专题四 酶的研究与应用(江苏省泰州市泰兴市)

2008年泰兴市第二高级中学高三生物教学一体化教学案 主备人 薛新建 08.1.15
专题四 酶的研究与应用
一【学习导航】
酶是生物催化剂，具有高效、专一和所需反应条件温和的优点。目前，酶已广泛应用于食品、环保和化工等各个行业，取得了良好的经济效益。本专题是在必修课的基础上，通过实验研究影响酶活性的因素以及酶在日常生活和工业生产上的应用。通过本专题3各课题的学习，学生应该掌握测定酶活力的简单方法；能够研究酶活性的因素；理解固定化酶和固定化细胞的原理和方法；探讨酶在生产生活中的应用。
课题1 果胶酶在果汁生产中的应用
二、【课题目标】
简述果胶酶的作用；检测果胶酶的活性；探究温度和pH对果胶酶活性的影响以及果胶酶的最适用量；搜集有关果胶酶应用的资料。
三、【课题重点与难点】
课题重点：温度和pH对果胶酶活性的影响。
课题难点：果胶酶的最适用量。
四、【知识要点】1.果胶酶的作用；2.酶的活性的定义；3.影响酶活性的因素；4.果胶酶的用量。
五、【课前导读】
1．果胶是植物细胞壁以及胞间层的主要组成成分之一，它是由 聚合而成的一种高分子化合物，不溶于水。在果汁加工中，果胶不仅会影响出汁率，还会使果汁浑浊。果胶酶能够分解 ，瓦解植物细胞的 及 ，使榨取果汁更容易，而果胶分解成可溶性的 ，也使得浑浊的果汁变得澄清。果胶酶并不特指某一种酶，而是分解果胶的一类酶的总称，包括 、 和 等。
2．酶的活性是指 的能力。酶活性的高低可以用在一定条件下，酶所催化的某一化学反应的 来表示。在科学研究与工业生产中，酶反应速度用单位时间内、单位体积中 或 来表示。
3． 、 和 等条件会影响酶的活性。
六、【疑难点拨】
1．为什么在混合苹果泥和果胶酶之前，要将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理？
提示：将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理，可以保证底物和酶在混合时的温度是相同的，避免了果泥和果胶酶混合时影响混合物的温度，从而影响果胶酶活性的问题。
2．在探究温度或pH的影响时，是否需要设置对照？如果需要，又应该如何设置？为什么？
提示：需要设置对照实验，不同的温度梯度之间或不同的pH梯度之间就可以作为对照，这种对照称为相互对照。
3．A同学将哪个因素作为变量，控制哪些因素不变？为什么要作这样的处理？B同学呢？
提示：A同学将温度或pH作为变量，控制不变的量有苹果泥的用量、果胶酶的用量、反应的时间和过滤的时间等。只有在实验中保证一个自变量，实验结果才能说明问题。B同学对于变量的处理应该与A同学相同，只是观察因变量的角度不同。
4．想一想，为什么能够通过测定滤出的苹果汁的体积大小来判断果胶酶活性的高低？提示：果胶酶将果胶分解为小分子物质，小分子物质可以通过滤纸，因此苹果汁的体积大小反应了果胶酶的催化分解果胶的能力。在不同的温度和pH下，果胶酶的活性越大，苹果汁的体积就越大。
5．当探究温度对果胶酶活性的影响时，哪个因素是变量，哪些因素应该保持不变？
提示：温度是变量，应控制果泥量、果胶酶的浓度和用量、水浴时间和混合物的pH等所有其他条件不变。只有这样才能保证只有温度一个变量对果胶酶的活性产生影响。
七、【典例解析】
下图纵轴为酶反应速度，横轴为底物浓度，其中能正确表示酶量增加1倍时，底物浓度和反应速度关系的是
解析：在酶促反应中，如果底物浓度足够大，足以使酶饱和，则反应速度与酶浓度成正比。可由米氏方程推出：V=(K3[S]/Km+[S])×[E]，当[S]维持不变时，V与[E]成正比。由以上叙述可知B选项正确
八【课本答案和提示】
（一）旁栏思考题
1．为什么在混合苹果泥和果胶酶之前，要将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理？
提示：将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理，可以保证底物和酶在混合时的温度是相同的，避免了果泥和果胶酶混合时影响混合物的温度，从而影响果胶酶活性的问题。
2．在探究温度或pH的影响时，是否需要设置对照？如果需要，又应该如何设置？为什么？
提示：需要设置对照实验，不同的温度梯度之间或不同的pH梯度之间就可以作为对照，这种对照称为相互对照。
3．A同学将哪个因素作为变量，控制哪些因素不变？为什么要作这样的处理？B同学呢？
提示：A同学将温度或pH作为变量，控制不变的量有苹果泥的用量、果胶酶的用量、反应的时间和过滤的时间等。只有在实验中保证一个自变量，实验结果才能说明问题。B同学对于变量的处理应该与A同学相同，只是观察因变量的角度不同。
4．想一想，为什么能够通过测定滤出的苹果汁的体积大小来判断果胶酶活性的高低？
提示：果胶酶将果胶分解为小分子物质，小分子物质可以通过滤纸，因此苹果汁的体积大小反应了果胶酶的催化分解果胶的能力。在不同的温度和pH下，果胶酶的活性越大，苹果汁的体积就越大。
5．当探究温度对果胶酶活性的影响时，哪个因素是变量，哪些因素应该保持不变？
提示：温度是变量，应控制果泥量、果胶酶的浓度和用量、水浴时间和混合物的pH等所有其他条件不变。只有这样才能保证只有温度一个变量对果胶酶的活性产生影响。
（二）练习
答：大规模生产与实验室制备的主要不同点是：
1.有两次瞬间高温灭菌；
2.酶处理的时间相对较长；
3.有离心分离步骤和浓缩步骤。
九、【课堂演练】
选择题
1．同一个体内的各类活细胞所含的酶
A．种类有差异，数量相同 B．种类有差异，数量不同
C．种类无差异，数量相同 D．种类无差异，数量不同
2．果子酒放久了易产生沉淀，只要加入少量蛋白酶就可使沉淀消失，而加入其他酶则无济于事，这说明
A．酶具有专一性 B．酶的成分是蛋白质
C．酶的活性受环境影响 D．该沉淀的是氨基酸
3．下列说法不正确的是
A．酸碱度和温度是通过影响酶来影响果汁产量的 B．酶的数量越多，果汁产量越多
C．酶的催化反应时间能够影响果汁的产量 D．苹果泥的数量也能够影响果汁的产量
4．下图中，横轴表示酶的反应条件，纵轴表示酶的反应速度，能正确反映温度、pH、时间和底物浓度与酶反应速度关系的是
A．甲、乙、丙、丁 B．甲、甲、丙、丁
C．甲、丁、乙、丙 D．甲、甲、乙、丁
5．下列可表示酶反应速度的是
A．单位时间内反应物的减少量 B．单位体积内产物的增加量
C．单位时间内产物的增加量 D．单位时间、单位体积内反应物的减少量
6．下列不能产生果胶酶的是
A．植物 B．霉菌 C．酵母菌 D．放线菌
7．下列不属于果胶酶的是
A．多聚半乳糖醛酸酶 B．果胶分解酶 C．果胶酯酶 D．半乳糖醛酸酶
8．下列不能影响酶活性的是
A．温度 B．pH C．酶的抑制剂 D．酶的数量
9．下列能影响酶的活性，但不会使酶的分子结构遭到破坏的是
A．低温 B．高温 C．过酸 D．过碱
10．下列不是影响果汁产量的是
A．pH B．温度 C．酶的数量 D．苹果的能用量
非选择题
11．果胶是植物细胞壁以及胞间层的主要组成成分之一。果胶酶能够分解果胶，瓦解植物细胞壁及胞间层。在果汁生产中应用果胶酶可以提高出汁率和澄清度。请你帮助完成以下有关果胶酶和果汁生产的实验课题。
实验用具和材料：磨浆机、烧杯、试管、量筒、刀片、玻璃棒、漏斗、纱布等。苹果、质量分数为2%的果胶酶溶液、蒸馏水等。
实验一：果胶酶在果汁生产中的作用
实验方法及步骤：
⑴将苹果洗净去皮，用磨浆机制成苹果泥，加入适量蒸馏水备用。
⑵取两个100ml洁净的烧杯，编号为1、2号，按相应程序进行操作，请把表中未填写的内容填上。
操作顺序 项目 烧杯
1 2
① 在烧杯中加入苹果泥 20mL 20mL
② 2mL
③ 注入蒸馏水
④ 在恒温水浴中保温，并用玻璃棒不时搅拌 10min 10min
⑶取出两个烧杯，同时进行过滤。观察或比较 ，并记录结果。
实验结果的预测及结论：
如果是 ，则说明果胶酶对果胶的水解具有催化作用。
实验二：验证果胶酶在果汁生产中的作用
⑴在课题实验步骤中，在完成“烧杯中分别加入苹果泥、试管中分别加入果胶酶溶液、编号、编组”之后，有下列两种操作：
方法一：将试管中的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：将试管中的果胶酶溶液和烧杯中的苹果泥的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。
请问哪一种方法更为科学： ，并说明理由： 。
⑵实验步骤中也有玻璃棒搅拌的操作，其目的是使 ，以减少实验误差。
⑶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 ，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，在图20中选择一个最可能是实验结果的曲线图： 。若实验所获得 的最适宜＝m，请你在所选的曲线图中标出“m”点的位置。
课题2 探讨加酶洗衣粉的洗剂效果
一、【课题目标】 1.说出加酶洗衣粉的洗涤原理；
2.探讨温度对加酶洗衣粉洗涤的影响；
3.探讨不同种类的加酶洗衣粉对同一污物和不同污物洗涤效果的区别。
二、【课题重点与难点】
课题重点：区别不同种类的加酶洗衣粉对同一污物和不同污物的洗涤效果。
课题难点：实验过程中各种变量的控制
三、【知识要点】1.蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶的作用；2.影响酶活性的因素。
四、【导学诱思】
1．加酶洗衣粉是指含有 的洗衣粉，目前常用的酶制剂有四类： 、 、 和 。其中，应用最广泛广泛、效果最明显的是 和 。
2．碱性蛋白酶能将血渍、奶渍等含有的大分子蛋白质水解成可溶性的 或小分子的 ，使污迹从衣物上脱落。脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶也能分别将大分子的 、
和 水解为小分子物质，使洗衣粉具有更 的去污能力。
3．在本课题中，我们主要探究有关加酶洗衣粉的三个问题：一是普通洗衣粉和加酶洗衣粉对衣物污渍的 效果有什么不同；二是在什么温度下使用加酶洗衣粉 最好，三是 的洗衣粉，其洗剂效果有哪些区别。
五、【疑难点拨】
1．普通洗衣粉中包含哪些化学成分？
提示：普通洗衣粉中通常包含有：表面活性剂、水软化剂、碱剂、漂白剂等成分，有的洗衣粉中还含有增白剂、香精和色素，以及填充剂等。
2．在本课题中你打算使用什么方法和标准判断洗涤效果？
提示：可在洗涤后比较污物的残留状况，如：已消失、颜色变浅、面积缩小等，
六、【典例解析】
1．下列不属于酶制剂的是
A．蛋白酶 B．脂肪酶 C．淀粉酶 D．麦芽糖酶
解析：目前常用的酶制剂有四大类：蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶。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。碱性蛋白酶能将血渍、奶渍等含有的大分子蛋白质水解成可溶性的氨基酸或小分子的肽，使污迹从衣物上脱落。脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶也能分别将大分子的脂肪、淀粉和纤维素水解为小分子物质，使洗衣粉具有更强的去污能力。
答案;D
2．含有蛋白酶的洗衣粉的洗剂效果好，可以用丝绸作为实验材料吗？
解析：不能。因为丝绸的主要成分是蛋白质，它会被加酶洗衣粉中的蛋白酶分解，损坏衣物。
七、【课本问题答案和提示】
（一）旁栏思考题
1．查阅资料，看看普通洗衣粉中包含哪些化学成分？
提示：普通洗衣粉中通常包含有：表面活性剂、水软化剂、碱剂、漂白剂等成分，有的洗衣粉中还含有增白剂、香精和色素，以及填充剂等。
2．在本课题中你打算使用什么方法和标准判断洗涤效果？
提示：可在洗涤后比较污物的残留状况，如：已消失、颜色变浅、面积缩小等，最好能进行定量的比较。
（二）练习
1.答：列表比较如下。
普通洗衣粉 加酶洗衣粉
相同点 表面活性剂可以产生泡沫，可以将油脂分子分散开；水软化剂可以分散污垢；等等。
不同点 酶可以将大分子有机物分解为小分子有机物，小分子有机物易于溶于水，从而与纤维分开。
2.答：不合适。因为丝绸的主要成分是蛋白质，它会被加酶洗衣粉中的蛋白酶分解，损坏衣物。
八、【课堂演练】
一、选择题
1．科学家通过 技术手段生产出了能够耐酸、耐碱、忍受表面活性剂和较高温度的酶。
A．细胞工程 B．基因工程 C．发酵工程 D．酶工程
2．蛋白酶不能洗去
A．油渍 B．血渍 C．奶渍 D．果汁渍
3．下列不能影响加酶洗衣粉活性的是
A．温度 B．酸碱度 C．表面活性剂 D．水的数量
4．普通洗衣粉中含有 元素，会使环境污染？
A．氮 B．磷 C．铁 D．镁
5．加酶洗衣粉可以降低 的数量，使洗涤剂朝低磷、无磷的方向发展，减少对环境的污染。
A．表面活性剂 B．碱剂 C．漂白剂 D．水软化剂
6．与普通洗衣粉相比，加酶洗衣粉的优点不包括
A．容易去汗渍 B．容易去油污
C．容易除去奶渍 D．可以重复使用
7．酶制剂中的酶化学本质是
A．蛋白质 B．有机物 C．RNA D．核酸
8．当前生产酶制剂所需要的酶主要来自
A．动物的组织和器官 B．植物组织和器官
C．微生物 D．基因工程
二、非选择题
9．请你根据以下实验材料和条件写出探究复合酶的洗衣粉的最适温度的实验步骤。
实验材料：添加了复合酶的洗衣粉，大小相同的白棉布4块（在上面分别滴加4滴同种的植物油，放置至干燥）。
水温、水质及水量：水温的温度梯度为5℃、15℃、25℃和35℃（其中5℃可以通过冰箱冷藏室来控制，其他温度可以通过水浴控制）；水质为自来水；水量为500 mL。实验仪器：1000 mL的烧杯、玻璃棒等。
实验步骤：
10．比较
普通洗衣粉 加酶洗衣粉
相同点
不同点
【知识拓展】
1．家用洗衣粉的成分及作用
家用洗衣粉和其他各种家用洗涤剂的成分基本相同，主要含有表面活性剂、水软化剂、碱剂、漂白剂和香精等成分。
表面活性剂 表面活性剂是洗衣粉的主要成分。表面活性剂有阴离子、阳离子、非离子和两性离子等四大类，但用于洗涤的表面活性剂则以阴离子和非离子为主。最普通、最传统的阴离子表面活性剂就是人类使用了几百年的肥皂（高级脂肪酸钠）。合成洗涤工业问世之后，使用最普遍的是十二烷基苯磺酸钠，非离子表面活性剂应用最广泛的是聚氧乙烯醚类。
水软化剂 水软化剂可防止水中的钙、镁离子造成的阴离子表面活性剂失活，提高表面活性剂利用率。三聚磷酸钠是最为常用的一种水软化剂，它具有软化水质、分散污垢、缓冲碱剂及抗结块性能等特点，三聚磷酸钠广泛应用于各种洗衣粉中，无磷洗衣粉中不含有三聚磷酸钠。
碱剂 在适当的碱度下，纤维和污垢可被最大限度地离子化，更易于污垢的水解和分散。一般洗衣粉配方中都含有纯碱和硅酸钠，其中硅酸钠还具有使污垢颗粒悬浮、防止再沉积的作用。
漂白剂 某些洗衣粉中含有过硼酸钠一类的漂白剂，可以延缓衣物的泛黄程度，但对衣物有一定的损伤。
酶 洗衣粉中一般添加了蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶等。酶是一种专一性的生物催化剂，蛋白酶可以催化水解肉、蛋和奶渍，淀粉酶可以催化水解酱、粥等污渍，脂肪酶可以催化水解各类动植物油脂和人体皮脂腺分泌物及化妆品污垢，纤维素酶可使织物增艳（新）、去除颗粒性污垢，但过量使用，也能损伤棉、麻等天然纤维织物。
增白剂 丝、棉、毛类等天然纤维的浅色衣物容易变黄，加入增白剂后，它能够留存在衣物上，吸收阳光中的紫外线，反射出与黄光互补的蓝色光线，从而掩盖了衣物上的黄色。
香精和色素 改善洗衣粉的气味和外观，给人清新愉悦的感受，并掩盖某些化学成分的异味。
2．加酶洗衣粉
加酶洗衣粉就是在合成洗衣粉中，加入0.2％～0.5％的酶制剂制成的。在洗衣粉中添加的酶的种类很多，如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶等。我国在洗衣粉中添加的酶最主要的是碱性蛋白酶。这种酶能耐碱性条件，而且耐贮存，对皮肤、衣物没有刺激和损伤作用。碱性蛋白酶能使蛋白质水解成可溶于水的多肽和氨基酸。衣物上附着的血渍、汗渍、奶渍、酱油渍等污物，都会在碱性蛋白酶的作用下，结构松弛、膨胀解体，稍加搓洗，污迹就会从衣物上脱落。
使用加酶洗衣粉时必须注意以下几点：（1）碱性蛋白酶能使蛋白质水解，因此，蛋白质类纤维（羊毛、蚕丝等）织物就不能用加酶洗衣粉来洗涤，以免使纤维受到破坏；（2）使用加酶洗衣粉时，必须注意洗涤用水的温度。碱性蛋白酶在35 ℃～50 ℃时活性最强，在低温下或70 ℃以上就会失效；（3）加酶洗衣粉也不宜长期存放，存放时间过长会导致酶活力损失；（4）加酶洗衣粉不宜与三聚磷酸盐共存，否则酶的活性将会丧失；（5）添加了碱性蛋白酶的洗衣粉可以分解人体皮肤表面蛋白质，而使人患过敏性皮炎、湿疹等，因此，应避免与这类洗衣粉长时间地接触。
课题3 酵母细胞的固定化
一、【课题目标】
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。
二、【课题重点与难点】
1．课题重点：制备固定化酵母细胞。
2．课题难点：制备固定化酵母细胞
三、【知识要点】
1.利用固定化酶技术生产高果糖浆的实例；
2.固定化酶的反应柱示意图；
3.固定化酶在生产实践中的优点
五、【导学诱思】
1．高果糖浆的生产需要使用 ，它能将葡萄糖转化成果糖。这种酶的 好，可以持续发挥作用。但是，酶溶解于葡萄糖溶液后，就无法从糖浆中回收，造成很大的浪费。
2．使用固定化酶技术，将这种酶固定在一种 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 。酶颗粒无法通过筛板的小孔，而反应溶液却可以自由出入。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 接触，转化成果糖，从反应柱的下端流出。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。
3．固定化酶和固定化细胞是利用 或 方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术，包括 、 和 法。一般来说，酶更适合采用
和 法固定，而细胞多采用 法固定化。这是因为细胞个大，而酶分子很小；个大的难以被 或 ，而个小的酶容易从 中漏出。
4．包埋法法固定化细胞即将微生物细胞包埋在不溶于水的中。常用的载体有 、 、 、 和 等。
a基本原理；
固定化酶和固定微生物细胞的原理是将酶或微生物细胞利用物理的或化学的方法，使酶或细胞与固体的水不溶性支持物（或称载体）相结合，使其既不溶于水，又能保持酶和微生物的活性。它在固相状态作用于底物，具有离子交换树脂那样的特点，有一定的机械强度，可用搅拌或装柱形式与底物溶液接触。由于酶和微生物细胞被固定在载体上，使得它们在反应结束后，可反复使用，也可贮存较长时间使酶和微生物活性不变。该项技术是近代工业微生物学上的重要革新，展示着广阔的前景。
　　固定化酶的研究开始于50年代初至60年代后半期，发展迅速。由于微生物酶有胞外酶和胞内酶之分，胞外酶由微生物细胞合成后分泌至培养基中；胞内酶在整个培养过程始终保留在细胞内或细胞表面，只有当细胞裂解后才能释放至培养基中，因此，在使用胞内酶时，应先将其从细胞中提取出来。有些胞内酶在提纯、固定化过程中还会失去活性，提纯过程复杂，故提高了成本，给固定化酶带来许多麻烦。此外，有些酶促反应需要多步完成，固定一种酶并不能满足工艺需要。因此，由固定化酶发展到将整个细胞固定化起来，即微生物细胞固定化，其优点是可避免复杂的酶提取和纯化过程，同时解决了酶的不稳定性问题。细胞固定化后，酶活较高，操作稳定性较好，可在多步酶促反应中应用并便于连续化、自动化操作。一般胞内酶、提纯酶在固定化中或固定化后常不稳定、而微生物不含干扰酶或易去除干扰性酶，若代谢底物及产物均为低分子物质时使用固定化微生物细胞效果更佳。
　　微生物细胞固定化常用载体有（1）多糖类（纤维素、琼脂、葡聚糖凝胶、藻酸钙、K- 角叉胶、DEAE- 纤维素等）；（ 2）蛋白质（骨胶原、明胶等）；（3）无机载体（氧化铝、活性炭、陶瓷、磁铁、二氧化硅、高岭土、磷酸钙凝胶等）；（4）合成载体（聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、酚醛树脂等）。选择载体原则以价廉、无毒、强度高为好。微生物细胞固定化常用的方法有三大类：
　　1．吸附法
　　吸附法是将细胞直接吸附于惰性载体上，分物理吸附法与离子结合法。①物理吸附法是利用硅藻土、多孔砖、木屑等作为载体，将微生物细胞吸附住。②离子结合法是利用微生物细胞表面的静电荷在适当条件下可以和离子交换树脂进行离子结合和吸附制成固定化细胞。吸附法优点是：操作简便、载体可再生；缺点是：细胞与载体的结合力弱，pH、离子强度等外界条件的变化都可以造成细胞的解吸而从载体上脱落。
　　2．包埋法
　　是将微生物细胞均匀地包埋在水不溶性载体的紧密结构中，细胞不至漏出而底物和产物可以进入和渗出。细胞和载体不起任何结合反应，细胞处于最佳生理状态。因此，酶的稳定性高，活力持久，所以目前对于微生物细胞的固定化大多采用包埋法。
　　3．共价交联法
　　是利用双功能或多功能交联剂，使载体和酶或微生物细胞相互交联起来，成为固定化酶或固定化细胞。常用的最有效的交联剂是戊二醛，这是一种双功能的交联剂，在它的分子中，一个功能团与载体交联，另一个功能团与酶或细胞交联。此法最为突出的优点是：固定化酶或细胞稳定性好，共价交联剂和载体都很丰富。
然而到目前为止，尚无一种可用于所有种类的微生物细胞固定化的通用方法，因此，对某一特定的微生物细胞来说，必须选择其合适的固定化方法和条件。
海藻酸钠，一种天然多糖，具有药物制剂辅料所需的稳定性、溶解性、粘性和安全性。1881年，英国化学家E.C.Stanford首先对褐色海藻中的海藻酸盐提取物进行科学研究。他发现该褐藻酸的提取物具有几种很有趣的特性，它具有浓缩溶液、形成凝胶和成膜的能力。基于此，他提出了几项工业化生产的申请。但是，海藻酸盐直到50年之后才进行大规模工业化生产。商业化生产始于1927年，现在全世界每年约生产30000吨，其中30％用于食品工业，剩下的用于其它工业，制药业和牙科。
海藻酸钠为D- 甘露糖醛酸和古洛糖醛酸的线性共聚物，其溶液可以与很多二价和三价阳离子如Ca2+ 、Al3+反应形成凝胶；凝胶可以在室温或任何高于100℃的温度条件下形成，加热也不融化。将微生物细胞与海藻酸钠溶液混匀后，通过注射器针头或相似的滴注器将上述混合液滴入CaCl2+ 溶液中，Ca2+ 从外部扩散进入海藻酸钠与细胞混合液珠内，使藻酸钠转变为水不溶的藻酸钙凝胶，由此将微生物细胞包埋在其中。在此法的使用中，应尽量避免培养基中含有钙螯合剂（如磷酸根），因为它可导致钙的溶解和释放，并由此引起凝胶的破坏。
蔗糖酶活力的检测原理是利用了蔗糖酶可以催化蔗糖水解生成果糖和葡萄糖，而单糖含有游离羰基，具有弱还原性。某些弱氧化剂（如硫酸铜的碱性溶液，即斐林试剂）与单糖在煮沸的条件下，会有溶液的显色变化过程：浅蓝色→棕色→砖红色（氧化亚铜沉淀，）而蔗糖不能与Benedict氏试剂发生颜色反应。且葡萄糖溶液浓度越高，颜色越深。
b、实验步骤
1. 酵母细胞的活化
称取1g干酵母，放入50ml的小烧杯中，加入蒸馏水10ml，用玻璃棒搅拌，使酵母细胞混合均匀，成糊状，放置1h左右，使其活化。
2. 配制物质的量浓度为0.05mol/L的CaCl2溶液
称取无水CaCl2 0.83g，放入200ml的烧杯中，加入150ml的蒸馏水，使其充分溶解，待用。
3. 配制海藻酸钠溶液
称取0.7g海藻酸钠，放入50ml小烧杯中，加入10ml水，用酒精灯加热，边加热边搅拌，将海藻酸钠调成糊状，直至完全溶化，用蒸馏水定容至10ml。注意，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，加入已活化的酵母细胞，进行充分搅拌，使其混合均匀，再转移至注射器中。
5. 固定化酵母细胞
以恒定的速度缓慢地将注射器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。将这些凝胶珠在CaCl2溶液中浸泡30min左右。如果没有注射器，可以在小塑料瓶上安装一个孔径为2mm的喷嘴来使用。
6. 还原糖的定性检测
将固定化酵母细胞装入注射器中（柱下端口塞上棉花），从柱上端加入10-20ml 10%的蔗糖液，静止反应10min。控制一定的流速使水解糖液滴入烧杯中。吸取上述水解液2mL于干净试管中，加入Benedict氏试剂2mL，浸入沸水浴中约1-2min，观察颜色变化。有氧化亚铜沉淀的说明蔗糖已被水解，管中有蔗糖酶的存在。以10%蔗糖液作空白对照。
（Benedict氏试剂：
①400mL水中加85g柠檬酸钠和50g无水碳酸钠；
②50mL加热的水中加入8.5g无水硫酸铜。制成溶液；
③把溶液倒入柠檬酸钠溶液中，边加边搅，如产生沉淀可滤去。）
c主要关键技术
1. 酵母细胞的活化。在缺水的状态下，微生物会处于休眠状态。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。酵母细胞所需要的活化时间较短，一般需要0.5～1 h，教师需要提前做好准备。此外，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容器外。
2. 加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环，涉及到实验的成败，教师一定要提醒学生按照教材的提示进行操作。海藻酸钠的浓度涉及到固定化细胞的质量，是决定固定化酵母渗透性的重要因素，如果海藻酸钠浓度过高，将很难形成凝胶珠；海藻酸钠浓度较低时，凝胶的相对渗透性增强，有利于底物的进入和产物的排出，有利于酵母的发酵作用，但如果浓度过低，会导致凝胶的网状结构过大，酵母细胞易由包埋介质中泄漏出来，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目少，影响实验效果。
3. 刚形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡一段时间，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，就表明凝胶珠的制作成功。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。
4. Ca2+浓度是决定海藻酸钙固定化酵母机械强度的重要因素，在一定范围内对固定化酵母的发酵特性无显著影响，随着Ca 2+浓度的增加，固定化酵母的强度增加，但当浓度过大时，会使固定化酵母颗粒的通透性降低，影响其发酵。
5. 考虑到用固定化酵母进行酒精发酵的时间较长，为了保证在有限的时间内能够尽快看到实验效果，故改用蔗糖来定性检验固定化的酵母细胞蔗糖酶的活性。
六、【疑难点拨】
1．细胞的活化。
提示：在缺水的状态下，微生物会处于休眠状态。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。酵母细胞所需要的活化时间较短，一般需要0.5～1小时。
2．如何检验凝胶珠的质量是否合格。
提示：检验凝胶珠的质量是否合格，可以采用以下方法。一是用镊子夹起一个凝胶珠放在实验桌上用手挤压，如果凝胶珠不破裂，没有液体流出，就表明凝胶珠的制作成功。二是在实验桌上用力摔打凝胶珠，如果凝胶珠很容易弹起，也表明制备的凝胶珠是成功的。
七、【典例解析】
1．酶和细胞分别适应哪种固定方法？
提示：一般来说，酶更适合采用化学结合和物理吸附法固定，而细胞多采用包埋法固定化。这是因为细胞个大，而酶分子很小；个大的难以被吸附或结合，而个小的酶容易从包埋材料中漏出。
八、【课本问题答案和提示】
练习
1.答：直接使用酶、固定化酶和固定化细胞催化的优缺点如下表所示。
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；溶液中的酶很难回收，不能被再次利用，提高了生产成本；反应后酶会混在产物中，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。
3.提示：可以从酶的结构的多样性，对理化条件的敏感程度等角度思考
九、【课堂演练】
选择题
1．酶的固定化常用的方式不包括
A．吸附 B．包埋 C．连接 D．将酶加工成固体
2．溶解海藻酸钠，最好采用 加热的方法
A．小火间断 B．小火持续 C．大火间断 D．大火持续
3．高果糖浆生产需要的酶是
A．葡萄糖异构酶 B．蔗糖酶 C．麦芽糖酶 D．果糖酶
4．关于酵母菌的叙述，正确的是
A．酵母菌在营养物质充足时、环境适宜时，依靠有性生殖进行繁殖
B．酵母菌的代谢类型时异养厌氧型
C．酵母菌的生物膜系统包括细胞膜、核膜、各种的细胞器膜等膜
D．用酵母菌酿酒时，应先密封后通气
5．研究认为，用固定化酶技术处理污染物是很有前途的，如将大肠杆菌得到的三酯磷酸酶固定到尼龙膜上制成制剂，可用于降解残留在土壤中的有机磷农药，于微生物降解相比，其作用不需要适宜的
A．温度 B．酸碱度 C．水分 D．营养
6．将酵母菌的培养液由富氧状态变为缺氧状态，下面加快的一项是
A．CO2的释放 B．丙酮酸的氧化 C．葡萄糖的利用 D．ATP的形成
7．固定化酶的优点是
A．有利于增加酶的活性 B．有利于产物的纯化
C．有利于提高反应速度 D．有利于酶发挥作用
8．下列不是用于包埋法固定化细胞的载体是
A．琼脂糖 B．醋酸纤维素 C．聚丙烯酰胺 D．聚乙烯树脂
非选择题
9．在固定化细胞技术中，从操作角度考虑， 方法更容易； 方法对酶活性的影响小；如果想将微生物的发酵过程变成连续的酶反应，应选择 方法；如果反应物是大分子，应选择 方法。
10．凝胶珠的颜色是 ；形状是 。
11．利用固定化酵母细胞发酵葡萄糖溶液， （填有或无）气泡产生： （填有或无）酒精产生。
12．固定化酶和一般酶制剂的主要区别是 。
【知识拓展】
固定化微生物细胞利用微生物来生产酶具有生产成本低、周期短、产量大等优点。微生物产生的酶，可以分为分泌在细胞外的胞外酶和包含在细胞内的胞内酶。利用胞内酶时，需要采用手段将细胞破碎后，将酶进行分离纯化，提取后酶的活性和稳定性往往都受到很大的影响。
将微生物细胞限制或定位于特定空间位置，即将微生物制成固定化细胞后，既能避免复杂的细胞破碎、酶的提取和纯化过程，又能使酶的活性和稳定性得到较大提高。固定后的微生物细胞可以作为固体催化剂在多步酶促反应中发挥连续催化作用，同时，催化反应结束后又能被回收和重复利用。例如，人们将含有青霉素酰化酶的大肠杆菌细胞进行固定化，用于大规模地生产青霉素母核（青霉素的主体化学结构部分，即6-氨基青霉烷酸），然后再对青霉素母核的侧链进行化学修饰，可以生产半合成青霉素，如氨苄青霉素
专题知识结构
十、酶的研究与应用一课一练
选择题
1．活细胞内合成酶的原料是
A．脂肪酸 B．氨基酸 C．核苷酸 D．氨基酸和核苷酸
2．关于酶的叙述中，正确的是
A．酶只有在生物体内才能起催化作用
B．酶都有消化作用
C．调节新陈代谢的物质不一定是酶
D．酶都是在核糖体上合成的
3．要破除植物细胞的细胞壁，要用到的物质是
A．果胶酶 B．盐酸 C．氢氧化钠 D．氯化钙
4．关于固定化细胞的叙述，正确的是
A．催化效率高，低耗能、低污染
B．对环境的条件非常敏感，容易失活
C．既能与反应物充分接触，又能与产物分离
D．成本低、操作简单，但反应效果可能很低
5．多酶片中含有蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶，具有辅助消化的作用。其片剂是糖衣片，这样制作的目的是
A．补充体内糖类物质的供给 B．防止胃液的消化
C．经唾液消化后即可迅速起作用 D．使其中各种酶缓慢的起作用
6．下列关于酶的活性叙述不正确的是
A．酶的数量越多，酶的活性越高
B．酶的活性可以用在一定条件霞，酶所催化的某一化学反应的反应速度来表示
C．是指酶催化一定化学反应的能力
D．在适宜的条件下，酶的活性最高
7．在探究温度和pH对酶活性的影响实验中，不需要始终保持的思想方法是
A．设置梯度 B．等量原则 C．单因子变量原则 D．重复性原则
8．下列关于果胶酶的叙述，不正确的是
A．是特指一种酶 B．是指一类酶的总称
C．能分解果胶，瓦解植物的细胞壁 D．果胶酯酶是果胶酶的一种
9．我国在洗衣粉中添加的酶最主要的是
A．碱性蛋白酶 B．碱性脂肪酶 C．酸性蛋白酶 D．酸性脂肪酶
10．固定化细胞技术不包括
A．包埋法 B．化学结合化 C．物理法 D．生物法
11．影响加酶洗衣粉的条件不包括
A．温度 B．pH C．表面活性剂 D．水量
12．普通洗衣粉与加酶洗衣粉的区别正确的是
A．普通洗衣粉中含磷，会污染环境
B．表面活性剂只存在于普通洗衣粉中，会产生泡沫，可以将油脂分子分散开
C．水软化剂只存在于普通洗衣粉中，可以分散污垢，
D．加酶洗衣粉是将酶直接添加到洗衣粉中
13．下列关于酶制剂的说法不正确的是：
A．它是含有酶的制品，可以分为液体和固体两大类
B．加酶洗衣粉中的蛋白酶和脂肪酶等，就是固体的酶制剂
C．酶制剂可以反复使用
D．酶制剂是将某种酶的酶液进行干燥处理后，加入适量的稳定剂和填充剂
14．固定化酶的优点是
A．有利于酶的活性 B．有利于产物的纯化
C．有利于提高反应速度 D．有利于酶发挥作用
15．通过酶工程生产的酶制剂中的酶的化学本质是
A．蛋白质 B．有机物 C．RNA D．核酸
二、非选择题
16．现在，市场上经常见到加酶洗衣粉，它的洗剂效果明显地优于不加酶的洗衣粉。请回答：
（1）这种洗衣粉容易除去衣物上地奶渍和血渍，原因是 。
（2）使用这种洗衣粉，使用温水地效果更好，原因是 。
17．实验研究pH对酶活性的影响。准备5支含有等量酶溶液但pH 各不相同的试管，每支试管加1块1cm3的正方体凝固蛋白质，试管均置于25摄氏度室温条件下，各试管蛋白块消失的时间记录于下表：
酶溶液的pH 1 2 3 4 5
蛋白块消失的时间/min 13 9 11 45 60
（1）蛋白块消失的时间与酶活性强弱有何关系？
（2）pH多大时酶的活性最强
（3）如何根据蛋白块的性质制取实验所需的蛋白块？
（4）提供3种方法使实验能在更短的时间内完成。
（5）人体消化道哪一部分能够分泌本实验中的酶？
（6）为确定蛋白块的消失是由于酶的作用而不是其他因素的作用，还应如何设计实验？
18．利用下列材料用具，验证固定化酵母细胞能发酵生产啤酒。
实验原理：麦芽汁可以渗入到由海藻酸钠和啤酒酵母制成的凝胶珠中。啤酒酵母可以利用自身细胞内的一系列酶将可发酵性糖转化成乙醇。
材料用具：
麦芽汁液体培养基、新鲜斜面啤酒酵母、海藻酸钠、葡萄糖—氯化钙混合液，无菌水；高压蒸汽灭菌锅、恒温培养箱、小烧杯、注射器、500ml三角瓶、天平、玻璃棒、pH试纸、纱布等。
实验步骤：（1）
（2）
（3）
1．B 2．A 3．B 4．D 5．D 6．D 7．D 8．D 9．A 10．C．
11．实验一：（2）注入果胶酶溶液；2ml
（3）在相同时间内滤出的果汁体积和果汁的澄清度
实验结果的预测及结论：相同时间内1号烧杯滤出的果汁体积比2号烧杯滤出的果汁体积大，澄清度高
实验二：
（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(或回答“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）酶和反应物（果胶）充分的接触（3）果胶体积：甲；
答案
1．B 2．A 3．D 4．B 5．A 6．D 7．B 8．C
10．
普通洗衣粉 加酶洗衣粉
相同点 表面活性剂可以产生泡沫，可以将油脂分子分散开，水软化剂可以分散污垢
不同点 酶可以将大分子有机物分解为小分子有机物，小分子有机物易容于水，从而与纤维分开
1．D 2．A 3．A 4．B 5．D 6．C 7．B 8．D
12．能回收可以重复利用
十、酶的研究与应用一课一练
1．D 2．C 3．A 4．C 5．B 6．A 7．D 8．A
9．A 10．D 11．D 12．A 13．C 14．A 15．B
16．（1）奶渍和血渍中含有蛋白质，加酶的洗衣粉含有蛋白酶，能使其中的蛋白质分解
（2）因为酶的催化效率与温度有关，温度过高或过低，都影响酶的活性。
17．（1）酶活性越强，蛋白块消失的时间越短
（2）2 （3）如将鸡蛋煮熟，其蛋白部分则因蛋白质在高温下变性而凝固
（4）适当提高温度以增加酶的催化活性；提高酶的浓度；将蛋白块切的更小些，以增加蛋白酶和蛋白质的接触面积 （5）胃 （6）另取若干试管注入不含酶的等量溶液，调节pH与原实验相同，每支试管中均加一块1cm3的正方体凝固蛋白块。即给原来的每支试管都设计相应的对照实验。
18．实验步骤：（1）取新鲜斜面上的啤酒酵母，接种于10毫升麦芽汁液体培养基中，25摄氏度培养24~30小时。
（2）取1.6g海藻酸钠于无菌小烧杯中，加无菌水少许调成糊状，再加入无菌水至40ml，在98kpa条件下灭菌15min。冷却至45摄氏度左右后，与预热至35摄氏度左右的10ml酵母培养液混合搅拌均匀，立即倒入装有5号针头的注射器外套中，以恒定的速度滴入盛有葡萄糖—氯化钙混合液的容器中，浸泡30min制成凝胶珠。
（3）倒去葡萄糖—氯化钙混合液，用无菌水洗剂凝胶珠三次后，将凝胶珠放入500ml三角瓶中，加入300ml无菌麦芽汁液体培养基，置于25摄氏度下封口发酵5d左右，倒出发酵后的麦芽汁即为生啤酒。
探索 创新 合作
探究影响酶催化效率的因素
设计实验，探究（酶浓度、温度、pH或底物）对酶催化效率的影响。尝试绘出以下各种不同因素影响酶催化效率的坐标曲线图。
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