（免费）课题3：酵母细胞的固定化的学案

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高二年级生物选修1导学提纲（四）
专题4 酶的研究与应用
课题3 酵母细胞的固定化
执笔人：侍东升 校对人：朱春霞
班级____________学号__________姓名_______________
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、课题重点和难点
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、学习过程
A、自主学习
（一）、基础知识
1、课题背景
酶：优点：催化效率高，低耗能、低污染，大规模地应用于食品、化工等各个领域。
实际问题：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。
设想： 。
固定化酶：优点 。
实际问题：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。
设想： 。
固定化细胞：优点 。
2、固定化酶的应用实例
高果糖浆是指 。
能将葡萄糖转化为果糖的酶是 。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、固定化细胞技术
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。
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。
〖思考1〗对固定酶的作用影响较小的固定方法是什么？
〖思考2〗将谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸的发酵过程变为连续的酶反应，应当固定 ；
若将蛋白质变成氨基酸，应当固定 。
4、实验操作
(1)制备固定化酵母细胞
制备固定化酵母细胞需要的材料是 、 和 。
1. 酵母菌的活化
活化就是处于 状态的微生物重新恢复正常的生活状态。
2. 配制物质的量尝试为0.05mol/L的CaCl2溶液。
3. 配制海藻酸钠溶液。
加热溶化海藻酸钠时要注意： 。
4. 海藻酸钠溶液与酵母菌细胞混合。
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 溶液中，并浸泡 (时间)。
(2) 用固定化酵母细胞发酵
1. 将固定好的酵母细胞用 冲洗2-3次。
2. 发酵时的温度就为 ，时间 。
〖思考3〗加热溶化海藻酸钠时微火加热并不断搅拌的目的是什么？
〖思考4〗为什么要海藻酸钠溶液冷却后才能加入酵母细胞？
〖思考5〗发酵过程中锥形瓶为什么要密封？
〖思考6〗锥形瓶中的气泡和酒精是怎样形成的？
〖思考7〗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？
5、结果分析与评价
⑴ 观察凝胶珠的颜色和形状
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，需要再作尝试。
⑵ 观察发酵的葡萄糖溶液
利用固定的酵母细胞发酵产生酒精，可以看到产生了很多 ，同时会闻到 。
B．重点、难点突破
在具体的操作过程中，还应该注意下列问题。
（一）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。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。
（二）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。海藻酸钠的浓度涉及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。
（三）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。
（四）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。
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 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 化学结合法、 固定化、物理吸附法固定化 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
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
优点 催化效率高、耗能低、低污染 ①既能与反应物接触，又能与产物分离②可以重复利用 成本低、操作容易
例1 下列关于固定化酶技术说法中，正确的是
A．固定化酶技术就是固定反应物，让酶依附着载体围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
D．固定化酶是将酶固定在一定空间的技术
解析：固定化酶是利用物理或化学的方法将酶固定在一定的空间内，将酶固定在不溶于水的载体上，使酶既能与反应物接触，又能与产物分离，还可以重复利用，这样既可以降低生产成本，提高产品质量，还可以减少环境污染，由于固定化酶只能固定一种酶，不可能催化一系列的酶促反应。答案D
例2 下列有关固定化酵母细胞制备步骤正确的是
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人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
解析：由于在缺水的状态下，微生物处于休眠状态，为了加速酵母细胞的活化，将干酵母与蒸馏水混合后应用玻璃棒充分搅拌；为避免海藻酸钠发生焦糊，溶化时要用小火间断加热；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用注射器缓慢滴加到CaCl2溶液中，而不是注入。答案B
C．反馈矫正
1．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
2．下列关于固定化酶中用到的反应柱的理解中。正确的是
A．反应物和酶均可自由通过反应柱 B．反应物和酶均不能通过反应柱
C．反应物能通过，酶不能通过 D．反应物不能通过，酶能够通过
3. 如果反应物是大分子物质，采用那种方法催化受限制
A．直接使用酶 B．使用化学方法结合的酶
C．使用固定化细胞 D．使用物理吸附法固定的酶
4．固定化细胞常用包埋法固定，原因是
A．包埋法固定操作最简便 B．包埋法对酶活性的影响最小
C．包埋法固定具有普遍性 D．细胞体积大，难以被吸附或结合
5．下列不属于固定化酶在利用时的特点的是
A．一种固定化酶一般不能催化一系列酶促反应 B．有利于酶与产物分离，提高产物品质
C．能自由出入依附的载体 D．酶是催化剂，但固定化酶也不可永远利用
6．下列关于酵母菌的叙述，正确的是
A．酵母菌在营养物质充足、环境适宜时，依靠有性生殖进行繁殖
B．酵母菌的代谢类型是异养厌氧型
C．酵母菌的生物膜系统包括细胞膜、核膜、各种细胞器膜等
D．用酵母菌酿酒时，应先密封后通气
7．目前，酶已经大规模地应用于各个领域，下列属于应用中所面临的实际问题的是
A．酶通常对强酸、强碱、高温非常敏感，但对有机溶剂不敏感
B．酶的结构比较稳定，所以催化功能很高
C．酶用于生产时可能会混在产物中，影响产品质量
D．直接用于生产中的酶可以多次利用
8. 固定化细胞对酶的活性影响最小，根本原因是
A．避免了细胞破碎、酶的提取纯化过程
B．固定化细胞在多种酶促反应中连续发挥作用
C．促化反应结束后，能被吸收和重复利用
D．细胞结构保证了各种酶在细胞内化学反应中有效的发挥作用
9. 关于酵母细胞活化的说法，不正确的是
A．酵母细胞活化就是由无氧呼吸变成有氧呼吸 B．酵母细胞活化所需要的时间较短
C．活化就是让处于休眠状态的细胞恢复生活状态 D．酵母细胞活化后体积增大
10．下列关于固定化酶和一般酶制剂在应用效果上的说法中，错误的是
A．固定化酶生物活性强，可长久使用
B．一般酶制剂应用后和产物混在一起，产物的纯度不高
C．一般酶制剂只能一次性利用
D．固定化酶可降低生产成本，提高产量和和质量
11．使用固定化酶的优点是
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
12. 酶的固定方式不包括
A. 将酶吸附在载体表面上 B．将酶相互连接起来
C．将酶包埋在细微网格里 D．将酶加工成固体
13. 使用固定化细胞的优点是
A. 能催化大分子物质的水解 B．可催化一系列化学反应
C．与反应物易接近 D．有利于酶在细胞外发挥作用
14.下列关于酶和细胞的固定叙述不正确的是
A．酶分子很小，易采用包埋法 B．酶分子很小，易采用化学结合或物理吸附法固定的酶
C．细胞个大，难被吸附或结合 D．细胞易采用包埋法固定
15．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，与微生物降解相比，其作用不需要适宜的
A．温度 B．酸碱度 C．水分 D．营养
16．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
17．下列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，但反应效率可能很低
18．溶解海藻酸钠，最好采用下列哪种加热的方法
A．小火间断 B．小火持续 C．大火间断 D．大火持续
19. 对配制海藻酸钠溶液的叙述不准确的是
A．加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环
B.海藻酸钠的浓度涉及固定化细胞的质量
C．海藻酸钠的浓度过高，易形成凝胶珠
D．海藻酸钠的浓度过低，形成凝胶珠内包埋细胞过少
20．在制备固定化酵母细胞的实验中，CaCl2溶液的作用是
A．调节溶液pH B．进行离子交换
C．胶体聚沉 D．为酵母菌提供钙离子
21.下图为固定化酶的反应柱示意图，请据图回答：
⑴ 请在横线上填出各标号名称。①
② ③ 。
⑵ 与一般酶制剂相比，固定化酶的突出优点
是
和 ，固定化细胞的
优点是_____________________________。
⑶ ③的作用是 。
⑷ 制作固定葡萄糖异构酶所用的方式有___________________或___________________。
⑸ 据图说出反应柱的作用原理
。
22.下图是制备固定化酵母细胞实验步骤图解，请据图回答：
酵母细胞活化→配制CaCl2溶液→配置海藻酸钠溶液→海藻酸钠溶液与酵母细胞混合→固定化酵母细胞
⑴ 在________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恢复_______状态。活化前应选择足够大的容器，因为酵母细胞活化时____________。
⑵ 影响实验成败的关键步骤是 。
⑶ 如果海藻酸钠浓度过低，形成凝胶珠包埋酵母细胞数目______。
⑷ 观察形成凝胶珠的颜色和形状，如果颜色过浅，说明 ，
如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，说明 。
⑸ 制备固定化酶不宜用包埋法，为什么？
附：课题2 探讨加酶洗衣粉的洗涤效果的参考答案
A、自主学习
（一）、RNA 催化 高效、专一 温度、pH
（1）酶制剂 蛋白酶 脂肪酶 （2）甘油 脂肪酸 多肽 肽酶
（3）碱性蛋白 碱性脂肪 碱性蛋白 血渍 奶渍 氨基酸 小分子的肽
〖思考1〗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。
（二）、（1） 单一变量原则 对照原则 等量原则 使用不同种类 对照
（2）编号； 污染布； 普通洗衣粉；污染布；加酶洗衣粉；一段；
（3）碱性蛋白酶 温度 酶活性 碱性蛋白酶
〖思考2〗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。
C．反馈矫正
1．A 2．B 3．B 4．B 5．D 6．D 7．C 8．C 9．C 10．D 11．AB 12．ABC
13．BCD 14．提示：⑴蛋白酶；因酶具有专一性，血渍、奶渍的主要成分是蛋白质，蛋白酶可将其分解 ⑵是为了使洗衣粉中的蛋白酶充分分解衣物中的蛋白质污渍；用温水浸泡衣物，是因为酶的催化作用需要适宜的温度 ⑶因为温度过高会使酶失去活性 ⑷因为丝质及羊毛衣料中含蛋白质，这样会损坏衣物⑸因为皮肤细胞中有蛋白质，如不清洗双手，会使手的皮肤受到腐蚀
15．(1)受反应液中酶浓度的限制 (2)酶反应的最适温度 (3)温度过高使酶活性下降 (4)C
附：课题3 酵母细胞的固定化的参考答案
A、自主学习
（一）、基础知识
1、能否有一种方法使酶发挥它的优点，而没有这些缺点？ 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。 细胞中有多种酶，能否用固定化酶类似的技术来处理细胞？ 成本低，操作更容易
2、果糖含量为42%的糖浆 葡萄糖异构酶 颗粒状的载体上 筛板 葡萄糖异构酶
3、 物理 化学 包埋 化学结合法 物理吸附法 化学结合法、 物理吸附法 包埋法 化学结合 吸附 包埋料 均匀 多孔性载体 明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等
思考1 吸附法 思考2 细胞 ； 酶
4、干酵母 CaCl2 海藻酸钠溶液 休眠 微火加热并不断搅拌，防止海藻酸钠焦糊 CaCl2
30分钟 蒸馏水 25℃ 24h。
思考3 防止海藻酸钠焦糊 思考4 防止高温杀死酵母细胞
思考5 酵母菌的酒精发酵需要缺氧条件 思考6 酵母菌进行无氧呼吸产生的。 思考7 需要。
5、气泡 酒味
C．反馈矫正
1．A 2．C 3.C 4．D 5．C 6．C 7、C 8.D 9.A 10．A 11、B 12.D 13.B 14.A
15．D 16．D 17．D 18．A 19.C 20．C
21、（1）反应柱； 固定化酶； 分布着小孔的筛板 （2）既能与反应物接触，又能与反应物分离； 能被反复利用； 成本更低，操作更容易 （3）酶颗粒无法通过筛板上的小孔，而反应溶液却可以自由出入。（4）将酶相互连接起来；将酶吸附在载体表面上 （5）反应物溶液从反应柱上端注入，使反应物溶液流过反应柱，与固定化酶接触，得到产物，从反应柱下端流出。
22、（1）缺水； 正常生活状态； 体积增大（2）配制海藻酸钠溶液； (3)少
（4）固定化酵母细胞数目较少； 海藻酸钠浓度偏高，制作失败
（5）因为酶分子很小，容易从包埋材料中漏出
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