶,瓦解植物的细胞壁及胞间层。请你完成以下有关果胶酶和果汁生产中的问题。
(1)在果汁生产中应用果胶酶可以提高? 和 。?
(2)某实验小组进行了“探究果胶酶催化果胶水解最适pH”的课题研究。本课题的实验步骤中,在完成“烧杯中分别加入苹果泥,试管中分别注入果胶酶溶液、编号、分组”之后,有下面两种操作:
方法一:将试管中果胶酶溶液和烧杯中的苹果泥相混合,再把混合液的pH分别调至4、5、6……10。
方法二:将试管中果胶酶溶液和烧杯中苹果泥pH分别调至4、5、6……10,再把pH相等的果胶酶溶液和苹果泥相混合。
①请问哪一种方法更科学? 。?
理由是? 。?
②如果用曲线图的方式记录实验结果,在现有的条件下,当横坐标表示pH,纵坐标表示 时,实验的操作和记录是比较切实可行的。根据你对酶特性的了解,分析图中最可能是实验结果的曲线图是 。?
【答案】 (1)出汁率 果汁澄清度
(2)①方法二 方法二的操作能够确保酶的反应环境从一开始便达到实验预设的pH环境(或方法一的操作会在达到预定pH之前就发生了酶的催化反应)
②果胶酶的活性 甲
【解析】果胶酶可以分解果胶,提高出汁率和果汁澄清度,但果胶酶发挥作用需要一定的条件,如温度和pH等。本题是探究pH对果胶酶活性的影响,实验关键是分别将果胶酶溶液和苹果泥调至一定的pH,然后把pH相等的这两种物质混合。如图甲所示,在一定范围内,果胶酶的活性随pH增大而升高,达到最适pH之后,酶活性逐步降低,若过酸或过碱,则酶活性丧失。
二、 酶在洗涤方面的应用
例2：为了探究一种新型碱性纤维素酶的去污效能，研究性学习小组进行了相关实验，结果如图。由图中实验结果能直接得出的结论是 ( )
A．碱性纤维素酶对污布类型2的去污力最强
B．不同类型洗衣粉影响碱性纤维素酶的去污力
C．碱性纤维素酶对污布类型2、3的去污力不同
D．加大酶用量可以显著提高洗衣粉的去污力
【答案】 C
【解析】本题主要考查酶去污效能的实验设计和分析。该实验的自变量有3个：污布类型、洗衣粉类型和酶用量。根据实验设计的对照原则和单一变量原则，只有根据具有单一变量的对照实验才能直接得出结论。根据题目实验设计不能判断Y型洗衣粉对污布类型1、4的去污力，故不能得出A结论；根据题目实验设计不能判断不同类型洗衣粉对4种污布的去污力，故不能得出B结论；由实验结论知碱性纤维酶对污布类型2、3的去污力不同，C正确；根据题目实验设计不能判断加大酶用量对洗衣粉的去污力的影响，故不能得出D结论。
变式训练2：为探究洗衣粉加酶后的洗涤效果,将一种无酶洗衣粉分成三等份,在甲、乙两组洗衣粉中加入一种或两种酶,丙组不加酶,在不同温度下清洗同种化纤布上的两种污渍,即血渍(主要成分是蛋白质)和油渍(主要成分是脂肪),其他实验条件均相同,实验结果如表所示。请回答下列问题:
水温/ ℃
10
20
30
组别
甲
乙
丙
甲
乙
丙
甲
乙
丙
清除血渍
时间/min
67
66
88
52
51
83
36
34
77
清除油渍
时间/min
93
78
95
87
63
91
82
46
85
水温/ ℃
40
50
组别
甲
乙
丙
甲
乙
丙
清除血渍
时间/min
11
12
68
9
11
67
清除油渍
时间/min
75
27
77
69
8
68
(1)实验结果表明,提高洗衣粉去污能力的方法有 和 。?
(2)据表分析,甲组在洗衣粉中加入的酶是 ,乙组在洗衣粉中加入的酶是 。?
(3)由实验结果可知,清除污渍所需要的时间越 ,?
表明酶的活性越高。通过表中的数据, (填“能”或“不能”)得出“酶的最适温度是50 ℃”的结论,理由是 。?
(4)甲、乙组洗涤效果的差异,能够说明酶具有 性。?
(5)如果甲、乙、丙三组均在水温为80 ℃时进行实验,发现这三组的结果无明显差异,原因是? 。?
【答案】 (1)适当提高水温 加酶 (2)蛋白酶 蛋白酶和脂肪酶 (3)短 不能 缺少50 ℃以上水温条件下的实验数据 (4)专一 (5)在水温为80 ℃的条件下,蛋白酶和脂肪酶会变性失活
【解析】(1)实验结果表明,不同的污渍在不同酶的作用下在不同的温度环境中去除的时间不同,可见提高洗衣粉去污能力的方法有适当提高水温和加酶。(2)据表分析,甲组中的酶对血渍的去除能力大于对油渍的去除能力,可见甲组在洗衣粉中加入的酶是蛋白酶,乙组在洗衣粉
中加入的酶是蛋白酶和脂肪酶。(3)从实验结果可知清除污渍所需要的时间越短,酶的活性越高。通过表中的数据,不能得出“酶的最适温度是50 ℃”的结论,因为不知道水温高于50 ℃后酶的清除效果(缺少50 ℃以上水温条件下的实验数据)。(4)由甲、乙组洗涤效果的差异可知,蛋白酶只能催化蛋白质水解,脂肪酶只能催化脂肪水解,能够说明酶具有专一性。(5)在水温为80 ℃的条件下,蛋白酶和脂肪酶均会变性失活,所以这三组的结果无明显差异。
三 固定化酶制备和应用
例3：为了探索海藻酸钠固定化对绿球藻生长的影响,以及固定化藻对含Zn2+污水的净化作用,科研人员用筛选到的一株绿球藻进行实验,流程及结果如下。请回答下列问题:
(1)实验中的海藻酸钠作用是 ,CaCl2的作用是 ? 。?
(2)为洗去凝胶球上残余的CaCl2和其他污染物,并保持绿球藻活性,宜采用 洗涤。图1中1.0%海藻酸钠组培养24 h后,移去凝胶球,溶液呈绿色,原因是 ? 。?
(3)为探索固定化藻对含Zn2+污水的净化作用,应选用浓度为 海藻酸钠制备凝胶球。?
(4)图2中空白凝胶球组Zn2+浓度下降的原因是? 。?
结合图1和图2分析,固定化藻的实验组24～48 h间Zn2+浓度下降速度较快的主要原因是? ;?72～96 h间Zn2+浓度下降速度较慢的原因有? 。?
【答案】 (1)包埋绿球藻(包埋剂) 与海藻酸钠反应形成凝胶球
(凝固剂)
(2)培养液(生理盐水) 海藻酸钠浓度过低(凝胶球孔径过大)
(3)2.0%
(4)凝胶吸附Zn2+ 绿球藻生长(增殖)速度快 绿球藻生长(增殖)速度减慢,溶液中Zn2+浓度较低
【解析】(1)海藻酸钠溶液在CaCl2溶液中会形成凝胶球,包埋绿球藻。
(2)用培养液或生理盐水洗去凝胶球上残余的CaCl2和其他污染物,可保持绿球藻活性。溶液呈绿色,说明固定化的绿球藻数量少,原因是海藻酸钠浓度过低(凝胶球孔径过大)。
(3)根据图1可知,浓度为2.0%的海藻酸钠制备的凝胶球最有利于绿球藻的繁殖。
(4)空白凝胶球可吸附Zn2+,导致溶液中Zn2+浓度下降;根据图1和图2分析,固定化藻的实验组24～48 h间绿球藻数量增加最快,导致Zn2+浓度下降速度较快,72～96 h间绿球藻数量基本不再增加,且溶液中Zn2+浓度已较低,导致Zn2+浓度下降速度较慢。
变式训练3：某一实验小组的同学,欲通过制备固定化酵母细胞进行葡萄糖溶液发酵实验,实验材料及用具齐全。
(1)制备固定化酵母细胞常用 法。?
(2)制备固定化酵母细胞的过程为
①使干酵母与 混合并搅拌,使酵母菌活化;?
②将无水CaCl2溶解在蒸馏水中,配成CaCl2溶液;
③用酒精灯加热配制海藻酸钠溶液;
④海藻酸钠溶液冷却至室温再加入已活化的酵母细胞,充分搅拌并混合均匀;
⑤用注射器将?的混合物缓慢滴入氯化钙溶液中。
(3)该实验小组用如图所示的装置来进行葡萄糖发酵。
①从上端漏斗中加入反应液的浓度不能过高的原因是? 。?
②要想得到较多的酒精,加入反应液后的操作是 活塞1和 活塞2。?
③为使该实验中所用到的固定化酵母细胞可以反复利用,实验过程一定要在 条件下进行。?
④装置中的长导管起的作用是 。?
【答案】 (1)包埋
(2)①蒸馏水 ⑤海藻酸钠溶液和酵母细胞
(3)①葡萄糖溶液的浓度过高会使酵母细胞因失水过多而死亡 ②关闭 关闭 ③无菌 ④释放CO2,防止空气中的杂菌进入反应柱
【解析】细胞固定化常用包埋法,应用酵母细胞固定化发酵时,注意反应物浓度不应过高,过高会使酵母细胞失水过多而死亡,发酵过程中应在无氧条件下,所以关闭活塞,防止酵母菌细胞被杂菌污染,最好在无菌条件下进行,装置中的长导管的作用是既可释放CO2,又可防止空气中杂菌进入反应柱。
1. 回答下列问题:
(1)蛋白酶甲、乙、丙三者的活性随pH的变化如图所示。通常,用清水洗涤衣服上的新鲜血迹时,不应该使用开水,原因是 。?
若要去除衣服上的血渍,应选择含有?
(填“蛋白酶甲”“蛋白酶乙”或“蛋白酶丙”)的碱性洗衣粉,理由是? 。?
(2)某同学为了洗去衣服上的油渍,洗衣时在市售的蛋白酶洗衣液中添加脂肪酶,该同学的做法 (填“合理”或“不合理”),理由是 。?
(3)已知溶液的pH可以影响酶的活性,请推测pH影响某种蛋白酶活性的原因可能是其影响了酶和底物分子中 (填“羧基和氨基”“氨基和甲基”“羧基和甲基”或“甲基和甲基”)等基因的解离状态。?
【答案】 (1)开水使血中的蛋白质变性而沉淀,难以清洗 蛋白酶丙 碱性条件下只有蛋白酶丙有活性
(2)不合理 蛋白酶会降解脂肪酶
(3)羧基和氨基
【解析】(1)用清水洗涤衣服上的新鲜血迹时,如果使用开水,会使血中的蛋白质变性而沉淀,难以清洗。使用碱性洗衣粉去除衣服上的血渍,碱性条件下只有蛋白酶丙有活性,应选择含有蛋白酶丙的碱性洗衣粉。
(2)脂肪酶的化学成分为蛋白质,会被原洗衣粉中的蛋白酶水解。
(3)蛋白酶和其作用的蛋白质类污渍的氨基和羧基均会发生解离,pH会影响其解离状态。
2.假设你已经探究了果胶酶的最适温度(为45 ℃)和最适pH(为4.8),若还想进一步研究果胶酶的最适用量。合理设置果胶酶用量的梯度后,可通过苹果泥出汁的多少来判断酶的用量是否合适。请根据所给的材料和用具完成以下探究实验。
(1)材料用具:制备好的苹果泥、恒温水浴装置、试管、漏斗、滤纸、量筒、试管夹、质量分数为2%的果胶酶溶液、质量分数为0.1%的NaOH溶液和盐酸。
(2)实验步骤:
①取6支试管,编号为1～6,分别加入 ,调节pH至4.8,然后放入45 ℃的恒温水浴锅中保温。?
②向1～6号试管中分别加入 ,?继续在45 ℃恒温水浴装置中 。?
③ 。?
(3)该实验的自变量是 。?
【答案】 (2)等量的苹果泥 45 ℃的不同体积的pH为4.8的果胶酶溶液 保温一段时间 过滤苹果泥并记录果汁体积 (3)果胶酶的用量
【解析】(2)温度、pH、苹果泥用量等为无关变量,各组实验中应保持适宜且相同。应先把酶和反应物分别控制在适宜环境下,再混合酶和反应物。应在1～6号试管中先分别加入等量的苹果泥,并控制适宜的温度和pH。然后向1～6号试管中分别加入45 ℃的不同体积的pH为4.8的果胶酶溶液;继续在45 ℃恒温水浴装置中保温一段时间,使果胶酶发挥作用。一段时间后可过滤苹果泥并记录果汁体积,果汁体积最大时果胶酶的最小用量即为果胶酶的最适用量。(3)研究果胶酶的最适用量,实验的自变量应是果胶酶用量的不同。
3.东北农业大学科研人员利用双重固定法,即采用戊二醛作交联剂(使酶相互连接),海藻酸钠作为包埋剂来固定小麦酯酶,来研究固定化酶的性质,并对其最佳固定条件进行了探究。下图显示的是部分研究结果,请分析回答下列问题:
注:酶活力为固定化酶催化化学反应的总效率
(1)测定酶活力时可以用单位时间内、单位体积中反应物的 或产物的 来表示。?
(2)从对温度变化适应性和应用范围的角度分析,甲图所示结果可以得出的结论是 。?
(3)乙图曲线表明浓度为 的海藻酸钠包埋效果最好,当海藻酸钠浓度较低时,酶活力较低原因是 ? 。?
(4)固定化酶的活力随使用次数的增多而下降,由丙图可知,固定化酯酶一般可重复使用 次,酶活力明显下降。?
(5)固定小麦酯酶不仅采用海藻酸钠直接包埋,同时用戊二醛作交联剂,这是因为?
。?
【答案1)消耗量 生成量 (2)固定化酶比游离酶对温度变化适应性更强且应用范围较广 (3)3% 包埋不紧密,酶分子容易漏出,数量不足 (4)3 (5)酶分子很小,很容易从包埋材料中漏出
【解析】(1)酶活力通常用单位时间内、单位体积中底物的消耗量或产物的生成量表示。
(2)通过分析甲图可知,固定化酶与游离酶相比,对温度变化的适应性更强且应用范围较广。
(3)乙图曲线表明浓度为3%的海藻酸钠包埋效果最好,此时酶活力最高。当海藻酸钠浓度较低时包埋不紧密,酶分子容易漏出,数量不足,因此酶活力较低。
(4)由丙图可知,固定化酶的活力随使用次数的增多而下降,且在使用3次以后,酶活力显著下降。
(5)由于小麦酯酶分子很小,很容易从包埋材料中漏出,因此固定小麦酯酶不采用海藻酸钠直接包埋,而是采用双重固定法。
4.制备固定化酵母细胞的过程为酵母细胞活化→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。
请回答下列问题:
(1)活化就是让处于休眠状态的微生物重新恢复 状态。?
(2)海藻酸钠溶液必须冷却至室温后才能和酵母混合,原因是 。?
(3)此固定酵母细胞的方法是 法。?
(4)制备固定化酶则不宜用此方法,原因是? 。?
【答案】 (1)正常生活 (2)防止高温杀死酵母菌 (3)包埋
(4)酶分子小,容易从包埋材料中漏出
【解析】(1)酵母菌在缺水状态下处于休眠状态,加入水活化使得酵母菌恢复正常的生活状态。
(2)海藻酸钠溶液必须冷却至室温后才能和酵母混合,防止高温杀死酵母菌。
(3)细胞个体大,难以吸附或结合,而且不易从包埋材料中漏出,则固定化细胞一般采用包埋法。
(4)制备固定化酶则不宜用包埋法,是因为酶分子较小,容易从包埋材料中漏出。
5.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20世纪70年代,在固定化酶技术的基础上,又发展出了细胞固定化技术。请回答下列有关固定化酶和固定化细胞方面的问题:
(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,固定化细胞固定的是 。?
(2)制备固定化酵母细胞常用的包埋材料是 ,使用了如图所示的方法[ ] (填图号及名称)。?
(3)使用纤维素酶和化学方法都能分解纤维素,请指出使用酶处理的优点:? 。?
(4)为什么一般不能用加酶洗衣粉洗涤丝绸及羊毛衣物? 。?
【答案】 (1)酶既能与反应物接触,又容易与产物分离,且能反复利用 多酶系统(或一系列酶、多种酶) (2)海藻酸钠 C 包埋法 (3)处理效率高、反应条件温和、不污染环境、成本低 (4)洗衣粉中的蛋白酶会将丝绸及羊毛衣物中的蛋白质成分水解,损坏衣物
【解析】(1)在实际生产中,固定化酶技术的优点是酶既容易与反应物接触,又容易与产物分离,固定在载体上的酶能反复利用;与固定化酶技术相比,固定化细胞固定的是多酶系统(或一系列酶、多种酶)。
(2)制备固定化酵母细胞,由于细胞体积大,难以被吸附或结合,多采用包埋法,即图中C方法,常用的载体是海藻酸钠。
(3)与利用化学方法分解纤维素相比,使用纤维素酶分解纤维素具有处理效率高、反应条件温和、不污染环境、成本低等优点。
(4)洗衣粉中的蛋白酶会将丝绸及羊毛衣物中的蛋白质成分水解,损坏衣物,所以一般不能用加酶洗衣粉洗涤丝绸及羊毛衣物。
